Теплообменник Советский патент 1993 года по МПК F28D7/10 

V

№

и

00

о 1

GJ Ю

Использование: в теплотехнике для создания оборудования, использующего тепло- и массообменные процессы. Сущность изобретения: между коллекторами 1 и 2 теплообменника размещены теплообменные элементы типа труба в трубе, состоящие из внешней трубы 3 и внутренней трубы 4, которые имеют различную длину и закреплены в индивидуальных трубных досках 5, 6, являющихся основаниями коллекторов 1 и 2. Труба 4 закреплена в трубных досках 6 и выступающие концы ее 7 проходят через полости коллекторов 1, 2. Обе трубы 3 и 4 гофрированы, форма гофр является кольцевой, причем шаг и глубина гофр внутренней трубы 4 возрастает в направлении снизу вверх. Выступающие концы 7 трубы 4 имеют форму усеченных конусов и обращены большими основаниями к трубным доскам 6. Подводящий коллектор 1 разделен на секции 8, 9 газопроницаемой перегородкой 10. Отвод газа из полости 9 осуществляется через патрубок 11. Подача газожидкостного теплоносителя в секцию 8 осуществляется по трубе 12. Отвод теплоносителя из отводящего коллектора 2 осуществляется по трубке 13. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

/JШ.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных областях машиностроения для создания оборудования, использующего тепло- и мас- сообменные процессы в своей работе.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена в теплообменнике и повышение его эксплуатационной надежности.

Известно, что эффективность работы теплообменных устройств определяется рядом параметров, одним из которых является энтропия. Эффективность теплообменника тем выше, чем меньше изменение энтропии, являющейся функцией перепада температур между охлаждающей средой и стенкой теплообменника- Теплообменник рассматриваемой конструкции, в сравнении с прототипом, обладает большей стабильностью этого параметра. Это обусловлено тем, что передача тепла от гидрожидкостного теплоносителя охлаждающей среде (воздуху) осуществляется и внутри сквозного канала внутренней трубы начиная с ее нижнего, более холодного, конца. Другим важным свойством теплообменника, позволяющим добиться интенсификации теплообмена, является исполнение гофр внутренней трубы кольцевой формы, причем шаг и глубина гофр возрастают в направлении снизу вверх. Такая форма гофрирования позволяет упорядочить конденсацию газожидкостного теплоносителя. Доказано, что при наличии в теплообменнике пленочной и капельной конденсации эффективность теп- ло.обменника повышается.. Третьим свойством, позволяющим добиться цели изобретения, является наличие газопроницаемой перегородки в подводящем коллекторе, разделяющей его на две секции, одна из которых снабжена патрубком отвода газов. Обезгаживание конденсирующегося теплоносителя позволяет повысить эксплуатационные характеристики теплообменника.

На фиг.1 изображен теплообменник, вид сверху и разрез ; на фиг .2-разрез одного из теплообменных элементов типа труба в трубе .

Теплообменник состоит из подводящего 1 и отводящего 2 коллекторов. Между коллекторами 1 и 2 размещены теплообмен- ные элементы типа труба в трубе, состоящие из внешней трубы 3 и внутренней трубы 4. Трубы 3 и 4 имеют различную длину и закреплены в индивидуальных трубных досках 5, 6, являющихся основаниями коллекторов 1 и 2. Труба 3, имеющая меньшую длину закреплена в трубных досках 5. Труба 4 закреплена в трубных досках 6 и выступающие концы зе 7 проходят через полости

коллекторов 1, 2. Обе трубы 3 и 4 гофрированы, форма гофр является кольцевой, причем шаг и глубина гофр внутренней трубы 4 возрастает в направлении снизу вверх. Выступающие концы 7 внутренней трубы 4. имеют форму усеченных конусов и обращены большими основаниями к трубным доскам 6. Подводящий коллектор 1 разделен на секции 8, 9 газопроницаемой перегородкой 10. Отвод газа из полости 9 осуществляется через патрубок 11. Подача газожидкостного теплоносителя в секцию 8 осуществляется по трубе 12. Отвод теплоносителя из отводящего коллектора 2 осущест5 вляется по трубке 13.

Теплообменник работает следующим образом. Горячий газожидкостный теплоноситель по трубе 12 подается в секцию 8 подводящего коллектора 1 и омывает верх0 ние конические выступающие концы 7 гофрированной трубки 4. При этом происходит распределение газожидкостного теплоносителя между теплообменными элементами типа труба в трубе и поступление его в

5 межтрубное пространство гофрированных труб 3 и 4. Под действием сил гравитации теплоноситель опускается вниз и далее в отводящий коллектор 3. Гофрирование внутренней поверхности трубы 3 и внешней

0 поверхности трубы 4, образующих кольцевой канал, обеспечивает интенсивное протекание теплообменных процессов. Происходит охлаждение теплоносителя, выделение из него растворенных газов, кон5 денсация паров жидкой фазы теплоносителя. При этом, из-за наличия выступов гофр, будет происходить пленочно- капельная конденсация теплоносителя. В результате в отводящий коллектор 2 будет

0 поступать и жидкость и газ. Жидкость будет отводиться из коллектора 2 по трубе 13, а газ из этого же коллектора по теплообменным элементам, соединяющим секцию 9 и коллектор 2, будет поступать в секцию 9. Про5 хождение газа по кольцевому каналу с гофрированными стенками будет сопровождаться дальнейшим охлаждением газа, приводящим к освобождению его от паров жидкой фазы теплоносителя. Этот процесс

0 аналогичен описанному выше. Разница заключается лишь в том, что жидкая фаза стекать будет вниз, в отводящий коллектор 2, а газ поднимется вверх, в секцию 9. Выход газа из секции 9 будет осуществляться через

5 патрубок 11.

Одновременно с этим процессом охлаждения теплоносителя и процессом выделения .из него растворенных газов в теплообменных элементах будет происходить процесс частичного протекания газов

из секций 8 через газопроницаемую перегородку 10 в секцию 9. Таким образом, отделение газа из газожидкостного теплоносителя будет проходить как за счет его охлаждения в теплообменных элемен- тах, так и за счет отделения газа на газопроницаемой перегородке 10. В секции 9 происходит слияние этих частей-газового потока и выравнивание его по температуре перед выходом через патрубок 11. При сме- шении частей газового потока возможна конденсация жидкой фазы теплоносителя. Это не препятствует работе теплообменника, так как жидкость будет стекать вниз, в отводящий коллектор 2, Из описания про- цесса отделения газа от теплоносителя в теплообменнике видно, что этот процесс происходит по всему обьему теплообменника. Конструкция теплообменника не позволяет проникать жидкой фазе теплоносителя за его пределы даже при отсут вии специальных преграждающих устройств.

Процесс прохождения газожидкостного теплоносителя черезтеплообменник приводит к неравномерному нагреву его элементов. Температура, элементов теплообменника изменяется в направлении протекания теплоносителя и его газовой фазы от наиболее высокой в полости 8 подводящего, коллектора 1 к наименее низкой в от- водящем коллекторе 2 и секции 9 коллектрра 1. Неравномерность нагрева элементов теплообменника приводит к воз- никновению интенсивных конвективных процессов на внешних поверхностях этих элементов, которые можно условно разделить на три вида.

Первый конвективный процесс будет наблюдаться при обтекании воздухом корпуса секции 8, теплообменных элементов типа труба в трубе, соединяющих эту полость с отводящим коллектором 2. Второй при обтекании воздухом корпуса секции 9, тепло.обменных элементов, соединяющих эту полость с отводящим коллектором 2. От- личительной особенностью этих процессов будет то, что элементы конструкции теплообменника, омываемые воздухом, нагреты по разному. В первом случае температура элементов выше, чем во втором. Это приво- дит к различиям в количественных характеристиках процессов, например, в таких, как изменение энтропии, температурный напор, скорость воздушного потока, омывающего нагретые элементы и др. Качественная сторона этих процессов совпадает. Гофрирование внешней поверхности труб 3 способствует интенсификации процессов теплообмена.

Третий конвективный процесс будет происходить внутри теплообменника в сквозных каналах, образованных выступающими концами 7 внутренней трубы 4 и непосредственно внутренней полостью этой трубы. Нагрев верхних концов 7 приведет к разогреву воздуха в них. Этот разогрев будет являться причиной вынужденной конвекции в сквозных каналах. Если разогрев конических концов 7, размещенных в полости 8 будет происходить из-за смывания их газожидкостным теплоносителем, то разогрев концов 7, размещенных в секции 9 будет происходить из-за смывания их потоком газа, прошедшим через газопроницаемую перегородку 10. Выше было указано, что гофрирование труб 4 выполнено так, что глубина гофр h и расстояния между выступами I этих гофр возрастают в направлении от ее нижнего конца к верхнему. Такое гофрирование трубы 4 приводит к изменению режима турбулентности воздушного потока. Изменение режима турбулентного течения приводит к тому, что крупные турбулентные структуры (вихри, кольца и т.д.) могут образовываться только при выходе из сквозных каналов, а не внутри них. Это обеспечивает интенсивное перемешивание воздуха и улучшает теплообменный процесс. Процесс в каждом из теплообменных элементов будет протекать по схеме. По мере разогрева верхних конических концов 7 и стенок трубы 4 будет прогреваться и воздух в ее внутрен- . ней полости. Разогрев воздуха приведет к его выходу из внутренней полости в силу его. меньшей плотности. На место ушедшего воздуха будет поступать холодный из окружающей среды через нижний конический конец 7. Процесс будет идти тем интенсивней, чем больше разность температур между ее концами.

Сочетание вышеописанных процессов: прохождениятеплоносителя через теплообменник и смывания теплообменных повер- .хностей воздухом позволяет сделать вывод, что рассматриваемый теплообменник позволяет интенсифицировать процессы теплообмена в сравнении с прототипом, эффективно выделять газовые фазы из газожидкостного теплоносителя. Вместе с тем, рассматриваемый теплообменник обладает простотой конструкции, позволяющей добиться плавного изменения энтропии, что говорит о высокой его эффективности.

Приведенные доводы позволяют заключить, что теплообменник обладает высокой степенью интенсификации теплообменных процессов и высокой надежностью в эксплуатации.

Формула изобретения

0

форму, причем шаг и глубина гофр внутренней трубы возрастают в направлении снизу вверх, а концы этих труб, проходящие через полости коллекторов, выполнены в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями к трубным доскам внутренних труб.

2. Теплообменник по п. 2, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что в подводящем коллекторе расположена газопроницаемая перегородка, делящая полость коллектора на две секции, одна из которых снабжена патрубком отвода газов.