RU2087824C1

RU2087824C1 - Thermosiphon heat exchanger

Info

Publication number: RU2087824C1
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Янович Мавропуло; Владимир Леонидович Маевский; Анатолий Михайлович Филиппьев; Виктор Викторович Серик; Александр Петрович Полищук
Original assignee: Центральный научно-исследовательский и проектный институт "Тайфун"
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: engineering. SUBSTANCE: heat exchanger consists of two zones. Heat-exchanger surface is made in form of condensing zone - loop-shaped finned heat exchange tubes with combined upper ends. Lower ends of heat-exchange tubes are deepened inside evaporation zone housing. Ratio of lengths of deepened tubes to their loop-shaped sections ranges from 0.01 to 0.08 at ratio of volumes of additional evaporating and condensing zones more than 0.012 or less than 0.036; ratio of sections of tubes introduced into evaporation zone housing to loop-shaped section is equal to 0.012-0.036. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменникам термосифонного типа, и может быть использовано для утилизации тепла, нагрева и охлаждения воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. The invention relates to heat engineering, in particular to thermosiphon-type heat exchangers, and can be used for heat recovery, heating and cooling of air in ventilation and air conditioning installations.

Известно охлаждающее устройство развитых поверхностей металлургических агрегатов, которое содержит герметичный корпус с испарительной зоной, заполненной промежуточным теплоносителем, конденсационной зоной с конденсатором и расположенной между этими зонами транспортной зоной [1]
Недостатком этого устройства является неравномерность распределения паров промежуточного теплоносителя по поверхности конденсатора, приводящая к различной теплонапряженности элементов конденсатора.Known cooling device developed surfaces of metallurgical units, which contains a sealed enclosure with an evaporation zone filled with an intermediate coolant, a condensation zone with a condenser and a transport zone located between these zones [1]
The disadvantage of this device is the uneven distribution of vapors of the intermediate coolant over the surface of the condenser, leading to different heat intensities of the elements of the condenser.

В результате этого повышается вероятность разгерметизации конструкции. Кроме того, прямоугольная форма устройства обуславливает большие толщины стенок из-за высокого давления промежуточного теплоносителя. А стационарность и громоздкость устройства значительно сужают область его применения. As a result of this, the probability of depressurization of the structure increases. In addition, the rectangular shape of the device causes large wall thicknesses due to the high pressure of the intermediate coolant. And the stationarity and bulkiness of the device significantly narrow its scope.

Известен также термосифонный теплообменник [2] выбранный в качестве прототипа. Теплообменник содержит пучок оребренных труб, имеющих разъем между зонами испарения и конденсации и подключенных к соответствующим сборным камерам и коллектору. Кроме того, теплообменник имеет камеру статического давления, установленную в место разъема со стороны зоны испарения, которая посредством трубопровода сообщена с коллектором. Also known thermosiphon heat exchanger [2] selected as a prototype. The heat exchanger contains a bundle of finned tubes having a connector between the zones of evaporation and condensation and connected to the respective collection chambers and the collector. In addition, the heat exchanger has a static pressure chamber installed in place of the connector on the side of the evaporation zone, which is connected via a pipe to the collector.

Наличие разъема между его зонами испарения и конденсации обуславливает целый ряд соединительных камер, коллектора, которые в свою очередь сообщены между собой изогнутыми в разных направлениях трубопроводами, а в итоге приводит к увеличению габаритов и массы изделия, делает его громоздким и неудобным в обслуживании. Кроме того, протяженность трубопроводов увеличивает вероятность разгерметизации полости промежуточного теплоносителя, что особенно вероятно в судовых условиях из-за вибрации. The presence of a connector between its evaporation and condensation zones causes a number of connecting chambers, a collector, which, in turn, are interconnected by pipelines bent in different directions, and as a result leads to an increase in the dimensions and mass of the product, making it cumbersome and inconvenient to maintain. In addition, the length of the pipelines increases the likelihood of depressurization of the intermediate coolant cavity, which is especially likely in ship conditions due to vibration.

В конструкции известного теплообменника не исключено взаимодействие жидкой и паровой фаз теплоносителя, что значительно снижает термодинамическую эффективность аппарата, а наличие контакта паровой и жидкой фаз промежуточного теплоносителя в конденсационной зоне не исключает возможность кризиса гидравлического сопротивления паровому потоку. The design of the known heat exchanger does not exclude the interaction of the liquid and vapor phases of the coolant, which significantly reduces the thermodynamic efficiency of the apparatus, and the presence of contact between the vapor and liquid phases of the intermediate coolant in the condensation zone does not exclude the possibility of a crisis of hydraulic resistance to the steam flow.

Целью изобретения является исключение кризиса гидравлического сопротивления паровому потоку, создание компактной установки, снижение массогабаритных показателей. The aim of the invention is to eliminate the crisis of hydraulic resistance to steam flow, the creation of a compact installation, the reduction of overall dimensions.

Указанная цель достигается тем, что в термосифонном теплообменнике, содержащем зону испарения, корпус которой частично заполнен промежуточным теплоносителем и снабжен нагревателем и зону конденсации, теплообменная поверхность которой выполнена в виде оребренных трубок, нижние концы которых на часть длины введены в корпус зоны испарения, нагреватель выполнен в виде пучка теплообменных труб, проходящих через корпус зоны испарения и заполненных паром, а трубки теплообменной поверхности зоны конденсации в виде петель, при этом соотношение длин концов этих трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам лежит в интервале 0,01.0,08. Отношение объемов участков трубок теплообменной поверхности зоны конденсации, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам составляет 1,2•10^-3. 3,6•10^-3.This goal is achieved by the fact that in a thermosiphon heat exchanger containing an evaporation zone, the housing of which is partially filled with an intermediate heat carrier and equipped with a heater, and a condensation zone, the heat exchange surface of which is made in the form of finned tubes, the lower ends of which are introduced into the housing of the evaporation zone for a part of their length, in the form of a bundle of heat exchange tubes passing through the housing of the evaporation zone and filled with steam, and the tubes of the heat exchange surface of the condensation zone in the form of loops, while e lengths of the ends of these tubes are introduced into the evaporation zone housing to the loop-like portions is in the range 0,01.0,08. The ratio of the volumes of the sections of the tubes of the heat exchange surface of the condensation zone introduced into the body of the evaporation zone to the loop-shaped sections is 1.2 • 10 ^-3 . 3.6 • 10 ^-3 .

Сопоставительный анализ предложенного термосифонного теплообменника с известным по прототипу позволяет сделать вывод, что заявляемый теплообменник отличается конструкцией нагреватель выполнен в виде пучка теплообменных труб, проходящих через корпус зоны испарения и заполненных паром, а трубки теплообменной поверхности зоны конденсации в виде петель, при этом соотношение длин концов этих трубок, введенных в корпус зоны испарения, к петлеобразным участкам лежит в интервале 0,01-0,08, а отношение объемов участков трубок теплообменной поверхности зоны конденсации, введенных в корпуса зоны испарения, к петлеобразным участкам составляет 1,2•10^-3 3,6•10^-3.A comparative analysis of the proposed thermosiphon heat exchanger with the known prototype allows us to conclude that the inventive heat exchanger is different in design, the heater is made in the form of a bundle of heat exchange tubes passing through the body of the evaporation zone and filled with steam, and the tubes of the heat exchange surface of the condensation zone in the form of loops, with the end length ratio of these tubes, introduced into the housing of the evaporation zone, to the loop-shaped sections lies in the range of 0.01-0.08, and the ratio of the volumes of the sections of the tubes of the heat exchange The surface area of the condensation zone introduced into the shells of the evaporation zone to the loop-like sections is 1.2 • 10 ^-3 3.6 • 10 ^-3 .

Предложенная конструкция теплообменника позволяет обеспечить одновременное движение пара и конденсата по одной и той же трубе конденсационной зоны, которая сообщена с испарительной зоной кожухотрубного теплообменника. The proposed design of the heat exchanger allows for the simultaneous movement of steam and condensate along the same pipe of the condensation zone, which is in communication with the evaporation zone of the shell-and-tube heat exchanger.

Размещение внутри кожухотрубного теплообменника труб конденсаторной зоны дает возможность получить дополнительную испарительную зону и тем самым снизить гидродинамические потери при взаимодействии жидкостной и паровой фаз промежуточного теплоносителя. Так отсутствие дополнительной испарительной зоны приведет к скоплению стекающего конденсата на входе в испарительную зону кожухотрубного теплообменника, а значит к перекрытию проходного сечения теплообменной трубки, т.е. образованная конденсатом пробка препятствует свободному прохождению по ней пара, что обуславливает кризис гидравлического сопротивления паровому потоку и значительно снижает термодинамическую эффективность теплообменника. Placing a condenser zone pipe inside the shell-and-tube heat exchanger makes it possible to obtain an additional evaporation zone and thereby reduce hydrodynamic losses during the interaction of the liquid and vapor phases of the intermediate coolant. Thus, the absence of an additional evaporation zone will lead to accumulation of flowing condensate at the inlet to the evaporation zone of the shell-and-tube heat exchanger, which means that the passage section of the heat exchange tube will be blocked, i.e. the condensate plug prevents the free passage of steam through it, which causes a crisis of hydraulic resistance to the steam flow and significantly reduces the thermodynamic efficiency of the heat exchanger.

Дополнительная испарительная зона образуется углубленными участками конденсаторных труб и ее объем обусловлен определенным объемом конденсационной зоны. An additional evaporation zone is formed by the deep sections of the condenser tubes and its volume is determined by a certain volume of the condensation zone.

Так углубление труб на величину менее 0,01 соотношения длин углубленных концов труб к их наружным длинам, при соотношении объемов зон дополнительной к конденсационной менее величины 1,2•10^-3 не позволяет образовать необходимую поверхность испарения, т.е. достигнуть желаемого эффекта. Рост указанных соотношений более величин соответственно 0,08 и 3,6•10^-3 приведет к нерациональному увеличению габаритов испарительной зоны.So, pipe deepening by an amount less than 0.01 of the ratio of the lengths of the deepened ends of the pipes to their external lengths, when the ratio of the volumes of the additional to condensation zones is less than 1.2 • 10 ^-3, does not allow the formation of the necessary evaporation surface, i.e. achieve the desired effect. The growth of these ratios by more than 0.08 and 3.6 • 10 ^-3, respectively, will lead to an irrational increase in the size of the evaporation zone.

Проведенный поиск известных в науке и технике решений, могущих содержать отличительные от прототипа признаки, показал, что на дату подачи эти признаки в известных решениях не обнаружены. The search for solutions known in science and technology that could contain features distinctive from the prototype showed that at the filing date these signs were not found in the known solutions.

Предлагаемое техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. из уровня техники оно не известно, а для специалистов явным образом не следует из уровня техники. The proposed technical solution is new and has an inventive step, because it is not known from the prior art, and for specialists it is not obvious from the prior art.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого теплообменника; на фиг.2 вид сбоку. Figure 1 shows a General view of the proposed heat exchanger; figure 2 side view.

Термосифонный теплообменник состоит из двух зон: конденсационной 1 и испарительной 2. Конденсационная зона 1 включает теплообменную поверхность, выполненную в виде петель оребренных труб 3, заключенных в корпус 4. Thermosiphon heat exchanger consists of two zones: condensation 1 and evaporation 2. Condensation zone 1 includes a heat exchange surface made in the form of loops of finned tubes 3 enclosed in a housing 4.

Испарительная зона 2 выполнена в виде кожухотрубного теплообменника 5, внутри которого размещены змеевики 6 водяного пара. Полость теплообменника 5 заполнена промежуточным теплоносителем 7 до определенного уровня. Кроме того, нижние концы теплообменных труб 3 углублены в корпус кожухотрубного теплообменника 5 таким образом, что соотношение длин углубленных концов труб 3 к их наружным длинам составляет 0,01 < α < 0,08 При этом в испарительной зоне 2 на концах теплообменных труб 3 образована дополнительная испарительная зона 8, объем которой составляет 1,2•10^-3 < β < 3,6•10^-3 объема конденсационной зоны 1.The evaporation zone 2 is made in the form of a shell-and-tube heat exchanger 5, inside of which are placed the steam coils 6. The cavity of the heat exchanger 5 is filled with an intermediate coolant 7 to a certain level. In addition, the lower ends of the heat exchanger tubes 3 are recessed into the shell and tube heat exchanger 5 so that the ratio of the lengths of the deepened ends of the tubes 3 to their external lengths is 0.01 <α <0.08. In this case, in the evaporation zone 2 at the ends of the heat exchanger tubes 3 is formed additional evaporation zone 8, the volume of which is 1.2 • 10 ^-3 <β <3,6 • 10 ^{-3 of the} volume of the condensation zone 1.

Подвод и отвод водяного пара в кожухотрубный теплообменник 5, осуществляют через соответствующие патрубки 9, 10. The supply and removal of water vapor in the shell-and-tube heat exchanger 5 is carried out through the corresponding pipes 9, 10.

Термосифонный теплообменник работает следующим образом. Thermosiphon heat exchanger operates as follows.

После предварительного вакуумирования через специальные штуцера (на чертежах не указаны) испарительная полость 2 кожухотрубного теплообменника 5 заполняется промежуточным теплоносителем 7. After preliminary evacuation through special fittings (not shown in the drawings), the evaporation cavity 2 of the shell-and-tube heat exchanger 5 is filled with an intermediate heat carrier 7.

В змеевике 6 через патрубок 9 подается водяной пар. На поверхности змеевиков 6 происходит испарение промежуточного теплоносителя 7, а образующийся при этом конденсат водяного пара отводится через патрубок 10. In the coil 6 through the pipe 9 serves water vapor. On the surface of the coils 6, the evaporation of the intermediate coolant 7 occurs, and the resulting condensate of water vapor is discharged through the pipe 10.

При испарении промежуточного теплоносителя 7 давление в испарительной зоне 2 повышается и пары теплоносителя 7 поступают в петлеобразные трубки 3 конденсаторной зоны 1. When the intermediate coolant 7 evaporates, the pressure in the evaporation zone 2 rises and the pairs of coolant 7 enter the loop-like tubes 3 of the condenser zone 1.

При обдуве конденсационных трубок 3 воздухом с температурой ниже температуры паров промежуточного теплоносителя 7 происходит конденсация последнего внутри трубок 3. Конденсат под действием гравитационных сил стекает по трубкам и попадает в дополнительную испарительную зону 8, находящуюся в среде паров промежуточного теплоносителя 7 испарительной зоны 2, где происходит испарение стекающего конденсата. When the condensation tubes 3 are blown with air below the vapor temperature of the intermediate coolant 7, the condensation of the latter occurs inside the tubes 3. Under the influence of gravitational forces, the condensate flows through the pipes and enters the additional evaporation zone 8, which is in the medium of the vapor of the intermediate coolant 7 of the evaporation zone 2, where evaporation of flowing condensate.

Это исключает образование стекающим конденсатом пробок на концах трубок 3 и обеспечивает свободное поступление паров теплоносителя 7 в трубки 3. This eliminates the formation of flowing condensate plugs at the ends of the tubes 3 and ensures the free flow of vapor of the coolant 7 into the tubes 3.

Предлагаемый теплообменник обладает высокой надежностью, т.к. в его конструкции исключен контакт между греющей средой (водяным паром) и охлаждающей средой (воздухом с низкой температурой) и предназначен для использования в системах жизнеобеспечения на судах ледового класса плавания, в том числе и на атомных ледоколах типа "Арктика". The proposed heat exchanger has high reliability, because its design excludes contact between the heating medium (water vapor) and the cooling medium (air with low temperature) and is intended for use in life support systems on ice-class vessels, including nuclear-powered icebreakers of the Arctic type.

Claims

1. Thermosiphon heat exchanger containing an evaporation zone, the housing of which is partially filled with an intermediate heat carrier and equipped with a heater, and a condensation zone, the heat exchange surface of which is made in the form of fin tubes, the lower ends of which are inserted into the evaporation zone housing for a part of their length, characterized in that the heater is made in the form of a bundle of heat exchange tubes passing through the housing of the evaporation zone and filled with steam, and the tubes of the heat exchange surface of the condensation zone in the form of loops, with the ratio of the lengths of the ends quiet tubes introduced into the evaporation zone enclosure, a loop-like portions is in the range 0.01 to 0.08.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ratio of the volumes of the sections of the tubes of the heat exchange surface of the condensation zone introduced into the housing of the evaporation zone to the loop-shaped sections is 1.2 • 10 ^- ³ - 3.6 • 10 ^- ³ .