вертикальный теплообменный элемент коденсатора

Формула изобретения

1. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОДЕНСАТОРА, содержащий трубу с оребренными участками на ее внутренней поверхности, каждый из которых выполнен в виде гофрированной обечайки с чередующимися продольными выступами и канавками, плотно прилегающими вершинами наружных гофр к внутренней стенке трубы, причем в зоне торцов труба выполнена с гладкой внутренней поверхностью, отличающийся тем, что по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов гофрированной обечайки выполнены конденсатоотводящие отверстия, сообщающие полости между обечайкой и трубой с полостью трубы.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что гофрированная обечайка в верхней части выполнена с дополнительными продольными ребрами, имеющими глубину и шаг меньше, чем у гофр обечайки, и имеющими скругленные вершины, между которыми расположены продольные канавки со сходящимися боковыми сторонами, а канавки нижнего участка обечайки имеют профиль в виде полуокружностей, сопряженных с боковыми сторонами с помощью касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса, причем последний составляет 0,25 0,4 расстояния между вершинами смежных ребер.

3. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что гофрированная обечайка выполнена из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность материала трубы.

4. Элемент по пп. 1 3, отличающийся тем, что гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок, по периметру нижнего торца герметично соединена с трубой.

5. Элемент по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что в полостях между гофрированной обечайкой, образующей верхний оребренный участок, и трубой расположена металлическая стружка с высокой теплопроводностью.

6. Элемент по пп. 1, 4 и 5, отличающийся тем, что гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок, по периметру верхнего торца герметично соединена с трубой.

7. Элемент по пп. 1 6, отличающийся тем, что в зоне конденсатоотводящих отверстий в выступах обечайки смежные с этими выступами канавки снабжены потоконаправляющим выступом, ориентированным в направлении к оси элемента.

8. Элемент по пп. 1 7, отличающийся тем, что потоконаправляющий выступ имеет полусферическую форму.

9. Элемент по пп. 1 7, отличающийся тем, что каждый потоконаправляющий выступ имеет форму ласточкина хвоста в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной, обращенной к верху элемента.

10. Элемент по пп. 1 9, отличающийся тем, что у нижней кромки конденсатоотводящего отверстия боковые стенки гофр деформированы с образованием суженного участка канавки между ними.

11. Элемент по пп. 1 10, отличающийся тем, что выступы нижерасположенной гофрированной обечайки размещены под канавками верхней обечайки, при этом полости этих канавок сообщены с полостями между трубой и обечайкой.

12. Элемент по пп. 1 11, отличающийся тем, что боковые стенки гофр нижерасположенных обечаек, примыкающие к их верхним кромкам, деформированы с образованием расширяющегося участка канавки между ними.

13. Элемент по пп. 1 12, отличающийся тем, что на участке каждой канавки, примыкающем к нижнему торцу, гофрированная обечайка имеет скос с уменьшением толщины ее стенки в направлении к низу элемента.

14. Элемент по пп. 1 13, отличающийся тем, что к нижнему торцу гофрированной обечайки, образующей нижний оребренный участок, примыкает кольцо с гладкой наружной поверхностью и внутренней поверхностью, контактирующее с внутренней поверхностью трубы.

15. Элемент по пп. 1 14, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольца со стороны верхнего торца имеет скос, при этом толщина кольца в зоне скоса уменьшается в направлении снизу вверх.

16. Элемент по пп. 1 15, отличающийся тем, что труба имеет круглое поперечное сечение.

17. Элемент по пп. 1 15, отличающийся тем, что труба имеет овальное поперечное сечение.

18. Элемент по пп. 1 16, отличающийся тем, что труба снабжена наружными ребрами в виде жестко закрепленной непрерывной спирали.

19. Элемент по пп. 1 17, отличающийся тем, что труба снабжена жестко закрепленными наружными ребрами, отверстия которых имеют бурты, выполненные за одно целое с ребром, и примыкающие к наружной поверхности трубы, причем торцевые кромки буртов вплотную примыкают к боковой поверхности смежного ребра.

20. Элемент по пп. 1 17 и 19, отличающийся тем, что по краям каждого ребра расположены попарно симметрично относительно осей поперечного сечения трубы четыре П-образные просечки и соответствующие им перпендикулярно отогнутые лепестки, причем торцевая кромка каждого лепестка прилегает к боковой поверхности одного из смежных ребер, а просечки смежных ребер симметрично смещены относительно друг друга.

21. Элемент по пп. 1 17, 19 и 20, отличающийся тем, что пластины ребер имеют турбулизирующие выступы.

22. Элемент по пп. 1 17 и 18, отличающийся тем, что трубы снабжена наружными ребрами, выполненными из навитой профильной проволоки, имеющей в поперечном сечении форму участка овала с основанием, параллельным большей оси овала, причем высота ребра не превышает половины малой оси овала, выпуклая сторона обращена в сторону от оси элемента, а со стороны основания проволока закреплена к поверхности трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к элементам конструкции теплообменных аппаратов, используемых для конденсации пара в энергетике и химической промышленности.

Известна вертикальная гладкая теплообменная труба с установленными по высоте трубы на нее конденсатоотводными колпачками [1]

Недостатком такой теплообменной трубы с конденсатоотводными колпачками является низкий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара внутри трубы и низкий коэффициент теплоотдачи нагреваемой среде с ее наружной стороны.

Наиболее близким по конструктивному выполнению к изобретению является вертикальный теплообменный элемент конденсатора, содержащий трубу с оребренными участками на ее внутренней поверхности, каждый из которых выполнен в виде гофрированной обечайки с чередующимися продольными выступами и канавками, плотно прилегающей вершинами наружных гофр к внутренней стенке трубы, причем в зоне торцов труба выполнена в гладкой внутренней поверхностью [2]

Недостатками такого теплообменного элемента конденсатора являются низкий коэффициент теплоотдачи при конденсации пара внутри теплообменного элемента и низкий коэффициент теплоотдачи нагреваемой среде с его наружной стороны.

Цель изобретения увеличение коэффициента теплопередачи и уменьшение массы теплообменного элемента конденсатора.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции вертикального теплообменного элемента конденсатора, содержащего трубу с оребренными участками на ее внутренней поверхности, каждый из которых выполнен в виде гофрированной обечайки с чередующимися продольными выступами и канавками, плотно прилегающей вершинами наружных гофр к внутренней стенке трубы, причем в зоне торцов труба выполнена с гладкой внутренней поверхностью, по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов гофрированной обечайки выполнены конденсатоотводящие отверстия, сообщающие полости между обечайкой и трубой с полостью трубы.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый вертикальный теплообменный элемент конденсатора отличается тем, что по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов гофрированной обечайки выполнены конденсатоотводящие отверстия, сообщающие полости между обечайкой и трубой с полостью трубы. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. элементов конструкции теплообменных аппаратов, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом вертикальном теплообменном элементе конденсатора, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведен вертикальный теплообменный элемент конденсатора; на фиг.2 фрагмент оребрения верхнего участка трубы; на фиг.3 фрагмент оребрения нижерасположенного участка трубы; на фиг.4 вертикальный теплообменный элемент конденсатора; на фиг.5 фрагмент выполнения верхнего торца оребрения верхнего участка трубы; на фиг.6 фрагмент выполнения потоконаправляющих выступов; на фиг. 7 фрагмент выполнения потоконаправляющих выступов; на фиг.8 фрагмент выполнения конденсатоотводящего отверстия; на фиг.9 фрагмент выполнения скоса в канаве обечайки; на фиг.10 фрагмент наружного оребрения элемента; на фиг.11 фрагмент наружного оребрения элемента; на фиг.12 наружное ребро с лепестками; на фиг.13 пластина ребра с турбулизирующими выступами; на фиг. 14 пластина ребра с турбулизирующими выступами; на фиг.15 фрагмент наружного оребрения элемента.

В вертикальном теплообменном элементе конденсатора, содержащем трубу 1 с оребренными участками (по меньшей мере) 2 и 3 на ее внутренней поверхности, каждый из которых выполнен в виде гофрированной обечайки с чередующимися продольными выступами 4 и канавками 5, плотно прилегающей вершинами 6 наружных гофр 7 к внутренней стенке трубы 1, причем в зоне торцов 8 и 9 труба 1 выполнена с гладкой внутренней поверхностью, по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов 4 гофрированной обечайки 3 (2) выполнены конденсатоотводящие отверстия 10, сообщающие полости между обечайкой 3(2) и трубой 1 с полостью трубы 1.

При этом гофрированная обечайка 2 в верхней части может быть выполнена с дополнительными продольными ребрами 11, имеющими глубину и шаг меньше, чем у гофр 4 обечайки 2 и имеющими скругленные вершины С, между которыми расположены продольные канавки 12 со сходящимися боковыми сторонами, а канавки 5 нижнего участка обечайки 2 имеют профиль в виде полуокружностей r, сопряженных с боковыми сторонами с помощью касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса r, причем последний составляет 0,25-0,4 расстояния а между вершинами смежных ребер 4 (см. фиг.1, 2, 3); гофрированная обечайка 2(3) может быть выполнена из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность материала трубы 1 (см. фиг.1), гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок 2, по периметру нижнего торца 13 может быть герметично соединена с трубой 1 (см, фиг.4), в полостях 14 между гофрированной обечайкой, образующей верхний оребренный участок 2, и трубой 1 может быть расположена металлическая стружка с высокой теплопроводностью (фиг.4); гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок 2, по периметру верхнего торца 15, может быть герметично соединена с трубой 1 (см. фиг.4, 5), в зоне конденсатоотводящих отверстий 10 в выступах 4 обечайки 3 (2) смежные с этими выступами канавки 5 могут быть снабжены потоконаправляющим выступом 16, ориентированным в направлении к оси элемента (см. фиг. 1, 6); потоконаправляющий выступ 16 может иметь полусферическую форму (см. фиг. 6); каждый потоконаправляющий выступ 16 может иметь форму ласточкиного хвоста, в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной 17, обращенной к верху элемента (см. фиг.7), у нижней кромки 18 конденсатоотводящего отверстия 10 боковые стенки гофр 4 могут быть деформированы с образованием суженного участка канавки 5 между ними (см. фиг.1), выступы 4 нижерасположенной гофрированной обечайки 3 могут быть размещены под канавками 5 верхней обечайки 2, при этом полости этих канавок 5 сообщены с полостями между трубой 1 и обечайкой 3 (см. фиг.4), боковые стенки гофр 4 нижерасположенных обечаек 3, примыкающие к их верхним кромкам 19, могут быть деформированы с образованием расширяющегося участка канавки 5 между ними (см. фиг. 4, 8), на участке каждой канавки 5, примыкающем к нижнему торцу 13, гофрированная обечайка 2 (3) может иметь скос 20 с уменьшением толщины ее стенки в направлении книзу элемента (см. фиг.4, 9), к нижнему торцу 13 гофрированной обечайки, образующей нижний оребренный участок 3, может примыкать кольцо 21 с гладкой наружной и внутренней поверхностью, контактирующее с внутренней поверхностью трубы 1 (см. фиг.1), внутренняя поверхность кольца 21 со стороны верхнего торца 22 может иметь скос 23, при этом толщина кольца 21 в зоне скоса 23 уменьшается в направлении снизу вверх (см. фиг.1), труба 1 может иметь круглое поперечное сечение (см. фиг.1), труба 1 может иметь овальное поперечное сечение (см. фиг.1), труба 1 может быть снабжена наружными ребрами 24 в виде жестко закрепленной непрерывной спирали (см. фиг.10), труба 1 может быть снабжена жестко закрепленными наружными ребрами 25, отверстия которых имеют бурты 26, выполненные за одно целое с ребрами 25 и примыкающие к наружной поверхности трубы 1, причем торцевые кромки 27 буртов 26 вплотную примыкают к боковой поверхности смежного ребра 25 (см. фиг.1, 11), по краям каждого ребра 25 могут быть расположены попарно симметрично относительно осей поперечного сечения трубы 1 четыре П-образные просечки 28 и соответствующие им перпендикулярно отогнутые лепестки 29, причем торцовая кромка каждого лепестка 29 прилегает к боковой поверхности одного из смежных ребер 25, а просечки 28 смежных ребер 25 симметрично смещены относительно друг друга (см. фиг.1, 12), пластины ребер 25 могут иметь турбулизирующие выступы 30 (см. фиг.13, 14), труба 1 может быть снабжена наружными ребрами 31, выполненными из навитой профильной проволоки, имеющей в поперечном сечении форму участка овала с основанием 32, параллельным большей оси овала, причем высота ребра 31 не превышает половины малой оси овала, выпуклая сторона 33 обращена в сторону от оси элемента, а со стороны основания 32 проволока закреплена к поверхности трубы 1 (см. фиг.4, 15).

Вертикальный теплообменный элемент конденсатора работает следующим образом. Поступающий в теплообменный элемент пар конденсируется на внутренней поверхности оребренных участков (по меньшей мере) 2 и 3 трубы 1, каждый из которых выполнен в виде гофрированной обечайки с чередующимися продольными выступами 4 и канавками 5, плотно прилегающей вершинами 6 наружных гофр 7 к внутренней стенке трубы 1, что обеспечивает значительную интенсификацию теплообмена, так как при этом увеличивается поверхность теплоотдачи со стороны пара, а стекающий по продольным канавкам 5 конденсат обеспечивает эффективное стягивание пленки конденсата с поверхности продольных выступов 4 гофрированной обечайки. Последнее оказывает более значительное влияние на увеличение теплоотдачи, чем увеличение поверхности теплообмена.

При движении конденсата вниз по канавкам 5 толщина его в последних увеличивается и на определенной высоте трубы 1 может произойти полное затопление продольных выступов 4 гофрированной обечайки. Это приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи. Выполнение по высоте выступов 4 гофрированной обечайки 3 (2) конденсатоотводящих отверстий 10, сообщающих полости между обечайкой 3 (2) и трубой 1 с полостью трубы 1, позволяет направить часть сбегающего ручья конденсата из каждой канавки 5 в вышеуказанные полости между обечайкой 3 (2) и трубой 1 и тем самым освободить часть поверхности выступов 4 обечайки от затопления конденсатом, интенсифицируя процесс теплоотдачи.

Форма конденсатоотводящих отверстий 10 может быть различной. В ряде случаев может применяться форма отверстий в виде клинообразного среза (см. фиг. 1). Размеры и форма, а также места расположения по высоте обечайки конденсатоотводящих отверстий 10 определяются опытным путем и зависят от тепловой нагрузки на теплообменный элемент, его геометрических размеров и других факторов.

Для ускорения формирования сбегающего ручья конденсата в верхней части гофрированной обечайки 2 она может быть выполнена в указанной части с дополнительными продольными ребрами 11, имеющими глубину и шаг меньше, чем у гофр 4 обечайки 2 и имеющими скругленные вершины С, между которыми расположены продольные канавки 12 со сходящимися боковыми сторонами. Нижний участок обечайки 2 для увеличения объемной вместимости конденсата канавками 5 и тем самым уменьшения затопляемости поверхности выступов 4, на которой происходит конденсация пара, может быть выполнен с канавками 5, имеющими профиль в виде полуокружностей r, сопряженных с боковыми сторонами с помощью касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса r, причем последний составляет 0,25-0,4 расстояния а между вершинами смежных ребер 4 (см. фиг.1, 2, 3).

Вышеуказанное выполнение гофрированной обечайки 2 обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи на обеих ее частях, так как верхняя часть ее эффективна при малой высоте ручья в канавках при мелком оребрении, а нижний участок обечайки 2 обеспечивает уменьшение указанной высоты ручья за счет профиля канавки и соответственно улучшает теплоотдачу.

Для увеличения коэффициента теплопередачи элемента гофрированная обечайка 2(3) может выполняться из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность материала трубы 1 (см. фиг.1). Для дальнейшей интенсификации процесса теплообмена гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок 2, по периметру нижнего торца 13 может быть герметично соединена с трубой 1 (см. фиг.4) по специально разработанной технологии. В этом случае полости между обечайкой 2 и трубой 1 с течением времени при работе конденсатора заполняются конденсатом, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи элемента, так как между трубой 1 и обечайкой 2 вместо влажного пара находится жидкость, обладающая высоким коэффициентом теплопроводности.

Кроме того, полости 14 между гофрированной обечайкой, образующей верхний оребренный участок 2, и трубой 1 могут быть заполнены металлической стружкой с высокой теплопроводностью (см. фиг.4), что приводит к дополнительному увеличению коэффициента теплопередачи, а для устранения попадания конденсата в указанные полости 14 между гофрированной обечайкой и трубой 1 по периметру верхнего торца 15 обечайка 2 может герметично быть соединена с трубой 1 (см. фиг. 4, 5). Такое соединение может быть выполнено с помощью сварки, перед которой боковые участки выступов 4, прилегающие к их торцевым кромкам 15, по специальной технологии могут быть сдеформированы с образованием контакта торца обечайки с трубой 1 по всему периметру (см. фиг.5), а также перед сваркой могут быть установлены специальные вставки 34, перекрывающие зазоры между выступами наружных гофр и трубой 1 (см. фиг.5).

Для улучшения отвода части конденсата, стекающего вниз по канавкам 5 обечайки 3(2), через конденсатоотводящие отверстия 10 в полости между обечайкой 3(2) и трубой 1 в зоне конденсатоотводящих отверстий 10 в выступах 4 обечайки 3(2) смежные с этими выступами канавки 5 могут снабжаться потоконаправляющим выступом 16, ориентированным в направлении к оси элемента (см. фиг. 1, 6). Форма выступа 16 может быть различной и, в частности, потоконаправляющий выступ 16 может иметь полусферическую форму (см. фиг.6) или форму ласточкиного хвоста, в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной, 17, обращенной к верху элемента (см. фиг.7). Для указанной выше цели у нижней кромки 18 конденсатоотводящего отверстия 10 боковые стенки гофр 4 могут быть деформированы с образованием суженного участка канавки 5 между ними (см. фиг.1). Выбор способа для улучшения отвода части конденсата, стекающего по канавкам 5 гофрированной обечайки 3(2), зависит от характеристик теплообменного элемента и его тепловой нагрузки.

С целью организации эффективного сброса части конденсата с верхнего оребренного участка 2 в полости между нижерасположенной гофрированной обечайкой 3 и трубой 1 выступ 4 нижерасположенной гофрированной обечайки 3 могут размещаться под канавками 5 верхней обечайки 2, при этом полости этих канавок 5 сообщаются с полостями между трубой 1 и обечайкой 3 (см. фиг.4). Такое взаимное расположение смежных обечаек 2 и 3 позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи на нижнем оребренном участке 3 теплообменного элемента за счет создания оптимальных условий для стягивания пленки конденсата сбегающим ручьем последнего с выступов 4 обечайки 3. Для увеличения части отводимого конденсата из канавок 4 гофрированной обечайки 2 в полости между обечайкой 3 и трубой 1 боковые стенки гофр 4 нижерасположенных обечаек 3, примыкающие к их верхним кромкам 19, могут быть деформированы с образованием расширяющегося участка канавки 5 между ними (см. фиг.4, 8).

Для обеспечения надежного стока части ручья конденсата из канавок 5 верхней гофрированной обечайки 2 полости между нижней обечайкой 3 и трубой 1 на участке каждой канавки 5, примыкающем к нижнему торцу 13, обечайка 2(3) может иметь скос 20 с уменьшением толщины ее стенки в направлении к низу элемента (см. фиг.4, 9). С целью увеличения прочности элемента к нижнему торцу 13 гофрированной обечайки, образующей нижний оребренный участок 3, может примыкать кольцо 21 с гладкой наружной и внутренней поверхностью, контактирующее с внутренней поверхностью трубы 1 (см. фиг.1). При этом для улучшения стока конденсата с гофрированной обечайки 3 внутренняя поверхность кольца 21 со стороны верхнего торца 22 выполняется со скосом 23 с уменьшением толщины кольца 21 в зоне скоса 23 в направлении снизу вверх (см. фиг.1). Труба 1 может иметь как круглое поперечное сечение, так и овальное поперечное сечение. В последнем случае вследствие увеличения коэффициента теплопередачи обеспечивается большая компактность элемента по сравнению с элементом, имеющим трубу 1 круглого поперечного сечения. При этом также в значительной мере уменьшается гидравлическое сопротивление конденсатора.

Для увеличения коэффициента теплоотдачи с наружной стороны элемента труба 1 может снабжаться наружными ребрами 24 в виде жестко закрепленной непрерывной спирали (см. фиг.10) или может снабжаться жестко закрепленными наружными ребрами 25, отверстия которых имеют бурты 26, выполненные за одно целое с ребрами 25, примыкающие к наружной поверхности трубы 1, причем торцевые кромки 27 буртов 26 вплотную примыкают к боковой поверхности смежного ребра 25 (см. фиг. 1, 11). Наличие бурта 26 у ребра 25 повышает прочность элемента и при этом обеспечивается одинаковый зазор между смежными ребрами 25.

Лепестки 29, расположенные по краям каждого ребра 25 (см. фиг.1, 12), предохраняют ребро от деформации при транспортировке и хранении теплообменных элементов конденсатора.

Турбулизирующие выступы 30 различной формы, выполняемые на пластинах ребер 25 (см. фиг.13, 14), увеличивают теплоотдачу с наружной стороны элемента.

Вышеуказанное оребрение целесообразно при использовании газа (воздуха) в качестве охлаждающего теплоносителя. При жидком охлаждающем теплоносителе целесообразно использование ребер 31, выполненных из навитой профильной проволоки, имеющей в поперечном сечении форму участка овала (см. фиг.4, 15). При этом ориентировочно отношение шага наружных ребер 31 к их высоте можно принимать близким к 10, а отношение высоты ребра к эквивалентному наружному диаметру трубы 1 может составлять 0,01-0,05. Более точно указанные величины определяются экспериментальным путем.

Таким образом, использование вертикального теплообменного элемента конденсатора для конденсации пара внутри него позволяет значительно интенсифицировать процесс теплопередачи, уменьшить массу конденсатора и сократить его габариты.