ТЕПЛООБМЕННИК НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ Российский патент 2005 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплообменным устройствам, предназначенным для охлаждения жидких сред атмосферным воздухом, и может быть использовано в качестве охладителя сточных вод в энергетических установках различного назначения.

Известен рекуператор (а.с. №1132114 А, кл. F 23 L 15/04, опубл. 30.12.84 г.), содержащий размещенные в газоходе испарительную и конденсационную ступени, разделенные горизонтальной перегородкой с закрепленными в ней тепловыми трубами, проходящими через обе камеры, причем зоны испарения и конденсации тепловых труб размещены в испарительной и конденсационной ступенях соответственно.

Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является теплообменник (а.с. SU №1257400 А1, кл. F 28 D 15/02, опубл. 15.09.86 г.), содержащий корпус, разделенный перегородкой на камеры греющей и нагреваемой сред в виде камеры испарения и конденсации соответственно с закрепленными в ней тепловыми трубами, размещенными в обеих камерах, причем зоны испарения труб размещены в камере испарения, зоны конденсации тепловых труб размещены в камере конденсации.

Недостатком известного теплообменника является пониженная эффективность интенсификации теплообмена в зоне испарения за счет применения прямых труб без интенсификации теплообмена путем гидродинамического воздействия на пограничный слой. Применение прямых труб без интенсификации теплообмена путем гидродинамического воздействия на пограничный слой также приводит к увеличению массогабаритных характеристик теплообменника и повышенной неравномерности распределения температуры на наружной поверхности труб вследствие невозможности создания оптимальных условий течения и перемешивания среды в межтрубном пространстве за счет уменьшения проходного сечения при сближении труб испарительной части в радиальном направлении. Предлагаемым изобретением решается задача повышения интенсификации теплообмена, уменьшения массогабаритных характеристик теплообменника и неравномерности распределения температуры по наружной поверхности испарительной части труб за счет применения витых тепловых труб овального профиля.

Поставленная задача решается тем, что теплообменник на тепловых трубах, содержащий корпус, разделенный на камеры испарения и конденсации перегородкой с закрепленными в ней тепловыми трубами, размещенными в обеих камерах, причем зоны испарения труб размещены в камере испарения, зоны конденсации тепловых труб размещены в камере конденсации, дополнительно тепловые трубы в камере испарения выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала.

В теплообменнике зоны конденсации тепловых труб могут быть выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала.

Выполнение тепловых труб в камере испарения или по всей длине в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала, обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве путем гидродинамического воздействия на пограничный слой за счет закрутки потока в каналах сложной формы, образованных плотно упакованным пучком таких труб. Расположение витых труб овального профиля с касанием по максимальному размеру овала приводит и к уменьшению массогабаритных характеристик теплообменника за счет более плотной упаковки труб в объеме теплообменника при одинаковых омываемых периметрах труб и одинаковых тепловых мощностях сравниваемых теплообменников вследствие использования гидродинамической интенсификации теплообмена. Спиралеобразное течение среды в межтрубном пространстве камеры испарения теплообменника приводит к возникновению поперечных составляющих скорости, дополнительной турбулизации, возникновению вторичной циркуляции потока, что обеспечивает выравнивание температурного поля в межтрубном пространстве и повышение эффективности работы теплообменника. При заданной тепловой мощности и тех же гидравлических потерях применение пучков витых тепловых труб вместо прямых круглых труб позволяет примерно на 20-30% уменьшить массу и объем теплообменника.

Известны теплообменники (a.c. SU №840662, кл. F 28 D 7/00; a.c. SU №1081405, кл. F 28 D 7/02; a.c. SU №1239502, кл. F 28 D 7/16), в которых применяются пучки витых труб, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала. Однако в данных теплообменниках теплообмен осуществляется путем прокачивания теплоносителей как в трубном, так и в межтрубном пространствах. В предлагаемом же техническом решении трубное пространство витых тепловых труб является замкнутым и заполнено промежуточным теплоносителем.

На фиг.1 схематично изображен теплообменник, продольный разрез;

на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1 (по профильной части труб);

на фиг.3 показано исполнение одиночной трубы в разных вариантах:

а) витой в зоне испарения и прямой в зоне конденсации,

в) полностью выполнена витой,

на фиг.4 - вариант теплообменника с полностью винтообразно закрученными трубами овального профиля;

на фиг.5 показан теплообменник с витыми трубами в камере испарения;

на фиг. 6 - показан теплообменник с полностью витыми трубами.

Теплообменник на тепловых трубах содержит корпус 1 (фиг.1), разделенный перегородкой 2 на две камеры - камеру испарения 3 и камеру конденсации 4, пучок тепловых труб 5. Трубы 5 установлены в перегородке 2, проходят через обе камеры 3, 4, зоны испарения А и зоны конденсации В (фиг.3) которых размещены в камерах 3 и 4 соответственно. В камере 4 установлено устройство подачи холодного атмосферного воздуха, например вентилятор 6. Воздух из камеры 4 удаляется через патрубок 7. Камера 3 снабжена патрубком подачи рабочей среды 8, например горячих сточных вод, и патрубком отвода охлажденной среды 9. Зоны испарения А тепловых труб 5 в камере 3 выполнены витыми овального профиля и установлены одна относительно другой с касанием смежных труб по максимальному размеру овала (фиг.2), что обеспечивает продольное обтекание среды. В камере 4 зоны конденсации В тепловых труб 5 выполнены прямыми цилиндрическими (фиг.1, фиг.3а). В качестве варианта зоны конденсации В тепловых труб 5 могут быть выполнены так же, как и в камере испарения, в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием смежных труб по максимальному размеру овала (фиг.3в, 4), или полностью витыми по всей длине, что обеспечивает поперечное обтекание среды. Трубы заполнены промежуточным теплоносителем, например водой, внутреннее устройство их выполнено по любой известной технологии. Тепловые трубы 5 в отверстиях перегородки 2 установлены с возможностью их замены.

Теплообменник на тепловых трубах работает следующим образом.

Отработанная загрязненная среда, например горячие сточные воды, поступают через патрубок 8 в камеру испарения 3 корпуса 1, где продольно омывают зоны испарения А тепловых труб 5. При прохождении среды в таком пространстве осуществляется спиральная закрутка среды, которая интенсивно нагревает зоны испарения А труб 5, охлаждается и удаляется из камеры 3 через патрубок 9. Тепло через стенки зон испарения А тепловых труб передается промежуточному теплоносителю. За счет изменения агрегатного состояния теплоноситель нагревается и закипает. Образовавшиеся пары теплоносителя за счет перепада давлений поднимаются вверх, поступают в зону конденсации В тепловых труб 5, расположенных в камере конденсации 4, отдают тепло холодному атмосферному воздуху, нагнетаемому вентилятором 6, охлаждаются и конденсируются. Воздух, нагнетаемый в межтрубное пространство камеры 4, совершает поперечное обтекание зоны конденсации В тепловых труб 5, нагревается и выдувается в атмосферу через патрубок 7. Таким образом, за счет испарительно-конденсационного цикла в тепловых трубах происходит передача тепла из одной камеры в другую, изолированных друг от друга перегородкой, охлаждение сточных вод. Конденсат, образовавшийся внутри тепловых труб 5, за счет сил тяжести или сил поверхностного натяжения по внутренней поверхности тепловых труб стекает обратно в зону испарения А, где затем снова испаряется. Таким образом происходит непрерывная циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру внутри тепловых труб за счет постоянного перехода его из одного агрегатного состояния в другое.

Кроме того, в процессе работы теплообменника нерастворимые вещества, содержащиеся в горячем потоке сточных вод, частично оседают на нагреваемой поверхности зон испарения А тепловых труб и в нижней части камеры 3, в результате чего интенсивность теплообмена падает и работа теплообменника ухудшается. Для обеспечения интенсивной работы теплообменника поверхность нагрева тепловых труб очищается от загрязнений. При повреждении одной или нескольких тепловых труб 5, последние легко монтируются и извлекаются из корпуса. Выход из строя одной или нескольких труб не приводит к потере работоспособности теплообменника в целом. Для этого внизу корпуса имеется открываемый поддон (на чертеже не показан).

Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменника является высоконадежным устройством, способным обеспечить охлаждение и очистку загрязненных горячих сточных вод. Применение витых тепловых труб овального профиля уменьшает массогабаритные характеристики и обеспечивает создание компактной конструкции теплообменника в целом, повышает интенсификацию теплообмена, а использование наружного атмосферного воздуха в широких пределах позволяет снизить себестоимость теплообменника. Разработан рабочий проект теплообменника, в котором используются витые трубы в испарительной камере (фиг.5) и в качестве варианта, когда используются полностью витые трубы (фиг.6).

Изобретение предназначено для применения в теплообменных устройствах, предназначенных для охлаждения жидких сред атмосферным воздухом, а также может быть использовано в качестве охладителя сточных вод в энергетических установках различного назначения. Теплообменник на тепловых трубах содержит корпус, разделенный на камеры испарения и конденсации перегородкой с закрепленными в ней тепловыми трубами, размещенными в обеих камерах, причем зоны испарения труб размещены в камере испарения, зоны конденсации тепловых труб размещены в камере конденсации, причем тепловые трубы в камере испарения выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала. Кроме того, зоны конденсации тепловых труб также выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала. Изобретение позволяет повысить интенсификацию теплообмена, уменьшить массо-габаритные характеристики теплообменника и неравномерности распределения температуры по наружной поверхности испарительной части труб за счет применения витых тепловых труб овального профиля. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменник на тепловых трубах, содержащий корпус, разделенный на камеры испарения и конденсации перегородкой с закрепленными в ней тепловыми трубами, размещенными в обеих камерах, причем зоны испарения труб размещены в камере испарения, зоны конденсации тепловых труб размещены в камере конденсации, отличающийся тем, что тепловые трубы в камере испарения выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала.2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что зоны конденсации тепловых труб также выполнены в виде витых труб овального профиля, установленных одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала.