РАДИАЛЬНО-ТРУБНЫЙ ПЕРЕКРЕСТНОТОЧНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
RADIAL-TUBE CROSS FLOW HEAT-MASS EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, предназначенным для осуществления теплообмена между потоками флюидов и массообмена флюидов с жидкостью при контролируемой температуре, 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.
Известен аппарат аналогичной конструкции для теплообменных и диффузионных процессов [RU 2075020, опубл. 10.03.1997 г., МПК F28D 9/00, F28D 7/04], содержащий цилиндрический корпус, в котором установлен блок теплообменных элементов, размещенных последовательно один за другим с образованием кольцевого ряда вокруг продольной оси корпуса. Внутренние полости теплообменных элементов сообщены с кольцеобразной полостью распределительного коллектора, соединенной с патрубком ввода теплоносителя, и с кольцеобразной полостью выпускного коллектора, соединенной с патрубком ввода теплоносителя, и с кольцеобразной полостью выпускного коллектора, соединенной с патрубком вывода теплоносителя. Наружные спиралеобразные каналы между теплообменными элементами сообщены с центральным каналом, полость которого ограничена вертикальными стенками элементов, близрасположенными от продольной оси корпуса, и с периферийным кольцеобразным каналом, полость которого заключена между стенкой корпуса и удаленными от продольной оси корпуса вертикальными стенками элементов, и с камерами ввода и вывода реагента.
Основным недостатком данного аппарата является изготовления тепломассообменного блока, включающая изготовление отдельных теплообменных элементов и их последующее соединение с распределительным и выпускным коллекторами через совмещаемые прорези.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является аппарат радиально-спирального типа [RU 2348882, опубл. 10.03.2009 г., МПК F28D 9/04], содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для подвода и отвода теплоносителей (флюидов), внутри которого вокруг вертикальной оси установлены один над другим или концентрично два, или более блоков теплообменных (тепломассообменных) элементов, расположенных по кругу и образующих распределительные коллекторы. Каждый тепломассообменный элемент состоит из двух снабженных дистанционирующими выступами стенок спиралеобразной формы, образующих внутренний канал для радиального потока одного первого теплоносителей, а будучи собранными в блок, тепломассообменные элементы формируют вертикальные щелевые каналы для аксиального потока второго флюида. Направление потоков флюидов обеспечивается установленными внутри аппарата перегородками.
Недостатками известного теплообменника являются:
- выполнение стенки тепломассообменных элементов в поперечном сечении в форме спирали Архимеда, что приводит к наложению вращательного движения на аксиальное перемещение потока в центральном распределительном коллекторе при его переходе от одного блока к другому, и увеличивает гидравлическое сопротивление. Переменность кривизны спирали Архимеда по углу поворота радиально-спирального канала также увеличивает гидравлическое сопротивление в нем из-за изменения кривизны и сечения, а также усложняется процесс автоматической сварки двух стенок элемента при изготовлении,
- радиальное расположение патрубков входа/выхода потока в/из периферийного распределительного коллектора приводит к дополнительным затратам энергии на разворот потока и росту гидравлического сопротивления,
- наличие дистанцирующих выступов не обеспечивает оптимальных условий для теплообмена и снижает коэффициент теплопередачи.
Задачами настоящего изобретения являются снижение гидравлического сопротивления и повышение коэффициента теплопередачи.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления за счет расположения входных/выходных патрубков под углом к нормали поверхности корпуса и за счет выполнения стенок тепломассообменных элементов с постоянным радиусом изгиба по углу поворота и с ориентацией их выходных/входных отверстий по нормали к цилиндрической образующей центрального распределительного коллектора, а также повышение коэффициента теплопередачи за счет выполнения на стенках теплообменных элементов турбулизирующих выступов, обеспечивающих компланарность каналов для потоков флюидов и касающихся друг друга, что обеспечивает также и необходимое дистанцирование стенок.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом аппарате, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода/отвода флюидов, внутри которого установлены несколько кольцеобразных блоков тепломассообменных элементов, образующих распределительные коллекторы, при этом тепломассообменные элементы состоят из двух снабженных дистанционирующими выступами стенок, образующих внутренний радиальный канал для потока одного флюида, а будучи собранными в блок, тепломассообменные элементы формируют наружные аксиальные каналы для потока другого флюида, кроме того, внутри аппарата установлены перегородки, обеспечивающие поворот радиальных потоков флюида, особенностью является то, что стенки тепломассообменных элементов выполнены с радиусом изгиба, постоянным по углу поворота, при этом выходные/входные отверстия тепломассообменных элементов ориентированы по нормали к цилиндрической образующей центрального распределительного коллектора, входные/выходные патрубки радиального потока флюида расположены под углом к нормали корпуса, равным углу входа/выхода этого потока в/из блока тепломассообменных элементов, а в качестве дистанцирующих выступов выполнены турбулизирущие выступы, касающиеся друг друга и образующие компланарные каналы.
Предложенная конструкция аппарата позволяет использовать его для осуществления и теплообмена и массообменных процессов в пленочном режиме течения потоков.
Выполнение тепломассообменных элементов с радиусом изгиба, постоянным по углу поворота и с ориентацией их выходных/входных отверстий элементов по нормали к цилиндрической образующей центрального распределительного коллектора, а также расположение входных/выходных патрубков радиального потока флюида под углом к нормали корпуса, равным углу входа/выхода этого потока в/из блока тепломассообменных элементов, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление за счет исключения перестройки поля скоростей в канале постоянной кривизны и сечения, а также предотвращения разворота радиального потока флюида при прохождении периферийного коллектора, соответственно.
Образование турбулизирующими выступами компланарных каналов, расположенных под углом друг к другу на соприкасающихся стенках тепломассообменных элементов, приводит к тому, что разделенные части потока, проходящие между ними, скрещиваются и подкручивают друг друга, за счет чего они турбулизируются при малых скоростях и при низких числах Рейнольдса, соответственно увеличивая коэффициенты тепло- и массопередачи, что позволяет уменьшить массу и габариты аппарата.
Тепломассообменный аппарат (фиг. 1) содержит корпус 1 с патрубками 2, 3 подвода и отвода одного флюида и 4, 5 - другого флюида, соответственно. В корпусе 1 установлены два (условно) блока 6, сформированных из вертикальных, примыкающих друг к другу полых тепломассообменных элементов 7, образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, образующих периферийный 8 и центральный 9 распределительные коллекторы. Между смежными блоками 6 поочередно в периферийном 8 и центральном 9 распределительных коллекторах установлены перегородки 10 и 11, которые обеспечивают поворот радиальных потоков флюида. При переходе из одного блока в другой вращательное движения потока флюида отсутствует из-за направления выходных/входных отверстий элементов по нормали к цилиндрической образующей центрального распределительного коллектора.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез блока тепломассообменного аппарата, показана форма блока 6, тепломассообменных элементов 7 (выделены черным цветом) и их ориентация вокруг внутреннего коллектора. На окружности радиусом R1 расположены центры окружностей, формирующих по радиусу R2 изгиб стенок тепломассообменных элементов 7. Ось входного патрубка образует угол а между осью патрубка и радиуса блока элементов, равный углу входа/выхода радиального потока флюида в/из блока тепломассообменных элементов.
Для увеличения коэффициента теплопередачи пластины тепломассообменных элементов выполнены гофрированными с волнообразными выпуклостями (турбулизирующими выступами), образующими компланарные каналы между пластинами, через которые проходят потоки теплоносителей (фиг. 3).
Таким образом, предлагаемый тепломассообменный аппарат позволяет снизить гидравлическое сопротивление, увеличить коэффициент теплопередачи и может быть использован в промышленности.