ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2021 года по МПК F22B1/02 F28D7/16 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и криогенным системам и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах.

Известен теплообменник для повышения устойчивости системы, заключающийся в выборе места расположения гидравлического сопротивления по длине трубопровода его парогенерирующего канала (параграф 16.10 в книге: Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Д. Баттервороса и Г. Хьюитта: пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - 328 с.).

Недостаток этого теплообменника в том, что он трудоемок для осуществления, т.к. необходимо провести значительное количество экспериментальных работ по определению места постановки гидравлического сопротивления для обеспечения устойчивости системы, а также в том, что не всегда можно добиться устойчивости течения теплоносителя без дополнительных мероприятий, например, дополнительного увеличения гидравлического сопротивления на входе в парогенерирующий канал теплообменника.

Известен теплообменник, в котором для повышения устойчивости системы, процесса испарения жидкого продукта локализуют между двумя гидравлическими сопротивлениями на его входе и выходе (стр. 39, рис. 1.1, Устойчивость кипящих аппаратов. И.И. Морозов, В.А. Герлига. Атомиздат. 1969. - 280 с.).

Недостаток теплообменника в том, что не всегда возможно обеспечение устойчивости системы без значительного увеличения гидравлического сопротивления на входе в парогенерирующий канал теплообменника, что требует дополнительной мощности на прокачку рабочего продукта через этот канал.

Известен теплообменник парогенератор (патент на изобретение RU №2664038, опубл. 14.08.2018, Бюл. №23), содержащий параллельные парогенерирующие каналы различной длины с равными площадями проходных поперечных сечений, соединенные с входным и выходным коллекторами через дросселирующие шайбы, решаются тем, что, площадь проходных сечений дросселирующих шайб для парогенерирующих каналов большей длины больше, чем для парогенерирующих каналов меньшей длины, при этом отношение площади проходного сечения шайбы парогенерирующего канала большей длины к площади проходного сечения шайбы парогенерирующего канала меньшей длины прямо пропорционально отношению площади теплопередающей поверхности парогенерирующего канала большей длины к площади теплопередающей поверхности парогенерирующего канала меньшей длины. Известен также парогенератор, содержащий параллельные парогенерирующие каналы различной длины соединенные с входным и выходным коллекторами через дросселирующие шайбы, при этом все входные шайбы в парогенерирующие каналы с одинаковой площадью проходного сечения и выходные шайбы из парогенерирующих каналов также с одинаковой площадью проходного сечения, решаются также тем, что, с целью повышения эффективности и устойчивости работы, площадь поперечного сечения парогенерирующих каналов большей длины меньше, чем парогенерирующих каналов меньшей длины, при этом площади теплопередающих поверхностей всех парогенерирующих каналов большей и меньшей длины одинаковы, а также тем, что отношение площади сечения входных шайб к площади сечения соответствующим им выходным шайбам одинаково для всех параллельных парогенерирующих каналов, и тем, что суммарное гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов различной длины с входными и выходными шайбами одинаково для всех параллельных парогенерирующих каналов, и тем, что короткие парогенерирующие каналы имеют наружные ребра, при этом для каждого короткого парогенерирующего канала сумма теплопередающей площади ребер и теплопередающей площади парогенерирующего канала равна площади теплопередающей поверхности длинного парогенерирующего канала без ребер, а также тем, что при поперечном обтекании парогенерирующих каналов внешним теплоносителем, внешний горячий теплоноситель направлен со стороны парогенерирующих каналов меньшей длины в сторону парогенерирующих каналов большей длины. Кроме этого, задача повышения эффективности работы парогенератора с поперечным обтеканием парогенерирующих каналов внешним теплоносителем со стороны парогенерирующих каналов большей длины в сторону парогенерирующих каналов меньшей длины, решается тем, что, на пути внешнего горячего теплоносителя установлен дефлектор, распределяющий расход горячего теплоносителя по парогенерирующим каналам прямо пропорционально площадям теплопередающих поверхностей парогенерирующих каналов. Дополнительно задача по повышению устойчивости работы парогенератора с поперечным обтеканием парогенерирующих каналов внешним теплоносителем со стороны парогенерирующих каналов большей длины в сторону парогенерирующих каналов меньшей длины, решается тем, что, на пути внешнего горячего теплоносителя установлен дефлектор, распределяющий расход горячего теплоносителя по парогенерирующим каналам обратно пропорционально площадям теплопередающих поверхностей парогенерирующих каналов, а также тем, что параллельно перед дефлектором и парогенерирующими каналами на входе горячего теплоносителя установлены перфорированные теплоизолированные каналы для подачи охлаждающей среды на дефлектор и на парогенерирующие каналы и тем, что перфорированные теплоизолированные каналы соединены с регулятором расхода охлаждающей среды, который, в свою очередь, соединен с блоком управления.

Недостаток парогенератора в том, что парогенерирующие каналы при различной длине имеют разный внутренний объем, а значит и разные не пропорциональные собственные частоты колебания рабочего продукта в них, что не способствует снижению суммарной амплитуды колебаний в выходном коллекторе при смешении в нем струек из различных парогенерирующих каналов и сложении амплитуд их собственных колебаний.

Задачами изобретения являются повышение эффективности работы и устойчивости течения рабочего продукта в теплообменнике.

Указанные задачи в теплообменнике, содержащем входной коллектор, соединенный с входами в параллельные каналы различной длины, обогреваемые внешним теплоносителем, выходы параллельных каналов соединены с выходным коллектором для смешения отдельных струек рабочего продукта, решаются тем, что, длина первой половины параллельных каналов отличается от длины второй половины параллельных каналов на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего продукта в параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех параллельных каналов одинаковые, а также тем, что промежуточный коллектор-смеситель отдельных струек рабочего продукта состоит из двух соединенных отверстиями полостей, при этом входная полость соединена с выходами из параллельных каналов, а выходная полость промежуточного коллектора-смесителя соединена с дополнительными параллельными каналами, которые соединены с выходным коллектором и тем, что цилиндрический промежуточный коллектор-смеситель во входной полости содержит спиральную перегородку, создающую канал в виде улитки для закручивания смеси отдельных струек рабочего продукта с последующим ее выходом через отверстия в стенке между полостями, расположенными вдоль окружности цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя, в выходную полость цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя, соединенную с дополнительными параллельными каналами, при этом диаметры проходного сечения первой части дополнительных параллельных каналов, расположенных ближе к центру цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя имеют диаметр проходного сечения меньше диаметра проходного сечения второй части дополнительных параллельных каналов, расположенных по периферии цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя и тем, что, длина первой части дополнительных параллельных каналов отличается от длины второй части дополнительных параллельных каналов на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего тела в дополнительных параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех дополнительных параллельных каналов одинаковые.

В известных технических решениях признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом машиностроении и криогенных системах, и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение поясняется следующим схемами.

На фиг. 1 представлена схема теплообменника для газификации и подогрева рабочего продукта с параллельными каналами различной длины и равными внутренними объемами.

На фиг. 2 представлена схема теплообменника с промежуточным коллектором смесителем, состоящим из входной и выходной полостей.

На фиг. 3 представлена схема теплообменника с промежуточным цилиндрическим коллектором-смесителем, во входной полости которого установлена направляющая спиральная перегородка, создающая канал в виде улитки, выход которой на периферии цилиндра промежуточного коллектора-смесителя соединен через отверстия с его выходной полостью.

На фиг. 4 представлена схема теплообменника содержащего на выходе промежуточного коллектора-смесителя дополнительные параллельные каналы различной длины и одинакового внутреннего объема.

Теплообменник (фиг. 1) содержит вход 1 рабочего продукта во входной коллектор 2, соединенный с первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. Выходы из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 соединены с выходным коллектором 5 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из выходного коллектора 5. С внешней стороны к первой половине параллельных каналов 3 и второй половине параллельных каналов 4 подводится теплота Q от внешнего теплоносителя.

Теплообменник (фиг. 2) содержит вход 1 рабочего продукта во входной коллектор 2, соединенный с первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. Выходы из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 соединены с входной полостью 8 промежуточного коллектора-смесителя 7 отдельных струек рабочего продукта, при этом входная полость 8 соединена через отверстия 9 с выходной полостью 10 промежуточного коллектора-смесителя 7. Выходная полость 10 промежуточного коллектора-смесителя 7 соединена с входами в первую часть дополнительных параллельных каналов 11 с меньшим проходным сечением и вторую часть дополнительных параллельных каналов 12 с большим проходным сечением, которые своими выходами соединены с выходным коллектором 5 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из выходного коллектора 5. С внешней стороны к первой половине параллельных каналов 3 и второй половине параллельных каналов 4 и первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 подводится теплота Q от внешнего теплоносителя.

Теплообменник (фиг. 3) содержит вход 1 рабочего продукта во входной цилиндрический коллектор 13, соединенный с первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. Выходы из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 соединены с цилиндрической входной полостью 14. Цилиндрический промежуточный коллектор-смеситель 16 состоит из цилиндрической входной полости 14 со спиральной перегородкой, создающей канал в виде улитки 15, выход которой соединен через отверстия 17, расположенными в стенке между соответственно цилиндрической входной полостью 14 и цилиндрической выходной полостью 18 вдоль окружности цилиндра промежуточного коллектора-смесителя 16 с цилиндрической выходной полостью 18. Цилиндрическая выходная полость 18 цилиндрического промежуточного коллектора 16 соединена с входами в первую часть дополнительных параллельных каналов 11 с меньшим проходным сечением и во вторую часть дополнительных параллельных каналов 12 с большим проходным сечением, выходы которых соединены с цилиндрическим выходным коллектором 19 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из цилиндрического выходного коллектора 19. С внешней стороны к первой половине параллельных каналов 3 и второй половине параллельных каналов 4 и первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 подводится теплота Q от внешнего теплоносителя.

Теплообменник (фиг. 4) содержит вход 1 рабочего продукта во входной коллектор 2, соединенный с первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. Выходы из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 соединены с входной полостью 8 промежуточного коллектора-смесителя 20 отдельных струек рабочего продукта, которая через отверстия 21 соединена с выходной полостью 22 промежуточного коллектора-смесителя 20. Выходная полость 22 промежуточного коллектора-смесителя 20 соединена с входами в первую часть дополнительных параллельных каналов 23 и вторую часть дополнительных параллельных каналов 24, которые соединены с выходным коллектором 5 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из выходного коллектора 5. Длина L₄ первой части дополнительных параллельных каналов 23 отличается от длины L₃ второй части дополнительных параллельных каналов 24 на половину длины λ₂ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₄=L₃+λ₂/2, а внутренние объемы первой части дополнительных параллельных каналов 23 и второй части дополнительных параллельных каналов 24 одинаковые. С внешней стороны к первой половине параллельных каналов 3 и второй половине параллельных каналов 4 и первой части дополнительных параллельных каналов 23 и второй части дополнительных параллельных каналов 24 подводится теплота Q от внешнего теплоносителя.

Теплообменник по п. 1 (фиг. 1) формулы работает следующим образом. Через вход 1 рабочий продукт подают во входной коллектор 2, из которого он поступает в первую половину параллельных каналов 3 и во вторую половину параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2 или L₁=L₂-λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. С внешней стороны первую половину параллельных каналов 3 и вторую половину параллельных каналов 4 обогревают теплотой Q от внешнего теплоносителя для подогрева рабочего продукта. С выходов из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 рабочий продукт поступает в выходной коллектор 5 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из выходного коллектора 5. Период собственных колебаний рабочего продукта в каждом из первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4:

где m - масса рабочего продукта в каждом из параллельных каналов одинакова для всех параллельных каналов, т.к. их внутренние объемы одинаковы, k - параметр суммарного с входной и выходной шайбами гидравлического сопротивления каждого из параллельных каналов, при одинаковых суммарных с входной и выходной шайбами гидравлических сопротивлений всех параллельных каналов. В каждом из параллельных каналов находится одинаковая масса рабочего продукта, т.к. гидравлические сопротивления на входе в первую половину 3 и вторую 4 половину параллельных каналов одинаковые, а также одинаковые гидравлические сопротивления на выходе в первую половину 3 и вторую половину 4 параллельных каналов. Поэтому период Т₀ собственных колебаний в первой половине параллельных каналов 3 и во второй половине параллельных каналов 4 одинаковый. Например, длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 составляет 1 м, а частота собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них 5 Гц, при этом длина волны λ₁ равна 0,2 м, тогда вторая половина параллельных каналов имеет длину L₂ на 0,1 м больше или меньше длины первой половины параллельных каналов, т.е. L₂=L₁+λ₁/2 или L₂=L₁-λ₁/2. При сложении амплитуд собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта, поступающего из первой половины параллельных каналов 3 и из второй половины параллельных каналов 4, в выходном коллекторе они уменьшаются, т.к. полуволны собственных колебаний складываются по амплитуде в противофазе в 180 градусов.

Теплообменник по п. 2 (фиг. 2) формулы работает следующим образом. Нагретый внешним теплоносителем рабочий продукт из первой половины параллельных каналов 3 и из второй половины параллельных каналов 4 поступает во входную полость 8 промежуточного коллектора смесителя 7, где отдельные струйки рабочего продукта смешиваются, при этом сложение амплитуд собственных колебаний происходит в противофазе в 180 градусов, что снижает суммарную амплитуду пульсаций давления и расхода во входной полости 8. Далее рабочий продукт через отверстия 9, которые создают дополнительные гидравлические сопротивления его движению, поступает в выходную полость 10 промежуточного коллектора-смесителя 7. Из выходной полости 10 промежуточного коллектора-смесителя 7 рабочий продукт поступает в первую часть дополнительных параллельных каналов 11 и во вторую часть дополнительных параллельных каналов 12, обогреваемые теплотой Q от внешнего теплоносителя, а из них в выходной коллектор 5, где происходит смешение отдельных струек рабочего продукта. Площади проходных сечений первой части дополнительных параллельных каналов 11 меньше, чем второй части дополнительных параллельных каналов 12. Из-за разницы в площади проходных сечений первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 массовое количество рабочего продукта в них так же различно и различен период собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта. Дополнительное гидравлическое сопротивление отверстий 9 в перегородке между входной 8 и выходной 10 полостями промежуточного коллектора-смесителя 7 улучшает устойчивость течения рабочего продукта в теплообменнике. Сложение амплитуд пульсаций давления и расхода с различным периодом собственных колебаний, при противофазе амплитуд от 90 градусов до 270 градусов отдельных струек в выходном коллекторе 5 из первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 снижет суммарную амплитуду пульсаций в нем.

Теплообменник по п. 3 (фиг. 3) формулы работает следующим образом. Через вход 1 рабочий продукт подают в цилиндрический входной коллектор 13, из которого он поступает в первую половину параллельных каналов 3 и во вторую половину параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2 или L₁=L₂-λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. С внешней стороны первую половину параллельных каналов 3 и вторую половину параллельных каналов 4 обогревают теплотой Q от внешнего теплоносителя для подогрева рабочего продукта. С выходов из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 рабочий продукт поступает в цилиндрическую входную полость 14 промежуточного цилиндрического коллектора-смесителя 16. Цилиндрическая входная полость 14 содержит спиральную перегородку, создающую канал в виде улитки 15 для закручивания смеси отдельных струек рабочего продукта с последующим ее выходом через отверстия 17 в стенке между цилиндрической входной полостью 14 и цилиндрической выходной полостью 18, в цилиндрическую выходную полость 18, соединенную с входами первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12, при этом вторая часть дополнительных параллельных каналов 12, расположенные по периферии цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16, имеют диаметр проходного сечения больше диаметра проходного сечения первой части дополнительных параллельных каналов 11, расположенных ближе к центру цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16. Площади проходных сечений первой части дополнительных параллельных каналов 11 меньше, чем второй части дополнительных параллельных каналов 12. Из-за разницы в площади проходных сечений первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 массовое количество рабочего продукта в них так же различно и различен период собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в первой части дополнительных параллельных каналах 11 и второй части дополнительных параллельных каналах 12. Сложение амплитуд пульсаций давления и расхода с различным периодом собственных колебаний и смещенной на 90-270 градусов фазой амплитуд пульсаций отдельных струек в выходном коллекторе 5 из первой части дополнительных параллельных каналов 11 и второй части дополнительных параллельных каналов 12 снижет суммарную амплитуду пульсаций в нем. Из-за закрутки потока рабочего продукта в канале в виде улитки 15 в цилиндрической входной полости 14 происходит расслоение рабочего продукта по его плотности. Более плотные или не испарившиеся части рабочего продукта за счет центробежных сил перемещаются на периферию цилиндрической входной полости 14 и при выходе через отверстия 17 в стенке между полостями 14 и 18, расположенными вдоль окружности цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16 поступают в цилиндрическую выходную полость 18 и далее поступают во вторую часть дополнительных параллельных каналов 12, расположенные по периферии цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16, имеющие диаметр проходного сечения больше диаметра проходного сечения первой части дополнительных параллельных каналов 11, расположенных ближе к центру цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16. К более плотным или не испарившимся частям рабочего продукта во второй части дополнительных параллельных каналах 12, расположенным по периферии подводится большее количество внешней теплоты, т.к. вторая часть дополнительных параллельных каналов 12 имеют большую площадь теплопередающей поверхности. Дополнительное гидравлическое сопротивление отверстий 17 в перегородке между входной 14 и выходной 18 полостями цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя 16 улучшает устойчивость течения рабочего продукта в теплообменнике. Это улучшает равномерность нагрева рабочего продукта в первой части дополнительных параллельных каналах 11 и во второй части дополнительных параллельных каналах 12 на входе в цилиндрический выходной коллектор 19 и снижает пульсацию давления и расхода в нем за счет равномерной плотности рабочего продукта.

Теплообменник по п. 4 (фиг. 4) формулы работает следующим образом. Рабочий продукт последовательно через вход 1 и через входной коллектор 2, поступает в первую половину параллельных каналов 3 и во вторую половину параллельных каналов 4, при этом длина L₁ первой половины параллельных каналов 3 отличается от длины L₂ второй половины параллельных каналов 4 на половину длины λ₁ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего тела в них, т.е. L₁=L₂+λ₁/2 или L₁=L₂-λ₁/2, а внутренние объемы всех параллельных каналов первой половины параллельных каналов 3 и второй половины параллельных каналов 4 одинаковые. Далее обогреваемый теплотой Q от внешнего теплоносителя рабочий продукт с выходов из первой половиной параллельных каналов 3 и со второй половиной параллельных каналов 4 поступает во входную полость 8 промежуточного коллектора-смесителя 20 отдельных струек рабочего продукта, а затем через отверстия 21 в выходную полостью 22 промежуточного коллектора-смесителя 20. Из выходной полости 22 промежуточного коллектора-смесителя 20 рабочий продукт поступает на вход в первую часть дополнительных параллельных каналов 23 и вторую частью дополнительных параллельных каналов 24, и далее в выходной коллектор 5 для смешения отдельных струек рабочего продукта с последующей подачей его к потребителю через выход 6 из выходного коллектора 5. Длина L₄ первой части дополнительных параллельных каналов 23 отличается от длины L₃ второй части дополнительных параллельных каналов 24 на половину длины λ₂ волны собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта в них, т.е.: L₄=L₃+λ₂/2 или L₄=L₃-λ₂/2, а внутренние объемы первой части дополнительных параллельных каналов 23 и второй части дополнительных параллельных каналов 24 одинаковые. Например, в дополнительной секции теплообменника, длина L₃ второй части дополнительных параллельных каналов 24 составляет 1 м, а частота собственных колебаний рабочего продукта в них составляет 4 Гц, при этом длина волны равна 0,25 м, тогда первая часть дополнительных параллельных каналов 23 имеет длину L₄ на 0,125 м больше или меньше длины второй части дополнительных параллельных каналов 24, т.е. L₄=L₃+λ₂/2 или соответственно L₄=L₃-λ₂/2. При сложении амплитуд собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта, поступающего из первой половины параллельных каналов 3 и из второй половины параллельных каналов 4, в промежуточном коллекторе-смесителе 20 они уменьшаются, т.к. полуволны собственных колебаний складываются по амплитуде в противофазе в 180 градусов. Дополнительное гидравлическое сопротивление отверстий 21 в перегородке между входной 8 и выходной 22 полостями промежуточного коллектора-смесителя 20 улучшает устойчивость течения рабочего продукта в теплообменнике. Кроме этого, при сложении амплитуд собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта, поступающего из первой части дополнительных параллельных каналов 23 и из второй части дополнительных параллельных каналов 24, в выходном коллекторе 5 они уменьшаются, т.к. полуволны собственных колебаний складываются в противофазе в 180 градусов. Это позволяет снизить суммарную амплитуду пульсаций давления и расхода рабочего продукта в выходном коллекторе 5.

Из-за разделения рабочего продукта на множество струек с одинаковой массой в параллельных каналах различной длины с внешним: подводом теплоты при одинаковых гидравлических сопротивлениях с учетов входного и выходного всех параллельных каналов происходит смещение по фазе колебаний рабочего продукта на выходе из разных параллельных каналов на 180 градусов, а при сложении в противофазе амплитуд пульсаций давления и расхода суммарная амплитуда снижается, что повышает устойчивость течения рабочего продукта в теплообменнике.

Из-за смешения отдельных струек рабочего продукта в промежуточном коллекторе снижена амплитуда пульсаций давления и расхода в теплообменнике, т.к. в промежуточном коллекторе происходит смешение в противофазе по амплитуде отдельных струек.

Из-за сложения амплитуд пульсаций давления и расхода с различным периодом собственных колебаний, и противофазой амплитуды от 90 до 270 градусов отдельных струек в выходном коллекторе из первой и второй частей дополнительных параллельных каналов снижена суммарная амплитуда пульсаций давления в нем.

Равномерный подогрев рабочего продукта во всех параллельных каналах теплообменника улучшает равномерность нагрева рабочего продукта на входе в цилиндрический выходной коллектор и снижает пульсацию давления и расхода в нем за счет равномерной плотности рабочего продукта.

При сложении амплитуд собственных колебаний давления и расхода рабочего продукта, поступающего из первой части дополнительных параллельных каналов 23 и из второй части дополнительных параллельных каналов 24, в выходном коллекторе они уменьшаются, т.к. полуволны собственных колебаний складываются в противофазе в 180 градусов. Это позволяет снизить суммарную амплитуду пульсаций давления и расхода рабочего продукта в выходном коллекторе.

Таким образом, изобретением усовершенствован теплообменник для повышения его эффективности и устойчивости течения в нем рабочего продукта, в которых изменены и оптимизированы процессы смешения струек для уменьшения суммарной амплитуды пульсаций давления и расхода на выходе из теплообменника.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и криогенным системам и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах. В теплообменнике, содержащем входной коллектор, соединенный с входами в параллельные каналы различной длины, обогреваемые внешним теплоносителем, выходы параллельных каналов соединены с выходным коллектором для смешения отдельных струек рабочего продукта и длина первой половины параллельных каналов отличается от длины второй половины параллельных каналов на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего продукта в параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех параллельных каналов одинаковые. Теплообменник дополнительно может содержать промежуточный коллектор, выходная полость которого может быть соединена с дополнительными параллельными каналами, при этом промежуточный коллектор может содержать перегородку, а дополнительные параллельные каналы могут иметь разный диаметр проходного сечения и разную длину, отличающуюся на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего тела в дополнительных параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех дополнительных параллельных каналов одинаковые. Технический результат – снижение суммарной амплитуды пульсаций давления и расхода рабочего продукта в выходном коллекторе. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменник, содержащий входной коллектор, соединенный с входами в параллельные каналы различной длины, обогреваемые внешним теплоносителем, выходы параллельных каналов соединены с выходным коллектором для смешения отдельных струек рабочего продукта, отличающийся тем, что длина первой половины параллельных каналов отличается от длины второй половины параллельных каналов на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего продукта в параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех параллельных каналов одинаковые.

2. Теплообменник по п. 1, содержащий промежуточный коллектор-смеситель, отличающийся тем, что промежуточный коллектор-смеситель отдельных струек рабочего продукта состоит из двух соединенных отверстиями полостей, при этом входная полость соединена с выходами из параллельных каналов, а выходная полость промежуточного коллектора-смесителя соединена с дополнительными параллельными каналами, которые соединены с выходным коллектором.

3. Теплообменник по п. 2, содержащий входной, промежуточный и выходной коллекторы цилиндрической формы, отличающийся тем, что цилиндрический промежуточный коллектор-смеситель во входной полости содержит спиральную перегородку, создающую канал в виде улитки для закручивания смеси отдельных струек рабочего продукта с последующим ее выходом через отверстия в стенке между полостями, расположенными вдоль окружности цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя, в выходную полость цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя, соединенную с дополнительными параллельными каналами, при этом диаметры проходного сечения первой части дополнительных параллельных каналов, расположенных ближе к центру цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя, имеют диаметр проходного сечения меньше диаметра проходного сечения второй части дополнительных параллельных каналов, расположенных по периферии цилиндрического промежуточного коллектора-смесителя.

4. Теплообменник по п. 2 или 3, отличающийся тем, что длина первой части дополнительных параллельных каналов отличается от длины второй части дополнительных параллельных каналов на половину длины волны собственных колебаний давления рабочего тела в дополнительных параллельных каналах, при этом внутренние объемы всех дополнительных параллельных каналов одинаковые.