ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным аппаратам, в которых кипящая жидкость охлаждает среду, проходящую через теплообменную камеру, и может быть использована в химической, нефтехимической, металлургической, атомной, энергетической и других отраслях промышленности в качестве оросительного теплообменника, когда требуется быстрое охлаждение жидкости в теплообменной камере.
Известен оросительный холодильник действующий по принципу орошения горизонтального пучка труб струями охлаждающей жидкости, состоящий из нескольких трубных секций, соединенных калачами, при этом жидкий хладагент струями непрерывно стекает по трубам сверху вниз, а охлаждаемая жидкость подается противотоком внутрь труб (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов, 10-е изд. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004 г. - 753 с).
Недостатками данного аппарата являются неравномерное струйное орошение поверхности труб, приводящее к уменьшению площади поверхности теплообмена, а также низкая теплоотдача от орошаемой жидкости к теплообменной поверхности, что снижает производительность по охлаждаемой среде, проходящей через теплообменную камеру.
Известен оросительный холодильник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность, распылитель для ввода жидкого хладагента в газовый поток, распределительную решетку в виде листа с равномерно расположенными отверстиями и подключенный к подрешеточной полости коллектор для подачи газа, при этом с целью интенсификации теплообмена распылитель размещен в подрешеточной полости, а в распределительной решетке по крайней мере на одной стороне листа выполнены ряды параллельных пазов, проходящих через отверстия, и перпендикулярные ряды пазов, проходящих между отверстиями, причем лист с обеих сторон снабжен слоями капиллярно-пористого материала (авторское свидетельство СССР №1160796, МКП F28D 5/00, F25D25/02, 2006 г.).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость теплоотдачи от жидкого хладагента к теплообменной поверхности, что приводит к снижению производительности по охлаждаемой среде.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, при этом распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, а на трубе расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности. (Описание полезной модели к патенту РФ №120205, F28D 11/04, 2012 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится струйное стекание орошающего теплообменную поверхность жидкого хладагента и невысокий коэффициент теплоотдачи от него к этой поверхности, что снижает скорость теплопереноса тепловой энергии к жидкому хладагенту и производительность по охлаждаемой среде.
Техническим результатом предлагаемой конструкции оросительного теплообменника является повышение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, причем распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, а на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, при этом на теплообменной поверхности выполнены вогнутые полусферы с диаметром, подчиняющимся выражению:
где D - диаметр каждой вогнутой полусферы, мм;
d - диаметр сопла, мм.
Выполнение на теплообменной поверхности в виде вогнутых полусфер позволяет обеспечить капельное кипение охлаждающей жидкости, находящейся в каждой полусфере, при попадании охлаждающей жидкости на теплообменную поверхность, а кипение охлаждающей жидкости в виде капель интенсифицирует процесс отвода тепла от теплообменной поверхности к охлаждающей жидкости, что повышает производительность. Кроме того, нахождение каждой капли в вогнутой полусфере увеличивает поверхность контакта, так как такая поверхность теплопередачи больше гладкой теплообменной поверхности, используемой в прототипе, что также повышает производительность.
Уменьшение минимального значения соотношения (1), равного 1,2, может привести к переливанию капель кипящей жидкости через верхний край полусфер, в которых кипят капли, и их стеканию вниз в поддон.
Это уменьшает скорость теплообмена и снижает производительность. Кроме того, парожидкостная смесь при кипении капель внутри полусфер увеличивается в объеме. В этом случае вместо капельного кипения внутри каждой полусферы создается режим пленочного кипения, при котором теплоотдача меньше, чем при капельном кипении. Это также уменьшает производительность.
Увеличение максимального значения соотношения (1), равного 1,4, приводит к значительному увеличению объема полусферы по сравнению с объемом капли, выходящей из сопла распылителя.
В этом случае увеличивается несмоченная кипящей каплей поверхность полусферы, в которой она находится. Это часть поверхности полусферы отдает тепловую энергию не внутрь корпуса, где происходит охлаждение, а возвращает наружу. Это уменьшает передачу тепловой энергии к охлаждаемой среде и снижает производительность.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой конструкции оросительного теплообменника; на фиг. 2 - фрагмент теплообменной поверхности с трубкой и соплом по виду I.
Оросительный теплообменник состоит из корпуса 1, теплообменной поверхности 2, распылителя 3 жидкого хладагента в виде трубки, имеющей форму спирали с расположенными на ней соплами 4, полой муфты 5, установленной на подшипниках, патрубка подачи хладагента 6, патрубков для ввода 7, вывода 8 охлаждаемой среды и поддона 9 для сбора отработанного хладагента. Теплообменная поверхность 2 выполнена в виде вогнутый полусфер 10 с диаметром, подчиняющимся условию (1).
Оросительный теплообменник работает следующим образом.
Охлаждаемую среду через патрубок 7 подают внутрь корпуса 1, которая проходит по длине теплообменника, контактируя с теплообменной поверхностью 2, и выводят через патрубок 8. Хладагент через патрубок 6 подают в полую муфту 5, а затем в распылитель 3, откуда через сопла 4, расположенные под углом α=35-55°, направляют на теплообменную поверхность 2. За счет распыла жидкого хладагента происходит попадание капель в вогнутые полусферы 10, где капли кипят. Кипение капель значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи от поверхности вогнутости полусфер 10 по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от жидкой капли. Это значительно увеличивает производительность по охлаждаемой среде, находящейся внутри корпуса 1. Кроме того, поверхность полусфер 10 значительно увеличивает поверхность теплоотдачи, что также способствует росту производительности.
Из-за тангенциального направления распыла жидкого хладагента струи и капли хладагента, проходя через расположенные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности 2 сопла 4, за счет динамической силы потока жидкости создают вращающийся момент, который сообщается распылителю 3 жидкого хладагента, приводя его во вращательное движение относительно продольной оси корпуса 1. Это позволяет постоянно обеспечивать приток свежего хладагента ко всей теплообменной поверхности 2, дробление его и попадания в виде капель внутрь вогнутых полусфер 10.
Неиспарившаяся часть капель стекает в поддон 9.
Таким образом, выполнение теплообменной поверхности 2 в виде полусфер 10 с диаметром, подчиняющихся выражению (1), позволяет увеличить величину теплообменной поверхности 2, а дробление пленки и струй жидкого хладагента на капли обеспечивает капельное кипение жидкого хладагента внутри полусфер 10, что способствует росту теплоотдачи от теплообменной поверхности 2 к кипящим каплям хладагента. В целом оба преимущества по сравнению с гладкой теплообменной поверхностью 2 в прототипе способствует росту производительности по охлаждаемой среде в корпусе 1.