Тепловая труба Советский патент 1992 года по МПК F28D15/00 

Изобретение относится к теплотехнике и в частности к теплообменным аппаратам в энергетических, теплотехнических и отопительных установках.

Известен вертикальный кожухотруб- ный регенератор, содержащий трубную решетку и укрепленные в ней тепловые трубы с испарительными и конденсационными участками, отличающиеся тем, что с целью повышения надежности трубная решетка выполнена составной из двух частей, верхней и нижней, в которой закреплены соответственно конденсационные и испарительные участки тепловых труб.

Известный теплообменник характеризуется недостатками, заключающимися в трудности отвода неконденсирующихся газов, сложности контроля заполнения труб промежуточным теплоносителем, относительно низкие коэффициенты теплоотдачи к промежуточному теплоносителю, трудности очистки от накипеотложений внешней поверхности конденсационных участков тепловых труб, возникающие в связи с тем, что

каждая тепловая труба работает как единичный теплопередатчик, а также отсутствует организованное движение потоков пара и конденсата в тепловой трубе

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является тепловая труба-теплообменник содержащий конденсационную и испарительную части, состоящие из труб, закрепленных в трубных решетках и заключенных в разьемный корпус, отличающийся тем, что с целью повышения теплопроизводитёльности за счет отвода неконденсирующихся газов и организованного движения потоков пара и конденсата, а также поддержания оптимального уровня заполнения промежуточного теплоносителя, конденсационная и испарительная части выполнены из отделенных друг от друга пучков труб, ограниченных с обеи концов двумя трубными решетками, причем конденсационные и испарительные пучки труб совместно с разъемным корпусом составляют единую тепловую трубу, под конденсационным пучел С

2

VI

00 4. Ю

ком установлено устройство для организованного движения потоков пара и конденсата, выполненные в виде лотка и опускной трубы, а разъемный корпус снабжен устройством для отвода неконденсирующихся газов и устройством для контроля уровня и подпитки теплообмена промежуточным теплоносителем.

Однако этот теплообменник имеет относительно невысокую интенсивность теплоотдачи к промежуточному теплоносителю, а особенно в области малых плотностей тепловых потоков q 2-40 кВт/м2.

Цель изобретения - повышение интенсивности теплоотдачи к промежуточному теплоносителю при работе теплообменника в области малых тепловых потоков от 2 до 40 кВт/м2.

Поставленная цель достигается тем, что в тепловой трубе - теплообменнике, содержащем конденсационную и испарительную части, состоящих из труб, закрепленных в трубных решетках и составляющих совместно с разъемным корпусом единую тепловую трубу вводится конструктивное решение, согласно которому испарение промежуточного теплоносителя в испарительных трубах происходит в гравитационно-стекающей плейке жидкости при спутном опускном движении жидкости и пара, при этом в Ы s

лообменнике устанавливается распределительное устройство, обуславливающее равномерную подачу промежуточного теплоносителя на трубы испарительного пучка переточный паропровод подачи пара к трубам конденсационного пучка и переходная камера первичного теплоносителя

Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у известного изобретения предлагаемое техническое решение отвечает критерию новизна

С помощью распределительного устройства поток промежуточного теплоносителя равномерно распределяется по всему поперечному сечению испарительного трубного пучка от потока малого диаметра, определяемого диаметром подводной трубы, до потока большого диаметра, определяемого диаметром испарительного трубного пучка. Равномерно распределенная по всему сечению трубного пучка жидкость, путем перелива через верхнюю кромку испарительных труб стекает по их внутренней поверхности в виде пленки При подводе теплоты от первичного теплоносителя через стенки труб происходит процесс кипения в стекающей пленке жидкости. Таким образом, распределительное устройство служит для организации процесса

кипения промежуточного теплоносителя в стекающей пленке

При отсутствии распределительного устройства конденсат будет поступать только

в те трубы, которые расположены возле подводной трубы, а периферийная часть труб не будет орошаться жидкостью. Причем, в орошаемые трубы жидкость поступает неравномерно - в одни трубы больше, в другие

0 меньше. В таком случае, теплопроизводи- тельность тепловой трубы-теплообменника резко упадет (часть труб не орошается). Средняя интенсивность теплоотдачи в трубах с малым количеством поступающей

5 жидкости также резко снизится Это связано с появлением на поверхности труб оголенных участков. Такие участки возникают из-за недостаточного количества жидкости для полного смачивания поверхности, а так0 же вследствие ее выпаривания. Таким обра- зом, равномерность орошения труб жидкостью (конденсатом) с помощью распределительного устройства повышает интенсивность теплоотдачи.

5 Интенсивность теплоотдачи возрастает не только из-за равномерности орошения труб, а главным образом из-за организации процесса кипения промежуточного теплоносителя в стекающей пленке Увеличение

0 интенсивности теплоотдачи, особенно в области малых тепловых потоков от 2 до 40 кВт/м2, подтверждается данными, приведенными на фиг 1

Выпаривание растворов в трубах в гра5 витационно-стекающей пленке жидкости при спутном опускном движении жидкости и пара осуществляется в выпарных аппаратах со стекающей пленкой жидкости. Существующие конструкции теплообменников,

0 составленные из индивидуальных тепловых труб (термосифонов) не позволяют организовать вчних такой режим кипения.

Распределительное устройство, состоящее из трубы с вентилем распределительно5 го бака с перфорированным днищем и отбойных наклонных пластин обеспечивает равномерность подачи промежуточного теплоносителя к верхним концам испарительных труб. Распределительный бак и от0 бойные наклонные пластины входят в биде элементов в распределительное устройство, применяющееся в выпарных аппаратах со стекающей пленкой жидкости. Сравниваемые распределительные устройства имеют

5 существенные отличия Так в предлагаемой конструкции внутренний объем распределительного бака не содрржит каких-либо конструктивных элементов, так как циркуляция промежуточного теплоносителя происходит в замкнутом пространстве и в

теплоносителе отсутствуют большие по размеру механические включения, в то время как в баке распределительного устройства выпарного аппарата устанавливаются концентрические перегородки, обдувоч- ное устройство, коническое днище, предназначенные дл я удаления механических включений. Кроме того, в предлагаемой конструкции распределяется промежуточный теплоноситель, а в выпарном аппарате вы- париоаемый раствор (вторичный теплоноситель). Вместе с тем, распределительное устройство в предлагаемой конструкции совместно с переходной камерой и переточ- ным паропроводом служит для организации процесса кипения промежуточного теплоносителя в гравитационно-стекающей спут- но с паром пленке жидкости.

Переточный паропровод связывает испарительную и конденсационную части теп- ловой трубы-теплообменника. Прямого влияния на повышение интенсивности теплоотдачи он не оказывает, однако при отсутствии переточного паропровода теплообменник работать не будет, так как раз- рывается циркуляционный контур тепловой трубы.

В зависимости от тепловой нагрузки теплообменника промежуточный теплоноситель в испарительных трубах может выпа- риваться не полностью. Пар и жидкость после испарительных труб поступает в под- трубную камеру. Затем пар по перетбчно му паропроводу Направляется в конденсационный пучок труб, а неиспарившаяся жид- кость остается на днище подтрубной камеры Пар в конденсационном пучке сконденсиру- ется и конденсат поступит на орошение верхних концов труб испарительного пучка, при этом количество конденсата уменьшит- ся, так как часть жидкости осталась на днище подтрубной камеры. Вследствие этого уменьшится плотность орошения труб испарительного пучка. Плотность орошения представляет собой отношение расхода жидкости к орошаемому периметру (кг/Јом) Исследованиями установлено, что с ростом плотности орошений растет и интенсивность теплоотдачи и наоборот. Следовательно, чтобы интенсивность теплоотдачи не снижалась, необходимо довыпаривать жидкость, оставшуюся на днище камеры. С этой целью первичный теплоноситель пропускается через переходную каме ру и за счет передачи теплоты через стенку днища производит довыпаривание жидкости, тогда весь пар промежуточного теплоносителя поступит в конденсационную часть.

На фиг. 1 представлена зависимость коэффициентов теплоотдачи от плотности теплового потока при разных способах организации кипения промежуточного теплоносителя.

Кривая 1 соответствует процессу кипения в индивидуальных термосифонах. Для ее расчета использовалось эмпирическое уравнение

,Г г . П0,5 . р 0.22 И- С q Гн

(D

где с -- постоянный коэффициент, для рассчитываемых условий. с 12;

q - плотность теплового потока, Вт/м2;

Рн -давление насыщения, бар.

Кривая 2 соответствует процессу кипения в трубах. Для ее расчета использовалось уравнение Кичижна-Тобилевича.

а Аз q

0,6

(2)

где А2 - постоянный коэффициент, для воды А2 12,4.

Кривые 3 и 4 соответствуют процессу кипения в стекающей спутно с паром пленке жидкости при плотностях орошения соот- ветственно 0,2 и 1,85 кг/(м с). Они пострбены по экспериментальным данным.

Анализ расположения кривых на фиг. 1 показывает, что в области малых плотностей тепловых потоков q 2-40 кВт/м2 организация процесса кипения в стекающей спутно с паром пленке жидкости позволяет повысить интенсивность теплоотдачи. Кривые 3 и 4 в указанной области располагаются гораздо вйше кривых 1 и 2.

Благодаря такому выполнению тепловой трубы теплообменника обеспечивается увеличение интенсивности теплоотдачи в области малых тепловых потоков, что при реализации теплообменника позволит достигнуть увеличение его теплопроизводи- тельности.

Таким образом, у предлагаемой конструкции появляются новые свойства, которые не совпадают со свойствами известных решений, что позволяет сделать вывод: предлагаемое техничес ко Ј рёи1ёниё соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 2 изображена схема тепловой трубы-теплообменника.

Тепловая труба-теплообменник состоит из пучка горизонтальных конденсационных труб 1 и его трубных решеток 2, заключенных в корпус 3 на котором расположено устройство для отвода неконденсирующихся газов 4 и контроля уровня промежуточного теплоносителя 5, торцовые концы корпуса закрыты крышками снабженными

патрубками входа 6 и выхода 7 вторичного теплоносителя, под корпусом конденсационной части установлено распределительное устройство, состоящее из подводной трубы с вентилем 8, бака 9 с перфорированным днищем и отбойных наклонных пластин 10, распределительное устройство расположено над пучком испарительных труб 11 и его трубных решеток 12, заключенных в корпус 13 к которому присоединено колено 14 и патрубок выхода первичного теплоносителя 15, под испарительными трубками расположена подтрубная камера 16, пространство которой соединено переточным паропроводом 17с межтрубным пространством конденсационного пучка труб, под- трубная камера через днище 18 граничит с переходной камерой 19 на корпуса которой установлен патрубок входа первичного теплоносителя 20.

Тепловая труба-теплообменник работает следующим образом

Часть межтрубного пространства конденсационного пучка труб 1 заполняется через устройство 4 промежуточным теплоносителем. Контроль уровня заполнения как при заправке, так и при работе теплообменника производится с помощью устройства 5. Промежуточный теплоноситель из межтрубного пространства по трубе с вентилем 8 поступает в бак 9 с перфорированным днищем Отверстия в днище располагаются рядами Под каждым рядом установлена отбойная пластина Промежуточный теплоноситель вытекает из бака струями, падающими на отбойные пластины 10, отражается от них и в виде плоской тонкой пленки направляется на испарительные трубы 11 и верхнюю трубную решетку 12 Генерация пленки жидкости происходит путем перелива через верхнюю кромку трубы, а внутри нее под действием сил поверхно- стного натяжения Промежуточный теплоноситель стекает по внутренней поверхности испарительных труб и испаряется за счет теплоты воспринимаемой через стенки испарительных труб от первичного теплоносителя Образующийся пар совместно с пленкой жидкости поступает в под- трубную камеру 16. Движению пара вверх препятствует стенка корпуса 3 конденсационного пучка и жидкость, находящаяся в баке 9 и трубе с вентилем 8 В подтрубной камере происходит отделение пара от неиспарившейся жидкости Пар по переточному паропроводу 17 поступает к трубам 1 конденсационного пучка и на внешней поверхности этих труб конденсируется, отдавая теплоту конденсации вторичному теплоносителю, который поступает в теплообменник через входной патрубок 6, проходит внутри конденсационных труб и выходит из аппарата через патрубок 7. Конденсат стекает в нижнюю часть корпуса 3 и по трубе с

вентилем 8 снова поступает в бак распределительного устройства. Остаток неиспарившегося теплоносителя довыпаривается на днище 18. Первичный теплоноситель через патрубок 20 поступает в переходную камеру 19, где часть теплоты расходуется на до- выпариваниепромежуточного теплоносителя, расположенного на днище 18, а затем по колену 14 поступает в меж- грубное пространство испарительных труб

и через патрубок 15 покидает теплообменник. При движении первичного теплоносителя по межтрубному пространству происходит передача теплоты промежуточному теплоносителю, стекающему в виде

пленки жидкости по внутренней поверхности ирпарительных труб, Таким образом, теплота от первичного теплоносителя передается промежуточному теплоносителю и затрачивается на его испарение, а теплота

от промежуточного теплоносителя передается вторичному теплоносителю в процессе конденсации пара промежуточного теплоносителя Неконденсирующиесэ газы периодически, а при необходимости постоянно

отводятся из верхней части конденсационного пучка труб через устройство 4

Экономический эффект, получаемый в результате использования предлагаемой конструкции, возникает за счет снижения

металлоемкости теплообменника

Формула изобретения Тепловая труба, содержащая разъемный корпус, в котором размещены конденсационная и расположенная под ней

испарительная части, состоящие из пучков труб; закрепленных в трубных решетках, и устройства для отвода неконденсирующихся газов и контроля уровня промежуточного теплоносителя отличающаяся тем,

что, с целью интенсификации теплообмена путем организации процесса кипения промежуточного теплоносителя в графитацион- но стекающей спутно с паром пленке жидкости, она дополнительно снабжена

распределительным устройством, установленным над пучком испарительных труб и передаточным паропроводом, соединяющим дополнительно установленную под пучком труб испарительной части подтрубную камеру с межтрубным пространством пучка труб конденсационной части и переходной камерой первичного теплоносителя, дополнительно расположенной под днищем подтрубной камеры

5 6 7 в 9 10

1 Фие, i

3 4 5 6 7 6 S 10

20

4

/

Использование: в теплотехнике, в част- иности теплообменных аппаратах, может быть использовано как теплообменник в энергетических, технологических и отопительных установках и как устройство для разделения смесей на отдельные компоненты. Сущность изобретения: тепловая труба снабжена распределительным устройством 9. установленным над пучком испарительных труб 11, переточным паропроводом 17. соединяющим подтрубную камеру 16 испарительного пучка 11 с межтрубным пространством конденсационного пучка 1 и переходной камерой 19 первичного теплоносителя, расположенной под днищем подтрубной камеры 16 Тепловая труба-теплообменник обладает высокой эффективностью работы в области малых плотностей тепловых потоков От 2 до 40 кВт/м2. 2 ил.

Фиг. t