ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и предназначено для использования в качестве теплообменника ядерных энергетических установок, работающих на жидких и газообразных теплоносителях в режимах переменных нагрузок и значительного разностного давления в полостях теплообменника.
Известны теплообменники (Патент РФ 2378594, Теплообменник, МКИ F28D 7/00, опубл. 10.01.2010). Теплообменник, содержащий корпус с размещенным внутри пучком теплообменных труб, закрепленных в трубных досках, и пакетом параллельно расположенных гофрированных пластин в межтрубном объеме.
Недостатком известного устройства является значительное увеличение гидравлического сопротивления одного из каналов теплообменника, в который для увеличения теплоотдачи в поток теплоносителя введены турбулизаторы. В то же время в другой канал теплообменника такие турбулизаторы не вводятся, что создает несимметричность каналов по теплофизическим и гидравлическим характеристикам теплообменника. Такая ситуация не позволяет оптимизировать теплоотдачу в каналах особенно в случае разнофазных состояний теплоносителя, например, жидкость - газ. Кроме того, на эксплуатационные характеристики известных теплообменников наложены ограничения, связанные с прочностными требованиями, не допускающими значительных разностных давлений в камерах.
Наиболее близким по технической сущности является теплообменник (патент RU №2224198, МКИ F28D 7/04, опубл. 20.02.2004), содержащий корпус с первым и вторым каналами для теплоносителей, разделенными теплопередающей поверхностью, входной и выходной патрубок первого канала, входной и выходной патрубок второго канала, на теплопередающей поверхности внутри каналов установлены спиральные турбулизаторы.
Недостатком известного устройства является то, что при стремлении к увеличению теплоотдачи от теплопередающей поверхности за счет турбулизации потоков теплоносителей, площадь поверхности теплоотдачи остается неизменной. Кроме того, полости теплообменника представляют собой тонкостенные оболочки, не допускающие значительных давлений не только на внутреннюю стенку корпуса, которое может быть компенсировано силовыми обечайками, но и на теплопередающюю поверхность, возникающих при разности давлений потоков теплоносителей в камерах теплообменника.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотдачи от разделяющей каналы теплообменника теплопроводящей поверхности, путем одновременного увеличения поверхности теплообмена и создания условий для перемешивания потоков теплоносителей внутри каналов, а также повышение прочности корпуса теплообменника при больших разностных давлениях в каналах.
Этот результат достигается тем, что в известный теплообменник, содержащий корпус с первым и вторым каналами для теплоносителей, разделенными теплопередающей поверхностью, входными и выходными патрубками первого канала, входными и выходными патрубками второго канала, введены сферические теплопередающие элементы, размещенные в сферических лунках на теплопередающей поверхности и на внутренней поверхности корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вид на теплообменник в плане при прозрачной верхней крышке корпуса теплообменника, на фиг.2. изображен фрагмент корпуса теплообменника с установленными внутри каналов сферическими теплопередающими элементами.
Теплообменник содержит корпус 1 с первым и вторым каналами 2, 3 для теплоносителей, разделенные теплопередающей поверхностью 4, входные и выходные патрубки 5, 6 первого канала 2, входные и выходные патрубки 7, 8 второго канала 3, сферические теплопередающие элементы 9, размещенные в сферических лунках 10 на теплопередающей поверхности 4 и на внутренней поверхности корпуса 1.
Теплообменник работает следующим образом.
Два потока теплоносителя с разной температурой, а, возможно, и разных фазовых состояний, поступают на входные патрубки 5, 7 каналов 2, 3 теплообменника. Проходя по зазорам между сферическими теплопередающими элементами 9, более горячий теплоноситель отдает тепло этим элементам, при этом, в каком геометрическом порядке не располагались бы сферическими теплопередающие элементы 9 внутри каналов 2 и 3, при протекании потока внутри канала происходит его дробление в зазорах и перемешивание за счет образования вихрей при протекании потока в криволинейных зазорах по ходу потока и сужениях по проходному сечению. Поскольку теплообмен между жидким теплоносителем и поверхностью теплопередающих элементов 9 происходит, в основном, в тонкой прилегающей к поверхности пленке, за счет вихревого обтекания этих элементов 9 пленка сдвигается в тыловую зону за сферическим элементом 9, где происходит ее отрыв от поверхности и смешивание с остальным потоком. При этом происходит эффективный перенос теплоты от сферических теплопередающих элементов 9 к потоку или наоборот от потока к элементам 9. Многократное повторение этих процессов обеспечивает выравнивание теплообменных процессов по сечению камер 2 и 3. Поскольку сферические теплопередающие элементы 9 имеют хороший тепловой контакт с теплопередающей поверхностью 4 (образованный, например, диффузионной сваркой элементов теплообменника), за счет теплопроводности твердых материалов, происходит эффективный перенос теплоты от сферических теплопередающих элементов одной камеры к сферическим теплопередающим элементам другой камеры. Очевидно, что поверхность теплообмена в предлагаемом устройстве существенно больше поверхности теплообмена прототипа.
Сферические теплопередающие элементы, имеют тепловой и механический контакт, формируемый, например, методом диффузионной сварки, с теплопередающей поверхностью и со стенками корпуса 1, что создает многоточечную силовую структуру, препятствующую деформации каналов при возникновении динамических перепадов давления в камерах теплообменника.
Таким образом, введение сферических теплопередающих элементов в каналы теплообменника позволяет улучшить теплоотдачу от разделяющей каналы теплопередающей поверхности за счет увеличения поверхности теплообмена и за счет дробления и перемешивания потока теплоносителя (турбулизации) в зазорах между сферическими теплопроводящими элементами. Кроме того, механическая фиксация сферических теплопередающих элементов на теплопередающей поверхности и на стенках корпуса обеспечивает высокую механическую прочность каналов теплообменника.
Использование изобретения в теплообменных системах, где требуется повышенная интенсивность теплообмена при конструктивных ограничениях на массогабаритные показатели, обеспечивает повышенные прочностных показателей при больших разностных давлениях в каналах теплообменника и улучшение теплоотдачи от разделяющей каналы теплообменника теплопроводящей поверхности, путем одновременного увеличения поверхности теплообмена и создания условий для перемешивания потоков теплоносителей внутри каналов.