Вихревой теплообменный аппарат
VORTEX HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике, а в частности к теплообменным аппаратам с рекуперативной передачей тепла, и может быть использовано в химической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Наиболее эффективное использование данного устройства возможно при умеренных и малых расходах теплоносителей.
Известен «Вихревой теплообменный аппарат для конденсации и охлаждения газов» [1], включающий в себя корпус, технологические патрубки для ввода и вывода охлаждаемого газа и охлаждающей жидкости, патрубок для отвода конденсата, отличающийся тем, что внутри корпуса расположены винтовые ребра, на которых происходит образование конденсата. В известном аппарате патрубок ввода охлаждаемого газа расположен тангенциально к корпусу. Недостатками данного аппарата являются сложность изготовления и возможность применения лишь для процесса конденсации пара.
Также известен «Теплообменник» [2], который содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред и каналы для теплоносителей, образованные ребрами, примыкающими к оболочке корпуса. Согласно [2], корпус выполнен в виде цилиндрической оболочки, в который заключена теплообменная поверхность в виде двухзаходного винтового шнека с образованием двух винтовых каналов одинакового сечения, разделенных стенкой, являющейся ребром шнека Подвод и отвод теплоносителей осуществляется посредством коллекторов, в которых установлены перегородки для разделения потоков теплоносителей. Два винтовых канала не требуют разделения при подводе теплоносителей на «чистый» и «грязный» в силу их идентичности. Вращательное винтовое движение потоков теплоносителей в обеих каналах обеспечивает интенсивный теплообмен.
Однако, данная конструкция имеет ряд недостатков:
- во-первых изготовление устройства в разборном варианте невозможно, отсюда сложность механической очистки поверхности теплообмена;
- во-вторых устройство сложно в изготовлении. Ребра шнека должны быть герметично приварены как к поверхности трубы шнека, так и к внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Качественная приварка ребер к трубе возможна, а вот приварка ребра спиральным сварочным швом изнутри корпуса крайне сложна, требует точной подгонки свариваемых элементов, возможна лишь для устройства значительных размеров.
- в-третьих, по трубе шнека теплоносители не проходят, а значит центральная часть аппарата в процессе теплообмена не участвует.
- в-четвертых, для интенсификации теплообмена скорость течения теплоносителей в винтовых каналах может быть увеличена исключительно увеличением расхода теплоносителей.
Известен «Вихревой теплообменный аппарат» [3], содержащий две смежные соосные вихревые камеры одинакового диаметра, образованные тремя плоскими дисками, и двумя короткими цилиндрическими обечайками, из которых средний диск является общим для обеих вихревых камер и служит поверхностью теплообмена, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических обечайках и в центре обеих крайних дисков. Вихревые камеры аппарата в центре в месте размещения патрубков снабжены конусами и лопатками, высотой, равной высоте вихревых камер, установленными перпендикулярно к плоскости среднего диска, сумма длин всех лопаток в вихревой камере составляет от 0,5 до 1,5 длины окружности, на которой установлены лопатки, развернутые от касательной к этой окружности, в направлении от центра камеры на угол от 0 до 30°, а между лопатками, на среднем диске в камерах закреплены конуса, вершины которых направлены к патрубкам в центре крышек и соосны им, причем эти патрубки внутри снабжены упорами, которые винтами соединены с конусами на среднем диске.
Аппарат выполнен из стали и имеет простую разборную конструкцию, удобную для обслуживания. Для герметичности вихревых камер использованы прокладки.
Известный вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом. Первый теплоноситель подается в тангенциальный патрубок первой вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает ее через центральный патрубок. Второй теплоноситель подается в тангенциальный патрубок второй вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает ее через центральный патрубок. Движение теплоносителей внутри камер сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потоков, что существенно интенсифицирует теплообмен. Наличие внутренних устройств у центральных патрубков ведет к улучшению структуры потока на выходе из аппарата, заметно снижает его гидравлическое сопротивление. Скорость вращения теплоносителя в камере определяет интенсивность теплоотдачи а. Для ее повышения не обязательно увеличивать расход теплоносителя, скорость вращения может быть увеличена за счет подъема скорости во входном патрубке. Это досижимо уменьшением его проходного сечения. Интенсификация теплооотдачи в обеих камерах ведет к росту общего коэффициента теплопередачи в аппарате, т.е. к интенсификации работы теплообменного аппарата
Примечательно, что при указанной подаче теплоносителей в пределах теплообменного диска создаются условия близкие к прямотоку.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому.
cp
Известный вихревой теплообменный аппарат (прототип) характеризуется повышенными значениями коэффициентов теплопередачи, однако преимущества аппарата ограничены тем, что при подаче обеих теплоносителей в тангенциальные патрубки реализуется прямоточная схема движения теплоносителей, дающая понижение движущей силы процесса - средней разности температур Δt. Как итог - снижение количества передаваемого аппаратом тепла Q.
Как показали наши опыты, в случае подачи одного из теплоносителей по центральному патрубку (противоток) коэффициент теплопередачи К снижается, по-видимому, в силу отсутствия достаточно развитого вихревого движения в камере.
Таким образом, в камерах хорошая для теплообмена гидродинамика достигается лишь при подаче обоих теплоносителей в тангенциальные патрубки, что соответствует прямоточной схеме движения теплоносителей в пределах теплообменного диска.
Из-за этого, эффективное применение известного аппарата желательно лишь при большой разности температур горячего и холодного теплоносителя или в случае, если температура одного из теплоносителей постоянна (случай конденсации либо кипения).
1
2
Если же расход теплоносителя низкий, то в вихревой камере и при подаче по тангенциальному патрубку развитое вихревое движение отсутствует и коэффициент теплоотдачи а мал, а значит мал и общий коэффициент теплопередачи К. (Известно, что по формуле аддитивности термических сопротивлений коэффициент теплопередачи К всегда меньше меньшего из коэффициентов теплоотдачи α или α).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключаются в повышении эффективности теплообмена, включая и случай малого расхода одного из теплоносителей и повышении универсальности эффективного применения устройства - как для для случая прямотока так и для случая противотока теплоносителей.
Техническим результатом является увеличение движущей силы процесса теплообмена, повышение эффективности теплообмена даже при низких расходах одного из теплоносителей, увеличение количества передаваемого тепла.
Технический результат достигается тем, что в вихревом теплообменном аппарате, содержащем из двух смежных соосных вихревые камер, образованных тремя плоскими дисками, и двумя цилиндрическими обечайками из которых средний диск является общим для обеих вихревых камер и служит поверхностью теплообмена, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических обечайках и в центре обоих крайних дисков, снабжен валом, соединяющим первую вихревую камеру со второй, расположенным по оси аппарата, вал пропущен через подшипниковый узел, имеющий уплотнение и закреплен на среднем диске, при этом оба конца вала в первой и во второй вихревых камерах снабжены крыльчатками, которые жестко закреплены на его концах, причем крыльчатка, размещенная в первой вихревой камере выполняет функцию турбинки, а крыльчатка, размещенная во второй - функцию активатора потока, или наоборот, входные патрубки могут располагаться как тангенциально, так и в центре крайних дисков, соответственно, выходные патрубки могут располагаться как в центре крайних дисков, так и тангенциально в зависимости от соотношения расходов горячего и холодного теплоносителя, конструкция и размеры для обеих крыльчаток одинаковые, число лопаток на обеих крыльчатках находится в пределах от 2 до 12 и лопатки размещены по окружности равномерно, отношение внешнего диаметра крыльчатки к диаметру вихревой камеры находится в пределах от 0,9 до 0,5, отношение ширины лопасти крыльчатки к высоте вихревой камеры находится в пределах от 0,3 до 0,8, отношение диаметра вихревой камеры к ее высоте находится в пределах от 5 до 15, оси тангенциальных патрубков отстоят от оси аппарата на расстояние от 1/4 до 1/2 диаметра вихревой камеры.
Поставленная задача решается за счет того, что в вихревом теплообменном аппарате, содержащем две смежные соосные вихревые камеры одинакового диаметра, образованные тремя плоскими дисками, и двумя цилиндрическими обечайками, из которых средний диск является общим для обеих вихревых камер и служит поверхностью теплообмена, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических обечайках и в центре обеих крайних дисков, дополнительно установлен вал, соединяющий первую вихревую камеру со второй, расположенный по оси аппарата. Вал пропущен через подшипниковый узел, имеющий уплотнение и закреплен на среднем диске, при этом оба конца вала в первой и во второй вихревых камерах снабжены крыльчатками, которые жестко закреплены на его концах, причем крыльчатка, размещенная в первой вихревой камере выполняет функцию турбинки, а крыльчатка, размещенная во второй - функцию активатора потока, или наоборот: крыльчатка, размещенная во второй вихревой камере выполняет функцию турбинки, а крыльчатка, размещенная в первой - функцию активатора потока. Турбинка под действием потока теплоносителя приводит вал и активатор смежной камеры во вращение. За счет этого в смежной камере скорость движения теплоносителя относительно теплообменного диска повышается, растет и теплообмен. Входные патрубки могут располагаться как тангенциально, так и в центре крайних дисков, соответственно, выходные патрубки могут располагаться как в центре крайних дисков, так и тангенциально в зависимости от величины расходов горячего и холодного теплоносителей.
При этом, предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате конструкция и размеры обеих крыльчаток были одинаковые.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате число лопаток на обеих крыльчатках находилось в пределах от 2 до 12 и лопатки размещались равномерно по окружности.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате отношение внешнего диаметра крыльчатки к диаметру вихревой камеры находилось в пределах от 0,9 до 0,5.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате отношение ширины лопасти крыльчатки к высоте вихревой камеры находится в пределах от 0,3 до 0,8.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате, отношение диаметров вихревых камер к их высотам находилось в пределах от 5 до 15.
А также, предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате,
оси тангенциальных патрубков отстояли от оси аппарата на расстояние от 1/4 до 1/2 диаметра вихревой камеры.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении движущей силы процесса теплообмена, повышении эффективности теплообмена, включая случай низкого расхода одного из теплоносителей и увеличении количества передаваемого тепла.
Это достигается использованием дополнительных конструктивных элементов и их новым взаимным расположением внутри вихревого теплообменного аппарата.
Вал пропущен через подшипниковый узел, имеющий уплотнение и закреплен на среднем диске, при этом оба конца вала в первой и во второй вихревых камерах снабжены крыльчатками, которые жестко закреплены на его концах, причем крыльчатка, размещенная в первой вихревой камере выполняет функцию турбинки, а крыльчатка, размещенная во второй - функцию активатора потока, или наоборот: крыльчатка, размещенная во второй вихревой камере выполняет функцию турбинки, а крыльчатка, размещенная в первой - функцию активатора потока. Турбинка под действием потока теплоносителя приводит вал и активатор смежной камеры во вращение. За счет этого становится возможной подача теплоносителей в аппарат, обеспечивающая в масштабе поверхности теплообмена противоточную схему, т.к. наличие вала с крыльчатками обеспечивает реализацию выгодного режима течения теплоносителя вдоль поверхности теплообмена и в случае малого расхода одного из теплоносителей система турбинка-активатор, закрепленная на валу обеспечивает разрушение пристенного пограничного слоя за счет энергии движения теплоносителя в смежной вихревой камере, где расход достаточно большой и таким образом, интенсивность теплообмена повышается. Повышается и количество передаваемого аппаратом тепла Q.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид аппарата в разрезе.
На фиг. 2 - поперечный разрез по А-А на фиг. 1.
Вихревой теплообменный аппарат (фиг. 1) имеет разборную конструкцию. Он содержит две смежные соосные вихревые камеры 1 и 2 одинакового диаметра, образованные тремя плоскими дисками 3, 4 и 5, и двумя короткими цилиндрическими обечайками 6 и 7. Средний диск 5 является общим для обеих вихревых камер и служит поверхностью теплообмена. Диск 5 размещен строго горизонтально. Входные и выходные патрубки 8, 9, 10 и 11 расположенны тангенциально на цилиндрических обечайках (патрубки 9 и 10) и
в центре дисков 3 и 4 (патрубки 8 и 11). На коротких обечайках 6 и 7 закреплены фланцы 12 и 13, между которыми размещен теплообменный диск 5. Фланцы стянуты шпильками 14 и для герметичности вихревых камер установлены прокладки 15.
Вихревой теплообменный аппарат снабжен валом 16, соединяющим вихревую камеру 1 с вихревой камерой 2. Вал 16 расположенный по оси аппарата, пропущен через подшипниковый узел 17, снабженный уплотнением 18 и закрепленный на среднем диске 5. Вал 16 установлен вертикально. Оба конца вала 16 в вихревых камерах 1 и 2 снабжены крыльчатками 19 и 20, которые жестко закрепленына его концах, причем крыльчатка 20, размещенная в вихревой камере 2 выполняет функцию турбинки, а крыльчатка 19, размещенная в камере 1 - функцию активатора потока. Данная функция реализуется, когда расход теплоносителя в камере 2 выше. Если же расход выше в камере 1, то наоборот: функцию турбинки должна выполнять крыльчатка 19, а роль активатора потока -крыльчатка 20. Турбинка предназначена для приведение во вращение вала и активатора смежной камеры потоком теплоносителя из штуцера 10 или 9. Активатор потока должен создавать условия, обеспечивающие снижение толщины пристенного пограничного слоя у поверхности теплообмена и интенсификацию теплообмена.
Входной патрубок камеры, где установлена крыльчатка-турбинка должен быть тангенциальным. Входной патрубок камеры, где установлена крыльчатка-активатор может располагаться как тангенциально, так и в центре крайних дисков, соответственно, выходные патрубки могут располагаться как в центре крайних дисков, так и тангенциально.
Выполнение роли турбинки либо активатора потока зависит от конкретного соотношения расходов горячего и холодного теплоносителей.
При этом, предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменный аппарате конструкция и размеры обеих крыльчаток были одинаковы.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате число лопаток 21 на обеих крыльчатках находилось в пределах от 2 до 12 и лопатки размещались по окружности равномерно (см. фиг. 2).
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате отношение внешнего диаметра крыльчатки к диаметру вихревой камеры находилось в пределах от 0,9 до 0,5.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате отношение ширины лопасти 21 крыльчатки к высоте вихревой камеры находилось в пределах от 0,3 до 0,8.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате отношение диаметра вихревой камеры к ее высоте находилось в пределах от 5 до 15.
Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате оси тангенциальных патрубков отстояли от оси аппарата на расстояние от 1/4 до 1/2 диаметра вихревой камеры.
Вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом. Первый (горячий) теплоноситель подается в тангенциальный патрубок 9 вихревой камеры 2, он совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры, взаимодействует с лопатками 21 крыльчатки 20 приводя во вращение ее, вал 16 и крыльчатку 19 и покидает камеру через патрубок 11. Крыльчатка 20 выполняет функцию турбинки. Вместе с тем, движение теплоносителя внутри камеры 2 за счет тангенциального входа и взаимодействия с крыльчаткой 20 сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока, что существенно интенсифицирует теплообмен.
cp
Подача второго (холодного) теплоносителя возможна через патрубок 8 или 10. При подаче холодного теплоносителя в камеру 1 через патрубок 8 теплоноситель совершает сложное вращательно движение от центра к периферии покидает камеру 1 через патрубок 10. Вращение холодного теплоносителя в камере 1 происходит благодаря вращению крыльчатки 19, которая в этом случае является активатором потока. При этом, непосредственное воздействие на поток оказывают лопатки 21 крыльчатки 19. В камере 1 возникает развитое вихревое движение, что имеет место даже при низком расходе холодного теплоносителя. Горячий теплоноситель поступает с периферии вихревой камеры, холодный - поступает с центра вихревой камеры и отводится через патрубок на периферии. Таким образом, на теплообменном диске 5 имеет место противоток теплоносителей. Это обеспечивает максимально возможную среднюю разность температур Δt.
cp
При подаче второго (холодного) теплоносителя через тангенциальный патрубок 10 Δt может несколько снижается, однако при этом вращение вала с крыльчатками наиболее интенсивное, что ведет к росту коэффициента теплопередачи.
В зависимости от величины расхода теплоносителей в роли турбинки может выступать и крыльчатка 19 вихревой камеры 1 (когда расход холодного теплоносителя много больше). В этом случае вход в камеру 1 должен осуществляться через тангенциальный патрубок 10. Тогда крыльчатка 20 камеры 2 будет выполнять функцию активатора потока.
Скорость вращения теплоносителя в камерах определяет интенсивность теплоотдачи α. Низкий расход на одну из камер компенсируется величиной расхода теплоносителя на другую камеру. За счет воздействия лопаток 21 на теплоноситель, скорость его движения относительно поверхности теплообмена растет, растет и теплоотдача.
Интенсификация теплооотдачи в обеих камерах ведет к росту общего коэффициента теплопередачи К в аппарате, т.е. к интенсификации работы теплообменного аппарата и увеличению его теплопроизводительности.
Таким образом, заявляемая конструкция обеспечивает повышение универсальности применения аппарата, увеличение движущей силы процесса теплообмена, повышение эффективности теплообмена даже при низких расходах одного из теплоносителей и увеличение количества передаваемого тепла
Для изучения влияния на теплообмен в вихревом аппарате дополнительных элементов (вала с крыльчатками) были поставлены опыты.
Опыты проводили на стенде, который включал опытный аппарат, бак с водой нагреваемой ТЭНом, центробежный насос, ротаметры горячей и холодной воды, электронные приборы для измерения температуры на входе и выходе горячего и холодного теплоносителя, прибор для измерения частоты вращения (n, об/мин) вала с крыльчатками. Схема стенда обеспечивала циркуляцию горячей воды. Холодную воду подавали из водопровода через фильтр.
Была изготовлена опытная модель аппарата (см. фиг. 1). Она состоит из двух вихревых камер, разделенных теплообменным диском. Диаметр обеих камер равен D=335 мм при ширине камер В=28 мм. Аппарат изготовлен из стали, имеет разборную конструкцию. Все элементы аппарата соединены шпильками М12. Внешний диаметр крыльчатки равен 260 мм, при числе лопаток 4 шт, которые размещены равномерно по окружности. Опытный аппарат размещали так, чтобы теплообменный диск был горизонтален. В нижнюю камеру через тангенциальный патрубок подавали горячий теплоноситель, в верхнюю камеру - холодный теплоноситель. Подачу холодного теплоносителя выполняли как по тангенциальному, так и по центральному патрубку.
В серии опытов 1 изучали теплообмен в аппарате без внутренних устройств. Отверстие, соединяющее камеры - заглушено. В нижнюю камеру через тангенциальный патрубок подавали горячий теплоноситель, в верхнюю камеру через центральный пратрубок - холодный теплоноситель (противоток).
В серии опытов 2 изучали теплообмен в аппарате с внутренними устройствами (вал, соединяющий обе вихревые камеры с крыльчатками на концах). В нижнюю камеру через тангенциальный патрубок подавали горячий теплоноситель, в верхнюю камеру через центральный патрубок - холодный теплоноситель (противоток).
В серии опытов 3 изучали теплообмен в аппарате без внутренних устройств. Отверстие, соединяющее камеры заглушено. В нижнюю камеру через тангенциальный патрубок подавали горячий теплоноситель, в верхнюю камеру через тангенциальный патрубок - холодный теплоноситель (прямоток).
В серым опытов 4 изучали теплообмен в аппарате с внутренними устройствами (вал, соединяющий обе вихревые камеры с крыльчатками на концах). В нижнюю камеру через тангенциальный патрубок подавали горячий теплоноситель, в верхнюю камеру через тангенциальный патрубок - холодный теплоноситель (прямоток).
1
3
В опытах расход горячей воды V в нижнюю камеру меняли от 0,17 до 2,73 м/час. Начальная температура составляла 40÷43°С
2
2
3
3
Расход холодной воды V в верхнюю камеру меняли от 0,155 до 1,76 м/час. Начальная температура составляла 7,0÷8,0°С. Особый интерес представлял случай, когда расход одного из теплоносителей мал. Результаты опытов по теплообмену при постоянном низком расходе холодной воды (V=0,155 м/час) представлены в таблице 1. Скорость горячей воды в тангенциальном патрубке на входе в нижнюю вихревую камеру соответствовала 2,55; 3,40 и 4,29 м/с.
2
В таблице 1: Серии опытов 1 и 3 отражают работу устройства по прототипу. Серии опытов 2 и 4 отражают работу предлагаемого устройства (с валом и крыльчатками); Q - количество тепла переданное холодной воде (Вт); K - коэффициент теплопередачи (Вт/(мК)); n - частота вращения вала с крыльчатками (об/мин).
2
3
Из таблицы 1 следует, что при расходе холодной воды V = 0,155 м/час для случая противотока количество переданного тепла увеличивалось на 25,8%, 24,5% и 31,4%, а коэффициент теплопередачи К увеличился соответственно на 49,7%, 60,7% и 76%.
Для случая прямотока количество переданного тепла увеличивалось на 16,2%, 35,3% и 45,3%, а коэффициент теплопередачи К увеличился соответственно на 32,1%, 55,6% и 65,3%.
Таким образом, предлагаемое устройство позвлит заметно увеличить количество передаваемого тепла Q и коэффициент теплопередачи К. Это подтверждает эффективность теплообмена при работе аппарата и универсальность его возможного применения - как для схемы с прямотоком теплоносителей, так и для схемы с их противотоком, включая случай малого расхода одного из теплоносителей при достаточном расходе второго.
Повышение эффективности теплообмена позволит вести процесс на аппаратах с меньшей поверхностью теплообмена, а значит менее металлоемких и дорогих, что выгодно экономически.
Список использованных источников
1. Полезная модель к патенту РФ 91755 U1, МПК F28D 7/16 Вихревой теплообменный аппарат для конденсации газов/Калимуллин И.Р., Гафиятов И.З., Дмитриев A.В., Николаев А.Н..- опубл. 27.02.2010, Бюл №06.
2. Патент РФ 2269080, МПК F28D 7/10, Теплообменник/ Лядухин В.И, Болдов B. Ю. - опубл. 27.01.2006, Бюл №03.
3. Патент 2711569 РФ, МПК F28D 9/00; F28F 9/007. Вихревой теплообменный аппарат / Косырев В.М., Диков В.А., Суханов Д.Е., Кежутин А.А.; заявитель и патентообладатель НГТУ им. Р.Е. Алексеева. №2019114196; заявл. 13.05.2019.; опубл. 17.01.2020 Бюл. №2. - Прототип.