КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
CONTACT HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в парогенераторах и опреснителях при производстве водяного пара и пресной воды.
Известна установка для опреснения воды [Авторское свидетельство СССР на изобретение №1733489. Установка для опреснения воды. Опубл. 15.05.1992. Бюл. №18].
Установка содержит контактный опреснитель - рабочую камеру, выполненную в виде двух вертикальных коаксиально установленных колонн, патрубка подвода исходного раствора с распределительной решеткой, конденсатор с отводящим патрубком, патрубки подвода и отвода гидрофобного теплоносителя, нагреватель. Устройство снабжено колоннами, соединенными трубопроводами с байпасной линией с патрубками отвода гидрофобного теплоносителя и нагревателем.
Недостатком известного устройства является то, что через стенку внутренней колонны рабочей камеры происходит вредный нагрев экстрагируемого теплоносителя, ранее охлажденного за счет взаимодействия с исходным раствором.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является прямоконтактный парогенератор [I.Kinoshita, Y.Nishi. Heat Transfer Characteristics of a Direct Contact Stream Generator with Low Melting point Allow and Water. 10-th International Heat Transfer Conference, 1994, Volume 3, paper 5 - NR - 13/14 - 18 August, 1994, Brighton, UK].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является прямоконтактный парогенератор [I. Kinoshita, Y. Nishi. Heat Transfer Characteristics of a Direct Contact Stream Generator with Low Melting point Allow and Water. 10-th International Heat Transfer Conference, 1994, Volume 3, paper 5 - NR - 13/14 - 18 August, 1994, Brighton, UK].
Прямоконтактный парогенератор состоит из рабочей камеры, выполненной в виде двух коаксиально установленных колонн, трубопровода с двойными стенками для подачи воды в объем жидкометаллического теплоносителя, контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя, нагревателя и трубопровода отвода пара.
Недостатком известного устройства является возможность вредного интенсивного теплообмена через поверхность внутренней колонны рабочей камеры между смесью теплоносителя и испаряемой воды и теплоносителем после зоны испарения. Последствиями этого теплообмена могут быть шлакование наружных поверхностей внутренней колонны, ухудшение гидравлических характеристик парогенератора, снижение температуры генерируемого пара и неэффективное использование потребляемой энергии.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанные недостатки, а именно предотвратить интенсивный теплообмен между смесью теплоносителя и испаряемой жидкостью и теплоносителем после зоны испарения жидкости и, соответственно, минимизировать шлакование поверхностей устройства, улучшить гидравлические характеристики парогенератора, повысить температуру генерируемого пара, эффективность использования потребляемой энергии.
Для исключения указанных недостатков в контактном теплообменнике, состоящем из внешней колонны, образованной цилиндрическим корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны в виде цилиндрической обечайки, расположенной на днище внешней колонны, наружной трубы, соединяющей между собой днище и корпус внешней колонны и сообщенной через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры, трубопровода подачи воды, проходящего через крышку внешней колонны, трубопровода отвода пара, установленного на крышке внешней колонны и сообщенного через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры, и нагревателя, расположенного на наружной трубе, причем нижняя часть полости рабочей камеры заполнена жидкометаллическим теплоносителем, свободный конец трубопровода подачи воды и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя, предлагается:
- внутреннюю колонну выполнить из внешней и внутренней обечаек;
- внутреннюю обечайку установить внутри внешней обечайки;
- кольцевой канал между внешней и внутренней обечайками заполнить термоизоляцией;
- в верхней части кольцевого канала между внешней и внутренней обечайками установить кольцевую вставку, исключающую контакт жидкометаллического теплоносителя с термоизоляцией.
В частном случае исполнения контактного теплообменника предлагается в качестве термоизоляции использовать вату базальтовую или вермикулит в гранулах.
Технический результат предложенного технического решения состоит в повышении тепловой эффективности контактного теплообменника.
Продольное осевое сечение контактного теплообменника представлено на чертеже. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - внешняя обечайка; 2 - внутренняя обечайка; 3 - днище внешней колонны; 4 - кольцевая вставка; 5 - корпус внешней колонны; 6 - крышка внешней колонны; 7 - нагреватель; 8 - наружная труба; 9 - рабочая камера; 10 - термоизоляция; 11 - трубопровод отвода пара; 12 - трубопровод подачи воды.
Контактный теплообменник состоит из внешней и внутренней колонн, наружной трубы 8, трубопровода подачи воды 12, трубопровода отвода пара 11 и нагревателя 7.
Внешняя колонна образована цилиндрическим корпусом 5, торцы которого ограничены крышкой 6 и днищем 3.
Внутренняя колонна имеет вид цилиндрической обечайки и расположенной на днище 3 внешней колонны.
Наружная труба 8 соединяет между собой днище 3 и корпус 5 внешней колонны и сообщена через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры 9.
Трубопровод подачи воды 12 проходит через крышку 6 внешней колонны.
Трубопровод отвода пара 11 установлен на крышке 6 внешней колонны и сообщен через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры 9.
Нагреватель 7 расположен на наружной трубе 8.
Нижняя часть полости рабочей камеры 9 заполнена жидкометаллическим теплоносителем.
Свободный конец трубопровода подачи воды 12 и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя.
Внутренняя колонна состоит из внешней 1 и внутренней 2 обечаек.
Внутренняя обечайка 2 установлена внутри внешней обечайки 1.
Кольцевой канал между внешней 1 и внутренней 2 обечайками заполнен термоизоляцией 10.
В верхней части кольцевого канала между внешней 1 и внутренней 2 обечайками установлена кольцевая вставка 4, исключающая контакт жидкометаллического теплоносителя с термоизоляцией 10.
В частном случае выполнения контактного теплообменника в качестве термоизоляции 10 используют вату базальтовую или вермикулит в гранулах.
Использование термоизоляции 10 во внутренней колонне приводит к интенсификации циркуляции жидкометаллического теплоносителя в нижней части рабочей камеры 9, повышению его температуры в зоне испарения и, соответственно, увеличению температуры генерируемого пара.
Контактный теплообменник работает следующим образом.
Вода через трубопровод подачи воды 12 подается под уровень жидкометаллического теплоносителя в полость внутренней колонны. В полости внутренней колонны вода нагревается, испаряется, всплывает в виде паровых пузырей и сепарируется на свободной поверхности жидкометаллического теплоносителя в верхнюю часть полости рабочей камеры 9. При этом возникает эффект газлифта, побуждающий попутно пару движение жидкометаллического теплоносителя. Нагрев и испарение воды во внутренней колонне сопровождается охлаждением и переливом жидкометаллического теплоносителя в кольцевой зазор, образованный внешней и внутренней колоннами и в дальнейшем его движением в наружной трубе 8. После нагрева жидкометаллического теплоносителя, он снова попадает в полость внутренней колонны и взаимодействует с водой, подливаемой под уровень жидкометаллического теплоносителя в полости внутренней колонны. Сепарирующийся в верхней части полости рабочей камеры 9 водяной пар отводится из нее через трубопровод отвода пара 11.
Пример конкретного исполнения контактного теплообменника
Конструктивные характеристики контактного теплообменника:
Внешняя колонна: высота корпуса 5 - 1,282 м; внутренний диаметр корпуса 5 - 0,198 м, материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Внутренняя колонна; наружный диаметр внутренней обечайки 2 - 0,104 м; внутренний диаметр внутренней обечайки 2 - 0,101 м; наружный диаметр внешней обечайки 1 - 0,121 м; внутренний диаметр внешней обечайки 1 - 0,118 м; высота внешней 1 и внутренней 2 обечаек - 0,403 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т; тип термоизоляции 10 - вермикулит в гранулах.
Трубопровод отвода пара 11: внутренний диаметр - 0,016 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Трубопровод подачи воды 12: исполнение - «труба в трубе»; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т; наружный диаметр внешней трубки - 0,016 м; внутренний диаметр внешней трубки - 0,012 м; наружный диаметр внутренней трубки - 0,006 м; внутренний диаметр внутренней трубки - 0,003 м; термоизоляция между внутренней и внешней трубками - вермикулит.
3
Жидкометаллический теплоноситель (ЖМТ): высота уровня - 0,420 м; тип теплоносителя - сплав Pb-Bi; температура - 614 К, объемный расход - 0,0001 м/c.
Вода: температура - 300 К, массовый расход - 0,002 кг/с.
Вырабатываемый водяной пар: температура - 515 К.
Нагреватель 7: тип - электронагреватель с мощность 10 кВт.
При использовании термоизоляции объемный коэффициент теплоотдачи в рабочей камере 9 увеличивается до 15%.