ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Советский патент 1995 года по МПК B01D1/16 B01D1/22 

Изобретение относится к теплоэнергетике и промышленной теплотехнике, в частности к конструкции горизонтальнотрубных пленочных теплообменных аппаратов для выпаривания жидкости и может найти применение в судовых опреснительных установках, химической, энергетической, пищевой и др. отраслях промышленности.

Цель изобретения состоит в уменьшении материалоемкости и повышении эффективности выпаривания за счет интенсификации тепло- и массообмена. Другая цель изобретения упрощение сборки, ремонта и очистки.

Заявляемая совокупность известных и отличительных признаков, благодаря их взаимному воздействию на повышение искусственной турбулизации, равномерности распределения жидкости в каналах и щелевидности каналов, обеспечивает интенсификацию тепло- и массообмена, уменьшение материалоемкости, упрощение сборки, ремонта и очистки аппарата и решает следующее техническое противоречие: повышение надежности работы аппарата при пониженной плотности орошения греющих труб.

При выполнении аппарата указанным образом силы межмолекулярного взаимодействия, возникающие в тонких щелевых каналах между наружной поверхностью труб и эластичными лентами, совершают работу по равномерному распределению жидкости и сближению стенок каналов (что и повышает щелевидность каналов). Этим силам противодействует давление пара в пузырьках, находящихся в каналах. Таким образом, возникает новый, по сравнению с прототипом, эффект саморегулирования ширины щелевых каналов в зависимости от соотношения действующих сил. Образуются каналы переменной ширины. Наличие эластичной ленты в пограничном слое приводит к увеличению радиуса пузырьков (например в результате их слияния) и уменьшению перегрева жидкости относительно температуры насыщения над плоской поверхностью жидкости. Пузырьки вытесняются из щелевых каналов, а на их место устремляется жидкость из соседних участков с более плотным орошением, затем все повторяется. Вытеснение жидкости растущими пузырьками пара, отрыв образовавшихся на поверхности нагрева пузырьков, поступление на их место жидкости из соседних участков с более плотным орошением и хаотические колебания эластичных лент в пограничных слоях все эти явления в совокупности приводят к энергетичному разрушению и деформации пограничного слоя и к интенсификации тепло- и массообмена при пузырьковом кипении жидкости в щелевых каналах, одна из стенок которых выполнена эластичной. Эластичные ленты, размещенные между труб вдоль каждого вертикального ряда труб с образованием каналов переменной ширины на наружной поверхности труб и с чередованием сторон касания смежных лент с каждой трубой, кроме верхней, обеспечивают организованное движение пленки жидкости с последовательным чередованием процессов нагрева и охлаждения при стекании пленки по любым смежным трубам каждого вертикального ряда. При этом пограничный слой последовательно контактирует то с поверхностью нагрева, то с паровым объемом аппарата. Если к тому же учесть, что на каждом таком участке происходит несимметричное обтекание смежных труб потоком жидкости с повышенной турбулизацией потока, то в результате обеспечивается уменьшение температурного напора Т_стенки-Т_потока. а процессы тепло- и массообмена интенсифицируются. Между оросителем и верхней трубой каждого вертикального ряда труб эластичные ленты не пропущены для того, чтобы иметь дополнительный канал (образованный оросителем, верхней трубой и направляющими элементами), при помощи которого также достигается повышение равномерности распределения жидкости по наружной поверхности труб. Варьированием ширины лент от 0,2- до 20 диаметров труб изменяют гидравлическое сопротивление с щелевых каналов потоку жидкости и пара, что позволяет регулировать интенсивность процесса в разных аппаратах. Ограничение минимальной ширины эластичных лент -- 0,2 диаметру труб выбрано с учетом повышения трудоемкости укладки лент при уменьшении их ширины. Ограничение максимальной ширины эластичных лент выбрано с учетом надежности подпитки жидкостью щелевых каналов, расположенных по ширине в средней части каждой ленты. Двусторонний продольный рельеф на эластичных лентах предотвращает прилипание ленты к наружной поверхности труб и обеспечивает гидродинамическую устойчивость жидкой пленки в щелевых каналах при натяжении лент. При выполнении аппарата указанным образом более 50% поверхности нагрева непосредственно сообщается с паровым объемом аппарата, что улучшает условия отвода пара с открытой поверхности жидкой пленки в межтрубное пространство аппарата и уменьшает ее перегрев по сравнению с прототипом. При уменьшении нагрузки оросителя, незначительных перекосах и несоосности труб равномерность распределения жидкости в щелевых каналах обеспечивается за счет работы сил межмолекулярного взаимодействия, например капиллярных сил. Выполнение аппарата из отдельных разъемных частей позволяет восстанавливать его теплогидравлические характеристики путем замены эластичных лент. Ремонт и очистка аппарата могут производиться без его разборки, а также с частичной (по узлам) или полной разборкой. В последних двух случаях облегчается контроль и повышается качество очистки аппарата.

На фиг. 1 и 2 изображены пленочный теплообменный аппарат, поперечный и продольный разрезы; на фиг. 3 трубы с направляющими элементами; на фиг. 4 вид по стрелке А на фиг. 3; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Пленочный теплообменный аппарат содержит корпус 1, размещенные в нем вертикальными рядами горизонтальные греющие трубы 2, укрепленные в трубных решетках 3 и установленные внутри направляющих элементов 4, примыкающих к оросителю 5, и камеру для сбора жидкости 6. Направляющие элементы 4 выполнены из эластичных лент, размещенных между труб 2 вдоль каждого вертикального ряда труб 2 с образованием щелевых каналов 7 переменной ширины и с чередованием сторон касания 8 и 9 смежных лент с каждой трубой 2, при этом ширина эластичных лент составляет 0,2-20 диаметров труб. На эластичных лентах имеется двусторонний продольный рельеф 10. Трубные решетки 3 выполнены из отдельных частей 11, соединенных между собой, с корпусом 1 и трубами 2 через съемные уплотнительные элементы 12. Между трубными решетками 3 установлены промежуточные перегородки 13, выполненные из отдельных частей 14 и образующие в сборке с трубами 2, направляющими элементами 4 и отдельными частями 11 трубных решеток 3 съемные узлы 15. Отдельные части 11 и 14 трубных решеток 3 и промежуточных перегородок 13 установлены в дополнительных направляющих элементах 16. В оросителе 5 выполнены отверстия 17 для подачи жидкости в каналы 7. Для подвода выпариваемой жидкости, греющего пара, отвода рассола, конденсата и вторичного пара в аппарате выполнены соответствующие патрубки 18-22. Между корпусом 1 и трубами установлен сепаратор 23.

Аппарат работает следующим образом.

Выпариваемая жидкость через отверстия 17 поступает в канал между оросителем 5, верхней трубой 2 (см. фиг. 2) и направляющими элементами 4, растекается равномерным слоем по наружной поверхности верхней греющей трубы 2 и стекает вниз в виде пленки в щелевые каналы 7 переменной ширины, орошая трубы 2 и эластичные ленты 4. Эластичные ленты 4, размещенные указанным образом между смежными трубами 2 каждого вертикального ряда обеспечивают организованное движение пленки жидкости с последовательным чередованием процессов нагрева и испарительного охлаждения, а также повышенную турбулизацию потока, что уменьшает температурный напор Т_стенки-Т_потока и интенсифицирует процессы тепло- и массообмена. Двусторонний продольный рельеф 10 на эластичных лентах 4 предотвращает прилипание ленты к наружной поверхности труб и обеспечивает гидродинамическую устойчивость жидкой пленки в щелевых каналах 7 при натяжении лент. Упаренная жидкость (рассол) стекает с труб 2 в камеру 6 для сбора жидкости и отводится из аппарата через штуцер 20. Другой теплоноситель циркулирует внутри труб 2. Образующийся вторичный пар движется сверху вниз в межтрубном пространстве, меняет направление движения в камере 6 и выводится из аппарата через штуцеры 22, проходя предварительно сепаратор 23. Выполнение трубных решеток 3 и промежуточных перегородок 13 из отдельных разъемных частей 11 и 14 и наличие уплотнительных и дополнительных направляющих элементов 12 и 16 обеспечивает возможность многократной замены эластичных лент и унификацию конструктивных элементов и узлов различных аппаратов для нагревания и выпаривания жидкости.

Использование предложенного аппарата позволяет по сравнению с прототипом:
1) повысить эффективность выпаривания за счет:
уменьшения температурного напора Т_стенки-Т_потока в пленке жидкости (интенсификация теплообмена);
улучшения условий отвода пара с поверхности испарения в межтрубное пространство аппарата (интенсификация процессов тепло- и массообмена);
повышения щелевидности каналов и уменьшения потерь жидкости из стекающей пленки, что позволяет уменьшить заведомо избыточную плотность орошения поверхности теплообмена (повышение теплогидравлической эффективности аппарата);
повышения гидродинамической устойчивости жидкой пленки при пониженных нагрузках оросителя вследствие повышения равномерности распределения жидкости в щелевых каналах при перекосах и несоосности труб и направляющих элементов, что позволяет уменьшить заведомо избыточную плотность орошения поверхности теплообмена (повышение теплогидравлической эффективности аппарата);
2) уменьшить материалоемкость и тепловую инерционность за счет уменьшения толщины направляющих элементов;
3) понизить стоимость и повысить коррозионную стойкость за счет использования полимерной пленки;
4) упростить сборку, ремонт и очистку за счет использования съемных элементов и узлов.

Использование: в химической, энергетической, пищевой и др отраслях промышленности. Сущность изобретения: в пленочном аппарате, содержащем корпус, размещенные в нем вертикальными рядами горизонтальные греющие трубы, укрепленные в трубных решетках и установленные внутри направляющих элементов, примыкающих к оросителю, сепаратор и камеру для сбора жидкости, направляющие элементы выполнены из эластичных лент, пропущенных между труб вдоль каждого вертикального ряда труб с образованием щелевых каналов переменной ширины и с чередованием сторон касания сменных лент с каждой трубой, кроме верхней, причем ширина эластичных лент составляет 0,2 - 20 диаметров труб. Эластичные ленты выполнены из полимерной или металлической пленки с двусторонним продольным рельефом. Трубные решетки выполнены из отдельных частей, соединенных между собой, с корпусом и трубами через съемные уплотнительные элементы. Между трубными решетками установлены промежуточные перегородки, выполненные из отдельных частей и образующие в сборке с трубами, направляющими элементами и отдельными частями трубных решеток трубные узлы. Отдельные части трубных решеток и промежуточных перегородок установлены в дополнительных направляющих элементах. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ преимущественно для выпаривания жидкости, содержащий корпус, размещенные в нем вертикальными рядами горизонтальные греющие трубы, укрепленные в трубных решетках и установленные внутри направляющих элементов, примыкающих к оросителю, сепаратор, камеру, камеру для сбора жидкости, технологические патрубки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения материалоемкости и повышения эффективности выпаривания за счет интенсификации тепло- и массообмена, направляющие элементы выполнены из эластичных лент, размещенных между труб вдоль каждого вертикального ряда труб с образованием щелевых каналов переменной ширины на наружной поверхности труб и с чередованием сторон касания смежных лент с каждой трубой, кроме верхней трубы, при этом ширина эластичных лент составляет 0,2 20 диаметров труб. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что эластичные ленты выполнены из полимерной или металлической пленки с двусторонним продольным рельефом. 3. Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения сборки, ремонта и очистки, трубные решетки выполнены из отдельных частей и снабжены съемными уплотнительными элементами, посредством которых отдельные части решетки соединены между собой, с корпусом и трубами. 4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что он снабжен промежуточными перегородками, установленными между трубными решетками, при этом отдельные части трубных решеток в сборке с трубами, направляющими элементами и промежуточными перегородками образуют отдельные съемные узлы. 5. Аппарат по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными направляющими элементами, при этом отдельные части трубных решеток и промежуточных перегородок установлены в дополнительных направляющих элементах.