вертикальный теплообменный элемент конденсатора

Формула изобретения

1. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНДЕНСАТОРА, содержащий трубу с участками, снабженными наружным оребрением в виде чередующихся идентичных продольных выступов и канавок, причем в зоне торцов труба выполнена с гладкой наружной поверхностью, отличающийся тем, что оребрение участков, расположенных ниже верхнего, образовано гофрированными обечайками, примыкающими вершинами каждого внутреннего ребра к трубе, причем выступы каждого нижерасположенного участка размещены под канавками предыдущего участка, а полости между обечайкой и трубой сообщены с полостями вышерасположенных канавок.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что оребрение верхнего участка также образовано гофрированной обечайкой, примыкающей вершинами каждого внутреннего ребра к трубе.

3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что гофрированная обечайка, образующая верхний оребренный участок, по периметру нижнего торца герметично соединена с трубой.

4. Элемент по п. 1 и 3, отличающийся тем, что в полостях между гофрированной обечайкой, образующей верхний оребренный участок, и трубой расположена металлическая стружка с высокой теплопроводностью.

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

6. Элемент по пп. 1 5, отличающийся тем, что гофрированные обечайки выполнены из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность трубы.

7. Элемент по пп. 1 6, отличающийся тем, что каждая гофрированная обечайка по меньшей мере на отдельных участках по высоте элемента вершинами внутренних ребер жестко закреплена на поверхности трубы.

8. Элемент по пп. 1 7, отличающийся тем, что гофрированые обечайки, начиная с второй по высоте элемента, выполнены по меньшей мере в верхней части с дополнительными продольными ребрами, имеющими глубину и шаг меньше, чем гофр обечайки и имеющими скругленные вершины, причем канавки в нижней части обечайки имеют профиль в виде полуокружностей, сопряженных с боковыми сторонами посредством касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса, причем последний составляет 0,25 0,4 расстояния между вершинами смежных ребер.

9. Элемент по пп. 1,2 и 6 8, отличающийся тем, что по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов гофрированной обечайки выполнены конденсатоотводящие отверстия, сообщающие полости между обечайкой и трубой с наружной поверхностью обечайки.

10. Элемент по пп. 1 и 9, отличающийся тем, что в зоне отверстий в выступах обечайки смежные с этими выступами канавки снабжены потоконаправляющим выступом, ориентированным в направлении от оси элемента.

11. Элемент по пп. 1, 9 и 10, отличающийся тем, что каждый потоконаправляющий выступ имеет полусферическую форму.

12. Элемент по пп. 1, 9 и 10, отличающийся тем, что каждый потоконаправляющий выступ имеет форму ласточкина хвоста в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной, обращенной к верху элемента.

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

14. Элемент по пп. 1 13, отличающийся тем, что у верхней кромки гофрированной обечайки боковые стенки гофр деформированы с образованием расширяющегося участка канавки между ними.

15. Элемент по пп. 1 14, отличающийся тем, что на участке каждой канавки, примыкающем к нижнему торцу гофрированной обечайки, последняя имеет скос с уменьшением толщины ее стенки в направлении к низу элемента.

16. Элемент по пп. 1 15, отличающийся тем, что к нижнему торцу гофрированной обечайки, образующей нижний оребренный участок, примыкает конденсатоотводчик, выполненный в форме кольца, контактирующего с поверхностью трубы, на наружной поверхности которого расположены пары продольных ребер, а в промежутках между этими парами в нижней части кольца размещены лепестки, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента, при этом канал, образованный каждой парой ребер конденсатоотводчика, расположен под канавкой гофрированной обечайки, а полости между этой обечайкой и трубой сообщены с промежутками между парами ребер.

17. Элемент по пп. 1 и 16, отличающийся тем, что в нижней части конденсатоотводчика между ребрами каждой пары выполнены дополнительные лепестки, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента.

18. Элемент по пп. 1, 16 и 17, отличающийся тем, что в верхней части кольца в каналах, образованных каждой парой ребер, выполнены скосы, при этом толщина кольца в зоне скосов уменьшается в направлении снизу вверх.

19. Элемент по пп. 1 и 16 18, отличающийся тем, что под конденсатоотводчиком расположен плотно насаженный на трубу гладкий цилиндрический стакан.

20. Элемент по пп. 1 и 16 19, отличающийся тем, что в верхней части цилиндрического стакана выполнен скос с уменьшением толщины его стенки в направлении снизу вверх.

21. Элемент по пп. 1 20, отличающийся тем, что между нижним и смежным с ним оребренными участками трубы расположен конденсатоотводчик, вплотную примыкающий с обеих сторон к торцам оребренных участков и выполненный в виде охватывающего трубу кольца, на наружной поверхности которого расположены пары продольных ребер, а в промежутках между этими парами в нижней части кольца размещены лепестки, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента, при этом канал, образованный каждой парой ребер, расположен под канавкой вышерасположенной гофрированной обечайки, а полости между этой обечайкой и трубой сообщены с промежутками между парами ребер.

22. Элемент по пп. 1 21, отличающийся тем, что в нижней части конденсатоотводчика между ребрами каждой пары выполнены дополнительные лепестки, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента.

23. Элемент по пп. 1 22, отличающийся тем, что труба имеет овальное поперечное сечение.

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 на ее наружной поверхности вследствие недостаточной эффективности в использовании стягивающего эффекта пленки конденсата с поверхности ребер сбегающими ручьями по межреберным канавкам.

Известен также вертикальный теплообменный элемент, содержащий трубу с гладкой наружной поверхностью с оребрением в виде гофрированной трубы, вплотную примыкающей вершинами каждого внутреннего ребра к гладкой наружной поверхности трубы [2]

Недостатком такого теплообменного элемента является низкий коэффициент теплоотдачи с наружной стороны элемента из-за отсутствия эффективного удаления конденсата из межреберных канавок наружного оребрения.

Наиболее близким по конструктивному выполнению к изобретению является вертикальный теплообменный элемент конденсатора, содержащий трубу с гладкой наружной поверхностью с оребрением, содержащим по меньшей мере два раздельных участка, причем оребрение первого участка, расположенного в верхней части трубы, выполнено за одно целое с последней, а свободные концы трубы выполнены с гладкой наружной поверхностью [3]

Недостатком такого теплообменного элемента конденсатора является низкий коэффициент теплоотдачи из-за отсутствия эффективного удаления конденсата из межреберных канавок наружного оребрения.

Цель изобретения увеличение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с наружной стороны вертикального теплообменного элемента конденсатора.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции вертикального теплообменного элемента конденсатора, содержащего трубу с участками, снабженными наружным оребрением в виде чередующихся идентичных продольных выступов и канавок, причем в зоне торцев труба выполнена с гладкой наружной поверхностью, оребрение участков, расположенных ниже верхнего, образовано гофрированными обечайками, примыкающими вершинами каждого внутреннего ребра к трубе, причем выступы каждого нижерасположенного участка размещены под канавками предыдущего участка, а полости между обечайкой и трубой сообщены с полостями вышерасположенных канавок.

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 и 2 приведен вертикальный теплообменный элемент конденсатора; на фиг.3 фрагмент дополнительных продольных ребер; на фиг.4 фрагмент оребрения нижней части обечайки; на фиг.5 фрагмент выполнения потоконаправляющих выступов; на фиг.6 фрагмент выполнения потоконаправляющих выступов; на фиг.7 фрагмент выполнения конденсатоотводящего отверстия; на фиг.8 фрагмент выполнения расширяющегося участка канавки обечайки; на фиг.9, 10 вертикальный теплообменный элемент конденсатора; на фиг.11 конденсатоотводчик.

Вертикальный теплообменный элемент кондесатора содержит трубу 1 с участками 2 и 3, снабженными наружным оребрением в виде чередующихся идентичных продольных выступов 4 и канавок 5, причем в зоне торцев 6 и 7 труба 1 выполнена с гладкой наружной поверхностью, оребрение участков 3, расположенных ниже верхнего 2, образовано гофрированными обечайками 8, примыкающими вершинами 9 каждого внутреннего ребра 10 к трубе 1, причем выступы 4 каждого нижерасположенного участка размещены под канавками 5 предыдущего участка, а полости между обечайкой 8 и трубой 1 сообщены с полостями вышеуказанных канавок 5. При этом оребрение верхнего участка 2 также может быть образовано гофрированной обечайкой 11, примыкающей вершинами 9 каждого внутреннего ребра 10 к трубе 1 (см. фиг.2). Гофрированная обечайка 11, образующая верхний оребренный участок 2, по периметру нижнего торца 12 может быть герметично соединена с трубой 1, в полостях 13 между гофрированной обечайкой 11, образующей верхний оребренный участок 2, и трубой 1 может быть расположена металлическая стружка с высокой теплопроводностью, гофрированная обечайка 11, образующая верхний оребренный участок 2, по периметру верхнего торца 14 может быть герметично соединена с трубой 1, гофрированные обечайки 8 и 11 могут быть выполнены из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность трубы 1, каждая гофрированная обечайка 8, 11 по меньшей мере на отдельных участках, по высоте элемента вершинами внутренних ребер 10 может быть жестко закреплена на поверхности трубы 1, гофрированные обечайки 8, начиная со второй по высоте элемента, могут быть выполнены по меньшей мере в верхней части с дополнительными продольными ребрами 15, имеющими глубину и шаг меньше, чем у гофр 4 обечайки 8, и имеющими скругленные вершины 16, причем канавки 5 в нижней части обечайки 8 имеют профиль в виде полуокружностей r, сопряженных с боковыми сторонами посредством касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса r, причем последний составляет 0,25-0,4 расстояния с между вершинами смежных ребер 4 (см. фиг.2, 3, 4); по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов 4 гофрированной обечайки 11 (8) могут быть выполнены конденсатоотводящие отверстия 17, сообщающие полости 13 между обечайкой 11 и трубой 1 с наружной поверхностью обечайки 11 (см. фиг. 2, 5), в зоне отверстий 17 в выступах 4 обечайки 11 смежные с этими выступами канавки 5 могут быть снабжены потоконаправляющим выступом 18, ориентированным в направлении от оси элемента, каждый потоконаправляющий выступ 18 может иметь полусферическую форму (см. фиг.5) или форму ласточкиного хвоста в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной 19, обращенной к верху элемента (см. фиг.6), у нижней кромки 20 конденсатоотводящего отверстия 17 боковые стенки гофр 4 могут быть деформированы с образованием суженного участка канавки 5 между ними (см. фиг.7), у верхней кромки 21 гофрированной обечайки 8 боковые стенки гофр 4 могут быть деформированы с образованием расширяющегося участка канавки 5 между ними (см. фиг. 8), на участке каждой канавки 5, примыкающем к нижнему торцу 12 гофрированной обечайки 11, последняя может иметь скос 22 с уменьшением толщины ее стенки в направлении к низу элемента (см. фиг.9), к нижнему торцу 23 гофрированной обечайки 8, образующей нижний оребренный участок, может примыкать конденсатоотводчик 24, выполненный в форме кольца, контактирующего с поверхностью трубы 1, на наружной поверхности которого расположены пары продольных ребер 25, а в промежутках между этими парами в нижней части кольца размещены лепестки 26, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента, при этом канал 27, образованный каждой парой ребер 25 конденсатоотводчика 24, расположен под канавкой 5 гофрированной обечайки 8, а полости между этой обечайкой 8 и трубой 1 сообщены с промежутками между парами ребер 25 (см. фиг.9), в нижней части конденсатоотводчика 24 между ребрами 25 каждой пары могут быть выполнены дополнительные лепестки 28, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента (см. фиг. 11), в верхней части кольца 29 в каналах 27, образованных каждой парой ребер 25, могут быть выполнены скосы 30, при этом толщина кольца 29 в зоне скосов 30 уменьшается в направлении снизу вверх, под конденсатоотводчиком 24 может быть расположен плотно посаженный на трубу 1 гладкий цилиндрический стакан 31 (см. фиг.10), в верхней части цилиндрического стакана 31 может быть выполнен скос 32 с уменьшением толщины его стенки в направлении снизу вверх, между нижним и смежным с ним оребренными участками трубы 1 может быть расположен конденсатоотводчик 24, вплотную примыкающий с обеих своих торцевых сторон к торцам оребренных участков и выполненный в виде охватывающего трубу кольца 29, на наружной поверхности которого расположены пары продольных ребер 25, а в промежутках между этими парами в нижней части кольца 29 размещены лепестки 26, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента, при этом канал 27, образованный каждой парой ребер 25, расположен под канавкой 5 вышерасположенной гофрированной обечайки 8, а полости между этой обечайкой 8 и трубой 1 сообщены с промежутками 27 между парами ребер 25 (см. фиг.10), в нижней части конденсатоотводчика 24, между ребрами 25 каждой пары могут быть выполнены дополнительные лепестки 28, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента (см. фиг.11), труба 1 может иметь овальное поперечное сечение.

Вертикальный теплообменный элемент конденсатора работает следующим образом. Конденсация пара происходит на наружном оребрении трубы 1, выполненном в виде чередующихся идентичных продольных выступов 4 и канавок 5, применение которого увеличивает поверхность теплообмена. Конденсат, образующийся на оребренной поверхности трубы 1, накапливается в канавках 5 верхнего участка 2 оребрения и движется по указанным канавкам 5 вниз в виде ручья, стягивая при этом пленку конденсата с поверхности выступов 4 оребрения. Последнее за счет использования стягивающего эффекта оказывает более значительное влияние на увеличение теплоотдачи, чем увеличение поверхности теплообмена.

Однако по мере движения книзу элемента происходит постепенное заполнение текущим конденсатом канавок 5 вплоть до возможного полного их затопления, в результате чего коэффициент теплоотдачи резко уменьшается. Расположение оребренных участков трубы 1 так, что выступы 4 каждого нижерасположенного участка, например 3, размещаются под канавками 5 предыдущего участка, например 2, а полости между обечайкой 8, образующей оребренный участок 3, и трубой 1 сообщаются с полостями вышеуказанных канавок 5, обеспечивает сброс по меньшей мере части конденсата с оребренного участка 2 в вышеуказанные полости между обечайкой 8 и трубой 1 и соответственно интенсифицирует процесс теплоотдачи на последующем участке 3 оребрения трубы 1.

В ряде случаев оребрение верхнего участка 2 может быть образовано гофрированной обечайкой 11, примыкающей вершинами 9 каждого внутреннего ребра 10 к трубе 1 (см. фиг.2), а также при этом для дополнительной интенсификации теплопередачи гофрированная обечайка 11 может быть герметично соединена с трубой 1, так как в этом случае полости 13 между обечайкой 11 и трубой 1 с течением времени при работе конденсатора заполняются конденсатом, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи элемента, так как между обечайкой 11 и трубой 1 вместо влажного пара находится жидкость, обладающая высоким коэффициентом теплопроводности. Кроме того, в полостях 13 между гофрированной обечайкой 11 и трубой 1 может располагаться металлическая стружка с высокой теплопроводностью (см. фиг.2), что приводит к дополнительному увеличению коэффициента теплопередачи, а для устранения попадания конденсата в вышеуказанные полости 13 по периметру верхнего торца 14 гофрированная обечайка 11 может быть герметично соединена с трубой 1.

В ряде случаев увеличение коэффициента теплопередачи может достигаться выполнением гофрированных обечаек 8 и 11 из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность трубы 1 (см. фиг.1, 2).

Для обеспечения надежного контакта между вершинами внутренних ребер 10 гофрированных обечаек 8, 11 каждая из последних по меньшей мере на отдельных участках по высоте элемента вышеуказанными вершинами может жестко закрепляться на поверхности трубы 1 (см. фиг.2).

Выполнение гофрированной обечайки 8, начиная со второй по высоте элемента, по меньше мере в верхней части с дополнительными продольными ребрами 15, имеющими глубину и шаг меньше, чем у гофр 4 обечайки 8, имеющими скругленные вершины 16, причем с канавками 5 в нижней части вышеуказанной обечайки 8 с профилем в виде полуокружностей r, сопряженных с боковыми сторонами посредством касательных плоскостных и скругленных переходных участков того же радиуса r, причем последний составляет 0,25-0,4 расстояния с между вершинами смежных ребер 4 (фиг.2, 3, 4), обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи на обеих частях обечайки 8, так как верхняя часть ее эффективна при малой высоте ручья в канавках при мелком оребрении, а нижний участок обечайки 8 обеспечивает уменьшение указанной высоты ручья за счет профиля канавки и соответственно улучшает теплоотдачу.

Наличие конденсатоотводящих отверстий 17 по крайней мере в нескольких сечениях по высоте выступов 4 гофрированной обечайки 11 (8), сообщающих полости 13 между обечайкой 11 и трубой 1 с наружной поверхностью обечайки 11 (фиг. 2, 5), обеспечивает удаление части стекающего ручья конденсата в вышеуказанные полости 13 и тем самым интенсифицирует процесс теплоотдачи за счет создания оптимальных условий для процесса конденсации пара на большей поверхности выступов 4 и использования стягивающего эффекта конденсатом, текущим в канавках 5 обечайки, пленки конденсата.

При этом для улучшения отвода основной части конденсата, стекающего вниз по канавкам 5 в отверстия 17 в зоне последних 17 в выступах 4 обечайки 11 (8), смежные с этими выступами канавки 5 могут снабжаться потоконаправляющим выступом 18, ориентированным в направлении от оси элемента (см. фиг.2, 5), форма которого может быть различной и, в частности, каждый потоконаправляющий выступ 18 может иметь полусферическую форму (см. фиг.5) или форму ласточкиного хвоста в направлении, совпадающем с осью элемента, с вершиной 19, обращенной к верху элемента (см. фиг.6). Вышеуказанная цель может достигаться и иным путем, для чего у нижней кромки 20 конденсатоотводящего отверстия 17 боковые стенки гофр 4 могут быть деформированы с образованием суженного участка канавки 5 между ними (см. фиг.7).

Для увеличения части отводимого конденсата из канавок 5 гофрированной обечайки 11 в полости между обечайкой 8 и трубой 1 у верхней кромки 21 гофрированной обечайки 8 боковые стенки гофр 4 могут выполняться деформированными с образованием расширяющегося участка канавки 5 между ними (см. фиг.8). А для обеспечения надежного стока части ручья конденсата из канавок 5 обечайки 11 в полости между нижней обечайкой 8 и трубой 1 на участке каждой канавки 5, примыкающем к нижнему торцу 12 гофрированной обечайки 11, последняя может выполняться со скосом 22 с уменьшением толщины ее стенки в направлении к низу элемента (см. фиг.9).

Отвод конденсата, текущего в полостях между гофрированной обечайкой 8 и трубой 1, на расстояние от наружной поверхности элемента может осуществляться с помощью конденсатоотводчика 24, примыкающего к нижнему торцу 23 гофрированной обечайки 8 (см. фиг.9). Конденсатоотводчик 24 выполняется в форме кольца, контактирующего с поверхностью трубы 1, а на его наружной поверхности располагаются пары продольных ребер 25, в промежутках между которыми в нижней части кольца размещаются лепестки 26, отогнутые под острым углом к вертикали в направлении от оси элемента. Конденсат из вышеуказанных полостей на лепестки поступает по каналам 27, образованным каждой парой ребер 25 конденсатоотводчика 24, а затем он стекает с лепестков вниз конденсатора. На ручьях отводимого конденсата с помощью конденсатоотводчика 24 происходит дальнейшая конденсация пара, благодаря чему обеспечивается уменьшение переохлаждения конденсата и интенсифицируется процесс теплоотдачи. При этом по дополнительным лепесткам 28, выполненным в нижней части конденсатоотводчика 24 между ребрами 25 каждой пары, отогнутым вышеуказанным образом (фиг.11), может отводиться конденсат, стекающий по канавкам 5 гофрированной обечайки 8 с ее наружной стороны на расстояние от наружной поверхности элемента конденсатора.

Для улучшения условий для стока конденсата из канавок 5 гофрированной обечайки 8 и полостей, расположенных между последней 8 и трубой 1, в каналы между смежными ребрами 25 конденсатоотводчика 24 и верхней части кольца 29 последнего могут быть выполнены скосы 30, при этом толщина кольца 29 в зоне скосов 30 уменьшается в направлении снизу вверх (см. фиг.11).

Для повышения прочности элемента под конденсатоотводчиком 24 может быть расположен плотно посаженный на трубу 1 гладкий цилиндрический стакан 31 (см. фиг.10). Аналогичный стакан 31 может быть посажен на трубу 1 с гладкой цилиндрической поверхностью в ее верхней части (см. фиг.10).

Улучшение условий для стока конденсата может быть достигнуто за счет выполнения скоса 32 в верхней части цилиндрического стакана 31 с уменьшением толщины его стенки в направлении снизу вверх (см. фиг.10).

С целью интенсификации процесса теплоотдачи конденсатоотводчик 24 может располагаться также между нижним и смежным с ним оребренными участками трубы 1, вплотную примыкать с обеих своих торцевых сторон к торцам оребренных участков и быть выполнен в виде охватывающего трубу 1 кольца 29, на котором расположены продольные ребра 25 и размещены лепестки 26, а также могут быть размещены дополнительные лепестки 28 (см. фиг.10, 11). Конструкция конденсатоотводчика 24 аналогична вышерассмотренной.

Труба 1 может выполняться не только круглого поперечного сечения, но и иметь овальное поперечное сечение (см. фиг.1). Последнее позволяет за счет увеличения коэффициент теплопередачи обеспечить компактность элемента, а также в значительной мере уменьшить гидравлическое сопротивление конденсатора.

Таким образом, использование вертикального теплообменного элемента конденсатора для конденсации пара на его наружной поверхности позволяет значительно интенсифицировать процесс теплоотдачи, уменьшить массу конденсатора и сократить его габариты.