RU2168135C1

RU2168135C1 - Film-type heat exchanger

Info

Publication number: RU2168135C1
Application number: RU2000108537/06A
Authority: RU
Inventors: ховецкий В.М. Шл; В.М. Шляховецкий; А.И. Кожеуров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Кубаньгазпром"
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: refrigerating engineering. SUBSTANCE: the film-type heat exchanger has a body, accommodating heat-exchange pipes for the working medium changing its phase state, connected to the distributing devices positioned in the headers; a tank, tray and a heat-transfer agent pump, the heat-exchange pipes for the working medium changing its phase state are installed vertically, grouped in heat-exchange sections, each provided with inlet and outlet horizontal headers, and the pipes for supply of the heat-transfer agent are positioned coaxially outside the heat-exchange pipes for the working medium changing the phase state and provided with distributors of the heat-transfer agent flow, connected with its upper part to the heat- transfer agent tank, and with the lower part communicated with the tray; the distributors of the heat-transfer agent flow are installed in an annular gap between the pipes and made in the form of cylindrical inserts, the inner surface of each insert in the upper part is made in the form of a confuser changing into a cylindrical bush, and a round thread is formed on the inner surface. EFFECT: enhanced thermal capacity of the heat exchanger. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к пленочным теплообменникам, вводимым в состав холодильной установки, в которых рабочее тело изменяет в процессе теплообмена (кипение, конденсация) фазовое состояние, а также может найти применение в установках газовой и криогенной промышленности для регазификации сжиженного природного газа, метана, пропана, бутана и кислорода. The invention relates to refrigeration, in particular to film heat exchangers introduced into the refrigeration unit, in which the working fluid changes the phase state during heat exchange (boiling, condensation), and can also be used in gas and cryogenic industry installations for regasification of liquefied natural gas , methane, propane, butane and oxygen.

Известен пленочный теплообменник, оснащенный распределителями жидкости, которые содержат размещенные в вертикальных теплообменных трубах полые втулки с винтовыми каналами на боковой поверхности и кольцевым выступом в верхней части, контактирующим с торцом трубы, а также установленный над втулкой цилиндрический патрубок с отверстием, равным центральному каналу втулки. Для интенсификации теплообмена, втулка с нижнего торца снабжена коническим насадком с углом раскрытия конуса 20 - 40 градусов, имеющим высоту, в 8-10 раз меньшую высоты втулки, и диаметр нижнего основания D_о = D_в - 2H_к, где D_в - диаметр нижнего торца втулки, H_к - глубина винтового канала.A film heat exchanger is known, equipped with liquid distributors, which contain hollow bushings located in vertical heat transfer tubes with screw channels on the side surface and an annular protrusion in the upper part in contact with the pipe end, as well as a cylindrical pipe installed above the sleeve with an opening equal to the central channel of the sleeve. To intensify heat transfer, the sleeve from the lower end is equipped with a conical nozzle with an opening angle of the cone of 20 - 40 degrees, having a height 8-10 times smaller than the height of the sleeve, and the diameter of the lower base D _о = D _в - 2H _к , where D _в - diameter the lower end of the sleeve, H _to - the depth of the helical channel.

К недостаткам известного теплообменника, оснащенного известными распределителями жидкости, следует отнести возможность их применения только для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности труб, а также возможность их размещения только на верхнем торце трубы, что снижает тепловую производительность всего теплообменника. The disadvantages of the known heat exchanger equipped with known liquid distributors include the possibility of their use only to intensify heat transfer on the inner surface of the pipes, as well as the possibility of their placement only at the upper end of the pipe, which reduces the thermal performance of the entire heat exchanger.

Известен пленочный теплообменник, оснащенный распределителями жидкости, которые выполнены в виде вставок по форме усеченного конуса, обращенного вверх большим основанием и установленного с возможностью перемещения вдоль оси трубы теплообменника, для интенсификации теплообмена вставка имеет на боковой поверхности винтовые канавки, заглушенные со стороны большего основания, и снабжена регулируемым по длине трубы ограничителем перемещения конуса, закрепленным на трубе теплообменника. Known film heat exchanger equipped with liquid distributors, which are made in the form of inserts in the shape of a truncated cone, facing up with a large base and installed with the possibility of moving along the axis of the pipe of the heat exchanger, to enhance heat transfer, the insert has screw grooves on the side surface, which are damped from the side of the larger base, and equipped with a cone-adjustable limiter along the length of the pipe mounted on the heat exchanger pipe.

К недостаткам пленочного теплообменника, оснащенного известными распределителями жидкости, следует отнести возможность их применения только для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности труб, что снижает тепловую производительность всего теплообменника. The disadvantages of a film heat exchanger equipped with well-known liquid distributors include the possibility of their use only to intensify heat transfer on the inner surface of the pipes, which reduces the thermal performance of the entire heat exchanger.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник, преимущественно для конденсации пара, включающий корпус, установленный в верхней части корпуса водораспределитель, расположенные под оросительным устройством теплообменные трубы для конденсирующегося хладагента, поддон и водяной насос, при этом теплообменные трубы установлены вертикально, сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена, входным и выходным горизонтальными коллекторами для конденсирующегося хладагента и дополнительными теплообменными трубами, размещенными внутри теплообменных труб для конденсирующегося хладагента соосно с ними и соединенных верхней частью с водораспределителем, а нижней сообщенные с поддоном, при этом водораспределитель выполнен в форме желоба открытого типа. The closest in technical essence and the achieved result is a heat exchanger, mainly for steam condensation, including a housing, a water distributor installed in the upper part of the housing, heat exchange pipes for condensing refrigerant located under the irrigation device, a tray and a water pump, while the heat exchange pipes are installed vertically, grouped into heat-exchange sections, each of which is equipped with inlet and outlet horizontal collectors for condensing refrigerant and additional ADDITIONAL heat exchange tubes arranged inside the heat exchanger tubes for condensing refrigerant coaxially with them and connected with the upper part of the water distributor, but communicated with the bottom tray, the water distributor configured in the form of an open trough.

Недостатками известного теплообменника являются низкая тепловая производительность, вследствие неэффективной организации теплообмена из-за ламинарного течения потока теплоносителя по трубе с рабочим телом, обуславливающая высокие удельные металлоемкость и затраты на проведение процесса фазового перехода (конденсации). The disadvantages of the known heat exchanger are low thermal performance, due to the ineffective organization of heat transfer due to the laminar flow of the coolant flow through the pipe with the working fluid, which leads to high specific metal consumption and costs of the phase transition process (condensation).

Целью настоящего изобретения является повышение тепловой производительности путем интенсификации процесса теплообмена вследствие создания турбулентного потока теплоносителя у теплообменной поверхности, при осуществлении фазового перехода (конденсации испарения) рабочего тела. The aim of the present invention is to increase thermal performance by intensifying the heat transfer process due to the creation of a turbulent coolant flow near the heat exchange surface, during the phase transition (evaporation condensation) of the working fluid.

Поставленная цель достигается тем, что в известном пленочном теплообменнике, включающем корпус, в котором установлены теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела, связанные с распределительными устройствами, расположенными в коллекторах, бак, поддон и насос для теплоносителя, теплообменные трубы для изменяющего фазовое состояние рабочего тела установлены вертикально и сгруппированы в теплообменные секции, каждая из которых снабжена входным и выходным горизонтальными коллекторами, трубы для подвода теплоносителя размещены коаксиально снаружи теплообменных труб для изменяющего фазовое состояние рабочего тала и снабжены распределителями потока теплоносителя и соединены верхней частью с баком теплоносителя, а нижней частью сообщены с поддоном, согласно изобретению распределители потока теплоносителя установлены в кольцевом зазоре между трубами и выполнены в виде цилиндрических вставок, внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба, наружная поверхность вставки снабжена сквозными секторными зазорами, в которых размещены подпружиненные штифты. При этом вдоль образующей труб для теплоносителя в кольцевом зазоре установлены пластины с отверстиями для штифтов, на которых зафиксированы вставки по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора. This goal is achieved by the fact that in the known film heat exchanger, comprising a housing in which heat exchange tubes for changing the phase state of the working fluid are installed, associated with switchgears located in the collectors, a tank, a sump and a pump for the coolant, heat exchanging pipes for changing the phase state of the working bodies are mounted vertically and grouped into heat exchange sections, each of which is equipped with inlet and outlet horizontal collectors, pipes for supplying heat The heat exchangers are placed coaxially outside the heat exchange tubes for changing the phase state of the working fluid and are equipped with heat transfer flux distributors and are connected with the upper part to the heat carrier tank and communicated with the bottom with a pallet. According to the invention, the heat flow distributors are installed in the annular gap between the pipes and are made in the form of cylindrical inserts, the inner surface of each insert in the upper part is made in the form of a confuser passing into a cylindrical sleeve, on the inner surface of which th round thread is formed, the outer surface of the insert is provided with end-to-end sector gaps in which spring-loaded pins are placed. At the same time, plates with holes for pins are installed along the generatrix of the pipes for the coolant in the annular gap, on which the inserts are fixed along the height of the annular gap between the coaxial pipes evenly, starting from the top of the annular gap.

Известно, что при проведении в теплообменном аппарате фазового перехода рабочего тела (конденсация, кипение) интенсивность теплопередачи определяется только значениями величин коэффициентов теплоотдачи со стороны теплоносителя. Последние целиком определяются режимом течения теплоносителя (ламинарным или турбулентным), причем, как общеизвестно, коэффициенты теплоотдачи при ламинарном режиме течения существенно меньше коэффициентов теплоотдачи при турбулентном режиме течения. It is known that during the phase transition of the working fluid in a heat exchanger (condensation, boiling), the heat transfer intensity is determined only by the values of the heat transfer coefficients from the coolant. The latter are entirely determined by the flow regime of the coolant (laminar or turbulent), and, as is well known, the heat transfer coefficients in the laminar flow regime are significantly lower than the heat transfer coefficients in the turbulent flow regime.

Поток теплоносителя при прохождении кольцевого зазора между трубами движется в ламинарном режиме течения, вследствие чего передача теплоты к внешним, по отношению к внутренней трубе, слоям теплоносителя осуществляется только теплопроводностью. When passing through the annular gap between the pipes, the flow of the heat carrier moves in the laminar flow mode, as a result of which heat is transferred to the external, relative to the inner pipe, layers of the heat carrier only by thermal conductivity.

Выполнение распределителей потока теплоносителя в виде цилиндрических вставок, причем внутренняя поверхность каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую втулку, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба, и установленных в кольцевом зазоре между трубами, что позволяет организовать турбулентное течение потока теплоносителя относительно внутренних труб, и, тем самым, увеличить значения коэффициента теплоотдачи со стороны теплоносителя и общий теплосъем с поверхности теплопередачи. The design of the heat carrier flow distributors in the form of cylindrical inserts, with the inner surface of each insert in the upper part made in the form of a confuser, turning into a cylindrical sleeve, on the inner surface of which a round thread is formed, and installed in the annular gap between the pipes, which allows you to organize a turbulent flow of the coolant flow relative to the internal pipes, and, thereby, increase the values of the heat transfer coefficient from the coolant and the total heat removal from the surface loperedachi.

Выполнение наружной поверхности вставки со сквозными секторными зазорами обеспечивает ламинарное течение теплоносителя в пристенном слое у наружной поверхности внешней трубы, чем снижается теплообмен через эту поверхность с окружающей средой, тем самым снижая теплопритоки (или потери холода). The implementation of the outer surface of the insert with through sector gaps provides a laminar flow of the coolant in the wall layer at the outer surface of the outer pipe, thereby reducing heat transfer through this surface with the environment, thereby reducing heat inflow (or cold loss).

Размещение в корпусе распределителя подпружиненных штифтов, с размещением вдоль образующей труб для теплоносителя в кольцевом зазоре пластин с отверстиями для штифтов для фиксирования распределителей на пластинах по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора, обеспечивает создание и поддержание турбулентного режима течения теплоносителя по всей высоте внутренних теплообменных труб. Placement of spring-loaded pins in the distributor casing, with plates placed along the generatrix of the coolant pipe in the annular gap for fixing the distributors on the plates along the height of the annular gap between the coaxial pipes evenly, starting from the top of the annular gap, ensures the creation and maintenance of a turbulent flow regime over the entire height of the internal heat transfer tubes.

Расстояние между распределителями определяется внутренним диаметром внешней трубы, которое должно обеспечивать турбулентный режим течения теплоносителя, например не более двухсот внутренних диаметров внешней трубы, независимо от диапазона изменения рабочих температур рабочего, тела и теплоносителя, конструктивной компоновки теплообменных труб и распределителя потока теплоносителя. The distance between the distributors is determined by the inner diameter of the outer pipe, which should provide a turbulent flow regime of the coolant, for example, no more than two hundred internal diameters of the outer pipe, regardless of the range of working temperatures of the working, body and coolant, the design of the heat exchange pipes and the coolant flow distributor.

На фиг. 1 изображена теплообменная секция пленочного теплообменника в поперечном разрезе A-A; на фиг. 2 - место B на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез C-C на фиг. 2; на фиг. 4 - течение теплоносителя через распределители потока; на фиг. 5 - разрез D-D на фиг. 3; на фиг. 6 - место E на фиг. 3. In FIG. 1 shows a heat exchanger section of a film heat exchanger in cross section A-A; in FIG. 2 - place B in FIG. 1; in FIG. 3 is a cross-sectional view of C-C in FIG. 2; in FIG. 4 - coolant flow through flow distributors; in FIG. 5 is a section D-D in FIG. 3; in FIG. 6 - place E in FIG. 3.

Пленочный теплообменник (фиг. 1) содержит корпус 1, бак 2, теплообменные секции 3, распределительные устройства 4 рабочего тела, фильтр 5, размещенный в поддоне 6, и соединенный с насосом 7, который трубопроводом 8 связан с баком 2. The film heat exchanger (Fig. 1) contains a housing 1, a tank 2, heat exchange sections 3, distributors 4 of the working fluid, a filter 5 located in the pan 6, and connected to the pump 7, which is connected by a pipe 8 to the tank 2.

Теплообменные секции 3 выполнены в виде вертикально установленных труб 9 для изменяющего фазовое состояние рабочего тела. Коллекторы 10 и 11 патрубками 12 и 13 связаны с магистралями изменяющего фазовое состояние рабочего тела. Коллектор 10 содержит соответствующие патрубки для подключения необходимых технических средств защиты (условно не показаны). Коллектор 14 содержит патрубок 15 для удаления жидкого рабочего тела в ресивер (не показан). The heat exchange sections 3 are made in the form of vertically mounted pipes 9 for changing the phase state of the working fluid. Collectors 10 and 11 with nozzles 12 and 13 are connected to the mains of the phase-changing working fluid. The collector 10 contains appropriate nozzles for connecting the necessary technical means of protection (not shown conditionally). The collector 14 contains a pipe 15 for removing the liquid working fluid in a receiver (not shown).

Снаружи вертикально расположенных труб 9 коаксиально с ними расположены теплообменные трубы 16, верхней частью соединенные с баком 2, а нижней частью сообщающиеся с поддоном 6. Outside the vertically arranged pipes 9, heat-exchange pipes 16 are coaxially located with them, the upper part connected to the tank 2, and the lower part in communication with the pallet 6.

В межтрубном кольцевом пространстве установлены распределители 17 потока теплоносителя, выполненные в виде цилиндрических вставок, причем внутренняя поверхность 18 каждой вставки в верхней части выполнена в виде конфузора 19, переходящего в цилиндрическую втулку 20, на внутренней поверхности которой сформирована круглая резьба 21, наружная поверхность 22 вставки снабжена сквозными секторными зазорами 23, в которых размещены штифты 24, поджатые пружинами 25 (фиг. 5). In the annular annular space there are installed heat carrier flow distributors 17 made in the form of cylindrical inserts, and the inner surface 18 of each insert in the upper part is made in the form of a confuser 19, turning into a cylindrical sleeve 20, on the inner surface of which a round thread 21 is formed, the outer surface 22 of the insert equipped with end-to-end sector gaps 23, in which pins 24 are placed, preloaded by springs 25 (Fig. 5).

На фиг. 5 и 6 вдоль образующей труб 16 для теплоносителя в кольцевом зазоре установлены пластины 26 с отверстиями 27 для штифтов 24, вставки зафиксированы на пластинах 26 по высоте кольцевого зазора между коаксиальными трубами равномерно, начиная от верха кольцевого зазора. In FIG. 5 and 6, plates 26 with holes 27 for pins 24 are installed in the annular gap along the generatrix of the heat transfer pipes 16, the inserts are fixed on the plates 26 uniformly starting from the top of the annular gap along the height of the annular gap between the coaxial pipes.

Патрубки 28 (фиг. 1) введены в коллекторы 10, и далее через патрубки 12 связаны с паровым пространством рабочего тела установки (не показано). The nozzles 28 (Fig. 1) are introduced into the manifolds 10, and then through the nozzles 12 are connected with the steam space of the working fluid of the installation (not shown).

Пленочный теплообменник работает следующим образом (фиг. 1 и 2). Film heat exchanger operates as follows (Fig. 1 and 2).

Рабочее тело, изменяющее свое фазовое состояние, через патрубки 13 подается в коллекторы 11 теплообменных секций 3, откуда через распределительные устройства 4 во внутренние теплообменные трубы 9. The working fluid, which changes its phase state, is supplied through the nozzles 13 to the collectors 11 of the heat-exchange sections 3, from where through the distributors 4 to the internal heat-exchange pipes 9.

Паровое пространство труб 9 связано с коллекторами 10 и через патрубки 12 с соответствующим паровым пространством рабочего тела установки (не показано), в составе которой используется пленочный теплообменник. The vapor space of the pipes 9 is connected to the collectors 10 and through the nozzles 12 with the corresponding steam space of the working fluid of the installation (not shown), which uses a film heat exchanger.

Теплоноситель из поддона 6 через фильтр 5 забирается насосом 7 и по трубопроводу 8 подается в бак 2. Теплоноситель поступает в межтрубное пространство, образованное теплообменными трубами 9 и 16, проходит через распределители потока теплоносителя 17 и, омывая внутреннюю поверхность труб 9, стекает в поддон 6. The coolant from the pan 6 through the filter 5 is taken by the pump 7 and fed through the pipe 8 to the tank 2. The coolant enters the annular space formed by the heat exchange pipes 9 and 16, passes through the heat flow distributors 17 and, washing the inner surface of the pipes 9, flows into the pan 6 .

Рабочее тело, изменившее при конденсации фазовое состояние, отводится в виде жидкой фазы через коллекторы 14 и патрубки 15 в линейный ресивер (не показано). The working fluid, which has changed the phase state during condensation, is discharged in the form of a liquid phase through the collectors 14 and nozzles 15 into a linear receiver (not shown).

Рабочее тело, изменившее при кипении фазовое состояние, отводится в виде паровой фазы через патрубки 28 в коллекторы 10, и далее через патрубки 12 к потребителю пара (не показано). The working fluid, which changed the phase state during boiling, is discharged in the form of a vapor phase through nozzles 28 to collectors 10, and then through nozzles 12 to a steam consumer (not shown).

При подходе к распределителю внутренние ламинарные слои потока теплоносителя на входе в конфузор 19 поджимаются, в конфузоре ускоряются, после чего попадают в цилиндрическую часть 20, где в каналах круглой резьбы 21 закручиваются. На выходе из резьбы 21 закрученный винтообразный поток теплоносителя перемещается вдоль трубы 9, обеспечивая перемешивание струек и турбулентный режим течения на длине трубы 9 до расположенного ниже следующего распределителя потока. Тем самым увеличивается коэффициент теплоотдачи, теплоносителя относительно наружной поверхности внутренней трубы 9. When approaching the distributor, the internal laminar layers of the coolant flow at the entrance to the confuser 19 are compressed, accelerated in the confuser, and then fall into the cylindrical part 20, where they are twisted in the round thread channels 21. At the exit of the thread 21, a swirling helical flow of coolant moves along the pipe 9, providing mixing of the jets and a turbulent flow regime along the length of the pipe 9 to the next next flow distributor located below. This increases the heat transfer coefficient of the coolant relative to the outer surface of the inner pipe 9.

Через секторные зазоры 23 слой теплоносителя перемещается сверху вниз в ламинарном режиме течения, что уменьшает теплообмен теплоносителя с окружающей средой через наружную поверхность внешней трубы 16. Through sector gaps 23, the coolant layer moves from top to bottom in the laminar flow mode, which reduces the heat transfer of the coolant with the environment through the outer surface of the outer pipe 16.

Предлагаемый пленочный теплообменник позволяет повысить тепловую производительность, интенсифицировать процесс теплообмена при осуществлении фазового перехода и, тем самым, снизить давление конденсации и расход электроэнергии на выработку холода (при проведении процесса конденсации рабочего тела) или увеличить массовый расход образующегося пара (при испарении рабочего тела или регазификации сжиженного газа). The proposed film heat exchanger allows you to increase thermal performance, to intensify the heat transfer process during the phase transition and, thereby, reduce the condensation pressure and energy consumption for cold production (during the process of condensation of the working fluid) or increase the mass flow rate of the generated steam (during evaporation of the working fluid or regasification liquefied gas).

Claims

1. A film heat exchanger, comprising a housing, heat exchange pipes installed therein for changing the phase state of the working fluid, associated with switchgears located in the collectors, a tank, a sump and a pump for the heat transfer medium, heat exchanging pipes for phase-changing working fluid are installed vertically and grouped in heat-exchange sections, each of which is equipped with inlet and outlet horizontal collectors, pipes for supplying the heat carrier are placed coaxially outside the heat-exchange pipes ub for phase-changing working fluid and equipped with heat flow distributors and connected to the upper part of the coolant tank, and the bottom part communicated with a tray, characterized in that the coolant flow distributors are installed in the annular gap between the pipes and are made in the form of cylindrical inserts, the inner surface of each the inserts in the upper part are made in the form of a confuser passing into a cylindrical sleeve, on the inner surface of which a round thread is formed, the outer surface the insert is provided with end-to-end sector gaps in which spring-loaded pins are placed.

2. The film heat exchanger according to claim 1, characterized in that along the generatrix of the heat carrier pipes in the annular gap are plates with pin holes on which the inserts are fixed along the height of the annular gap between the coaxial pipes evenly, starting from the top of the annular gap.