ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое техническое решение относится к области теплотехники, в частности к вертикальным теплообменникам с неподвижными каналами для одного из теплоносителей, и другим теплоносителем, присутствующим в виде большой массы жидкости или газа, и может быть использовано для отвода тепла, в том числе в объектах наземной космической инфраструктуры, химической и медицинской промышленности.
Уже известно теплообменное устройство, содержащее подключенный к патрубкам подвода и отвода охлаждающей воды теплообменный элемент, встроенный в емкость, заполненную рабочей средой с расположенным в ее нижней части аэратором, при этом теплообменный элемент образован соосно размещенными обечайками, образующими между собой закрытый с торцов кольцевой канал с теплопередающими стенками, которыми являются обечайки. Между патрубками подвода охлаждающей воды и пленкообразователями в кольцевом канале размещена горизонтальная пластина /Патент РФ №2341748, F28D 1/04, 3/04, опубл. 2008 г. /.
Известное теплообменное устройство позволяет повысить теплопередачу за счет обеспечения более равномерного образования пленки по всей длине теплопередающего канала посредством пленкообразователей, установленных в кольцевом канале теплообменного элемента друг под другом с зазором относительно теплопередающих стенок, причем первый пленкообразователь выполнен в виде кольцевых пластин, размещенных под углом друг к другу с образованием между собой кольцевого зазора, а второй выполнен в виде соединенных между собой кольцевых пластин с образованием кольцевого элемента V-образного профиля с вершиной, направленной навстречу потоку воды, а величина зазора, образованного нижним пленкообразователем и теплопередающими стенками, превышает величину зазора, образованного верхним пленкообразователем и теплопередающими стенками.
Однако в известном устройстве в качестве теплоносителя использована вода температурный диапазон использования которой ограничен. Для предлагаемого теплообменного устройства температурный диапазон работы составляет от минус 10°С до минус 30°С, поэтому известное техническое решение, хотя и эффективно при положительной температуре воды, но не может быть применено при отрицательных температурах без промежуточного теплоносителя.
Задача предлагаемого технического решения состоит в повышении эффективности теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами при низкотемпературных условиях.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата в известном теплообменном устройстве, содержащем теплообменный элемент, подключенный к трубопроводу подачи охлаждающей среды, встроенный в емкость, выполненную в виде вертикально установленного цилиндрического резервуара, снабженного сферическими днищами с обоих его торцов люком в его верхней части, и заполненного охлаждаемой средой, при этом теплообменный элемент установлен соосно с резервуаром и содержит две соосно размещенные обечайки, являющиеся теплопередающими стенками, образующими между собой кольцевой канал, ограниченный в их верхней и нижней частях торцами обечаек, согласно предлагаемой полезной модели, теплообменный элемент дополнительно содержит трубопровод подачи сжиженного азота, снабженный на входе в него клапаном подачи, подключенным к средству управления им, герметичную цилиндрическую полость, ограниченную внутренней обечайкой и днищами, установленными с примыканием к верхнему и нижнему торцам этой обечайки и жестко связанными с ними, две сферические крышки теплообменного элемента, каждая из которых установлена соосно с кольцевым каналом и с примыканием, соответственно, к верхнему и нижнему торцам наружной обечайки, а цилиндрический резервуар выполнен теплоизолированным снаружи, снабжен сферическими днищами с обеих его торцов и установленными в верхнем сферическом днище дренажным патрубком с размещенным в нем клапаном подачи нейтрального газа и трубопроводом подачи охлаждаемой среды, закрепленным верхней его частью в верхнем сферическом днище резервуара и нижним открытым торцом в нижней части резервуара, упорами, выполненными на внутренней поверхности нижней части резервуара, при этом трубопровод сжиженного азота и трубопровод подачи охлаждающей среды, своей центральной частью размещены внутри герметичной полости параллельно вертикальной оси этой полости и закреплены в ее днищах, ограничивающих герметичную полость посредством крестовин, установленных с примыканием к наружной обечайке и выполненных в виде единой детали с каждым днищем этой герметичной полости и снабженных отверстиями, расположенными с возможностью сообщения кольцевого канала с полостями соответствующих сферических крышек теплообменного элемента, периферийными частями эти трубопроводы размещены в полостях верхней и нижней сферических крышек теплообменного элемента, и трубопровод сжиженного азота в полости нижней сферической крышки теплообменного элемента снабжен трубчатым коллектором подачи сжиженного азота с кольцевым расположением отверстий подачи, теплообменный элемент выполнен с оребрением на наружной стороне наружной обечайки и закреплен в люке цилиндрического резервуара посредством болтового соединения с возможностью взаимодействия с упорами этого резервуара посредством кронштейнов, жестко связанных с центрально установленным кольцом, выполненным с возможностью охвата наружной обечайки теплообменного элемента, причем трубопроводы подачи охлаждающей среды и сжиженного азота по всей длине выполнены с постоянным диаметром.
В качестве охлаждаемой среды в теплообменном устройстве может быть взято жидкое топливо.
В качестве охлаждающей среды в теплообменном устройстве может быть взят антифриз.
В качестве нейтрального газа может быть взят сжатый азот.
В результате проведенного поиска по научно-технической и патентной литературе не была выявлена известность предлагаемой совокупности существенных признаков.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого теплообменного устройства.
На фиг. 2 показано поперечное сечение по А-А нижней части резервуара и теплообменного элемента с трубчатым кольцевым коллектором подачи сжиженного азота. На фиг. 3 показан вид по стрелке Б упора резервуара и кронштейна крепления теплообменного элемента.
На фиг. 4 представлено вертикальное сечение В-В верхнего крепления теплообменного элемента к горловине люка резервуара с охлаждаемой средой.
На фиг. 5 показан вид по стрелке Г верхнего днища герметичной цилиндрической полости теплообменного элемента.
Представленное на фиг. 1-5 теплообменное устройство содержит теплообменный элемент 1, подключенный к трубопроводу 2 подачи охлаждающей среды, встроенный в емкость, выполненную в виде вертикально установленного цилиндрического резервуара 3, заполненного охлаждаемой средой и снабженного сферическими днищами 4 и 5, соответственно с верхнего торца и нижнего торца и люком 6, расположенным в верхней части резервуара 3.
Теплообменный элемент 1 установлен соосно с резервуаром 3 и содержит две соосно размещенные обечайки: внутреннюю 7 и наружную 8, являющиеся теплопередающими стенками. Обечайки 7 и 8 образуют между собой кольцевой канал 9, ограниченный в их верхней и нижней частях торцами 10 и 11 внутренней обечайки 7, соответственно, и торцами 12 и 13 наружной обечайки 8, соответственно.
Теплообменный элемент 1 дополнительно содержит трубопровод 14 подачи сжиженного азота, снабженный на входе в него клапаном 15 подачи, подключенным к средству 16 управления им, герметичную цилиндрическую полость 17, ограниченную внутренней обечайкой 7 и днищами 18 и 19, установленными соответственно с примыканием к верхнему 10 и нижнему 11 торцам этой обечайки и жестко связанными с ними. Теплообменный элемент 1 также содержит две сферические крышки 20 и 21, каждая из которых установлена соосно с кольцевым каналом 9 и с примыканием, соответственно, к верхнему 12 и нижнему 13 торцам наружной обечайки 8, соответственно, с возможностью сообщения кольцевого канала 9 с полостями 22 и 23 соответствующих сферических крышек 20 и 21 теплообменного элемента 1.
Цилиндрический резервуар 3 выполнен теплоизолированным снаружи, снабжен сферическими днищами 4 и 5 с верхнего и нижнего его торцов, соответственно, и установленными в верхнем сферическом днище дренажным патрубком 24 с размещенным в нем клапаном 25 подачи нейтрального газа под давлением и трубопроводом 26 подачи охлаждаемой среды, закрепленным верхней его частью в верхнем сферическом днище 4 резервуара 3 и нижним открытым торцом 27 в нижней части резервуара 3. Кроме того, цилиндрический резервуар снабжен упорами 28, выполненными на внутренней поверхности нижней части резервуара, а трубопровод 14 сжиженного азота и трубопровод 2 подачи охлаждающей среды, своей центральной частью размещены внутри герметичной цилиндрической полости 17 параллельно вертикальной оси 29 этой полости 17 и закреплены в ее днищах 18 и 19, ограничивающих герметичную полость 17 посредством крестовин 30 и 31, установленных с примыканием к наружной обечайке 8 и выполненных в виде единой детали с каждым днищем этой герметичной полости и снабженных отверстиями 32, расположенными с возможностью прохождения охлаждающей среды в кольцевой канал 9. Периферийными частями эти трубопроводы 14 и 2 размещены в полостях 22 и 23 верхней и нижней сферических крышек 20 и 21 теплообменного элемента 1.
Трубопровод 14 сжиженного азота в полости 23 нижней сферической крышки 21 теплообменного элемента 1 снабжен трубчатым кольцевым коллектором 33 подачи сжиженного азота с кольцевым расположением отверстий 34 подачи. Теплообменный элемент 1 выполнен с оребрением 35 на наружной стороне наружной обечайки 8 и закреплен в люке 6 цилиндрического резервуара 3 посредством болтового соединения 36 с возможностью взаимодействия с упорами 28 этого резервуара 3 посредством кронштейнов 37, жестко связанных с центрально установленным кольцом 38, выполненным с возможностью охвата наружной обечайки 8 теплообменного элемента 1.
Газообразный азот сбрасывается из кольцевого канала 9 теплообменного элемента 1 через штуцер 39 дренажа.
Трубопровод 2 подачи охлаждающей среды и трубопровод 14 подачи сжиженного азота по всей длине выполнены с постоянным диаметром.
Предлагаемое теплообменное устройство предназначено для подготовки охлаждаемой среды, например, жидкого топлива по заданным температурным параметрам перед моментом использования.
Работа предлагаемого теплообменного устройства осуществляется следующим образом.
Открывают клапан 25 на дренажном патрубке 24 и производят заполнение резервуара 3 по трубопроводу 26 подачи охлаждаемой средой из внешней транспортной емкости /не показана/. Подачу охлаждаемой среды осуществляют в нижней части резервуара 3 через нижний открытый торец 27 трубопровода 26.
Пространство между внутренней 7 и наружной 8 обечайками, образующее кольцевой канал 9, через трубопровод 2 подачи охлаждающей среды-антифриза заполняют антифризом. Причем открытый выходной торец трубопровода 2 подачи охлаждающей среды размещен в зоне нижней сферической крышки 23.
По сигналу средства 16 управления открывают клапан 15 подачи сжиженного азота и по трубопроводу 14 через отверстия 34 подачи сжиженного азота кольцевого трубчатого коллектора 33 осуществляют впрыск сжиженного азота в охлаждающую среду - антифриз. Отверстия 34 в трубчатом коллекторе 33 имеют кольцевое расположение.
Сжиженный азот, газифицируясь, в виде множества пузырьков, всплывает, турбулизируя антифриз, обеспечивая перемешивание и выравнивание его температуры во всем объеме кольцевого канала 9. Всплывающие пузырьки азота образуют холодную газовую подушку, обеспечивая аккумулирование холода в кольцевом канале 9 теплообменного элемента 1. Достигая полости 22, в верхней сферической крышке 4 через отверстия 32 газообразный азот сбрасывается из теплообменного элемента через штуцер 39 дренажа из кольцевого канала.
Наличие оребрения 35 на внешней стороне наружной обечайки 8 теплообменного элемента 1 значительно повышает интенсивность процесса теплопередачи за счет существенного увеличения поверхности теплопередачи между охлаждающей и охлаждаемой средами.
В качестве примера оптимизации размеров исполнения предлагаемого теплообменного устройства можно привести выполнение наружной обечайки кольцевого канала диаметром - 500 мм, внутренней обечайки кольцевого канала диаметром - 100 мм, диаметра трубопровода подачи сжиженного азота - 20 мм, диаметра трубопровода подачи охлаждающей жидкости - 30 мм, при диаметре резервуара - 1400 мм и диаметра трубчатого кольцевого коллектора - 300 мм.
Расход и время подачи сжиженного азота через отверстия подачи трубчатого коллектора устанавливают расчетно-экспериментальным путем.
Выдачу в расходные емкости подготовленной по температуре охлаждаемой среды осуществляют посредством подачи инертного газа под давлением (используют сжатый азот) через клапан 25 подачи нейтрального газа и дренажный патрубок 24. Охлаждаемую среду после достижения заданных температурных параметров выдавливают под давлением по трубопроводу 26 через нижний открытый торец 27 в нижней части резервуара 3.
Использование предлагаемого теплообменного устройства позволит существенно повысить эффективность теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами в предлагаемом теплообменном устройстве при низкотемпературных условиях путем оптимизации охлаждения внутри расположенной вдоль всей длины резервуара герметичной цилиндрической полости 17, в частности эффективного охлаждения самой стенки внутренней обечайки 7 теплообменного элемента 1 от трубопровода 14 сжиженного азота, а также эффективности охлаждения охлаждающей средой внутри кольцевого канала 9, подверженной воздействию пузырьков сжиженного азота, полученных в кольцевом трубчатом коллекторе 34. Кроме того, наличие оребрения 35 на ее поверхности также повышает интенсивность процесса теплообмена через наружную обечайку 8.