Способ охлаждения и нагревания теплоносителя Советский патент 1985 года по МПК F28F13/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике и теплотехнике и может быть использовано в тепло- и массообменных аппаратах и преобразователях тепла в другие виды энергии (например, в тепловых двигателях), в энергетике (паровые котлы, газовые подогреватели воды), металлургии (котлы-утилизаторы), химии и нефтехимии (подвод тепла от газов к перерабатываемому жидкому сырью), а также на транспорте (регенераторы) .

Целью изобретения является интенсификация процесса теплообмена.

На фиг. 1 показано устройство для охлаждения газового теплоносителя; на фиг. 2 - T-S-диаграмма процесса охлаждения; на фиг. 3 -- устройство для нагревания газоBoio те11.лоносителя; на фиг. 4 - T-S-диаграмM;I нагревании газового теплоносителя.

Устройство (фиг. 1) содержит конфузорu,i участок 1, диффузорный участок 2, адиабатическую оболочку 3, среду 4 с высоким коэффициентом теплоотдачи (например, к| ия|11лю жидкость). В этом устройстве реализуются термодинамические процессы, покан;ипн)е на фиг. 2; 1-2 - процесс идеального адиабатического расширения; 2-3 - процесс реального изотермического сжатия; вх - давление теплоносителя на входе в К1)нфузорный участок 1; РВЫХКД - давление тсп.моносителя на выходе из диффузорног(.) умястка2 в случае идеальных процессов; Рбых.реал. - давление теплоносителя на вы.ходе из диффузорного участка 2 в случае реа.гоных процессов.

При осуществлении (фиг. 2) идеальных процессов возможен выигрыш в давлении, т. е. давление на выходе из диффузорного участка 2 будет больше давления на входе в конфузорный участок 1, поскольку работа адиабатического расширения газа в конфузоре бо. изотермического сжатия в диффузоре. В реальных же процессах из-за потерь на трение и роста энтропии., давление тенлоносителя на выходе из диффузорного участка 2 оказывается ниже давления на входе в конфузорйый участок . Однако этот перепад давления значительно (в 10 и более раз) меньше, чем в известных трубчатых теплообменниках при реализации в них тех же скоростей газа, которые имеют место в предлагаемом способе.

Устройство (фиг. 3) для нагревания газового теплоносителя содержит конфузорный участок 5, диффузорный участок 6, среду с высоким коэффициентом теплоотдачи (например, конденсирующийся пар), адиабатическую оболочку 3.

На T-S-диагра.мме процесса нагрева теплоносителя указаны 1-2 - процесс изотермического расширения; 2-3 - процесс идеального адиабатического сжатия; 2-3 - процесс реального адиабатического сжатия; РВХ - давление теплоносителя на входе в конфузорный участок 5; РВЫХ.)Д-- давление на выходе из диффузорного участка 6 в случае осуществления идеальных процессов; Рвух.реал.- давление на выходе в случае реальных процессов.

При осуществлении приведенных (фиг. 4) процессов давление на выходе из диффузорного участка 6 ниже, чем на входе в конфузорный участок 5, причем в случае реальных процессов этот перепад давления за счет роста энтропии увеличивается.

Результаты проведенных экспериментов при охлаждении и нагревании воздуха и сравнения коэффициентов теплоотдачи а, длин теплообменных устройств / и срабатываемых перепадов давления А.Р для трех различных способов охлаждения и нагревания теплоносителя приведены в табл. 1 и 2. Для сравнения взяты трубчатый теплообменный аппарат (а), труба с чередующимися конфузорными и диффузорными участками (б), сопряженный конфузор-диффузор (в), в котором реализуется предлагаемый способ.

Охлаждение воздуха производилось водой (кипящей и холодной при большом расходе) для поддержания постоянства температуры стенки диффузорного участка. Диаметр входного сечения устройства равен 24 мм, , r, 7s 100°C (табл. 1).

Нагревание воздухом (табл. 2) производилось конденсирующимся водяным паром (Р 1 кгс/см) для поддержания постоянства температуры стенки конфузорного участка ( 100°С). Диаметр входного сечения устройства равен 24 мм, М ; 1.

Как видно из таблиц, при равных теплогидравлических условиях (G80iA idem, 1вх idem, б/ idem, AP «idem, РВХ idem) в каждом из режимов коэффициент теплоотдачи в устройстве, в котором реализуется предлагаемый способ охлаждения, практически на порядок выше, чем в известных теплообменных аппаратах, следовательно, и длина устройства оказывается в 10-12 раз меньще, чем у известных устройств. Затраты энергии на прокачку воздуха оказываются приблизительно одинаковыми.

Таблиц а

СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, при котором теплоноситель перемещают по каналу, состоящему из конфузорного и диффузорного участков, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса теплообмена, при охлаждении теплоносителя перемещение его в конфузорном участке осуществляют Гсд адиабатически, а температуру стенки диффузорного участка поддерживают постоянной, соответствующей следующей зависимости )Т. + r nl(R + R }NuT. -L- GCpds „ ni(Ri + R2)Nu7. bix, при нагревании температуру стенки конфузорного участка 7,- поддерживают постоФ в соответствии соследующей завитью Т -GCpd3„ - т у Я/(/,+.Р2)Л«ЛТ вых iBxX л/( R-2)Nu7. ( + r - те.мпература теплоносителя входе в конфузорный участок ЫХ -температура теплоносителя выходе из диффузорного участка, °С; г - коэффициент восстановления; k - средний показатель адиабаты теплоносителя; сс- число Маха на выходе из конфуфузорного участка; G - расход теплоносителя, кг/с; Ср-средняя изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг К; средний эквивалентный диаметр диффузорного участка, м; Я - средний коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м К; / - длина диффузорного участка, м; -2 - радиусы сечения на входе и на выходе диффузорного участка, м; и - критерий Нуссельта, ффузорном участке перемещение тепителя осуществляют адиабатически.

Таблица 2