ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в энергетике, строительстве и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен змеевиковый теплообменник, кожух которого выполнен в виде сопряженных цилиндра и гиперболоида, повторяющий наружный профиль змеевика и установленного по отношению к кожуху зазором (см. авт.свидетельство №1372173 от 07.02.88. Бюл. №5).
Известный змеевиковый теплообменник весьма громоздкий, требует весьма большого расхода металла на единицу поверхности теплообмена.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», проточная часть которого выполнена в виде усеченного прямого конуса (см. патент РФ на пол. модель №155676 от 12.02.15. Бюл. №29) (прототип).
Недостатками прототипа являются высокая металлоемкость аппарата и сложность вывода аппарата на оптимальный режим его работы.
Целью полезной модели является интенсификация процессов теплообмена и значительное снижение металлоемкости аппарата.
Отличительным признаком предлагаемого змеевикового аппарата для проведения процессов теплообмена от указанного прототипа является то, что внешний контур теплообменника выполнен по экспоненциальной кривой.
На фиг. 1 представлен общий вид аппарата, на фиг. 2 - узел I фиг. 1.
Змеевиковый аппарат для проведения процессов теплообмена состоит из внутреннего змеевикового теплообменного элемента 1, контур которого выполнен по экспоненциальной кривой, или из гладкой цилиндрической трубы, или пружинно-витого канала (см. пат. РФ №62694 от 27.04.07. Бюл. №12, №64750 от 10.07.07. Бюл. №19, №159647 от 20.02.16. Бюл. №5), или винтовой трубы по типу «конфузор-диффузор» (см. пат. РФ №119452 от 20.08.12. Бюл. №23, №126813 от 10.04.13. Бюл. №10, №140683 от 20.05.14 Бюл. №14, №164319 от 27.08.16. Бюл. №24) и внешнего коаксиального корпуса аппарата, выполненного в виде змеевика 2 (металлической или полимерной трубы) так, что между внутренней поверхностью внешнего кожуха и внешней поверхностью внутреннего змеевика образуется межтрубное пространство 3.
Змеевиковый аппарат для проведения процессов теплообмена работает следующим образом: во внутренний змеевик, выполненный по экспоненциальной кривой, подается вода, а в межтрубное пространство, также выполненное по экспоненциальной кривой, в противоток -насыщенный пар. При таком конструктивном решении жидкость движется, во-первых, по сложной траектории в случае пружинно-витой трубы, по виткам проточной части внутреннего змеевика или элементам типа «конфузор-диффузор» трубы 1, где реализуется закрученное течение по элементам описанных труб, и, во-вторых, по винтовой линии, определяемой витками самого винтового аппарата. Пар, подаваемый в межтрубное пространство, также совершает закрученное движение, что вызывает сброс конденсатной пленки с внешней поверхности внутреннего змеевика, тем самым увеличивая коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. Анализ экспериментальных данных коэффициентов теплоотдачи от «витка к витку» показал отличие этих коэффициентов в среднем на 20…25% от расчетных значений по известному критериальному уравнению (см. Михеев. Основы теплопередачи», М. - Л.: Госэнергоиздат, 1949. - 396 с.), причем характер этих изменений укладывается в экспоненциальный закон, описываемый уравнением Нуссельта-Гретца (см. Беннет К.О., Майерс Дж.Е. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. М.: "Недра", 1966. с. 315-318).
В целях оптимизации геометрии змеевикового теплообменника предлагается внешний контур аппарата также выполнить по экспоненциальной кривой.
Следует отметить, что из-за небольшого сечения межтрубного пространства даже при небольших расходах достигаются высокие скорости движения теплоносителя. Это позволяет получить высокие коэффициенты теплопередачи, достигать существенных тепловых нагрузок на единицу массы аппарата при меньших гидравлических сопротивлениях проточной части аппарата по сравнению с прототипом, что потребуем меньше энергии на «прокачку» сред в трубах предлагаемого змеевикового аппарата.
Змеевиковые теплообменники предлагаемой конструкции могут быть применены при больших разностях температур внутреннего и внешнего змеевиков, поскольку за счет своей формы обеспечивают компенсацию температурных деформаций между ними.
Если требуется большая поверхность теплообмена, то предлагаемые аппараты могут быть скомпонованы из нескольких секций путем их последовательной установки друг за другом или смонтированы друг в друге с образованием «елки».