RU2034224C1

RU2034224C1 - Heat-transfer device

Info

Publication number: RU2034224C1
Authority: RU
Inventors: Ю.Я. Печенегов; Н.М. Соловьева
Original assignee: Энгельсский филиал Саратовского государственного университета
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: heat treatment of liquids. SUBSTANCE: vertical heated and non-heated ducts 3,4 are connected to upper and lower manifolds 1,2 with formation of a circuit. Installed in lower manifold 2 is additional manifold 6 used to supply heated heat-transfer agent having a lower density. Manifold 6 is provided with connections. The latters are brought in the lower ends of ducts 3. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к установкам с промежуточным жидким теплоносителем, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленности и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. The invention relates to heating devices for fluids, namely, installations with an intermediate liquid coolant, and can be used in the oil, chemical industry and other industries for the thermal treatment of thermolabile and thermally unstable liquids having technological and other restrictions on the maximum heating temperature.

Известны теплопередающие устройства с промежуточным теплоносителем (тепловые трубы и термосифоны), имеющие зоны испарения и конденсации жидкого теплоносителя. Устройства имеют повышенную удельную металлоемкость, а их рабочие характеристики ограничены кризисными явлениями теплопереноса, что сужает технологические возможности таких устройств. Known heat transfer devices with an intermediate coolant (heat pipes and thermosiphons) having zones of evaporation and condensation of a liquid coolant. The devices have a high specific metal consumption, and their performance is limited by the crisis phenomena of heat transfer, which narrows the technological capabilities of such devices.

Известны также теплопередающие устройства с жидкостной баней и с естественной и принудительной циркуляциями жидкого промежуточного теплоносителя. Нагревание через жидкостные бани не обеспечивает высоких коэффициентов теплопередачи, так как в объеме жидкого промежуточного теплоносителя, находящегося в рубашке аппарата, возникают только очень слабые конвекционные течения. Устройства с естественной и принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя являются сложными, металлоемкими и дорогими. Heat transfer devices with a liquid bath and with natural and forced circulation of a liquid intermediate heat transfer medium are also known. Heating through liquid baths does not provide high heat transfer coefficients, since only very weak convection flows occur in the volume of the liquid intermediate heat carrier located in the jacket of the apparatus. Devices with natural and forced circulation of a liquid intermediate coolant are complex, metal-intensive and expensive.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство с замкнутым контуром циркуляции жидкого теплоносителя (прототип). Устройство имеет верхний и нижний горизонтальные коллекторы, которые совместно с соединяющими их вертикальными каналами образуют замкнутый контур. The closest in technical essence to the proposed invention is a device with a closed loop circulation of a coolant (prototype). The device has upper and lower horizontal collectors, which together with the vertical channels connecting them form a closed loop.

Однако известное устройство имеет высокую удельную металлоемкость и сложно в изготовлении. Из-за своих конструктивных особенностей оно не может быть использовано при высоких давлениях кипящего теплоносителя, так как стенка из штампованных пластин может деформироваться и утратить целостность. Это обстоятельство ограничивает температурный уровень его использования в случае применения таких кипящих теплоносителей, как вода, спирты и некоторые другие жидкости. Процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку протекает с сравнительно низкой интенсивностью. However, the known device has a high specific metal consumption and is difficult to manufacture. Due to its design features, it cannot be used at high pressures of the boiling coolant, since the wall of stamped plates can deform and lose integrity. This circumstance limits the temperature level of its use in the case of the use of such boiling fluids as water, alcohols and some other liquids. The process of heat transfer from one coolant to another through a separating wall proceeds with a relatively low intensity.

Изобретение направлено на повышение эффективности работы теплопередающего устройства за счет развития поверхности теплообмена и интенсификации теплопереноса. The invention is aimed at improving the efficiency of the heat transfer device due to the development of the heat transfer surface and the intensification of heat transfer.

Поставленная цель достигается тем, что в теплопередающем устройстве, содержащем соединенные между собой с образованием замкнутого циркуляционного контура жидкого промежуточного теплоносителя верхний и нижний горизонтальные коллекторы и вертикальные каналы, по крайней мере один из которых выполнен обогреваемым снаружи греющим теплоносителем, в нижнем коллекторе устанавливается дополнительный коллектор для подачи нагреваемого теплоносителя с плотностью, меньшей плотности промежуточного теплоносителя, снабженный патрубками, введенными в нижние концы вертикальных каналов, по крайней мере один из которых выполнен необогреваемым. This goal is achieved by the fact that in the heat transfer device containing the upper and lower horizontal collectors and vertical channels interconnected to form a closed circulation loop of the liquid intermediate heat carrier, at least one of which is made by a heating coolant heated externally, an additional collector is installed in the lower collector for supply of a heated coolant with a density lower than the density of the intermediate coolant, equipped with nozzles, enter at the lower ends of the vertical channels, at least one of which is made unheated.

В отличие от известного устройства размещение в нижнем горизонтальном коллекторе дополнительного коллектора с патрубками для подачи нагреваемого теплоносителя, которые входят в нижние концы обогреваемых каналов, позволяет достичь поставленной цели. Подводом теплоты от греющего теплоносителя к промежуточному жидкому через стенки вертикальных каналов и от промежуточного к поступающему из патрубков дополнительного коллектора в виде струй нагреваемому теплоносителю при их прямом контакте в вертикальных каналах достигается интенсификация теплообмена, что обеспечивает компактность устройства и снижение его удельной металлоемкости. Этому же способствует совмещение зон нагрева и охлаждения промежуточного теплоносителя в объеме обогреваемых вертикальных каналов. Циркуляция промежуточного теплоносителя при работе устройства по замкнутому контуру, состоящему из верхнего и нижнего горизонтальных коллекторов и вертикальных подъемных (обогреваемых) и опускных (необогреваемых) каналов, осуществляется за счет разницы плотностей жидкости в обогреваемых и некипящей в необогреваемых каналах. Дополнительное побудительное устройство для обеспечения циркуляции промежуточного теплоносителя не требуется. Unlike the known device, the placement in the lower horizontal collector of an additional collector with nozzles for supplying a heated coolant, which are included in the lower ends of the heated channels, allows you to achieve your goal. By supplying heat from the heating coolant to the intermediate fluid through the walls of the vertical channels and from the intermediate to the heated collector in the form of jets in the form of jets, the heat transfer is intensified by direct contact in the vertical channels, which ensures compactness of the device and a decrease in its specific metal consumption. This is also facilitated by the combination of the heating and cooling zones of the intermediate coolant in the volume of heated vertical channels. The circulation of the intermediate coolant during the operation of the device in a closed circuit, consisting of upper and lower horizontal collectors and vertical lifting (heated) and lowering (unheated) channels, is carried out due to the difference in the density of the liquid in the heated and non-boiling in unheated channels. An additional induction device for ensuring the circulation of the intermediate coolant is not required.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype shows that the proposed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Известны теплопередающие устройства для нагрева нефтяных эмульсий, имеющие жаровые трубы и продуктовый змеевик, размещенные в цилиндрической металлической емкости, заполненной промежуточным жидким теплоносителем. Данные устройства отличаются низкой тепловой эффективностью и большими удельными затратами металла на изготовление. Known heat transfer devices for heating oil emulsions having flame tubes and a food coil located in a cylindrical metal container filled with an intermediate liquid coolant. These devices are characterized by low thermal efficiency and high unit costs of metal for manufacturing.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения "существен- ные отличия". All this allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criteria of the invention "significant differences".

На фиг. 1 показано предлагаемое теплопередающее устройство, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed heat transfer device, a longitudinal section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Теплопередающее устройство содержит горизонтальные верхний 1 и нижний 2 коллекторы, которые соединены обогреваемыми 3 и необогреваемыми 4 вертикальными каналами. Зона обогрева 5 расположена по всей высоте каналов 3. В коллекторе 2 размещен дополнительный коллектор 6 с патрубками 7, которые входят в нижние концы каналов 3. В верхнем коллекторе 1 имеется сливной порог 8, а также снабженный вентилем патрубок 9, предназначенный для установления уровня промежуточного теплоносителя при заполнении им контура циркуляции через патрубок 10. The heat transfer device contains horizontal upper 1 and lower 2 collectors, which are connected by heated 3 and unheated 4 vertical channels. The heating zone 5 is located along the entire height of the channels 3. In the collector 2 there is an additional collector 6 with nozzles 7 that enter the lower ends of the channels 3. In the upper collector 1 there is a drain threshold 8, as well as a nozzle 9 equipped with a valve, designed to establish the intermediate level coolant when filling it with a circulation circuit through the pipe 10.

Теплопередающее устройство работает следующим образом. Заполнение контура циркуляции промежуточным жидким теплоносителем (например, водой) осуществляется через патрубок 10. Верхний уровень промежуточного теплоносителя устанавливается с помощью сливного патрубка 9 несколько ниже верхней кромки порога 8. После заполнения контура циркуляции вентили на патрубках 9 и 10 перекрываются. В дополнительный коллектор 6 подается нагреваемая текучая среда (например, водонефтяная эмульсия), которая выходит из патрубков 7 и в виде струй перемещается снизу вверх в вертикальных обогреваемых каналах 3. В одном направлении с нагреваемой средой перемещается и промежуточный теплоноситель, который, воспринимая через стенки каналов 3 теплоту от греющего теплоносителя (например, от продуктов сгорания топлива), находится в состоянии кипения и образует двухфазную смесь жидкость-пар. При совместном движении и прямом контакте с парожидкостной смесью обрабатываемая среда нагревается, часть пара смеси конденсируется. Оставшаяся часть пара конденсируется в коллекторе 1, контактируя со слоем обрабатываемой среды, который в связи с меньшей плотностью среды, чем у промежуточного жидкого теплоносителя, занимает верхнее положение в жидкостном объеме сепарационного коллектора 1. Жидкий промежуточный теплоноситель сосредотачивается в нижней части сепарационного коллектора 1, откуда по опускному вертикальному каналу 4 он перемещается в нижний раздающий коллектор 2 и затем по каналам 3 в виде смеси жидкость-пар снова поступает в верхний коллектор 1, циркулируя таким образом постоянно по замкнутому контуру. Нагретая среда переливается через верхнюю кромку сливного порога 8 и далее выводится из коллектора 1. The heat transfer device operates as follows. The circulation loop is filled with intermediate liquid coolant (for example, water) through the nozzle 10. The upper level of the intermediate coolant is installed using the drain nozzle 9 slightly below the upper edge of the threshold 8. After filling the circulation loop, the valves on the nozzles 9 and 10 are closed. An additional manifold 6 is supplied with a heated fluid medium (for example, an oil-water emulsion), which exits the nozzles 7 and in the form of jets moves from bottom to top in the vertical heated channels 3. In the same direction as the heated medium, an intermediate heat carrier moves, which, perceiving through the walls of the channels 3 heat from the heating coolant (for example, from the products of fuel combustion), is in a state of boiling and forms a two-phase liquid-vapor mixture. When moving together and in direct contact with the vapor-liquid mixture, the processed medium is heated, part of the mixture vapor condenses. The remaining steam condenses in the collector 1, in contact with the layer of the medium to be treated, which, due to the lower density of the medium than the intermediate liquid coolant, occupies an upper position in the liquid volume of the separation manifold 1. The liquid intermediate coolant is concentrated in the lower part of the separation manifold 1, from where through the lowering vertical channel 4, it moves to the lower distributing manifold 2 and then through the channels 3 in the form of a liquid-vapor mixture again enters the upper collector 1, circulating thus constantly in a closed loop. The heated medium is poured through the upper edge of the drain threshold 8 and then is removed from the collector 1.

Использование предлагаемого теплопередающего устройства обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества:
непосредственный контакт промежуточного теплоносителя и струй нагреваемой среды в вертикальных обогреваемых каналах обеспечивает высокую интенсивность теплообмена;
при наличии фазовых переходов промежуточного теплоносителя значительно расширяются границы бескризисного режима работы устройства, так как, по существу, отсутствует адиабатическая зона транспорта теплоты;
обеспечивается устойчивая естественная циркуляции промежуточного теплоносителя при всех режимах работы, при малых тепловых нагрузках подъемное движение промежуточного теплоносителя в вертикальных обогреваемых каналах обеспечивается главным образом за счет энергии струй нагреваемой среды, а при повышенных тепловых нагрузках преобладающей движущей силой циркуляции является разность плотностей жидкости в опускном канале и парожидкостной смеси в подъемных каналах;
совмещение в объеме вертикальных обогреваемых каналов зон нагрева и охлаждения промежуточного теплоносителя обеспечивает компактность устройства и снижает величину удельной металлоемкости;
необходимая площадь поверхности теплопередачи сравнительно просто обеспечивается путем варьирования размеров (диаметр, высота) и числа вертикальных обогреваемых каналов,
выполнение устройства из трубчатых элементов упрощает его конструкцию и технологию изготовления, возможна работа при высоких давлениях без нарушения геометрических форм элементов.Using the proposed heat transfer device provides the following advantages compared to existing devices:
direct contact of the intermediate coolant and the jets of the heated medium in the vertical heated channels provides a high heat transfer rate;
in the presence of phase transitions of the intermediate coolant, the boundaries of the crisis-free mode of operation of the device significantly expand, since, in essence, there is no adiabatic zone of heat transport;
stable natural circulation of the intermediate coolant is ensured under all operating conditions, at low thermal loads, the lifting motion of the intermediate coolant in the vertical heated channels is provided mainly by the energy of the jets of the heated medium, and at high thermal loads the prevailing driving force of circulation is the difference in the density of the liquid in the lower channel and vapor-liquid mixture in the lifting channels;
the combination in the volume of vertical heated channels of the heating and cooling zones of the intermediate coolant ensures the compactness of the device and reduces the specific metal consumption;
the necessary heat transfer surface area is relatively easily provided by varying the sizes (diameter, height) and the number of vertical heated channels,
the implementation of the device from tubular elements simplifies its design and manufacturing technology, it is possible to work at high pressures without violating the geometric shapes of the elements.

Claims

HEAT TRANSFER DEVICE, comprising upper and lower horizontal collectors and vertical channels interconnected to form a closed circulation loop of a liquid intermediate heat carrier, at least one of which is made with a heating coolant heated externally, characterized in that an additional collector is installed in the lower collector for supplying a heated coolant with a density lower than the density of the intermediate coolant, equipped with nozzles introduced into the lower ends of the ikalnyh channels, at least one of which is made unheated.