ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНДЕНСАТОРА Российский патент 1997 года по МПК F28F13/12 F28F3/06 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в качестве конструктивных элементов конденсаторов энергетических установок, в частности холодильных машин.

Известен теплообменный элемент, содержащий трубу с навитым на нее проволочным оребрением, состоящий из отдельных спиральных витков, расположенных с заданным шагом по длине трубы, причем для интенсификации теплообмена при пленочной конденсации в конденсаторах вертикального типа каждый из витков имеет участок, отогнутый от трубы под острым углом к направлению навивки [1]
Недостатком данного теплообменного элемента является низкий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара. Образующаяся при конденсации пленка только частично удаляется с поверхности теплообмена.

Известен теплообменный элемент преимущественно вертикального конденсатора, выполненный в виде трубы, содержащей вставку в виде проволочной спирали, которая для интенсификации теплообмена выполнена из отдельных секций, в каждой из которых спираль имеет одинаковые герметические параметры, а в смежных противоположное направление навивки, причем вставка от секции к секции в направлении сверху вниз выполнена с увеличивающимся шагом и в местах стыка секций имеет переходной участок длиной 0,5 0,65 внутреннего диаметра трубы, отогнутый от стенки трубы и к ее оси в направлении вышележащей секции [2]
Недостатком известного теплообменного элемента является низкий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара внутри трубы из-за только лишь частичного удаления конденсата с поверхности трубы.

В качестве прототипа выбран теплообменный элемент конденсатора, состоящий из двух вертикально ориентированных пластин, установленных друг напротив друга с образованием герметичного щелевого канала, и имеющий отверстие для входа пара и выхода конденсата [3]
Данный теплообменный элемент также, как и предыдущие, имеет низкий коэффициент теплоотдачи за счет того, что конденсация пара осуществляется на вертикальной поверхности внутри плоского канала, а образующая пленка конденсата стекает по стенкам канала и является термическим сопротивлением, снижающим эффективность теплообмена.

Задача изобретения создание теплообменного элемента, обладающего высокой интенсивностью процесса теплопередачи при конденсации.

Технический результат повышение коэффициента теплоотдачи путем удаления пленки конденсата с теплообменных поверхностей.

Это достигается тем, что теплообменный элемент конденсатора, содержащий две вертикально ориентированные установленные с образованием герметичного щелевидного канала друг напротив друга пластины, снабженный отверстиями для входа пара и выхода конденсата, согласно изобретению снабжен размещенными в упомянутом щелевидном канале колесом с радиальными лопатками, установленным с возможность вращения на горизонтальной оси, прикрепленной к пластинам, и примыкающим боковыми кромками лопаток к поверхности упомянутых пластин, и направляющим патрубком, соединенным с отверстием для входа пара и имеющим направленный в сторону лопаток выходной участок, ось которого параллельна пластинам.

Указанный технический результат достигается также тем, что выходной участок направляющего патрубка ориентирован по касательной к верхним кромкам лопаток. Кроме того, выходной участок направляющего патрубка для усиления указанного технического результата может быть выполнен в виде сужающегося сопла.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что упомянутые лопатки выполнены загнутыми назад.

Кроме того, достижению указанного технического результата способствует выполнение лопаток из эластичного материала.

Также достижению указанного технического результата способствует то, что теплообменный элемент снабжен капиллярно-пористой структурой, размещенной в щелевидном канале по периферии колеса и примыкающей к пластинам.

Усилению указанного технического результата способствует то, что высота верхнего уровня размещения капиллярно-пористой структуры не превышает 2/3 высоты щелевидного канала.

Еще большему усилению указанного технического результата способствует выполнение пластин с круговыми гофрами с одновременным выполнением боковых кромок лопаток, имеющих профиль, с выступами, входящими во впадины гофр, и впадинами, охватывающих выступы последних.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что пластины выполнены квадратными или круглыми.

За счет снабжения теплообменного элемента размещенными в щелевидном канале колесом с радиальными лопатками, установленным с возможностью вращения на горизонтальной оси, прикрепленной к пластинам, и примыкающим боковыми кромками лопаток к поверхности пластин, и направляющим патрубком, соединенным с отверстием для входа пара и имеющим направленный в сторону лопаток выходной участок, ось которого параллельна пластинам, обеспечивается в течение всего процесса конденсации удаление пленки с поверхности пластин боковыми кромками лопаток колеса, приводимого во вращательное движение энергией струи подлежащего конденсации пара, поступающего в щелевидный канал через направляющий патрубок и воздействующего на лопатки колеса. Это позволяет предотвратить рост толщины слоя пленки конденсата, в результате чего уменьшается термическое сопротивление, что в конечном итоге обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи.

Выполнение направляющего патрубка с выходным участком, ориентированным по касательной к верхним кромкам лопаток, увеличивает коэффициент использования динамического напора струи пара.

Выполнение выходного участка направляющего патрубка в виде сужающего сопла еще более увеличивает коэффициент использования динамического напора струи подлежащего конденсации пара.

Выполнение лопаток загнутыми назад также способствует увеличению коэффициента использования динамического напора струи пара.

Выполнение лопаток из эластичного материала способствует наиболее полному удалению образовавшейся пленки конденсата с поверхности пластин.

Наличие капиллярно-пористой структуры, размещенной в щелевидном канале по периферии колеса и примыкающей к пластинам, предотвращает возврат пленки конденсата под действием силы тяжести, обеспечивая сбор последнего и способствуя его своевременному удалению, однако, как показали экспериментальные исследования, при высоте верхнего уровня размещения капиллярно-пористой структуры, не превышающего 2/3 высоты упомянутого щелевидного канала, достигается наиболее высокий результат.

Выполнение пластин с круговыми гофрами и боковых кромок лопаток, имеющих профиль с выступами, входящими во впадины гофр, и впадинами, охватывающими выступы последних, способствует еще большему увеличению коэффициента теплоотдачи за счет того, что процесс конденсации осуществляется в канале переменного сечения с различной кривизной поверхности. Кроме того, выполнение пластины с круговыми гофрами повышает их прочность и позволяет уменьшить их толщину.

Выполнение пластин квадратными или круглыми способствует наиболее эффективному использованию площади их теплообменных поверхностей для удаления пленки конденсата, способствуя тем самым повышению коэффициента теплоотдачи.

На фиг. 1 показан теплообменный элемент, поперечный разрез; на фиг. 2 - то же, фронтальный разрез; на фиг. 3 вариант теплообменного элемента с лопатками на колесе, загнутыми назад; на фиг. 4 теплообменный элемент с гофрированными пластинами, поперечный разрез.

Теплообменный элемент содержит вертикально ориентированные пластины 1 и 2, установленные друг напротив друга с образованием герметичного щелевидного канала с помощью дополнительной приставки 3. Другой вариант получения щелевидного канала возможен путем сварки пластин (не показано). Пластины 1 и 2 снабжены отверстиями для выхода пара 4 и выхода конденсата 5. В щелевидном канале на оси 6 установлено колесо с радиальными лопатками 7, которые для более полного удаления конденсата с поверхности пластин выполнены из эластичного материала резины, причем боковые кромки лопаток примыкают к поверхности пластин 1 и 2. К выходному отверстию 4 подсоединен направляющий патрубок с направленным в сторону лопаток выходным участком 8, ось которого параллельна пластинам 1 и 2.

Для повышения эффективности теплоотдачи выходной участок 8 направляющего патрубка ориентирован по касательной к верхним кромкам лопаток 7 (фиг. 3). Выходной участок 8 направляющего патрубка для увеличения коэффициента использования динамического напора струи подлежащего конденсации пара может быть выполнен в виде сужающегося сопла(не показано).

Для предотвращения возврата конденсата и его своевременного удаления из щелевидного канала в последнем по всей периферии колеса (не показано), а для достижения более высокого результата лишь на 2/3 высоты щелевидного канала (фиг. 2 и 3) размещена капиллярно-пористая структура 9, примыкающая к пластинам 1 и 2. В качестве капиллярно-пористой структуры использована пористая керамика с диаметром пор 0,5 мм. Для повышения эффективности удаления конденсата с поверхности пластин радиальные лопатки колеса 7 выполнены загнутыми назад (фиг. 3). Для повышения эффективности теплоотдачи пластины 1 и 2 выполнены с круговыми гофрами, а боковые кромки лопаток при этом имеют выступы, входящие во впадины гофр и впадины, охватывающие выступы упомянутых гофр (фиг. 4). Для наиболее эффективного использования площадей теплообменных поверхностей пластин последние выполнены квадратными (фиг. 2, 3), а также могут быть выполнены круглыми (не показано).

Работа теплообменного элемента осуществляется следующим образом. Пар через отверстие для выхода 4 поступает в щелевидный канал, образованный пластинами 1 и 2 с помощью дополнительной проставки 3, и конденсируется на вертикальной поверхности этих пластин, охлаждаемых с наружной стороны. При конденсации пара на поверхности пластин 1 и 2 образуется пленка жидкости, которая стекает в нижнюю часть под действием силы тяжести. Пленка конденсата является основным термическим сопротивлением на пути передачи теплоты. Пар через отверстие для входа 4 и направляющий патрубок с выходным участком 8 направляется на лопатки 7 колеса, размещенного в щелевидном канале на оси 6. Колесо под воздействием пара вращается на оси 6, а боковые кромки лопаток 7, примыкающие к пластинам 1 и 2, удаляют конденсат и отбрасывают его на периферию щелевидного канал. По периферии щелевидного канала конденсат стекает в нижнюю часть и удаляется через отверстие 5 из теплообменного элемента. Капиллярно-пористая структура 9, размещенная по периферии колеса в щелевидном канале, удерживает и транспортирует конденсат, отбрасываемый лопатками 7, к выходному отверстию 5.

Использование: в качестве конструктивных элементов конденсаторов энергетических установок, в частности холодильных машин. Сущность изобретения: теплообменный элемент, содержит две вертикально ориентированные пластины 1 и 2, установленные друг напротив друга с образованием герметичного щелевидного канала, и снабжена отверстиями для входа пара 4 и выхода конденсата 5. Элемент снабжен также размещенными в канале колесом с радиальными лопатками 6, установленным с возможностью вращения на горизонтальной оси 7, прикрепленной к пластинам 12, и примыкающим боковыми кромками лопаток к поверхности пластины, и направляющим патрубком, соединенным с отверстием для входа пара и имеющим направленный в сторону лопаток выходной участок, ось которого параллельна пластинам. Направляющий патрубок ориентирован по касательной к верхним кромкам лопаток, а последние могут быть выполнены загнутыми назад и, кроме того, из эластичного материала. В щелевидном канале по периферии колеса может быть размещена капилярно-пористая структура, примыкающая к пластинам, которая предотвращает возврат пленки конденсата под действием силы тяжести на поверхность пластины. 9 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменный элемент конденсатора, содержащий две вертикально ориентированные пластины, установленные друг напротив друга с образованием герметичного щелевидного канала, и снабженный отверстиями для входа пара и выхода конденсата, отличающийся тем, что он снабжен размещенными в упомянутом щелевидном канале колесом с радиальными лопатками, установленным с возможностью вращения на горизонтальной оси, прикрепленной к пластинам, и примыкающим боковыми кромками лопаток к поверхностям пластин, а также направляющим патрубком, соединенным с отверстием для входа пара и имеющим направленный в сторону лопаток выходной участок, ось которого параллельна пластинам. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что выходной участок направляющего патрубка ориентирован по касательной к верхним кромкам лопаток. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходной участок направляющего патрубка выполнен в виде сужающегося сопла. 4. Элемент по пп.1 3, отличающийся тем, что лопатки выполнены загнутыми назад. 5. Элемент по пп.1 4, отличающийся тем, что лопатки выполнены из эластичного материала. 6. Элемент по пп.1 5, отличающийся тем, что он снабжен капиллярно-пористой структурой, размещенной в щелевидном канале по периферии колеса и примыкающей к пластинам. 7. Элемент по п.6, отличающийся тем, что высота верхнего уровня размещения капиллярно-пористой структуры не превышает 2/3 высоты щелевидного канала. 8. Элемент по пп.1 7, отличающийся тем, что пластины выполнены с круговыми гофрами, а боковые кромки лопаток имеют профиль с выступами, входящими во впадины упомянутых гофр, и впадинами, охватывающими выступы последних. 9. Элемент по пп.1 8, отличающийся тем, что пластины выполнены квадратными. 10. Элемент по пп.1 8, отличающийся тем, что пластины выполнены круглыми.