ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК А.Д. КОРНЕЕВА Российский патент 2004 года по МПК F28D3/04 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к вертикальным пленочным теплообменникам, предназначенным для отвода тепла в процессах биосинтеза в биореакторах, и может быть использовано в микробиологической, химической и медицинской промышленности.

Известны теплообменные устройства змеевикового и рубашечного типов, используемые для отвода тепла (Корнеев А.Д. Применение теплообменных аппаратов пленочного типа в процессах микробиологического синтеза. Журнал "Холодильная техника", 1986, №6, с.36-39).

Недостатком таких устройств являются невысокая эффективность теплосъема, характеризующаяся низкими значениями коэффициента теплопередачи.

Известны используемые для отвода тепла пластинчатые теплообменники (Калунянц К.А., Голгер Л.И., Балашов В.Е. Оборудование микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1987).

Недостатком таких устройств является высокое энергопотребление для прокачки хладоносителя и рабочей среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является вертикальный пленочный теплообменник, включающий подводящий и отводящий горизонтальные коллекторы, соединенные пучком вертикальных теплопередающих труб, каждая из которых снабжена пленочным распределителем (А.с. №1177639, кл. F 28 D 3/04, публ. 1985 г.).

Однако, теплообменное устройство содержит ряд недостатков.

В теплообменнике этой конструкции практически невозможно выдержать расположение пазов, через которые входит хладоагент, на одном горизонтальном уровне. Поэтому через каждую теплопередающую трубу пучка будут проходить различные количества хладоагента, а, следовательно, они будут иметь различные теплопередающие характеристики. Работа теплообменника осуществляется при частично заполненном подводящем коллекторе. При колебаниях давления в подводящих магистралях возможен перелив хладоагента внутрь пленочного распределителя. При этом перелившийся хладоагент просто "проваливается" по центру теплопередающей трубы и не принимает участия в процессе теплосъема, что уменьшает суммарный коэффициент теплопередачи и приводит к увеличению расхода хладоагента.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении коэффициента теплопередачи и сокращении расхода хладоагента.

Этот результат достигается за счет того, что в известном вертикальном пленочном теплообменнике, включающем подводящий и отводящий горизонтальные коллекторы, соединенные пучком вертикальных теплопередающих труб, каждая из которых снабжена пленочным распределителем, согласно изобретению, пленочный распределитель выполнен в виде глухой заглушки, установленной с зазором над верхним торцем теплопередающей трубы с образованием кольцевого зазора с внутренней поверхностью теплопередающей трубы, при этом по периферии пленочного распределителя выполнены прорези, направленные в одну сторону под углом к образующей теплопередающей трубы, а к нижней части пленочного распределителя консольно прикреплены упругие пластины, перекрывающие выходные отверстия прорезей.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез биореактора, оборудованного вертикальным пленочным теплообменником А.Д.Корнеева; на фиг.2 - продольный разрез теплопередающей трубы; на фиг.3 - вид А - пленочный распределитель, вид сверху; на фиг.4 - вид В - пленочный распределитель, вид снизу; на фиг.5 - пленочный распределитель, продольный разрез.

Пучки теплопередающих труб 1 устанавливаются внутри рабочего объема биореактора 2.

Вертикальный пленочный теплообменник А.Д.Корнеева содержит подводящий 3 и отводящий 4 горизонтальные коллекторы, соединенные пучком теплопередающих труб 1. Каждая теплопередающая труба снабжена пленочным распределителем 5, выполненным в виде глухой заглушки, с отбортовкой 7. Между отбортовкой 7 пленочного распределителя 5 и верхним торцем теплопередающей трубы 1 имеется зазор 6, а между боковой поверхностью пленочного распределителя 5 и внутренней поверхностью теплопередающей трубы 1 образуется кольцевой зазор 6а. По периферии пленочного распределителя 5 выполнены прорези 8, направленные в одну сторону под углом α к образующей теплопередающей трубы 1. Прорези 8 могут быть направлены по периферии пленочного распределителя и под разными углами, но в одну сторону. К нижней части пленочного распределителя 5 прикреплены упругие пластины 9, перекрывающие нижние отверстия прорезей 8. Упругие пластины 9 консольно крепятся к нижней части пленочного распределителя 5 одной стороной, противоположной внутренней поверхности теплопередающей трубы 1. Такое крепление пластин 9 позволяет менять площадь проходного сечения прорезей 8, а, следовательно, и расход хладоагента в зависимости от давления в подводящем коллекторе 3. При малых давлениях возможна работа теплообменника без упругих пластин 9. Крепление пленочного распределителя 5 к теплопередающим трубам 1 осуществляется с помощью фиксаторов 11.

Работа вертикального пленочного теплообменника А.Д.Корнеева осуществляется следующим образом (предполагается полное заполнение подводящего коллектора).

В процессе микробиологического синтеза тепло от культуральной жидкости, циркулирующей в межтрубном пространстве аппарата, отводится с помощью хладоагента, циркулирующего по теплопередающим трубам 1. Поток хладоагента подается по подводящему коллектору 3. Часть потока хладоагента проходит через зазор 6 между отбортовкой 7 пленочного распределителя 5 и верхним торцем теплопередающей трубы 1 и, далее, через узкий кольцевой зазор 6а (например, 0,5-2,5 мм), образованный боковой поверхностью пленочного распределителя 5 и внутренней поверхностью теплопередающей трубы 1, в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности теплопередающей трубы 1, равномерно смачивая ее. Основной поток хладоагента под давлением проходит через прорези 8, отгибает упругие пластины 9 и в виде струй попадает на смоченную первым потоком внутреннюю поверхность теплопередающей трубы 1. Упругие пластины 9 позволяют направить весь жидкостной поток, проходящий через прорези 8, к теплопередающей поверхности и уйти от режима срыва образующихся “солетонов”, приводящего к исключению части потока хладоагента из процесса теплообмена.

При взаимодействии этих потоков происходит закрутка гравитационно стекающей жидкостной пленки и турбулизация ее на начальном участке теплопередающей трубы, что оказывает существенное влияние на повышение коэффициента теплопередачи по всей высоте теплопередающей трубы.

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а именно в вертикальных пленочных теплообменниках, предназначенных для применения в микробиологической, химической и медицинской промышленности. Вертикальный пленочный теплообменник включает подводящий и отводящий горизонтальные коллекторы, соединенные пучком вертикальных теплопередающих труб, каждая из которых снабжена пленочным распределителем, причем пленочный распределитель выполнен в виде глухой заглушки, установленной с зазором над верхним торцем теплопередающей трубы и образованием кольцевого зазора с внутренней поверхностью теплопередающей трубы, при этом по периферии пленочного распределителя выполнены прорези, направленные в одну сторону под углом к образующей теплопередающей трубы, а к нижней части пленочного распределителя консольно прикреплены упругие пластины, перекрывающие выходные отверстия прорезей. Кроме того, прорези по периферии пленочного распределителя выполнены под разными углами к образующей теплопередающей трубы. Изобретение позволяет повысить коэффициент теплопередачи и сократить расход хладагента. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вертикальный пленочный теплообменник, включающий подводящий и отводящий горизонтальные коллекторы, соединенные пучком вертикальных теплопередающих труб, каждая из которых снабжена пленочным распределителем, отличающийся тем, что пленочный распределитель выполнен в виде глухой заглушки, установленной с зазором над верхним торцом теплопередающей трубы и образованием кольцевого зазора с внутренней поверхностью теплопередающей трубы, при этом по периферии пленочного распределителя выполнены прорези, направленные в одну сторону под углом к образующей теплопередающей трубы, а к нижней части пленочного распределителя консольно прикреплены упругие пластины, перекрывающие выходные отверстия прорезей.2. Вертикальный пленочный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что прорези по периферии пленочного распределителя выполнены под разными углами к образующей теплопередающей трубы.