Тепловая труба

 

Использование: изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменным аппаратам в энергетических, технологических , отопительных установках как А г 1 г- IX 22 16 устройство для разделения смесей на отдельные компоненты и защиты окружающей среды от вредных выбросов дымовых газов. Сущность изобретения заключается в том, что испарительная часть теплообменника выполнена из двух пучков 1 и 9 с трубными решетками 2 и 10. Один пучок 9 расположен вертикально, а другой пучок 1 горизонтально. За последним пучком 1 внутри корпуса расположено сепарационное устройство 21, в нижней части корпуса - устройство 20 для вы вода агрессивной жидкости из теплообменника. 2 ил. 4 I v Ё VI J ю Os 00 VI Фиг. 2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 28 D 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4781466/06 (22) 15.01.90 (46) 23.07.92. Бюл. 3Ф 27 (71) Херсонский индустриальный институт (72) В.А.Ардашев, В.А.Мирошниченко, С.Г.Белорусов и Д.Б.Микитянский (56) Авторское свидетельство СССР

N 1539490, кл.F 28 D 15/00, 1989. (54) ТЕПЛОВАЯ ТРУБА (57) Использование: изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменным аппаратам в энергетических, технологических, отопительных установках как Ж „1749687A1 устройство для разделения смесей на отдельные компоненты и защиты окружающей среды от вредных выбросов дымовых газов. Сущность изобретения заключается в том, что испарительная часть теплообменника выполнена из двух пучков 1 и 9 с трубными решетками 2 и 10. Один пучок 9 расположен вертикально, а другой пучок 1 горизонтально, 3а последним пучком 1 внутри корпуса расположено сепарационное устройство 21, в нижней части корпуса — устройство 20для вывода агрессивной жидкости из теплообменника. 2 ил, 1749687

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к теплообменным аппаратам в энергетических, технологических, отопительных установках, как устрой ство для разделения смесей на отдельные компоненты и защиты окружающей среды от вредных выбросов дымовых газов.

Известен теплообменник, содержащий пакет тепловых труб в составной трубной решетке, состоящей из двух разъемных частей, тепловые трубы в нем выполнены составными из двух частей, каждая из которых закреплена в соответствующей части трубной решетки.

Однако известному теплообменнику присущи недостатки, заключающиеся в трудности отвода неконденсирующихся газов, сложности контроля заполнения труб промежуточным теплоносителем, относительно низкие коэффициенты теплоотдачи к промежуточному теплоносителю, трудности очистки от накипеотложений внешней поверхности конденсаторных участков тепловых труб, возникающие в связи с тем, что каждая тепловая труба работает как единичный теплопередатчик, а также отсутствует. организованное движение потоков пара и конденсата в тепловой трубе.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является тепловая труба-теплообменник, содержащая конденсационную и испарительную части, состоящие из труб, закрепленных в трубных решетках и заключенных в разъемный корпус, конденсационная и испарительная части в ней выполнены из отдельных друг от друга пучков труб, ограниченных с обеих концов двумя трубными решетками, причем конденсационные и испарительные пучки труб совместно с разъемным корпусом составляют единую тепловую трубу, под конденсационным пучком установлено устройство для организованного движения потоков пара и конденсата, выполненные в виде лотка и опускной трубы, а разъемный корпус снабжен устройством для отвода неконденсирующихся газов и устройством для контроля уровня и подпитки теплообменника промежуточным теплоносителем..

Однако этот теплообменник имеет недостатки, заключающиеся в относительно невысокой интенсивности теплоотдачи к промежуточному теплоносителю, трудности очистки внешней поверхности исварительных труб от отложений первичного теплоносителя и их коррозии, возникающие в связи с относительно невысокой скоростью движения парожидкостной смеси в испарительных трубах и содержанием в

o 5 первичном теплоносителе эоловых, накипеобразующих и других включений.

Цель изобретения — повышение интенсивности теплоотдачи и снижение загрязнения окружающей среды за счет уменьшения вредных примесей в выбрасываемых дымовых газах.

Поставленная цель достигается тем, что в тепловую трубу-теплообменник, содержащую конденсационную и испарительную части, состоящие из пучков труб, закрепленных в трубных решетках и совместно с разъемным корпусом составляющих тепловую трубу, снабженную устройствами для отвода неконденсирующихся газов и контроля уровня промежуточного теплоносителя, вводится конструктивное решение, согласно которому испарительная часть теплообменника выполнена из двух пучков труб, ограниченных с обеих концов трубными решетками, один из которых расположен вертикально а другой горизонтально, при этом за горизонтальным трубным пучком внутри корпуса располагается сепарационное устройство, а в нижней части корпуса устройство для вывода агрессивной жидкости из теплообменника, Двухфазная смесь в вертикальном трубном пучке образуется за счет поступления в трубы кипящей парожидкостной смеси из межтрубного пространства горизонтального трубного пучка и продолжением кипения смеси в трубах вертикального пучка. Теплота, расходуемая на процесс кипения, передаемся через стенки труб от дымовых газов, движущихся вначале внутри труб горизонтального пучка, а затем снаружи труб вертикального пучка, Скорость движения парожидкостной смеси в трубах вертикального пучка определяется в основном скоростью паровой фазы. Чем больше количество пара, тем выше его скорость, и тем выше скорость движения двухфазной смеси. B предлагаемом изобретении скорость движения двухфазной смеси будет гораздо выше, чем в известном, так как по трубам вертикального пучка движется не только пар, образовавшийся в них, но и пар, поступивший из межтрубного пространства горизонтального трубного пучка, Таким образом, вертикальное и горизонтальное расположение трубных пучков испарительной части тепловой трубы-теплообменника способствует получению более высокой скорости движения смеси в вертикальном трубном пучке и, как следствие, происходит увеличение интенсивности теплоотдачи от стенок труб к парожидкостной смеси.

Выполнение испарительной части тепловой трубы-теплообменника из двух пуч1749687 (3) 50 (4) 55 ков труб, расположенных в пространстве вертикально и горизонтально, ранее не известно.

В потоке дымовых газов (первичный теплоноситель) содержатся золовые и пылевидные включения, а также продукты сгорания топлива, в состав которых входят водяные пары, сернистый ангидрид SOz u др. газы. Сернистый ангидрид и водяные пары образуют кислоту Нг$04. При прохождении потоком газа горизонтального трубного пучка на внутренней поверхности труб задерживаются золовые и пылевидные включения, а также при охлаждении ниже температуры точки росы конденсируются пары серной кислоты. Конденсация кислоты происходит как в ядре потока, так и на поверхности труб. Агрессивная жидкость, образовавшаяся на стенках труб, выводится из теплообменника с помощью устройства, расположенного в нижней части корпуса горизонтального трубного пучка, а капли в потоке улавливаются сепарационным устройством (жалюзийным сепаратором).

Дальнейшее осаждение эоловых, пылевидных и жидкостных включений происходит уже на внешней поверхности труб вертикального пучка. Таким образом, вывод из потока упомянутых включений уменьшает их содержание в выбрасываемых дымовых газах и снижает загрязнение окружающей среды. Следует отметить, что толщина осаждений на трубах вертикального пучка по сравнению с известным устройством будет снижаться, так как часть отложений уже осела на трубах горизонтального пучка, при этом увеличивается коэффициент теплопередачи и, следовательно, количество передаваемой теплоты.

Применение сепарационного устройства в тепловой трубе-теплообменнике для улавливания капель жидкости из потока первичного теплоносителя (дымовые газы) ранее не известно.

В предлагаемом устройстве по сравнению с известным изменено и направление опускной трубы, выводящей конденсат из конденсационной части. Если в основном изобретении опускная труба направляла конденсат в подтрубную камеру к входным отверстиям вертикального и испарительного трубного пучка, то в предлагаемом устройстве конденсат направляется в нижнюю часть межтрубного пространства горизонтального пучка. Это позволяет избежать перекрестного движения поднимающегося потока парожидкостной смеси и потока конденсата, которое имело бы место при подводе конденсата к входным отверстиям труб вертикального испарительного пучка.

На фиг.1 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при разных способах организации кипения промежуточного теплоносителя; на фиг.2 — тепловая труба, разрез.

Кривая а (фиг.1) соответствует процессу кипения в индивидуальных термосифонах (аналог). Для ее расчета использовалось эмпирическое уравнение а-с. q05. Р (1) где с — постоянный коэффициент, для рассчитываемых условий c = 16,2;

q — плотность теплового потока, Вт/м;

PH — давление насыщения, бар.

Кривая б соответствует процессу кипения в трубах (прототип) для ее расчета использовалось уравнение Кичигина-Тобилевича а= А .q (2) где Аг — постоянныи коэффициент, для воды

А2 = 12,4.

Кривые в, г, д, е соответствуют процессу кипения в трубах с учетом влияния скорости смеси на теплообмен (предлагаемая конструкция). При кипении воды и пароводной смеси в трубах и кольцевых каналах в широком диапазоне изменения паросодержания, включая. дисперсно-кольцевой режим, коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнению а а — 1+7.10 ()з 2. (У ар., а ар., где а — коэффициент теплоотдачи к пароводной смеси, Вт/(м . К); аоо — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении, когда уже не проявляется влияние скорости жидкости, Вт/(м К); ар,к — коэффициент теплоотдачи к вынужденному потоку кипящей жидкости, Вт/(м К); всм — скорость пароводяной смеси, м/с;

r — теплота парообразования, Дж/кг;

p — плотность жидкой фазы, кг/м .

Коэффициент теплоотдачи о определялся по уравнению а„=с q где с = 2,67 — коэффициент, Коэффициент теплоотдачи к вынужденному потоку кипящей жидкости определяется по выражению

1749687

+.к/йо 1 + (до /до) (5) где ао — коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении однофазного потока, Вт/(м К).

Для расчета ао использовалось урав- 5 нение

Nug.к = 0,023Re Pr (6)

Nuo.к. = — число Нуссельта; а d о . d 10

Re = — число Рейнольдса; V V

Pr = — — число Прандтля. а где А, v, а — теплофизические константы жидкости, соответственно коэффициенты 15 теплопроводности, кинематической вязкости, температуропроводности.

Кривые, представленные на фиг,1, рассчитывались для условий кипения воды при атмосферном давлении. Для расчета прини- 20 мались следующие исходные данные: диаметр трубы d = 21 мм, скорость циркуляции

cc4= 0,5 м/с, скорости движения смеси а

=2; 4; 6; 10 м/с, Расчетдля определения влияния скоро- 25 сти смеси на интенсивность теплообмена производится так. По уравнению (6) рассчитывают величину ао . Для задавшихся четырех величин q = 10; 20; 40; 70 кВт/м, По уравнению (4) определяют четыре величины 30 аоо, а затем по уравнению (5) четыре величины ар., Задавшись одним значением со,, по уравнению (3) для разных величин

q, co>, ар.K рассчитываютчетыре значения а, Полученные точки наносят на фиг.1. 3атем задаются другим значением u+ и рас-, чет повторяют.

Расположение кривых на фит.1 показывает, что с увеличением скорости смеси интенсивность теплоотдачи возрастает и, что более высокой интенсивностью теплоотдачи обладает прототип (кривая б) по сравнению с аналогом (кривая а), а еще более высокой интенсивностью обладает предла- 45 гаемое устройство (кривые в, г, д, е) по сравнению с прототипом и аналогом, Благодаря такому выполнению тепловой трубы-теплообменника обеспечивается относительно высокая скорость парожидкостной смеси, уменьшение примесей, содержащихся в выбрасываемых дымовых газах, что позволяет повысить интенсивность теплоотдачи и, как следствие, увеличить теплопроизводительность теплообменника, а также снизить загрязнение окружающей среды, Тепловая труба (фиг.2) состоит из пучка горизонтальных конденсационных труб 1 и его трубных решеток 2, заключенных в корпус?, на котором расположено устройство для отвода неконденсирующихся газов 4, торцовые концы корпуса закрыты крышками, снабженными патрубками входа 5 и выхода 6 вторичного теплоносителя, под конденсационным пучком установлен лоток

7 для сбора конденсата промежуточного теплоносителя с опускной трубой 8, вертикального пучка испарительных труб 9 и его трубных решеток 10, заключенных в корпус

11 с поперечными перегородками 12, к которому присоединены колено 13 и патрубок

14 выхода первичного теплоносителя, под вертикальным испарительным пучком расположен горизонтальный испарительный пучок труб 15 с трубными решетками 16, заключенных в разъемный корпус 17, в правой части которого установлен жалюзийный сепаратор 18 с емкостью для сбора уловленных капель агрессивной жидкости

19 и трубопроводов с вентилями для вывода агрессивной жидкости из корпуса 20 и cenapampa 21, торцовые концы корпуса 17 закрыты крышками, причем на левой крышке установлен патрубок 22 входа первичного теплоносителя в теплообменник, на опускной трубе установлены устройства для подпитки теплообменника промежуточным теплоносителем 23 и контроля его уровня 24, Тепловая труба работает следующим образом.

Межтрубное пространство горизонтального пучка испарительных труб 15 и часть внутреннего пространства испарительных труб 9 вертикального пучка заполняются промежуточным теплоносителем через устройство 23, уровень заполнения которого контролируется по устройству 24.

Первичный теплоноситель (дымовые газы) через патрубок 22 поступает в теплообменник и затем движется внутри горизонтальных испарительных труб 15. Через стенки труб первичный теплоноситель отдает теплоту промежуточному теплоносителю и понижает свою температуру. Если температура газа становится ниже температуры точки росы водяного пара, начинается процесс его конденсации и образования различного вида кислот. Газ совместно с капельками кислоты покидает трубы 15 и направляется в жалюзийный сепаратор 18 для удаления из потока капель агрессивной жидкости. После сепаратора поток газа направляется по колену 13 в межтрубное пространство вертикальных испарите lbHblx труб 9, а уловленная агрессивная жидкость стекает в емкость 19 и затем удаляется из сепаратора через вентиль 21. Агрессивная жидкость, стекающая из труб, удаляется из

1749687

10нижней части корпуса 17 через вентиль 20.

Первичный теплоноситель поперечно в несколько ходов (возможно и в один ход), образованных перегородками 12, омывает вертикальные испарительные трубы 9, отдавая через стенки труб тепло промежуточномутеплоносителю, при этом он еще больше понижает свою температуру и покидает теплообменник через патрубок 14, Вторичный теплоноситель (вода) через патрубок 5 поступает в трубы конденсационного пучка 1, проходит внутри них и через патрубок 6 удаляется из теплообменника.

Промежуточный теплоноситель закипает на наружной поверхности горизонтальных испарительных труб 15 за счет теплоты первичного теплоносителя. Парожидкостная смесь с какой-то начальной скоростью поступает в вертикальные испарительные трубы 9, где до пол н ител ьно получает теплоту от первичного теплоносителя, продолжает кипеть и скорость ее постоянно растет.

Образовавшийся в трубах пар проходит между стенкой корпуса 3 и лотком 7 и поступает в межтрубное пространство конденсационных труб 1, на внешней поверхности которых проходит его конденсация. Конденсат стекает в лоток 7 и по опускной трубе 8 возвращается в межтрубное пространство испарительного горизонтального пучка.

Цикл замыкается. Теплота, выделяемая при конденсации промежуточного теплоносителя, воспринимается вторичным теплоносителем, Конденсирующиеся газы периодически, а при необходимости постоянно, отводятся устройством 4.

Для замены труб или их очистки от отложений первичного и вторичного теплоносителя корпус тепловой трубы-теплообменника выполняется разъемным.

Вальцовка труб в трубных решетках позволяет легко производить замену вышедших из строя труб.

Предлагаемая конструкция технологична в изготовлении, так как может компоноваться стандартными узлами, выпускаемыми машиностроительной про5 мышленностью. Она надежна в эксплуата- ции, поскольку вид теплоносителя и неконденсирующиеся газы не ограничивают время ее работы. По предлагаемому принципу можно изготовить теплообмен10 ный аппарат большой единичной мощности.

Экономический эффект, получаемый в результате использования предлагаемой тепловой трубы-теплообменника, возника15 ет за счет снижения металлоемкости, облегчения эксплуатации и ремонта, защиты окружающей среды и возможности использования собранных кислот в каком-либо технологическом процессе.

Формула изобретения

Тепловая труба, содержащая конденсационную и испарительную части, состоящие из пучков труб, закрепленных в трубных ре25 шетках и совместно с разъемным корпусом составляющих тепловую трубу, снабженную устройствами для отвода неконденсирующихся газов и контроля уровня промежуточного теплоносителя, отличающаяся

30 тем, что, с целью повышения интенсивности теплоотдачи и снижения загрязнения окружающей среды, испарительная часть теплообменника выполнена из двух пучков труб, ограниченных с обоих концов трубными ре35 шетками, при этом один из пучков расположен вертикально, а другой горизонтально, за горизонтальным пучком труб внутри корпуса расположено дополнительно установленное сепарационное устройство, а в

40 нижней части корпуса — дополнительно установлено устройство для вывода агрессивной жидкости из теплообменника, 1749687

2 5 67 $9

Редактор Е. Папп

Заказ 2586 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ч

7

Составитель Н, Алексеева

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор О. Кундрик