Теплообменный циркуляционный контур Советский патент 1992 года по МПК F28D7/12 

двухходовой теплообмен охлаждаемой воды с окружающей водной средой, при прохождении по внутренней трубе и кольцевой полости, причем обеспечивается теплопередача и через стенку центральной трубы, что значительно увеличивает площадь теплообмена без дополнительных затрат и повышения металлоемкости конструкции.

Наличие защитного кожуха, надетого на верхнюю часть теплопередающего элемента, создает замкнутый воздушный объем, обеспечивающий защиту юследнего от коррозии в зоне переменного уровня акватории. С целью интенсификации процесса теплообмена во время неблагоприятных гидрологических условий предусмотрена возможность подачи ежа to го воздуха от компрессорной установки через защитный кожух по перфорированным воздуховодам как внутрь теплопередающего элемента, так и с внешней стороны. При подаче сжатого воздуха в воду образуется водовоздуш- ная смесь, которая поднимается с глубины до поверхности.

Таким образом создается направленное движение охлаждающей воды акватории (причем из нижних более холодных слоев) вдоль теплопередающих поверхностей; Такой принцип позволяет прокачивать охлаждающую воду любого качества не только внутри межтрубного пространства, но и снаружи, а также повысить надежность работы водоподъемного устройства вследствие отсутствия в нем движущихся частей. Наличие водовоздушной смеси препятствует образованию льда, что значительно улучшает условия эксплуатации контура, так как снижает расчетные нагрузки на опоры и обеспечивает благоприятные условия стоянки водного транспорта, Снабжение контура компрессорной установкой позволяет при необходимости создать в защитном кожухе вакуум, обеспечивающий вследствие его низкой теплопроводности защиту от промерзания в зимний период части тепло- обменного элемента, расположенного выше уровня воды в акватории, во время прекращения циркуляции охлаждаемой воды.

Выполнение воздуховодов с прямоугольным сечением и примыкающих одним торцом к поверхности соответственно наружной и внутренней труб и расположением канала для подачи воздуха в противоположной периферийной части сечения обеспечивает дополнительное ореб- рение теплообменных элементов без увеличения общей металлоемкости конструкции, а принятое расположение каналов не препятствует процессу теплопередачи.

Направление осей перфораций по касательной к поверхностям труб обеспечивает попадание сжатого воздуха на теплообмен- ную поверхность, который разрушает пограничный тепловой слой и создает в нем турбулентное движение, что значительно увеличивает теплоотдачу без дополнительных энергозатрат.

Применение электрохимической защи0 ты от коррозии значительно повышает срок службы теплообменников, не снижая при этом коэффициент теплопередачи, а изготовление протекторов прямоугольного сечения с примыканием одним торцом к

5 поверхностям наружной и внутренней труб обеспечивает оребрение теплообменных элементов без увеличения общей металлоемкости.

Таким образом, размещение теплооб0 менных элементов вне опор и выполнение их в виде коаксиально расположенных наружной центральной и внутренних труб, со- единенных между собой посредством тангенциальных патрубков, оснащение за5 щитными кожухами, а также снабжение контура компрессорной установкой с воздуховодами и устройством электрохимической защиты от коррозии, позволяет одновременно повысить интенсивность

0 теплоотдачи, увеличить несущую способность и долговечность, обеспечивающие повышение эксплуатационной надежности и экономичности.

На фиг.1 изображен теплообменный

5 циркуляционный контур, общий вид; на фиг.2 - теплообменный элемент, общий вид; на фиг.З - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - узел крепления воздуховода.

Теплообменный циркулирующий кон0 тур представляет собой несущие опоры 1, на которых установлено верхнее строение 2. В верхнем строении размещаются охлаждаемый объект 3, насос 4, трубопровода нагретой 5 и холодной 6 воды. В закладных отверстиях верхнего строения закрепляют5 ся теплообменные элементы 7. Так же устанавливается компрессорная установка 8 с трубопроводами 9 сжатого воздуха. Тепло- обменный элемент представляет собой коаксиально расположенные наружную 10,

0 центральную 11 и внутреннюю 12 трубы. Наружная и центральная трубы образуют замкнутое с двух тсрцов кольцевое пространство. В верхней части кольцевое пространство соединено с трубопроводом

5 холодной воды, а в подводной части (определяется естественными условиями), предусматриваетсяустройствоводопропускных окон 13. Внутри центральной трубы устанавливается внутренняя труба, которая соединяется в верхней части с трубопроводом нагретой воды, а в нижней при помощи тангенциальных патрубков 14 с кольцевым пространством. Площадь сечения внутреннего трубопровода принимается из условия создания оптимальных скоростей нагретой воды и всегда меньше или равна площади кольцевого пространства. Площадь межтрубного пространства, образованного внутренней и центральной трубами, принимается по расчету исходя из тепловых нагрузок на теплообменный элемент и гидрологических условий акватории. Длина теплообменного элемента принимается равной расстоянию от верхнего строения до дна акватории (за вычетом запаса на посадку 1 - 2 м). В верхней части теплообменного элемента устанавливается защит- ный цилиндрический кожух 15, заглушенный с двух сторон. В верхней части защитный кожух присоединяется к трубопроводу сжатого воздуха, а в нижней к пер- форированным воздуховодам 16, закрепленным по продольным поверхностям внутренней и наружной труб. Диаметр кожуха принимается на один размер больше диаметра наружной трубы, а длина равна расстоянию от верхнего строения до наинизшего уровня воды в акватории с коэффициентом запаса 1,1 - 1,2. Перфорированные воздуховоды принимаются прямоугольной формы и закрепляются в качестве продольных ребер. В периферийной части ребра предусматривается канал 17 для подачи сжатого воздуха, а в нижней его части перфорация 18, причем ось перфорации направлена по касательной к поверхностям труб. Размеры воздуховодов, сечения каналов, количество и диаметр перфорации определяются расчетом для каждого конкретного случая в зависимости от условий теплообмена, На поверхностях наружной и внутренней труб, погруженных в акваторию, прикрепляются протекторы 19, представляющие собой продольные ребра прямоугольного сечения. Размеры протекторов определяются расчетом в зависимости от химического состава воды в акватории. В качестве материала для изготовления протекторов предлагается использовать магниевые, алюминиевые и цинковые сплавы. Эти материалы характеризуются значительным коэффициентом теплопроводности. Количество воздуховодов и протекторов определяется расчетом исходя из естественных условий акватории и тепловой нагрузки на теплообменные элементы. Размещение воздуховодов и протекторов на поверхностях труб предполагается

поочередное (протектор, воздуховод, протектор, воздуховод...).

Строительство теплообменного циркуляционного контура осуществляется следующим образом.

Устанавливаются опоры 1, на которых устанавливается верхнее строение 2, размещается охлаждаемый объект 3, насос 4, компрессорная установка 8 и собственно

0 собранные теплообменные элементы 7, после чего прокладываются трубопроводы нагретой 5 и холодной 6 воды и трубопроводы 9 сжатого воздуха. Сборка теплообменных процессов происходит централизовано в

5 мастерских в следующей последовательности. Соединяют наружную 10 и центральную 11 трубы между собой с образованием замкнутого с двух концов кольцевого пространства, после чего устраивают

0 водопропускные окна 13i На поверхности внутренней 12 и наружной труб закрепляются воздуховоды 16 и протекторы 19, после чего на внутренний трубопровод размещается в центральном трубопроводе и соеди5 няется с кольцевым пространством посредством тангенциальных патрубков 14, Затем конструкция снабжается защитным кожухом 15.

Теплообменный циркуляционный кон0 тур работает следующим образом.

Холодная вода по трубопроводу 6 забирается насосом 4 и направляется на охлаждение объекта 3, после чего нагретая вода по трубопроводу 5 направляется на охлаж5 дение в теплообменные элементы 7. В теп- лообменном элементе нагретая вода поступает во внутреннюю трубу 12, где происходит ее частичное охлаждение водой акватории, которая под действием

0 естественной конвекции создает устойчивое движение по межтрубному пространству, образованному внутренней и центральной 11 трубами по направлению снизу вверх. Нагретая вода из межтрубного

5 пространства выходит через водопропускные окна 13. Частично охлажденная вода из внутренней трубы поступает через тангенциальные патрубки 14 в замкнутое кольцевое пространство, образованное

0 центральной и наружной 10 трубами, двигаясь по которому происходит ее дальнейшее охлаждение водой акватории. При прохождении частично охлажденной водой кольцевого пространства наблюдается

5 тонкослойное распределение объема, что значительно интенсифицирует теплопередачу, а наличие и внутренней теплообмен- ной площади увеличивает на 30% общую площадь теплообмена. Охлажденная вода из кольцевого пространства под остаточным капором по трубопроводу 6 поступает на охлаждаемый объект и цикл повторяется.

При неблагоприятных гидрологических условиях, например высокой температуре или низкой скорости воды в акватории, интенсификация теплопередачи осуществляется путем подачи сжатого воздуха от компрессорной установки 8 по трубопроводу 9 через защитный кожух 15 в перфориро- ванные воздуховоды 16. Сжатый воздух при выходе из воздуховода направляется по касательной на поверхность внутренней и наружной труб, где разрушает тепловой пограничный слой и создает в нем турбулен- тное движение, одновременно с этим создается водовоздушная смесь, которая поднимается глубины до поверхности, таким образом создается направленное движениеохлаждающейводы, обеспечивающее повышение теплоотдачи в 1,5-2 раза. При этом наблюдается эффект снижения интенсивности льдообразования и, как следствие, снижение расчетных нагрузок на контур и обеспечение улучшения эксплуатации водного транспорта.

При остановке циркуляции охлаждаемой воды, в зимний период возможно промерзание теплообменного элемента в части, находящейся между уровнем воды в акватории и верхним строением, для предотвращения этого явления предусматривается возможность создания вакуума в защитном кожухе при помощи компрессорной установки, что обеспечивает надеж- ность работы контура без проведения дополнительных дорогостоящих и сложных мероприятий. Наличие защитного кожуха на 50% снижает интенсивность коррозии, так как скорость коррозии в два раза в зоне переменного уровня выше, чем в водной среде, что обуславливает увеличение срока службы теплообменных элементов.

Применение протекторной защиты от коррозии способствует повышению долго- вечности теплообменников и не ведет к снижению коэффициента теплопередачи, что наблюдается при использовании пассивного способа защиты, например нанесение лакокрасочных или полимерных покрытий на защищаемые поверхности. Одновременно с этим наблюдается развитие поверхности теплообмена за счет устройства продольных ребер из протекторов.

Работать теплообменные элементы в контуре могут в различном порядке: последовательно, параллельно или комбинированно. В составе контура имеются рабочие

и резервные теплообменные элементы. Таким образом обеспечивается повышение эксплуатационной надежности и экономичности теплообменного циркуляционного контура.

По выполненным расчетам использование изобретейия позволит снизить себестоимость каждого кубического метра оборотной воды на 5,7%.

Формула изобретения

1.Теплообменный циркуляционный контур, содержащий несущие опоры, установленные в водоеме, на которых закреплено верхнее строение с охлаждаемым объектом, насосом, трубопроводами нагретой и холодной воды, и размещенные в водоеме теплообменные элементы, отличающийся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности и экономичности, теплообменные элементы выполнены в виде коаксиально расположенных вертикальных наружной, центральной и внутренней труб, последняя из которых подключена к трубопроводу нагретой воды и сообщена посредством тангенциальных патрубков в нижней части с кольцевой полостью, образованной наружной и центральной трубами и сбобщенной в верхней части с трубопроводом холодной воды, а пространство между внутренней и центральной трубами сообщено в верхней и нижней частях со средой водоема, при этом каждый теплообменный элемент в верхней части снабжен цилиндрическим защитным кожухом, на поверхностях наружной и внутренней труб закреплены .распределительные перфорированные воздуховоды, а контур дополнительно снабжен компрессорной установкой, магистраль сжатого воздуха которой через защитный кожух сообщена с упомянутыми воздуховодами.

2.Контур по п. 1,отличающийся тем, что воздуховоды выполнены в виде продольных ребер прямоугольного сечения, снабженных в периферийной части каналом для подвода воздуха.

3.Контур по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что перфорация в воздуховодах выполнена в виде расположенных по касательной к поверхностям труб отверстий.

4.Контур по пп.1 и2,отличающий- с я тем, что теплообменные элементы снабжены протекторной электрохимической защитой от коррозии в виде расположенных на поверхностях наружной и внутренней труб между воздуховодами продольных ребер.

77