CZ305052B6 - Zdvojený šroubovicový výměník tepla se záměnou průtočného prostoru - Google Patents

Abstract

Zdvojený šroubovicový výměník tepla se záměnou průtočného prostoru má ve společné plášťové trubce (1) dva šroubovicové výměníky tepla v sériovém zapojení. Oba výměníky jsou od sebe odděleny společnou trubkovnicí (6) tak, že mezitrubkový prostor prvního výměníku (2) je pomocí společné trubkovnice (6) napojen do trubek svazku šroubovic (5) druhého výměníku (4) a trubky svazku šroubovic (3) prvního výměníku (2) jsou pomocí společné trubkovnice (6) napojeny do mezitrubkového prostoru druhého výměníku (4).

Description

Zdvojený šroubovicový výměník tepla se záměnou průtočného prostoru

Oblast techniky

Vynález se týká výměníků tepla - kondenzátorů pro tepelná čerpadla. U těchto výměníků dochází k předávání tepla z kondenzujících par teplonosného média - obvykle druh freonu, do druhé kapaliny - obvykle topné vody. Pro výměníky tohoto druhu se obecně vžil název - výměník tepla „pára - voda“. Jsou, jako bezpodmínečně nutná součást, v každém tepelném čerpadle.

Dosavadní stav techniky

Nejběžněji používanými výměníky tepla ve funkci kondenzátorů u tepelných čerpadel jsou deskové výměníky tepla. Jejich nespornou výhodou, v porovnání s výměníky jiného typu, je jejich nízká cena, pro jmenovitý tepelný výkon předávaný z freonu do topné vody. Jejich nedostatkem je, že pracují s teplotním spádem (přesněji se středním logaritmickým teplotním spádem - AT_to) obvykle o velikosti 5 až 10 K. Velikost tohoto teplotního spádu se přenáší do vnitřního cyklu freonu ve formě potřeby vyššího tlaku za kompresorem a má tedy podstatný vliv na celkovou energetickou účinnost tepelného čerpadla, obvykle vyjadřovanou velikostí topného faktoru (COP). V případě použití běžných šroubovicových výměníků tepla jako kondenzátorů, je tento teplotní spád ATj_n zhruba 3 až 7 K. Pro daný tepelný výkon je nevýhodou jejich vyšší cena, v porovnání s výměníky deskovými.

U stávajících šroubovicových výměníků tepla používaných jako kondenzátory je teplosměnná plocha tvořena soustavou paralelních, na obou koncích vzájemně propojených trubek. Trubky jsou stočeny do šroubovic v jedné nebo více protiběžných nebo souběžných vrstvách, kdy je celý takto vytvořený svazek šroubovic umístěný v plášťové trubce. Jedno teplonosné médium proudí uvnitř trubek šroubovic, druhé médium vně těchto trubek - v plášťové trubce. Trubky, ze kterých jsou šroubovice vytvořeny, mají po celé své délce konstantní průřez. Vzhledem ktomu, že hydraulický odpor uvnitř trubek šroubovic je výrazně větší než hydraulický odpor vnější části šroubovic - v plášti, je obvyklé, že pára freonu je přiváděna do trubek šroubovic kde kondenzuje a ohřívaná kapalina proudí vně trubek, v plášti. Toto řešení, pro požadovaný tepelný výkon, dává vyhovující tlakovou ztrátu na straně topné vody. Rychlost proudění kondenzující páry v trubkách šroubovic je vysoká, vzhledem k velkému měrnému objemu páry. Po jejím zkondenzování je ale rychlost proudění kondenzátu v těchto trubkách zhruba 10 až 20x menší než byla rychlost páry. Součinitel přestupu tepla mezi kondenzátem a vnitřním povrchem trubek šroubovic je silně závislý na rychlosti proudění kondenzátu. Při jeho malé rychlosti je také malý. Malý součinitel prostupu tepla vede k malému předávání tepla a tedy k malému ochlazování kondenzátu. Z tohoto pohledu by bylo vhodné, aby byl průtočný průřez svazku šroubovic co nejmenší. To je ale nežádoucí pro proudící páru, která v trubkách kondenzuje. Pokles tlaku kondenzujících par způsobený tlakovou ztrátou při jejím proudění v trubkách šroubovic vede k postupnému poklesu kondenzační teploty. To má za následek, že teplota topné vody na výstupu z kondenzátorů je znatelně menší, než by byla, kdyby k poklesu tlaku a tím kondenzační teploty nedocházelo. Je proto nutné volit vhodný kompromis v průtočném průřezu svazku šroubovic a jejich délky. Celý problém tohoto kompromisu je možné obejít řešením výměníku dle vynálezu.

Podstata vynálezu

Výměník podle vynálezu má ve společné plášťové trubce dva šroubovicové výměníky tepla v sériovém zapojení, které jsou od sebe odděleny společnou trubkovnicí. V prvním výměníku je pára média A přivedena do mezitrubkového prostoru, kde dochází kjejí kondenzaci na vnější straně trubek svazku šroubovic tvořících první teplosměnnou plochu. Ohřívaná teplonosná kapalina B proudí uvnitř těchto trubek. Ve druhém výměníku proudí kondenzát z média A uvnitř

- 1 CZ 305052 B6 trubek svazku šroubovic tvořících druhou teplosměnnou plochu a teplonosná kapalina B proudí vně těchto trubek, tedy v plášti druhého výměníku. Oba výměníky odděluje společná trubkovnice, prostřednictvím které přechází příslušné teplonosné médium z výstupu jednoho výměníku do vstupu druhého výměníku.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je nákres výměníku podle vynálezu.

Na obr. 2 je uveden graf průběhu teplot podél teplosměnné plochy ze strany ohřívané vody, pro výměník zhotovený dle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález má ve společné plášťové trubce i dva šroubovicové výměníky tepla v protiproudém zapojení zařazené do série. V prvním výměníku 2 proudí kondenzující páry teplonosného média A vně trubek svazku šroubovic 3 tvořících první teplosměnnou plochu a teplonosná kapalina B proudí uvnitř těchto trubek. Ve druhém výměníku 4 proudí kondenzát vzniklý z páry teplonosného média A uvnitř trubek svazku šroubovic 5 tvořících druhou teplosměnnou plochu a teplonosná kapalina B proudí vně těchto trubek. Přechod z jednoho výměníku do druhého je prostřednictvím společné trubkovnice 6. Společná plášťová trubka 1 dává dvojici sériově řazených výměníků navenek charakter jediného výměníku tepla.

Horní křivka na grafu udává průběh teploty kondenzujícího freonu, spodní křivka průběh teploty ohřívané vody. Vstup vody je na souřadnici L = 1, výstup vody na souřadnici L = 0. Vstup par freonu je na souřadnici L = 0, výstup freonu na souřadnici L = 1.

Na vstupu do výměníku je pára freonu R410A o tlaku 2169 kPa a kondenzační teplotě 35,29 °C, na výstupu freon - kapalina o teplotě 30,07 °C. Voda na vstupu o teplotě 30 °C, na výstupu 35 °C. Střední koeficient prostupu tepla K = 3860 W m ² K '. Výsledný At,„ = 0,155 K.

Při použití běžně používané rovnice pro výpočet tepla předávaného výměníkem ve tvaru Q = A K Ati„, kde Q je množství tepla prošlé teplosměnnou plochou [W],

A je velikost teplosměnné plochy [m²],

K je součinitel prostupu tepla [W m ² K”¹] a

At|„ je střední logaritmický teplotní spád [K], se tento výměník navenek chová tak, jako kdyby byla jeho teplosměnná plocha cca ÍOx větší nežli ve skutečnosti je.

Vynález je významný tím, že umožňuje vyrábět výměníky, který pracují s teplotním spádem ATin obvykle menším než 0,3 K. Tedy zhruba 10 až 30x menším než je dosažitelné u jiných druhů výměníků. Snížení teplotního spádu na výměníku vede ke zvýšení energetické účinnosti tepelného čerpadla.

-2CZ 305052 B6

Průmyslová využitelnost

Možnosti využití jsou ve funkci kondenzátoru u tepelných čerpadel. Z pohledu předávání tepla dochází k situaci, že prakticky veškeré teplo, které je teoreticky možné předat z teplonosného média A (freonu), je předáno do ohřívané teplonosné kapaliny B, a to při jinak nedosažitelně malém teplotním spádu Ati„. Tepelné zařízení s tímto výměníkem se z hlediska výstupní teploty teplonosné kapaliny B a tlaku páry teplonosného média A za kompresorem chová navenek prakticky tak, jako kdyby tam vůbec žádný výměník nebyl. To je naprosto ideální situace v předávání tepla.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (1)

1. Zdvojený šroubovicový výměník tepla se záměnou průtočného prostoru, mající ve společné plášťové trubce (1) dva šroubovicové výměníky tepla v sériovém zapojení, vyznačující se t í m , že oba výměníky jsou od sebe odděleny společnou trubkovnicí (6) tak, že mezitrubkový prostor prvního výměníku (2) je pomocí společné trubkovnice (6) napojen do trubek svazku šroubovic (5) druhého výměníku (4) a trubky svazku šroubovic (3) prvního výměníku (2) jsou pomocí společné trubkovnice (6) napojeny do mezitrubkového prostoru druhého výměníku (4).