ПЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, применяемым преимущественно для испарительного охлаждения жидкости с системах оборотного водоснабжения и холодоснабжения.

Известно устройство для испарительного охлаждения жидкости (а.с. СССР N 445442, кл. F 28 C 1/00, 1972), содержащее корпус, на боковой поверхности которого расположены воздуховходные окна с наклонными внутрь жалюзи, образующие расположенные ярусами каналы, в которых расположены форсунки для эжекции охлаждающего воздуха.

Недостатками известного устройства являются:
для эжекции охлаждающего воздуха необходимо иметь значительное давление жидкости перед форсунками, что вызывает дополнительные расходы электроэнергии ввиду больших гидравлических потерь напора в форсунках:
наличие форсунок повышает требования к чистоте жидкости, ввиду возможности засорения выходных отверстий форсунок взвешенными частицами, находящимися в воде:
интенсивность процессов тепло- и массообмена при применении форсуночного орошения значительно ниже, чем при пенном (например, коэффициент полного теплообмена при форсуночном орошении составляет 5000-30000 кг/м²•ч, а при пенном 30000-80000 кг/м²•ч (см. Холодильная техника, 1972, N 7, стр. 35-38).

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является известный газожидкостной теплообменник для систем контактного охлаждения жидкости (а.с. СССР N 714129 кл. F 28 C 3/06, 1980 прототип), содержащий кожух с входными и выходными патрубками для воздуха и жидкости, поддон, газораспределительную решетку, причем центральная часть решетки служит крышкой камеры, а последняя снабжена днищем со штуцером слива, введенным внутрь поддона.

Недостатками известного газожидкостного теплообменника являются:
процесс тепло- и массообмена в аппаратах такой конструкции происходит в барботажном режиме, а интенсивность теплопередачи в этом режиме значительно ниже, чем в пенном (См. кн. Таубман Е.И. и др. "Контактные теплообменники". М. "Химия", 1988, стр. 102);
при увеличении скорости газа выше оптимального значения возможен "проскок" газа через слой жидкости на газораспределительной решетке, что ухудшит процесс тепло- и массообмена и возможен унос части жидкости даже через каплеуловитель;
при уменьшении скорости газа будет наблюдаться "провал" жидкости через газораспределительную решетку в воздушную камеру, а так как воздух в последнюю подается сбоку, то ввиду образования застойной зоны у противоположной (патрубку подачи воздуха) стенки, охлаждение жидкости в объеме воздушной камеры будет неэффективно.

Задачей предлагаемого изобретения является: интенсификация процессов тепло- и массобмена теплообменивающихся сред, что позволяет улучшить массовые и габаритные характеристики; простота конструкции и надежность эксплуатации.

Анализ аналогов и прототипа показал, что предлагаемое техническое решение обладает существенной новизной и имеет изобретательский уровень, выражающийся в применении новой совокупности существенных признаков, дающих дополнительный положительный эффект, заключающийся в том, что для охлаждения жидкости используется пенный газожидкостной поток, получаемый с помощью подачи воздуха (с определенной скоростью) через пирамидальную секцию и щелевые насадки на поверхность воды, налитой р поддон, причем наибольшей эффект охлаждения жидкости наступает при соотношении площади межщелевого сечения к суммарной площади сечения вертикальных каналов, подающих воздух на поверхность воды в поддоне, как 2,15:1.

Применение предлагаемого технического решения пенного теплообменного аппарата по сравнению с аналогом и прототипом позволяет:
интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, что дает возможность значительно сократить габаритные размеры и массу аппарата;
по сравнению с форсуночным орошением пенное значительно улучшает теплотехнические показатели аппарата (см. табл. 1, данные которой взяты из журнала "Холодильная техника", 1972, N 7, с. 35-38);
использование энергии потока воздуха позволяет отказаться от циркуляционного насоса, трубопроводов и водораспределительных устройств (например форсунок), обязательных для устройств типа аналога и прототипа, что упрощает конструкцию аппарата и повышает его надежность;
пенный поток значительно увеличивает поверхность контакта между воздухом и жидкостью по сравнению с форсуночным и барботажным, что интенсифицирует процессы тепломассообмена;
отсутствие форсунок позволяет избежать опасности засорения водоподающих устройств;
конструкция щелевого насадка позволяет производить регулирование холодопроизводительности аппарата без изменения количества теплообменивающихся сред (жидкости и воздуха) путем изменения уровня жидкости в поддоне аппарата относительно выходного сечения вертикального канала щелевого насадка.

Этим качеством не обладает ни одно из известных водоохлаждающих устройств.

Изобретение является промышленно применимым, так как включает в себя материалы и технологию изготовления. В настоящее время опытный образец пенного теплообменного аппарата прошел испытания и ведутся работы по разработке рабочей конструкторской документации.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема пенного теплообменного аппарата, который включает в себя: корпус 1, пирамидальную секцию подачи воздуха 2, щелевые насадки 3, состоящее из внутренних перегородок 4, воздушных отражателей 5, поворачивающих поток воздуха на 180^o, плавно расходящихся вертикальных каналов 6, коллектор подачи отепленной жидкости 7, трубопровод подачи подпиточной жидкости 8, переходную секцию 9, каплеуловитель 10, воздуховыбросную секцию 11, коллектор подачи охлажденной воды 12, поддон 13, рабочую камеру 14.

Пенный теплообменный аппарат работает следующим образом.

Поток наружного воздуха подается, например, вентилятором в секцию подачи воздуха 2, которая имеет пирамидальную форму. Такая форма секции подачи воздуха предусматривается для того, чтобы получить одинаковые величины статических давлений воздушного потока в щелевых насадках 3, количество которых зависит от холодопроизводительности аппарата (чем больше холодопроизводительность, тем необходимо больше иметь щелевых насадок).

Попадая в щелевой насадок 3, воздушный поток внутренней перегородкой 4 делится на два и с помощью воздушных отражателей 5 поворачивает на 180^o и поступает в вертикальные каналы 6, из которых воздух подается под уровень жидкости, находящейся в поддоне 13.

При встрече воздушного потока с охлаждаемой жидкостью большая часть последней вытесняется в пространство над щелевыми насадками, рабочую камеру 14, где образует в смеси с воздухом подвижный слой сильно турбулизованной газожидкостной пены, в которой происходят интенсивные процессы тепло- и массообмена между воздухом и жидкостью. Эти процессы довольно сложны и в основном определяются разностями температур и парциальных давлений теплообменивающихся сред.

В результате контакта между воздухом и жидкостью последняя охлаждается и через коллектор 12 отводится к тепловыделяющему оборудованию. Отепленная жидкость, восприняв тепло оборудования через коллектор 7, представляющий собой перфорированный трубопровод, подается в рабочую камеру на охлаждение. Воздух, воспринявший тепло жидкости, через переходную секцию 9, площадь сечения которой на 45% больше площади поперечного сечения рабочей камеры 14, в результате чего скорость воздуха уменьшается, поступает в каплеотделитель 10, где из воздуха отделяется капельная влага, большая часть которой попадает обратно в рабочую камеру 14, а незначительная часть находится в пластинах каплеотделителя во взвешенном состоянии.

Пройдя каплеотделитель 10, воздух попадает в воздуховыбросную секцию и удаляется из аппарата.

В процессе охлаждения часть жидкости испаряется и в виде водяного пара выносится из аппарата вместе с воздухом. Пополнение жидкости взамен испарившейся производится через подпиточный трубопровод 8.

Глубина охлаждения жидкости в пенном газожидкостном потоке зависит от многих факторов ввиду сложности одновременно протекающих тепло- и массообменных процессов и гидродинамической обстановки. В числе основных факторов необходимо отметить: поверхность контакта теплообменивающихся сред, взаимную скорость движения, температурный напор сред и их теплофизические характеристики.

Для создания мелкоячеистой структуры пенного потока, который позволяет получить наибольшую поверхность контакта теплообменивающихся сред с оптимальной их взаимной скоростью, при которой не нарушается мелкоячеистая структура пены и обеспечивается наибольшая глубина охлаждения жидкости, было проведено экспериментальное исследование для установления влияния взаимного соотношения площадей поперечного сечения межщелевых каналов и каналов щелевых насадок на холодопроизводительность аппарата.

На фиг. 2, разрез А-А показаны площади поперечных сечений:
F площадь поперечного сечения между щелевыми насадками (межщелевые площади поперечного сечения);
f₁ площадь поперечного сечения между щелевым патрубком и стенкой корпуса;
f₂ площадь поперечного сечения вертикальных каналов (воздух идет вниз, заштрихованная часть на разрезе А-А);
f₃ площадь поперечного сечения щелевого канала, разделенного вертикальной перегородкой (воздух идет вверх).

Задача исследования определить наибольшую холодопроизводительность при отношении площадей поперечного сечения F/2f₂, при этом должно соблюдаться условие 2f₂ 2f₃ и f₁ 0,5F. На основании экспериментального исследования была построена графическая зависимость холодопроизводительности аппарата (Q₀) от отношения площадей поперечного сечения межщелевого и вертикальных каналов (фиг. 3).

На фиг. 3 показана эта графическая зависимость, из которой видно, что наиболее эффективным является отношение При этом соотношении была получена наибольшая холодопроизводительность пенного теплообменного аппарата и эта величина положена в основу расчета при конструировании блока щелевых насадок.

Использование: в теплоэнергетике, в частности в теплообменных аппаратах, применяемых для испарительного охлаждения жидкости в системах оборотного водоснабжения и холодоснабжения. Сущность изобретения: воздух подается в корпус 1 пенного аппарата и через пирамидальную секцию подачи 2 направляется в щелевые насадки 3. Щелевые насадки 3 состоят из внутренней перегородки 4, воздушных отражателей 5 и двух плавно расходящихся вертикальных каналов 6, поворачивающих поток воздуха на 180^o. Воздух, пройдя щелевые насадки 3, подается под уровень жидкости, заполняющей поддон 13, из которого жидкость под действием воздуха вытесняется в рабочую камеру 14, где образуется подвижный турбулизированный газожидкостной поток, в котором происходит интенсивный процесс охлаждения жидкости. Наибольший эффект охлаждения получается в газожидкостном потоке, который образуется при отношении площади поперечного сечения межщелевого и вертикальных каналов как 2,15:1. Охлажденная жидкость по коллектору 12 поступает к тепловыделяющему оборудованию, а отепленная по коллектору 7 идет на охлаждение. Воздух, восприняв тепло жидкости, через переходную секцию 9, где он уменьшает свою скорость, проходит каплеуловитель 10, в котором происходит отделение от воздуха капельной влаги, и через секцию 11 удаляется из аппарата. Пополнение жидкости взамен испарившейся производится через трубопровод 8. 3 ил. 1 табл.

Пенный теплообменный аппарат, включающий корпус с входными и выходными патрубками для жидкости и воздуха, поддон, каплеуловитель, отличающийся тем, что секция подачи воздуха выполнена пирамидальной формы, а щелевые насадки имеют воздушные отражатели, выполненные в виде двух плавно расходящихся по обе стороны насадка вертикальных каналов, повернутых по ходу воздуха на 180^o относительно основного потока воздуха и заканчивающихся под уровнем жидкости, причем щелевые насадки расположены на расстоянии, позволяющем газожидкостному потоку создавать условия, способствующие наиболее эффективному протеканию процесса теплообмена, например, отношение площади поперечного сечения межщелевого и вертикальных каналов должно быть как 2,15 1.