ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к конструкции теплообменника, предназначенного для использования.
Известен теплообменник с электроподогревом (полезная модель №31165, RU, МПК F 28 D 15/02, 20.07.2003 г.), содержащий корпус с поперечной перегородкой, установленной в корпусе с образованием каналов для теплообменивающихся сред, и пучок установленных в перегородке термосифонов. Испарительные участки термосифонов расположены в щелевидном канале корпуса. В щелевидном канале также размещены последовательно направлению движения горячей среды плоские электронагреватели с регулируемой мощностью и термопары. В конденсационной части термосифонов распложен вентилятор с электродвигателем с регулируемым числом оборотов. Термопары, источники питания электродвигателя вентилятора и электронагревателей подсоединены в систему автоматического управления работой теплообменника.
Недостатком известного теплообменника является сравнительно высокая масса теплообменника по причине наличия испарительных участков термосифонов, расположенных в щелевидном канале корпуса. Кроме этого, выполнение корпуса в виде щелевидного канала приводит к возможности его деформации при подводе горячей среды под сравнительно высоким давлением, вследствие чего возникает необходимость увеличения толщины стенки корпуса, а, следовательно, и увеличение массы всего теплообменника.
Известен также теплообменник с электронагревом (патент на полезную модель №38221, RU, МПК F 28 D 15/02, 27.05.2004 г.), содержащий отдельные оребренные трубы, закрепленные в коллекторе с образованием одной полости испарительно-конденсационного цикла, коллектор, выполненный из двух расположенных одна в другой труб. В полости между наружной
1
2
3
2
1
3
1
и внутренней трубами коллектора расположены электронагреватели, датчики уровня теплоносителя и термопара. В нижней части наружной трубы расположен заправочный штуцер. В зоне охлаждения оребренных труб расположен кожух, вентилятор с электродвигателем с регулируемым числом оборотов и термопара. Электронагреватели, датчики уровня теплоносителя, термопары, электродвигатель вентилятора подсоединены в систему автоматического управления работой теплообменника. Диаметры труб наружной (d), внутренней (d) и оребренной (d) связаны соотношениями d/d=0,65÷0,85, d/d=0,08÷0,13.
2
1
Недостатком известного теплообменника является невозможность его работы на проточной горячей среде. Расположение электронагревателей в полости между трубами большего и меньшего диаметров приводит к необходимости разгерметизации полости коллектора в случае замены электронагревателей, что увеличивает затраты времени на подготовку теплообменника к работе. Кроме этого, расположение электронагревателей в полости между трубами не позволяет увеличить соотношение d/d>0,85, что приводит к сравнительно большому расходу заливаемого в полость теплоносителя. Контактирование электронагревателей с теплоносителем в полости предъявляет повышенные требования к свойствам теплоносителя с точки зрения пожаро-безопасности, сужает диапазон применяемых теплоносителей и интервалы рабочих температур теплообменника.
Задачей заявленной полезной модели является повышение эффективности и надежности работы теплообменника.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого технического решения, заключается в расширении возможностей работы теплообменника на проточной горячей среде, а также в расширении диапазона рабочих температур, уменьшении затрат времени и средств на обслуживание и ремонт теплообменника.
Заявляемый теплообменник характеризуется следующими существенными признаками. Теплообменник содержит корпус; коллектор; отдельные
1
2
3
4
1
2
термосифоны, закрепленные в коллекторе с образованием общей полости испарительно-конденсационного цикла. Коллектор выполнен из двух расположенных одна в другой труб, причем наружная труба коллектора является стенкой корпуса. В полости коллектора установлены датчики уровня теплоносителя и термопара. В нижней части наружной трубы расположен заправочный штуцер. В зоне охлаждения термосифонов расположен кожух; вентилятор с электродвигателем с регулируемым числом оборотов. Датчики уровня теплоносителя, термопара и электродвигатель вентилятора подсоединены в систему автоматического управления работой теплообменника. В отличие от прототипа внутри корпуса соосно коллектору установлена дополнительная труба, диаметр которой меньше диаметра внутренней трубы коллектора. Между этими трубами образована полость для горячей среды, причем дополнительная труба снабжена патрубками для подвода и отвода горячей среды. На кожухе закреплены два раструба. В нижней части каждого термосифона установлены пробки из пористого материала. В канале для горячей среды установлена термопара. Часть каждого термосифона выполнена оребренной. Диаметры труб наружной (d), внутренней (d), диаметр термосифона (d), диаметр дополнительной трубы (d), расстояние между ближайшими термосифонами (l), высота термосифона (L), длина оребренной части термосифона (L) связаны следующими соотношениями:
2
1
3
1
4
2
d/d=0,9÷0,95; d/d=0,15÷0,20; d/d=0,85÷0,89;
3
l/d=1.15÷1.25; L/L=0,7÷0,8.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого теплообменника и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
4
Расположение в теплообменнике соосно трубе коллектора дополнительной внутренней трубы диаметром «d» позволяет образовать канал для прохода горячей среды (между поверхностями внутренней трубы коллектора и дополнительной трубы) и тем самым обеспечить подвод тепла к коллектору с полостью испарительно-конденсационного цикла.
2
1
2
1
Уменьшение соотношения d/d<0,9 приводит к нерациональному увеличению объема теплоносителя, заправляемого в полость испарительно-конденсационного цикла, и как результат, происходит увеличение времени нагрева теплоносителя и теплообменника в целом. Кроме того, уменьшение соотношения d/d<0,9 уменьшает площадь поверхности теплообмена, организованной на внутренней трубе коллектора.
2
1
Увеличение соотношения d/d>0,95 приводит к недопустимому уменьшению объема теплоносителя, заправляемого в полость испарительно-конденсационного цикла, что приводит к недостаточному давлению образующихся паров теплоносителя при работе, ограничивающему передачу тепла с паром в зону охлаждения термосифонов.
3
1
Уменьшение соотношения d/d<0,15 приводит к снижению эффективности передачи тепла в теплообменнике и к необходимости нерационального увеличения количества устанавливаемых термосифонов, повышению трудоемкости изготовления конструкции.
3
1
Увеличение соотношения d/d>0,20 приводит к нерациональному уменьшению количества устанавливаемых в коллекторе термосифонов, уменьшению площади поверхности теплообмена труб и коэффициента теплоотдачи воздуха в зоне охлаждения термосифонов. В результате существенно снижается эффективность работы теплообменника.
4
2
Уменьшение соотношения d/d<0,85 приводит при заданном расходе горячей среды к уменьшению скорости среды в канале и, как результат, происходит уменьшение коэффициента теплоотдачи среды и количества передаваемого средой тепла в коллектор с полостью испарительно-конденсационного цикла.
4
2
Увеличение соотношения d/d>0,89 приводит к возможности забивания канала для горячей среды отложениями загрязнений на поверхности труб, увеличению гидравлического сопротивления движению горячей среды в канале и расхода электроэнергии на продавливание среды. В результате
нерационально увеличиваются расходы времени и средств на подготовку теплообменника к работе и его эксплуатацию.
Наличие раструба, закрепленного на кожухе, позволяет производить обвязку нескольких теплообменников в конструкцию с целью увеличения ее тепловой производительности.
Расположение в нижней части каждом из термосифонов пробки из пористого материала исключает появление шумовых эффектов, обусловленных схлопыванием паровых пузырей в начале включения теплообменника в работу.
Выполнение на каждом термосифоне оребренного участка определенной длины повышает эффективность передачи тепла паром в полости испарительно-конденсационного цикла и отвода тепла воздухом в зоне охлаждения оребренных термосифонов.
1
2
Уменьшение соотношения L/L<0,7 приводит к нерациональному уменьшению поверхности теплообмена в зоне охлаждения оребренных термосифонов и снижению эффективности работы всего теплообменника.
1
2
Увеличение соотношения L/L>0,8 приводит к возможности переохлаждения концов термосифонов при определенном расходе воздуха и, как результат, к низкой эффективности передачи тепла в теплообменнике.
3
Уменьшение соотношения l/d<1,15, с одной стороны, затрудняет закрепление термосифонов в коллекторе, а с другой стороны, нерационально увеличивает сопротивление движению воздуха в межтрубном пространстве, уменьшает скорость воздуха и эффективность конструкции в целом.
3
Увеличение соотношения l/d>1,25 приводит к снижению эффективности нагрева воздуха в пространстве между термосифонов, с одной стороны, по причине уменьшения общей поверхности теплообмена термосифонов, а с другой стороны, по причине недостаточной скорости воздуха в пространстве между термосифонами при заданном его расходе.
Наличие термопары в канале с горячей средой позволяет получать от нее сигналы о температуре среды и автоматизировать работу теплообменника в целом.
На фиг.1 приведен внешний вид заявляемого теплообменника, а на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Заявляемый теплообменник состоит из корпуса 1 с патрубками 2 для подвода и отвода горячей среды; коллектора, включающего расположенные соосно наружную трубу 3 и внутреннюю трубу 4; отдельных термосифонов 5, закрепленных в наружной трубе 3 коллектора с образованием общей полости 6 испарительно-конденсационного цикла; дополнительной трубы 7, расположенной соосно коллектору и образующей канал 8 для горячей среды между поверхностями дополнительной трубы и внутренней трубы коллектора. Внутри коллектора установлены датчики уровня теплоносителя 9. Для контроля температуры теплоносителя в коллекторе и в канале 8 для горячей среды установлены соответственно термопары 10 и 11. В наружной трубе 3 коллектора установлен заправочный штуцер 12. Зона установки термосифонов 5 ограничена кожухом 13 с раструбами 14. Внутри кожуха 13 также установлен вентилятор 15 с электродвигателем 16. В нижней части термосифонов установлены пробки 17 из пористого материала.
Работа заявляемого теплообменника осуществляется следующим образом.
Предварительно через заправочный штуцер 12 осуществляют заправку в полость испарительно-конденсационного цикла 6 заданного количества теплоносителя, уровень которого фиксируют по показаниям датчиков уровня 9. Через патрубок 2 в канал 8, расположенный между внутренней трубой коллектора 4 и дополнительной трубой 7, подают горячую среду, температуру которой фиксируют по показаниям сигналов, поступающих с термопары 11. После разогрева коллектора, а также теплоносителя до заданной температуры, фиксируемой по показаниям сигналов, поступающих с термопары 10, с помощью системы автоматического управления работой теплообменника
подают напряжение на электродвигатель 16 и приводят в действие вентилятор 15. Производят охлаждение термосифонов 5 воздухом, поступающим через раструб 14 во внутрь кожуха 13. Образующиеся в полости 6 пары при нагревании теплоносителя непрерывно через пробки из пористого материала 17 заполняют объем внутри термосифонов 5 с их разогревом в результате конденсации паров на стенках труб и передачей тепла воздуху. В процессе работы теплообменника с помощью системы автоматического управления непрерывно контролируют наличие теплоносителя в полости 6 по показаниям датчиков уровня 9, температуру теплоносителя и горячей среды - по показаниям термопар 10 и 11. В случае уменьшения уровня теплоносителя ниже заданных значений, фиксируемого по показаниям датчиков уровня 9, а также уменьшения температуры горячей среды и теплоносителя, фиксируемых по показаниям термопар 10 и 11, системой автоматического управления работой теплообменника производят отключение подачи напряжения на электродвигатель 16 с остановкой вентилятора 15. Дальнейшее включение теплообменника производится автоматически.