Улучшение производительности по теплообмену оребренного теплообменника с эллиптической рабочей поверхностью

Предложены охладители с замкнутым контуром и испарительные конденсаторы хладагентов с трубами эллиптического сечения со спиральными ребрами, в которых поток воздуха, попадающий в блок, направляется через трубы в направлении, которое параллельно осям труб и в целом перпендикулярно ребрам, что дает совершенно неожиданный прирост производительности на 25% по сравнению со сравнимыми блоками, в которых поток воздуха направлен поперек осей труб или перпендикулярно им. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предпосылки создания настоящего изобретения

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к охладителям с замкнутым циклом и испарительным конденсаторам хладагентов.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0002] Как испарительные охладители с замкнутым циклом, так и испарительные конденсаторы хладагентов предусматривают применение теплообменников для передачи тепла внутренней текучей среды или хладагента косвенным путем во внешнюю текучую среду, которая обычно представляет собой воду. Циркулирующая вода, в свою очередь, осуществляет тепло- и массопередачу непосредственно в воздух. Поток воздуха через теплообменник инициируется или вынуждается движущим устройством, таким как вентилятор. Теплообменник согласно известной технологии состоит из многочисленных змеевиковых труб, которые подключены к потоку основной текучей среды или хладагента посредством узлов коллекторов. Производительность по теплообмену этих охладителей и конденсаторов зависит от массового расхода воздуха, а также от коэффициентов внутренней и внешней теплопередачи змеевика теплообменника.

[0003] Одно усовершенствование предшествующих технологий по сравнению с исходными неоребренными трубами круглого сечения направлено на улучшение массового расхода воздуха путем замены круглой формы труб эллиптической, при этом большая ось эллипса параллельна направлению потока воздуха (патент США №4,755,331). Поскольку труба эллиптического сечения имеет более аэродинамическую форму, чем труба круглого сечения, сопротивление потоку воздуха снижается, а поток воздуха вследствие этого увеличивается, и поэтому увеличивается производительность по теплообмену.

[0004] Еще одним усовершенствованием предшествующих технологий стало чередующееся изменение углов - левого и правого - большой оси эллипса. У каждой трубы теплоотражательная способность увеличивается за счет наклонной структуры, что приводит к большему промежутку между трубами. Это эффективно снижает затраты за счет сокращения количества труб, необходимых для достижения такой же теплоотражательной способности, как у вертикально расположенной трубы.

[0005] Еще одно существенное усовершенствование известных технологий заключается в том, что на имеющих эллиптическое сечение трубах теплообменника размещают спиральные ребра теплообменника с соблюдением конкретного разнесения и высоты ребер. Это усовершенствование значительно увеличивает общую производительность по теплообмену теплообменника. Ребра разнесены вдоль длины труб, чтобы увеличить коэффициенты теплопередачи без увеличения сопротивления потоку воздуха. Поскольку это технологическое достижение распространяется на всю протяженность поверхности теплопередачи, обеспечивается экономия воды и видимое сокращение дымовой струи посредством частичной или полной работы без воды при уменьшенных температурах окружающего воздуха.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[0006] Все охладители и конденсаторы, которые предусматривают использование спиральных ребер или труб эллиптического сечения, либо втягивают, либо нагнетают воздух в полость под змеевиком либо с конкретной стороны (перпендикулярно оси труб и параллельно продольной оси ребер), либо со всех сторон. Хотя это кажется противоречащим здравому смыслу, обнаружено, что путем ориентации потока воздуха, входящего в отапливаемую полость, параллельно трубам (перпендикулярно оси ребер) реализуется дополнительное увеличение производительности по теплообмену. Результаты начального тестирования показывают, что ориентация потока воздуха таким образом, чтобы он попадал в полость в направлении, которое параллельно оси труб и перпендикулярно оси ребер, дает суммарный выигрыш в производительности, составляющий 25%, по сравнению со случаем, когда впускаемый поток воздуха перпендикулярен оси труб и параллелен оси ребер. Этот дополнительный прирост производительности, вызванный благодаря ориентации змеевиков относительно направления ввода воздуха, был весьма неожиданным.

[0007] Расположения вентиляторов, змеевиков и воздухозаборных поверхностей таким образом, чтобы обеспечить попадание потока воздуха в указанную полость в направлении параллельно оси труб и перпендикулярно оси ребер, можно добиться несколькими способами, зависящими от типа вентиляторов и типа блоков.

[0008] Например, противоточный охладитель или конденсатор с осевым вытяжным вентилятором, в случае однокамерного блока, всасывает воздух в полость со всех четырех сторон. Для того чтобы получить желаемый результат усовершенствования для этого блока, змеевики оставляют в той же ориентации, а трубы теплообменника проходят параллельно двум длинным сторонам блока и перпендикулярно двум коротким сторонам блока. Для того чтобы сделать впускаемый поток воздуха в основном параллельным оси труб, воздухозаборники предусматривают лишь на двух воздухозаборных поверхностях, которые представляют собой короткие стороны блока - стороны с концами труб. В существующем блоке воздухозаборники на длинных сторонах (сторонах, которые параллельны длине труб теплообменника) герметично закрывают, оставляя открытыми воздухозаборники на оставшихся двух коротких сторонах. Эта компоновка обеспечивает попадание всего воздуха в полость в направлении, которое параллельно осям труб теплообменника и перпендикулярно продольной оси ребер. Для того чтобы вместить увеличенный поток воздуха через стороны, которые обращены к концам труб, без значительного увеличения потерь давления, высоту отверстий воздухозаборников можно увеличить путем увеличения площади поперечного сечения воздухозаборников и уменьшения скорость воздуха на впуске до желаемого уровня. Дополнительное преимущество этой компоновки заключается в том, что блоки можно без потерь располагать бок о бок в качестве множества камер с закрытыми сторонами. Отметим, что такие обозначения сторон, как «длинные» и «короткие», в предшествующем описании предназначены для обозначения той стороны блока («длинной»), которая параллельна длине труб, и той стороны блока («короткой»), которая обращена к концам труб, соответственно. В случае блока, который в плоскости является по существу квадратным, настоящее изобретение достигается за счет того, что воздухозаборники для полости предусматривают только на двух сторонах блока, которые обращены к концам труб.

[0009] Существуют несколько дополнительных возможностей для имеющего принудительную тягу блока с осевыми или центробежными вентиляторами с одной стороны. Согласно первому варианту осуществления змеевики повернуты на 90 градусов, так что ось труб теплообменника параллельна направлению потока воздуха, попадающего в полость. Согласно другому варианту осуществления вентиляторы размещают либо на одной, либо на обеих коротких сторонах. Согласно третьему варианту осуществления двухкамерная компоновка встык друг за другом предусматривает наличие змеевиков, которые повернуты на 90 градусов относительно стандартной ориентации, причем эти змеевики занимают всю ширину обеих ячеек, так что можно использовать более длинные змеевики.

Краткое описание фигур

[0010] На фиг. 1 представлен известный однокамерный блок с искусственной тягой.

[0011] На фиг. 2 представлен вид в разрезе известного однокамерного блока с искусственной тягой.

[0012] На фиг. 3 представлен вид в разрезе однокамерного блока с искусственной тягой в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0013] На фиг. 4 представлен известный однокамерный блок с принудительной тягой, в котором осевые вентиляторы находятся на одной стороне.

[0014] На фиг. 5 представлен вид в разрезе известного однокамерного блока с искусственной, принудительной тягой, в котором осевые вентиляторы находятся на одной стороне.

[0015] На фиг. 6 представлен вид в разрезе блока с принудительной тягой, в котором все осевые вентиляторы находятся на одной стороне, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0016] На фиг. 7 представлен вид в разрезе блока с принудительной тягой, в котором все осевые вентиляторы находятся на одной стороне, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[0017] На фиг. 3 показан однокамерный испарительный охладитель с искусственной тягой в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Поверх блока находится вентилятор, который всасывает воздух в блок и нагнетает его сверху блока. Под вентилятором находится система распределения воды (не показана), которая распределяет воду поверх трубчатого змеевика. Трубчатый змеевик выполнен из решетки змеевиковых труб эллиптического сечения со спиральными ребрами. Каждый участок трубы соединен своими концами с соседним более высоким и/или более низким участком трубы посредством колена трубы. Подлежащая охлаждению технологическая текучая среда попадает в трубы через впускной коллектор и покидает эти трубы через выпускной коллектор. Под трубчатым змеевиком находится полость, где воздух попадает в блок, а вода, которая подается в блок через систему распределения воды, охлаждается за счет непосредственного теплообмена с воздухом, собирается внизу и подается повторно вверх при помощи системы рециркуляции воды, которая не показана. При этом в известных блоках воздухозаборники предусматривались на всех четырех сторонах полости, что позволяет вентилятору всасывать воздух в полость и в трубчатый змеевик со всех четырех направлений. Однако в соответствии с настоящим изобретением воздухозаборники не предусматриваются на сторонах полости, которые параллельны продольной оси участков труб, при этом воздухозаборники предусмотрены только на сторонах полости, которые находятся ниже концов труб или колен труб. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что путем выполнения воздухозаборников только на концах полости ниже концов труб, а также путем предотвращения попадания воздуха в полость с тех сторон, которые параллельны продольной оси труб, производительность блока может быть неожиданно повышена на 25%.

[0018] В соответствии с альтернативным вариантом осуществления известные устройства с искусственной тягой (в частности, испарительные охладители с трубами эллиптического сечения и спиральными ребрами, см фиг. 1 и 2) можно модифицировать в соответствии с настоящим изобретением путем герметичного закрытия воздухозаборников на сторонах блока, которые параллельны продольной оси труб. Несмотря на снижение площади поверхности воздухозабоников более чем на 50%, неожиданно обнаружилось, что модификация известных устройств, как рассмотрено выше, увеличивает производительность блоков на 25%.

[0019] Рассмотрим фиг. 5, испарительный охладитель с принудительной тягой согласно настоящему изобретению характеризуется наличием (сверху вниз) системы распределения воды (не показана), за которой следует трубчатый змеевик, за которым следует полость. Трубчатый змеевик выполнен из решетки змеевиковых труб эллиптического сечения со спиральными ребрами. Каждый участок трубы соединен своими концами с соседним более высоким и/или более низким участком трубы посредством колена трубы. Подлежащая охлаждению технологическая текучая среда попадает в трубы через впускной коллектор и покидает эти трубы через выпускной коллектор. Под трубчатым змеевиком находится полость, где воздух попадает в блок и охлаждает воду, которая течет по змеевикам и подается через систему распределения воды. Вода собирается внизу полости и подается повторно вверх при помощи системы рециркуляции воды, которая не показана. На одной стороне полости ниже концов труб расположен осевой или центробежный вентилятор, чтобы нагнетать воздух в полость в направлении, параллельном продольной оси участков труб. Что касается испарительных охладителей с искусственной тягой согласно настоящему изобретению, то испарительные охладители с принудительной тягой согласно настоящему изобретению, в которых воздух нагнетается в полость в направлении, которое параллельно продольной оси участков труб эллиптического сечения со спиральными ребрами, увеличивают производительность устройства на 25% по сравнению с нагнетанием воздуха в полость в направлении, которое перпендикулярно продольной оси участков труб (фиг. 4).

[0020] В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг.6, ориентацию трубчатого змеевика в блоке с принудительной тягой можно повернуть на 90 градусов относительно ориентации в известном испарительном охладителе с принудительной тягой, имеющем трубчатый змеевик эллиптического сечения со спиральными ребрами (фиг. 4), так что концы труб выровнены относительно продольной оси блока, проходя над местоположением осевых/центробежных вентиляторов. В соответствии с этой компоновкой вентиляторы нагнетают воздух в полость в направлении, которое параллельно продольной оси труб, что опять дает весьма неожиданный результат - повышение производительности устройства на 25%.

[0021] Рассмотрим фиг. 7, в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения на стороне полости, противоположной той, где находится первый набор вентиляторов, можно разместить второй набор вентиляторов в испарительном охладителе с принудительной тягой, имеющем трубы эллиптического сечения со спиральными ребрами, в котором трубчатый змеевик повернут на 90 градусов относительно ориентации трубчатого змеевика в известном испарительном охладителе с принудительной тягой. В соответствии с этим вариантом осуществления, продольные оси труб ориентированы перпендикулярно продольной оси блока, а под каждым набором концов труб расположен один или несколько вентиляторов, нагнетая воздух в полость в направлении, которое параллельно продольным осям труб, что неожиданно приводит к повышению производительности блока на 25%.

1. Испарительный теплообменник для охлаждения или конденсации технологической текучей среды, содержащий:

секцию косвенного теплообмена;

секцию непосредственного теплообмена, расположенную ниже секции косвенного теплообмена;

систему распределения воды, находящуюся над секцией косвенного теплообмена и выполненную с возможностью разбрызгивания воды по секции косвенного теплообмена;

причем секция косвенного теплообмена содержит впускной коллектор технологической текучей среды и выпускной коллектор технологической текучей среды, и решетку змеевиковых труб, соединяющую указанный впускной коллектор и указанный выпускной коллектор, при этом указанные змеевиковые трубы имеют эллиптическое поперечное сечение со спиральными ребрами; указанные змеевиковые трубы дополнительно имеют участки, проходящие вдоль продольной оси, при этом указанные участки соединены с соседними участками одной и той же змеевиковой трубы посредством колен труб;

причем указанная секция косвенного теплообмена содержит полость, где вода, распределяемая указанной системой распределения воды и имеющая тепло, получаемое из указанной секции косвенного теплообмена, охлаждается за счет непосредственного контакта с воздухом, движущимся через указанную полость;

систему рециркуляции воды, включающую в себя насос и трубы, выполненную с возможностью забора воды, собирающейся в нижней части указанной полости, и ее подачи в указанную систему распределения воды;

воздухоподаватель, выполненный с возможностью перемещения окружающего воздуха в указанную полость и вверх через указанную секцию косвенного теплообмена;

причем указанный испарительный теплообменник сконфигурирован таким образом, чтобы воздух перемещался посредством указанного воздухоподавателя в указанную полость в направлении, которое параллельно указанной продольной оси указанных участков труб и перпендикулярно продольным осям указанных спиральных ребер.

2. Испарительный теплообменник по п. 1, в котором по существу весь поток воздуха, движимый указанным воздухоподавателем в указанную секцию косвенного теплообмена, протекает сначала через указанную полость.

3. Испарительный теплообменник по п. 1, в котором указанный воздухоподаватель представляет собой вентилятор, а указанный испарительный теплообменник представляет собой устройство с искусственной тягой, причем указанный вентилятор размещен над указанной системой распределения воды и выполнен с возможностью всасывания воздуха снаружи указанного устройства в указанную полость и вверх через указанную секцию косвенного теплообмена.

4. Испарительный теплообменник по п. 3, в котором стороны указанной полости, параллельные указанным участкам труб, герметично закрыты для того, чтобы предотвратить существенное прохождение воздуха.

5. Испарительный теплообменник по п. 1, в котором указанный воздухоподаватель представляет собой вентилятор, а указанный испарительный теплообменник представляет собой устройство с принудительной тягой, причем указанный вентилятор размещен на стороне указанной полости, которая располагается ниже указанных колен труб.

6. Испарительный теплообменник по п. 5, в котором указанная продольная ось указанных участков труб перпендикулярна продольной оси указанного испарительного теплообменника.

7. Испарительный теплообменник по п. 5, в котором указанный вентилятор выполнен с возможностью всасывания воздуха снаружи указанного устройства и нагнетания указанного воздуха в указанную полость в направлении, которое параллельно указанной продольной оси указанных участков труб и перпендикулярно продольным осям указанных спиральных ребер.

8. Испарительный теплообменник по п. 7, в котором по существу весь поток воздуха, попадающий в указанную секцию косвенного теплообмена, подается указанным вентилятором.

9. Испарительный теплообменник по п. 8, в котором воздух по существу не попадает в указанную полость иначе, чем через указанный вентилятор.

10. Испарительный теплообменник по п. 1, в котором указанный воздухоподаватель представляет собой первый вентилятор и второй вентилятор, причем указанный первый вентилятор находится на стороне указанной полости, которая располагается ниже набора колен труб на первом конце указанных участков труб, при этом указанный второй вентилятор находится на стороне указанной полости, которая располагается ниже набора колен труб на втором конце указанных участков труб.

11. Испарительный теплообменник по п. 10, в котором указанные вентиляторы выполнены с возможностью всасывания воздуха снаружи указанного устройства и нагнетания указанного воздуха в указанную полость в направлении, которое параллельно указанной продольной оси указанных участков труб и перпендикулярно продольным осям указанных спиральных ребер.