ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2001 года по МПК F28D3/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к пленочным теплообменникам, вводимым в состав холодильной установки, в которых рабочее тело изменяет в процессе теплообмена (кипение, конденсация) фазовое состояние, а также может найти применение в установках газовой и криогенной промышленности для регазификации сжиженного природного газа, метана, пропана, бутана и кислорода.

Известен пленочный теплообменник, оснащенный распределителями жидкости, которые содержат размещенные в вертикальных теплообменных трубах полые втулки с винтовыми каналами на боковой поверхности и кольцевым выступом в верхней части, контактирующим с торцом трубы, а также установленный над втулкой цилиндрический патрубок с отверстием, равным центральному каналу втулки. Для интенсификации теплообмена, втулка с нижнего торца снабжена коническим насадком с углом раскрытия конуса 20 - 40 градусов, имеющим высоту, в 8-10 раз меньшую высоты втулки, и диаметр нижнего основания D_о = D_в - 2H_к, где D_в - диаметр нижнего торца втулки, H_к - глубина винтового канала.

К недостаткам известного теплообменника, оснащенного известными распределителями жидкости, следует отнести возможность их применения только для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности труб, а также возможность их размещения только на верхнем торце трубы, что снижает тепловую производительность всего теплообменника.

Известен пленочный теплообменник, оснащенный распределителями жидкости, которые выполнены в виде вставок по форме усеченного конуса, обращенного вверх большим основанием и установленного с возможностью перемещения вдоль оси трубы теплообменника, для интенсификации теплообмена вставка имеет на боковой поверхности винтовые канавки, заглушенные со стороны большего основания, и снабжена регулируемым по длине трубы ограничителем перемещения конуса, закрепленным на трубе теплообменника.

К недостаткам пленочного теплообменника, оснащенного известными распределителями жидкости, следует отнести возможность их применения только для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности труб, что снижает тепловую производительность всего теплообменника.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник, преимущественно для конденсации пара, включающий корпус, установленный в верхней части корпуса водораспределитель, расположенные под оросительным устройством теплообменные трубы для конденсирующегося хладагента, поддон и водяной насос, при этом теплообменные трубы установлены вертикально, сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена, входным и выходным горизонтальными коллекторами для конденсирующегося хладагента и дополнительными теплообменными трубами, размещенными внутри теплообменных труб для конденсирующегося хладагента соосно с ними и соединенных верхней частью с водораспределителем, а нижней сообщенные с поддоном, при этом водораспределитель выполнен в форме желоба открытого типа.

Недостатками известного теплообменника являются низкая тепловая производительность, вследствие неэффективной организации теплообмена из-за ламинарного течения потока теплоносителя по трубе с рабочим телом, обуславливающая высокие удельные металлоемкость и затраты на проведение процесса фазового перехода (конденсации).

Целью настоящего изобретения является повышение тепловой производительности путем интенсификации процесса теплообмена вследствие создания турбулентного потока теплоносителя у теплообменной поверхности, при осуществлении фазового перехода (конденсации испарения) рабочего тела.

Поставленная цель достигается тем, что в известном пленочном теплообменнике, включающем корпус, в котором установлены теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела, связанные с распределительными устройствами, расположенными в коллекторах, бак, поддон и насос для теплоносителя, теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела установлены вертикально и сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена входным и выходным горизонтальными коллекторами, трубы для подвода теплоносителя размещены коаксиально снаружи теплообменных труб для изменяющего фазовое состояние рабочего тала и снабжены распределителями потока теплоносителя и соединены верхней частью с баком теплоносителя, а нижней частью сообщены с поддоном, согласно изобретению распределители потока теплоносителя установлены в кольцевом зазоре между трубами и выполнены в виде цилиндрических вставок, внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба, наружная поверхность вставки снабжена сквозными секторными зазорами, в которых размещены подпружиненные штифты. При этом вдоль образующей труб для теплоносителя в кольцевом зазоре установлены пластины с отверстиями для штифтов, на которых зафиксированы вставки по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора.

Известно, что при проведении в теплообменном аппарате фазового перехода рабочего тела (конденсация, кипение) интенсивность теплопередачи определяется только значениями величин коэффициентов теплоотдачи со стороны теплоносителя. Последние целиком определяются режимом течения теплоносителя (ламинарным или турбулентным), причем, как общеизвестно, коэффициенты теплоотдачи при ламинарном режиме течения существенно меньше коэффициентов теплоотдачи при турбулентном режиме течения.

Поток теплоносителя при прохождении кольцевого зазора между трубами движется в ламинарном режиме течения, вследствие чего передача теплоты к внешним, по отношению к внутренней трубе, слоям теплоносителя осуществляется только теплопроводностью.

Выполнение распределителей потока теплоносителя в виде цилиндрических вставок, причем внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба, и установленных в кольцевом зазоре между трубами, что позволяет организовать турбулентное течение потока теплоносителя относительно внутренних труб, и, тем самым, увеличить значения коэффициента теплоотдачи со стороны теплоносителя и общий теплосъем с поверхности теплопередачи.

Выполнение наружной поверхности вставки со сквозными секторными зазорами обеспечивает ламинарное течение теплоносителя в пристенном слое у наружной поверхности внешней трубы, чем снижается теплообмен через эту поверхность с окружающей средой, тем самым снижая теплопритоки (или потери холода).

Размещение в корпусе распределителя подпружиненных штифтов, с размещением вдоль образующей труб для теплоносителя в кольцевом зазоре пластин с отверстиями для штифтов для фиксирования распределителей на пластинах по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора, обеспечивает создание и поддержание турбулентного режима течения теплоносителя по всей высоте внутренних теплообменных труб.

Расстояние между распределителями определяется внутренним диаметром внешней трубы, которое должно обеспечивать турбулентный режим течения теплоносителя, например не более двухсот внутренних диаметров внешней трубы, независимо от диапазона изменения рабочих температур рабочего, тела и теплоносителя, конструктивной компоновки теплообменных труб и распределителя потока теплоносителя.

На фиг. 1 изображена теплообменная секция пленочного теплообменника в поперечном разрезе A-A; на фиг. 2 - место B на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез C-C на фиг. 2; на фиг. 4 - течение теплоносителя через распределители потока; на фиг. 5 - разрез D-D на фиг. 3; на фиг. 6 - место E на фиг. 3.

Пленочный теплообменник (фиг. 1) содержит корпус 1, бак 2, теплообменные секции 3, распределительные устройства 4 рабочего тела, фильтр 5, размещенный в поддоне 6, и соединенный с насосом 7, который трубопроводом 8 связан с баком 2.

Теплообменные секции 3 выполнены в виде вертикально установленных труб 9 для изменяющего фазовое состояние рабочего тела. Коллекторы 10 и 11 патрубками 12 и 13 связаны с магистралями изменяющего фазовое состояние рабочего тела. Коллектор 10 содержит соответствующие патрубки для подключения необходимых технических средств защиты (условно не показаны). Коллектор 14 содержит патрубок 15 для удаления жидкого рабочего тела в ресивер (не показан).

Снаружи вертикально расположенных труб 9 коаксиально с ними расположены теплообменные трубы 16, верхней частью соединенные с баком 2, а нижней частью сообщающиеся с поддоном 6.

В межтрубном кольцевом пространстве установлены распределители 17 потока теплоносителя, выполненные в виде цилиндрических вставок, причем внутренняя поверхность 18 каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора 19, переходящего в цилиндрическую втулку 20, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба 21, наружная поверхность 22 вставки снабжена сквозными секторными зазорами 23, в которых размещены штифты 24, поджатые пружинами 25 (фиг. 5).

На фиг. 5 и 6 вдоль образующей труб 16 для теплоносителя в кольцевом зазоре установлены пластины 26 с отверстиями 27 для штифтов 24, вставки зафиксированы на пластинах 26 по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора.

Патрубки 28 (фиг. 1) введены в коллекторы 10, и далее через патрубки 12 связаны с паровым пространством рабочего тела установки (не показано).

Пленочный теплообменник работает следующим образом (фиг. 1 и 2).

Рабочее тело, изменяющее свое фазовое состояние, через патрубки 13 подается в коллекторы 11 теплообменных секций 3, откуда через распределительные устройства 4 во внутренние теплообменные трубы 9.

Паровое пространство труб 9 связано с коллекторами 10 и через патрубки 12 с соответствующим паровым пространством рабочего тела установки (не показано), в составе которой используется пленочный теплообменник.

Теплоноситель из поддона 6 через фильтр 5 забирается насосом 7 и по трубопроводу 8 подается в бак 2. Теплоноситель поступает в межтрубное пространство, образованное теплообменными трубами 9 и 16, проходит через распределители потока теплоносителя 17 и, омывая внутреннюю поверхность труб 9, стекает в поддон 6.

Рабочее тело, изменившее при конденсации фазовое состояние, отводится в виде жидкой фазы через коллекторы 14 и патрубки 15 в линейный ресивер (не показано).

Рабочее тело, изменившее при кипении фазовое состояние, отводится в виде паровой фазы через патрубки 28 в коллекторы 10, и далее через патрубки 12 к потребителю пара (не показано).

При подходе к распределителю внутренние ламинарные слои потока теплоносителя на входе в конфузор 19 поджимаются, в конфузоре ускоряются, после чего попадают в цилиндрическую часть 20, где в каналах круглой резьбы 21 закручиваются. На выходе из резьбы 21 закрученный винтообразный поток теплоносителя перемещается вдоль трубы 9, обеспечивая перемешивание струек и турбулентный режим течения на длине трубы 9 до расположенного ниже следующего распределителя потока. Тем самым увеличивается коэффициент теплоотдачи, теплоносителя относительно наружной поверхности внутренней трубы 9.

Через секторные зазоры 23 слой теплоносителя перемещается сверху вниз в ламинарном режиме течения, что уменьшает теплообмен теплоносителя с окружающей средой через наружную поверхность внешней трубы 16.

Предлагаемый пленочный теплообменник позволяет повысить тепловую производительность, интенсифицировать процесс теплообмена при осуществлении фазового перехода и, тем самым, снизить давление конденсации и расход электроэнергии на выработку холода (при проведении процесса конденсации рабочего тела) или увеличить массовый расход образующегося пара (при испарении рабочего тела или регазификации сжиженного газа).

Устройство предназначено для применения в холодильной технике. Пленочный теплообменник содержит корпус, установленные в нем теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела, связанные с распределительными устройствами, расположенными в коллекторах; бак, поддон и насос теплоносителя, причем теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела установлены вертикально, сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена входным и выходным горизонтальными коллекторами, и трубы для подвода теплоносителя размещены коаксиально снаружи теплообменных труб для изменяющего фазовое состояние рабочего тела и снабжены распределителями потока теплоносителя, соединены верхней частью с баком теплоносителя, а нижней частью сообщены с поддоном, причем распределители потока теплоносителя установлены в кольцевом зазоре между трубами и выполнены в виде цилиндрических вставок, причем внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, а на внутренней поверхности сформирована круглая резьба. Изобретение позволяет повысить тепловую производительность теплообменника. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Пленочный теплообменник, включающий корпус, установленные в нем теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела, связанные с распределительными устройствами, расположенными в коллекторах, бак, поддон и насос для теплоносителя, теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела установлены вертикально и сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена входным и выходным горизонтальными коллекторами, трубы для подвода теплоносителя размещены коаксиально снаружи теплообменных труб для изменяющего фазовое состояние рабочего тела и снабжены распределителями потока теплоносителя и соединены верхней частью с баком теплоносителя, а нижней частью сообщены с поддоном, отличающийся тем, что распределители потока теплоносителя установлены в кольцевом зазоре между трубами и выполнены в виде цилиндрических вставок, внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба, наружная поверхность вставки снабжена сквозными секторными зазорами, в которых размещены подпружиненные штифты. 2. Пленочный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что вдоль образующей труб для теплоносителя в кольцевом зазоре установлены пластины с отверстиями для штифтов, на которых зафиксированы вставки по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора.