ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Предлагаемая конструкция относится к оросительным теплообменным аппаратам, в которых жидкость охлаждает среду, проходящую через теплообменную камеру, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности, в качестве оросительного теплообменника.
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, громоздкость конструкции и, соответственно, большая металлоемкость, приводящие к потерям тепловой энергии и уменьшению интенсивности теплообмена.
Известен оросительный теплообменник, действующий при непосредственном контакте теплоносителей, содержащий корпус, опорные стержни с закрепленными на них насадками и полотнами, по которым стекает жидкий хладагент, при этом охлаждаемый воздух подается перекрестным током (патент РФ №2053477, МПК F28C 3/06, 1996 г.).
Недостатками данного теплообменника являются неравномерность толщины пленки жидкости по высоте и, соответственно, неравномерность ее прогрева, что снижает интенсивность теплообмена, громоздкость конструкции, приводящая к увеличению энергетических затрат и уменьшению интенсивности теплообмена.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, отличающийся тем, что распылитель выполнен в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, при этом на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35-55° к теплообменной поверхности (патент РФ №120205, МПК F28D 11/04, 10.09.2012 г.).
Недостатками данного теплообменника являются неравномерность расхода жидкого хладагента через спиральный распылитель по длине теплообменной поверхности, что приводит к снижению интенсивности теплообмена.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности теплообмена за счет равномерного распределения расхода жидкого хладагента по длине теплообменной поверхности.
Технический результат достигается тем, что оросительный теплообменник содержит корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, выполненного в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, при этом на трубке выполнена щелевая прорезь, по одному краю которой вдоль нее установлен бортик, направленный под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, а щелевая прорезь имеет переменный по длине геометрический профиль, ширина которого определяется соотношением
,
H
изб
где Q - начальный расход жидкого хладагента в трубке; D - внутренний диаметр трубки; p - избыточное давление в трубке; ρ - плотность жидкого хладагента; L - полная длина щелевой прорези; x - текущая длина щелевой прорези.
Выполнение жидкого хладагента в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности, позволяет снизить до минимума потери тепловой энергии за счет малой металлоемкости. Установка распылителя жидкого хладагента на подшипниках с возможностью вращения позволяет равномерно орошать теплообменную поверхность.
Установка на распылителе жидкого хладагента по одному краю вдоль щелевой прорези бортика под углом α=35-55° к теплообменной поверхности позволяет направлять поток жидкого хладагента на теплообменную поверхность тангенциально, что обеспечивает постоянный приток «свежего» хладагента, который обновляет «пограничный тепловой подслой» жидкости, а также приводит во вращение сам распылитель жидкого хладагента за счет динамической силы потока жидкости. Уменьшение, равно как и увеличение заявленного диапазона значений угла наклона приведет к неэффективному использованию динамической силы потока жидкого хладагента, что, в свою очередь, приведет к уменьшению скорости вращения распылителя жидкого хладагента, снижению интенсивности процесса теплопередачи и увеличению энергетических затрат.
Выполнение переменной ширины щелевой прорези на трубке - распылителе жидкого хладагента согласно соотношению
,
H
изб
где Q - начальный расход жидкого хладагента в трубке; D - внутренний диаметр трубки; p - избыточное давление в трубке; ρ - плотность жидкого хладагента; L - полная длина щелевой прорези; х - текущая длина щелевой прорези обеспечивает равномерность распределения расхода жидкого хладагента через щелевую прорезь по всей длине теплообменной поверхности, позволяя равномерно по длине теплообменной поверхности обновлять «пограничный тепловой подслой» жидкости, что приводит к увеличению средней движущей силы процесса теплообмена и, в свою очередь, к увеличению его интенсивности. Несоблюдение заявленного соотношения приведет к снижению интенсивности процесса теплопередачи и увеличению энергетических затрат.
На фиг.1 показана схема оросительного теплообменника, на фиг.2 показан разрез оросительного теплообменника по А-А, на фиг.3 показана щелевая прорезь на спиральной трубке распылителя жидкого хладагента (в развернутом виде).
Оросительный теплообменник состоит из корпуса 1, теплообменной поверхности 2, распылителя 3 жидкого хладагента в виде трубки, имеющей форму спирали с щелевой прорезью, с одной стороны которой до длине установлен бортик 4, полой муфты 5, установленной на подшипниках, штуцера подачи жидкого хладагента 6, штуцеров для ввода 7 и вывода 8 охлаждаемой среды, поддона 9 для сбора отработанного хладагента.
Оросительный теплообменник работает следующим образом. Охлаждаемая среда через штуцер 7 подается внутрь корпуса 1 аппарата, проходит по длине теплообменника, контактируя с теплообменной поверхностью 2, и выводится через штуцер 8. Хладагент через штуцер 6 подается в полую муфту 5, а затем в распылитель 3, откуда через щелевую прорезь с бортиком 4, расположенным под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, в виде струй и капель тангенциально подается на теплообменную поверхность. За счет тангенциального распыла жидкого хладагента происходит постоянное обновление «пограничного теплового подслоя жидкости», создающего основное термическое сопротивление процессу теплопередачи. Кроме того, струи хладагента, проходя через щелевую прорезь с установленным на одной ее стороне бортиком, расположенным под углом α=35-55° к теплообменной поверхности, за счет динамической силы потока жидкости создают вращающий момент, который сообщается распылителю жидкого хладагента, приводя его во вращательное движение относительно продольной оси аппарата. Это позволяет постоянно обеспечивать приток «свежего» хладагента ко всей теплообменной поверхности. Отработанный хладагент стекает в поддон 9.
Таким образом, предлагаемый оросительный теплообменник позволяет увеличить интенсивность теплообмена за счет равномерного распределения расхода жидкого хладагента по длине теплообменной поверхности.