ВОЗДУШНЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА Российский патент 2023 года по МПК F28D5/00 F28D5/02 F25B39/00 F25B39/04 

Изобретение относится к теплообменным устройствам, в которых осуществляется охлаждение и конденсация водяного пара и пара других жидких сред атмосферным воздухом, и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности.

Известны аппараты воздушного охлаждения (АВО) горизонтального, зигзагообразного и шатрового типов [1], состоящие из теплообменных секций с оребренными трубами, камерами для ввода и вывода охлаждаемого потока, диффузора, вентилятора с электродвигателем, жалюзи для прохода и регулирования расхода охлаждающего потока воздуха. Данные АВО характеризуются неравномерностью распределения расхода охлаждающего воздуха по площади поперечного сечения теплообменных секций, что ухудшает теплопередачу через стенки оребренных труб и снижает эффективность устройств. К недостаткам известных АВО следует отнести и высокое аэродинамическое сопротивление рядов оребренных труб в теплообменных секциях, большие габариты, вес, металлоемкость устройств, значительные удельные капитальные затраты на их изготовление и эксплуатацию. Данные АВО занимают большую площадь на эксплуатационной площадке. Ремонт теплообменных секций АВО является трудоемкой и сложной операцией с привлечением грузоподъемных механизмов.

Известен аппарат воздушного охлаждения [2] с поверхностью теплопередачи из оребренных вертикально ориентированных труб в теплообменных секциях. Аппарат [2] занимает меньшую площадь размещения на эксплуатационной площадке, имеет лучшую ремонтопригодность, но в разной степени ему присущи недостатки, что и известным устройствам [1], названные выше.

Известен аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные между собой гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода охлаждающего потока воздуха и охлаждаемого продукта, коллекторные камеры, вентилятор с электродвигателем [3]. Количество переданного тепла на единицу массы теплопередающей поверхности в устройстве [3] больше, а аэродинамическое сопротивление меньше, чем в известных АВО [1, 2] с оребренными трубами. Устройство [3] более компактное и менее металлоемкое. Его недостатком является технологическая сложность герметичного соединения пластин с коллекторными камерами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является аппарат воздушного охлаждения, включающий открытый со сторон входа и выхода воздуха вертикальный кожух, вентилятор с приводом, размещенную в кожухе теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи и чередующимися между собой каналами для прохода охлаждающего воздуха и целевого теплоносителя, подводящий и отводящий трубопроводы [4] - прототип. Устройство [4] имеет улучшенные теплогидравлические характеристики. Недостатком устройства [4] является наличие отводов с разъемами, соединяющих коллекторные камеры с каналами теплообменной матрицы для прохода целевого теплоносителя, что усложняет конструкцию и ее изготовление.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства и повышении технологичности его изготовления.

Данная проблема решается тем, что в воздушном конденсаторе пара, включающем открытый со сторон входа и выхода воздуха вертикальный кожух, вентилятор с приводом, размещенную в кожухе теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи и чередующимися между собой каналами для прохода охлаждающего воздуха и целевого теплоносителя, подводящий и отводящий трубопроводы, размещенная в цилиндрическом кожухе теплообменная матрица, имеющая форму цилиндрического кольца, выполнена из изогнутого листа с образованием вертикальных щелевых каналов для целевого теплоносителя, которые открытыми боковыми сторонами сообщаются с внутренней полостью цилиндрического кольца теплообменной матрицы, и секторных каналов для прохода охлаждающего воздуха, открытые боковые стороны которых примкнуты к внутренней поверхности стенки цилиндрического кожуха, теплообменная матрица имеет верхнюю и нижнюю звездообразные крышки, герметично соединенные своими контурными кромками со стенками щелевых каналов, подводящий трубопровод для целевого теплоносителя соединен с верхней звездообразной крышкой и с перфорированной раздающей трубой, ось которой совмещена с общей осью цилиндрического кожуха и теплообменной матрицы. Кроме того, на перфорированной раздающей трубе закреплены перегородки, имеющие сливные трубки и окна для прохода целевого теплоносителя, отводящий трубопровод целевого теплоносителя соединен с нижней звездообразной крышкой, части стенок каналов теплообменной матрицы выполнены гофрированными.

В отличие от известного устройства [4], размещение в цилиндрическом кожухе теплообменной матрицы в форме цилиндрического кольца, выполненной из изогнутого листа с образованием вертикальных щелевых каналов для целевого теплоносителя, которые открытыми боковыми сторонами сообщаются с внутренней полостью цилиндрического кольца теплообменной матрицы, и секторных каналов для прохода охлаждающего воздуха, открытые боковые стороны которых примкнуты к внутренней поверхности стенки цилиндрического кожуха, наличие у теплообменной матрицы верхней и нижней звездообразных крышек, герметично соединенных своими контурными кромками со стенками щелевых каналов, соединение подводящего трубопровода для целевого теплоносителя с верхней звездообразной крышкой и с перфорированной раздающей трубой, ось которой совмещена с общей осью цилиндрического кожуха и теплообменной матрицы, позволяет упростить конструкцию устройства и технологию его изготовления. Путем многократного изгибания листовой заготовки с образованием последовательности петлей, сворачивания полученной совокупности петлей в цилиндрическое кольцо и соединения (например, сваркой) встречных кромок листовой заготовки, можно получить теплопередающую поверхность в теплообменной матрице с чередующимися между собой каналами для целевого теплоносителя и охлаждающего воздуха из одного листа. Технология изготовления теплопередающей поверхности при этом сводится к последовательности минимального количества разновидностей операционных процедур. Устойчивость формы теплообменной матрицы и в значительной степени ее жесткость обеспечиваются наличием верхней и нижней звездообразных крышек, которые служат также герметизирующими, замыкающими пространство целевого теплоносителя, элементами. Наличие закрепленных на перфорированной раздающей трубе перегородок, имеющих сливные трубки и окна для прохода целевого теплоносителя и соединение отводящего трубопровода целевого теплоносителя с нижней звездообразной крышкой, обеспечивают благоприятные условия отвода образующегося на стенках щелевых каналов конденсата целевого теплоносителя и удаления его при функционировании устройства. Выполнение части стенок каналов теплообменной матрицы гофрированными повышает жесткость стенок и способствует повышению интенсивности теплообмена целевого теплоносителя..

Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную техническую проблему.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Конструктивное исполнение и технология изготовления известных АВО [1, 2, 3] значительно более сложные, а удельная материалоемкость на единицу тепловой мощности выше.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».

На фиг. 1 показан разрез А-А на фиг. 2 предлагаемого воздушного конденсатора пара; на фиг. 2 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Воздушный конденсатор пара включает в себя вертикальный цилиндрический кожух 1, внутри которого, осесимметрично с ним, расположена теплообменная матрица 2, имеющая форму цилиндрического кольца. Теплообменная матрица 2 содержит поверхность теплопередачи, выполненную из изогнутого листа 3 с образованием чередующихся между собой вертикальных щелевых каналов 4 для целевого теплоносителя и секторных каналов 5 для прохода охлаждающего воздуха. Вертикальные щелевые каналы 4 открытыми боковыми сторонами 6 сообщаются с внутренней полостью 7 теплообменной матрицы 2, Открытые боковые стороны 8 вертикальных секторных каналов 5 примыкают к внутренней поверхности стенки цилиндрического кожуха 1. Со стенками щелевых каналов 4 герметично соединены (например, сваркой) своими контурными кромками звездообразные верхняя 9 и нижняя 10 крышки. С верхней звездообразной крышкой 9 соединен подводящий трубопровод 11 для целевого теплоносителя, имеющий продолжение в виде перфорированной раздающей трубы 12, ось которой совмещена с общей осью цилиндрического кожуха 1 и теплообменной матрицы 2. На стенке раздающей трубы 12 выполнены перфорационные отверстия 13 и закреплены перегородки 14, имеющие сливные трубки 15 и окна 16 для прохода целевого теплоносителя. Отводящий трубопровод 17 соединен с нижней звездообразной крышкой 10.

Для повышения жесткости конструкции и увеличения площади поверхности теплопередачи, части стенок каналов теплообменной матрицы 2 могут быть выполнены гофрированными. В вертикальных секторных каналах 5 могут быть установлены поперечные перегородки (на фиг. не показаны), частично перекрывающие поперечные сечения каналов 5 с образованием окон для прохода охлаждающего воздуха по зигзагообразным траекториям движения в каждом из каналов. Вентилятор 18 с приводным валом 19 размещен под нижней звездообразной крышкой 10, как показано на фиг. 1, или может быть расположен над верхней звездообразной крышкой 9.

При необходимости, на верхней звездообразной крышке 9 устанавливаются воздухоотводчик и прерыватель вакуума, а на отводящем трубопроводе 17 устанавливается конденсатоотводчик (на фиг. не показаны).

Воздушный конденсатор пара работает следующим образом.

При вращении приводного вала 19, под действием соединенного с ним вращающегося вентилятора 18 создается поток атмосферного воздуха, который распределяется по вертикальным секторным каналам 5, образованных изогнутым листом 3 и стенкой вертикального цилиндрического кожуха 1, закрывающей открытые боковые стороны каналов 5. Воздух, перемещаясь снизу вверх в секторных каналах 5, и участвую при этом в процессе теплопередачи с целевым теплоносителем, нагревается и с повышенной температурой из верхней части цилиндрического кожуха 1 общим потоком удаляется в окружающую атмосферу. Если плоские части стенок каналов 5 гофрированы и (или) в каналах 5 имеются поперечные перегородки для создания зигзагообразной траектории движения воздуха в каждом из каналов 5, то теплообмен воздуха со стенками каналов 5 интенсифицируется, что создает предпосылки для повышения тепловой мощности устройства.

Нагрев охлаждающего воздуха при его движении по вертикальным секторным каналам 5 приводит к возникновению самотяги. Вертикальный цилиндрический кожух 1 в данном случае служит вытяжной шахтой для потока воздуха. Наличие самотяги разгружает вентилятор 18 и способствует уменьшению затрат энергии на его привод.

Целевой теплоноситель в парообразном состоянии поступает по подводящему трубопроводу 11 в перфорированную раздающую трубу 12 и проходя через перфорационные отверстия 13 в стенке трубы 12 заполняет внутреннюю полость 7 теплообменной матрицы 2. Из полости 7 парообразный целевой теплоноситель через открытые боковые стороны 6 вертикальных щелевых каналов 4 распределяется по каналам 4 и соприкасаясь с их стенками, охлаждаемыми с противоположных сторон потоками воздуха в секторных каналах 5, конденсируется с образованием пленки конденсата на поверхностях стенок. Под действием гравитационной силы конденсат целевого теплоносителя стекает по стенкам вертикальных щелевых каналов 4 вниз и выводится из теплообменной матрицы 2 через отводящий трубопровод 17, соединенный с нижней звездообразной крышкой 10. Наличие закрепленных на перфорированной раздающей трубе 12 перегородок 14 со сливными трубками 15 и окнами 16 для прохода целевого теплоносителя позволяет отводить образующийся и стекающий в виде пленок на стенках щелевых каналов 4 конденсат посекционно на высоте каналов. Посекционный отвод конденсата уменьшает среднюю толщину пленок конденсата на стенках каналов 4 по их высоте, что интенсифицирует теплообмен целевого теплоносителя со стенками щелевых каналов 4. Интенсифицирует теплообмен и струйный выход парообразного целевого теплоносителя через перфорационные отверстия 13 раздающей трубы 12. Струйное движение пара способствует активному циркуляционному перемешиванию целевого теплоносителя в части пространства теплообменной матрицы 2, ограниченного стенками щелевых каналов 4, верхней 9 и нижней 10 звездообразными крышками, что улучшает теплообмен.

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества по отношению к известным аналогам:

- конструкция устройства проста и технологична в изготовлении;

- высокая компактность, уменьшенная удельная материалоемкость;

- высокая степень унификации;

- удобство очистки стенок воздушных каналов от загрязнений;

- высокая интенсивность теплопередачи;

- низкое аэродинамическое сопротивление;

- уменьшенные удельные затраты энергии на привод вентилятора;

- малая площадь занимаемой территории.

Источники информации

1. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К., Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М: Химия, 1982. с. 501.

2. Патент RU №2075714, МПК F 28D 1/04, опубл. 20.03.1997.

3. Патент RU №2549059, МПК F 28D 1/00, опубл. 20.04.2015.

4. Патент RU №2759622 С1, МПК F 28D 5/00, МПК F 28D 1/03, опубл. 16.11.20

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных устройствах, в которых осуществляется охлаждение и конденсация водяного пара и пара других жидких сред атмосферным воздухом. В воздушном конденсаторе пара размещенная в цилиндрическом кожухе теплообменная матрица, имеющая форму цилиндрического кольца, выполнена из изогнутого листа с образованием вертикальных щелевых каналов для целевого теплоносителя, которые открытыми боковыми сторонами сообщаются с внутренней полостью цилиндрического кольца теплообменной матрицы, и секторных каналов для прохода охлаждающего воздуха, открытые боковые стороны которых примкнуты к внутренней поверхности стенки цилиндрического кожуха, теплообменная матрица имеет верхнюю и нижнюю звездообразные крышки, герметично соединенные своими контурными кромками со стенками щелевых каналов, подводящий трубопровод для целевого теплоносителя соединен с верхней звездообразной крышкой и с перфорированной раздающей трубой, ось которой совмещена с общей осью цилиндрического кожуха и теплообменной матрицы. Технический результат - упрощение конструкции устройства и повышение технологичности его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Воздушный конденсатор пара, включающий открытый со сторон входа и выхода воздуха вертикальный кожух, вентилятор с приводом, размещенную в кожухе теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи и чередующимися между собой каналами для прохода охлаждающего воздуха и целевого теплоносителя, подводящий и отводящий трубопроводы, отличающийся тем, что размещенная в цилиндрическом кожухе теплообменная матрица, имеющая форму цилиндрического кольца, выполнена из изогнутого листа с образованием вертикальных щелевых каналов для целевого теплоносителя, которые открытыми боковыми сторонами сообщаются с внутренней полостью цилиндрического кольца теплообменной матрицы, и секторных каналов для прохода охлаждающего воздуха, открытые боковые стороны которых примкнуты к внутренней поверхности стенки цилиндрического кожуха, теплообменная матрица имеет верхнюю и нижнюю звездообразные крышки, герметично соединенные своими контурными кромками со стенками щелевых каналов, подводящий трубопровод для целевого теплоносителя соединен с верхней звездообразной крышкой и с перфорированной раздающей трубой, ось которой совмещена с общей осью цилиндрического кожуха и теплообменной матрицы.

2. Воздушный конденсатор пара по п. 1, отличающийся тем, что на перфорированной раздающей трубе закреплены перегородки, имеющие сливные трубки и окна для прохода целевого теплоносителя, отводящий трубопровод целевого теплоносителя соединен с нижней звездообразной крышкой.

3. Воздушный конденсатор пара по п. 1, отличающийся тем, что части стенок каналов теплообменной матрицы выполнены гофрированными.