Конденсатор-испаритель

 

Использование: в теплоэнергетике, в частности в теплообменной аппаратуре, работающей в условиях кипения и конденсации рабочих сред, преимущественно в установках низкотемпературного разделения воздуха. Сущность изобретения: конденсатор-испаритель содержит корпус 1 с патрубками для подвода пара 2 и жидкости 3 и патрубками для отвода конденсата 4 и паров испарившейся жидкости, содержащий сердечник 6 с навитыми на него трубками 7. Навиваемые трубки имеют наружное поперечное оребрение. Отношение площади наружной оребренной поверхности каждой трубы в 5 - 10 раз превышает площадь ее внутренней поверхности, площадь поперечного сечения кольцевого пространства между корпусом и сердечником с трубами составляет 0,2 - 0,5 площади поперечного сечения сердечника с трубами. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, работающей в условиях кипения и конденсации рабочих сред, и может быть использовано в установках низкотемпературного разделения воздуха.

Известен кожухотрубный теплообменник, работающий в режиме конденсатора-испарителя, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и размещенный в корпусе сердечник с навитыми на него трубками, имеющими наружное и внутреннее оребрение, при этом наружное оребрение имеет суммарную поверхность, в 4 5 раз превышающую поверхность внутреннего оребрения, а каждая трубка имеет относительную длину , где l длина трубки, d_э ее эквивалентный диаметр [1] Недостатком известной конструкции является увеличенная поверхность кипения, которая приводит к увеличению наружного диаметра трубки, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов аппарата, снижению его компактности.

Известен теплообменник витого типа, работающий с изменением фазового состояния сред в трубном и межтрубном пространствах с углом наклона навитых на сердечник теплообменных труб к горизонту, равным 18 30^o. В горизонтальной плоскости слои труб размещены с радиальным шагом, равным (1,14 1,3)d_н, где d_н наружный диаметр труб [2] Недостатком теплообменника является низкая интенсивность теплоотдачи при кипении, которая вынужденно компенсируется увеличением поверхности теплообмена (увеличением длины труб, их количества), что приводит к увеличению габаритов и металлоемкости аппарата.

Решение задачи снижения габаритов и металлоемкости конденсатора-испарителя может быть осуществлено за счет выбора оптимальных шага оребрения, соотношения наружной оребренной и внутренней гладкой или оребренной поверхностей, а также площади поперечного сечения опускной системы и обеспечивает разработку конструкции аппарата, позволяющего размещать его в одном корпусе с ректификационной колонной в установке разделения воздуха (размеры колонны ограничены возможностями транспортировки).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус с патрубками для ввода пара и жидкости и патрубками для отвода конденсата и паров испарившейся жидкости, содержащем сердечник с навитыми на него трубками с наружным поперечным оребрением, оребрение выполнено таким образом, что шаг ребер определяется из соотношения t=(1,5÷2,5)δ, (1) где δ - межреберный зазор; площадь оребренной поверхности наружного оребрения в 4 10 раз превышает внутреннюю поверхность трубы, оребренную или гладкую, а площадь поперечного сечения опускной системы (пространство между змеевиком и внешней обечайкой аппарата) определяется из соотношения F_оп (0,2 0,5) F_зм, (2) где F_зм площадь поперечного сечения аппарата, занимаемая змеевиком.

Величина межреберного зазора должна удовлетворять условию [3] δ ≅ 0,8D_o (3) где D_o A(p/p_к)^-m отрывной диаметр парового пузыря, где A 8·10^-2 мм, m 0,6 коэффициенты,
p давление кипения,
p_к давление в критической точке.

Применение оребренной поверхности с шагом ребер t>2,5δ не дает достаточной интенсификации теплообмена, так как увеличивается толщина ребер и уменьшается число межреберных зазоров на единицу длины трубы. Вместе с тем межреберные зазоры указанного размера и являются интенсификаторами теплообмена при парообразовании. Применение оребренной поверхности с шагом ребер t<1,5δ не дает существенной интенсификации теплообмена из-за чрезмерного утонения ребра относительно межреберного зазора и связанного с этим затрудненного теплоподвода к паровому пузырю через поверхность ребра. Применение наружного оребрения трубки с шагом ребер и межреберным зазором указанных размеров (1), (3) позволило расширить границы оптимального соотношения площадей наружной оребренной и внутренней оребренной или гладкой поверхностей трубы с 4 5 [1] до 4 10 раз. Причем увеличение этого соотношения осуществляется только за счет применения оребрения указанных размеров (1), (3) без увеличения высоты ребер, без уменьшения их коэффициента полезного действия, без увеличения наружного диаметра оребренной трубки [1]
Таким образом выражение (1), а также соотношение для наружной и внутренней поверхностей оребренной трубы являются необходимым и достаточным условием для создания компактной и надежной конструкции змеевика конденсатора-испарителя из оребренных труб для решения поставленной задачи.

В процессе циркуляции кипящей жидкости в межтрубном пространстве змеевика и за его пределами возможен захват пузырей образовавшегося пара жидкостью, переливаемой в опускную систему, что может привести к резкому снижению движущего циркуляционного напора в циркуляционном контуре. Исключить захват пара можно установлением минимального сечения опускной системы, при которой скорость переливаемой жидкости в опуске была бы меньше скорости всплытия пузырей. Этому условию соответствует полученное соотношение (2).

Чрезмерное увеличение размеров опускной системы приводит к увеличению габаритов и металлоемкости аппаратов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения.

На фиг. 1 изображен предлагаемый конденсатор-испаритель; на фиг. 2 - разрез А А на фиг. 1; на фиг. 3 элемент трубки с наружным поперечным оребрением; на фиг. 4 конденсатор-испаритель из указанных труб, встроенный в ректификационную колонну.

Конденсатор-испаритель содержит корпус 1 с патрубками для входа пара 2 и жидкости 3 и патрубками для выхода конденсата 4 и паров испарившейся жидкости 5, содержащий сердечник 6 с навитыми на него трубками 7. Навиваемые трубки имеют наружное поперечное оребрение.

Конденсатор-испаритель работает следующим образом.

Пар на конденсацию подается во внутреннюю полость труб 7 через патрубки 2. Образующийся конденсат самотеком сливается в коллектор сбора (патрубок 4) и выводится из аппарата. Кипящая жидкость, подаваемая в аппарат через патрубок 3, за счет циркуляционного напора, возникающего между жидкостью в опускной системе корпуса 1 и парожидкостной смесью в межтрубном пространстве змеевика, циркулирует внутри аппарата. Скорость циркуляции при полном затоплении змеевика, стабильность процесса определяются интенсивностью парообразования, чему и способствуют применение наружного оребрения и размеры опускной системы с приводимыми соотношениями геометрических параметров.

В случае встроенной конструкции конденсатора-испарителя (фиг. 3) подача жидкости на кипение в межтрубное пространство и отвод паров осуществляются через полость колонны.

Формула изобретения

1. Конденсатор-испаритель, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и сердечник с навитыми на него трубками с наружным поперечным оребрением, отличающийся тем, что площадь наружной оребренной поверхности каждой трубы в 5 10 раз превышает площадь ее внутренней поверхности.

2. Конденсатор-испаритель по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения кольцевого пространства между сердечником с трубами и корпусом составляет 0,2 05 площади поперечного сечения сердечника с трубами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4