Контактный теплообменник

 

Использование: теплоэнергетика, подогрев воды в тепловых сетях продуктами сгорания . Сущность изобретения: нагреваемая вода подается в корпус 1, в котором последовательно по ходу ее потока установлены газовые патрубки 3 и 4 с кэвитационными элементами (КЗ), первый из которых установлен с возможностью перемещения в осевом направлении. При обтекании КЭ 10, выполненного в виде коаксиально расположенных кольцевых конусных обечаек, образуются кавитационные полоски (КП), в которые из цилиндрической камеры 6 по трубопроводу 9, газовому патрубку 3 и через КЭ 10 поступает газ. Далее поток двухфазной смеси обтекает КЭ 17 патрубка 4 с образованием КП, В последней в результате горения газовоздушной смеси в горелочном устройстве 5 патрубка 4 образуется факел. На границе КП происходит теплообмен между водой, факелом и продуктами сгорания газовоздушной смеси. Далее поток поступает в камеру 6. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я >s F 28 С 3/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

q7uz /

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4800787/06 (22) 11.03.90 (46) 07.11.92. Бюл. ¹ 41 (75) С.В.Волейник, А.СЮачинский и А.В.Волейник (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N 1263926, кл. F 28 С 3/06, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР

N 1384904, кл. F 28 С 3/06, 1988. (54) КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕ ННИК (57) Использование: теплоэнергетика, подогрев воды в тепловых сетях продуктами сгорания. Сущность изобретения: нагреваемая вода подается в корпус 1, в котором последовательно по ходу ее потока установлены газовые патрубки 3 и 4 с кавитационными

„„QU, „1774147 А1 элементами (КЭ), первый из которых установлен с воэможностью перемещения в осевом направлении. При обтекании КЭ 10, выполненного в виде коаксиально расположенных кольцевых конусных обечаек, образуются кавитационные полоски (КП), в которые из цилиндрической камеры 6 по трубопроводу 9, газовому патрубку 3 и через

КЭ 10 поступает газ. Далее поток двухфазной смеси обтекает КЭ 17 патрубка 4 с образованием КП, B последней в результате горения газовоздушной смеси в горелочном устройстве 5 патрубка 4 образуется факел.

На границе Кп происходит теплообмен между водой, факелом и продуктами сгорания гаэовоздушной смеси. Далее поток поступает в камеру 6. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1774147

Изобретение относится к теплоэнергетическому оборудованию и может быть использовано для подогрева воды в тепловых сетях непосредственно продуктами сгорания.

Известен контактный теплообменник, содержащий горизонтальный корпус для прохода жидкости, в котором соосно размещены газовые кавитационные патрубки с выходными участками, выполненными в виде диффузоров, причем во втором по потоку патрубке расположено горелочное устройство с запальником (1), Однако конструктивное выполнение указанного теплообменника не позволяет полностью использовать тепло продуктов сгорания, Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, выбранному в качестве прототипа, является контактный теплообменник, содержащий горизонтальный корпус для прохода жидкости, в котором соосно размещены газовые кавитационные патрубки с выходными участками, выполненными в виде диффуэоров, при этом первый по потоку патрубок установки с возможностью перемещения в осевом направлении, а во втором расположено горелочное устройство с эапальником (2).

Недостатком известного теплообменника является незначительная интенсивность теплообмена вследствие недостаточной удельной поверхности раздела фаз (газ-жидкость), отнесенной к единице обьема рабочей камеры.

Целью изобретения является интенсификация тепломассообмена путем увеличения поверхности контакта. указанная цель достигается тем, что в контактном теплообменнике, содержащем корпус с открытым выходным торцом и соосно установленными внутри с образованием кольцевого зазора и последовательно по ходу потока нагреваемой среды газовыми патрубками; снабженными каждый кавитационным элементом, первый из которых по ходу потока установлен с воэможностью перемещения в осевом направлении, а во втором размещено горелочное устройство, корпус со стороны выходного торца снабжен цилиндрической камерой с патрубками отвода жидкости и газа, подсоединенной последним к первому по ходу нагреваемой среды газовому патрубку, кавитационный элемент которого выполнен в виде коаксиально размещенных кольцевых обечаек, скрепленных между собой посредством полых стержней, в зоне примыкания которых в обечайках выполнены отверстия. Кольцевые обечайки могут быть выполнены конус5

50 ными и скреплены между собой и корпусом с образованием кольцевых углов стабилизаторов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Подача высокотемпературного газа в кавитационные полости, образованные за коаксиально расположенными кольцевыми обечайками первого по потоку кавитационного элемента, позволяет предварительно повысить температуру исходной жидкости, а также насытить ее мелкодисперсными пузырьками, которые, огибая второй по потоку кавитационный элемент, попадают на поверхность каверны и захватываются ею, Это позволяет существенно увеличить размеры кавитационной полости за вторым по потоку кавитационным элементом при одновременном повышении эффективности теплообмена между факелом и нагреваемой жидкостью. Теплообмен между жидкостью и продуктами сгорания факела продолжается в цилиндрической камере при распаде потока на капли, а тепло продуктов сгорания, отбираемое из цилиндрической камеры, используется для предварительного нагрева жидкости.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями, включая и прототип, а также основных процессов, протекающих в устройстве, позволяет признать соответствие данной конструкции критерию изображения "новизна". Сравнение предлагаемого решения с другими известными устройствами для проведения и роцессов теплообмена позволяет сделать вывод о том, что предлагаемые новые и отличительные признаки заявляемого теплообменного аппарата в сочетании с известными соответствуют критерию "существенные отличия".

Отсутствие какого-либо технического признака нарушает их единую совокупность, выраженную в оригинальном конструктивном исполнении аппарата, и не позволит реализовать ее преимуществ, На фиг,1 изображен предлагаемый теплообменник, продольный разрез; на фиг.2— узел l на фиг.1; на фиг.З вЂ” разрез А — А на фиг,2.

Контактный теплообменник содержит корпус 1 с входным конфузором 2, соосно размещенные газовые патрубки 3 и 4, последовательно расположенные вдоль оси корпуса 1, причем первый по потоку жидкости патрубок 3 установлен с возможностью перемещения в осевом направлении, а во втором патрубке 4 установлено горелочное устройство 5. Корпус 1 со стороны выходного торца снабжен цилиндрической камерой б с патрубками 7 и 8 отвода жидкости и газа

1774147

35

55 соответственно. Патрубок 8 посредством трубопровода 9 соединен с первым по потоку газовым патрубком 3. Кавитационный элемент 10, закрепленный на газовом патрубке 3, состоит из коаксиально размещенных кольцевых конусных обечаек 11-13, скрепленных между собой и с корпусом 1 с образованием кольцевых углов стабилизаторов. Кольцевые обечайки соединены между собой и газовым патрубком 3 полыми стержнями 14. Отверстия в стержнях совпадают с отверстиями 15, выполненными в обечайках, в зоне примыкания стержней, и с радиальными отверстиями 16 в газовом патрубке 3. Второй по потоку кавитационный элемент 17 газового патрубка 4 имеет вид полого усеченного конуса.

Контактный теплообменник работает следующим образом.

Нагреваемая жидкость. например вода, с температурой 15 — 20 С под давлением 0,6—

1,0 МПа через входной конфузор 2, создающий необходимую скорость (15 — 25 м/e) и падение статического давления, подается в корпус 1. При обтекании кавитацион ного элемента 10, выполненного в виде коаксиально расположенных кольцевых конусных обечаек 11-13 в рез;льтате возникающих градиентов давлений, образуются присоединенные развитые кавитационные полости (суперкаверны). представляющие собой области минимального давления, величина которого меньше значений парциальных давлений растворенных в жидкости газов (Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация.— M. Мир, 1974, с. 21-22), За счет разности давлений в цилиндрической камере 6 и непосредственно за обечайками происходит процесс эжекции высокотемпературного газа (теплоносителя). Таким образом газ поступает из камеры 6 через патрубок 8 по трубопроводу 9, газовому патрубку 3, а также отверстиям 16, полым стержням 14 и отверстиям 15, выполненным в обечайках, непосредственно в конусные полости обечаек 11-13, а следовательно, и в присоединенные к ним суперкаверны с образованием так называемых вентилируемых каверн.

На границах раздела фаз (поверхности каверн) происходит теплообмен между теплоносителем и нагреваемой жидкостью. В результате нестационарности хвостовых частей кавитационных полостей за кольцевыми обечайками кавитацион ного элемента 10 происходит образование и отрыв микропузырьков, наполненных высокотемпературной парогазовой смесью, при этом продолжается процесс теплообмена между теплоносителем и жидкостью по всему объему потока.

Далее поток двухфазной смеси обтекает кавитационный элемент 17, за которым также образуется присоединения суперкавитационная полость (область минимального давления). Парогазовые пузырьки, находящиеся в жидкости, попадая на поверхность каверны, захватываются ею. Это приводит к поступлению в каверну значительного количества газа и, как следствие, к существенному увеличению ее размеров. В полученной кавитационной полости в результате горения газовоздушной смеси, подаваемой через газовый патрубок 4 в горелочное устройство 5, образуется факел, длина которого регулируется за счет изменения расхода горючей смеси. В процессе непосредственного контакта подогреваемой жидкости, обтекающей кавитационный элемент 17, с факелом и продуктами сгорания газовоздушной смеси на границе каверны происходит интенсивный теплообмен.

Высокие скорости обтекания газового патрубка 4 жидкостью (15 — 25 м/с) способствуют постоянному обновлению поверхности контакта фаз.

Образовавшийся за хвостовой частью каверны плотно упакованный кавитационными пузырьками поток двухфазной смеси через выходной торец корпуса 1 в виде струи выбрасывается в цилиндрическую камеру б, где распадается на капли, а горячий газ, находящийся в пузырьках. высвобождается. При этом между каплями жидкости и газообразным теплоносителем за счет непосредственного контакта также происходит процесс теплообмена. Нагретая жидкость собирается в нижней части цилин40 дрической камеры б и через патрубок отвода

7 поступает потребителю. Горячий газ, с целью предварительного нагрева жидкости, через патрубок отвода 8 подается в кавитационные полости, за кольцевыми обечайками кавитационного элемента 10.

Наиболее эффективные режимы контактного нагрева в предлагаемом теплообменнике достигаются в условиях развитого кавитационного течения, характеризующегося стационарной границей раздела фаз.

Для осуществления режимов развитой кавитации скорость подогреваемой жидкости на входе в теплообменник должна быть не менее 15-20 м/с. Диапазон давлений в теплообменнике определяется температурными параметрами используемых теплоносителей.

Предлагаемая конструкция контактного теплообменника позволяет повысить интенсивность процесса тепломассообмена как

1774147 за счет тепла, излучаемого высокотемпературным фактором, так и в результате более полного использования тепла продуктов сгорания, Фонтанное разбрызгивание нагреваемой жидкости, а также кавитационный элемент, изготовленный из коаксиально расположенных кольцевых обечаек, позволяет увеличить удельную поверхность контакта подогреваемой жидкости и высокотемпературного газа (продукта сгорания). Применение режимов развитой кавитации в сочетании с вышеуказанными новыми и уже известными конструктивными решениями элементов теплообменника позволяет реализовать необходимые режимы контактного нагрева, а также существенно повысить коэффициент использования тепла газообразного теплоносителя, без увеличения удельных энергозатрат.

Формула изобретения

1. Контактный теплообменник, содержащий корпус с открытым выходным торцом и соосно установленными внутри с образованием кольцевого зазора и последовательно по ходу потока нагреваемой среды газовыми патрубками, снабженными каждый кавитационными элементами, первый из которых по ходу потока установлен с возможностью перемещения в осевом направлении, а во втором размещено горелочное устройство, от л и ч а ю щи и с я тем, 5 что, с целью интенсификации тепломассообмена путем увеличения поверхности контакта. корпус со стороны выходного торца снабжен камерой с патрубками отвода жидкости и газа подсоединенной последним к

10 первому по ходу нагреваемой среды газовому патрубку.

2. Теплообменник по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что кавитационный элемент первого по ходу потока газового патрубка

15 выполнен в виде коаксиально размещенных кольцевых обечаек, скрепленных между собой посредством полых стержней, в зоне примыкания которых в обечайках выполнены отверстия.

20 3. Теплообменник по п,2, о т л и ч а юшийся тем, что обечайки кавитационного элемента выполнены конусными и скреплены между собой и корпусом с образованием кольцевых углов стабилизаторов, 25 4. Теплообменник по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что камера выполнена цилиндрической.

1774147

Редактор Т.Орлова

Заказ 3918 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

f4

17

Составитель С.Волейник

Техред M,Moðãåíòàë Корректор А Ворович