РАДИАЛЬНО-ТРУБНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
RADIAL-TUBE HEAT-MASS-EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к аппаратам для осуществления тепло- и массообмена флюидов и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известны пластинчатые теплообменники, обладающие малой массой и габаритами и представляющие собой набор плоских гофрированных пластин, объединенных в пакет с помощью пайки, сварки или уплотнительных прокладок [Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 168].
Недостатками указанных теплообменников являются: большое гидравлическое сопротивление, невысокие предельные значения рабочих температуры и давления, склонность к накоплению отложений в застойных зонах и ненадежность в эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является теплообменник Астановского радиально-спирального типа [RU 2348882, опубл. 10.03.2009 г., МПК F28D 9/04], содержащий вертикальный цилиндрический корпус с радиально ориентированными патрубками ввода/вывода теплоносителей (флюидов), вокруг вертикальной оси которого один над другим или концентрично установлены два или более блоков теплообменных элементов, образующих распределительные коллекторы. Каждый теплообменный (тепломассообменный) элемент состоит из двух стенок спиралеобразной формы, сваренных по горизонтальным сторонам и оснащенных дистанционирующими выступами, образующих внутренний канал для радиального потока первого флюида, а будучи собранными в блок, тепломассообменные элементы формируют вертикальные щелевые каналы для аксиального потока второго флюида. Поворот радиального потока флюида при переходе между блоками внутри аппарата обеспечивается перегородками, установленными в коллекторах.
Недостатком известного теплообменника является выполнение двух сварных швов по горизонтальным сторонам стенок тепломассообменных элементов, что увеличивает гидравлическое сопротивление аксиального канала из-за возмущения набегающего потока флюида на неровностях горизонтального сварного шва, а также снижает надежность аппарата, усложняет и удорожает его изготовление из-за большой протяженности сварных швов.
Задачами настоящего изобретения являются снижение гидравлического сопротивления и повышение надежности аппарата.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления и повышение надежности аппарата за счет соединения стенок каждого тепломассообменного элемента одним горизонтальным сварным швом, расположенным на боковой поверхности или в его тыльной (относительно направления аксиального потока флюида) части, а также за счет уменьшения протяженности сварных швов.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом аппарате, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с патрубками ввод/вывода флюидов, внутри которого размещен кольцеобразный блок тепломассообменных элементов, образующий распределительные коллекторы, при этом стенки каждого тепломассообменного элемента соединены горизонтальным сварным швом, снабжены дистанционирующими выступами и образуют внутренний радиальный канал для потока одного флюида, а будучи собранными в блок, тепломассообменные элементы формируют наружные аксиальные каналы для потока другого флюида, особенностью является то, что аппарат оснащен одним или несколькими тепломассообменными блоками, а стенки каждого тепломассообменного элемента соединены одним горизонтальным сварным швом, расположенным на боковой стороне или в тыльной, относительно направления аксиального потока, части тепломассообменного элемента, при этом фронтальная и тыльная части тепломассообменного элемента имеют в поперечном сечении эллипсовидную форму.
Предложенная конструкция аппарата позволяет использовать его для осуществления, теплообменных, массообменных и тепломассообменных процессов. При осуществлении массообмена по меньшей мере один флюид является жидкостью и стекает в виде пленки по наружным поверхностям боковых стенок тепломассообменных элементов. При оснащении аппарата более чем одним блоком тепломассообменных элементов, поворот радиального потока флюида при переходе между блоками внутри аппарата обеспечивается перегородками, установленными в распределительных коллекторах поперек оси аппарата. При осуществлении теплообмена расположение оси аппарата в пространстве может быть любым. При осуществлении массообмена и тепломассообмена расположение оси аппарата в пространстве должно быть вертикальным.
В качестве дистанцирующих выступов на стенках тепломассообменных элементов целесообразно выполнять соприкасающиеся турбулизирущие выступы, образующие компланарные каналы, наличие которых обеспечивает высокую турбулентность при малых скоростях потоков флюидов, увеличивая интенсивность тепло- и массопередачи, что позволяет уменьшить массу и габариты аппарата, а также обеспечить требуемое дистанцирование тепломассообменных элементов.
Целесообразно располагать теплообменные элементы в блоке на равном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить постоянство поперечного сечения и скорости радиального потока флюида и, как следствие, высокую эффективность тепломассообмена. По меньшей мере один входной/выходной патрубок радиального потока флюида целесообразно расположить тангенциально, что снижает гидравлическое сопротивление благодаря исключению затрат энергии на разворот потока.
Для обеспечения возможности работы аппарата при больших перепадах давления между смежными каналами, в каналах с меньшим давлением могут быть размещены дистанцирующие вкладки, которые способны не только снять нагрузку со стенок тепломассообменных элементов и обеспечить требуемое их дистанцирование, но и задавать направление движения и дополнительно турбулизировать потоки флюидов для повышения эффективности тепло- и массоотдачи. За счет расположения элементов дистанцирующих вкладок может быть организовано или преимущественно перекрестноточное, или прямоточное, или противоточное движение флюидов как в радиальном, так и в аксиальном направлении.
Соединение стенок каждого тепломассообменного элемента одним горизонтальным сварным швом, расположенным на боковой стороне или в тыльной, относительно направления аксиального потока, части тепломассообменного элемента, а также придание эллипсовидной формы поперечному сечению фронтальной и тыльной частей тепломассообменного элемента, обеспечивает близкую к совершенной гидродинамическую форму блока тепломассообменных элементов в аксиальном направлении, что уменьшает интенсивность возмущений набегающего и уходящего потоков флюида при обтекании тепломассообменных элементов блока, минимизирует потери энергии потока и снижает гидравлическое сопротивление, а реализуемое при этом двукратное уменьшение протяженности горизонтальных сварных швов повышает надежность аппарата, упрощает и удешевляет его изготовление.
Тепломассообменный аппарат (фиг. 1) содержит корпус 1 с патрубками 2, 3 ввода/вывода одного флюида и 4, 5 - другого флюида. В корпусе 1 установлены два (условно) смежных блока 6 и 7, состоящих из вертикальных, в общем случае, тепломассообменных элементов 8, образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, формирующих периферийный 9 и центральный 10 распределительные коллекторы, в которых установлены перегородки 11 и 12, обеспечивающие поворот радиального потока флюида. Патрубки 2 и 3 предпочтительно ориентированы тангенциально. По наружной образующей блока тепломассообменных элементов может быть установлена силовая перфорированная обечайка 13. Вариант навивки проволокой и дистанцирующие вкладки не показаны.
На фиг. 2 показана форма поперечного сечения тепломассообменного элемента 8, представляющего собой изогнутую в радиальном направлении прямоугольную трубу (турбулизирущие выступы не показаны) с эллипсовидными короткими сторонами 14, с двумя вариантами расположения горизонтального сварного шва 15, а также отекание тепломассообменного элемента аксиальным потоком флюида 16.
При работе предлагаемого тепломассообменного аппарата один поток флюида 16 поступает в аппарат через патрубок 4, проходит в аксиальном направлении блоки 6 и 7, обтекая тепломассообменные элементы 8, и выводится через патрубок 5. При этом другой поток флюида 17 поступает в аппарат через патрубок 2, проходит в радиальном направлении через блоки 7 и 6 и выводится через патрубок 3.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить гидравлическое сопротивление, повысить надежность тепломассообменного аппарата и может быть использовано в промышленности.