РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к рекуперативным теплообменникам и может быть использована, в частности, в существующих и проектируемых системах холодоснабжения для снижения стоимости холодильной установки, повышения ее холодопроизводительности и надежности эксплуатации.
Известным способом повышения холодопроизводительности установок является переохлаждение жидкого хладагента после его конденсации перед дросселированием в испаритель. Для такого переохладения рекуперативные теплообменники. В аппаратах данного вида переохлаждение холодильного агента достигается за счет противотока холодного парообразного хладагента, выходящего из испарителя. Схемы установки таких рекуперативных теплообменников известны уже много лет и представлены, например, на с.259 рис.VII.7 в известной книге «Холодильные установки» авторов Е.С.Курылева и Н.А.Герасимова, изд. Машиностроение, Ленинград, 1970 г. Наибольшее распространение получили кожухотрубные (труба в трубе) и змееевиковые рекуперативные теплообменники. Такие теплообменники имеют разнообразную конструкцию и описаны в ряде патентов (патент 2358217, опубликован 10.06.2009 г., патент 2080537, опубликован 27.05.1997 г.). Эти теплообменники несмотря на свою внешнюю конструктивную простоту имеют сложную технологию изготовления. Поэтому их широкое применение ограничивает стоимость таких рекуперативных теплообменников. Поэтому на практике либо отказываются от этой рекуперации и теряют часть холодопроизводительности и устанавливают после испарителя специальные механические отделители жидкости, либо применяют простейшие устройства для рекуперативного теплообмена.
Простейший рекуперативный теплообменник получается при создании неразъемного контакта (сварки, пайки) между жидкостным и паровым трубопроводами холодильной установки. Он приведен в справочнике А.Г.Каплана «Торговое холодильное оборудование», Москва, изд. Колос, 1995 г. на с.214, рис.10-30. На схеме монтажа выносного конденсатора холодильной установки, такой рекуперативный противоточный теплообменник показан поз.10, где он осуществляет теплообмен между горячим жидким хладагентом, выходящем из конденсатора, охлаждая его и холодной парожидкостной смесью хладагента, выходящей из испарителя, выпаривая при этом жидкостную составляющую из парожидкостной смеси, что необходимо во избежание попадания жидкости в компрессор.
Аналогичная схема обычно встречается в бытовых холодильниках и показана на с.216-217 рис.10-32 в книге того же автора На этом рисунке показан рекуперативный теплообменник, образованный жидкостной трубкой, к которой припаяна всасывающая трубка существующей холодильной установки. Это наиболее близкое решение к предлагаемой полезной модели.
Недостатками указанного теплообменника, выбранного авторами в качестве прототипа по большинству совпадающих признаков, является низкая эффективность теплообмена, поскольку тепло от горячей жидкостной трубы частично передается окружающей среде за счет конвективного и лучистого теплообмена, поскольку данный теплообменник не изолирован от нее. Второй большой недостаток прототипа - снижение механической прочности соединяемых продольной сваркой или пайкой труб. Учитывая, что в подавляющем большинстве холодильных установок используются тонкостенные (1-2 мм) медные трубы, а труба с горячим хладагентом после конденсатора может находиться под давлением до 20 бар, то даже небольшое нарушение технологии пайки труб между собой по длине (2-4 м), может вызвать разрыв жидкостной трубы и выброс горячего хладагента в атмосферу.
Задачей, решаемой с использованием предлагаемой полезной модели, является повышение эффективности теплообмена таких рекуперативных теплообменников холодильных установок и повышение их надежности.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что в известном рекуперативном теплообменнике, образованном противоточными жидкостной и всасывающей трубами холодильной установки, трубы механически плотно стянуты между собой гибкой лентой из высокотеплопроводного металла, с образованием гарантированного продольного контакта между трубами по всей длине теплообменника, при этом на горизонтальном участке указанные трубы установлены друг под другом, внизу размещается жидкостная труба, наружная поверхность каждой из труб и поверхность ленты, обращенная к трубам, имеет покрытие с коэффициентом поглощения тепловой энергии ε>0,9 а на наружную поверхность ленты нанесен теплоизоляционный материал.
Плотное стягивание жидкостной и всасывающей трубок гибкой лентой из высокотеплопроводного материала позволяет обеспечить эффективную передачу тепла от жидкостной трубопровода к всасывающему за счет теплопроводности как в месте непосредственного контакта труб, так и за счет теплопроводности по ленте, имеющей плотный контакт с наружной поверхностью обеих труб. Покрытие наружной поверхности труб и внутренней поверхности высокотеплопроводной ленты с высоким коэффициентом поглощения теплового излучения повышает эффективность лучистого теплообмена между трубками, а нанесение на наружную поверхность ленты теплоизоляционного материала, например, на основе вспененного синтетического каучука с пористой структурой ячеек, позволяет практически исключить потери тепла от труб в окружающее пространство. Расположение на горизонтальном участке трубы с парожидкостной смесью над жидкостной трубой, позволяет более эффективно выпаривать жидкую фазу хладагента, поскольку она под силой тяжести собирается в нижней части парожидкостной трубы. Это обеспечивается за счет того, что тепло от горячей трубы в месте механического контакта обеих труб передается с минимальными потерями жидкой фазе, как бы подогревая жидкость снизу.
На фиг.1. представлен фрагмент предлагаемого рекуперативного теплообменника в горизонтальном положении. Жидкостная труба 1 с жидким хладагентом с температурой 40-45°С расположена под всасывающим трубопроводом 2 с парожидкостной смесью с собравшейся в нижней части трубопровода жидкого хладагента 3, имеющей температуру, например, минус 25°С.Трубопроводы 1 и 2 плотно стянуты теплопроводной лентой 4 по всей длине теплообмена без зазора между витками. Наружная поверхность обеих труб и внутренняя сторона теплопроводной ленты 4 имеют покрытие с коэффициентом поглощения лучистой тепловой энергии ε<0,9. Снаружи теплопроводная лента содержит слой тепловой изоляции 5, выполненной, например, из вспененного синтетического каучука с пористой структурой ячеек.
Регенеративный теплообменник холодильной установки работает следующим образом. Тепло от жидкостного трубопровода 1 с высокой температурой передается всасывающему трубопроводу 2 теплопроводностью в месте контакта обеих труб, и по теплопроводной ленте 4, плотно контактирующей с наружными поверхностями труб. При этом наибольший тепловой поток поступает в нижнюю зону всасывающей трубы 2 с парожидкостной смесью, где испаряет остатки жидкого хладагента 3, стекающие под силой тяжести в нижнюю зону всасывающей трубы 2 и подогревая пар, идущий на всасывание компрессора. Наружное покрытие поверхности труб 1 и 2, а также внутренней стороны теплопроводной ленты 4 черной краской с высоким значением коэффициента поглощения лучистой тепловой энергии ε>0,9 (речь идет об инфракрасном излучении, которым обладает любое нагретое тело) в совокупности с наружным покрытием тепловой изоляцией теплопроводной ленты, позволяет осуществить теплообмен в предлагаемом рекуперативном теплообменнике практически без потерь в окружающее пространство.
Приведенная совокупность признаков, обеспечивает эффективный теплообмен используя в качестве рекуперативного теплообменника уже существующие трубы холодильной установки. Это дает следующие преимущества:
- снижается стоимость такого теплообменника, поскольку используются трубы готовой холодильной установки, а в качестве теплопроводной ленты можно взять дешевую алюминиевую полосу.
- исключается высокотемпературное воздействие открытого пламени на поверхность труб, что повышает надежность их эксплуатации при высоких давлениях,
- появляется возможность демонтажа такого рекуперативного теплообменника при необходимости ремонтных работ с холодильной установкой.
- увеличивается холодопроизводительность установки за счет более эффективного переохлаждения жидкого хладагента холодными парами всасывающей трубы.
- повышается надежность работы компрессора холодильной установки за счет выпаривания остатков жидкого хладагента во всасывающей трубе, исключающее попадание капельной жидкости внутрь компрессора