Контактный пленочный теплообменник

 

Использование: в теплоэнергетике, химической и смежных с ней отраслях промышленности. Сущность изобретения: повышение интенсивности теплообмена и расширение диапазона рабочих режимов обеспечивается тем, что в теплообменнике, содержащем гофрированные рабочие поверхности, образующие зигзагообразные каналы для газообразного теплоносителя, участки этих поверхностей с нормалью, расположенной под углом менее 90к вертикали, выполнены с регулярной шероховатостью 5 поперек направления движения пленки 12. При этом в каналах, на расстоянии от рабочих поверхностей, равном пятикратной глубине регулярной шероховатости 5, установлены направляющие для газообразного теплоносителя, параллельные участкам рабочих поверхностей с нормалью, расположенной под углом более 90к вертикали. При работе теплообменника в набегающей на выступ шероховатости 5 пленке 12 жидкости ее придонный слой тормозится, а наружный сохраняет свою скорость, в результате чего возникают вихри 13, перемешивающие слои жидкости. При сходе пленки 12 с выступа шероховатости 5 вследствие сохранения направления вектора 14 скорости пленочного течения возникают вихри 15, также способствующие перемешиванию. Конструкция обеспечивает повышение интенсивности теплообмена в 2,5 - 3 раза и скорости газообразного теплоносителя в 2 раза. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к тепломассообменной аппаратуре и может быть использовано в области теплоэнергетики, в химической и смежных с ней отраслях промышленности.

Известен теплообменник, содержащий вертикально расположенные параллельные повеpхности с вертикальными гофрами, на которые в верхней их части подается жидкость, стекающая по ним в виде пленки. В каналы, образуемые поверхностями, подается в горизонтальном направлении газообразный теплоноситель, обеспечивающий испарение пленки [1] .

В данном устройстве невозможно повышение интенсивности теплообмена за счет увеличения расходов сред, так как помимо срыва капель с поверхности пленки вследствие высокого динамического воздействия газа на пленку, происходит смещение расхода пленки, а значит, и ее толщины в сторону направления движения газа, что ведет, с одной стороны, к выводу из процесса теплообмена части поверхности пленки из-за стремящихся к нулю толщины и расхода со стороны входа газа, с другой стороны - к ослаблению внутрипленочного теплообмена за счет увеличения толщины пленки со стороны выхода газа. Таким образом, в данном устройстве не достижима высокая интенсивность теплообмена при широком диапазоне рабочих режимов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является контактный теплообменник, содержащий корпус, размещенные в нем поперечно гофрированные вертикальные трубы, орошающие устройство для подачи жидкости, и дренажное устройство. Газообразный теплоноситель движется в вертикальном направлении противотоком относительно пленки [2] .

Однако в данном устройстве недостижима высокая интенсивность теплообмена, что обусловлено образованием во впадинах гофров вихревых зон с повышенным термическим сопротивлением, а также тем, что жидкость стекает по гладкой подстилающей поверхности без перемешивания нагреваемых слоев ее ламинарной пленки. При повышении с целью интенсификации теплообмена расходов сред вследствие высокого динамического воздействия газа на пленку на вершинах гофров происходит срыв жидкости и разрушение целостности пленки, уменьшение площади контакта сред и снижение интенсивности теплообмена, т. е. данное устройство обладает узким диапазоном рабочих режимов.

Целью изобретения является повышение интенсивности теплообмена и расширение диапазона рабочих режимов теплообменника.

Указанная цель достигается тем, что в контактном пленочном теплообменнике, содержащем корпус, внутри которого размещены гофрированные рабочие поверхности, образующие зигзагообразные каналы для газообразного теплоносителя, орошающее устройство с трубопроводами для подвода жидкого теплоносителя и дренажное устройство, участки гофрированных рабочих поверхностей с нормалью, расположенной под углом менее 90^о к вертикали, выполнены с регулярной шероховатостью поперек направления движения пленки, а в зигзагообразных каналах для газообразного теплоносителя на расстоянии от гофрированных рабочих поверхностей, равном пятикратной глубине регулярной шероховатости, установлены направляющие для газообразного теплоносителя, причем последние параллельны участкам гофрированных рабочих поверхностей с нормалью, расположенной под углом более 90^о к вертикали.

При введении в предлагаемый контактный пленочный теплообменник регулярной шероховатости и направляющих для газообразного теплоносителя в указанной связи с остальными элементами конструкции возникают следующие предпосылки для достижения поставленной цели: регулярная шероховатость, выполненная на участках рабочих поверхностей, где пленка удерживается суммарным действием сил смачивания и гравитационных сил, позволяет осуществлять эффективное перемешивание пленки без снижения устойчивости пленочного течения: направляющие газового потока за счет выбора места установки посредством изменения направления движения газообразного теплоносителя позволяют снизить его воздействие на жидкостную пленку при ее течении по участкам рабочих поверхностей, где пленка удерживается только силами смачивания, а гравитационные силы действуют на отрыв пленки.

На фиг. 1 изображен предлагаемый контактный пленочный теплообменник; на фиг. 2 показан характер перемешивания пленки на регулярной шероховатости; на фиг. 3 и 4 - характер взаимодействия газообразного теплоносителя с пленкой.

Контактный пленочный телпообменник содержит параллельные гофрированные рабочие поверхности 1, расположенное в их верхней части орошающее устройство 2 с трубопроводами 3 для подвода жидкого теплоносителя. Между рабочими поверхностями 1 размещены направляющие 4 для газообразного теплоносителя, выполненные из тонкой жести или металлической сетки. Участки рабочих поверхностей 1 с нормалью, расположенной под углом меньше 90^о к вертикали, выполнены с регулярной шероховатостью 5 (имеющей, например, вид накладок на указанных участках). В нижней части рабочих поверхностей 1 размещено дренажное устройство 6 для отвода жидкого теплоносителя. Теплообменник заключен в корпус 7 с фланцами 8 и 9, через которые подводится и отводится газообразный теплоноситель. В нижней части корпуса 7 установлен сборник 10 с трубопроводом 11 для отвода воды из дренажного устройства 6.

Теплообменник работает следующим образом.

Жидкий теплоноситель по трубопроводу 3 подается на орошающее устройство 2, формирующее тонкую пленку жидкости на рабочих поверхностях 1. Характер движения тонких пленок жидкости по вертикальной поверхности с числом 500 соответствует ламинарному течению, что предопределяют отсутствие конвективного теплообмена внутри пленки и ведет к значительному росту разности температур между стенкой и поверхностью раздела сред, а также к уменьшению температурного напора между пленкой и газом. Перетекание пленки на волновую поверхность способствует интенсификации теплообмена за счет периодического изменения толщины пленки на наклонных участках рабочей поверхности.

На участках рабочей поверхности 1 с регулярной шероховатостью 5 пленка жидкости подвергается дополнительному интенсивному перемешиванию. Характер перемешивания пленки в виде линий тока и завихрений (см. фиг. 2) показан стрелками. Как видно из фиг. 2, при набегании жидкостной пленки 12 на выступ шероховатости 5 придонный слой пленки 12 тормозится, а в наружный слой сохраняет свою скорость, в результате чего возникают вихри 13, способствующие перемешиванию пленки 12. При сходе пленки 12 с выступа шероховатости 5 вследствие сохранения направления вектора 14 скорости пленочного течения возникают вихри 15, также способствующие перемешиванию слоев пленки 12.

Перемешивание слоев жидкостной пленки 12 ведет, с одной стороны, к выравниванию температур по ее толщине и, следовательно, к интенсификации внутрипленочного теплообмена, с другой стороны, - к росту температурного напора между поверхностью пленки 12 и газовым потоком, а потому - к интенсификации теплообмена между газом и пленкой. Таким образом, в результате достигается поставленная цель - интенсификация теплообмена.

Газообразный теплоноситель подводится снизу через фланец 8 и попадает в зигзагообразные каналы между рабочими поверхностями 1. После прохождения по каналам снизу вверх газ удаляется через фланец 9. При движении газа по зигзагообразной траектории (показана пунктиром) между рабочими поверхностями 1 без направляющих газообразного теплоносителя (фиг. 3), по которым стекает жидкостная пленка 12, на поверхность последней, находящейся на участках рабочей поверхности 1 с нормалью, расположенной под углом больше 90^о к вертикали, оказывается местное динамическое давление (показано стрелками), снижающее устойчивость движения пленки 12.

При движении газа по зигзагообразной траектории (показана пунктиром) между рабочими поверхностями 1 с установленными направляющими 4 для газообразного теплоносителя параллельно участкам рабочей поверхности 1 с нормалью, расположенной под углом больше 90^о к вертикали (см. фиг. 4), местное динамическое давление газа (указано стрелками) приходится не на поверхность пленки 12, находящейся на указанных участках (см. фиг. 3), а на направляющие 4 для газообразного теплоносителя. Таким образом, за счет устранения местных динамических давлений газа на пленку 12 значительно повышается устойчивость пленочного течения, расширяется диапазон рабочих режимов теплообменника.

Использование регулярной шероховатости 5 позволяет, согласно проведенным расчетам, поднять интенсивность теплообмена в 2,5-3 раза. Применение направляющих 4 для газообразного теплоносителя по результатам эксперимента, полученным на специальном стенде, позволяет увеличить скорость газообразного теплоносителя в 2 раза и за счет этого существенно расширить диапазон рабочих режимов теплообменника. (56) Авторское свидетельство СССР N 1305516, кл. F 28 D 5/00, 1985.

Заявка Франции N 2570172, кл. F 28 D 3/02, 1986.

Формула изобретения

1. КОНТАКТНЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий корпус, в котором размещены гофрированные рабочие поверхности, образующие зигзагообразные каналы для газообразного теплоносителя, орошающее устройство с трубопроводами для подвода жидкого теплоносителя и дренажное устройство, отличающийся тем, что участки гофрированных рабочих поверхностей с нормалью, расположенной под углом менее 90^o к вертикали, выполнены с регулярной шероховатостью поперек направления движения пленки, а в зигзагообразных каналах на расстоянии от упомянутых поверхностей, равном пятикратной глубине регулярной шероховатости, установлены направляющие для газообразного теплоносителя, причем последние параллельны участкам гофрированных рабочих поверхностей с нормалью, расположенной под углом более 90^o к вертикали.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что направляющие для газообразного теплоносителя выполнены из полупроницаемого материала, например металлической сетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4