Конденсаторно-испарительная труба - RU2666919C1
Код документа: RU2666919C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к трубе, которая выполняет функцию конденсатора посредством своей внутренней поверхности и испарителя посредством своей наружной поверхности, обеспечивая высокую производительность передачи тепловой энергии на единицу поверхности и градус Цельсия разности температур между указанными поверхностями, и выполнена с возможностью использования в кожухотрубных устройствах или других дистилляционных устройствах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Техническая проблема заключается в том, что трубы, которые выполняют функцию конденсатора посредством своей внутренней поверхности и испарителя посредством своей наружной поверхности, например, горизонтальные трубы кожухотрубного теплообменника, обладают низким коэффициентом теплопередачи на квадратный метр поверхности трубы и градус Цельсия разности температур между паром, который протекает внутри трубы, и жидкой текучей средой, испаряющейся на наружной поверхности трубы.
В конкретном случае кожухотрубных теплообменников для опреснения воды, используемых в дистилляторах с многоступенчатой дистилляцией (MED), коэффициент теплопередачи горизонтальных труб этих устройств составляет менее 3500 Вт на квадратный метр и на градус Цельсия разности температур между двумя поверхностями труб.
Это ограничение передачи энергии через стенки применяемых в настоящее время испарительно-конденсаторных труб приводит к ограничению количества циклов конденсации-испарения, которые могут быть реализованы с помощью источника энергии при заданной температуре, например, пар из когенерационной установки и теплопоглотитель с более низкой температурой, например, морская вода, требуют применения больших поверхностей обменных трубок внутри дистилляционных устройств и характеризуются ограниченной общей энергией, которой можно управлять с помощью каждого дистилляционного устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении, с помощью конденсаторно-испарительной трубы, которая определена в формуле изобретения, предпринята попытка решить одну или более вышеуказанных проблем.
В испарительно-конденсаторной трубе газовая фаза конденсируемого вещества протекает внутри конденсаторно-испарительной трубы, а жидкая фаза, подлежащая выпариванию, протекает снаружи указанной трубы. Внутренняя поверхность покрыта внутренней капиллярной поверхностью, выполненной с возможностью обеспечения изгибания поверхности раздела жидкость/пар в результате образования вогнутого мениска с углом контакта менее 90°, поскольку это обеспечивает капиллярную конденсацию при давлении, которое ниже давления пара, и накопление конденсированной жидкости, продукта капиллярной конденсации, в выпускном канале в нижней части внутренней части конденсаторно-испарительной трубы.
Конденсаторно-испарительная труба содержит канал подачи в наружную верхнюю часть конденсаторно-испарительной трубы, выполненный с возможностью подачи жидкой текучей среды в капиллярную структуру, покрывающую остальную часть наружной поверхности трубы, выполненной с возможностью обеспечения изгибания поверхности раздела жидкость/пар в результате образования вогнутого мениска с углом контакта менее 90° таким образом, что на конце изогнутой границы раздела, составляющей поверхность мениска жидкости, жидкость имеет минимально возможную толщину, что обеспечивает максимально эффективное испарение со значительно более низким тепловым сопротивлением, чем для пленок жидкости большей толщины.
Конденсаторно-испарительная труба представляет собой канал для подачи воды, подлежащей выпариванию, расположенный в верхней части ее наружной поверхности, и канал для отведения воды внутри ее конденсирующей поверхности, который может быть механически присоединен посредством листа или наружной стенки, выполненные с возможностью образования конденсаторно-испарительной трубы.
Кроме того, канал подачи воды может быть механически соединен с каналом отвода воды посредством опорных конструкций, которые позволяют использовать более тонкие стенки конденсаторно-испарительной трубы, чем стенки трубы без таких опорных конструкций. Эти более тонкие стенки обеспечивают короткий тепловой путь между точками капиллярной конденсации на внутренней поверхности и менисками воды на испарителе, расположенном на наружной поверхности трубы.
Наружная капиллярная структура конденсаторно-испарительной трубы выполнена в виде микроуглублений, микроканавок или микроволн заданной ширины и глубины.
Наружная и внутренняя капиллярная структура конденсаторно-испарительной трубы образуют капиллярные каналы прямоугольного сечения на противоположных сторонах зубчатых профилей таким образом, что мениск на наружной испаряющей стороне отделен от смежного мениска на внутренней конденсирующей стороне толщиной наружного листа конденсаторно-испарительной трубы.
Наружная и внутренняя капиллярные структуры конденсаторно-испарительной трубы образуют треугольные пилообразные капиллярные каналы на противоположных сторонах зубчатых профилей таким образом, что мениск на наружной испаряющей стороне отделен от смежного мениска на внутренней конденсирующей стороне толщиной наружного листа конденсаторно-испарительной трубы.
Конденсаторно-испарительная труба может быть покрыта слоем спеченного металла, сетки или другой пористой структуры, покрывая внутреннюю поверхность конденсаторно-испарительной трубы таким образом, что капиллярная конденсация происходит в ограниченных пространствах внутри этой пористой структуры.
Конденсаторно-испарительная труба может быть механически соединена с импульсным устройством для генерирования импульсов в жидкости, подаваемой в канал подачи в верхней части конденсаторно-испарительной трубы, создавая периодическое перетекание жидкой текучей среды по наружной поверхности конденсаторно-испарительной трубы.
Комплект конденсаторно-испарительных труб механически соединяют с образованием дистилляционного устройства.
Конденсаторно-испарительная труба обладает высокой производительностью передачи тепловой энергии на единицу поверхности трубы и градус Цельсия разности температур между внутренней поверхностью и наружной поверхностью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более подробное объяснение настоящего изобретения приведено в нижеследующем описании в сочетании с прилагаемыми чертежами:
На ФИГ. 1 представлен вид в поперечном разрезе конденсаторно-испарительной трубы со слоем спеченного металла, покрывающим внутреннюю поверхность, которая выполняет функцию конденсатора, и выпускного канала для конденсированной жидкости;
На ФИГ. 2 представлен вид в поперечном разрезе конденсаторно-испарительной трубы с каналом подачи для жидкой текучей среды, которая протекает внутри капиллярной структуры на наружной поверхности трубы и выпускной канал для конденсированной жидкости внутри конденсаторно-испарительной трубы. Кроме того, показана наружная стенка конденсаторно-испарительной трубы с множеством микроканавок, микроволн или микроуглублений, расположенных перпендикулярно оси конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 3 представлены альтернативные виды в поперечном разрезе конденсаторно-испарительной трубы с круглыми и овальными стенками;
На ФИГ. 4 представлен вид в поперечном разрезе альтернативной конденсаторно-испарительной трубы. Кроме того, на ней показана наружная поверхность стенки конденсаторно-испарительной трубы с последовательностью микроканавок, микроуглублений или микроволн, расположенных спирально или наклонно по отношению к оси трубы.
На ФИГ. 5 представлен вид в поперечном разрезе двух конденсаторно-испарительных труб, расположенных одна над другой таким образом, что испаряемая жидкость протекает от канала подачи через капиллярную структуру, которая покрывает наружную поверхность верхней конденсаторно-испарительной трубы, до места вытекания избыточной подаваемой жидкости внутрь канала подачи нижней конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 6 представлен продольный вид в поперечном разрезе стенки конденсаторно-испарительной трубы с микроканавками как на внутренней, так и на наружной сторонах, образующими пилообразный профиль с постоянным интервалом таким образом, что вогнутые мениски образованы на обеих сторонах конденсаторно-испарительной трубы, так что мениск, соответствующий испаряющейся жидкости на наружной поверхности, расположен на очень коротком тепловом расстоянии от мениска, образованного конденсирующейся жидкостью на внутренней поверхности конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 7 представлен продольный вид в поперечном разрезе стенки конденсаторно-испарительной трубы с микроканавками как на внутренней, так и на наружной сторонах, образующими U-образный или зубчатый профиль таким образом, что мениск, соответствующий испаряющейся жидкости на наружной поверхности, расположен на очень коротком тепловом расстоянии от мениска, образованного конденсирующейся жидкостью на внутренней поверхности конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 8 представлен продольный вид в поперечном разрезе стенки конденсаторно-испарительной трубы с микроканавками как на внутренней, так и на наружной поверхностях, образующими U-образный или зубчатый профиль таким образом, что вогнутые мениски образованы на обеих сторонах стенки конденсаторно-испарительной трубы, так что мениск, соответствующий испаряющейся жидкой текучей среде на наружной поверхности, расположен на очень коротком тепловом расстоянии от мениска, образованного конденсирующейся жидкостью внутри спеченного слоя или другой пористой структуры на внутренней поверхности конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 9 представлен вид в поперечном разрезе комплекта труб кожухотрубного дистиллятора из существующего уровня техники, в котором жидкая текучая среда, подлежащая испарению, протекает снаружи толстых стенок конденсаторно-испарительных труб, падая в водяную пленку над расположенной ниже конденсаторно-испарительной трубой;
На ФИГ. 10 представлен вид в поперечном разрезе комплекта конденсаторно-испарительных труб внутри кожухотрубного устройства, в котором жидкая текучая среда, подлежащая испарению, протекает снаружи тонких стенок конденсаторно-испарительной трубы до тех пор, пока она не переливается наружу выпускного канала и вытекает соответствующим образом внутрь канала подачи испаряющей части следующей конденсаторно-испарительной трубы;
На ФИГ. 11 представлен вид в поперечном разрезе двух альтернативных конденсаторно-испарительных труб с внутренней опорной пластиной, расположенной между каналом подачи и выпускным каналом внутри конденсаторно-испарительной трубы, и с листами или закрытыми стенками, которые соединяют каналы подачи и выпускания на наружной стороне конденсаторно-испарительной трубы, а указанные листы или закрытые стенки могут быть более тонкими, чем обычные стенки трубы, поскольку они не должны поддерживать конструкционные нагрузки;
На ФИГ. 12 представлен вид в поперечном разрезе конденсаторно-испарительной трубы с опорной конструкцией, образованной каналом подачи и выпускным каналом, механически соединенных пластинами, которые расположены снаружи относительно конденсаторно-испарительной трубы, и с листами или закрытыми стенками, которые не должны поддерживать конструкционные нагрузки трубы;
На ФИГ. 13 представлен вид в поперечном разрезе стенки теплообменной трубы с ребрами, причем, при использовании ее в качестве конденсаторно-испарительной трубы, мениск, который образуется на наружной поверхности испарения, расположен на большом тепловом расстоянии от мениска, расположенного на внутренней поверхности конденсации;
На ФИГ. 14 представлен вид в поперечном разрезе внутренней части микроканавки с вогнутым мениском жидкой текучей среды с углом контакта менее 90° и областью мениска, в которой толщина жидкости составляет от 50 нм до 10 мкм, которая является областью, в которой происходит наиболее эффективное испарение; и
На ФИГ. 15 представлен вид в поперечном разрезе комплекта конденсаторно-испарительных труб кожухотрубного дистиллирующего устройства, соответствующих конденсаторно-испарительным трубам, изображенным на ФИГ. 10, с конструкцией, которая поддерживает комплект труб.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На ФИГ. 1-4 показана конденсаторно-испарительная труба для испарения и конденсации водных растворов или других жидкостей, в которой угол контакта мениска составляет меньше 90°, которая выполняет функцию конденсатора посредством внутренней поверхности и функцию испарителя посредством наружной поверхности; причем внутренняя поверхность покрыта капиллярной структурой, в капиллярных пространствах которой сформированы мениски жидкой текучей среды с изогнутой поверхностью раздела жидкость-пар и в которой пары жидкости могут конденсироваться при давлении ниже давления паров, а конденсированную жидкость выпускают через выпускной канал 2; и причем наружная поверхность покрыта капиллярной структурой, в которой испаряемая жидкость образует мениски с изогнутой поверхностью раздела жидкость-пар, а испарение происходит на верхнем конце 25, см. ФИГ. 14, менисков жидкости, на котором слой жидкости самый тонкий и происходит наиболее эффективное испарение.
Согласно ФИГ. 11 труба может содержать внутреннюю пластину 14 и наружную пластину 23 для опирания конструкции таким образом, что стенки 22, которые являются термически активными, могут быть более тонкими, чем стенки труб, которые должны поддерживать конструктивные нагрузки, и эти стенки 22 могут быть иметь различные конструкции, которые позволяют уменьшать тепловой путь между мениском жидкости внутри микроканавки на стороне испарения и областью капиллярной конденсации на стороне конденсации.
Конденсаторно-испарительная труба, которая представляет собой объект настоящего патента, может быть использована в новых и специально разработанных дистилляционных устройствах, а также может быть использована для замены труб существующих дистилляционных устройств в качестве горизонтальных труб кожухотрубной дистилляционной системы, которые в настоящее время работают согласно парадигме тонкой пленки воды, и такая замена позволяет обеспечивать сосуды высокого давления и всю инфраструктуру, связанную с этими установками, одновременно повышая тепловую эффективность модифицированных устройств.
Конденсаторно-испарительная труба содержит капиллярную структуру, покрывающую внутреннюю поверхность конденсации, на которой образуются мениски жидкости с углом контакта менее 90°, заключенные внутри указанной капиллярной структуры, а поверхность раздела жидкость-пар изогнута.
Изогнутость поверхности раздела жидкость-пар на стороне конденсации подразумевает, что пар воды или другой жидкости конденсируется внутри капилляра при давлении ниже давления пара, что представляет собой известное явление, которое подчиняется закону Кельвина и которое способствует конденсации выпаренной жидкости.
Для предотвращения накопления конденсированной жидкости внутри конденсаторно-испарительной трубы и недопущения заполнения капиллярной структуры жидкостью, блокирующей ее способность к капиллярной конденсации, конденсатор-испаритель содержит выпускной канал 2, расположенный на дне конденсаторно-испарительной трубы, для слива жидкости из зоны капиллярной конденсации, не допуская, таким образом, накопления воды, которое может приводить к прекращению капиллярной конденсации.
Выпускной канал 2 может быть исключен из нижней части трубы для вмещения и выпускания жидкости, но применение выпускного канала 2 позволяет предотвратить возникновение кольцевых течений или заполнение конденсированной жидкостью внутренней части трубы другим образом, причем выпускной канал может охватывать капиллярную структуру внутренней стенки, улучшая, таким образом, способность внутренней поверхности трубы функционировать в качестве конденсатора и улучшая тепловые свойства всего устройства.
Кроме того, конденсаторно-испарительная труба содержит капиллярную структуру, покрывающую наружную поверхность конденсаторно-испарительной трубы, в которой образуются мениски соленой воды или другой жидкости, подлежащей выпариванию, образующие контактный угол 24 меньший 90°, и образующую изогнутую поверхность раздела жидкость-пар.
Верхняя часть мениска жидкости представляет собой узкую область 25, см. ФИГ. 14, в которой вода имеет наименьшую толщину пленки и где жидкость легче испаряется из-за, помимо прочих факторов, наличия очень тонкой пленки воды между металлической стенкой капиллярной структуры и изогнутой поверхностью раздела жидкость-пар, которая покрывает наружную часть мениска.
Для распределения жидкости внутри капиллярной структуры, покрывающей снаружи стенку трубы, конденсаторно-испарительная труба содержит канал 4 подачи, см. ФИГ. 1-5.
Если жидкость, подлежащая выпариванию, содержит органическое вещество, которое может образовывать остатки, или если применяют раствор, который может образовывать твердые остатки, например, морскую воду, чтобы избежать образования твердых и органических остатков внутри покрывающих капиллярных структур, например, полученной путем спекания структуры, которая может забиваться, после чего ее очень трудно очищать, капиллярную структуру на наружной поверхности конденсаторно-испарительной трубы формируют из микроканавок шириной и глубиной менее 0,8 мм, расположенных перпендикулярно 3, наклонно или спирально 8 по отношению к оси конденсаторно-испарительной трубы, причем микроканавки проходят в нижнюю часть канала 4 подачи таким образом, что за счет капиллярного натяжения вода попадает внутрь микроканавок и протекает внутри них, см. ФИГ. 2 и 4. Жидкость могут подавать внутрь канала 4 подачи с помощью периодических импульсов, создаваемых импульсным механизмом, механически соединенным с конденсаторно-испарительной трубой таким образом, что жидкость периодически перетекает через край изнутри канала 4 подачи, образуя жидкую пленку на наружной поверхности конденсаторно-испарительной трубы для достижения двух целей: смывание скоплений остатков, которые могут образовываться на наружной поверхности трубы, и смачивание всей наружной поверхности трубы для предотвращения появления сухих областей внутри капиллярных структур испарителя.
Частота этого переливания определяется частотой появления сухих зон и последующим появлением твердых остатков, причем частота импульсов в основном зависит от конструкции капиллярной структуры, которая определяет расход жидкости внутри микроканавки, и поток энергии устройства. Это означает, что ритм пульсации определяется конструкцией дистилляционного устройства. Согласно ФИГ. 6-8 стенка конденсаторно-испарительной трубы может иметь различные профили, например, зубчатый, пилообразный и т.д., для формирования альтернативных желобов с обеих сторон стенки конденсаторно-испарительной трубы, причем поверхность раздела жидкость-пар, соответствующая верхней части менисков 9, 10, 16 и 17, изогнута таким образом, что тепловые пути 11, 15 между точкой испарения и точкой конденсации являются короткими и соответствуют толщине стенки конденсаторно-испарительной трубы.
Тепловые пути 11, 15 являются более короткими, чем тепловой путь 21, который имеет место в теплообменной трубе с микроребрами или другими выступами на поверхности в случае, если ее используют в качестве конденсаторно-испарительной трубы, как показано на фиг. 13. Теплообменник требует максимизации контактной поверхности вместо приоритизации изгиба границы раздела жидкость-пар с помощью капиллярной структуры, в которой образуются мениски жидкости, когда требуется, чтобы труба выполняла функцию эффективного конденсатора-испарителя.
Согласно ФИГ. 10-12 конденсаторно-испарительная труба содержит внутреннюю пластину 14 или наружную пластину 23, которые механически соединяют канал 12 подачи с выпускным каналом 13 и листом или наружной стенкой 22. Внутренняя пластина 14 или наружная пластина 23 представляют собой внутреннюю или наружную конструкции, которые поддерживают конструкционные нагрузки конденсаторно-испарительной трубы, выполненной таким образом, что наружная стенка 22 имеет уменьшенную толщину, поскольку она не выполняет функцию механической опоры. Таким образом, стенка термически активной трубы 22 имеет меньшую толщину, чем толщина стенок горизонтальных труб из алюминиевых сплавов из существующего уровня техники, которая в настоящее время варьируется между 1 мм и 0,7 мм и, таким образом, они обладают более низким тепловым сопротивлением.
Соответственно, получаем конденсаторно-испарительную трубу с капиллярной структурой, покрывающей ее внутреннюю стенку, которая обеспечивает кривизну границы раздела жидкость-пар и конденсацию, которая представляет собой капиллярную конденсацию, причем конденсат соответствующим образом отводят с помощью выпускного канала 2 и с помощью капиллярной структуры на его наружной поверхности, причем жидкость образует, мениски с углом контакта менее 90°, ограниченным изогнутой поверхностью раздела жидкость-пар, причем испарение происходит в области 25, где пленка жидкости имеет наименьшую толщину. Стенка конденсаторно-испарительной трубы имеет такую конструкцию, что верхняя часть мениска 16 жидкости на поверхности испарения находится перед верхней частью мениска конденсированной жидкости 17 на поверхности конденсации, где происходит капиллярная конденсация, так что тепловой путь 15 между точкой испарения и точкой конденсации также уменьшается за счет уменьшения толщины термически активной стенки 22, которая опирается на внутреннюю или наружную опорную конструкцию 14, 23, поддерживающую конструкционные нагрузки конденсаторно-испарительной трубы.
Конденсаторно-испарительная труба, изготовленная из сплавов алюминия, меди или других металлов, имеет низкое тепловое сопротивление, которое в среднем превышает 20000 Ватт на квадратный метр и градус Цельсия разности температур между двумя поверхностями конденсаторно-испарительной трубы, и причем коэффициенты теплопередачи могут достигать значений более 60000 Ватт на квадратный метр и градус Цельсия разности температур и даже больших значений.
Учитывая, что слои воды или других жидкостей толще, чем тонкие слои, образованные на концах 25 мениска воды или менисков других жидкостей, они представляют собой слои, которые хуже переносят энергию и препятствуют фазовому изменению текучей среды, причем подача жидкости на наружной поверхности конденсаторно-испарительной трубы должна быть реализована должным образом, без разбрызгивания или неуправляемого перетекания. Для выполнения этого требования конденсаторно-испарительные трубы могут быть размещены рядами, как показано на ФИГ. 5, таким образом, чтобы жидкость, протекающая по наружной поверхности выпускного канала 2, 13 конденсаторно-испарительной трубы, попадала внутрь канала 4, 12 подачи расположенной ниже конденсаторно-испарительной трубы.
Как показано на ФИГ. 1 и более подробно на ФИГ. 8, внутренняя поверхность конденсаторно-испарительной трубы может быть выстелена спеченным слоем, сеткой или капиллярным материалом 18 таким образом, чтобы капиллярная конденсация происходила внутри ограниченных пространств внутри этой структуры, что обеспечивает короткое тепловое расстояние 15 от менисков жидкости на стороне 16 испарения.
Наилучшего соотношения между объемом и теплообменной поверхностью достигают путем применения закругленных структур и, таким образом, сечение трубы может быть круглым 5 или овальным, удлиненным 6 или сплющенным 7.
Замена комплекта труб устройств с многоступенчатой дистилляцией (MED) на комплект труб, описанных в настоящем патенте, позволяет увеличить коэффициенты теплопередачи этих MED-установок и достичь, таким образом, большей производительности.
Замена применяемых в настоящее время горизонтальных труб этих опреснительных установок на конденсаторно-испарительные трубы, описанные в этом патенте, позволяет использовать значительную часть из других компонентов применяемых в настоящее время многоступенчатых опреснительных установок и в то же время позволяет увеличить количество Ватт, передаваемых на единицу поверхности трубы и градус Цельсия разности температур, что обуславливает улучшение опреснительной способности установки, уменьшение требуемой разности температур в каждом эффекте и, следовательно, увеличение количества эффектов, уменьшение стоимости энергии на единицу дистиллированной воды или увеличение объема опресненной воды на каждый эффект, или любую комбинацию этих возможных результатов.
Как схематично показано на ФИГ. 9, в комплектах горизонтальных труб MED-установок из существующего уровня техники водяная пленка 19 стекает по трубам, которые выполняют функцию испарителей снаружи и конденсаторов внутри. Как схематично показано на ФИГ. 10, комплектом конденсаторно-испарительных труб по настоящему изобретению можно заменить комплекты труб MED-установок из существующего уровня техники. На ФИГ. 10 показано, что избыток соленой воды в конденсаторно-испарительной трубе выливается в канал 4 подачи следующей конденсаторно-испарительной трубы, который подает соленую воду внутрь микроканавок капилляров, покрывающих наружную поверхность этой следующей конденсаторно-испарительной трубы. Этот комплект конденсаторно-испарительных труб поддерживают конструкции 23, на которые опираются конденсаторно-испарительные трубы.
Реферат
Предложена конденсаторно-испарительная труба, во внутренней части которой протекает пар, подлежащий конденсации, и через которую протекает жидкость, подлежащая выпариванию, причем и внутренняя, и наружная поверхности этой трубы покрыты капиллярными структурами, выполненными с возможностью образования жидких менисков, имеющих угол контакта меньше 90°, причем граница раздела жидкость-пар изогнута, что позволяет обеспечить капиллярную конденсацию внутри трубы и испарение на наружной поверхности на верхнем конце (25) менисков жидкости, где слой жидкости является самым тонким, а испарение наиболее эффективным. Технический результат – повышение теплопроизводительности трубы. 12 з.п. ф-лы, 15 ил.
