КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
CONTACT HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в парогенераторах и опреснителях при производстве водяного пара и пресной воды.
Известен контактный опреснитель [Авторское свидетельство СССР на изобретение №1588641. Контактный опреснитель. 30.08.1990. Бюл. №32]. Контактный опреснитель содержит трубопровод подачи исходной воды, теплообменник, испаритель с патрубками для подвода и отвода гидрофобного теплоносителя с удельным весом больше веса воды и шлама и патрубками отвода остаточного рассола, конденсатор, соединенный с теплообменником посредством трубопровода подвода пара, распределительные решетки пара и жидкости, размещенные в конденсаторе и испарителе соответственно, трубопровод неконденсированного пара, соединенный с конденсатором, смеситель, насосы и трубопровод выдачи дистиллята. В контактном опреснителе распределительная решетка жидкости размещена под уровнем теплоносителя и соединена с трубопроводом подачи исходной воды. Смеситель размещен на трубопроводе неконденсированного пара и соединен с трубопроводом подвода пара. Трубопроводы неконденсированного пара и отвода конденсата выполнены циркуляционными и соединены свободными концами с распределительной решеткой пара и конденсатором соответственно.
Недостатками известного устройства являются:
- наличие потерь теплоносителя, связанных с выносом паров и капель теплоносителя с потоком водяного пара в паропромывное устройство;
- относительно сложные конструкция и условия эксплуатации устройства, связанные с необходимостью восполнения потерь теплоносителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является прямоконтактный парогенератор, рассмотренный в работе [I.Kinoshita, Y.Nishi. Heat Transfer Characteristics of a Direct Contact Stream Generator with Low Melting point Allow and Water. 10-th International Heat Transfer Conference, 1994, Volume 3, paper 5-NR-13 / 14-18 August, 1994, Brighton, UK].
Известное устройство состоит из внешней колонны, образованной корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны в виде цилиндрической обечайки, установленной на днище внешней колонны. На крышке внешней колонны расположен трубопровод отвода пара, над днищем внешней колонны расположен жидкометаллический теплоноситель, днище и нижняя часть корпуса, заполненная жидкометаллическим теплоносителем, внешней колонны соединены между собой трубой, нагревателем, расположенным на трубе, трубопровод подачи воды с двойными стенками, свободный конец которой расположен под уровнем жидкометаллического теплоносителя. Свободный торец внутренней колонны расположен ниже уровня жидкометаллического теплоносителя.
Недостатками известного устройства являются:
- отсутствие средств очистки водяного пара от частиц соли, капель и аэрозолей жидкометаллического теплоносителя;
- наличие потерь жидкометаллического теплоносителя, пары и частицы которого покидают устройство вместе с генерируемым паром.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанные недостатки, а именно обеспечить очистку водяного пара от частиц соли, капель и аэрозолей жидкометаллического теплоносителя и избежать потерь жидкометаллического теплоносителя, пары и частицы которого покидают рабочую камеру вместе с генерируемым паром.
Для исключения указанных недостатков в контактном теплообменнике, состоящем из внешней колонны, образованной цилиндрическим корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны в виде цилиндрической обечайки, расположенной на днище внешней колонны, наружной трубы, соединяющей между собой днище и корпус внешней колонны и сообщенной через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры, трубопровода подачи воды, проходящего через крышку внешней колонны, трубопровода отвода пара, соединенного с крышкой внешней колонны, и нагревателя, расположенного на наружной трубе, причем нижняя часть полости рабочей камеры заполнена жидкометаллическим теплоносителем, свободный конец трубопровода подачи воды и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя, предлагается:
- контактный теплообменник дополнительно снабдить циклоном, установленным в верхней части полости рабочей камеры;
- входной патрубок циклона расположить над уровнем жидкометаллического теплоносителя;
- свободный конец патрубка возврата теплоносителя из циклона вывести под уровень жидкометаллического теплоносителя;
- трубопровод отвода пара соединить через крышку внешней колонны с выхлопным патрубком циклона.
Технический результат предложенного технического решения состоит в обеспечении чистоты вырабатываемого водяного пара и предотвращении потерь жидкометаллического теплоносителя.
Продольное осевое сечение контактного теплообменника представлено на чертеже. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - внутренняя колонна; 2 - входной патрубок; 3 - выхлопной патрубок; 4 - днище внешней колонны; 5 - корпус внешней колонны; 6 - корпус циклона; 7 - крышка внешней колонны; 8 - нагреватель; 9 - наружная труба; 10 - патрубок возврата теплоносителя; 11 - рабочая камера; 12 - трубопровод отвода пара; 13 - трубопровод подачи воды.
Контактный теплообменник выполнен следующим образом.
Контактный теплообменник состоит из внешней и внутренней 1 колонн, наружной трубы 9, трубопровода подачи воды 13, трубопровода отвода пара 12, нагревателя 8 и циклона.
Внешняя колонна образована цилиндрическим корпусом 5, торцы которого ограничены крышкой 7 и днищем 4.
Внутренняя колонна выполнена в виде цилиндрической обечайки и расположена на днище 4 внешней колонны.
Наружная труба 9 соединяет между собой днище 4 и корпус 5 внешней колонны и сообщена через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры 11.
Трубопровод подачи воды 13 проходит через крышку 7 внешней колонны.
Трубопровод отвода пара 12 соединен с крышкой 7 внешней колонны.
Нагреватель 8 расположен на наружной трубе 9.
Нижняя часть полости рабочей камеры 11 заполнена жидкометаллическим теплоносителем.
Свободный конец трубопровода подачи воды 13 и свободный торец внутренней колонны 1 расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя.
Циклон установлен в верхней части полости рабочей камеры 11.
Входной патрубок 2 циклона расположен над уровнем жидкометаллического теплоносителя.
Свободный конец патрубка возврата теплоносителя 10 из циклона выведен под уровень жидкометаллического теплоносителя. Это решение позволяет предотвратить образование восходящего газового потока в этом патрубке и не препятствует сливу жидкометаллического теплоносителя.
Трубопровод отвода пара 12 соединен через крышку 7 внешней колонны с выхлопным патрубком 3 циклона.
Контактный теплообменник работает следующим образом. Воду через трубопровод подачи воды 13 вводят в жидкометаллический теплоноситель, находящийся во внутренней колонне 1. Во внутренней колонне 1 вода нагревается, испаряется и всплывает в жидкометаллическом теплоносителе. При этом возникает эффект газлифта, побуждающий циркуляцию теплоносителя в полости внутренней колонны 1, в зазоре между внутренней колонной и корпусом 5 внешней колонны и наружной трубе 9. На выходе из наружной трубы 9 жидкометаллический теплоноситель нагревается при помощи нагревателя 8. Образующийся в рабочей камере 11 водяной пар сепарируется на свободных поверхностях жидкометаллического теплоносителя и поступает в циклон. В циклоне водяной пар очищается от капель и аэрозолей жидкометаллического теплоносителя, которые осаждаются на внутренних стенках корпуса 6 циклона и направляются под уровень жидкометаллического теплоносителя через патрубок возврата теплоносителя 10. Очищенный водяной пар выводится из рабочей камеры 11 через трубопровод отвода пара 12.
Пример конкретного исполнения контактного теплообменника
Конструктивные характеристики контактного теплообменника:
Внешняя колонна: высота корпуса 5 - 1,282 м; внутренний диаметр корпуса 5 - 0,198 м, материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Внутренняя колонна 1: наружный диаметр - 0,121 м; внутренний диаметр - 0,115 м; высота - 0,403 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Трубопровод отвода пара 12: внутренний диаметр - 0,016 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Трубопровод подачи воды 13: исполнение - «труба в трубе»; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т; наружный диаметр внешней трубки - 0,016 м; внутренний диаметр внешней трубки - 0,012 м; наружный диаметр внутренней трубки - 0,006 м; внутренний диаметр внутренней трубки - 0,003 м; термоизоляция между внутренней и внешней трубками - вермикулит.
Циклон: тип - цилиндрический; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т; внутренние диаметры патрубка возврата теплоносителя 10, входного 2 и выхлопного 3 патрубков - 0,020 м; внутренний диаметр корпуса 6 - 0,060 м, высота корпуса 6 - 0,100 м.
Нагреватель 8: тип - электронагреватель с мощность 10 кВт.
3
Жидкометаллический теплоноситель (ЖМТ): высота уровня - 0,420 м; тип теплоносителя - сплав Pb-Bi; температура - 540 K, объемный расход - 0,00011 м/c.
Вода: температура - 300 K, массовый расход - 0,002 кг/с.
Вырабатываемый водяной пар: температура - 470 K.
При использовании сепаратора чистота конденсата, образованного из генерируемого пара, по содержанию свинца соответствует ГОСТу, относящемуся к питьевой воде. Примесь свинца в конденсате в данном случае не превышает 0,03 мг/л.