RU2252376C2

RU2252376C2 - Eddy evaporative condenser

Info

Publication number: RU2252376C2
Application number: RU2001114711/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Маркович Войтко (UA); Андрей Маркович Войтко
Original assignee: Андрей Маркович Войтко
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2005-05-20

Abstract

FIELD: compensation of refrigerant vapors in refrigerating plants.

SUBSTANCE: the eddy evaporative condenser has eddy heat exchangers in the form of large - diameter pipes with U-shaped ribs forming ducts for passage of refrigerant secured on the outer surface, axial-flow fans with profiled blades, nozzle fin with nozzles, circulating pump, filter, tray, drop separator and an outer guard. Eddy of air flow in the heat exchanger is effected by the axial-flow fan with profiled blades installed at angle φ=40°-65° between the generating line of the fan body and the tangent line to the blade at the air outlet hear the body wall. Eddy heat exchangers are made with a ribbing coefficient varying in accordance with relation: γ=πD/(nl)=1-5, where D - the pipe diameter; n-quantity of ducts; l-the duct width, which in turn vary within D=400-1000 mm; l -20-140 mm; the duct height l₁=20-60 mm; pipe wall thickness δ=3-6 mm; duct wall thickness, δ₁=2-4 mm, and pipe length L to diameter ratio D, L/D≤40.

EFFECT: reduced power and mass characteristics of the offered evaporative condenser.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано на распределительных холодильниках, холодильниках мясной и плодоперерабатывающей промышленности. Известны испарительные конденсаторы, используемые в промышленности, включающие вентиляторы, теплообменники, форконденсатор, кожух и циркуляционный насос (см. Холодильная техника. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин. Справочник. Москва, "Легкая и пищевая промышленность", 1984 г.).The invention relates to refrigeration and can be used on distribution refrigerators, refrigerators, meat and fruit processing industry. Known evaporative condensers used in industry, including fans, heat exchangers, a condenser, a casing and a circulation pump (see Refrigeration. Heat exchangers, automation devices and testing refrigeration machines. Reference book. Moscow, "Light and food industry", 1984) .

Промышленная эксплуатация таких испарительных конденсаторов показывает, что на их теплообменной поверхности со стороны воды образуется "водяной камень" (осаждение солей), значительно ухудшающий теплопередачу и уменьшающий производительность аппарата.The commercial operation of such evaporative condensers shows that a “water stone” (salt deposition) is formed on their heat exchange surface from the water side, which significantly impairs heat transfer and reduces the productivity of the apparatus.

Для восстановления первоначальных характеристик аппарата "водяной камень" необходимо очищать. Очистка "водяного камня" является очень трудоемкой операцией и не всегда возможна из-за недоступности к трубам трубного пучка, находящимся внутри него.To restore the initial characteristics of the apparatus, the "water stone" must be cleaned. Cleaning "water stone" is a very time-consuming operation and is not always possible due to inaccessibility to the tube bundle pipes inside it.

Прототипом является вихревой испарительный конденсатор (см. А.с. № 185941, СССР). Вихревой испарительный конденсатор представляет собой заключенные в общий кожух трубы большого диаметра, снаружи которых имеются волнистые желоба, внутри которых конденсируются пары холодильного агента. Воздух засасывается вентиляторами в верхней части аппарата, омывает наружную поверхность труб, направляется в поддон, затем направляется через завихрители и в виде вихря движется внутри труб.The prototype is a vortex evaporative condenser (see A.S. No. 185941, USSR). The vortex evaporation condenser is a large diameter pipe enclosed in a common casing, on the outside of which there are wavy troughs, inside which the refrigerant vapor condenses. The air is sucked in by the fans in the upper part of the apparatus, washes the outer surface of the pipes, goes into the pan, then goes through the swirls and moves inside the pipes in the form of a vortex.

В завихренный поток воздуха внутри труб через форсунки распыляется вода. Затем воздух, пройдя сепаратор, выбрасывается в окружающую среду. В сепараторе от потока воздуха отделяются капли воды.Water is sprayed into the swirling flow of air inside the pipes through the nozzles. Then the air, passing the separator, is discharged into the environment. Drops of water are separated from the air stream in the separator.

Для интенсификации тепло- и массообмена через форсунки орошается также и внешняя поверхность труб.To intensify heat and mass transfer through nozzles, the outer surface of the pipes is also irrigated.

Недостатком такого вихревого испарительного конденсатора является наличие завихрителя, отсутствие орошения внутренней поверхности труб форсунками после завихрителя, а также возможности вариации геометрических характеристик теплообменников (теплообменной поверхности) вихревого испарительного конденсатора, которые, в свою очередь, влияют на интенсивность теплообмена.The disadvantage of such a vortex evaporation condenser is the presence of a swirl, the absence of irrigation of the inner surface of the pipes by nozzles after the swirl, as well as the possibility of varying the geometric characteristics of the heat exchangers (heat exchange surface) of the swirl evaporating condenser, which, in turn, affect the heat transfer intensity.

Указанные недостатки сопровождаются повышенными энергетическими и массовыми показателями.These shortcomings are accompanied by increased energy and mass indicators.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования "Вихревого испарительного конденсатора" путем снижения энергетических затрат на осевые вентиляторы, интенсификации теплообмена и, как следствие, снижения массовых характеристик.The basis of the invention is the task of improving the "Vortex Evaporative Condenser" by reducing energy costs for axial fans, intensifying heat transfer and, as a result, reducing mass characteristics.

Поставленная задача решается тем, что в "Вихревом испарительном конденсаторе", содержащем осевые вентиляторы с профилированными лопастями, вихревые теплообменники в виде труб большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности П-образными ребрами, образующими каналы для прохождения хладагента, каплеотделитель, поддон для сбора воды, фильтр, циркуляционный насос, форконденсатор, гребенки и форсунки для орошения наружной и внутренней поверхности труб теплообменников, наружное ограждение конденсатора, согласно изобретению, завихрение потока воздуха в трубах осуществляется осевым вентилятором с профилированными лопастями, установленными под углом между образующей корпуса вентилятора и касательной к лопасти на выходе воздуха у стенки корпуса, равным φ =40-65° , а вихревые теплообменники выбраны со следующими характеристиками: коэффициент оребрения γ =π D/(n1)=1-5, где n - количество укрепленных на наружной поверхности труб продольных П-образных ребер, образующих каналы для прохождения холодильного агента; 1=20-140 мм - ширина канала; D=400-1000 мм - диаметр трубы; l₁=20-60 мм - высота канала; δ =3-6 мм - толщина стенки трубы; δ ₁=2-4 мм - толщина стенки канала. Отношение длины трубы к ее диаметру может составлять L/D=≤ 40, где L - длина трубы.The problem is solved in that in the "Vortex Evaporative Condenser" containing axial fans with profiled blades, vortex heat exchangers in the form of large diameter pipes with U-shaped ribs fixed on the outer surface, forming channels for the passage of refrigerant, a droplet separator, a water collection tray, filter, circulation pump, pre-condenser, combs and nozzles for irrigation of the outer and inner surfaces of the tubes of the heat exchangers, the outer guard of the condenser, according to the invention, vortex The air flow in the pipes is carried out by an axial fan with profiled blades installed at an angle between the fan housing generatrix and the tangent to the blade at the air outlet at the housing wall equal to φ = 40-65 °, and vortex heat exchangers are selected with the following characteristics: finning coefficient γ = π D / (n1) = 1-5, where n is the number of longitudinal U-shaped ribs fixed on the outer surface of the pipes forming channels for the passage of the refrigerant; 1 = 20-140 mm - channel width; D = 400-1000 mm - pipe diameter; l ₁ = 20-60 mm - channel height; δ = 3-6 mm - pipe wall thickness; δ ₁ = 2-4 mm is the wall thickness of the channel. The ratio of the pipe length to its diameter can be L / D = ≤ 40, where L is the pipe length.

Как следует из вышесказанного, коэффициент оребрения может изменяться в пределах 1-5. Такое изменение вызвано эффективностью теплообмена ребра, которая зависит от коэффициентов теплоотдачи внутри канала (конденсация паров холодильного агента) и снаружи канала (стекание водяной пленки), коэффициента теплопроводности материала ребра - сталь, алюминий, медь (λ _стали≈ 45 Вт/(м· К), λ _{алюминия}≈ 180 Вт/(м· К), λ _меди≈ 330 Вт/(м· К), толщины стенки ребра, теплофизических характеристик холодильных агентов (аммиак, фреон-134а, фреон-22 и др.). Поэтому для каждого конкретного случая должен быть выбран свой, оптимальный, коэффициент оребрения. Выбор оптимального коэффициента обосновывается соответствующим технико-экономическим расчетом.As follows from the above, the finning coefficient can vary between 1-5. Such a change is caused by the heat transfer efficiency of the rib, which depends on the heat transfer coefficients inside the channel (condensation of refrigerant vapors) and outside the channel (water film draining), the thermal conductivity of the rib material - steel, aluminum, copper (λ of _steel ≈ 45 W / (m · K ), λ of _aluminum ≈ 180 W / (m · K), λ of _copper ≈ 330 W / (m · K), rib wall thickness, thermophysical characteristics of refrigerants (ammonia, freon-134a, freon-22, etc.). Therefore for each specific case, its own optimal fins coefficient should be selected. Selecting the optimal ratio settles relevant technical-economic calculation.

Выбор длины теплообменника L/D≤ 40 выбран из условия затухания вихря внутри трубы на основании экспериментальных данных.The choice of the length of the heat exchanger L / D≤40 is selected from the condition of the decay of the vortex inside the pipe based on experimental data.

Полное затухание закрученного на входе в трубу потока воздуха (переход вращающегося вихря в прямолинейный поток) при L/D≈ 70. Поэтому эффективность теплообмена при L/D≤ 40 будет достаточной для создания эффективных вихревых теплообменников. Трубы большого диаметра D=400-1000 мм выбраны из условия прокачивания большого объема воздуха осевыми вентиляторами с профилированными лопастями при сравнительно большом их КПД.The total attenuation of the air flow swirling at the pipe inlet (transition of a rotating vortex into a straight flow) at L / D≈ 70. Therefore, the heat transfer efficiency at L / D ≤ 40 will be sufficient to create efficient vortex heat exchangers. Tubes of large diameter D = 400-1000 mm are selected from the condition of pumping a large volume of air by axial fans with profiled blades with a relatively large efficiency.

Кроме того, на входе потока воздуха в вихревые теплообменники установлены оросители, трубки которых выполнены с загнутыми по направлению движения потока воздуха концами, что обеспечивает орошение всей теплообменной поверхности вихревых теплообменников. Для уменьшения сопротивления двухфазному потоку (поток воздуха и распыленная вода) внутри трубы направление потока воздуха и распыление воды через форсунки осуществляется прямоточно, что способствует эжекции потока воздуха каплями воды, выбрасываемыми через форсунки. Капли воды, выбрасываемые через форсунки, попадают на внутреннюю поверхность трубы и в виде пленки стекают в нижнюю ее часть, где в виде ручья серповидного сечения стекают в поддон.In addition, sprinklers are installed at the inlet of the air flow into the vortex heat exchangers, the tubes of which are made with ends bent in the direction of the air flow, which ensures irrigation of the entire heat exchange surface of the vortex heat exchangers. To reduce the resistance to the two-phase flow (air flow and sprayed water) inside the pipe, the air flow direction and spraying water through the nozzles are carried out directly, which contributes to the ejection of the air flow by water drops ejected through the nozzles. Drops of water ejected through the nozzles fall onto the inner surface of the pipe and flow into the lower part in the form of a film, where they flow into a tray in the form of a crescent-shaped stream.

Для более быстрого стекания и предотвращения стекания потока воды через вентилятор трубы установлены наклонно к горизонту под углом α =3-8° . Кроме того, наклон труб к горизонту способствует также более быстрому стеканию сконденсировавшегося жидкого холодильного агента, что способствует интенсификации теплообмена.For faster runoff and to prevent runoff of the water flow through the fan, the pipes are installed obliquely to the horizon at an angle α = 3-8 °. In addition, the inclination of the pipes to the horizon also contributes to a more rapid drainage of the condensed liquid refrigerant, which contributes to the intensification of heat transfer.

На фиг.1 показан вихревой испарительный конденсатор.1 shows a vortex evaporation condenser.

На фиг.2 показан поперечный разрез вихревого испарительного конденсатора.Figure 2 shows a cross section of a vortex evaporation condenser.

На фиг.3 показана установка лопасти вентилятора на корпусе колеса.Figure 3 shows the installation of the fan blades on the wheel housing.

На фиг.4 показано поперечное сечение трубы с желобами вихревого теплообменника.Figure 4 shows a cross section of a pipe with grooves of a vortex heat exchanger.

На фиг.5 показано поперечное сечение трубы вихревого теплообменника на участке с видом оросителя.Figure 5 shows a cross section of a vortex heat exchanger pipe in a section with a view of the sprinkler.

Вихревой испарительный конденсатор включает осевые вентиляторы с профилированными лопастями 1, вихревые теплообменники в виде труб 2 большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности П-образными ребрами 3, образующими каналы для прохождения холодильного агента, оросители 4, гребенки 5 с форсунками 6, каплеотделитель 7, поддон 8, фильтр 9, циркуляционный насос 10, форконденсатор 11, форсунки для орошения наружной поверхности труб 12 и наружное ограждение 13. На рабочем колесе вентилятора установлены лопасти 14.The vortex evaporative condenser includes axial fans with profiled blades 1, vortex heat exchangers in the form of pipes 2 of large diameter with U-shaped ribs 3 mounted on the outer surface, forming channels for the passage of the refrigerant, sprinklers 4, combs 5 with nozzles 6, droplet separator 7, drip tray 8, filter 9, circulation pump 10, pre-condenser 11, nozzles for irrigation of the outer surface of the pipes 12 and the outer guard 13. Blades 14 are mounted on the impeller of the fan.

Вихревой испарительный конденсатор работает следующим образом.Vortex evaporative condenser operates as follows.

Вихревой испарительный конденсатор устанавливается вне помещения на открытом воздухе. Наружный воздух нагнетается осевыми вентиляторами 1, лопасти 14 которого закручивают и в виде вихря подают поток воздуха в трубу 2. На наружной поверхности трубы укреплены П-образные ребра 3, внутри которых конденсируются пары холодильного агента. В закрученный поток воздуха внутри трубы через форсунки 6, установленные на гребенке 5, впрыскивается вода, которая в виде мельчайших капель под действием центробежных сил пронизывает поперек вращающийся поток воздуха и попадает на внутреннюю поверхность трубы, где в виде пленки стекает в ее нижнюю часть.The vortex evaporative condenser is installed outdoors in the open air. External air is pumped by axial fans 1, the blades 14 of which are twisted and a stream of air is supplied into the pipe 2. On the outer surface of the pipe, U-shaped ribs 3 are strengthened, inside which refrigerant vapors are condensed. Water is injected into the swirling air flow inside the pipe through nozzles 6 mounted on comb 5, which, in the form of tiny droplets, permeates the rotating air stream transverse to the inner surface of the pipe under the action of centrifugal forces and flows to the bottom of the pipe in the form of a film.

Большая поверхность многочисленных капель воды вылетающих из форсунок и высокая их относительная скорость способствуют интенсивному тепло- и массообмену между водой и воздухом, а затем интенсивному теплообмену между водой и парами холодильного агента. В нижней части, горизонтально установленной, трубы по всей ее длине просверлены отверстия, через которые стекает часть воды на наружную поверхность ниже установленных труб. Остальной поток воды в трубе, подгоняемый завихренным потоком воздуха, сливается в поддон 8. Выйдя из труб, поток воздуха делает поворот на 180° и движется в межтрубном пространстве, омывая орошаемую наружную поверхность труб 2 с П-образными ребрами 3, что позволяет эффективно использовать и наружную поверхность вихревого теплообменника. Для более надежного орошения наружной поверхности труб в верхней части аппарата установлены форсунки 12. С потоком воздуха, омывающим наружную поверхность, могут уноситься капли воды. Для уменьшения их уноса в верхней части аппарата устанавливается форконденсатор 11, попадая на поверхность которого, капли испаряются. Окончательное отделение капель от потока воздуха происходит в каплеотделителе 7, где капли отделяются, а утепленный и увлажненный воздух выбрасывается наружу. Вся вода стекает в поддон 8, откуда через фильтр 9 забирается циркуляционным насосом 10 и подается на форсунки 6, 12 и оросители 4. Пары холодильного агента после компрессора (на чертежах не показано) поступают вначале на форконденсатор 11, где охлаждаются, а затем внутрь каналов, образованных П-образными ребрами 3, где происходит окончательная конденсация. Далее жидкий холодильный агент поступает в линейный ресивер (на чертеже не показан). Форконденсатор 11 выполнен в виде змеевика, имеющего наружные ребра. Снаружи конденсатор имеет ограждение 13.The large surface of numerous water droplets escaping from the nozzles and their high relative speed contribute to intensive heat and mass transfer between water and air, and then to intensive heat transfer between water and refrigerant vapor. In the lower part, horizontally mounted, pipes are drilled along its entire length through which part of the water flows to the outer surface below the installed pipes. The rest of the water flow in the pipe, driven by a swirling stream of air, merges into the sump 8. Leaving the pipes, the air stream makes a 180 ° turn and moves in the annulus, washing the irrigated outer surface of the pipes 2 with U-shaped ribs 3, which allows efficient use and the outer surface of the vortex heat exchanger. For a more reliable irrigation of the outer surface of the pipes, nozzles 12 are installed in the upper part of the apparatus. Drops of water can be carried away with the air stream washing the outer surface. To reduce their entrainment, a pre-condenser 11 is installed in the upper part of the apparatus, dropping on the surface of which droplets evaporate. The final separation of the droplets from the air flow occurs in the droplet separator 7, where the droplets are separated, and the insulated and moistened air is thrown out. All water flows into a tray 8, from where it is taken through a filter 9 by a circulation pump 10 and fed to nozzles 6, 12 and sprinklers 4. Vapors of the refrigerant after the compressor (not shown in the drawings) first enter the condenser 11, where they are cooled, and then inside the channels formed by U-shaped ribs 3, where the final condensation occurs. Next, the liquid refrigerant enters the linear receiver (not shown in the drawing). The pre-capacitor 11 is made in the form of a coil having external ribs. Outside, the capacitor has a guard 13.

Так как распыл воды внутри труб осуществляется через форсунки, то на начальном участке труба не орошается (капли в факеле вылетают под определенным углом), поэтому в конденсаторе сразу после вентилятора устанавливаются оросители 4, трубки которых на конце загнуты по направлению движения потока воздуха у стенки трубы.Since water is sprayed inside the pipes through nozzles, the pipe is not irrigated in the initial section (droplets in the torch fly out at a certain angle), therefore, sprinklers 4 are installed in the condenser immediately after the fan, the pipes of which are bent at the end in the direction of the air flow at the pipe wall .

Такое выполнение уменьшает гидравлическое сопротивление, а следовательно, и энергетические затраты, и интенсифицируется тепло- и массообмен.This embodiment reduces the hydraulic resistance, and hence the energy costs, and intensifies heat and mass transfer.

Все вышеуказанные факторы способствуют созданию высокоэффективных вихревых испарительных конденсаторов.All of the above factors contribute to the creation of highly efficient vortex evaporative condensers.

Claims

1. Вихревой испарительный конденсатор, содержащий вихревые теплообменники в виде труб большого диаметра с укрепленными на наружной поверхности продольными "П"-образными ребрами, образующими каналы для прохождения холодильного агента, осевые вентиляторы с профилированными лопастями, форсуночную гребенку с форсунками, циркуляционный насос, фильтр, поддон, каплеотделитель, наружное ограждение, отличающийся тем, что завихрение потока воздуха в теплообменнике осуществляется осевым вентилятором с профилированными лопастями, установленными под углом между образующей корпуса вентилятора и касательной к лопасти на выходе воздуха у стенки корпуса φ=40-65°, а вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии с соотношением γ=πD/(nl)=1-5, где D - диаметр трубы; n - количество каналов; l - ширина канала, которые, в свою очередь, изменяются в пределах D=400-1000 мм; l=20-140 мм; высота канала l₁=20-60 мм; толщина стенки трубы δ=3-6 мм; толщина стенки канала δ₁=2-4 мм и отношение длины L трубы к диаметру D, L/D≤40.1. Vortex evaporative condenser containing vortex heat exchangers in the form of large diameter pipes with longitudinal “P” -shaped ribs fixed on the outer surface, forming channels for the passage of the refrigerant, axial fans with shaped blades, nozzle comb with nozzles, circulation pump, filter, drip tray, droplet separator, external fence, characterized in that the swirling of the air flow in the heat exchanger is carried out by an axial fan with profiled blades, installed and at an angle between the generatrix of the fan casing and tangent to the blade at the air outlet at the casing wall φ = 40-65 °, and the vortex heat exchangers are made with a finning coefficient that varies in accordance with the ratio γ = πD / (nl) = 1-5, where D is the pipe diameter; n is the number of channels; l is the width of the channel, which, in turn, vary within D = 400-1000 mm; l = 20-140 mm; channel height l ₁ = 20-60 mm; pipe wall thickness δ = 3-6 mm; the channel wall thickness δ ₁ = 2-4 mm and the ratio of the pipe length L to the diameter D, L / D≤40.

2. Вихревой испарительный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что на входе потока воздуха в вихревые теплообменники устроены оросители с загнутыми концами орошающих трубок по направлению движения потока воздуха, а теплообменные трубы установлены наклонно к горизонту под углом α=3-8°.2. The vortex evaporative condenser according to claim 1, characterized in that at the inlet of the air stream into the vortex heat exchangers sprinklers with curved ends of the irrigation tubes are arranged in the direction of air flow, and the heat exchange tubes are installed obliquely to the horizon at an angle α = 3-8 °.