ТЕРМОСИФОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменникам термосифонного типа, и может быть использовано для утилизации тепла, нагрева и охлаждения воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха.

Известно охлаждающее устройство развитых поверхностей металлургических агрегатов, которое содержит герметичный корпус с испарительной зоной, заполненной промежуточным теплоносителем, конденсационной зоной с конденсатором и расположенной между этими зонами транспортной зоной [1]
Недостатком этого устройства является неравномерность распределения паров промежуточного теплоносителя по поверхности конденсатора, приводящая к различной теплонапряженности элементов конденсатора.

В результате этого повышается вероятность разгерметизации конструкции. Кроме того, прямоугольная форма устройства обуславливает большие толщины стенок из-за высокого давления промежуточного теплоносителя. А стационарность и громоздкость устройства значительно сужают область его применения.

Известен также термосифонный теплообменник [2] выбранный в качестве прототипа. Теплообменник содержит пучок оребренных труб, имеющих разъем между зонами испарения и конденсации и подключенных к соответствующим сборным камерам и коллектору. Кроме того, теплообменник имеет камеру статического давления, установленную в место разъема со стороны зоны испарения, которая посредством трубопровода сообщена с коллектором.

Наличие разъема между его зонами испарения и конденсации обуславливает целый ряд соединительных камер, коллектора, которые в свою очередь сообщены между собой изогнутыми в разных направлениях трубопроводами, а в итоге приводит к увеличению габаритов и массы изделия, делает его громоздким и неудобным в обслуживании. Кроме того, протяженность трубопроводов увеличивает вероятность разгерметизации полости промежуточного теплоносителя, что особенно вероятно в судовых условиях из-за вибрации.

В конструкции известного теплообменника не исключено взаимодействие жидкой и паровой фаз теплоносителя, что значительно снижает термодинамическую эффективность аппарата, а наличие контакта паровой и жидкой фаз промежуточного теплоносителя в конденсационной зоне не исключает возможность кризиса гидравлического сопротивления паровому потоку.

Целью изобретения является исключение кризиса гидравлического сопротивления паровому потоку, создание компактной установки, снижение массогабаритных показателей.

Указанная цель достигается тем, что в термосифонном теплообменнике, содержащем зону испарения, корпус которой частично заполнен промежуточным теплоносителем и снабжен нагревателем и зону конденсации, теплообменная поверхность которой выполнена в виде оребренных трубок, нижние концы которых на часть длины введены в корпус зоны испарения, нагреватель выполнен в виде пучка теплообменных труб, проходящих через корпус зоны испарения и заполненных паром, а трубки теплообменной поверхности зоны конденсации в виде петель, при этом соотношение длин концов этих трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам лежит в интервале 0,01.0,08. Отношение объемов участков трубок теплообменной поверхности зоны конденсации, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам составляет 1,2•10^-3. 3,6•10^-3.

Сопоставительный анализ предложенного термосифонного теплообменника с известным по прототипу позволяет сделать вывод, что заявляемый теплообменник отличается конструкцией нагреватель выполнен в виде пучка теплообменных труб, проходящих через корпус зоны испарения и заполненных паром, а трубки теплообменной поверхности зоны конденсации в виде петель, при этом соотношение длин концов этих трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам лежит в интервале 0,01-0,08, а отношение объемов участков трубок теплообменной поверхности зоны конденсации, введенных в корпуса зоны испарения, к петлеобразным участкам составляет 1,2•10^-3 3,6•10^-3.

Предложенная конструкция теплообменника позволяет обеспечить одновременное движение пара и конденсата по одной и той же трубе конденсационной зоны, которая сообщена с испарительной зоной кожухотрубного теплообменника.

Размещение внутри кожухотрубного теплообменника труб конденсаторной зоны дает возможность получить дополнительную испарительную зону и тем самым снизить гидродинамические потери при взаимодействии жидкостной и паровой фаз промежуточного теплоносителя. Так отсутствие дополнительной испарительной зоны приведет к скоплению стекающего конденсата на входе в испарительную зону кожухотрубного теплообменника, а значит к перекрытию проходного сечения теплообменной трубки, т.е. образованная конденсатом пробка препятствует свободному прохождению по ней пара, что обуславливает кризис гидравлического сопротивления паровому потоку и значительно снижает термодинамическую эффективность теплообменника.

Дополнительная испарительная зона образуется углубленными участками конденсаторных труб и ее объем обусловлен определенным объемом конденсационной зоны.

Так углубление труб на величину менее 0,01 соотношения длин углубленных концов труб к их наружным длинам, при соотношении объемов зон дополнительной к конденсационной менее величины 1,2•10^-3 не позволяет образовать необходимую поверхность испарения, т.е. достигнуть желаемого эффекта. Рост указанных соотношений более величин соответственно 0,08 и 3,6•10^-3 приведет к нерациональному увеличению габаритов испарительной зоны.

Проведенный поиск известных в науке и технике решений, могущих содержать отличительные от прототипа признаки, показал, что на дату подачи эти признаки в известных решениях не обнаружены.

Предлагаемое техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. из уровня техники оно не известно, а для специалистов явным образом не следует из уровня техники.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого теплообменника; на фиг.2 вид сбоку.

Термосифонный теплообменник состоит из двух зон: конденсационной 1 и испарительной 2. Конденсационная зона 1 включает теплообменную поверхность, выполненную в виде петель оребренных труб 3, заключенных в корпус 4.

Испарительная зона 2 выполнена в виде кожухотрубного теплообменника 5, внутри которого размещены змеевики 6 водяного пара. Полость теплообменника 5 заполнена промежуточным теплоносителем 7 до определенного уровня. Кроме того, нижние концы теплообменных труб 3 углублены в корпус кожухотрубного теплообменника 5 таким образом, что соотношение длин углубленных концов труб 3 к их наружным длинам составляет 0,01 < α < 0,08 При этом в испарительной зоне 2 на концах теплообменных труб 3 образована дополнительная испарительная зона 8, объем которой составляет 1,2•10^-3 < β < 3,6•10^-3 объема конденсационной зоны 1.

Подвод и отвод водяного пара в кожухотрубный теплообменник 5, осуществляют через соответствующие патрубки 9, 10.

Термосифонный теплообменник работает следующим образом.

После предварительного вакуумирования через специальные штуцера (на чертежах не указаны) испарительная полость 2 кожухотрубного теплообменника 5 заполняется промежуточным теплоносителем 7.

В змеевике 6 через патрубок 9 подается водяной пар. На поверхности змеевиков 6 происходит испарение промежуточного теплоносителя 7, а образующийся при этом конденсат водяного пара отводится через патрубок 10.

При испарении промежуточного теплоносителя 7 давление в испарительной зоне 2 повышается и пары теплоносителя 7 поступают в петлеобразные трубки 3 конденсаторной зоны 1.

При обдуве конденсационных трубок 3 воздухом с температурой ниже температуры паров промежуточного теплоносителя 7 происходит конденсация последнего внутри трубок 3. Конденсат под действием гравитационных сил стекает по трубкам и попадает в дополнительную испарительную зону 8, находящуюся в среде паров промежуточного теплоносителя 7 испарительной зоны 2, где происходит испарение стекающего конденсата.

Это исключает образование стекающим конденсатом пробок на концах трубок 3 и обеспечивает свободное поступление паров теплоносителя 7 в трубки 3.

Предлагаемый теплообменник обладает высокой надежностью, т.к. в его конструкции исключен контакт между греющей средой (водяным паром) и охлаждающей средой (воздухом с низкой температурой) и предназначен для использования в системах жизнеобеспечения на судах ледового класса плавания, в том числе и на атомных ледоколах типа "Арктика".

Использование: в теплотехнике, в частности в устройствах для утилизации тепла, нагрева и охлаждения воздуха в установке вентиляции и кондиционирования воздуха. Сущность изобретения: термосифонный теплообменник состоит из двух зон. Теплообменная поверхность, выполненная в виде конденсационной зоны - петлеобразных, оребренных теплообменных трубок с объединенными верхними концами. Нижние концы теплообменных трубок углублены внутрь корпуса зоны испарения. Соотношение длин углубленных концов трубок к их петлеобразным участкам составляет 0,01-0,08 при соотношении объемов зон дополнительной испарительной и конденсационной составляет бета, которое больше 0,012 или меньше 0,036, участков трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам, равном 0,012-0,036. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Термосифонный теплообменник, содержащий зону испарения, корпус которой частично заполнен промежуточным теплоносителем и снабжен нагревателем, и зону конденсации, теплообменная поверхность которой выполнена в виде оребренных трубок, нижние концы которых на часть длины введены в корпус зоны испарения, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде пучка теплообменных труб, проходящих через корпус зоны испарения и заполненных паром, а трубки теплообменной поверхности зоны конденсации в виде петель, при этом соотношение длин концов этих трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам лежит в интервале 0,01 0,08. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что отношение объемов участков трубок теплообменной поверхности зоны конденсации, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам составляет 1,2 • 10^- 3 - 3,6 • 10^- 3.