КОНДЕНСАТОР КОЖУХОТРУБНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ Российский патент 1998 года по МПК F25B39/04 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к конденсаторам хладагента в составе промышленных холодильных машин и установок, а также может быть применено в химической промышленности, нефтегазопереработке при конденсации рабочих тел и легкокипящих компонентов при технологической переработке природного и нефтяного газа и других газовых смесей.

Известен конденсатор кожухотрубный вертикальный (см., например, Г.Н.Данилова и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. -Л: Машиностроение, 1973, с. 94; Б.Л.Якшаров, И.В.Смирнова Справочник механика по холодильным установкам. -Л.: ВО "Агропромиздат", 1989, с. 102, 105; Техника низких температур. Под ред. И.П.Усюкина. -М.: Пищевая промышленность, 1977, с. 64), который содержит вертикальный цилиндрический корпус с пучком вертикальных гладких труб, закрепленных в трубных решетках, которые приварены к корпусу. К последнему также приварены патрубки подвода паров хладагента и отвода жидкого хладагента. На верхней трубной решетке установлен водораспределительный бак, куда через патрубок подают охлаждающую воду, которая через насадки направляется в трубы. На боковой поверхности насадки выполнены спиральные каналы, формирующие пленку воды, которая стекает по внутренней поверхности труб, отводит от хладагента (рабочего тела) теплоту конденсации и выводится из конденсатора.

Высота пучка вертикальных труб в выпускаемых промышленностью конденсаторах составляет от 4,5 до 5,5 м. В аппарате имеет место пленочная конденсация, поскольку по наружной поверхности вертикальных труб гравитационно (сверху вниз) от верхней до нижней трубной решетки стекает пленка конденсата.

К недостаткам кожухотрубного вертикального конденсатора следует отнести неравномерность теплообмена по высоте пучка теплообменных труб, что обусловлено увеличением толщины пленки конденсата b_пл и снижением вследствие этого коэффициента теплоотдачи α_a и тем более коэффициента теплопередачи К_к. Тем самым при заданной тепловой нагрузке требуется большая поверхность площади теплопередачи; при имеющейся поверхности площади теплопередачи вследствие ухудшения теплообмена повышается давление конденсации в холодильной машине и увеличивается расход электроэнергии на привод холодильных компрессоров.

Цель изобретения - повышение интенсивности теплопередачи в конденсаторе путем увеличения средних (по высоте пучка труб) значений коэффициентов теплоотдачи со стороны хладагента α_a и теплопередачи в аппарате К_к.

Поставленная цель достигается тем, что в кожухотрубном вертикальном конденсаторе (далее - конденсатор), содержащем вертикальный цилиндрический корпус с пучком вертикальных гладких труб, закрепленных в трубных решетках, установлено в межтрубном пространстве горизонтально с зазором относительно корпуса и плотно на пучке труб по меньшей мере два сепарирующих поддона с отбортовкой и лотками, отогнутыми вниз под углом к поддону, а лотки поддонов в вертикальной плоскости смещены относительно друг друга, и, кроме того, сепарирующие поддоны установлены вдоль трубного пучка с шагом, отсчитываемым от верхней трубной решетки, не более 500 мм.

Размещение сепарирующих поддонов на одинаковом расстоянии друг от друга и от верхней трубной решетки обеспечивает формирование на пучке вертикальных труб зон конденсации равной протяженности, характеризуемых одинаковыми условиями образования на наружной поверхности труб и стекания по ней пленки конденсата хладагента, имеющей в концах зон равную толщину b_пл.

Зазор между сепарирующими поддонами и вертикальным цилиндрическим корпусом обеспечивает равномерное поступление пара хладагента во все зоны конденсации сверху донизу.

Плотное закрепление поддонов на пучке труб предотвращает поступление выше сформировавшегося слоя пленки в нижележащую зону конденсации. Наличие на поддоне отбортовки способствует накоплению в нем конденсата, который через прорези в отбортовке поступает на совмещенные с прорезями лотки. Последние отогнуты вниз под углом к поддону и смещены в вертикальной плоскости относительно нижерасположенных лотков. Тем самым конденсат сливается на стенку вертикального корпуса конденсатора равномерно по периметру.

Размещение сепарирующих поддонов по высоте трубного пучка с шагом не более 500 мм, отсчитываемым от верхней трубной решетки, обусловлено спецификой теплообмена, характером изменения толщины пленки по высоте трубы, изменением числа Рейнольдса и режима стекания пленки, влиянием толщины пленки на коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи.

На фиг. 1 показано продольное сечение конденсатора; на фиг. 2 - его поперечное сечение по А-А; на фиг. 3 - фрагмент продольного сечения конденсатора по В-В; на фиг. 4 - фрагмент продольного сечения конденсатора по С-С (повернуто); на фиг. 5 - зависимости изменения относительной толщины пленки конденсата хладагента b_пл и коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующегося хладагента α_a от высоты теплообменной трубы конденсатора H; на фиг. 6 - зависимость относительного коэффициента теплопередачи в конденсаторе от высоты теплообменной трубы конденсатора H.

Конденсатор (по фиг. 1) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с закрепленными в нем верхней 2 и нижней 3 трубными решетками, в которых установлен пучок вертикальных гладких труб 4. К корпусу 1 приварен патрубок подвода пара 5 и патрубок отвода жидкого хладагента 6. Патрубки подвода 7 и отвода 8 охлаждающей среды, например воды, показаны условно.

Внутри корпуса 1 и в межтрубном пространстве 9 горизонтально с зазором относительно корпуса 1 и плотно на пучке труб 4 установлены по меньшей мере два сепарирующих поддона 10, имеющих дно 11, отбортовку 12, прорези 13 и лотки 14 (фиг. 2 - 4), которые отогнуты вниз под углом к днищу 11 поддона 10. Лотки 14, принадлежащие к разным по высоте поддонам, ориентированы со сдвигом один относительно другого в вертикальной плоскости.

Заявленный конденсатор по фиг. 1 - 4 работает следующим образом.

Через патрубок 5 пары хладагента поступают в корпус 1 в его межтрубное пространство между верхней трубной решеткой 2 и первым сверху поддоном 10, и через зазоры между поддонами 10 - в межтрубное пространство между ними и над нижней трубной решеткой 3.

Во все трубы пучка 4 сверху поступает через патрубок 7 вода. Пройдя через пучок труб и отведя теплоту конденсации, подогретая вода выводится из труб конденсатора через патрубок 8.

На наружной поверхности труб пучка 4 на участках, ограниченных сверху днищами 11 поддонов 10 и снизу нижней трубной решеткой 3, образуется пленка конденсата, которая гравитационно стекает на днища 11 поддонов 10 и нижнюю трубную решетку 3.

Формируемый отбортовкой 12 слой жидкости направляется к прорезям 13 и по наклонным лоткам 14 сливается на внутреннюю поверхность корпуса 1, а с нее на нижнюю трубную решетку 3, с которой через патрубок 6 выводится из корпуса 1 для дальнейшего использования, например, в ресивер.

Расчетная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации хладагентов (см., например, Холодильные машины /Под ред. проф. И.А.Сакуна - Л.: Машиностроение, 1985, с. 293) основана на формуле Нуссельта и предусматривает в качестве определяющего размера для пучка вертикальных гладких труб высоту теплообменной трубы H.

Конденсация хладагентов (см. Г.Н. Данилова и др.) характеризуется пленочным процессом, и на поверхности вертикальной трубы формируется пленка, толщина которой возрастает по мере стекания ее вниз по трубе. Толщину пленки b_пл в функции от теплофизических свойств хладагента при заданной температуре конденсации и высоте пучка труб H определяют по зависимости, приведенной, например, в работе "Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин". Под ред. проф. И.А.Сакуна - Л.: Машиностроение, 1986. Проведенные авторами расчеты по определению значений b_пл и α_a для R717, R11, R12, R22, RC318 и представление результатов в виде θ_δ= b_плi/b_пл.ном и θ_α= α_ai/α_a.ном , где индекс i соответствует вариативному значению H_i, ном - номинальной величине h (фиг. 1), равной 500 мм, показали, что полученные значения обобщаются едиными для θ_δ и θ_α кривыми (фиг. 5). Повышение значения от h к H_i > h приводит к значительному относительному увеличению толщины пленки и столь же значительному снижению значения коэффициента теплоотдачи α_a.

Поскольку коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающей среды (воды) при стабильном расходе ее также стабилен, изменение в сторону снижения приводит к уменьшению значения коэффициента теплопередачи конденсатора К_к. Представление результатов расчетов в виде θ_к= K_кi/K_к.ном показало, что значения θ_к перечисленных выше хладагентов могут быть охвачены единой кривой (фиг. 6). Поскольку площадь теплопередающей поверхности аппарата F рассчитывают, ориентируясь на значение коэффициента теплоотдачи α_a= f(H_max), то это приводит к завышению F, и, следовательно, к увеличению металлоемкости аппарата и уровня капитальных затрат.

Согласно предлагаемой конструкции, установление сепарирующих поддонов вдоль трубного пучка по высоте с шагом, отсчитываемым от верхней трубной решетки не более 500 мм, обеспечивает стабильное значение α_a за счет снижения толщины пленки конденсата на нижележащих участках трубного пучка и применительно к имеющимся компановкам конструкций конденсаторов типа КВ позволяет увеличить их тепловую производительность на 30% или сократить их металлоемкость на 20...30%.

Таким образом, заявляемый конденсатор, по сравнению с известными, позволяет:
- интенсифицировать теплопередачу в конденсаторе за счет увеличения локальных и среднего (по высоте теплообменной трубы) коэффициента теплоотдачи со стороны хладагента из-за снижения величины термического сопротивления пленки конденсата;
- увеличить теплоотводящую мощность конденсатора и снизить его металлоемкость.

Техническая реализация предлагаемого изобретения обеспечивается путем последовательного размещения поддонов на пучке вертикальных труб в процессе сборки конденсатора, последующего закрепления (развальцовки) труб в трубных решетках, размещения собранного трубного пучка внутри цилиндрического корпуса и приварки к последнему трубных решеток.

В вертикальном корпусе кожухотрубного конденсатора в межтрубном пространстве горизонтально с зазором относительно корпуса и плотно на пучке труб установлено по меньшей мере два сепарирующих поддона с отбортовкой и лотками. В отбортовке выполнены прорези, совмещенные с лотками. Лотки отогнуты вниз под углом к днищу поддона и смещены относительно друг друга в вертикальной плоскости. Сепарирующие поддоны размещены по высоте трубного пучка с шагом не более 500 мм, отсчитываемым от верхней трубной решетки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Конденсатор кожухотрубный вертикальный холодильной машины, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с пучком вертикальных гладких труб, закрепленных в верхней и нижней трубных решетках, отличающийся тем, что в межтрубном пространстве горизонтально с зазором относительно корпуса и плотно на пучке труб установлено по меньшей мере два сепарирующих поддона с отбортовкой и лотками, при этом в отбортовке выполнены прорези, совмещенные с лотками, а лотки отогнуты вниз под углом к днищу поддона и в вертикальной плоскости смещены относительно друг друга. 2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что сепарирующие поддоны установлены по высоте трубного пучка с шагом не более 500 мм, отсчитываемым от верхней трубной решетки.