Двухкамерный мультитеплотрубный теплообменник Российский патент 2024 года по МПК F28D7/00 F28D15/02 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для проведения процессов теплообмена, в частности, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии.

Известен мультитеплотрубный теплообменник, содержащий корпус, внутри которого расположены камера охлаждения, снабженная патрубками входа и выхода горячей среды, зона испарения которой состоит из испарительных гильз, размещенных в шахматном порядке, с внутренней поверхностью покрытой полосами капиллярного материала (фитиля), образующими между собой канавки, коллекторная камера со слоем фитиля, соединенная через отверстия с открытыми торцами испарительных гильз и полосами фитиля камеры охлаждения, соответственно, камера нагрева, снабженная патрубками входа и выхода холодной среды, в которой зона конденсации состоит из конденсационных гильз, также размещенных в шахматном порядке со смещением своих осей относительно осей испарительных гильз, крышки которых соединены с фитилем коллекторной камеры подъемными фитилями, проходящими через центр конденсационных гильз, не касаясь поверхности их внутренних стенок, соединенных с отверстиями в крышке коллекторной камеры, причем зона транспорта состоит из соприкасающихся между собой полос в испарительных гильзах камеры охлаждения, массива в коллекторной камере и подъемных в конденсационных гильзах камеры нагрева фитилей [Патент РФ №2367872, МПК F 28 D 15/00, 2009].

Основными недостатками известного мультитеплотрубного теплообменника являются сложность и громоздкость его конструкции, обусловленная наличием промежуточной коллекторной камеры и разделением тепловых труб на два элемента: испарительные гильзы и конденсационные гильзы, а также недостаточное предохранение от опасности образования паровой пленки на внутренней поверхности испарительных и конденсационных гильз, что снижает его эффективность и надежность.

Более близким к предлагаемому изобретению является кожухомультитеплотрубный теплообменник, который содержит корпус, внутри которого расположены камеры охлаждения и нагрева, снабженные патрубками входа и выхода горячего и холодного теплоносителей соответственно, отделенные друг от друга перегородкой, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами и не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, причем каждая из них делится снаружи перегородкой на зону испарения, находящуюся в камере охлаждения, и зону конденсации, находящуюся в камере нагрева [Патент РФ №2465530, МПК F 28 D 15/00, 2012].

Основными недостатками известного кожухомультитеплотрубного теплообменника являются низкая скорость теплообмена между теплоносителями и тепловыми трубами и повышенное гидравлическое сопротивление теплообменника, обусловленная конструкцией наружного корпуса тепловых труб, что снижает его эффективность.

Техническим результатом предлагаемого двухкамерного мультитеплотрубного теплообменника является повышение эффективности.

Технический результат достигается в двухкамерном мультитеплотрубном теплообменнике, который содержит корпус, внутри которого расположены камеры охлаждения и нагрева, снабженные патрубками входа и выхода горячего и холодного теплоносителей соответственно, отделенные друг от друга перегородкой, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами и не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, каждая из которых делится снаружи перегородкой, а изнутри разделительным кольцом на зону испарения, находящуюся в камере охлаждения и зону конденсации, находящуюся в камере нагрева, причем наружные корпуса тепловых труб выполнены овальными, вершины конусов которых направлены параллельно движению теплоносителей, а крышки их торцов выполнены под углом 450 относительно оси теплообменника, вершина которого направлена в сторону движения теплоносителя.

На фиг. 1 приведен общий вид, фиг. 2 – разрез, 3, 4, 5– узлы предлагаемого двухкамерного мультитеплотрубного теплообменника (ДКМТТТО).

ДКМТТТО состоит из корпуса 1, внутри которого расположены камера охлаждения 2, снабженная патрубками входа и выхода горячего теплоносителя 3 и 4, соответственно, и камера нагрева 5, снабженная патрубками входа и выхода холодного теплоносителя 6 и 7, соответственно, отделенные друг от друга перегородкой 8, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы 9, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями 10, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами и не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой 11, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки 12, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, каждая из которых делится снаружи перегородкой 8, а изнутри разделительным кольцом 13 на зону испарения 14, находящуюся в камере охлаждения 2 и зону конденсации 15, находящуюся в камере нагрева 5, причем наружные корпуса тепловых труб 9 выполнены овальными, вершины конусов которых направлены параллельно движению теплоносителей, а крышки 15 их торцов выполнены под углом 450 относительно оси теплообменника, вершина которого направлена в сторону движения теплоносителя.

Предлагаемый ДКМТТТО работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы из камер 2, 5 удаляют воздух и в тепловые трубы 9 закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодного и горячего теплоносителя до полного насыщения фитилей 10 и капиллярного материала решеток 11 (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг. 1–5 не показаны), в количестве достаточном для заполнения объема их пор и пара в паровом пространстве. После этого в камеру охлаждения 2 ДКМТТТО через патрубок 3 подают горячий теплоноситель (жидкость или газ), а в камеру нагрева 5 через патрубок 6 холодный теплоноситель (жидкость или газ). Непрерывная циркуляция холодного и горячего теплоносителей обеспечивает интенсивный теплообмен рабочего тела (пара и жидкости) в камерах нагрева и охлаждения 5 и 2 с этими теплоносителями за счет создания в этих камерах турбулентных потоков. При нагреве испарительных зон 14 тепловых труб 9, размещенных в камере охлаждения 2, происходит испарение рабочей жидкости, находящейся в капиллярном материале решетки 11 и подъемных фитилях 10, которые транспортируют рабочую жидкость в зону испарения 14, предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности испарительной зоны тепловых труб 9 и таким образом, интенсифицирует процесс испарения, который протекает на внутренней поверхности испарительных зон 14 в ячейках 12, в результате чего образуется пар. Полученный пар по паровому пространству попадает в конденсационные зоны 15 тепловых труб 9, размещенные в камере нагрева 5, где конденсируется на их внутренней поверхности в ячейках 12, образовавшийся конденсат под действием капиллярных сил и сил тяжести поступает на их дно, поглощается подъемными фитилями 10, соединенными с решеткой 11, и подается ими в испарительную зону 14, после чего цикл повторяется. При этом процесс теплообмена с горячим и холодным теплоносителями протекает со скоростью многократно превышающей скорость аналогичного процесса в обычных теплообменниках, обусловленной высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации, а покрытие решеткой 11 из полос капиллярного материала боковых поверхностей и торцов тепловых труб 9 по сравнению с покрытием их просто полосами пористого материала позволяет уменьшить толщину паровой пленки на теплообменной поверхности, что также интенсифицирует процесс теплопередачи [А. Н. Плановский, П. И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987, с. 146; В. В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. – Минск: Выш. школа, 1988, с.106; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: – 1990, с. 22]. В тоже время, выполнение корпуса тепловых труб 9 овальным, а их торца наклонным (угол наклона равен 450) относительно направления потоков теплоносителей уменьшает площадь застойных зон на тыльной стороне корпусов тепловых труб 9, увеличивает их торцевую площадь и турбулизацию потоков теплоносителей, а установка внутри тепловых труб разделительных колец 13, предотвращает образование застойных участков в решетке 11 на границе испарительной и конденсационной зон 14 и 15, которые препятствуют перемещению рабочей жидкости, что, в конечном итоге, обусловливает увеличение скорости теплопередачи и увеличению производительности ДКМТТТО.

Угол наклона торцов равный 45^о принят, исходя из оптимального соотношения между площадью торца и сопротивлением потока, соотношение между большим и малым диаметрами овального сечения корпусов тепловых труб 9 определяется на основании опытных данных, а разность между наружным и внутренним диаметрами кольца 13 должна быть несколько больше, чем толщина полос капиллярного материала полос решетки 11.

Таким образом, конструкция предлагаемого двухкамерного мультитеплотрубного теплообменника с использованием овального сечения тепловых труб, выполнения их торцов наклонными и устройство на границе их испарительных и конденсационных зон разделительных колец в совокупности с достоинствами известного кожухомультитеплотрубного теплообменника значительно повышает эксплуатационные характеристики, что позволяет использовать его в промышленных масштабах и обеспечивает высокую эффективность, в том числе и при утилизации низкопотенциальной энергии.

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для проведения процессов теплообмена, в частности, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии. Техническим результатом предлагаемого двухкамерного мультитеплотрубного теплообменника является повышение эффективности. Технический результат достигается в двухкамерном мультитеплотрубном теплообменнике, который содержит корпус, внутри которого расположены камеры охлаждения и нагрева, снабженные патрубками входа и выхода горячего и холодного теплоносителей соответственно, отделенные друг от друга перегородкой, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами, не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, каждая из которых делится снаружи перегородкой, а изнутри разделительным кольцом на зону испарения, находящуюся в камере охлаждения и зону конденсации, находящуюся в камере нагрева, причем наружные корпуса тепловых труб выполнены овальными, вершины конусов которых направлены параллельно движению теплоносителей, а крышки их торцов выполнены под углом 45° относительно оси теплообменника, вершина которого направлена в сторону движения теплоносителя. 5 ил.

Двухкамерный мультитеплотрубный теплообменник, содержащий корпус, внутри которого расположены камеры охлаждения и нагрева, снабженные патрубками входа и выхода горячего и холодного теплоносителей соответственно, отделенные друг от друга перегородкой, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами, не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, отличающийся тем, что каждая тепловая труба делится изнутри разделительным кольцом на зону испарения, находящуюся в камере охлаждения и зону конденсации, находящуюся в камере нагрева, причем наружные корпуса тепловых труб выполнены овальными, вершины конусов которых направлены параллельно движению теплоносителей, а крышки их торцов выполнены под углом 45° относительно оси теплообменника, вершина которого направлена в сторону движения теплоносителя.