Теплообменный аппарат с прямоточной схемой движения жидкости и пара в капиллярных каналах зоны кипения теплоносителя

Область техники, к которой относится полезная модель, представляет собой теплообменный аппарат с прямоточной схемой движения жидкости и пара в капиллярных каналах зоны кипения теплоносителя. Областью применения полезной модели является энергосбережение в теплоиспользующих энергетических установках. Технический результат выражается в повышении интенсивности теплообмена в результате уменьшения температуры насыщения кипящей жидкости вследствие снижения гидростатического давления. Сущность полезной модели заключается в том, что со стороны кипящей жидкости на теплопередающей поверхности теплообменного аппарата по ее высоте размещены капиллярные щелевые каналы, а кипящая жидкость перетекает с верхних щелевых каналов в каналы расположенные ниже, поступая при этом в нижнюю часть следующего канала. При этом, в каждом из последовательно соединенных между собой капиллярных щелевых каналов осуществляется прямоточная схема движения жидкости и пара.

Область техники, к которой относится полезная модель, представляет собой теплообменный аппарат с прямоточной схемой движения жидкости и пара в капиллярных каналах зоны кипения теплоносителя. Областью применения полезной модели является энергосбережение в теплоиспользующих энергетических установках.

Уровень техники. Известны теплообменные аппараты

[1 Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев А.Д., Рудь Г.М. Приближенная теория теплообмена и гидродинамики при кипении жидкости в вертикальных щелевых каналах. Труды МВТУ, вып. 2, 195, М., 1975. - с. 43-48.

2. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев С.Д., Курбанов Х.К. Исследование теплообмена при кипении водных растворов этанола в щелевом канале. // Известия ВУЗов "Машиностроение", 3, М., 1977. - с. 85-87.

3. Корнеев С.Д., Марюшин Л.А. Кипение в капиллярных щелевых каналах: эксперимент, теория, практика. - М.: МГИУ, 2007. - 220 с.

4. А.с. 825630 СССР, М.Кл. 2 C12M 1/0 2. Аппарат для выращивания микроорганизмов. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Беляев В.Д., Калунянц К.А. и др. Опубл. 30.04.81. Бюл. 16.

5. А.с. 808827 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/00. Тепломассообменный аппарат. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Беляев В.Д. Калунянц К.А. и др. Опубл. 28.02.81. Бюл. 8.

6. А.с. 951060 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/00. Термогравитационная тепловая труба. Карасев В.С., Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Леонтьев А.И. и др. Опубл. 15.08.82. Бюл. 30.

7. А.с. 549675 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/02. Теплообменный аппарат. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Карасев В.С. Опубл. 23.11.89. Бюл. 43], содержащие общий корпус, снабженный патрубками для подвода и отвода теплоносителей, размещенную в нем поверхность теплообмена, разделяющую потоки греющего и кипящего, нагреваемого теплоносителя, снабженную капиллярными щелевыми каналами со стороны кипящего теплоносителя.

Типичная конструкция испарительной установки содержит вертикальный пучок труб, на которых происходит кипение жидкости [Мошкарин А.В., Бускунов Р.Ш. Испарительные установки тепловых электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 272 с.]. Влияния высоты пучка труб на температуру насыщения кипящей жидкости можно проиллюстрировать следующим образом. При кипении воды при атмосферном давлении 1 бар температура ее насыщенных паров составляет 99,63°C. На глубине 1 метр под уровнем жидкости, при тех же прочих условиях, температура ее насыщенных паров будет составлять 102,32°C, т.е. станет выше на 2,62°C.

Соответственно, на глубине 2 метра под уровнем жидкости, при тех же прочих условиях, температура ее насыщенных паров будет составлять 104,81°C, т.е. станет выше на 5,18°C. Таким образом, действие дополнительного гидростатического давления в испарительных теплообменниках, имеющих значительную высоту поверхности теплообмена, отрицательно сказывается на интенсивности теплоотдачи при кипении.

Однако, в случае, когда поверхность кипения имеет значительные размеры по высоте, существенная ее часть располагается на значительной глубине под слоем жидкости. При этом температура насыщенных паров кипящей жидкости на указанной глубине становится заметно выше температуры насыщения над ее свободной поверхностью в результате наличия соответствующего гидростатического давления. При развитом кипении эта проблема несколько снижается, потому что гидростатическое давление столба двухфазной смеси над поверхностью кипения ниже, чем давление, создаваемое столбом жидкости свободной от паровой фазы. Однако начало закипания жидкости в полной мере зависит от глубины погружения поверхности кипения под уровень жидкости и смещается в область существенно больших значений плотности передаваемого теплового потока.

Технический результат выражается в повышении интенсивности теплообмена в результате уменьшения температуры насыщения кипящей жидкости вследствие снижения гидростатического давления.

Раскрытие полезной модели. Сущность полезной модели заключается в том, что со стороны кипящей жидкости на теплопередающей поверхности теплообменного аппарата по ее высоте размещены капиллярные щелевые каналы, а кипящая жидкость перетекает с верхних щелевых каналов в каналы расположенные ниже, поступая при этом в нижнюю часть следующего канала. При этом, в каждом из последовательно соединенных между собой капиллярных щелевых каналов осуществляется прямоточная схема движения жидкости и пара.

Краткое описание чертежа. На фиг.1 схематически изображен теплообменный аппарат с интенсификацией теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя. Корпус 12 теплообменного аппарата снабжен патрубком 7 для подвода и патрубком 8 для отвода греющего теплоносителя, а также патрубком 11 для подвода нагреваемой жидкости, патрубком 9 для отвода ее паров и дренажным патрубком 10. Размещенная в корпусе 12 теплопередающая стенка 1 со стороны кипящей жидкости снабжена системой расположенных друг под другом капиллярных щелевых каналов, образованных поверхностью теплопередающей стенки 1 и пластинами 2. Причем, величина щелевого зазора между ними не превышает капиллярной постоянной кипящей жидкости.

b₀>l_*,

где l_* - капиллярная постоянная.

В свою очередь, величина

,

где - коэффициент поверхностного натяжения нагреваемой жидкости, Н/м; _ж, _п - ее плотность, соответственно в жидком и газообразном состоянии, кг/м³; g - ускорение силы тяжести, м/с².

Каждый из капиллярных щелевых каналов, образованных стенкой 1 и пластинами 2, закрыт со своего нижнего торца и открыт с верхнего. Кроме того, каждый из рассматриваемых каналов в верхней своей части снабжен сборной емкостью 3. Как ясно из фиг.1, сборная емкость капиллярного щелевого канала, расположенного выше, соединяется с нижней частью щелевого канала, размещенного ниже с помощью канала 5. Для подачи жидкости в нижнюю часть самого верхнего щелевого канала предусмотрен канал 4, соединенный с патрубком 11. Для отвода жидкости из сборной емкости самого нижнего щелевого канала предусмотрен канал 6, соединенный с патрубком 10.

Вследствие такого конструктивного исполнения теплообменного аппарата, его полость 14 по всей своей высоте заполнена паром, что позволяет исключить вредное воздействие гидростатического давления столба жидкости (в случае, если бы она заполняла полость 14) на процесс кипения.

Осуществление полезной модели. Теплообменный аппарат работает следующим образом. Греющий теплоноситель поступает из патрубка 7 в полость 13 теплообменного аппарата и выходит через патрубок 8. Нагреваемая жидкость через патрубок 11 по каналу 4 поступает в нижнюю часть верхнего капиллярного щелевого канала, в котором происходит ее кипение. Образующийся пар выходит в полость 14 и удаляется через патрубок 9.

Жидкость, выходящая через верхний торец каждого из капиллярных каналов, поступает в сборную емкость 3, а затем, по каналу 5, перетекает в нижнюю часть следующего щелевого канала, размещенного ниже. Из сборной емкости самого нижнего щелевого канала жидкость (продувочная жидкость) через канал 6 поступает к патрубку 10.

В предлагаемой схеме нет особых ограничений по числу капиллярных каналов, расположенных по высоте теплопередающей стенки 1. Поэтому в пределах одного канала, имеющего ограниченную высоту, гидростатическое давление жидкости не может существенно сказываться на интенсивности теплообмена.

В пределах каждого из капиллярных каналов использована прямоточная схема движения жидкости и пара, при которой направления движения жидкости и пара в каждом из капиллярных каналов совпадают. Такая схема предпочтительна в случае, когда при повышении концентрации растворенных в кипящей жидкости веществ возможно образование на поверхности теплообмена различного рода отложений. Например, образование отложений солей кальция и натрия. Прямоточная схема, в этом случае дает возможность снизить концентрацию указанных солей в кипящей жидкости, обеспечивая выполнение этого требования соответствующим расходом продувочной воды, отводимой по каналу 6 к патрубку 10.

Действие устройства основано на том, что благодаря наличию образованных теплопередающей стенкой 1 и пластинами 2, капиллярных щелевых каналов со стороны кипящей жидкости, последовательно соединенных между собой по ходу жидкости каналами 5 повышается интенсивность теплообмена в результате уменьшения температуры насыщения кипящей жидкости вследствие снижения гидростатического давления.

Список используемой литературы

1 Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев А.Д., Рудь Г.М. Приближенная теория теплообмена и гидродинамики при кипении жидкости в вертикальных щелевых каналах. Труды МВТУ, вып. 2, 195, М., 1975. - с. 43-48.

2. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев С.Д., Курбанов Х.К. Исследование теплообмена при кипении водных растворов этанола в щелевом канале. // Известия ВУЗов "Машиностроение", 3, М., 1977. - с. 85-87.

3. Корнеев С.Д., Марюшин Л.А. Кипение в капиллярных щелевых каналах: эксперимент, теория, практика. - М.: МГИУ, 2007. - 220 с.

4. А.с. 825630 СССР, М.Кл. 2 C12M 1/0 2. Аппарат для выращивания микроорганизмов. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Беляев В.Д., Калунянц К.А. и др. Опубл. 30.04.81. Бюл. 16.

5. А.с. 808827 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/00. Тепломассообменный аппарат. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Беляев В.Д. Калунянц К.А. и др. Опубл. 28.02.81. Бюл. 8.

6. А.с. 951060 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/00. Термогравитационная тепловая труба. Карасев В.С., Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Леонтьев А.И. и др. Опубл. 15.08.82. Бюл. 30.

7. А.с. 549675 СССР, М. Кл. 3 F28D 15/02. Теплообменный аппарат. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Карасев В.С. Опубл. 23.11.89. Бюл. 43.

8. Мошкарин А.В., Бускунов Р.Ш. Испарительные установки тепловых электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 272 с.

Теплообменный аппарат, содержащий общий корпус, снабженный патрубками для подвода и отвода теплоносителей, отличающийся тем, что размещенная в корпусе теплопередающая стенка со стороны кипящей жидкости снабжена системой расположенных друг под другом капиллярных щелевых каналов, образованных поверхностью теплопередающей стенки и пластинами, величина щелевого зазора между которыми не превышает капиллярной постоянной кипящей жидкости, при этом каждый из капиллярных щелевых каналов закрыт со своего нижнего торца и открыт с верхнего и в верхней своей части снабжен сборной емкостью, при этом сборная емкость капиллярного щелевого канала, расположенного выше, соединяется с нижней частью щелевого канала, размещенного ниже с помощью канала, для подачи жидкости в нижнюю часть самого верхнего щелевого канала предусмотрен канал, соединенный с патрубком, а для отвода жидкости из сборной емкости самого нижнего щелевого канала предусмотрен канал, соединенный с другим патрубком.