ВИХРЕВОЙ ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 2005 года по МПК F25B39/04 F28C1/00 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано на распределительных холодильниках, холодильниках мясной и плодоперерабатывающей промышленности. Известны испарительные конденсаторы, используемые в промышленности, включающие вентиляторы, теплообменники, форконденсатор, кожух и циркуляционный насос (см. Холодильная техника. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин. Справочник. Москва, "Легкая и пищевая промышленность", 1984 г.).

Промышленная эксплуатация таких испарительных конденсаторов показывает, что на их теплообменной поверхности со стороны воды образуется "водяной камень" (осаждение солей), значительно ухудшающий теплопередачу и уменьшающий производительность аппарата.

Для восстановления первоначальных характеристик аппарата "водяной камень" необходимо очищать. Очистка "водяного камня" является очень трудоемкой операцией и не всегда возможна из-за недоступности к трубам трубного пучка, находящимся внутри него.

Прототипом является вихревой испарительный конденсатор (см. А.с. № 185941, СССР). Вихревой испарительный конденсатор представляет собой заключенные в общий кожух трубы большого диаметра, снаружи которых имеются волнистые желоба, внутри которых конденсируются пары холодильного агента. Воздух засасывается вентиляторами в верхней части аппарата, омывает наружную поверхность труб, направляется в поддон, затем направляется через завихрители и в виде вихря движется внутри труб.

В завихренный поток воздуха внутри труб через форсунки распыляется вода. Затем воздух, пройдя сепаратор, выбрасывается в окружающую среду. В сепараторе от потока воздуха отделяются капли воды.

Для интенсификации тепло- и массообмена через форсунки орошается также и внешняя поверхность труб.

Недостатком такого вихревого испарительного конденсатора является наличие завихрителя, отсутствие орошения внутренней поверхности труб форсунками после завихрителя, а также возможности вариации геометрических характеристик теплообменников (теплообменной поверхности) вихревого испарительного конденсатора, которые, в свою очередь, влияют на интенсивность теплообмена.

Указанные недостатки сопровождаются повышенными энергетическими и массовыми показателями.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования "Вихревого испарительного конденсатора" путем снижения энергетических затрат на осевые вентиляторы, интенсификации теплообмена и, как следствие, снижения массовых характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в "Вихревом испарительном конденсаторе", содержащем осевые вентиляторы с профилированными лопастями, вихревые теплообменники в виде труб большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности П-образными ребрами, образующими каналы для прохождения хладагента, каплеотделитель, поддон для сбора воды, фильтр, циркуляционный насос, форконденсатор, гребенки и форсунки для орошения наружной и внутренней поверхности труб теплообменников, наружное ограждение конденсатора, согласно изобретению, завихрение потока воздуха в трубах осуществляется осевым вентилятором с профилированными лопастями, установленными под углом между образующей корпуса вентилятора и касательной к лопасти на выходе воздуха у стенки корпуса, равным ϕ =40-65° , а вихревые теплообменники выбраны со следующими характеристиками: коэффициент оребрения γ =π D/(n1)=1-5, где n - количество укрепленных на наружной поверхности труб продольных П-образных ребер, образующих каналы для прохождения холодильного агента; 1=20-140 мм - ширина канала; D=400-1000 мм - диаметр трубы; l₁=20-60 мм - высота канала; δ =3-6 мм - толщина стенки трубы; δ ₁=2-4 мм - толщина стенки канала. Отношение длины трубы к ее диаметру может составлять L/D=≤ 40, где L - длина трубы.

Как следует из вышесказанного, коэффициент оребрения может изменяться в пределах 1-5. Такое изменение вызвано эффективностью теплообмена ребра, которая зависит от коэффициентов теплоотдачи внутри канала (конденсация паров холодильного агента) и снаружи канала (стекание водяной пленки), коэффициента теплопроводности материала ребра - сталь, алюминий, медь (λ _стали≈_{45 Вт/(м· К), λ алюминия≈180 Вт/(м· К), λ меди≈330 Вт/(м· К), толщины стенки ребра, теплофизических характеристик холодильных агентов (аммиак, фреон-134а, фреон-22 и др.). Поэтому для каждого конкретного случая должен быть выбран свой, оптимальный, коэффициент оребрения. Выбор оптимального коэффициента обосновывается соответствующим технико-экономическим расчетом.}

Выбор длины теплообменника L/D≤ 40 выбран из условия затухания вихря внутри трубы на основании экспериментальных данных.

Полное затухание закрученного на входе в трубу потока воздуха (переход вращающегося вихря в прямолинейный поток) при L/D≈ 70. Поэтому эффективность теплообмена при L/D≤ 40 будет достаточной для создания эффективных вихревых теплообменников. Трубы большого диаметра D=400-1000 мм выбраны из условия прокачивания большого объема воздуха осевыми вентиляторами с профилированными лопастями при сравнительно большом их КПД.

Кроме того, на входе потока воздуха в вихревые теплообменники установлены оросители, трубки которых выполнены с загнутыми по направлению движения потока воздуха концами, что обеспечивает орошение всей теплообменной поверхности вихревых теплообменников. Для уменьшения сопротивления двухфазному потоку (поток воздуха и распыленная вода) внутри трубы направление потока воздуха и распыление воды через форсунки осуществляется прямоточно, что способствует эжекции потока воздуха каплями воды, выбрасываемыми через форсунки. Капли воды, выбрасываемые через форсунки, попадают на внутреннюю поверхность трубы и в виде пленки стекают в нижнюю ее часть, где в виде ручья серповидного сечения стекают в поддон.

Для более быстрого стекания и предотвращения стекания потока воды через вентилятор трубы установлены наклонно к горизонту под углом α =3-8° . Кроме того, наклон труб к горизонту способствует также более быстрому стеканию сконденсировавшегося жидкого холодильного агента, что способствует интенсификации теплообмена.

На фиг.1 показан вихревой испарительный конденсатор.

На фиг.2 показан поперечный разрез вихревого испарительного конденсатора.

На фиг.3 показана установка лопасти вентилятора на корпусе колеса.

На фиг.4 показано поперечное сечение трубы с желобами вихревого теплообменника.

На фиг.5 показано поперечное сечение трубы вихревого теплообменника на участке с видом оросителя.

Вихревой испарительный конденсатор включает осевые вентиляторы с профилированными лопастями 1, вихревые теплообменники в виде труб 2 большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности П-образными ребрами 3, образующими каналы для прохождения холодильного агента, оросители 4, гребенки 5 с форсунками 6, каплеотделитель 7, поддон 8, фильтр 9, циркуляционный насос 10, форконденсатор 11, форсунки для орошения наружной поверхности труб 12 и наружное ограждение 13. На рабочем колесе вентилятора установлены лопасти 14.

Вихревой испарительный конденсатор работает следующим образом.

Вихревой испарительный конденсатор устанавливается вне помещения на открытом воздухе. Наружный воздух нагнетается осевыми вентиляторами 1, лопасти 14 которого закручивают и в виде вихря подают поток воздуха в трубу 2. На наружной поверхности трубы укреплены П-образные ребра 3, внутри которых конденсируются пары холодильного агента. В закрученный поток воздуха внутри трубы через форсунки 6, установленные на гребенке 5, впрыскивается вода, которая в виде мельчайших капель под действием центробежных сил пронизывает поперек вращающийся поток воздуха и попадает на внутреннюю поверхность трубы, где в виде пленки стекает в ее нижнюю часть.

Большая поверхность многочисленных капель воды вылетающих из форсунок и высокая их относительная скорость способствуют интенсивному тепло- и массообмену между водой и воздухом, а затем интенсивному теплообмену между водой и парами холодильного агента. В нижней части, горизонтально установленной, трубы по всей ее длине просверлены отверстия, через которые стекает часть воды на наружную поверхность ниже установленных труб. Остальной поток воды в трубе, подгоняемый завихренным потоком воздуха, сливается в поддон 8. Выйдя из труб, поток воздуха делает поворот на 180° и движется в межтрубном пространстве, омывая орошаемую наружную поверхность труб 2 с П-образными ребрами 3, что позволяет эффективно использовать и наружную поверхность вихревого теплообменника. Для более надежного орошения наружной поверхности труб в верхней части аппарата установлены форсунки 12. С потоком воздуха, омывающим наружную поверхность, могут уноситься капли воды. Для уменьшения их уноса в верхней части аппарата устанавливается форконденсатор 11, попадая на поверхность которого, капли испаряются. Окончательное отделение капель от потока воздуха происходит в каплеотделителе 7, где капли отделяются, а утепленный и увлажненный воздух выбрасывается наружу. Вся вода стекает в поддон 8, откуда через фильтр 9 забирается циркуляционным насосом 10 и подается на форсунки 6, 12 и оросители 4. Пары холодильного агента после компрессора (на чертежах не показано) поступают вначале на форконденсатор 11, где охлаждаются, а затем внутрь каналов, образованных П-образными ребрами 3, где происходит окончательная конденсация. Далее жидкий холодильный агент поступает в линейный ресивер (на чертеже не показан). Форконденсатор 11 выполнен в виде змеевика, имеющего наружные ребра. Снаружи конденсатор имеет ограждение 13.

Так как распыл воды внутри труб осуществляется через форсунки, то на начальном участке труба не орошается (капли в факеле вылетают под определенным углом), поэтому в конденсаторе сразу после вентилятора устанавливаются оросители 4, трубки которых на конце загнуты по направлению движения потока воздуха у стенки трубы.

Такое выполнение уменьшает гидравлическое сопротивление, а следовательно, и энергетические затраты, и интенсифицируется тепло- и массообмен.

Все вышеуказанные факторы способствуют созданию высокоэффективных вихревых испарительных конденсаторов.

Вихревой испарительный конденсатор предназначен для конденсации паров холодильного агента в холодильных установках. Вихревой испарительный конденсатор содержит вихревые теплообменники в виде труб большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности продольными П-образными ребрами, образующими каналы для прохождения холодильного агента, осевые вентиляторы с профилированными лопастями, форсуночную гребенку с форсунками, циркуляционный насос, фильтр, поддон, каплеотделитель и наружное ограждение. Завихрение потока воздуха в теплообменнике осуществляется осевым вентилятором с профилированными лопастями, установленными под углом между образующей корпуса вентилятора и касательной к лопасти на выходе воздуха у стенки корпуса ϕ=40-65°. Вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии с соотношением: γ=πD/(nl)=l-5, где D - диаметр трубы; n - количество каналов; 1 - ширина канала, которые, в свою очередь, изменяются в пределах D=400-1000 мм; 1=20-140 мм; высота канала l₁=20-60 мм; толщина стенки трубы δ=3-6 мм; толщина стенки канала δ₁=2-4 мм и отношение длины трубы L к диаметру D L/D≤40. Использование изобретения позволит уменьшить энергетические и массовые характеристики предлагаемого испарительного конденсатора. 1 з.п., ф-лы 5 ил.

1. Вихревой испарительный конденсатор, содержащий вихревые теплообменники в виде труб большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности продольными "П"-образными ребрами, образующими каналы для прохождения холодильного агента, осевые вентиляторы с профилированными лопастями, форсуночную гребенку с форсунками, циркуляционный насос, фильтр, поддон, каплеотделитель, наружное ограждение, отличающийся тем, что завихрение потока воздуха в теплообменнике осуществляется осевым вентилятором с профилированными лопастями, установленными под углом между образующей корпуса вентилятора и касательной к лопасти на выходе воздуха у стенки корпуса ϕ=40-65°, а вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии с соотношением γ=πD/(nl)=1-5, где D - диаметр трубы; n - количество каналов; l - ширина канала, которые, в свою очередь, изменяются в пределах D=400-1000 мм; l=20-140 мм; высота канала l₁=20-60 мм; толщина стенки трубы δ=3-6 мм; толщина стенки канала δ₁=2-4 мм и отношение длины L трубы к диаметру D, L/D≤40.2. Вихревой испарительный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что на входе потока воздуха в вихревые теплообменники устроены оросители с загнутыми концами орошающих трубок по направлению движения потока воздуха, а теплообменные трубы установлены наклонно к горизонту под углом α=3-8°.