Способ работы теплообменника и теплообменное устройство

 

Изобретение относится к теплотехнике. Цель изобретения - повышение эффективности работы теплообменника. Теплообменное устройство содержит размещенные в теплообменнике теплообменные элементы и размещенный снаружи источник высокочастотных колебаний, с которым соединена установленная в корпусе решетка, в отверстиях которой с зазором установлены элементы, снабженные опорными буртиками, контактирующими с кромками отверстий своей боковой поверхностью, расположенной под углом к поверхности элементов. Решетка снабжена выступами, расположенными равномерно по ее периметру и контактирующими с источником колебаний. В процессе работы производят прокачку теплоносителя через теплообменные элементы и пространство между ними с одновременным воздействием источником высокочастотных колебаний, осуществляемых под углом к боковым поверхностям теплообменных элементов, за счет чего происходит возбуждение на поверхности элементов однонаправленных поверхностных бегущих волн упругой деформации с вертикальной поляризацией, под воздействием которых происходит прокачка теплоносителя. 1 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и теплоэнергетике, касается теплообменных устройств (теплообменников) и может найти применение в теплоэнергетических системах с высокой удельной плотностью теплового потока, например парогенераторах, а также в опреснителях морской воды. Известен способ повышения эффективности работы теплообменного устройства за счет интенсификации процесса теплообмена путем высокочастотного (ультразвукового) колебательного воздействия на теплообменные элементы. Его недостаток состоит в несовершенстве механизма такого высокочастотного воздействия. Наиболее близким является известное теплообменное устройство, содержащее размещенные внутри и вне него соответственно теплообменные элементы и источники высокочастотных колебаний, соединенные с помощью накладок с корпусом устройства. Способ работы теплообменного устройства состоит в том, что одновременно с прокачкой теплоносителей через теплообменные элементы и пространство между ними последние вместе с корпусом подвергаются высокочастотным (ультразвуковым) колебаниям (тряске). Это позволяет уменьшить образование отложений на теплообменных поверхностях и интенсифицировать процесс теплообмена. Недостатком этого устройства является его недостаточно высокая эффективность из-за значительных непроизводительных потерь колебательной энергии, ее рассеяния в элементах конструкции, в частности в корпусе. В части способа работы наиболее близким аналогом является известный теплообменник, в котором теплообменный элемент и помещенная вблизи него проволочная спираль проводятся в колебательное движение с помощью вибратора поперечных колебаний. Его недостатком является невысокая эффективность из-за неэффективности используемого механизма интенсификации процесса теплообмена, осуществляемого только за счет поперечных колебаний (поперечной тряски) теплообменного элемента. Цель изобретения - повышение эффективности работы теплообменника путем возбуждения на поверхностях теплообменных элементов однонаправленных поверхностных бегущих волн упругой деформации с вертикальной поляризацией. Поставленная цель достигается тем, что воздействие источником высокочастотных колебаний осуществляют под углом к боковым поверхностям теплообменных элементов. В части устройства поставленная цель достигается тем, что в его корпусе дополнительно установлена решетка, соединенная с источниками высокочастотных колебаний, в отверстиях которой с зазором установлены теплообменные элементы, снабженные опорными буртиками, контактирующими с кромками отверстий своей боковой поверхностью, расположенной под углом к поверхности теплообменных элементов. При этом решетка снабжена выступами, расположенными равномерно по ее периметру и контактирующими с источниками высокочастотных колебаний, а в корпусе выполнены отверстия под выступы, снабженные герметизирующими эти отверстия уплотнениями. На фиг. 1 показан механизм осуществления предложенного способа работы теплообменника; на фиг.2 - конструкция теплообменного устройства. Предложенный способ работы теплообменника, включающий прокачку теплоносителей через его теплообменные элементы и пространство между ними с одновременным возбуждением колебаний в элементах воздействием источников высокочастотных колебаний, состоит в том, что это воздействие осуществляют под углом к боковым поверхностям теплообменных элементов, на которых при этом возбуждаются однонаправленные бегущие волны упругой деформации с вертикальной поляризацией. На фиг. 1 на примере отдельного трубчатого теплообменного элемента 1 показан механизм осуществления данного способа. Стрелками 2 и 3 показаны направления прокачки теплоносителей соответственно через теплообменный элемент и пространство вне его. Пункт 4 - источники высокочастотных колебаний, в качестве которых могут служить различного типа вибраторы (электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и др.). В общем случае теплообменные элементы могут быть не только трубчатыми, но и любой другой формы, в т.ч. пластинчатыми. Для осуществления колебательного воздействия под углом к теплообменной поверхности каждый теплообменный элемент, в частности трубчатый, может быть снабжен опорным буртиком 5, имеющим расположенную наклонно к боковой поверхности элемента опорную поверхность, которой он контактирует с взаимодействующим с вибраторами 4 элементом - вибрационной решеткой 6. При включении вибраторов 4 высокочастотные колебания 7 передаются решетке 6, а от нее через контактирующие с ней буртики 5 боковым стенкам теплообменных элементов 1. Вследствие того, что опорная поверхность буртиков 5 расположена наклонно к боковой поверхности теплообменных элементов 1 и плоскости решетки 6, колебательные усилия Р_о подводятся к боковым поверхностям элементов 1 под углом γ, отличным от 0 до 90^о, и имеют поперечную Р₁ и продольную Р₂ составляющие усилия Р_о. В результате такого колебательного воздействия в теплообменных элементах возбуждаются поверхностные волны упругой деформации с вертикальной поляризацией, показанные пунктиром 8, а при соответствующем согласовании нагрузки - аналогичные бегущие волны. Согласование нагрузки производят известными способами. При этом в трубчатых теплообменных элементах могут возбуждаться радиально-изгибные бегущие волны, а в пластинчатых теплообменных элементах - изгибные бегущие волны. В толстостенных тепловыделяющих элементах могут возбуждаться поверхностные бегущие волны типа рэлеевских. Под действием возбуждаемых таким образом в теплообменных элементах бегущих волн упругой деформации с вертикальной поляризацией прилегающие к боковым поверхностям теплообменных элементов слои теплоносителей существенно турбулизируются и одновременно интенсивно перемещаются вдоль теплообменных поверхностей вместе с возбуждаемой волной 8 в направлении ее распространения, в данном случае в направлениях 2 и 3. В силу вязкости теплоносителей и однонаправленного динамического воздействия от возбуждаемых бегущих волн в процессе перемещения вовлекаются и остальные слои теплоносителей по всему сечению каналов. Таким образом одновременно с интенсификацией теплообмена за счет турбулизации и отгона пограничных слоев теплоносителей одновременно осуществляется и их прокачка. За счет этого повышается эффективность работы теплообменника. На фиг. 2 показана конструкция теплообменного устройства с трубчатыми теплообменными элементами 9, реализующего вышеописанный способ работы. Пакет трубчатых теплообменных элементов 9 размещен в корпусе, имеющем входной 10 и выходной 11 коллекторы теплоносителя трубного пучка и входной 12 и выходной 13 патрубки для межтрубного теплоносителя. Стрелками 14 и 15 соответственно показаны направления течения указанных теплоносителей. Пункт 16 - источники высокочастотных колебаний (электромагнитные, электродинамические или магнитострикционные вибраторы). Выходными концами теплообменные элементы 9 закреплены в трубной доске 17, а входными через посредство упругоэластичных элементов, например сильфонов 18, в трубной доске 19. Для повышения эффективности работы в корпусе теплообменного устройства дополнительно установлена решетка 20, соединенная с вибраторами 16. Решетка 20 имеет отверстия 21 под трубчатые теплообменные элементы 9 и сквозные межтрубные каналы 22 для прохождения межтрубного теплоносителя. Теплообменные элементы 9 снабжены буртиками 23 с боковой поверхностью, расположенной наклонно к поверхности теплообменных элементов и плоскости решетки 20. Теплообменные элементы 9 установлены с зазором в отверстиях 21 решетки 20 и наклонными поверхностями буртиков 23 контактируют с кромками этих отверстий. При этом обеспечивается высококачественный акустический контакт. Решетка 20 снабжена выступами 24, расположенными равномерно по ее периметру и контактирующими с вибраторами 16, а в корпусе выполнены отверстия под эти выступы, снабженные герметизирующими их уплотнениями, например мембранами 25. Работа теплообменного устройства состоит в следующем. При включении вибратора 16 высокочастотные колебания 26 от них передаются решетке 20, а от нее через посредство буртиков 23 - теплообменным элементам 9. Благодаря наклонного расположения контактирующей с кромками отверстий 21 решетки 20 буртиков 23, колебательное воздействие на стенки теплообменных элементов 9 осуществляется под отличным от 0 до 90^о углом к ним, в результате чего в элементах 9 возбуждаются поверхностные бегущие волны упругой деформации с вертикальной поляризацией, в частности радиально-изгибные бегущие волны. Для обеспечения режима существования однонаправленных бегущих волн с помощью известных технических средств производится согласование нагрузки. Для этого, например, концевые участки теплообменных элементов могут быть выполнены расширяющимися с постепенно утолщающимися стенками. Под действием возбуждаемых таким образом в теплообменных элементах 9 бегущих волн внутритрубный и межтрубный теплоносители прокачиваются соответственно в направлениях 14 и 15. Положительный эффект - повышение эффективности работы теплообменного устройства достигается за счет интенсификации теплообмена и одновременной прокачки теплоносителей с помощью возбуждаемых в теплообменных элементах бегущих волн упругой деформации с вертикальной поляризацией, а также за счет полного устранения накипеобразования.

Формула изобретения

СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА И ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО. 1. Способ работы теплообменника, включающий прокачку теплоносителя через теплообменные элементы и пространство между ними с одновременным возбуждением колебаний в указанных элементах воздействием источника высокочастотных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем возбуждения на поверхности теплообменных элементов однонаправленных поверхностных бегущих волн упругой деформации с вертикальной поляризацией, воздействие источником высокочастотных колебаний осуществляют под углом к боковым поверхностям теплообменных элементов. 2. Теплообменное устройство, содержащее корпус и размещенные внутри и вне него соответственно теплообменные элементы и источник высокочастотных колебаний, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, в корпусе дополнительно установлена решетка, соединенная с источником высокочастотных колебаний, в отверстиях которой с зазором установлены теплообменные элементы, снабженные опорными буртиками, контактирующими с кромками отверстий своей боковой поверхностью, расположенной под углом к поверхности элементов. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что решетка снабжена выступами, расположенными равномерно по ее периметру и контактирующими с источником высокочастотных колебаний, а в корпусе выполнены отверстия под выступы, снабженные уплотнениями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2