ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в энергетике, ЖКХ и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен теплообменный аппарат типа «труба в трубе», состоящий из теплообменных элементов, образованных двумя гладкими концентрически расположенными трубами (см. А.Г Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М., Химия, 1971. - с. 348-349).
Известные теплообменные аппараты с гладкими теплообменными элементами весьма громоздки и требуют большого расхода металла на единицу поверхности теплообмена. Для увеличения поверхности теплообмена такие аппараты выполняются из нескольких параллельных секций.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», содержащий две трубы, расположенные с образованием между ними межтрубного пространства, и выполненный в виде винтовой спирали (см. патент на полезную модель №133596 от 20.10.13 г. Бюл. №29).
Недостатком этих теплообменников является высокая металлоемкость конструкции, поскольку длина и живое сечение проточной части выполнена без учета особенности гидродинамики и теплообмена в аппаратах этого класса.
Задачей полезной модели является повышение эффективности и снижение металлоемкости аппарата путем оптимизации длины и живого сечения проточных частей винтовой спирали змеевикового теплообменника.
Технический результат достигается тем, что проточные части змеевикового теплообменника выполнены с сужающимися живыми сечениями.
На фиг. 1 представлен змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», содержащий две трубы, расположенные с образованием между ними трубного пространства и изготовленный по винтовой спирали.
Отличительным признаком предлагаемого змеевикового теплообменника является технологически и конструктивно обоснованная конфигурация труб змеевиков теплообменника, путем задания их проточной части с сужающимися живыми сечениями и образующими пространственные винтовые спирали.
Змеевиковый теплообменник работает следующим образом. При противоточной схеме движения теплоносителей холодная вода через штуцер 1 поступает во внутреннюю трубу 2, выполненную с сужающимся живым сечением.
Одновременно через штуцер 3, установленный во внешнем змеевике 4, в межтрубное пространство 5 подается насыщенный водяной пар.
Пройдя проточную часть теплообменника, горячая вода через штуцер 6, а пар через штуцер 7 выводятся из аппарата.
1
В процессе движения нагреваемого теплоносителя (воды) по трубе 2, проточная часть которой выполнена с сужающимся живым сечением, скорость теплоносителя увеличивается, т.к. заданный расход жидкости остается постоянным, а живое сечение проточной части трубы уменьшается. Это вызывает рост критерия Рейнольдса (турбулизацию потока), а, следовательно, и коэффициентов теплоотдачи (α) от внутренней стенки к ядру потока.
При подаче пара в межтрубное пространство 5, выполненное с сужающимся живым сечением, скорость пара также увеличивается.
2
В этом случае наряду с ростом критерия Рейнольдса, под действием центробежной силы (в результате движения теплоносителя по змеевику), происходит сброс конденсатной пленки, что вызывает снижение термического сопротивления конденсантной пленки и тем самым рост процесса теплоотдачи от пара к внешней стенке внутренней трубы, выполненной с сужающимся живым сечением. Этот эффект способствует увеличению коэффициента теплоотдачи (α) от пара к внешней стенки внутренней трубы.
1
2
В целом увеличение коэффициентов α и α ведет к росту коэффициента теплопередачи, а в последующем снижению габаритов теплообменника.
Следует отметить особенности течения жидкости в проточной части внутренней трубы с сужающимся живым сечением при малых и средних расходах теплоносителя, где на короткой длине пространственной винтовой спирали формируется развитый турбулентный режим течения. Это повышает эффективность теплообмена в змеевиковом аппарате и позволяет сократить длину проточной части змеевикового теплообменника.
В условиях течения теплоносителя в трубе с постоянным поперечным живым сечением при малых и средних расходах теплоносителя на той же длине пространственной винтовой спирали формируется чаще всего ламинарный или переходной режим течения. Это снижает эффективность теплообмена в змеевиковом аппарате, что потребует увеличения длины проточной части винтовой спирали теплообменного аппарата.
Таким образом, предлагаемый змеевиковый теплообменник в результате оптимизации проточной части его винтовой спирали будет иметь существенно меньшие габариты, а, соответственно, и металлоемкость, в сравнении с прототипом, и обладать повышенной эффективностью.