ВОЗДУШНЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА Российский патент 2024 года по МПК F28D5/00 F28D5/02 F25B39/00 F25B39/04 

Область техники

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, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности.

Уровень техники

В качестве конденсаторов пара широко используются аппараты воздушного охлаждения (АВО) горизонтального, зигзагообразного и шатрового типов (см. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К., Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982. с. 501), состоящие из теплообменных секций с горизонтально ориентированными оребренными трубами, камерами для ввода и вывода охлаждаемого потока целевого теплоносителя, 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 снижает степень использования поверхности теплопередачи, ухудшает интенсивность теплопередачи через стенки оребренных труб и понижает 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 затраты на их изготовление и эксплуатацию. Данные АВО занимают большую площадь на эксплуатационной площадке. Высока загрязняемость межреберного пространства труб. Изготовление и ремонт теплообменных секций АВО являются трудоемкими и сложными технологическими процедурами с привлечением грузоподъемных механизмов.

Известен аппарат воздушного охлаждения (см. патент RU №2075714, МПК F 28D 1/04, опубл. 20.03.1997) с поверхностью теплопередачи из вертикальных оребренных труб в теплообменных секциях. Данный аппарат занимает меньшую площадь размещения на эксплуатационной площадке, имеет лучшую ремонтопригодность, но в разной степени ему присущи недостатки, что и известным устройствам АВО, 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 (см. патент RU №2549059, МПК F28D 1/00, опубл. 20.04.2015). Количество переданного тепла на единицу массы теплопередающей поверхности в данном устройстве больше, а аэродинамическое сопротивление меньше, чем в известных АВО с оребренными трубами. Данное устройство менее металлоемкое и более компактное.

Недостатком его является сложность обеспечения герметичного соединения пластин с коллекторными камерами.

Известен 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 (см. патент RU №2759622 С1, МПК F28D 5/00, МПК F28D 1/03, опубл. 16.11.20). Данное устройство имеет улучшенные теплогидравлические характеристики.

Недостатком данного устройства, усложняющим конструкцию и его изготовление, является наличие отводов с разъемами, соединяющих коллекторные камеры с каналами теплообменной матрицы для прохода целевого теплоносителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является воздушный конденсатор пара (см. патент RU №2806733, МПК F28D 5/00, F28D 5/02, F28B 39/00, F28B 39/04, опубл. 3.11.2023) - прототип. Данный воздушный конденсатор пара содержит теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи, выполненную из одного изогнутого листа с образованием чередующихся между собой щелевых каналов для целевого теплоносителя и каналов для прохода охлаждающего воздуха, имеющих частично гофрированные стенки, крышки, размещенные на торцах теплообменной матрицы и герметично соединенные своими контурными кромками с внутренней поверхностью стенок щелевых каналов, вентилятор с приводом. Конструкцию данного известного устройства отличает высокая степень унификации и удобство очистки стенок воздушных каналов от загрязнений, а также уменьшенные удельные затраты энергии на привод вентилятора из-за низкого аэродинамического сопротивления каналов для прохода охлаждающего воздуха.

Недостатком является отсутствие организованного удаления из конденсатора неконденсирующихся инертных газов, содержащихся в паре целевого теплоносителя и выделяющихся из него в процессе его фазового перехода. В процессе работы устройства инертные газы могут накапливаться во внутренних пространствах щелевых каналов, оказывая препятствие конденсации пара.

Раскрытие сущности изобретения

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

Данная проблема решается тем, что в воздушном конденсаторе пара, включающем теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи, выполненную из одного изогнутого листа с образованием чередующихся между собой щелевых каналов для целевого теплоносителя и каналов для прохода охлаждающего воздуха, имеющих частично гофрированные стенки, крышки, размещенные на торцах теплообменной матрицы и герметично соединенные своими контурными кромками с внутренней поверхностью стенок щелевых каналов, вентилятор с приводом, согласно решению каналы теплообменной матрицы направлены горизонтально или имеют уклон, крышки на торцах теплообменной матрицы выполнены в виде гребенок, верхние стенки каналов для прохода охлаждающего воздуха образованы общим замыкающим листом, закрепленном своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы, нижние стенки щелевых каналов образованы общим дном, являющимся частью изогнутого листа, через окно в дне внутренние пространства щелевых каналов соединены между собой коллектором целевого теплоносителя, имеющим внутреннюю продольную перегородку и соединенным с входным и выходным патрубками, один из торцов теплообменной матрицы имеет разъемное соединение с вентиляторным блоком, в цилиндрической части которого размещен вентилятор с приводом, а в диффузорной его части расположены газовые коллекторы, соединенные трубками с внутренними пространствами щелевых каналов для целевого теплоносителя. Кроме того, в цилиндрической части вентиляторного блока установлены направляющие лопатки и форсунки.

В отличие от известного устройства (патент RU №2806733, МПК F28D 5/00, F28D 5/02, F28B 39/00, F28B 39/04, опубл. 3.11.2023), расположение каналов теплообменной матрицы горизонтально или с уклоном, выполнение крышек на торцах теплообменной матрицы в виде гребенок, замещение верхних стенок каналов для прохода охлаждающего воздуха общим замыкающим листом, закрепленном своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы, замещение нижних стенок щелевых каналов общим дном, являющимся частью изогнутого листа, соединение через окно в дне внутренних пространств щелевых каналов между собой коллектором целевого теплоносителя, имеющим внутреннюю продольную перегородку и соединенным с входным и выходным патрубками, наличие разъемного соединения одного из торцов теплообменной матрицы с вентиляторным блоком, в цилиндрической части которого размещен вентилятор с приводом, направляющие лопатки и форсунки, а в диффузорной его части расположены газовые коллекторы, соединенные трубками с внутренними пространствами щелевых каналов для целевого теплоносителя, позволяет упростить конструкцию устройства, технологии его изготовления и эксплуатации. В предлагаемой конструкции отсутствует кожух, как таковой, который является обязательным самостоятельным элементом в известных аналогичных устройствах. Функции верхней и нижней стенок кожуха выполняют соответственно замыкающий лист, закрепленный своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы, и дно, являющееся частью изогнутого листа, из которого образована поверхность теплопередачи. Технология изготовления теплопередающей поверхности сводится к последовательности минимального количества разновидностей операционных процедур, проводимых с заготовкой из одного листа и включающих многократное изгибание листа и соединение (например, сваркой) встречных кромок листовой заготовки. Гребенчатые крышки на торцах теплообменной матрицы замыкают внутреннее пространство щелевых каналов и придают теплообменной матрице устойчивость формы и жесткость. Повышению жесткости стенок каналов теплообменной матрицы способствует наличие на них гофр, которые к тому же оказывают интенсифицирующее влияние на процесс теплопередачи в устройстве. Образованные гофрами выступы являются турбулизаторами для потока охлаждающего воздуха, а канавки с обратной стороны обеспечивают сток конденсата и способствуют промежуточному его отводу с внутренней поверхности стенок щелевых каналов на их длине. Гофры на стенках каналов теплообменной матрицы выполнены с наклоном к горизонтальной плоскости, что создает благоприятные условия стекания конденсата в канавках под действием сил тяготения и аэродинамического воздействия потока пара в щелевых каналах на пленку стекающего конденсата. Расположение каналов теплообменной матрицы горизонтально или с уклоном по отношению к вертикальному их расположению облегчает строительно-монтажные работы при установке воздушного конденсатора пара и способствует удобству его обслуживания в процессе эксплуатации. Уклон каналов активизирует стекание конденсата в коллектор целевого теплоносителя для последующего его вывода из установки через конденсатный патрубок. Продольная перегородка в коллекторе инертного теплоносителя служит для разобщения потоков поступающего через паровой патрубок пара и удаляемого через конденсатный патрубок конденсата. Раздача поступающего пара по щелевым каналам и сбор образовавшегося в каналах конденсата осуществляется с помощью одного общего коллектора целевого теплоносителя, что является одним из факторов упрощения конструкции предлагаемого устройства. Наличие разъемного соединения одного из торцов теплообменной матрицы с вентиляторным блоком повышает ремонтопригодность устройства и возможность очистки и удаления загрязнений со стенок воздушных каналов. Наличие в диффузорной части вентиляторного блока газовых коллекторов, соединенных трубками с внутренними пространствами щелевых каналов для целевого теплоносителя, позволяет в процессе работы устройства осуществлять регулируемый отвод выделяющихся при конденсации пара инертных газов из внутреннего пространства щелевых каналов. При этом реализуется противоточное движение в каналах теплообменной матрицы потоков пара и охлаждающего воздуха. Все это способствует повышению интенсивности процесса теплопередачи в теплообменной матрице. Размещенные в цилиндрической части вентиляторного блока направляющие лопатки служат для выпрямления траектории движения закрученного вентилятором потока охлаждающего воздуха и снижения потерь напора потока в устройстве. Наличие форсунок в цилиндрической части вентиляторного блока дает возможность увлажнять охлаждающий воздух путем распыла воды в летний период года и тем самым улучшать условия отвода теплоты от целевого теплоносителя.

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

Краткое описание чертежей

Решение поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого воздушного конденсатора пара; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.4 - разрез С-С на фиг.1; на фиг.5 - вид Д на фиг.1.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - теплообменная матрица;

2 - изогнутый лист;

3 - щелевые каналы:

4 - каналы:

5 - коллектор;

6 - окно;

7 - общее дно;

8 - гофры;

9 - выступы:

10 - канавки;

11 - крышки;

12 - общий замыкающий лист;

13 - внутренняя продольная перегородка:

14 - входной патрубок;

15 - выходной патрубок;

16 - внешний гидравлический затвор:

17 - разъемное соединение;

18- вентиляторный блок;

19 - цилиндрическая часть вентиляторного блока;

20 - вентилятор;

21 - привод;

22 - диффузорная часть вентиля горн ого блока;

23 - газовые коллекторы;

24 - трубки;

25 - направляющие лопатки;

26 - форсунки.

Осуществление изобретения

Воздушный конденсатор пара включает в себя теплообменную матрицу 1 с листовой поверхностью теплопередачи, выполненную из одного изогнутого листа 2 с образованием чередующихся между собой щелевых каналов 3 для целевого теплоносителя и каналов 4 для прохода охлаждающего воздуха. Каналы 3 и 4 теплообменной матрицы 1 направлены горизонтально или с уклоном в сторону коллектора 5 целевого теплоносителя, соединенного с внутренним пространством щелевых каналов 3 через окно 6 в общем дне 7 теплообменной матрицы 1. На части площади поверхности стенок каналов теплообменной матрицы 1 имеются гофры 8, образующие выступы 9 в каналах 4 и канавки 10 в щелевых каналах 3. На торцах теплообменной матрицы 1 размещены крышки 11, выполненные в виде гребенок и герметично соединенные своими контурными кромками с внутренней поверхностью стенок щелевых каналов 3. Крышки 11 совместно с выполненными из одного листа 2 поверхностью теплопередачи и общим дном 7 замыкают внутреннее пространство щелевых каналов 3. Верхние стенки каналов 4 для прохода охлаждающего воздуха образованы общим замыкающим листом 12, закрепленном своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы 1. Коллектор 5 целевого теплоносителя содержит внутреннюю продольную перегородку 13 и соединен с входным 14 и выходным 15 патрубками. Выходной патрубок 15 соединен с внешним гидравлическим затвором 16. При необходимости, за гидрозатвором 16 на отводящем трубопроводе дополнительно устанавливается конденсатоотводчик (на фиг. не показан).

Один из торцов теплообменной матрицы 7 имеет разъемное соединение 77 с вентиляторным блоком 18, в цилиндрической части 19 которого размещен вентилятор 20 с приводом 21, а в диффузорной его части 22 расположены газовые коллекторы 23, соединенные трубками 24 с внутренними пространствами щелевых каналов 3 для целевого теплоносителя. В цилиндрической части 19 вентиляторного блока 18 могут быть установлены направляющие лопатки 25 и форсунки 26.

Воздушный конденсатор пара работает следующим образом.

При вращении приводного вала 21, под действием соединенного с ним вращающегося вентилятора 20 создается поток закрученного лопастями вентилятора атмосферного воздуха, который выпрямляется при прохождении через направляющие лопатки 25 в цилиндрической части 19 вентиляторного блока 18 и увлажняется при распыле воды через форсунки 26. В диффузорной части 22 вентиляторного блока 18 поток воздуха распределяется по параллельным каналам 4, образованным изогнутым листом 2 и общим замыкающим листом 12, закрепленном своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы 1. Воздух, перемещаясь в каналах 4, и участвую при этом в процессе теплопередачи с целевым теплоносителем, нагревается и с повышенной температурой на выходе из каналов 4 общим потоком удаляется в окружающую атмосферу. Выступы 9, образуемые гофрами 8 в каналах 4, служат турбулизаторами для потоков воздуха, что интенсифицирует теплообмен потоков и создает предпосылки для повышения тепловой мощности устройства.

Целевой теплоноситель в парообразном состоянии поступает по подводящему трубопроводу во входной патрубок 14 и далее в коллектор 5, где через окно 6 в дне 7 распределяется по параллельным щелевым каналам 3, заполняет их внутреннее пространство, ограниченное изогнутым листом 2, общим дном 7 и крышками 11, и перемещается в щелевых каналах 3 встречно по отношению в потокам охлаждающего воздуха. Соприкасаясь со стенками щелевых каналов 3, охлаждаемых с противоположных сторон потоками воздуха, протекающих в каналах 4, целевой теплоноситель конденсируется с образованием пленки конденсата на поверхностях стенок. Под действием гравитационной силы конденсат целевого теплоносителя стекает вниз по стенкам щелевых каналов 3 и по наклонным канавкам 10, образованным гофрами 8, на расположенное горизонтально или с уклоном дно 7, по которому перемещается к окну 6, сливается в нижнюю часть коллектора 5 и через присоединенный к коллектору 5 выходной патрубок 15 и внешний гидравлический затвор 16 выводится из устройства. Наличие внешнего гидравлического затвора 16 позволяет поддерживать уровень конденсата в коллекторе 5 выше нижней кромки внутренней продольной перегородки 73, расположенной в коллекторе 5, и, тем самым, в процессе работы создавать внутренний гидравлический затвор, разграничивающий пространства занятые паром и конденсатом в объеме коллектора 5.

Противоточное движение пара в щелевых каналах 3 и охлаждающего воздуха в каналах 4 теплообменной матрицы 1 дает возможность переохлаждать ниже температуры насыщения пара выделяющиеся при конденсации пара инертные газы, которые удаляются из внутреннего пространства щелевых каналов 3 через трубки 24 и газовые коллекторы 23, расположенные в диффузорной части 22 вентиляторного блока 18. Переохлаждение удаляемых инертных газов способствует полной завершенности фазового перехода целевого теплоносителя в устройстве. Этому же способствуют и направляющие лопатки 25 и форсунки 26, установленные в цилиндрической части 19 вентиляторного блока 18, которые обеспечивают улучшенные условия теплообмена потоков охлаждающего воздуха в каналах 4.

Выполнение соединения 17 теплообменной матрицы 1 и вентиляторного блока 18 разъемным, дает такие преимущества, как удобство транспортирования устройства по частям к месту использования, удобство выполнения ревизии отдельных частей и элементов, удобство выполнения ремонтных работ и удаления загрязнений с поверхности стенок каналов 4 в процессе эксплуатации устройства.

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.

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, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности. Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства и повышении его технологичности. Данная проблема решается тем, что в воздушном конденсаторе пара, включающем теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи, выполненную из одного изогнутого листа с образованием чередующихся между собой щелевых каналов для целевого теплоносителя и каналов для прохода охлаждающего воздуха, имеющих частично гофрированные стенки, крышки, размещенные на торцах теплообменной матрицы и герметично соединенные своими контурными кромками с внутренней поверхностью стенок щелевых каналов, вентилятор с приводом, каналы теплообменной матрицы направлены горизонтально или имеют уклон, крышки на торцах теплообменной матрицы выполнены в виде гребенок, верхние стенки каналов для прохода охлаждающего воздуха образованы общим замыкающим листом, закрепленным своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы, нижние стенки щелевых каналов образованы общим дном, являющимся частью изогнутого листа, через окно в дне внутренние пространства щелевых каналов соединены между собой коллектором целевого теплоносителя, имеющим внутреннюю продольную перегородку и соединенным с входным и выходным патрубками, один из торцов теплообменной матрицы имеет разъемное соединение с вентиляторным блоком, в цилиндрической части которого размещен вентилятор с приводом, а в диффузорной его части расположены газовые коллекторы, соединенные трубками с внутренними пространствами щелевых каналов для целевого теплоносителя. Кроме того, в цилиндрической части вентиляторного блока установлены направляющие лопатки и форсунки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Воздушный конденсатор пара, включающий теплообменную матрицу с листовой поверхностью теплопередачи, выполненную из одного изогнутого листа с образованием чередующихся между собой щелевых каналов для целевого теплоносителя и каналов для прохода охлаждающего воздуха, имеющих частично гофрированные стенки, крышки, размещенные на торцах теплообменной матрицы и герметично соединенные своими контурными кромками с внутренней поверхностью стенок щелевых каналов, вентилятор с приводом, отличающийся тем, что каналы теплообменной матрицы направлены горизонтально или имеют уклон, крышки на торцах теплообменной матрицы выполнены в виде гребенок, верхние стенки каналов для прохода охлаждающего воздуха образованы общим замыкающим листом, закрепленным своими продольными кромками на стенках боковых каналов теплообменной матрицы, нижние стенки щелевых каналов образованы общим дном, являющимся частью изогнутого листа, через окно в дне внутренние пространства щелевых каналов соединены между собой коллектором целевого теплоносителя, имеющим внутреннюю продольную перегородку и соединенным с входным и выходным патрубками, один из торцов теплообменной матрицы имеет разъемное соединение с вентиляторным блоком, в цилиндрической части которого размещен вентилятор с приводом, а в диффузорной его части расположены газовые коллекторы, соединенные трубками с внутренними пространствами щелевых каналов для целевого теплоносителя.

2. Воздушный конденсатор пара по п. 1, отличающийся тем, что в цилиндрической части вентиляторного блока установлены направляющие лопатки.

3. Воздушный конденсатор пара по п. 1, отличающийся тем, что в цилиндрической части вентиляторного блока установлены форсунки.