УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАМЕРЫ ТЕПЛООБМЕННИКА СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ Российский патент 2022 года по МПК F28D20/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для камеры теплообменника скрытой теплоты, содержащей испаритель на ее внутренней поверхности и конденсатор на ее наружной поверхности, применимому к дистилляционным устройствам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Технические проблемы, которые необходимо решить:

- Известны горизонтальные трубные и кожуховые или камерные теплообменники скрытой теплоты с гладкими или гофрированными трубами или камерами, наружная поверхность которых является испарительной и на которых происходит испарение жидкости в режиме тонкой нисходящей пленки, имеющие свой коэффициент теплопередачи скрытой теплоты, ограниченный тепловым сопротивлением тонкой нисходящей пленки жидкости на испарительной поверхности и сопротивлением слоев сконденсированной воды на конденсационной поверхности. Использование труб или камер с гофрированными поверхностями увеличивает теплообменную поверхность и создает эффективные эффекты турбулентности потока жидкости, которые улучшают тепловые характеристики, но добавочный коэффициент теплопередачи все еще ограничен тепловым сопротивлением слоев жидкости. Тепловое сопротивление тонкого нисходящего слоя жидкости, особенно когда это вода или водные растворы, уменьшает добавочный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты труб или камер, который определяет используемый в настоящее время тепловой градиент между температурой испаряемого пара на наружной испарительной поверхности и температурой конденсированного пара на внутренней конденсационной поверхности.

- Известны вертикальные трубчатые и кожуховые теплообменники с гладкими или гофрированными трубами, которые работают на их наружной поверхности в качестве конденсаторов и на их внутренней поверхности в качестве опускающих или поднимающих пленочных испарителей, имеющих свой тепловой коэффициент теплопередачи скрытой теплоты, ограниченный тепловым сопротивлением жидких слоев с обеих сторон трубы теплообменника. Использование гофрированных труб с двойным рифлением с обеих сторон улучшает добавочный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты за счет турбулентности, возникающей в потоках жидкости, и увеличенной теплообменной поверхности, но этот коэффициент все еще ограничен тепловым сопротивлением слоев жидкости. Известный перепад температур между обеими сторонами труб или камер этих устройств также обусловлен тепловым сопротивлением жидких пленок, которые покрывают, по крайней мере частично, обе стороны вертикальной стенки трубы, особенно когда это вода или водные растворы.

- Известные теплообменники с конденсаторно-испарительными трубками в режиме капиллярной конденсации на внутренней поверхности и капиллярного испарения на наружной поверхности представляют собой следующие практические проблемы подачи жидкой текучей среды для испарения на испаряющей наружной поверхности.

Очень трудно добиться подачи жидкости, которая не переливалась бы через микроканавки или микро волнистости, при попытке обеспечить жидкой текучей среды внутри микроканавок или микро волнистости, находящихся на испарительной наружной поверхности труб, расположенных в пучке труб, так как они обычно расположены в теплообменниках скрытой теплоты. Трудность подачи жидкости в том, что она вводится упорядоченным образом в капиллярные структуры испарительной наружной поверхности и вызывает появление тонких нисходящих слоев из-за избыточной подачи жидкой текучей среды на испаряющие капилляры или вызывает появление сухих областей, когда подача недостаточна. Оба явления ограничивают фактический суммарный коэффициент теплообмена скрытой теплоты стенок этих теплообменников скрытой теплоты.

Практически невозможно подавать жидкость для испарения на наружную поверхность горизонтальных труб, расположенных в центре трубного пучка без перелива жидкости выше микроканавок, так как расход, необходимый для подачи во все трубы в пучке, больше расхода, который может быть направлен внутрь микроканавок каждой трубы. Таким образом, жидкость, предназначенная для испарения, в конечном итоге образует тонкие пленки, которые покрывают микроканавки на наружной поверхности, предотвращая их действие в режиме капиллярного испарения и создавая теплоизолирующие слои, которые уменьшают добавочный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты трубы теплообменника.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на повышение суммарного коэффициента теплопередачи скрытой теплоты и уменьшение перепада температур или градиента между конденсационной поверхностью и испарительной поверхностью теплообменника скрытой теплоты посредством устройства теплообменной камеры скрытой теплоты, как определено в формуле изобретения.

Теплообменная камера скрытой теплоты имеет следующие характеристики:

- это камера с уровнем герметичности, достаточным для поддержания перепада или градиента между давлением внутри нее и давлением в корпусе, содержащем указанную камеру;

- она может быть изготовлена для использования в горизонтальном или вертикальном теплообменнике скрытой теплоты;

- ее наружная поверхность представляет собой конденсатор, в котором конденсирующаяся газовая фаза выделяет тепло конденсации, ее внутренняя поверхность представляет собой испаритель, в котором испаряющаяся жидкая фаза поглощает скрытую теплоту испарения;

- ее внутренняя испарительная поверхность покрыта микроканавками или микро волнистости, внутри которых течет испаряемая жидкость, образуя мениски с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар;

- ее наружная конденсирующая поверхность покрыта микроканавками или другой капиллярной структурой, на которой конденсируемый пар конденсируется в режиме капиллярной конденсации, образуя мениски с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар;

- стенка камеры может иметь зигзагообразное, зубчатое или гофрированное сечение, так что конденсирующий мениск и испаряющий мениск соседствуют по обе стороны стенки камеры или разделены коротким тепловым путем между обоими менисками;

- слои теплоизолирующей жидкости уменьшаются или устраняются в тепловом пути за счет скрытой теплоты конденсации, выделяемой на конденсирующей наружной поверхности, и скрытой теплоты, поглощаемой на испарительной внутренней поверхности, благодаря сочетанию следующих элементов:

- микроканавки или другая капиллярная структура конденсирующей поверхности имеют необходимую форму, наклон и сечение для отвода сконденсированной жидкости, так что между конденсирующим мениском и концом капиллярной структуры, в которой он находится, есть область, свободная от слоев жидкости;

- микроканавки или микро волнистости на испарительной поверхности имеют необходимую форму, наклон и сечение для направления испаряемой жидкости и отвода остальной не испарившейся жидкости с требуемой концентрацией соли и для обеспечения того, чтобы между испарительным мениском и концом микроканавки или микро волнистости, в которой она находится, имелась по меньшей мере одна свободная от жидкости зона вдоль микроканавки или микро волнистости;

- упорядоченная подача испаряемой жидкости в микроканавки или микро волнистости на испаряющей поверхности; Расположение поверхности испарителя внутри камеры обеспечивает легкий доступ внутрь каждой камеры и упорядоченную и равномерную подачу жидкости в микроканавки или микро волнистости поверхности испарителя каждой камеры, минимизируя переливы жидкости поверх микроканавок и минимизируя сухие области, так что преодолевается известная проблема теплообменных труб, сконфигурированных в горизонтальном трубном пучке, испарительная поверхность которого находится на наружной поверхности известной трубы, в котором практически невозможно подавать жидкость в трубы, расположенные в центральной части трубного пучка теплообменника без образования жидких пленок, так как подача воды в каскад труба-труба предполагает более высокий расход, чем могут вместить микроканавки наружной испарительной поверхности. В конфигурации известного горизонтального трубного пучка на наружной испарительной поверхности обязательно образуются тонкие водяные пленки, что снижает добавочный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты. С другой стороны, если поверхность испарителя расположена внутри трубы, то можно обеспечить доступ непосредственно внутрь каждой трубы и сделать управляемую, дозированную, равномерную и точную подачу в микроканавки, без образования переполняющих слоев воды.

Сочетание хорошей дозировки жидкости с помощью системы подачи на испаряющую внутреннюю поверхность в сочетании с испарением внутри капиллярной структуры, которая покрывает ее, позволяет уменьшить или устранить слои жидкости на испаряющей поверхности.

Отсутствие слоев жидкости с тепловым сопротивлением на пути между точкой высвобождения скрытой теплоты конденсации и точкой поглощения скрытой теплоты испарения позволяет достичь более высоких коэффициентов теплопередачи скрытой теплоты достигаемой в теплообменнике, что позволяет уменьшить перепады или температурные градиенты между паром на стороне конденсации и паром на стороне испарения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более подробное объяснение изобретения дается в нижеследующем описании, которое основано на прилагаемых чертежах:

на фиг. 1 показано поперечное сечение теплообменной камеры скрытой теплоты и ее внутренней системы подачи жидкости для испарения, а также вид конденсирующей наружной стенки теплообменной камеры скрытой теплоты, покрытой, по меньшей мере частично, микроканавками или другой капиллярной структурой;

на фиг. 2 показан продольное сечение теплообменной камеры скрытой теплоты в варианте исполнения с микроканавками перпендикулярными оси камеры и увеличенной деталью ее зигзагообразного сечения;

на фиг. 3 показано поперечное сечение горизонтального корпуса и камерного устройства, в варианте исполнения с камерами, расположенными в перекрывающихся рядах;

на фиг. 4 показано поперечное сечение камеры в варианте исполнения с гофрированным нерегулярным сечением и с видом ее наружной поверхности с микроканавками или микро волнистостями; и

на фиг. 5 показано поперечное сечение устройства с вертикально расположенными камерами и деталь камеры с внутренней системой подачи солевого раствора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 и 2 показано расположение теплообменной камеры 1 скрытой теплоты, конденсирующей на ее наружной поверхности и испаряющей на ее внутренней поверхности.

Наружная поверхность теплообменной камеры 4 покрыта, по меньшей мере частично, микроканавками или другой капиллярной структурой, в которой пар конденсируется в режиме капиллярной конденсации. Сконденсированная жидкость на наружной поверхности образует мениски 8 с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар. На этом мениске происходит капиллярная конденсация, и энергия выделяется в виде скрытой теплоты.

Внутренняя поверхность теплообменной камеры скрытой теплоты покрыта, по меньшй мере частично, микрогроканавками или микро волнистостями, в которых жидкость для испарения течет упорядоченно, образуя мениски 7 с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар. С верхнего конца этих менисков 7 происходит наиболее эффективное испарение и поглощается скрытая теплота.

Теплообменная камера скрытой теплоты, которая конденсирует на своей наружной поверхности и испаряет на своей внутренней поверхности, может быть реализована в горизонтальной конфигурации, как показано на фиг.1 или в вертикальной конфигурации. Одним вариантом исполнения является вариант с микроканавками или микро волнистостями, параллельными оси камеры для установки в вертикальной конфигурации. Другой вариант исполнения представляет собой вариант с микроканавками или микро волнистостями, перпендикулярными оси камеры для установки в горизонтальной конфигурации.

Теплообменная камера скрытой теплоты имеет овальное сечение 1, как показано на фиг. 1, или она также может иметь квадратное, прямоугольное, круглое или сечение неправильной формы, как показано на фиг. 4. Сечение - это параметр, который будет зависеть от характеристик устройства, в которое встроен теплообменник, и от того, какая дистилляция будет осуществляться.

Для камер, работающих в горизонтальной конфигурации, в камеру встроен по меньшей мере один механизм 2 для подачи испаряемой жидкости, избыток 3 которой отводится из нижней области теплообменной камеры. Этот механизм 2 для подачи испаряемой жидкости может быть типа душа, разбрызгивателя, распылителя или туманообразователя для создания брызг или тумана, который смачивает микроканавки или микро волнистости, образуя мениски и не создавая переливов над микроканавками. Отвод избыточной жидкости 3 и пара, выделяющегося в процессе испарения, производится по меньшей мере с одного из концов камеры или из специальных отверстий, созданных в камере для этих целей.

Как показано на фиг. 5, для камер, работающих вертикально, испаряемая жидкость может подаваться на испаряющую внутреннюю поверхность камеры посредством системы 19 подачи жидкости под давлением по меньшей мере в верхней части каждой камеры, и механизмы или конструкции гравитационной подачи могут использоваться внутри камеры для испаряемой жидкости.

На фиг. 2 показано продольное сечение 5 стенки теплообменной камеры скрытой теплоты в варианте осуществления с микроканавками, перпендикулярными оси камеры, и увеличение ее зигзагообразного сечения 6, чтобы сопоставить или приблизить испаряющий мениск 8 к испаряющему мениску 7 и достичь теплового пути 9, свободного от слоев жидкости. Эта близость менисков и теплового пути, свободного от слоев воды, также может быть достигнута с помощью зубчатого или гофрированного сечения.

Внутренняя поверхность теплообменной камеры скрытой теплоты покрыта микроканавками или микро волнистостями, в которых испаряемая жидкость образует мениск 7 с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар. Наиболее эффективное испарение жидкости происходит с верхнего конца этого мениска 7. Сечение микроканавки или микро волнистости и его наклон достаточны для того, чтобы между концом этого мениска 7 и концом микроканавки или микро волнистости, в которой он находится, существовала область, свободная от жидких слоев или пленок.

Наружная поверхность теплообменной камеры скрытой теплоты покрыта микроканавками или другими капиллярными структурами, в которых пар конденсируется в режиме капиллярной конденсации и образует мениски 8 с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар. Сечение микроканавки или другой капиллярной структуры и ее наклон достаточны для того, чтобы между концом конденсированного жидкого мениска 8 и концом капиллярной структуры, в которой он находится, имелась область, свободная от жидких слоев или пленок.

Теплообменная камера 1, 5, 20 скрытой теплоты с капиллярным испарением внутри и капиллярной конденсацией снаружи сводит к минимуму образование теплоизолирующих пленок жидкости за счет сочетания следующих факторов:

1 - Между концом конденсирующего мениска 8 и концом капиллярной структуры на наружной поверхности стенки камеры имеется область, свободная от слоев сконденсированной жидкости, через которую выделяющаяся энергия эффективно передается в виде скрытой теплоты конденсации. На испаряющей внутренней поверхности также имеется зона, свободная от слоев жидкости между концом 7 мениска и концом капиллярной структуры, в которой он находится. Таким образом, существует эффективный тепловой путь 9, свободный от слоев жидкости, между верхней частью конденсирующегося мениска 8, где скрытая теплота конденсации выделяется на наружной поверхности, и верхним концом мениска 7 испаряемой жидкости на внутренней поверхности, где скрытая теплота поглощается.

2 - Подача жидкости на внутреннюю испарительную поверхность не производится в режиме нисходящей пленки. Испаряемая жидкость подается внутрь микроканавок или микро волнистостей, через которые она течет, образуя мениски. В горизонтальной конфигурации теплообменной камеры скрытой теплоты, внутри камеры встроен по меньшей мере один канал 2 с расположенными вдоль трубы устройствами для распределения испаряемой жидкости. Некоторые формы такого распределения жидкости могут быть в форме душа, разбрызгивания, распыления или туманообразования, создающих микрокапли или туман внутри камеры, которые смачивают все микроканавки или микро волнистости.

В вертикальной конфигурации теплообменной камеры испаряемая жидкость подается по меньшей мере по одному каналу 19 с по меньшей мере одним механизмом распределения жидкости в верхней части камеры. Некоторые формы распределения жидкости, подлежащей испарению, могут осуществляться способом душа, разбрызгивания, распыления или туманообразования. Также можно использовать по меньшей мере одну переливную или гравитационную систему подачи испаряемой жидкости, расположенную в верхней части камеры для упорядоченной подачи испаряемой жидкости в микроканавки или микро волнистости на внутренней поверхности камеры.

3 - Расположение испарительной поверхности внутри камеры позволяет подавать количество жидкости для испарения равномерным и дозированным способом в микроканавки или микро волнистости на испарительной поверхности каждой камеры, без образования переливов жидкости выше микроканавок, которые приводили бы к образованию теплоизолирующих слоев жидкости. Таким образом, преодолевается известная проблема трубных пучков в горизонтальной конфигурации с наружной испарительной поверхностью, при которой невозможно обеспечить подачу жидкости на наружную поверхность труб, расположенных в центре пучка, без создания жидких пленок, имеющих толщину большую, чем испарительные микроканавки, поскольку расход, необходимый для подачи во все трубы, требует толщин, превышающих объем жидкости, который может протекать внутри микроканавок. В вертикальных конфигурациях размещение дозирующего устройства, дозатора или распылителя внутри каждой камеры обеспечивает равномерную и точную подачу во все микроканавки или микро волнистости испарительной поверхности внутри камеры.

В вертикальных конфигурациях также возможно иметь по меньшей мере одну равномерную и точную дозированную гравитационную систему перелива для обеспечения испарения жидкости внутри микроканавок или микро волнистостей каждой камеры.

Таким образом, между точкой, где скрытая теплота конденсации выделяется на мениске 8 на наружной конденсирующей поверхности, и точкой поглощения скрытой теплоты испарения на конце мениска 7 на внутренней испаряющей поверхности, энергия передается по тепловому пути 9, свободному от слоев жидкости, уменьшая или устраняя тепловые сопротивления, создаваемые слоями жидкости.

Этот путь 9, свободный от жидких слоев или пленок, также теоретически может быть выполнен в испарительно-конденсаторных трубках с капиллярными структурами на их внутренней конденсационной поверхности и на их наружной испарительной поверхности. Но на практике, когда эти трубы расположены таким образом, чтобы образовать пучок труб, в теплообменнике скрытой теплоты, трудно получить доступ к наружной поверхности труб внутри пучка, особенно в горизонтальных конфигурациях, и подача жидкости на испаряющую наружную поверхность этих труб заканчивается переполнением микроканавок и образованием нисходящих пленок, которые покрывают микроканавки и образуют сухие области. Оба явления уменьшают суммарный коэффициент теплопередачи скрытой теплоты. Чтобы избежать этих проблем с подачей жидкости в микроканавки на испарительной поверхности, необходимо изменить положение испарительной поверхности и поместить ее в теплообменную камеру скрытой теплоты, где точное количество испаряемой жидкости может подаваться внутрь микроканавок или микро волнистостей.

Расположение испарительной зоны на внутренней поверхности камеры также облегчает периодические процессы химической очистки, обеспечивая погружение всей испарительной поверхности в очищающую жидкость в течение запрограммированного периода времени. Система 2 подачи также позволяет проводить периодическую очистку под давлением внутри камеры.

Теплообменные камеры скрытой теплоты могут иметь высоту, равную диаметру корпуса, в котором они размещены, или они могут иметь меньшую высоту. На фиг.3 показано поперечное сечение варианта исполнения с корпусным устройством с горизонтальными камерами, сгруппированными рядами на различных уровнях. Высота камеры может быть адаптирована к условиям проведения дистилляции. Помимо других факторов, его высота может быть функцией сочетания расхода, который может проходить через микроканавки или микро волнистости, коэффициента испарения и желаемой концентрации невыпаренного рассола.

На фиг.4 показано поперечное сечение и вид наружной поверхности варианта выполнения с камерой, покрытой микроканавками с нерегулярным гофрированным сечением 10. Это сечение 10 позволяет камере занимать объем, аналогичный тому, который занимает пучок труб в известной конфигурации известного кожухотрубного теплообменника скрытой теплоты.

Расположение теплообменных камер скрытой теплоты с капиллярной конденсацией на их наружной поверхности и испарением с конца мениска в капиллярах на их внутренней поверхности и эффективное распределение жидкости внутри микроканавок или микро волнистостей, достигаемое при точной подаче жидкости, подлежащей испарению внутри камеры, позволяют:

1 - добиться на практике более высоких коэффициентов теплопередачи скрытой теплоты, чем те, которые получены в известных теплообменниках скрытой теплоты;

2 - работать с перепадами температур между температурой конденсированного пара на наружной поверхности и температурой испаренного пара на внутренней поверхности, достигающими градиентов всего 0,2°С и менее, плюс получить необходимый скачок температуры, путем повышения точки кипения испаряемого соляного раствора;

3 - достичь этих коэффициентов теплопередачи и температурных градиентов при работе при низких температурах. В частности, в случае обессоливающих устройств, работающих при температурах, которые могут быть равны или близки к температуре среды обессоливаемой жидкости.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в камере теплообменников скрытой теплоты, применяемой в дистилляционных устройствах. В устройстве для камеры теплообменника скрытой теплоты камера содержит испаритель в режиме капиллярного испарения на ее внутренней поверхности и конденсатор в режиме капиллярной конденсации на ее наружной поверхности, с системой дозированной подачи жидкости в микроканавки или микроволнистости внутренней поверхности испарителя, предотвращающей образование тонких пленок воды на поверхности испарителя, причем устройство обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи скрытой теплоты. 8 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для теплообменной камеры скрытой теплоты, конденсирующей на ее наружной поверхности и испаряющей на ее внутренней поверхности, отличающееся тем, что наружная поверхность этой камеры покрыта, по крайней мере частично, микроканавками или другой капиллярной структурой, в которой конденсация осуществляется в капиллярном режиме, и мениски конденсирующейся жидкости образованы с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар; внутренняя поверхность камеры покрыта, по крайней мере частично, микроканавками или микроволнистостями, в которых испаряемая жидкость течет и образует мениски с вогнутой поверхностью раздела жидкость-пар, и испарение происходит с верхнего конца мениска, где испарение наиболее эффективно; испаряемая жидкость подана без препятствий прямым и контролируемым образом на испаряющую внутреннюю поверхность каждой камеры без нежелательных переливов жидкости в микроканавках или микроволнистостях и уменьшающим или устраняющим сухие области; и камера имеет тепловые пути, свободные от жидких слоев между поверхностью конденсирующего мениска, где газовая фаза конденсируется и высвобождает скрытую теплоту конденсации, и концом испаряющего мениска, где жидкая фаза испаряется и поглощает скрытую теплоту испарения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один участок стенки камеры в направлении микроканавок или микроволнистостей имеет зигзагообразную, зубчатую или гофрированную форму.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменная камера скрытой теплоты имеет овальное поперечное сечение (1).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменная камера скрытой теплоты имеет круглое поперечное сечение (1).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменная камера скрытой теплоты имеет прямоугольное или квадратное сечение (1).

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микроканавки или микроволнистости расположены перпендикулярно центральной оси камеры, для использования теплообменников скрытой теплоты в горизонтальных конфигурациях.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микроканавки или микроволнистости расположены параллельно центральной оси камеры для использования теплообменников скрытой теплоты в вертикальных конфигурациях.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменная камера скрытой теплоты содержит внутри, по меньшей мере, один канал для подачи испаряемой жидкости, снабженный, по меньшей мере, одним дозирующим устройством для полива, разбрызгивания, распыления или туманообразования жидкости.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменная камера скрытой теплоты имеет вертикальную конфигурацию и имеет на верхнем конце каждой камеры, по меньшей мере, один механизм или конструкцию для гравитационного дозирования испаряемой жидкости на внутренней поверхности камеры.