RU2341748C1

RU2341748C1 - Heat-exchanger

Info

Publication number: RU2341748C1
Application number: RU2007120640/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Лужков (RU); Юрий Михайлович Лужков; Агарагим Фаталиевич Джафаров (RU); Агарагим Фаталиевич Джафаров; Александр Дмитриевич Корнеев (RU); Александр Дмитриевич Корнеев
Original assignee: Юрий Михайлович Лужков; Агарагим Фаталиевич Джафаров; Александр Дмитриевич Корнеев
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention refers to heat engineering, specifically to vertical heat exchangers, and can be used in microbiological, chemical and medical industries for heat removal during biosynthesis in bioreactors. Heat-exchanger contains heat-exchange element connected to cooling water inlet and outlet manifolds and provided with filming agents under water inlet manifold, and built in working medium tank with aerator mounted in its lower part. Heat-exchange element is formed with coaxial shell rings mutually composing end-closed circular channel with heat-transmitting walls that are shell rings. Filming agents are mounted in circular channel above one another open relative to heat-transfer walls. The first filming agent is designed in the form of ring plates arranged at the angle to one another to form circular clearance. The second filming agent is designed in the form of ring plates interconnected to form V-profile ring element vertex of which is directed towards to water flow with dimension of clearance formed with lower filming agent and heat-transfer walls exceeding dimension of clearance formed with upper filming agent and heat-transfer walls. Horizontal plate is mounted between water inlet manifold and filming agents in circular channel.

EFFECT: higher heat-transfer coefficient due to provided more uniform filming along the whole length of heat-transfer passage.

3 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к вертикальным пленочным теплообменникам, и может быть использовано в микробиологической, химической и медицинской промышленности для отвода тепла в процессах биосинтеза в биореакторах.The invention relates to heat engineering, in particular to vertical film heat exchangers, and can be used in the microbiological, chemical and medical industries to remove heat in biosynthesis processes in bioreactors.

Известен теплообменный аппарат пленочного типа, включающий вертикальный корпус, содержащий теплопередающий канал, подключенный к патрубкам подвода и отвода охлаждающей воды, в верхней части которого под патрубком подвода охлаждающей воды установлены конусные пленкообразователи (см., например, пат. РФ 2053290, опубл. 27.01.1996). Недостатком известного устройства являются низкие значения коэффициента теплопередачи из-за возможности перелива хладагента внутрь пленочного распределителя. При этом перелившийся хладагент просто "проваливается" по центру теплопередающей трубы и не принимает участия в процессе теплосъема, что уменьшает суммарный коэффициент теплопередачи и приводит к увеличению расхода хладагента.A film-type heat exchanger is known, including a vertical housing containing a heat transfer channel connected to cooling water inlet and outlet pipes, in the upper part of which conical film-forming agents are installed under the cooling water supply pipe (see, for example, Pat. RF 2053290, publ. 27.01. 1996). A disadvantage of the known device is the low values of the heat transfer coefficient due to the possibility of overflow of refrigerant inside the film distributor. In this case, the overflowing refrigerant simply “falls through” in the center of the heat transfer pipe and does not take part in the heat removal process, which reduces the total heat transfer coefficient and leads to an increase in refrigerant consumption.

Наиболее близким по достигаемому результату и технической сущности к предлагаемому устройству является теплообменный аппарат, включающий емкость, заполненную рабочей средой, с размещенным в ее нижней части воздушным коллектором с выходными отверстиями и вертикально установленное в емкости теплообменное устройство, подключенное к патрубкам подвода и отвода охлаждающей воды и снабженное пленкообразователями, установленными в верхней части под патрубком подвода воды (см., например а.с. СССР 1000717, опубл. 28.02.1983).The closest to the achieved result and technical nature of the proposed device is a heat exchanger, including a tank filled with a working medium, with an air collector with outlet openings located in its lower part and a heat exchanger vertically installed in the tank, connected to the pipes for supplying and discharging cooling water and equipped with film former installed in the upper part under the water supply pipe (see, for example, AS USSR 1000717, publ. 02.28.1983).

Недостатком данного устройства также являются низкие значения коэффициента теплопередачи из-за неравномерного распределения жидкости при засорении каналов в случае использования загрязненной жидкости.The disadvantage of this device is also the low values of the heat transfer coefficient due to the uneven distribution of the liquid with clogged channels in the case of using contaminated liquid.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение коэффициента теплопередачи за счет обеспечения более равномерного образования пленки по всей длине теплопередающего канала.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, namely increasing the heat transfer coefficient by providing a more uniform film formation along the entire length of the heat transfer channel.

Поставленная задача решается за счет того, что в теплообменном устройстве, содержащем подключенный к патрубкам подвода и отвода охлаждающей воды теплообменный элемент, снабженный пленкообразователями, установленными под патрубком подвода воды, и встроенный в емкость, заполненную рабочей средой, с расположенным в ее нижней части аэратором, теплообменный элемент образован соосно размещенными обечайками, образующими между собой закрытый с торцов кольцевой канал с теплопередающими стенками, которыми являются обечайки, пленкообразователи установлены в кольцевом канале друг под другом с зазором относительно теплопередающих стенок, первый пленкообразователь выполнен в виде кольцевых пластин, размещенных под углом друг к другу с образованием между собой кольцевого зазора, а второй выполнен в виде соединенных между собой кольцевых пластин с образованием кольцевого элемента V-образного профиля с вершиной, направленной навстречу потоку воды, причем величина зазора, образованного нижним пленкообразователем и теплопередающими стенками, превышает величину зазора, образованного верхним пленкообразователем и теплопередающими стенками, а между патрубками подвода воды и пленкообразователями в кольцевом канале размещена горизонтальная пластина.The problem is solved due to the fact that in the heat exchange device containing a heat exchange element connected to the supply and exhaust pipes of the cooling water, equipped with film former installed under the water supply pipe, and built into a tank filled with a working medium, with an aerator located in its lower part, the heat-exchange element is formed by coaxially placed shells forming between themselves an annular channel closed from the ends with heat transfer walls, which are shells, and installed in the annular channel one under the other with a gap relative to the heat transfer walls, the first film former is made in the form of annular plates placed at an angle to each other with the formation of an annular gap, and the second is made in the form of interconnected annular plates with the formation of the annular element V -shaped profile with a vertex directed towards the flow of water, and the gap formed by the lower film former and the heat transfer walls exceeds the gap Nogo film former and an upper heat transfer wall, and between the water supply pipes and film formers in an annular channel arranged horizontal plate.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображен общий вид теплообменного устройства.Figure 1 shows a General view of a heat exchange device.

На фиг.2 изображен продольный разрез теплообменного элемента.Figure 2 shows a longitudinal section of a heat exchange element.

На фиг.3 изображен продольный разрез верхней части теплообменного элемента с пленкообразователями.Figure 3 shows a longitudinal section of the upper part of the heat exchange element with film former.

Теплообменное устройство содержит подключенный к патрубкам 1 и 2 соответственно подвода и отвода охлаждающей воды теплообменный элемент, снабженный пленкообразователями 3 и 4, установленными под патрубком 1 подвода воды, встроенный в емкость 5, заполненную рабочей средой, с расположенным в ее нижней части аэратором 6, и образовано соосно размещенными обечайками 7 и 8, образующими между собой закрытый с торцов кольцевой канал 9 с теплопередающими стенками, которыми являются обечайки 7 и 8. Пленкообразователи 3 и 4 установлены в кольцевом канале 9 друг под другом с зазором относительно теплопередающих стенок, первый пленкообразователь 3 выполнен в виде кольцевых пластин, размещенных под углом друг к другу с образованием между собой кольцевого зазора 10, а второй пленкообразователь 4 выполнен в виде соединенных между собой кольцевых пластин с образованием кольцевого элемента V-образного профиля с вершиной, направленной навстречу потоку воды, причем величина зазора b₂, образованного нижним пленкообразователем и теплопередающими стенками, превышает величину зазора b₁, образованного верхним пленкообразователем и теплопередающими стенками, а между патрубками подвода воды и пленкообразователями в кольцевом канале размещена горизонтальная пластина 11.The heat exchange device comprises a heat exchange element connected to the pipes 1 and 2 for supplying and discharging cooling water, equipped with film former 3 and 4, installed under the pipe 1 for supplying water, built into the tank 5 filled with the working medium, with an aerator 6 located in its lower part, and formed by coaxially placed shells 7 and 8, forming between themselves closed from the ends of the annular channel 9 with heat transfer walls, which are the shells 7 and 8. The film former 3 and 4 are installed in the annular channel 9 under each other with a gap relative to the heat transfer walls, the first foaming agent 3 is made in the form of annular plates placed at an angle to each other with the formation of an annular gap 10, and the second foaming agent 4 is made in the form of interconnected annular plates with the formation of the ring element V -shaped profile with the apex pointing towards the flow of water, wherein the size of the gap b ₂ formed by the film former and the lower the heat transfer wall exceeds the gap width b ₁ formed a film former and an upper heat transfer wall, and between the water supply pipes and film formers in an annular channel arranged horizontal plate 11.

Работает пленочный теплообменный аппарат следующим образом.The film heat exchanger operates as follows.

Для отвода тепла из рабочей емкости 5 через патрубок 1 подвода воды в кольцевой канал 9 теплообменного элемента на горизонтальную пластину 11 подается охлаждающая вода. Далее жидкость равномерно распределяется по пластинам верхнего пленкообразователя 3 и через зазор b₁ стекает по теплопередающим стенкам канала 9, реализуя предварительное равномерное по периметру смачивание охлаждающей жидкостью теплопередающих поверхностей. Величина зазора b₁ при этом не превышает 1-2 мм и образующаяся жидкостная пленка, гравитационно стекающая в нижнюю часть теплообменного аппарата, самотеком вытекает из него.To remove heat from the working tank 5, cooling water is supplied to the horizontal plate 11 through a pipe 1 for supplying water to the annular channel 9 of the heat exchange element. Further, the liquid is evenly distributed over the plates of the upper film former 3 and flows through the gap b ₁ along the heat transfer walls of the channel 9, realizing preliminary wetting of the heat transfer surfaces by the cooling liquid along the perimeter. The gap value b ₁ does not exceed 1-2 mm and the resulting liquid film, gravitationally flowing into the lower part of the heat exchanger, flows from it by gravity.

При увеличении расхода охлаждающей жидкости другая часть потока попадает в зазор 10 и далее на нижний пленкообразователь 4 и отбивается от его боковых пластин к теплопередающим стенкам обечаек, равномерно распределяясь по уже смоченной поверхности. Это позволяет избежать появления «салитонов» - волновых образований на стекающей жидкостной пленке, не принимающих участия в теплообмене. Так как величина зазора b₂между вторым пленкообразователем и теплопередающими стенками канала превышает величину вышерасположенного зазора b₁ первого пленкообразователя, то даже в случае забивки узкого зазора b₁работоспособность теплообменного аппарата не нарушается, т.к. охлаждающая вода, попадая в зазор 10, попадает на нижний пленкообразователь и далее соответственно в зазор b₂, превосходящий по размерам вышерасположенный зазор b₁, и самотеком стекает вниз.With an increase in coolant flow, another part of the flow enters the gap 10 and then onto the lower film former 4 and is beaten from its side plates to the heat transfer walls of the shells, evenly distributed over the already wetted surface. This avoids the appearance of "salitons" - wave formations on the flowing liquid film that are not involved in heat transfer. Since the size of the gap b ₂ between the second film former and the heat transfer walls of the channel exceeds the value of the upstream gap b _{1 of the} first film former, even in the case of clogging of the narrow gap b _{1, the} heat exchanger is not broken, cooling water, falling into the gap 10, enters the lower film former and then, respectively, into the gap b ₂ , which is larger than the upper gap b ₁ , and flows by gravity down.

Выполнение пленкообразователя с зазором 10 позволяет добиться равенства жидкостных потоков по обе стороны пленкообразователей внутри кольцевого канала 9.The implementation of the foaming agent with a gap of 10 allows to achieve equality of liquid flows on both sides of the foaming agents inside the annular channel 9.

Установка горизонтальной пластины 11 позволяет достичь равномерного распределения охлаждающей жидкости по всему периметру кольцевого канала 9.The installation of a horizontal plate 11 allows to achieve a uniform distribution of coolant along the entire perimeter of the annular channel 9.

Теплообмен в жидкостной пленке внутри теплообменного элемента является высокоинтенсивным. Увеличение же интенсивности теплообмена с наружной стороны теплообменного элемента достигается за счет создания организованной циркуляции вокруг него путем подачи воздуха в аэратор 6 в нижней части объема, занимаемого внутренней обечайкой теплообменного элемента.The heat transfer in the liquid film inside the heat exchange element is high intensity. The increase in heat transfer intensity from the outside of the heat exchange element is achieved by creating an organized circulation around it by supplying air to the aerator 6 in the lower part of the volume occupied by the inner shell of the heat exchange element.

Таким образом, описываемая конструкция теплообменного устройства позволяет гарантированно сформировать жидкостную пленку, улучшить распределение жидкости по поверхности его теплопередающих стенок и благодаря этому интенсифицировать процесс теплообмена.Thus, the described design of the heat exchange device allows you to guarantee the formation of a liquid film, to improve the distribution of the liquid on the surface of its heat transfer walls and thereby intensify the heat transfer process.

Claims

A heat exchange device comprising a heat exchange element connected to cooling water inlet and outlet pipes, provided with film formers installed under the water supply pipe, and built into a container filled with a working medium with an aerator located in its lower part, characterized in that the heat exchange element is formed by coaxially placed shells forming an annular channel closed from the ends with heat-transferring walls, which are shells, the film formers are installed in the annular anal under each other with a gap relative to the heat transfer walls, the first film former is made in the form of annular plates placed at an angle to each other with the formation of an annular gap, and the second is made in the form of interconnected annular plates with the formation of an annular element of a V-shaped profile with peak directed towards the flow of water, and the gap formed by the lower film former and heat transfer walls exceeds the gap formed by the upper film studios and the heat transfer wall, and between the water supply pipes and film formers in an annular channel arranged horizontal plate.