ВЕРТИКАЛЬНО-ТРУБНЫЙ КОНДЕНСАТОР С ПЛЕНОЧНОЙ КОНДЕНСАЦИЕЙ ПАРА ВНУТРИ ТРУБ Российский патент 2003 года по МПК F25B39/04 F28F13/04 F25D31/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к вертикально-трубным конденсаторам с конденсацией пара внутри труб, и может быть использовано также в химической, нефтегазовой, молочной, пивоваренной, бродильной, консервной и других отраслях промышленности, где осуществляют конденсацию паров рабочих тел.

Известны вертикально-трубные конденсаторы (аналог) с конденсацией пара внутри труб (см. 1. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, - М. : Химия, 1981, с.326), содержащие корпус, внутри которого расположены трубные решетки с закрепленными в них вертикальными трубами, патрубки подвода пара и отвода сконденсировавшейся жидкости, патрубки подвода и отвода охлаждающей среды.

К недостаткам известных конденсаторов следует отнести формирование на внутренней теплообменной поверхности вертикальной трубы пленки конденсата, толщина которой непрерывно увеличивается сверху вниз, при этом увеличение толщины пленки существенно снижает общий коэффициент теплопередачи труб вследствие увеличения роли термического сопротивления пленки /см. 2. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен /Под ред. Э.И. Гуйко. - М.: Агропромиздат, 1986, с. 171/.

Известно использование труб с внутренними ребрами в форме запрессованных сердечников или витой ленты, размещенных внутри трубы, с различной формой ленты (см. , например: 3. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин: Справочник /Под ред. А.В. Быкова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. 4. "Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин /Под ред. А. А. Гоголина. -М.: Легкая и пищевая пром-сть. 1982). К недостаткам такого оребрения следует отнести сложность в обеспечении регулярности размещения ребер по протяженности трубы, плотности прилегания всех ребер к внутренней поверхности трубы и организации отвода пленки жидкости рабочего тела (ЖРТ) от площади поверхности трубы.

Известно изготовление труб с внутренними ребрами (см. патенты 5184674, 5383329 США), в которых внутренние ребра выполнены в форме спирального или зубчатого оребрения. К недостаткам такого оребрения следует отнести сложность в технологии их изготовления, необходимость сварки пластин - заготовок труб.

Известна труба теплообменника с внутренними ребрами (см. авт. св. 443243 СССР), в которой ребра выполнены в виде полуколец, размещенных по длине трубы в шахматном порядке. К недостаткам такого оребрения следует отнести сложность в технологии их изготовления и обеспечения регулярности размещения ребер по протяженности трубы.

Известно размещение во внутренней полости вертикальной трубы конденсатора конденсатоотводящих колпаков (прототип) /см. 5. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации, - М.: Энергия, 1977, с.72/. Конденсатоотводящие колпаки установлены последовательно внутри трубы и примыкают к ее поверхности, вследствие чего отводят конденсат от этой поверхности. На поверхности ниже конденсатоотводящих колпаков пленка конденсата образуется вновь. Таким образом, средний коэффициент теплопередачи увеличивается, так как средняя (по высоте трубы) толщина пленки уменьшается и, следовательно, уменьшается термическое сопротивление пленки конденсата.

К недостаткам известного элемента вертикально-трубного конденсатора - вертикальной трубы с конденсатоотводящими колпаками, следует отнести следующее:
- колпаки создают дополнительное гидравлическое сопротивление потоку пара рабочего тела, так как охватывают весь внутренний периметр трубы. Вследствие этого давление Р_н нагнетания пара рабочего тела увеличивается на величину ΔP_гидр, что, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам энергии на привод нагнетателя пара рабочего тела, из-за увеличения степени сжатия Р_н/Р_вс, где Р_вс - давление всасывания пара рабочего тела;
- образовавшийся поток ЖРТ отводится на небольшом расстоянии от площади поверхности конденсации, вследствие чего не исключен занос потоком пара рабочего тела (ПРТ) отводимого жидкого рабочего тела (ЖРТ) на расположенные ниже участки площади поверхности конденсации, что приводит к дополнительному утолщению пленки конденсата и увеличению ее термического сопротивления и, следовательно, к снижению общего коэффициента теплопередачи труб.

Таким образом, тепловая производительность существующих вертикально-трубных конденсаторов лимитируется интенсивностью конденсации паров рабочего тела (хладагента) внутри вертикальных труб, при пленочной конденсации жидкого рабочего тела (хладагента), вследствие неэффективного отвода образующейся пленки конденсата от поверхности труб. Кроме того, при увеличении высоты теплообменных труб и увеличении тепловой нагрузки происходит значительное увеличение толщины пленки конденсата относительно вертикальной оси, в результате чего на внутренней поверхности трубы интенсивность теплоотвода резко падает, из-за снижения среднего коэффициента теплопередачи через теплообменную поверхность.

Задачей настоящего изобретения является снижение термического сопротивления слоя пленки конденсата, снижение гидравлического сопротивления парожидкостному потоку, за счет отвода конденсата от стенки трубы и, следовательно, улучшение внешних технических характеристик конденсатора по затратам мощности на нагнетатель подачи пара в конденсатор.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом вертикально-трубном конденсаторе с пленочной конденсацией пара внутри труб, содержащем корпус с крышками, верхнюю и нижнюю трубные решетки, закрепленные в них вертикальные трубы с установленными внутри каждой вертикальной теплообменной трубы конденсатоотводящими элементами, патрубки подвода охлаждающей среды и пара рабочего тела и патрубки отвода охлаждающей среды и жидкого рабочего тела (конденсата), конденсатоотводящий элемент выполнен в виде центрального стержня, на котором закреплено не менее семи втулок, причем не менее чем к четырем втулкам под углом β жестко закреплены не менее трех U-образных желобов для отвода конденсата с отверстиями у поверхности втулок, а к внешнему краю этих желобов прикреплены V-образные желоба для сбора конденсата, которые выполнены с углом α наклона сторон по передней кромке, по отношению к вертикальной оси трубы, по дуге окружности ϕ не более 90^o, с радиусом внешней стороны V-образной кромки, равным внутреннему радиусу R_вн, при этом не менее чем к трем оставшимся втулкам закреплены не менее трех распорных стержней, на концах которых закреплены опорные пластины.

Угол β подъема U-образного желоба составляет от 30 до 45^o, а угол наклона α сторон V-образного желоба по передней кромке, по отношению к вертикальной оси трубы, составляет от 20 до 30^o.

Втулки с упорными стержнями установлены в верхнем, среднем и нижнем сечениях трубы, а втулки с закрепленными на них U- и V-образными желобами расположены по отношению друг к другу и трубным решеткам на расстоянии h, определяемом из выражения при условии 0<Δ<1, где - относительное уменьшение средней толщины пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, Н - длина теплообменной поверхности, - средняя толщина пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, - средняя толщина пленки конденсата без установки конденсатоотводящего элемента, λ_пл - коэффициент теплопроводности пленки конденсата, α₂ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пленке конденсата, при этом V-образные желоба соответствующих втулок перекрывают в плане внутреннюю образующую трубы.

Оснащение каждой теплобменной трубы вертикально-трубного конденсатора с пленочной конденсацией пара рабочего тела внутри труб конденсатоотводящим элементом, выполненным в виде центрального стержня, на котором закреплено не менее четырех втулок с U- и V-образными желобами, расположены по отношению друг к другу и трубным решеткам на расстоянии h, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления парожидкостному потоку, вследствие того, что V-образные желоба не охватывают на одном уровне весь внутренний периметр трубы, т. к. расположены на разных уровнях и перекрывают в плане внутреннюю образующую трубы, что обеспечивает свободный доступ пара к освобожденной от пленки конденсата поверхности теплообмена. Более эффективный отвод конденсата, при котором не происходит возврата отводимого жидкого рабочего тела потоком пара рабочего тела на расположенные ниже участки площади поверхности конденсации, достигается отводом конденсата от теплообменной поверхности с помощью U- и V-образных конденсатоотводящих желобов к центру трубы и, затем, по стержню в центре трубы до выхода ЖРТ из теплообменной трубы. Свободный доступ пара к освобожденной от пленки конденсата поверхности теплообмена и сокращение величины термического сопротивления не удаленной с поверхности трубы пленки конденсата приводит к интенсификации процесса теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара и увеличивает среднее значение коэффициента теплопередачи при конденсации.

Крепление U- и V-образных конденсатоотводящих желобов выполняется таким образом, что угол β подъема U-образного желоба составляет от 30 до 45^o, а угол α наклона сторон V-образного желоба по передней кромке, по отношению к вертикальной оси трубы, составляет от 20 до 30^o, что обеспечивает наиболее эффективный отвод конденсата от теплообменной поверхности к центральному стержню, для последующего вывода конденсата из аппарата.

Втулки с упорными стержнями установлены в верхнем, среднем и нижнем сечениях трубы, что обеспечивает центровку центрального стержня в трубе и гарантирует примыкание V-образных желобов для сбора конденсата к внутренней теплообменной поверхности вертикальных труб, а втулки с закрепленными на них U- и V-образными желобами расположены по отношению друг к другу и трубным решеткам на расстоянии h, определяемом из выражения при условии 0<Δ<1, где - относительное уменьшение средней толщины пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, Н - длина теплообменной поверхности, - средняя толщина пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, - средняя толщина пленки конденсата без установки конденсатоотводящего элемента, λ_пл - коэффициент теплопроводности пленки конденсата, α₂ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пленке конденсата, при этом V-образные желоба соответствующих втулок перекрывают в плане внутреннюю образующую трубы, выведенному согласно нижеследующих рассуждений и преобразований.

Пар, имеющий температуру t_н, конденсируется на вертикальной стенке высотой Н, температура которой t_c<t_н /см. фиг. 6/. Пленка конденсата движется в направлении оси х.

Коэффициент теплопередачи k_н от конденсирующегося пара к хладоносителю в сечении х, расположенном на произвольном расстоянии х_i от начального участка теплообменной поверхности трубы, т.е. при х=х_i, равен:

где α₁, α₂ - коэффициент теплоотдачи соответственно от стенки к хладоносителю и от пара к пленке конденсата, Вт/(м²•К);
δ_ст, δ_пл.i - толщина стенки и пленки конденсата, при х=х_i, м;
λ_ст, λ_пл - коэффициент теплопроводности стенки и пленки конденсата, Вт/(м•К).

Выпадающий конденсат стекает по стенке в виде сплошной пленки, толщина которой возрастает по мере ее перемещения сверху вниз и достигает максимального значения δmaxпл

.

В выражении (1) величина является обратной коэффициенту теплоотдачи α от пара к стенке, то есть

Преобразовав выражение (2), получим, что коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, при х=х_i равен:

Преобразуем выражение (3) и, принимая отношение 1/α₂ равным А, получаем:

Преобразуя (4) с учетом того, что теплопроводность пленки λ_пл конденсата не изменяется по х, и обозначив произведение λ_пл•A через В, получим выражение для нахождения коэффициента теплоотдачи от пара к стенке, при х=х_i, в следующем виде:

Толщина пленки конденсата δ_пл.i в выражении (5) при х=х_i, по /5, с.46/, определяется по зависимости:

где r - удельная теплота парообразования, кДж/кг;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
ρ_ж - плотность конденсата, кг/м³;
λ_ж - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м•К);
μ_ж - коэффициент динамической вязкости конденсата, Па•с.

Обозначив в (6) выражение через С, получим:

Средний коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на стенке, при х=Н, и с учетом выражений (5) и (7) определится по /5, с.46/ как:

Толщина пленки конденсата достигает своего максимального значения δmaxпл

, при х= Н, и тогда средний коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на стенке при х в интервале (0; Н) равен:

где - средняя толщина пленки конденсата при х в интервале (0; Н).

Аналогично вышеизложенному, средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке при х в интервале (0; h) при установке втулок 11 с V- и U-образными желобами на расстоянии h между собой и трубными решетками равен:

где - средняя толщина пленки конденсата при х в интервале (0; h).

Таким образом, относительное увеличение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке, при установке втулок 11 с V- и U-образными желобами конденсатоотводящего элемента на расстоянии h между собой и трубными решетками в вертикальной трубе, составит:

Поскольку, по /5, с.72/ существует зависимость:

то приравнивая левые части выражений (11) и (12), получаем выражение (13).

Поделив правую часть выражения (13) на и обозначив частное через Δ, а частное через D, получим:

В зависимости от принимаемой при расчетах протяженности теплопередающей поверхности труб Н, задавшись отношением 0<Δ<1 при условии определяется расстояние h между втулками 11 конденсатоотводящего элемента.

На фиг. 1 изображен общий вид вертикально-трубного конденсатора с конденсацией пара рабочего тела внутри вертикальных труб; на фиг. 2 - общий вид компоновки конденсатоотводящего элемента внутри трубы (место С); на фиг. 3 - компоновка конденсатоотводящего элемента в поперечном сечении трубы (разрез А-А); на фиг. 4 - компоновка фиксатора конденсатоотводящего элемента в поперечном сечении трубы (разрез В-В); на фиг. 5 - втулка с закрепленными на ней V- и U-образными желобами, служащими для сбора и отвода конденсата (в аксонометрии); на фиг. 6 - схема пленочной конденсации на вертикальной стенке.

Вертикально-трубный конденсатор с пленочной конденсацией пара внутри труб (см. фиг. 1) содержит корпус 1, трубные решетки 2 и 3, закрепленные в них вертикальные трубы 4, патрубки подвода 5 и отвода 6 охлаждающей среды и патрубки подвода пара рабочего тела 7 и отвода жидкого рабочего тела (конденсата) 8.

Внутри каждой вертикальной теплообменной трубы размещен (см. фиг. 2-5) конденсатоотводящий элемент для отвода пленки конденсата, содержащий центральный стержень 9, на котором закреплены фиксаторами 10 (например, винтами) втулки 11 и 12.

К втулкам 11 (см. фиг. 2, 3, 5) под углом β жестко закреплены U-образные желоба 13, с отверстиями 14 у поверхности втулок 11. Угол β подъема желоба 13 составляет от 30 до 45^o.

К внешнему краю желобов 13 прикреплены не менее трех V-образных желобов 15, которые выполнены с углом α наклона сторон по передней кромке по отношению к вертикальной оси трубы, по дуге окружности ϕ не более 90^o, с радиусом внешней стороны V-образной кромки, равным внутреннему радиусу R_вн трубы 4. Угол α наклона сторон V-образного желоба по передней кромке, по отношению к вертикальной оси трубы, составляет от 20 до 30^o. К втулкам 12 (см. фиг. 2, 4) закреплены на резьбе не менее трех распорных стержней 16, на концах которых закреплены опорные пластины 17.

Под передней кромкой желоба имеется в виду именно та поверхность V-образного желоба, которая при установке конденсатоотводящего элемента внутри вертикальной трубы, примыкает к внутренней поверхности теплообмена данной трубы.

Заявляемый вертикально-трубный конденсатор с пленочной конденсацией пара внутри труб (см. фиг. 1-5) работает следующим образом:
На центральном стержне 9 устанавливают не менее трех втулок 12, таким образом, чтобы фиксировать центральный стержень 9 строго по вертикальной оси трубы 4 в ее верхнем, среднем и нижнем сечениях.

На центральном стержне 9 устанавливают не менее четырех втулок 11 таким образом, чтобы втулки 11 находились по отношению друг к другу и трубным решеткам на расстоянии h, определяемом из выражения при условии 0<Δ<1, где - относительное уменьшение средней толщины пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, Н - длина теплообменной поверхности, - средняя толщина пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента, - средняя толщина пленки конденсата без установки конденсатоотводящего элемента, λ_пл - коэффициент теплопроводности пленки конденсата, α₂ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пленке конденсата, при этом V-образные желоба соответствующих втулок перекрывают в плане внутреннюю образующую трубы.

После вышеуказанного размещения на центральном стержне 9 втулок 11 и 12, последние фиксируют на центральном стержне 9 креплениями 10.

При снятых крышках 18 и 19 конденсатора в каждую трубу 4 устанавливают по вертикальной оси центрального стержня 9, и распорными стержнями 16 закрепляют ее внутри трубы 4. После чего крышки 18 и 19 устанавливают и закрепляют к корпусу 1. Через патрубок 5 подводят и через патрубок 6 отводят охлаждающую среду. Через патрубок 7 в трубы подается поток пара рабочего тела, и пар конденсируется на внутренней теплообменной поверхности труб 4.

В процессе конденсации рабочего тела на внутренней теплообменной поверхности труб 4 образуется пленка конденсата, толщина которой δ увеличивается по направлению сверху вниз. Образовавшаяся пленка конденсата отводится с внутренней теплообменной поверхности труб 4 в V-образные желоба 15, откуда через U-образные желоба 13 поступает к отверстиям 14 у поверхности втулок 11 и через отверстия 14 сливается по центральному стержню 9 к нижней трубной решетке 3. Жидкое рабочее тело через патрубок 8 выводится из конденсатора для соответствующего применения. Цикл работы завершается.

Таким образом, заявляемое, по сравнению с известным, обеспечивает:
- промежуточный отвод конденсата с внутренней теплообменной поверхности вертикальной трубы, что способствует снижению средней толщины пленки конденсата;
- свободный доступ пара к освобожденной от пленки конденсата поверхности теплообмена и сокращение величины термического сопротивления не удаленной с поверхности трубы пленки конденсата приводит к интенсификации процесса теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара и увеличивает среднее значение коэффициента теплопередачи при конденсации;
- свободный доступ пара к освобожденной от пленки конденсата поверхности теплообмена и отвод конденсата по направляющей в центре трубы способствует снижению гидравлического сопротивления парожидкостного потока и улучшает внешние технические характеристики конденсатора по затратам мощности на нагнетатель подачи пара в конденсатор.

Изобретение предназначено для использования в холодильной технике. Вертикально-трубный конденсатор с пленочной конденсацией пара внутри труб содержит корпус с крышками, верхнюю и нижнюю трубные решетки, закрепленные в них вертикальные трубы. Внутри каждой трубы установлены конденсатоотводящие элементы. Указанный элемент выполнен в виде центрального стержня, на нем закреплено не менее семи втулок. Не менее чем к четырем втулкам под углом β жестко закреплено не менее трех U-образных желобов для отвода конденсата с отверстиями у поверхности втулок. К внешнему краю этих желобов прикреплены V-образные желоба для сбора конденсата. Определены угол α наклона сторон по передней кромке, по отношению к вертикальной оси трубы, и угол β подъема U-образного желоба. Не менее чем к трем оставшимся втулкам закреплено не менее трех распорных стержней, на их концах закреплены опорные пластины. Изобретение обеспечивает улучшение внешних технических характеристик конденсатора по затратам мощности на нагнетатель подачи пара в конденсатор за счет отвода конденсата от стенки трубы. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Вертикально-трубный конденсатор с пленочной конденсацией пара внутри труб, содержащий корпус с крышками, верхнюю и нижнюю трубные решетки, закрепленные в них вертикальные трубы с установленными внутри каждой вертикальной теплообменной трубы конденсатоотводящими элементами, патрубки подвода охлаждающей среды и пара рабочего тела и патрубки отвода охлаждающей среды и жидкого рабочего тела (конденсата), отличающийся тем, что конденсатоотводящий элемент выполнен в виде центрального стержня, на котором закреплено не менее семи втулок, причем не менее чем к четырем втулкам под углом β жестко закреплено не менее трех U-образных желобов для отвода конденсата с отверстиями у поверхности втулок, а к внешнему краю этих желобов прикреплены V-образные желоба для сбора конденсата, которые выполнены с углом α наклона сторон по передней кромке по отношению к вертикальной оси трубы по дуге окружности ϕ не более 90^o, с радиусом внешней стороны V-образной кромки, равным внутреннему радиусу R_вн. трубы, при этом не менее чем к трем оставшимся втулкам закреплено не менее трех распорных стержней, на концах которых закреплены опорные пластины. 2. Вертикально-трубный конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что угол β подъема U-образного желоба составляет от 30 до 45^o, а угол наклона α сторон V-образного желоба по передней кромке по отношению к вертикальной оси трубы составляет от 20 до 30^o. 3. Вертикально-трубный конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что втулки с упорными стержнями установлены в верхнем, среднем и нижнем сечениях трубы, а втулки с закрепленными на них U- и V-образными желобами расположены по отношению друг к другу и трубным решеткам на расстоянии h, определяемом из выражения

при условии 0<Δ<1,
где Δ = δ-hпл

/δ-Hпл - относительное уменьшение средней толщины пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента;
D = λ_пл/(α₂×δ-Hпл);
Н - длина теплообменной поверхности;
δ-hпл - средняя толщина пленки конденсата при установке конденсатоотводящего элемента;
δ-Hпл - средняя толщина пленки конденсата без установки конденсатоотводящего элемента;
λ_пл - коэффициент теплопроводности пленки конденсата;
α₂ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пленке конденсата,
при этом V-образные желоба соответствующих втулок перекрывают в плане внутреннюю образующую трубы.