ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в энергетике, ЖКХ и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен теплообменный аппарат типа «труба в трубе», состоящий из теплообменных элементов, образованных двумя гладкими концентрически расположенными трубами (см. А.Г Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М., Химия, 1971. - с. 348-349).
Известные теплообменные аппараты с гладкими теплообменными элементами весьма громоздки и требуют большого расхода металла на единицу поверхности теплообмена. Для увеличения поверхности теплообмена такие аппараты выполняются из нескольких параллельных секций.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», содержащий две трубы, расположенные с образованием между ними межтрубного пространства, и выполненный в виде винтовой спирали (см. патент на полезную модель №133596 от 20.10.13 г. Бюл. №29).
Недостатком этих теплообменников является значительные габариты и высокая металлоемкость, поскольку габаритные размеры и длина проточной части выполнена без учета особенностей гидродинамики и теплообмена в аппаратах этого типа.
Задачей полезной модели является минимизация габаритных размеров аппарата при заданной сферической форме и размерах, увеличение площади поверхности теплообмена за счет использования змеевикового теплообменника, выполненного в виде пространственной винтовой спирали.
Технический результат достигается тем, что теплообменник типа «труба в трубе» имеет внешний контур в форме шара.
Змеевиковый теплообменник работает следующим образом.
При прямоточной схеме движения теплоносителей холодная вода через штуцер 1 поступает в трубное пространство пружинно-витого канала 2 змеевикового теплообменника 3, внешний контур которого имеет форму шара. Одновременно через штуцер 4 в межтрубное пространство 5 подается насыщенный водяной пар. Двигаясь по прямоточной схеме, тепло от пара через стенку пружинно-витого канала передается воде, которая пройдя пространственную винтовую спираль верхней части змеевикового теплообменника 3, направляется в центральную трубу 6 и далее движется в нижнюю часть 7 змеевикового теплообменника 3.
Пройдя пространственную винтовую спираль нижней части 7 змеевикового теплообменника, вода через штуцер 8, а конденсат через штуцер 9 выводятся из теплообменника.
-6
2
-6
2
В процессе движения теплоносителя (воды) в проточной части теплообменника 3 растет температура воды, одновременно снижается ее кинематическая вязкость с 1,006*10 м/с при 20°C до 0,476*10 м/с при 60°C (см. М.А. Михеев «Основы теплопередачи» М.: 1956 - с. 368). При этом критерий Рейнольдса возрастает почти в два раза, что свидетельствует о турбулентном режиме течения. Турбулентный характер течения вызывает рост коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки пружинно-витого канала 2 к жидкости в его проточной части. Это в свою очередь увеличивает коэффициент теплопередачи в змеевиковом теплообменнике. Рост эффективности теплообменника позволит снизить длину змеевика (диаметр змеевика) и придать внешнему контуру форму шара, как фигуре, имеющей наименьшую площадь поверхности (т.е. наименьшие габариты).
Кроме того, по мере уменьшения относительного радиуса кривизны , где R - средний радиус пространственной винтовой спирали, d - внутренний диаметр пружинно-витой трубы змеевика, растет поперечная циркуляция жидкости (воды) в элементах змеевика, что приводит к активному обмену энергии между ядром потока (центральной части) и его пристенной областью. Это вызывает активное перемешивание жидкости по сечению пружинно-витой трубы, ее быстрый нагрев и выравниванию температуры жидкости в поперечном сечении проточной части пространственной винтовой спирали. Это обстоятельство также позволяет сократить длину змеевика на каждом его шаге, формируя внешний контур пространственной винтовой спирали змеевикового теплообменника в форме шара.
Предлагаемый змеевиковый теплообменник найдет применение (в частности) для нагрева нефтепродуктов в зимних условиях, хранящихся в сферических емкостях, что позволит изменять их вязкость и обеспечить возможность их перекачки.
Кроме того пар, используемый для нагрева продукта в емкостях, одновременно обеспечивает нагрев воды, что необходимо для технологических и производственных нужд современных нефтепромыслов.