Теплообменное устройство

(21) 4894 (22) 26.02 (46) 07.05 (31) 1058 (32) 27.02 (ЗЗ) НО (71) Энер (72) Дьер маш Хом 1 0/90 Та- рват л,бмен- изоннник овых х ра- йст- ный плоо)бмен- ротивоточктически обенности ов, работаих жидкоФным усныйгоризодля ги Целью изобретени ние равномерного расп чей жидкости по трубаНэ фиг.1 изображе ном разрезе теплообме фиг.1 а - узлы в увелич фиг.2 - продольный раз пределителя жидкости еспечеаз рабоника, частичства; на абе; на ия расм масшя является об ределения ф м теплообме на проекция в нного устрой енном масш рез исполне в увеличенно ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Европейский патент ЕР 025 В 39/00, 1978.(54) ТЕПЛОБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к теплоо ным устройствам, содержащим гор тальный противоточный теплообме йреимущественно для гибридных тепл насосов, работающих на неэзеотропнь бочих жидкостях. Теплообменное устр во содержит практически горизонтал обретение относится к ттройствам, содержащим итеплообменник прнтальной конструкции в обридных,тепловых насосна неазеотропных рабо.Ы 1814716 АЗ противоточныи теплообменник с оболочкой и трубами для гибридных гепловых насосов с неазеотропными раьочими жидкостями, в котором распределитель 33 жидкости, предусмотренный вверх по потоку перед теплообменником, имеет выходы 40 жидкости, количество которых соответствует,количеству теплообменных труб, теплообменник, теплообменные трубы 22 которогв соединены каждая со своим выходом 40 распределителя 33 жидкости, Распределитель жидкости имеет оболочку с распределительными трубками 68. Теплообменник снабжен средствами 70 регулирования интенсивности потока в распределительных трубках 68.Кроме того, вверх по потоку от распределителя 33 жидкости установлен разделитель. З фаз. Теплообменник может быть снабжен дроссельными соплами на входах распределительных трубок 68 и разделен на несколько секций. 16 з.п, ф-лы, 10 ил,ф Ьеф табе; на фиг.З - еще одно исполнение изо- Ь бретения в виде, подобном фиг.1,"ма фиг,4 - 4 примерное исполнение изобретения в виде, подобном показанному на фиг,З, но в увели- О ченном масштабе; на фиг,5 - продольный разрез еще одного исполнения изобретения; на фиг,6 - подробность фиг,5 с некоторыми дополнительными деталями в увелИченном масштабе; на фиг.7 - еще одно исполнение изобретения в частичном разрезе; на фиг.8-деталь в частичном продольном разрезе; на фиг.9 - продольный разрез еще одного исполнения изобретения; на фиг;10 - схематичный вид еще одного исполнения изобретения; на фиг.11 - продоль1814716зз зз вг Фиг,Фиг. ВСоставитель Н.АлексееваРедактор Л,Волкова Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева Заказ 1844 Тираж Подписное ВНИИПИ Государствейного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва,Ж, Рауаская наб 4(5иый разрез секции труб теплообменника со смесительными средствами внутри,На чертежах позицией номер 20 обозначена оболочка теплоносителя 21 с трубами и оболочкой, с теплообменными трубами 22. Дефлекторные пластины 24 в оболочке 20 служат для направления внешней среды, такой как воды, зигзагом в противотоке с рабочей жидкостью, например, неазеотропным хпадагентом, протекающим в теплообменных трубах 22. Внешняя среда вводится в оболочку 20 через вход 30 и выпускается оттуда через выход 32.Положение теппообменника 21 практически горизонтальное. Небольшой наклон относительно горизонта может использоваться, если рабочая жидкость в теплообменных трубах 22 должна течь под действием веса, а не давления.Рабочая жидкость вводится в трубы теплообменника 22 из распределителя жидкости ЗЗ с оболочкой 34, Распределитель жидкости 33 установлен вверх по потоку от теплообменника 20, как было сказано выше. Входы 36 и 38 служат для подачи чисто газообразной и чисто жидкой фазы, например рабочей жидкости. Выходь 1 40, количество которых соответствует количеству теппообменных труб 22, соединены каждый с последней посредством соединительных труб 42.ЪКак соединительные трубы 42, тэк и теплообменные трубы 22 заканчиваются во взаимно противолежащих пластинах 44 и 46 соотввтственно, соединенных через прокладку 48 сквозными болтами 50, Прокладка 48 имеет отверстия 52, которые совпадают как с соединительными трубами 42, так и с трубами теплообменника 22, так что рабочая жидкость может без препятствий идти из соединительных труб в теплообмениые трубы 22,Такой беспрепятственный поток мог быть получен посредством соединительных труб 42, которые укреплены как на выходах 40, так и на теплообменных трубках 22 такими средствами, кэксваркой.или завальцовыванием. Однако крепление посредством пластины и прокладок, хотя относительно и дороже, позволяет легкую разборку в случае очистки или ремонта, Кроме того, это позволяет изменить площадь сечения протокарабочей жидкости. как будет пояснено ниже (фиг.8).В данном случае практически подобное устройство используется на выходном конце теппообменных труб 22, которые выходят в сборную камеру 54 с выходом 56,При работе внешняя жидкость вводится через вход 30, как показано стрелкой 58. Она идет по линии зигзага между дефлекторными пластинами 24 в оболочке 20 и со временем выходит через выход 32, как показано стрелкой 60.5 Чистая газовая фаза рабочей жидкостивводится в распределитель жидкости 33 че-.рез вход 36, как показано стрелкой 62. Подобным же образом чисто жидкая фаза той ке рабоцей жидкости вводится во вход 38, 10 как показано стрелкой 64. Внутри оболочки34 распределителя жидкости 33 две фазы становятся равномерно распределенными среди выходов 40 любым подходящим способом. Следовательно, термодинамические "5 условия в теплообменных трубах 22, а конкретнее, ход температурных изменений в них тот же самый с соответственным увеличением эффективности всего теплового, насоса, как было объяснено во вводной части описа ния, Рабочая жидкость удаляется из теплообменных труб 22 через сборную камеру 54 и выход 56, как показано стрелкой 66.Примерное исполнение распределите ля жидкости 33 показано на фиг.2, Он содер жит оболочку 34 с распределительнымитрубками 68, количество которых соответствует количеству теплообменных труб, э значит, и количеству выходов 40, Распределительные трубки 68 соединены с 30 входом жидкой фазы 38 через регуляторы70, которые позволяют регулировать сопротивление потоку в каждой распределительной трубке 68, цтобы обеспечивать одинаковую величину интенсивности пото ка в них. Распределительные трубки 68 заканчиваются над дном оболочки 34, так что остается зазор между ними. Кроме того, распределительные трубки 68 имеют скошенные выходные концы 72, причем скос их 40 противоположен направлению потока газовой фазы рабочей жидкости. Выходы 40 в форме труб простираются снизу дна оболочки 34 соосно с распределительными трубками 68. Однако их площадь сечения для 45 потока больше площади сечения для потокараспределительных трубок 68.В работе газовая фаза рабочей жидкости входит в направлении стрелки 62, тогда как ее жидкая фаза протекает через регуля торы 70 в распределительные трубки 68, покоторым она пропускается в форме кольцевого слоя по стенкам, Вследствие скоса выходных концов распределительных трубок 68 кольцевой поток жидкой фазы в трубке 55 преобразуется в одиночные струи, сходящие с нижнего конца скошенной трубки 68, и падают прямо во входные отверстия выходов 40. Таким образом, газовая фаза рабо чей жидкости, ударяющаяся в скошенные концы 72 распределительных трубок 68, оторажаясь от них, направляется к входам выходов 40 с достаточным пространствоммежду концами 72 распределительных трубок и дном оболочки, а также на выходах 40для беспрепятстве. ного протекания. 5В результате обе фазы рабочей жидкости равномерно распределя 1 отся среди выходов 40 и все теплообменные трубы 22получают одинаковое их количество в той жепропорции от соединительных труб 42, 10Если поступающая рабочая жидкостьнаходится в соотношении сырого пара, окотором фазысмещены, равномерное рас-.пределение требует их предварительногоразделения перед вводом с распределитель. Для этой цели служит отделитель пара73, который можно предусмотреть выше попотоку перед распределением жидкости,как показано на фиг.3,Опять отдел итель пара 73 имеет оболочку 74 с входом рабочей жидкости 76,.выходом газовой фазы 78 и выходом жидкойфазы 80. Выход газовой фазы 78 соединенвходом газовой фазы 36 распраделигеляжидкости 33, а выход жидкой фазы - к входу 25жидкой фазы 38 последнего. Отделитель пара 73 содержит средства, приспособленныедля разделения фаз рабочей жидкости в состоянии влажного пара друг от друга, широко известные в этой отрасли техники, 30Б работе такая рабочая жидкость поступает на вход 76 отделителя пара 73, какпоказано стрелкой 82. Отделенные друг отдруга фазы выходят через выходы 78 и 80 ивводятся в распределитель жидкости через 35соответствующие входы 36 и 38 соответственно, как это имело место в предыдущемисполнении.Примерные детали отделителя пара,пригодного для использования в изобретении, показаны на фиг.4. В данном случаеотделитель пара 73 содержит опять оболочку 74 с входами и выходами, как описано пофиг,3. То же самое справедливо в отноше-нии соединения с распределителем жидкости, Еще один признак состоит впредусмотрении дефлекторного отдеиителя84, который занимает положение в оболочке74 между входом рабочей жидкости 76 ивыходом жидкой фазы 80 на расстоянии от 50собственно оболочки 74, В результате этогоудаления с одной стороны имеется достаточное место для протекания газовой фазы,а с другой стороны возможность использования, например, нижней части оболочки 74 55в качестве бассейна для сбора жидкости,стекающей вниз с дефлекторного отделителя 84,Как в данном случае; вход 38 жидкойфазы рабочей жидкости может содержатьподающий насос 86. если с падениями давления нельзя справиться другими методами, как это имеет место, когдараспределитель жидкости 33 располагаетсявыше по отношению к отделителю фаз 73.В работе поступающая рабочая жидкость (стрелка 82) ударяется в дефлекторный отдел итель 84, в результатестолкновения частицы жидкости отделяются и падают в бассейн сбора жидкости надне оболочки 74. Газовая фаза, освобожденная от унесенных частиц жидкости, протекает через выход 78 на вход 36распределителя жидкости 33, как показанострелкой 62. Тем временем жидкая фаза,собранная на дне оболочки 74, выходит через выход 80 и подается насосом 84 на вход38, как показано стрелкой 64. Начиная смомента, работа теплообменного устройства подобна работе, описанной выше,Распределитель жидкости 33 и разделитель фаэ 73 могут быть скомбинированы водном блоке 87 в общей оболочке 88. Такоеисполнение изобретения представлено нафиг,5. Как показано, общая оболочка 88 окружает дефлекторный отделитель 84, который занимает положение,противоположное входу жидкости 76, какэто было в описанном ранее исполнении, Поддефлекторным отделителем 84 находитсяподнос 90 для сбора. жидкости на расстоя-нии от оболочки 88. Оболочка 88 имеет дефлекторную пластину 92, укрепленную наоболочке со стороны, противоположнойвходу рабочей жидкости 76. Дефлекторнаяпластина 92 простирается над подносом 90,так что капельки жидкости, падающие нанее, направляются в поднос 90 сбора жидкости, Там опять имеются распределительные трубки 68, простирающиеся вниз со днаподноса 90, количество которых соответствует, как и в предыдущих исполнениях, количеству теплообменных труб 22теплообменника" 20. Они заканчиваются наддном общей оболочкй 88 и имеют скошенные выходные концы 72, которые группаминаправлены к бокам оболочки 88, откудагазовая фаза идет к ним,Выходы 40 в форме труб проходят внизот дна оболочки 88 соосно распределительным трубкам 68, как это было описано выше.Выходы 40 индивидуально соединены с теплообменными трубами 22 теплообменника20 и их площадь сечения для потока опятьбольше площади распределительных трубок 68, простирающихся иэ дна подносасбора жидкости 90.Кроме того, в данном случае предусмотрены дроссельные сопла 94 на входах распределительных трубок 68, как показано на10 20 25 30 50 фиг.6. Размер сопел 94 выбирают так, чтобы при всех возможных устойчивых режимах работы был бы достаточный уровень жидкости в сборном подносе 90 и не было переливания жидкости через край подноса, При знании максимальной и минимальной интенсивности потока в данной точке желаемого цикла подбор размера сопел 94 будет рутинной работой для оператора с ручным уровнем квалификации. Отверстия в соплах 94 могут быть не в центре относительнораспределительных трубок 68, если зтоудобно в проектировании или работе.Очевидно, что блок 87, а конкретнее сборный поднос 90 для жидкости, должен 15 устанавливаться так, чтобы он занимал точно горизонтальное положение, так как в противном случае высота столба жидкости над соплами 94 будет неодинакова и распределение жидкости будет неравномерным;В работе рабочая жидкость, поступающая через вход 76, как показано стрелкой 82, удаляется в дефлекторный отделитель 84, где отделяются частицы жидкости и падают каплями в поднос 90 сбора жидкости, тогда как газовая фаза рабочей жидкости подходит к дну оболочки 86 через зазоры, оставленные между оболочкой 88 и дефлекторным отделителем 84, Уровень жидкости 96 постоянного столба обеспечивает, что распределительные трубки 68 будут равномерно эапитаны жидкой фазой рабочей жидкости. Опускающаяся. жидкость капает с нижних точек скошенных концов трубок 72 в выходы 40, так что достаточная часть площади сечения свободна для входа газообразной фазы рабочей жидкости, которая течет против скошенных концов 72 и отрэжается ими также в выходы 40, Таким обра зом, опять теплообменные трубы 2 получат равные количества рабочей жидкости с одинаковой пропорцией фаз.Как уже упоминалось, потребная длина теплообменных труб 22 может достигать значительных величин - 30 - 40 м, что вызывает трудности. Изобретение позволяет бороться с этими трудностями подразделением теплообменника 21 на две секции 21 а и 21 Ь, соединенные последовательно, как показано на фиг.7. Индексы а и Ь у позиционных номеров отмечают соответственно детали в секциях 21 а и 21 Ь теплообменника, То же самое справедливо в случаях, где используются другие малые буквы (фиг,10),В данном случае, секции теплообменника 21 а и 21 Ь расположены друг над другом, что Вдвое уменьшает потребную длину помещейия. Чем больше количество секций, тем меньше соответственно их длина и длинапотребного помещения. Если теплообменник разделен более чем на две секции, некоторые из них могут быть размещенымежду рядами секций, находящимися другнад другом, эа счет чего можно получитьболее компактное и менее высокое размещение.Последовательное соединение секцийтеплообменника 21 а и 21 Ь состоит из соединения двух оболочек 20 а и 20 Ь и теплообменных труб 22 а, и 22 Ь соответственно.Последовательное соединение .оболочекпроблем не создает. С другой стороны, последовательное соединение теплообменных труб секций 22 а и 22 Ю предлагает двеальтернативы.Секции теплообменных труб 22 а и 22 Ьмогут быть соединены индивидуально посредством соединительных труб 98, как показано на фиг.7. В таком случае рабочаяжидкость проходит секции теплообменника21 а и 21 Ь кэк в одной непрерывной трубе.Тем не менее можно приспособить условияпотока к термодинамическим требованиям,как это будет показано ниже.Это можно осуществить вставлениемпереходных профилей в соединительныетрубы 98.В данном случае такие переходные профили 100 увеличивают диаметры теплообменных секций труб 22 Ь последующейсекции теплообменника 21 Ь, что соответствует требованиям работы испарителя гибридного теплового насоса,Однако переходные профили могутиметь и непрерывно уменьшающиеся диаметры, как, например, для конденсаторовгибридных тепловых насосов, теплообменники которых требуют уменьшения поперечного сечения в конце теплюобмена,Такие изменения диаметра труб могутбыть также достигнуты соответственнымиотверстиями в прокладках, как показано нафиг.8. Здесь прокладка 48 имеет коническиеотверстия 52, сечение которыхуменьшаетсяк секции теплообменныхтруб 22 Ь последующей секции теплообменника 21 Ь, умень- .шая таким образом площадь поперечногосечения, как это требуется.Другой альтернативой последовательного размещения секций теплообменникэявляется показанная на фиг,9. Здесь теплообменные трубы секции 22 а теплообменника 21 а соединены с теплообменнымитрубами 22 Ь последующей секции теплообменника 21 Ь через комбинацию распределителя жидкости 33 а с распределителемфаз 73 а. Естественно, разделитель фаз 73 анаходится выше по потоку от распределите1814716 10 20 30 40 50 тельных трубках. ля жидкости. 33 а, который находится ниже. Соединение такое же, как в исполнении, показанном на фиг,З, так что описание деталей опускаем.В работе жидкость, прошедшая секции теплообменных труб 22 а коллективно входит в разделитель фаз 73 а, а не в индивидуальные трубы, как в предыдущем исполнении, Таким образом, фазы рабочей жидкости там разделяются и отдельно вводятся в распределитель жидкости 33 а, где они будут равномерно распределены по трубам послеДующей секции 22 Ь теплообменника 21 б, как это имеет место в исполнении по фиг.З,Последовательное соединение тепло- обменных секций посредством комбинированного разделителя фаз и распределителя жидкости необходимо там, где требуется новое распределение - в больших промышленных установках, где используется несколько теплообменных секций, и поэтому путь потока может быть значительной длины.Однако, еще одно преимущество описанного последовательного соединения секций теплообменника заключается в том, что оно позволяет изменять количество и/или диаметр секций теплообменных труб теплообменных секций, как в случае фиг.9, где диаметры теплообменных труб секций 22 Ь меньше, чем в секции 22 а предыдущей секции теплообменника 21 а. Такой гибкостью оправдывается последовательное соединение через распределитель фаз и распределитель жидкости даже в случае лишь двух секций теплообменника, как по.казано на фиг,9; т,е. в сравнительно малых установках для домашнего использования. С другой стороны, большие промышленные установки используют обе альтернативы,так как там непрерывные дгинные пути потока и перераспределением фаз рабочей жидкости по ходу могут быть одинаково необходимы. Схематичное изображение такой установки показано на фиг.10. Ее теплообменник разделен на пять секций 21 а, 21 Ь, 21 с, 21 Ь и 21 е. Первые четыре секции теплообменника 21 а, 21 Ь, 21 с, 21 Ь соединены последовательно соединительными трубами 42 а, 42 Ь и 42 с соответственно, С другой стороны, секции теплообменника 21 Ь и 21 е соединены через комбинацию распределителя жидкости ЗЗ а ниже по потоку и разделителя фаз 73 а выше по потоку, так как предполагаетсядили установлено, что после прохождения четырех секций теплообменника непрерывным потоком требуется перераспределение перед прохождением последней секции теплообменника 21 с (21 е).Дисперсный поток рабочей жидкости является основным требованием для подобного курса изменений температуры обеих фаэ. Добавочно к правильно выбранным термодинамическим параметрам дисперсный поток может быть улучшен также и механическими средствами. Для этой цели смесительные средства могут быть введены в теплообменные трубы или, что одно и то же, в их секции, как показано на фиг,11, которая иллюстрирует часть теплообменной труби 22 со смесительными средствами 98 внутри. Как было сказано, такие средства в этой отрасли техники известны и не нуждаются в подробном обьяснении. Суть их работы заключается в том, что они побуждают газовую и жидкую фазу рабочей жидкости проникать друг в друга, заставляя их меняться местами в потоке. Это реализуется посредством дефлекторных поверхностей,которые отклоняют фазы от обычных путей протекания, которые они стремятся снова занять после этого участка, эа счет чего происходит взаимное перемешивание и восстанавливается дисперсный поток,Ф о р мул а и зоб рете н ия 1. Теплообменное устройство преимущественно для гидридных тепловых насосов с неазеотроп ными рабочими жидкостями, содержащее горизонтальный противоточный кожухотрубный теплообменник,отличаю щеесятем,что,сцелью обеспечения равномерного распределения фаз рабочей жидкости по трубам теплообменника, на входе в трубы теплообменника дополнительно установлен распределитель жидкости с входами газовой и жидкой фази с выходами жидкости, количество которыхсоответствует количеству труб теплообменника, причем каждая из труб соединена с выходом жидкости распределителя жидко 45. сти,2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что распределитель жидкости содержит оболочку с распределительными трубками, заканчивающимися над дном оболочки, для ввода жидкой фазы рабочей жидкости, причем выходы жидкости простираются вниз Из дна оболочки соосно с распределительными трубками и площадь сечения потока выходов жидкости больше Ы площади сечения потока распределительных трубок. 3, Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что снабжено средствами регулирования интенсивности потока в распредели4. Устройство по пп.2 и 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что распределительные трубки имеют скошенные выходные концы,5, Устройство по любому пп,1 - 4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что на входе в распределитель жидкости размещен разделитель фаз с возможностью обеспечения отделения жидкости от паров в рабочей жидкости, состоящей из их смеси.6. Устройство поп.5, отл ич а ю щеес я тем, что разделитель фаз содержит оболочку с входом рабочей жидкости, выход газовой фазы, соединенный с входом газовой фазы распределителя жидкости, выход жидкой фазы, соединенный с распределительными трубками распределителя жидкости, и дефлекторный разделитель между входом рабочей жидкости и выходом жидкой фазы внутри и на расстоянии от оболочки,7. Устройство по п,6, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что содержит насос в трубопроводе, соединяющем выход жидкой фазы распределителя фаз с распределительными трубками распределителя жидкости,8. Устройство по любому из пп,5 - 7, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что распределитель .жидкости и разделитель фаз установлены в одном блоке с общей оболочкой,9.Устройство по и 8, отл и ч а ю щеес я тем, что общая оболочка расположена вокруг дефлекторного разделителя напротив входа рабочей жидкости, внутри нее дополнительно установлены сборный поднос жидкости, установленный под дефлекторным разделителем на расстоянии отоболочки, дефлекторная пластина, укрепленная на .оболочке против входа рабочей жидкости и установленная над сборным подносом жидкости, распределительные трубки со скошенными выходящими концами, проходящие вниз из дна сборного подноса жидкости и заканчивающиеся над дном общей оболочки, а выходы, проходящие внизот дна общей оболочки соосно с распределительными трубками, индивидуально соединены с теплообменными трубами5 теплообменника, причем площадь сечениявыходных труб больше площади сеченияраспределительных трубок,1. Устройство поп.9, от лича ю щеею я тем, что снабжено дроссельными сопла 10 ми во входах распределительных трубок.11. Устройство по любому из пп.1 - 10,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что теплообменникразделен на по меньшей мере две секциитеплообменника с секциями теплообмен 15 ных труб, соединенными последовательно.12. Устройство по п.11, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что секции теплообменных трубпоследующих секций теплообменника индивидуально соединены соединительными20 трубами.13. Устройство по п,12, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что соединительные трубы содержат переходные профили для измененияплощади поперечного сечения потока.2514. Устройство по любому из пп.12 и 13отличаю щеесятем,чтосоединительныетрубы из секции теплообменных труб прикреплены к фланцам, причем последние соединены через прокладку с отверстиями,30 совпадающими как с соединительными трубами, так и с теплообменными трубами.15. Устройство по п,11, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что секции теплообменных трубпоследующих секций теплообменника сое 35 динены через последовательно установленные разделитель фаз и распределительжИдкости.16. Устройство по любому из пп.1 - 15,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в теплообмен-.40 ных трубах дополнительно установленысмесительные средства для обеспечениядисперсного потока рабочей жидкости,б 2