Теплообменный циркуляционный контур

Теплообменный циркуляционный контур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (ll) (51)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4835786/06 (22) 08.04.90 (46) 23.07.92. Бюл. ЬЬ 27 (72) А.B.Áðóåâ и В.А»Жигульский (56) Патент Франции N. 2525756, кл, F 28 D 1/04, опублик. 1983.

Патент СИА М 4357989, кл. F28 D

15/00, опублик. 1982. (54) ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КОНТУР (57) Использование: теплотехника. Сущность изобретения; на несущих опорах 1 установлено верхнее строение 2 с охлаждаемым объектом 3, насосом 4, трубопроводами нагретой 5 и холодной 6 воды. В водоеме размещены теплообменные элементы 7, выполненные в виде коаксиально расположенных вертикальной наружной, центральной и внутренней труб, последняя из которых подключена к трубопроводу 5 нагретой воды и сообщена посредством тангенциальных патрубков в нижней части с кольцевой полостью между наружной и центральной трубами, сообщенной с трубопроводом 6 холодной воды, Пространство между внутренней и центральной трубами сообщено со средой водоема. 3 з.п, ф-лы, 4 ил.

1749685

45

55

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетике.

Известны теплообменные устройства, предназначенные для охлаждения воды, представляющие собой размещенные в водоеме трубы, по которым движется охлаждаемая жидкость.

Недостатками этих устройств являются незначительный коэффициент теплопередачи, зависящий от естественной скорости движения воды в водоеме; подверженность механическим воздействиям; сложность эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является устройство, представляющее собой опорный элемент, погруженный в море и заполненный морской водой, внутри которого размещены теплообменные элементы, Устройство снабжено верхним строением, где размещено насосное оборудование, трубопроводы подачи и отведения теплообменного вещества и охлаждаемый объект.

Теплопередача от теплообменного эле-мента в окружающую морскую среду осуществляется путем естественной конвекции в ограниченном обьеме, что определяет низкую эффективность работы циркуляционного контура. С целью интенсификации теплопередачи предусматривается прокачка насосом морской воды через внутреннюю полость опорного элемента.

Высокая коррозионная активность морской воды отрицательно влияет на насосное оборудование и приводит к частым аварийным ситуациям, т,е. к снижению надежности работы системы охлаждения. Наличие морской воды внутри опорного элемента отрицательно воздействует и на прочность конструкции, а наличие в нем теплообменных элементов не позволяет провести мероприятия по увеличению прочности конструкции, например заполнению железобетоном. Размещение теплообменных элементов в зоне переменного уровня обуславливает подверженность их особенно высокому коррозионному воздействию, а также возможности их промерзания при остановке в период с отрицательными температурами наружного воздуха. Устройство теплообменных элементов в виде змеевика обуславливает неремонтоспособность контура при его работе, так как нет возможности демонтировать отдельные участки без остановки всего циркуляционного контура.

Цель изобретения — повышение эконсмичности и эксплуатационной надежности, Поставленная цель достигается тем, что теплообменный циркуляционный контур, включающий в себя несущие опоры, на которых закреплено верхнее строение с охлаждаемым объектом, насосом и трубопроводами нагретой и холодной воды, имеет легкосъемные теплообменные элементы, размещенные вне несущих опор.

Теплообменные элементы представляют собой коаксиально расположенные наружную, центральную и внутреннюю трубы, Внутренняя труба соединена в верхней части с трубой нагретой воды, а в нижней части при помощи тангенциальных патрубков с замкнутой кольцевой полЬстью, образованной наружной и центральными трубами.

Кольцевая полость в верхней части сообще= на с трубопроводом холодной воды. Межтрубное пространство, образованное внутренней и центральной трубами, сообщено с окружающей средой через открытый нижний торец и водопропускные окна, образованные в верхней части кольцевой полости. На каждом теплообменном элементе в верхней части установлен цилиндрический защитный кожух, Теплообменный циркуляционный контур снабжен компрессорной установкой с трубопроводами сжатого воздуха и распределительными перфорированными воздуховодами, закрепленными по продольной поверхности наружной и внутренней труб, причем воздуховоды могут быть выполнены с прямоугольным сечением в виде продольных ребер с каналом для подачи воздуха в периферийной части и осью перфорации из канала, направленной по касательной к поверхности труб.

Дополнительно предусматривается устройство электрохимической защиты, в качестве которой предлагается использовать протекторы прямоугольного сечения в виде продольных ребер наружной и внутренней труб.

Расположение теплообменных элемен( тов вне объема опор позволяет значительно повысить теплопередачу, так как вместо только естественной конвекции теплообмен осуществляется и за счет теплоотдачи в поперечный поток жидкости, например прибрежные течения, а обеспечение возможности заполнения внутреннего объема опор железобетон позволяет на 50 увеличить несущую способность и долговечность конструкции.

Использование в контуре отдельно расположенных независимых теплообменных элементов обеспечивает его ремонтопригодность без остановки в работе. Выполнение теплообменных элементов в виде коаксиально расположенных наружной, центральной и внутренней труб определяет

1749685

30

40

50

55 двухходовой теплообмен охлаждаемой воды с окружающей водной средой, при прохождении по внутренней трубе и кольцевой полости, причем обеспечивается теплопередача и через стенку центральной трубы, что значительно увеличивает площадь теплообмена без дополнительных затрат и по, вышения металлоемкости конструкции.

Наличие защитного кожуха, надетого на верхнюю часть теплопередающего элемента, создает замкнутый воздушный объем, обеспечивающий защиту последнего от коррозии в зоне переменного уровня акватории. С целью интенсификации процесса теплообмена во время неблагоприятных гидрологических условий предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха от компрессорной установки через защитный кожух по перфорированным воздуховодам как внутрь теплопередающего элемента, так и с внешней стороны. При подаче сжатого воздуха в воду образуется водовоздушная смесь, которая поднимается с глубины до поверхности.

Таким образом создается направленное движение охлаждающей воды акватории (причем из нижних более холодных слоев) вдоль теплопередающих поверхностей; Такой принцип позволяет прокачивать охлаждающую воду любого качества не только внутри межтрубного пространства, но и снаружи, а также повысить надежность работы водоподъемного устройства вследствие отсутствия в нем движущихся частей.

Наличие водовоздушной смеси препятствует образованию льда, что значительно улучшает условия эксплуатации контура, так как снижает, расчетные нагрузки на опоры и обеспечивает благоприятные условия стоянки водного транспорта. Снабжение контура компрессорной установкой позволяет при необходимости создать в защитном кожухе вакуум, обеспечивающий вследствие

его низкой теплопроводности защиту от промерзания в зимний период части теплообменного элемента, расположенного выше уровня воды в акватории, во время прекращения циркуляции охлаждаемой воды, Выполнение воздуховодов с прямоугольным сечением и примыкающих одним торцом к поверхности соответственно наружной и внутренней труб и расположением канала для подачи воздуха в противоположной периферийной части сечения обеспечивает дополнительное оребрение теплообменных элементов без увеличения общей металлоемкости конструкции, а принятое расположение каналов не препятствует процессу теплопередачи.

Направление осей перфораций по касательной к поверхностям труб обеспечивает попадание сжатого воздуха на теплообменную поверхность, который разрушает пограничный тепловой слой и создает в нем турбулентное движение, что значительно увеличивает теплоотдачу без дополнительных энергозатрат.

Применение электрохимической защиты от коррозии значительно повышает срок службы теплообменников, не снижая при этом коэффициент теплопередачи, а изготовление протекторов прямоугольного сечения с примыканием одним торцом к поверхностям наружной и вйутренней труб обеспечивает оребрение теплообменных элементов без увеличения общей металлоемкости.

Таким образом, размещение теплообменных элементов вне опор и выполнение их в виде коаксиально расположенных наружной центральной и внутренних труб, соединенных между собой посредством тангенциальных патрубков, оснащение защитными кожухами, а также снабжение контура компрессорной установкой с воздуховодами и устройством электрохимической защиты от коррозии, позволяет одновременно повысить интенсйвность теплоотдачи, увеличить несущую способность и долговечность, обеспечивающие повышение эксплуатационной надежности и экономичности.

На фиг.1 изображен теплообмен н ый циркуляционный контур, общий вид; на фиг.2 — теплообменный элемент, общий вид; на фиг.3 — разрез А-А на фиг.2; на фиг.4— узел крепления воздуховода.

Теплообменный циркулирующий контур представляет собой несущие опоры 1, на которых установлено верхнее строение 2. В верхнем строении размещаются охлаждаемый объект 3, насос 4, трубопровода нагретой 5 и холодной 6 воды. В закладных отверстиях верхнего строения закрепляются теплообменные элементы 7. Так же устанавливается компрессорная установка 8 с трубопроводами 9 сжатого воздуха. Теплообменный элемент представляет собой коаксиально расположенные наружную 10, центральную 11 и внутреннюю 12 трубы.

Наружная и центральная трубы образуют замкнутое с двух торцов кольцевое пространство. В верхней части кольцевое пространство соединено с трубопроводом холодной воды, а в подводной части (определяется естественными условиями), предусматривается устройство водопропускных окон 13. Внутри центральной трубы устанавливается внутренняя тру1749685 ба, которая соединяется в верхней части с трубопроводом нагретой водИ, а в нижней при помощи тангенциальных патрубков 14 с кольцевым пространством. Площадь сечения внутреннего трубопровода принимается из условия создания оптимальных скоростей нагретой воды и всегда меньше или равна площади кольцевого пространства, Площадь межтрубного пространства, образованного внутренней и центральной трубами, принимается по расчету исходя из тепловых нагрузок на теплообменный элемент и гидрологических условий акватории.

Длина теплообменного элемента принимается равной расстоянию от верхнего строения до дна акватории (за вычетом запаса на посадку 1 — 2 м), В верхней части теплообменного элемента устанавливается защитн ый цилиндрический кожух 15, заглушенный с двух сторон. B верхней части защитный кожух присоединяется к трубопроводу сжатого воздуха, а в нижней к перф о р и р о в а н н ы м воздуховодам 16, закрепленным по продольным поверхностям внутренней и наружной труб. Диаметр кожуха принимается на один размер больше диаметра наружной трубы, а длина равна расстоянию от верхнего строения до наинизшего уровня воды в акватории с коэффициентом запаса 1, t — 1,2. Перфорирова н н ы е воздуховоды принимаются прямоугольной формы и закрепляются в качестве продольных ребер. В периферийной части ребра предусматривается канал 17 для подачи сжатого воздуха, а в нижней его части перфорация 18, причем ось перфора.ции направлена по касательной к поверхностям труб. Размеры воздуховодов, сечения каналов, количество и диаметр перфорации определяются расчетом для каждого конкретного случая в зависимости от условий теплообмена, На поверхностях наружной и внутренней труб, погруженных в акваторию, прикрепляются протекторы 19, представляющие собой продольные ребра прямоугольного сечения. Размеры протекторов определяются расчетом в зависимости от химического состава вОды в акватории. B качестве материала для изготовления протЕкторов предлагается использовать магниевые, алюминиевые и цинковые сплавы, Эти материалы характеризуются значительным коэффициентом теплопроводности. Количество воздуховодов и протекторов определяется расчетом исходя из естественных условий акватории и тепловой нагрузки на теплообменные элементы. Размещение воздуховодов и протекторов на поверхностях труб предполагается

55 поочередное (протектор, воздуховод, протектор, воздуховод...).

Строительство теплообменного циркуляционного контура осуществляется следующим образом.

Устанавливаются опоры 1, на которых устанавливается верхнее строение 2, размещается охлаждаемый объект 3, насос 4, компрессорная установка 8 и собственно собранные теплообменные элементы 7, после чего прокладываются трубопроводы нагретой 5 и холодной 6 воды и трубопроводы

9 сжатого воздуха, Сборка теплообменных процессов происходит централизовано в мастерских в следующей последовательности. Соединяют наружную 10 и центральную

11 трубы между собой с образованием замкнутого с двух концов кольцевого пространства, после чего устраивают водопропускные окна 13 На. поверхности внутренней 12 и наружной труб закрепля ются воздуховоды 16 и протекторы 19, после чего на внутренний трубопровод размещается в центральном трубопроводе и соединяется с кольцевым пространством посредством тан ген циальных патрубков 14, Затем конструкция снабжается защитным кожухом 15.

Теплообменный циркуляционный контур работает следующим образом.

Холодная вода по трубопроводу 6 забирается насосом 4 и направляется на охлаждение объекта 3, после чего нагретая вода по трубопроводу 5 направляется на охлаждение в теплообменные элементы 7. В теплообменном элементе нагретая вода поступает во внутреннюю трубу 12, где происходит ее частичное охлаждение водой акватории, которая под действием естественной конвекции создает устойчивое движение по межтрубному пространству, образованному внутренней и центральной 11 трубами по направлению снизу вверх. Нагретая вода из межтрубного пространства выходит через водопропускные окна 13. Частично охлажденная вода из внутренней трубы поступает через тангенциальные патрубки 14 в замкнутое кольцевое пространство, образованное центральной и наружной 10 трубами, двигаясь по которому происходит ее дальнейшее охлаждение водой акватории. При прохождении частично охлажденной водой кольцевого пространства наблюдается тонкослойное распределение объема, что значительно интенсифицирует теплопередачу, а наличие и внутренней теплообменной площади увеличивает на 30 общую площадь теплообмена. Охлажденная вода из кольцевого простоанства под остаточ1749685

5

40

55 ным напором по трубопроводу 6 поступает на охлаждаемый объект и цикл повторяется.

При неблагоприятных гидрологических условиях, например высокой температуре или низкой скорости воды в акватории, интенсификация теплопередачи осуществляется путем подачи сжатого воздуха от компрессорной установки 8 по трубопроводу 9 через защитный кожух 15 в перфорированные воздуховоды 16. Сжатый воздух при выходе из воздуховода направляется по касательной на поверхность внутренней и наружной труб, где разрушает тепловой пограничный слой и создает в нем турбулентное движение, одновременно с этим создается водовоздушная смесь, которая поднимается глубины до поверхности, таким образом создается направленное движение охлаждающей воды, обеспечивающее повышение теплоотдачи в

1,5 — 2 раза. При этом наблюдается эффект снижения интенсивности льдообразования и, как следствие, снижение расчетных нагрузок на контур и обеспечение улучшения эксплуатации водного транспорта.

При остановке циркуляции охлаждаемой воды, в зимний период возможно промерзание теплообменного элемента в части, находящейся между уровнем воды в акватории и верхним строением, для предотвращения этого я влен ия и редусматривается возможность создания вакуума в защитном кожухе при помощи компрессорной установки, что обеспечивает надежность работы контура без проведения дополнительных дорогостоящих и сложных мероприятий. Наличие защитного кожуха на 50 снижает интенсивность коррозии, так как скорость коррозии в два раза в зоне переменного уровня выше, чем в водной среде, что обуславливает увеличение срока службы теплообменных элементов.

Применение протекторной защиты от коррозии способствует повышению долговечности теплообменников и не ведет к снижению коэффициента теплопередачи, что наблюдается при использовании пассивного способа защиты, например нанесение лакокрасочных или полимерных покрытий на защищаемые поверхности. Одновременно с этим наблюдается развитие поверхности теплообмена за счет устройства продольных ребер из протекторов.

Работать теплообменные элементы в контуре могут в различном порядке: последовательно, параллельно или комбинированно. В составе контура имеются рабочие и резервные теплообменные элементы, Таким образом обеспечивается повышение эксплуатационной надежности и экономичности теплообменного циркуляционного контура.

По выполненным расчетам использование изобретения позволит снизить себестоимость каждого кубического метра оборотной воды на 5,7, Формула изобретения

1. Теплообменный циркуляционный койтур, Содержащйй йесущие опоры, установленные в водоеме, на которых закреплено верхнее .строение с охлаждаемым объектом, насосом, трубопроводами нагретой и холодной воды, и размещенные в водоеме теплообменные элементы, о т л и ч аю шийся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности и экономичности, теплообменные элементы выполнены в виде коаксиально расположенных вертикальных наружной, центральной и внутренней труб, последняя из которых подключена к трубопроводу нагретой воды и сообщена посредством тангенциальных патрубков в нижней части с кольцевой полостью, образованной наружной и центральной трубами и сЬобщенной в верхней части с трубопроводом холодной воды, а пространство между внутренней и центральной трубами сообщено в верхней и нижней частях со средой водоема, при этом каждый теплообменный элемент в верхней части снабжен цилиндрическим защитным кожухом, на поверхностях наружной и внутренней труб закреплены распределительные перфорированные воздуховоды, а контур дополнительно снабжен компрессорной установкой, магистраль сжатого воздуха которой через защитный кожух сообщена с упомянутыми воздуховодами.

2, Контур по п.1, отличающийся тем, что воздуховоды выполнены в виде продольных ребер прямоугольного сечения, снабженных в периферийной части каналом для подвода воздуха.

3, Контур по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что перфорация в воздуховодах выполнена в виде расположенных по касательной к поверхностям труб отверстий.

4. Контур по пп.1 и 2, отл и ч а ю щи йс я тем, что теплообменные элементы снабжены протекторной электрохимической защитой от коррозии в виде расположенных на поверхностях наружной и внутренней труб между воздуховодами продольных ребер.

1?49685

77

Составитель В, Кацериков

Техред М.Моргентал Корректор 0. Кундрик

Редактор Е, Папп

Заказ 2586 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101