Контактный теплообменник
Владельцы патента RU 2384800:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" (RU)
Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в парогенераторах. Теплообменник состоит из внешней колонны, образованной цилиндрическим корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны, наружной трубы, соединяющей между собой днище и корпус внешней колонны и сообщенной через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры, трубопровода подачи воды, проходящего через крышку внешней колонны, трубопровода отвода пара, установленного на крышке внешней колонны и сообщенного через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры, и нагревателя, расположенного на наружной трубе. Нижняя часть полости рабочей камеры заполнена жидкометаллическим теплоносителем. Свободный конец трубопровода подачи воды и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя. Теплообменник снабжен впускным устройством, состоящим из ориентированного вертикально цилиндрического корпуса и крышки, установленной в его верхней части. Впускное устройство расположено под уровнем жидкометаллического теплоносителя. В нижней части корпуса впускного устройства выполнена перфорация. Один из концов трубопровода подачи воды сообщен с полостью впускного устройства через его крышку. Изобретение обеспечивает стационарную работу контактного теплообменника и уменьшает образование отложений в нем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в парогенераторах и опреснителях при производстве водяного пара и пресной воды.
Известен контактный теплообменник [Авторское свидетельство СССР на изобретение №1495621. Контактный теплообменник для двух несмешивающихся жидкостей. Опубл. 23.07.1989. Бюл. №27]. В контактном теплообменнике внутри корпуса установлено распределительное устройство нагреваемой жидкости. Корпус снабжен патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой жидкости. Корпус содержит цилиндрическую обечайку с входным участком и конфузорным выходным участком, коаксиально установленную внутри корпуса и подключенную к патрубкам подвода греющей жидкости, заведенным в полость обечайки наклоненными вниз концами. Распределительное устройство расположено во входном участке, а патрубки отвода греющей жидкости расположены в верхней части корпуса над патрубками ее подвода.
Недостатком известного устройства является то, что распределительное устройство нагреваемой жидкости контактирует с греющей жидкостью. При этом не исключена возможность вскипания нагреваемой жидкости внутри распределительного устройства, что может привезти к резкому увеличению давления в нем и нарушению работы теплообменника.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является прямоконтактный парогенератор [I.Kinoshita, Y.Nishi. Heat Transfer Characteristics of a Direct Contact Stream Generator with Low Melting point Allow and Water. 10-th International Heat Transfer Conference, 1994, Volume 3, paper 5 - NR - 13/14 - 18 August, 1994, Brighton, UK].
Прямоконтактный парогенератор состоит из рабочей камеры, выполненной в виде двух коаксиально установленных колонн, трубопровода с двойными стенками для подачи воды в объем жидкометаллического теплоносителя, контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя, нагревателя и трубопровода отвода пара.
Недостатками известного устройства являются:
- наличие возможности очень резкого вскипания воды в объеме теплоносителя, резкого повышения давления в трубопроводе и прекращение подачи воды;
- образование отложений на внутренней и наружной поверхностях трубопровода вследствие неизотермического переноса масс от горячего теплоносителя к холодным участкам трубопровода, частичное или полное закупоривание канала подачи воды и нарушение работоспособности работы парогенератора.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанные недостатки, а именно предотвращает вскипание воды перед ее введением в объем жидкометаллического теплоносителя и образование отложений на поверхностях трубопровода подачи воды в объем теплоносителя вследствие неизотермического массопереноса.
Для исключения указанных недостатков в контактном теплообменнике, состоящем из внешней колонны, образованной цилиндрическим корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны в виде цилиндрической обечайки, расположенной на днище внешней колонны, наружной трубы, соединяющей между собой днище и корпус внешней колонны и сообщенной через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры, трубопровода подачи воды, проходящего через крышку внешней колонны, трубопровода отвода пара, установленного на крышке внешней колонны и сообщенного через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры, и нагревателя, расположенного на наружной трубе, причем нижняя часть полости рабочей камеры заполнена жидкометаллическим теплоносителем, свободный конец трубопровода подачи воды и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя, предлагается:
- контактный теплообменник дополнительно снабдить впускным устройством, состоящим из ориентированного вертикально цилиндрического корпуса и крышки, установленной в его верхней части;
- впускное устройство расположить под уровнем жидкометаллического теплоносителя;
- в нижней части корпуса впускного устройства выполнить перфорацию;
- один из концов трубопровода подачи воды сообщить с полостью впускного устройства через его крышку.
В частном случае исполнения контактного теплообменника предлагается перфорацию нижней части корпуса впускного устройства выполнить в виде системы вертикально ориентированных щелей.
Технический результат предложенного технического решения состоит в обеспечении стационарной работы контактного теплообменника и уменьшении образования отложений в нем.
Продольное осевое сечение контактного теплообменника представлено на чертеже. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - внутренняя колонна; 2 - днище внешней колонны; 3 - корпус внешней колонны; 4 - корпус впускного устройства; 5 - крышка внешней колонны; 6 - крышка впускного устройства; 7 - нагреватель; 8 - наружная труба; 9 - перфорация; 10 - рабочая камера; 11 - трубопровод отвода пара; 12 - трубопровод подачи воды.
Контактный теплообменник состоит из внешней и внутренней 1 колонн, наружной трубы 8, трубопровода подачи воды 12, трубопровода отвода пара 11, нагревателя 7 и впускного устройства.
Внешняя колонна образована цилиндрическим корпусом 3, торцы которого ограничены крышкой 5 и днищем 2.
Внутренняя колонна 1 в виде цилиндрической обечайки расположена на днище 2 внешней колонны.
Наружная труба соединяет между собой днище 2 и корпус 3 внешней колонны и сообщена через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры 10.
Трубопровод подачи воды 12 проходит через крышку внешней колонны 5.
Трубопровод отвода пара 11 установлен на крышке 5 внешней колонны и сообщен через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры 10.
Нагреватель 7 расположен на наружной трубе 8.
Нижняя часть полости рабочей камеры 10 заполнена жидкометаллическим теплоносителем.
Свободный конец трубопровода подачи воды 12 и свободный торец внутренней колонны 1 расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя.
Впускное устройство состоит из ориентированного вертикально цилиндрического корпуса 4 и крышки 6, установленной в его верхней части.
Впускное устройство расположено под уровнем жидкометаллического теплоносителя.
В нижней части корпуса 4 впускного устройства выполнена перфорация 9. В частном случае исполнения впускного устройства перфорация 9 выполнена в виде системы вертикально ориентированных щелей. Наличие перфорации 9 в нижней части корпуса 4 впускного устройства позволяет разбить выходящий из полости впускного устройства поток пароводяной смеси на отдельные струи (части).
Пароводяная смесь с малой теплопроводностью, расположенная в полости впускного устройства у его крышки 6, предотвращает контакт жидкометаллического теплоносителя с трубопроводом подачи воды 11 и, тем самым, исключает паровые взрывы, возникающие при подводе воды в горячий жидкометаллический теплоноситель, и препятствует шлакованию выходной части трубопровода подвода воды 12.
Один из концов трубопровода подачи воды 12 сообщен с полостью впускного устройства через его крышку 6.
При работе контактного теплообменника верхняя часть полости рабочей камеры 10 всегда заполнена паром.
Контактный теплообменник работает следующим образом.
Вода через трубопровод подачи воды 11 и присоединенное к нему впускное устройство подается под уровень жидкометаллического теплоносителя в полость внутренней колонны 1. В полости внутренней колонны 1 вода нагревается, испаряется, всплывает в виде паровых пузырей и сепарируется на свободной поверхности жидкометаллического теплоносителя в верхнюю часть полости рабочей камеры 10. При этом возникает эффект газлифта, побуждающий попутно пару движение жидкометаллического теплоносителя. Нагрев и испарение воды во внутренней колонне 1 сопровождается охлаждением и переливом жидкометаллического теплоносителя в кольцевой зазор, образованный внешней и внутренней 1 колоннами, и в дальнейшем его движением в наружной трубе 8. После нагрева жидкометаллического теплоносителя он снова попадает в полость внутренней колонны 1 и взаимодействует с водой, подливаемой под уровень жидкометаллического теплоносителя в полости внутренней колонны 4. Сепарирующийся в верхней части полости рабочей камеры 10 водяной пар отводится из нее через трубопровод отвода пара 11.
Пример конкретного исполнения контактного теплообменника
Конструктивные характеристики контактного теплообменника:
Внешняя колонна: высота корпуса 3 - 1,282 м; внутренний диаметр корпуса 3 - 0,198 м, материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Внутренняя колонна: наружный диаметр - 0,121 м; внутренний диаметр - 0,115 м; высота - 0,403 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т,
Трубопровод отвода пара 11: внутренний диаметр - 0,016 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Трубопровод подачи воды 12: исполнение - «труба в трубе»; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т; наружный диаметр внешней трубки - 0,016 м; внутренний диаметр внешней трубки - 0,012 м; наружный диаметр внутренней трубки - 0,006 м; внутренний диаметр внутренней трубки - 0,003 м; термоизоляция между внутренней и внешней трубками - вермикулит.
Жидкометаллический теплоноситель (ЖМТ): высота уровня - 0,420 м; тип теплоносителя - сплав Pb-Bi; температура - 540 К, объемный расход - 0,0001 м3/c.
Вода: температура - 300 К, массовый расход - 0,002 кг/с.
Вырабатываемый водяной пар: температура - 470 К.
Впускное устройство: внутренний диаметр корпуса 4 - 0,03 м; наружный диаметр корпуса 4 - 0,027 м; высота корпуса 4 - 0,033 м; количество прорезей - 16 шт., высота прорезей - 0,015 м; ширина прорезей - 0,001 м; материал - нержавеющая сталь 12ХН10Т.
Нагреватель 7: тип - электронагреватель с мощность 10 кВт.
1. Контактный теплообменник, состоящий из внешней колонны, образованной цилиндрическим корпусом, торцы которого ограничены крышкой и днищем, внутренней колонны в виде цилиндрической обечайки, расположенной на днище внешней колонны, наружной трубы, соединяющей между собой днище и корпус внешней колонны и сообщенной через отверстия с нижней частью полости рабочей камеры, трубопровода подачи воды, проходящего через крышку внешней колонны, трубопровода отвода пара, установленного на крышке внешней колонны и сообщенного через отверстие в ней с верхней частью рабочей камеры, и нагревателя, расположенного на наружной трубе, причем нижняя часть полости рабочей камеры заполнена жидкометаллическим теплоносителем, свободный конец трубопровода подачи воды и свободный торец внутренней колонны расположены ниже уровня жидкометаллического теплоносителя, отличающийся тем, что контактный теплообменник дополнительно снабжен впускным устройством, состоящим из ориентированного вертикально цилиндрического корпуса и крышки, установленной в его верхней части, причем впускное устройство расположено под уровнем жидкометаллического теплоносителя, в нижней части корпуса впускного устройства выполнена перфорация, а один из концов трубопровода подачи воды сообщен с полостью впускного устройства через его крышку.
2. Контактный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что перфорация нижней части корпуса впускного устройства выполнена в виде системы вертикально ориентированных щелей.
