ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным аппаратам, в которых кипящая жидкость охлаждает среду, проходящую через теплообменную камеру, и может быть использована в химической, нефтехимической, металлургической, атомной, энергетической и других отрослях промышленности в качестве оросительного теплообменника, когда требуется быстрое охлаждение жидкости в теплообменной камере.
Известен оросительный холодильник, действующий по принципу орошения горизонтального пучка труб струями охлаждающей жидкости, состоящий из нескольких трубных секций, соединенных калачами, при этом жидкий хладагент струями непрерывно стекает по трубам сверху вниз, а охлаждаемая жидкость подается противотоком внутрь труб (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов, 10-е изд. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004 г. - 753 с.).
Недостатками данного аппарата являются образование на поверхности труб термических отложений: накипи, солевого камня, солей, и др. что снижает теплоотдачу, и уменьшает производительность по охлаждаемой среде, проходящей через теплообменную камеру.
Известен оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, при этом распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, а на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности (Описание полезной модели к патенту РФ №120205, F28D 11/04, 2012 г.).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость теплоотдачи от жидкого хладагента к теплообменной поверхности из-за образования накипи, солевого камня и других термических отложений, что приводит к снижению производительности по охлаждаемой среде.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, при этом распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, а на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, при этом на теплообменной поверхности выполнены вогнутые полусферы с диаметром, подчиняющимся выражению:
где D - диаметр каждой вогнутой полусферы, мм;
d - диаметр сопла, мм. (Описание полезной модели к патенту РФ №183563, F28D 11/04, 2018 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокий коэффициент теплоотдачи жидкого хладагента к теплообменной поверхности, что снижает скорость теплопереноса по охлаждаемой среде, из-за образования на теплообменной поверхности солевого камня, накипи и других термических отложений.
Техническим результатам предлагаемой конструкции оросительного теплообменника является повышение производительности.
Поставленной технический результат достигается тем, что оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, причем распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, а на трукбе расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, при этом на теплообменной поверхности выполнены вогнутые полусферы с диаметром, подчиняющимся выражению:
где D - диаметр каждой вогнутой полусферы, мм;
d - диаметр сопла, мм,
причем теплообменная поверхность выполнена из материала, обладающего эффектом памяти так, что в холодном состоянии эта поверхность гладкая, а в рабочем горячем состоянии, она принимает форму вогнутых полусфер.
Выполнение теплообменной поверхности из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет при периодической остановке работы оросительного теплообменника и его охлаждения для удаления с этой поверхности накипи, солевого камня или других термических отложений значительно уменьшить время, затрачиваемое на удаление этих отложений, так как, при охлаждении вогнутые полусферы распрямляются, что приводит к растрескиванию этих отложений и упрощению их удалений струей воды или сжатого воздуха, к тому же, удалять оставшиеся отложения с гладкой теплообменной поверхности также гораздо проще и быстрее, чем с поверхности, состоящей из вогнутых полусфер. Это значительно уменьшает время удаления отложений с теплопередающей поверхности, увеличивая время основной работы оросительного теплообменника и его производительность.
Выполнение теплообменной поверхности из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет в холодном нерабочем состоянии иметь форму гладкой поверхности, а в рабочем горячем состоянии, когда горячий теплоноситель подают внутрь корпуса, образуются на этой поверхности вогнутые полусферы с диаметром, подчиняющимся выражению (1), что позволяет значительно сократить время удаления термических отложений с теплопередающей поверхности при остановках работы оросительного теплообменника, что приводит к увеличению производительности.
Материалы, обладающие эффектом памяти, хорошо известны (Физические эффекты в машиностроении. Справочник: /Под редакцией В.А. Лукьянца - М.: Машиностроение, 1993, с. 150). Это может быть легированная сталь 12Х18Н10Т; никель-алюминиевый сплав (36,8% А1); медно-алюминиевый-никелевый сплав; марганцово-медный сплав Mn-Cu (90% Мп); титан-никелевый сплав и др.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой конструкции оросительного теплообменника в разрезе с гладкой теплообменной поверхностью, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти, в холодном нерабочем состоянии, на фиг. 2 - фрагмент теплообменной поверхности, выполненной из материала обладающего эффектом памяти, в горячем рабочем состоянии, с образованием на этой поверхности вогнутых полусфер с диаметром, подчиняющимся условию (1).
Оросительный теплообменник состоит из корпуса 1, теплообменной поверхности 2, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти, распылителя 3 жидкого хладагента в виде трубки, имеющей форму спирали с расположенными на ней соплами 4, полой муфты 5, установленной на подшипниках патрубка подачи хладагента 6, патрубков для ввода 7, вывода 8 охлаждаемой среды и поддона 9 для сбора отработанного хладагента, теплообменная поверхность 2 является гладкой в холодном нерабочем состоянии и принимает форму вогнутых полусфер 10 с диаметром, подчиняющимся условию (1).
Оросительный теплообменник работает следующим образом.
Горячий теплоноситель (пар, дымовые или реакционные газы, охлаждаемую жидкость) через патрубок 7 подают внутрь корпуса 1, которая проходит по длине теплообменника, контактируя с теплообменной поверхностью 2, и выводят через патрубок 8. Так как эта поверхность 2 выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, то она из первоначального гладкого состояния в холодном виде при нагревании образует вогнутые полусферы с диаметром, подчиняющимся условию (1). Хладагент через патрубок 6 подают в полую муфту 5, а затем в распылитель 3, откуда через сопла 4, расположенные под углом α=35-55°, направляют на теплообменную поверхность 2. За счет распыла жидкого хладагента происходит попадание капель в вогнутые полусферы 10, где капли кипят. Кипение капель значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи от поверхности вогнутости полусфер 10 по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от жидкой капли на гладкой поверхности. Это значительно увеличивает производительность по охлаждаемой среде, находящейся внутри корпуса 1. Кроме того, поверхность полусфер 10 значительно увеличивает поверхность теплоотдачи, что также способствует производительности.
Из-за тангенциального направления распыла жидкого хладагента струи и капли хладагента, проходя через расположенные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности 2 сопла 4, за счет динамической силы потока жидкости создают вращающийся момент, который сообщается распылителю 3 жидкого хладагента, приводя его во вращательное движение относительно продольной оси корпуса 1. Это позволяется постоянно обеспечивать приток свежего хладагента ко всей теплообменной поверхности 2, дробление его и попадания в виде капель внутрь вогнутых полусфер 10.
Неиспарившаяся часть капель стекает в поддон 9.
Кипящие в вогнутых полусферах 10, теплообменной поверхность 2 капли хладагента постепенно загрязняют их поверхность термическими отложениями (солевым камнем, продуктами термической деструкции, накипью, и др.). Потому для периодической очистки теплообменной поверхности 2 работу оросительного теплообменника останавливают. Эта поверхность остывает и так как она выполнена из материла, обладающего эффектом памяти, то она возвращается в гладкое состояние. При этом термические отложения из-за значительных деформаций растрескиваются, охрупчиваются и могут быть сравнительно легко и быстро удаляться с теплообменной поверхности 2.
Таким образом, выполнение теплообменной поверхности 2 из материала, обладающего эффектом памяти, и имеющей гладкую поверхность в холодном нерабочем состоянии и образующей на это поверхности вогнутые полусферы 10 с диаметром, подчиняющимся выражению (1) в рабочем горячем состоянии, когда горячий теплоноситель подают внутрь корпуса 1, позволяет значительно сократить время удаления термических отложений с теплопередающей поверхности при остановках работы оросительного теплообменника, увеличить время основной работы, а значит повысить производительность.