RU2805472C1

RU2805472C1 - Multi-heat tube plate heat exchanger

Info

Publication number: RU2805472C1
Application number: RU2023111973A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Бурцев; Владимир Сергеевич Ежов
Filing date: 2023-05-10
Publication date: 2023-10-17

Abstract

FIELD: thermal power engineering.

SUBSTANCE: invention can be used for heat exchange processes, in particular for the utilization of low-grade thermal energy. A multi-heat-tube plate heat exchanger contains a housing divided internally by vertical parallel partitions into hot and cold coolant channels, the upper, lower and side ends of which are covered with pyramidal covers equipped with inlet and outlet coolant pipes, and each partition has N holes arranged in a checkerboard pattern relative to each other, through which N heat pipes made of a material with high thermal conductivity are passed and attached to these partitions, so that half of the body of each tube is located in the hot coolant channel, and the other half of the body is in the cold coolant channel, without touching the opposite walls of the above-mentioned channels, while the internal surfaces of the body of the heat pipes are covered with a grid made of capillary material, forming cells; the grids of the lid, bottom and cylindrical part of each heat pipe are interconnected by vertical cross-shaped wicks, covered with cross-shaped casings with triangular slots made on their upper, lower and side ends and attached to the ends and the cylindrical part of the heat pipe, the inner surface of its body, covered with a lattice made of strips of capillary material forming cells, constitute the evaporation and condensation zones, respectively, and the cross-shaped wicks form the transport zone.

EFFECT: increased efficiency and reliability of the heat exchanger.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для проведения процессов теплообмена, в частности, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии.The present invention relates to thermal power engineering and can be used to carry out heat exchange processes, in particular, to utilize low-grade thermal energy.

Известна мультифитильная теплообменная перегородка, содержащая корпус, внутри которого расположены зоны испарения, транспорта (фитиля), конденсации, борта корпуса покрыты изнутри фитилем, составляющим зону транспорта, в свою очередь, покрытым кожухом с треугольными прорезями, выполненными на его верхней и нижней кромках и прикрепленным к крышке и днищу корпуса, покрытых изнутри решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующей ячейки, составляющей зоны транспорта и конденсации, причем в полости корпуса вышеупомянутые решетки крышки и днища соединены между собой вертикальными фитилями, также входящими в зону транспорта, покрытыми цилиндрическим кожухами с треугольными прорезями, выполненными на их верхних и нижних торцах и прикрепленными к крышке и днищу корпуса фитилей [Патент РФ №24, МПК 7 F28D 15/02, 2012].A multi-wick heat exchange partition is known, containing a housing, inside of which there are zones of evaporation, transport (wick), condensation, the sides of the housing are covered from the inside with a wick constituting the transport zone, in turn, covered with a casing with triangular slots made on its upper and lower edges and attached to the lid and bottom of the housing, covered from the inside with a grid made of strips of capillary material, forming cells that make up the transport and condensation zones, and in the cavity of the housing, the above-mentioned grids of the lid and bottom are connected to each other by vertical wicks, also included in the transport zone, covered with cylindrical casings with triangular slots made at their upper and lower ends and attached to the cover and bottom of the wick body [RF Patent No. 24, IPC 7 F28D 15/02, 2012].

Основным недостатком известной мультифитильной теплообменной перегородки является ее сложная конструкция, что снижает возможность ее широкого использования в теплообменных устройствах и эффективность.The main disadvantage of the known multi-wick heat exchange baffle is its complex design, which reduces the possibility of its widespread use in heat exchange devices and its efficiency.

Более близким к предлагаемому изобретению является кожухомультитеплотрубный теплообменник, содержащем корпус, внутри которого расположены камеры охлаждения и нагрева, снабженные патрубками входа и выхода горячего и холодного теплоносителей соответственно, отделенные друг от друга перегородкой, через отверстия в которой пропущены тепловые трубы, размещенные в шахматном порядке, каждая из которых снабжена подъемными фитилями, проходящими через их центры, соприкасаясь с их торцами и не касаясь поверхности внутренних боковых стенок, соединенных в торцах с решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки, которая покрывает внутренние боковую и торцевую поверхности тепловых труб, причем каждая из них делится снаружи перегородкой на зону испарения, находящуюся в камере охлаждения, и зону конденсации, находящуюся в камере нагрева [Патент РФ №2465530, МПК 7 F28D 15/00, 2012].Closer to the proposed invention is a shell-multi-pipe heat exchanger containing a housing, inside of which there are cooling and heating chambers, equipped with inlet and outlet pipes for hot and cold coolants, respectively, separated from each other by a partition through the holes in which heat pipes are passed, placed in a checkerboard pattern, each of which is equipped with lifting wicks passing through their centers, in contact with their ends and without touching the surface of the internal side walls, connected at the ends with a grid made of strips of capillary material forming cells, which covers the internal side and end surfaces of the heat pipes, and each of them is divided externally by a partition into an evaporation zone located in the cooling chamber and a condensation zone located in the heating chamber [RF Patent No. 2465530, IPC 7 F28D 15/00, 2012].

Основным недостатками известного кожухомультитеплотрубного теплообменника являются невозможность его использования для утилизации тепла при больших расходах теплоносителей и неравномерность распределения рабочей жидкости по внутренней поверхности тепловых трубок, обусловленная конструкцией подъемного фитиля, что снижает его эффективность и надежность.The main disadvantages of the known shell-multi-tube heat exchanger are the impossibility of using it for heat recovery at high flow rates of coolants and the uneven distribution of the working fluid over the inner surface of the heat pipes, due to the design of the lifting wick, which reduces its efficiency and reliability.

Техническим результатом предлагаемого мультитеплотрубного пластинчатого теплообменника является повышение эффективности и надежности.The technical result of the proposed multi-heat tube plate heat exchanger is to increase efficiency and reliability.

Устройство предлагаемого мультитеплотрубного пластинчатого теплообменника (МТПТО) приведено на фиг. 1-5 (фиг. 1, 3 - разрезы, фиг. 4, 5 - тепловая трубка МТПТО и ее разрез).The design of the proposed multi-heat tube plate heat exchanger (MHPHE) is shown in Fig. 1-5 (Fig. 1, 3 - sections, Fig. 4, 5 - MTPTO heat pipe and its section).

МТПТО состоит из корпуса 1, разделенного внутри N вертикальными параллельными перегородками 2 на каналы горячего и холодного теплоносителей 3 и 4, верхние и нижние торцы которого покрыты пирамидальными крышками 5, 6, 7, 8, соответственно, снабженными входными и выходными патрубками теплоносителей 9, 10, 11, 12, соответственно, причем в каждой перегородке 2 устроены n отверстий 13, расположенных в шахматном порядке относительно друг друга, через которые пропущены и прикреплены к перегородкам 2 n тепловых трубок 14, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, таким образом, чтобы половина корпуса каждой трубки 14 располагалась в канале горячего теплоносителя 3, а другая ее половина корпуса в канале холодного теплоносителя 4, не касаясь противоположных стенок каналов, при этом внутренние поверхности корпуса тепловых трубок 14 покрыты решеткой 15, выполненной из капиллярного материала, образующей ячейки 16, решетки 15 крышки, днища и цилиндрической части каждой тепловой трубы 14 соединены между собой вертикальными крестообразными фитилями 17 покрытыми крестообразными кожухами 18 с треугольными прорезями 19, выполненными на их верхних, нижних и боковых торцах и прикрепленными к торцами цилиндрической части тепловой трубы 14, причем внутренняя поверхность ее корпуса, покрытые решеткой 15, выполненной из полос капиллярного материала, образующих ячейки 16, составляют зоны испарения и конденсации 20 и 21, соответственно, а крестообразные фитили 17 образуют зону транспорта 22.MTPHE consists of a body 1, divided inside N by vertical parallel partitions 2 into hot and cold coolant channels 3 and 4, the upper and lower ends of which are covered with pyramidal covers 5, 6, 7, 8, respectively, equipped with inlet and outlet coolant pipes 9, 10 , 11, 12, respectively, and in each partition 2 n holes 13 are arranged, staggered relative to each other, through which n heat pipes 14 made of a material with high thermal conductivity are passed and attached to the partitions 2, so that half the housing of each tube 14 was located in the hot coolant channel 3, and its other half of the housing was in the cold coolant channel 4, without touching the opposite walls of the channels, while the internal surfaces of the heat pipe housing 14 were covered with a grid 15 made of capillary material, forming cells 16 of the grid 15 of the cover, bottom and cylindrical part of each heat pipe 14 are connected to each other by vertical cross-shaped wicks 17 covered with cross-shaped casings 18 with triangular slots 19 made on their upper, lower and side ends and attached to the ends of the cylindrical part of the heat pipe 14, and its inner surface the housings, covered with a grid 15 made of strips of capillary material forming cells 16, constitute the evaporation and condensation zones 20 and 21, respectively, and cross-shaped wicks 17 form the transport zone 22.

Количество перегородок 2 N определяется в зависимости от заданной производительности МТПТО, количество тепловых трубок 14 n находят также от заданной производительности МТПТО, а также от их оптимального размера и расстояния между ними на перегородке 2 (находятся опытно-расчетным путем)The number of partitions 2 N is determined depending on the specified performance of the MTPHE, the number of heat pipes 14 n is also determined from the given performance of the MTPHE, as well as their optimal size and the distance between them on the partition 2 (found by experimental calculations)

Предлагаемый МТПТО работает следующим образом.The proposed MTPTO works as follows.

Предварительно, перед началом работы из полости каждой трубки 14 удаляют воздух и в фитили 17 и полосы капиллярного материала решеток 15 закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред до их полного насыщения (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг. 1-5 не показаны), в количестве достаточном для заполнения объема их пор и образования пара в паровом пространстве полости трубки 14, после чего МТПТО соединяют с горячей и холодной средой (жидкостью или газом). При прохождении горячего теплоносителя в каналах 3 происходит нагрев половин тепловых трубок 14, находящихся в этих каналах и испарение рабочей жидкости в ячейках 16, находящейся в фитилях 17 и капиллярном материале решетки 15, которые транспортирует рабочую жидкость в зону испарения 20 (внутренняя поверхность трубки 14, находящаяся в ячейках 16), в результате чего образуется пар. При этом покрытие решеткой 15, выполненной из полос капиллярного материала и образующей ячейки 16 на внутренней поверхности горячей части трубки 14 предотвращает образование паровой пленки на ней и таким образом, интенсифицирует процесс испарения. Образовавшийся пар заполняет паровое пространство полости трубки 14 и конденсируется в зоне конденсации 21 трубки 14, расположенной в каналах холодного теплоносителя 4, а именно, в ячейках 16 внутренней поверхности трубки 14, покрытой решеткой 8, что уменьшает толщину пленки конденсата на ней и, таким образом, интенсифицирует процесс конденсации. Кроме того крестообразная конструкция вертикальных фитилей 17, покрытых крестообразными кожухами 18 с треугольными прорезями 19, выполненными на их верхних, нижних и боковых торцах и прикрепленных к внутренней поверхности тепловой трубы 14, обеспечивает равномерную подачу и отвод рабочей жидкости в зоны испарения и конденсации 20 и 21, что резко увеличивает тепловую эффективность тепловых трубок 14. Образовавшийся конденсат поглощается капиллярным материалом полос решетки 15, соединенной с фитилями 17 зоны транспорта 22 через треугольные прорези 19 на нижних, верхних и боковых кромках крестообразных кожухов 18 распределяется решеткой 15 по внутренней поверхности трубки 14, после чего цикл повторяется. При этом процесс теплообмена с горячей и холодной средами протекает со скоростью многократно превышающей скорость аналогичного процесса в обычных теплообменниках, обусловленной высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации. [А.Н. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146; В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 106; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: - 1990, с. 22]. В тоже время, покрытие фитилей 17 кожухами, их крестообразная конструкция с треугольными прорезями 19 на их кромках, прикрепление их к внутренней поверхности трубок 14 придает их конструкции механическую прочность, обеспечивает непрерывное и равномерное поступление (или отвод) рабочей жидкости в решетки 15 (или из решеток 15), а возможность размещения неограниченного числа тепловых трубок 14 в полости корпуса 1 позволяет также неограниченно увеличивать площадь теплообмена МТПТО.Previously, before starting work, air is removed from the cavity of each tube 14 and a working fluid is pumped into the wicks 17 and strips of capillary material of the grids 15, which is selected depending on the temperature potential of the cold and hot media until they are completely saturated (fittings for removing air and supplying working fluid not shown in Fig. 1-5), in an amount sufficient to fill the volume of their pores and form steam in the vapor space of the cavity of the tube 14, after which the MTPTO is connected to a hot and cold medium (liquid or gas). When hot coolant passes through channels 3, the halves of the heat pipes 14 located in these channels are heated and the working fluid evaporates in cells 16, located in the wicks 17 and the capillary material of the grid 15, which transports the working fluid to the evaporation zone 20 (inner surface of the tube 14, located in cells 16), resulting in the formation of steam. In this case, coating with a grid 15 made of strips of capillary material and forming cells 16 on the inner surface of the hot part of the tube 14 prevents the formation of a vapor film on it and thus intensifies the evaporation process. The resulting steam fills the vapor space of the cavity of the tube 14 and condenses in the condensation zone 21 of the tube 14, located in the channels of the cold coolant 4, namely, in the cells 16 of the inner surface of the tube 14, covered with a grid 8, which reduces the thickness of the condensate film on it and, thus, , intensifies the condensation process. In addition, the cross-shaped design of vertical wicks 17, covered with cross-shaped casings 18 with triangular slots 19 made at their upper, lower and side ends and attached to the inner surface of the heat pipe 14, ensures uniform supply and removal of working fluid to the evaporation and condensation zones 20 and 21 , which sharply increases the thermal efficiency of heat pipes 14. The resulting condensate is absorbed by the capillary material of the grid strips 15, connected to the wicks 17 of the transport zone 22 through triangular slots 19 on the lower, upper and side edges of the cross-shaped casings 18, distributed by the grid 15 along the inner surface of the tube 14, after why the cycle repeats. In this case, the process of heat exchange with hot and cold media proceeds at a speed many times higher than the speed of a similar process in conventional heat exchangers, due to the high values of the heat transfer coefficient in the processes of evaporation and condensation. [A.N. Planovsky, P.I. Nikolaev. Processes and devices of chemical and petrochemical technology. - M.: Chemistry, 1987, p. 146; V.V. Kharitonov et al. Secondary heat and power resources and environmental protection. - Minsk: Vysh. school, 1988, p. 106; Heat pipes and heat exchangers: from science to practice. Collection of scientific works M.: - 1990, p. 22]. At the same time, covering the wicks 17 with casings, their cross-shaped design with triangular slots 19 on their edges, attaching them to the inner surface of the tubes 14 gives their structure mechanical strength, ensures continuous and uniform flow (or removal) of the working fluid into the grids 15 (or from gratings 15), and the possibility of placing an unlimited number of heat pipes 14 in the cavity of the housing 1 also allows an unlimited increase in the heat transfer area of the MTPHE.

Таким образом, предлагаемый МТПТО значительно упрощает конструкцию и повышает эффективность и производительность теплообменного устройства за счет возможности многократного увеличения площади контакта с горячей и холодной средами без подвода дополнительной механической энергии путем размещения в полости корпуса множества вертикальных параллельных перегородок и отдельных тепловых трубок с крестообразными фитилями, что позволяет использовать ее в промышленных масштабах и обеспечивает высокую эффективность и надежность, в том числе и при утилизации низкопотенциальной энергии.Thus, the proposed MTPHE significantly simplifies the design and increases the efficiency and productivity of the heat exchange device due to the possibility of repeatedly increasing the contact area with hot and cold media without supplying additional mechanical energy by placing in the housing cavity a plurality of vertical parallel partitions and individual heat pipes with cross-shaped wicks, which allows its use on an industrial scale and ensures high efficiency and reliability, including the utilization of low-potential energy.

Claims

Multi-heat-tube plate heat exchanger containing a housing, inside of which there are cooling and heating chambers, equipped with inlet and outlet pipes for hot and cold coolants, respectively, separated from each other by a partition through the holes in which heat pipes are passed, placed in a checkerboard pattern, each of which is equipped with vertical wicks covered with casings with triangular slots made at their upper and lower ends and attached to the cover and bottom of the housing, covered with a grid made of strips of capillary material forming cells, which covers the internal side and end surfaces of the heat pipes, each of them is divided externally by a partition into an evaporation zone located in the cooling chamber and a condensation zone located in the heating chamber, characterized in that the heat pipes are made of a material with high thermal conductivity, the vertical wicks are made cross-shaped, covered with cross-shaped casings, the side ends of which are made with triangular slots and attached to the cylindrical part of the heat pipe.