устройство для охлаждения и осушки газовой среды

Формула изобретения

Устройство для охлаждения и осушки газовой среды, содержащее герметичный корпус с входными и выходными патрубками, сборник конденсата с патрубком отвода, теплообменник и фитили, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде двух коаксиально расположенных рубашек охлаждения: внешней, служащей корпусом устройства, и внутренней, между которыми с контактом к обеим рубашкам охлаждения установлен охладитель в виде двух коаксиально расположенных труб, при этом внешняя и внутренняя рубашки снабжены кольцевыми распределительными и сборными коллекторами и многозаходными винтовыми пазами для хладагента, а в зазоре между трубами охладителя имеются сплошные многозаходные спиральные ребра резьбового типа, принадлежащие внешней и внутренней трубам охладителя, между боковыми поверхностями спиральных ребер резьбового типа имеются щелевые спиральные проходы для газовой среды, направления спиралей щелевых проходов и винтовых пазов совпадают, а угол подъема спиралей находится в пределах 12-75^o, суммарная гидравлическая проводимость всех щелевых спиральных проходов равна проводимости входного и выходного патрубков, при этом и внешняя, и внутренняя рубашки охлаждения имеют отдельные подводы и отводы, тангенциальные к кольцевым коллекторам, а гидравлическая проводимость трактов хладагента постоянна, кроме того, по всей длине сборных и распределительных коллекторов имеются развитые кольцевые пазы, расположенные соответственно у начала и конца охладителя, первый фитиль, выполненный в виде гофрированной юбки из эластичного материала с мелкоячеистой капиллярной структурой и размещенный равномерно в зазоре между трубами охладителя у окончания щелевых спиральных проходов, выступает в сборник конденсата, выполненного в виде кольца с коническими стенками, а другой фитиль - в виде кольцевой втулки с коническими стенками, идентичными стенкам сборника конденсата, и с зубчатой внешней поверхностью, идентичной гофрам юбки первого фитиля, выполненный из металловолоконного пористого проницаемого материала, заполняет полость сборника конденсата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям теплообменников-конденсаторов для кондиционирования среды в ограниченном пространстве, например космических орбитальных станций, транспортных средств на водородном топливе, экологически чистых исследовательских систем науки и производства, в биологии и океанологии в особенности, когда одновременно требуются их быстродействие и бесшумность при минимальных габаритах.

Известна установка для охлаждения и осушки воздуха (а.с. СССР N 547591, кл. F 28 D 7/00, 1975). Установка содержит корпус с предкамерой с вентилятором для прокачки воздуха и с входным и выходным патрубками, трубчатый теплообменник с фитилями в межтрубном пространстве, соединенными с основанием фитиля, расположенным в полости днища корпуса, снабженного патрубком для откачки конденсата.

К недостаткам аналога можно отнести:

- избыточность фитильного объема из-за наличия зон, не участвующих в процессе вывода конденсата, т.е. завышены масса и габариты;

- невысокая эффективность теплообменника, что приводит к затягиванию процесса осушки со всеми вытекающими потерями в энергопотреблении и надежности;

- воздушный поток претерпевает слишком много возмущений, вызываемых спецификой организации тракта и технологией осушки, приводящих к энергетическим потерям.

Наиболее близким по технической сущности является известное устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов (патент России 2131559 от 10.06.99, М. кл. F 28 D 7/00, B 64 G 1/50), содержащее корпус с вентилятором, входным и выходным патрубками, теплообменник со штыревыми элементами оребрения и фитили.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- неравномерное распределение кольцеобразного воздушного потока от вентилятора в прямолинейных полостях теплообменников;

- неравномерное распределение хладагента в плоских полостях теплообменников, неизбежно сопровождаемое образованием застойных зон, влияние которых несколько сглаживается высокой теплопроводностью материала теплообменника, но не без потерь в эффективности самого устройства;

- теплообменники со штыревыми элементами оребрения, незаменимые при излучении, в газожидкостном теплообмене практически не применяются из-за относительно малой эффективности, т.е. вызывают необходимость более длительной работы устройства и дополнительного расхода энергии;

- воздушный поток претерпевает слишком много возмущений, вызываемых спецификой организации тракта и технологией осушки, приводящих к энергетическим потерям, значительная часть которых трансформируется в шумы (суммарный поворот воздушного потока в устройстве более 300^o);

Задачей предлагаемого изобретения является создание такой конструкции устройства для охлаждения и осушки газовой среды, которая бы обеспечила максимальные быстродействие, эффективность и надежность при обеспечении минимума шумов от его работы.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для охлаждения и осушки газовой среды, содержащем герметичный корпус с входными и выходными патрубками, сборник конденсата с патрубком отвода, теплообменник и фитили, теплообменник выполнен в виде двух коаксиально расположенных рубашек охлаждения: внешней, служащей корпусом устройства, и внутренней, между которыми с контактом к обеим рубашкам охлаждения установлен охладитель в виде двух коаксиально расположенных труб, при этом внешняя и внутренняя рубашки снабжены кольцевыми распределительными и сборными коллекторами и многозаходными винтовыми пазами для хладагента, а в зазоре между трубами охладителя имеются сплошные многозаходные спиральные ребра резьбового типа, принадлежащие внешней и внутренней трубам охладителя, между боковыми поверхностями спиральных ребер резьбового типа имеются щелевые спиральные проходы для газовой среды, направления спиралей щелевых проходов и винтовых пазов совпадают, а угол подъема спиралей находится в пределах 12 - 75^o, суммарная гидравлическая проводимость всех щелевых спиральных проходов равна проводимости входного и выходного патрубков, при этом и внешняя и внутренняя рубашки охлаждения имеют отдельные подводы и отводы, тангенциальные к кольцевым коллекторам, а гидравлическая проводимость трактов хладагента постоянна, кроме того, по всей длине сборных и распределительных коллекторов имеются развитые кольцевые пазы, расположенные соответственно у начала и конца охладителя, первый фитиль, выполненный в виде гофрированной юбки из эластичного материала с мелкоячеистой капиллярной структурой, и размещенный равномерно в зазоре между трубами охладителя у окончания щелевых спиральных проходов, выступает в сборник конденсата, выполненного в виде кольца с коническими стенками, а другой фитиль - в виде кольцевой втулки с коническими стенками, идентичными стенкам сборника конденсата, и с зубчатой внешней поверхностью, идентичной гофрам юбки первого фитиля, выполненный из металловолоконного пористого проницаемого материала, заполняет полость сборника конденсата.

Техническим результатом решения поставленной задачи является улучшение эксплуатационных характеристик: уменьшение времени охлаждения потока газовой среды, ее более глубокое охлаждение и более интенсивное отделение конденсата с одновременным обеспечением минимума шумов от работы устройства, повышение надежности и относительное улучшение габаритно-массовых характеристик.

Это достигается введением новых элементов и их новым выполнением, позволяющих минимизировать углы поворота векторов скорости потока охлаждаемой газовой среды, увеличить активную поверхность охлаждения и обеспечить ее равномерную нагрузку разделением потока охлаждаемой газовой среды на множество потоков, принципиально увеличив его теплообменную поверхность и одновременно, уменьшив его сечение, а следовательно, и время охлаждения до требуемой для эффективного отделения конденсата температуры, повысить эффективность процессов отделения и удержания конденсата и подавить возникающие шумы фитилями, минимизировать гидравлические потери и шумы в хладагентных трактах и их дублированием.

Устройство поясняется чертежами, где

на фиг. 1 приведен общий вид устройства для охлаждения и осушки газовой среды;

на фиг. 2 показан фрагмент общего вида устройства, поясняющий связи элементов в зоне конденсации;

на фиг.3 представлен фрагмент, поясняющий связи многозаходных спиральных ребер охладителя;

на фиг.4 представлен фрагмент первого фитиля в виде гофрированной юбки;

на фиг.5 показано изменение направления потоков газовой среды при переходе из щелевых спиральных проходов в гофры первого фитиля;

на фиг.6 представлена схема протекания хладагента в рубашках охлаждения.

Предлагаемое устройство для охлаждения и осушки газовой среды содержит корпус (рубашка охлаждения внешняя) 1, входной патрубок 2, выходной патрубок 3, сборник конденсата 4, патрубок отвода конденсата 5, теплообменник 6, фитиль в виде гофрированной юбки 7, фитиль в виде кольцевой втулки 8, рубашку охлаждения внутреннюю 9, охладитель 10, внешний кольцевой распределительный коллектор 11, внутренний кольцевой распределительный коллектор 12, внешний кольцевой сборный коллектор 13, внутренний кольцевой сборный коллектор 14, многозаходные винтовые павы 15, спиральные ребра резьбового типа 16, внешнюю трубу охладителя 17, внутреннюю трубу охладителя 18, щелевые спиральные проходы 19, подвод к рубашке охлаждения внешней 20, подвод к рубашке охлаждения внутренней 21, отвод от рубашки охлаждения внешней 22, отвод от рубашки охлаждения внутренней 23, зубчатую внешнюю поверхность фитиля в виде кольцевой втулки 24, кольцевой паз внутреннего сборного коллектора 25, кольцевой паз внешнего сборного коллектора 26, кольцевой паз внутреннего распределительного коллектора 27, кольцевой паз внешнего распределительного коллектора 28, расширитель потока 29, обтекатель 30, крышки коллектора 31, эвакуатор 32.

Устройство работает следующим образом. Жидкий хладагент, двумя раздельными потоками поступающий по тангенциальным подводам 20, 21 к внешнему и внутреннему распределительным коллекторам 11, 12 внешней и внутренней рубашек охлаждения 1, 9, проходя через кольцевые пазы 27, 28 распределительных коллекторов, охлаждает концевые участки внешней 17 и внутренней 18 труб охладителя 10 в зоне размещения головной части фитиля 7, потоки разделяются на протоки, движущиеся по восходящим спиралям многозаходных винтовых пазов 15, объединятся в кольцевых пазах 25, 26 внешнего и внутреннего сборных коллекторов и, охлаждая начальные участки внешней 17 и внутренней 18 труб охладителя 10, тангенциально выводится раздельными потоками отводами 22, 23, при этом теплообмен интенсифицируется местной турбулизацией хладагента при выходе протоков из пазов 15, их смешением и закруткой в кольцевых каналах сборных коллекторов. Благодаря принципиально более лучшей теплопроводности материала рубашек охлаждения чем хладагента, перемычки между винтовыми пазами 15, находящиеся в контакте с поверхностью труб охладителя, способствуют уменьшению разницы температур на его входе и выходе. Охлаждаемая газовая смесь (ОГС), поступая в патрубок подвода 2 сплошным потоком с поперечным сечением в виде, например, круга, расширителем потока 29 трансформируется в кольцеобразный поток; который затем в охладителе 10 спиральными ребрами резьбового типа 16 (СPPT) разделяется на множество спиральных ленточных потоков, ограничиваемых щелевыми спиральными проходами 19 (ЩСП), тем самым обеспечивается их эффективное и paвномернoe охлаждение, вызывающее насыщение пара и конденсацию. При выходе из ЩПС потоки ОГС 33, отягощенные конденсатом, ударяются о стенки гофров юбки первого фитиля 7, выполненного из эластичного материала с мелкоячеистой капиллярной структурой, например сетки 685-О3Х18Н10Т-ВИ ТУ14-4-697-76. Хорошо смачиваемая сетка, отбирает большую часть конденсата, не пропуская газ. Деформированные первым столкновением со стенками гофров, облегченные потоки ОГС с остатками конденсата, продолжая двигаться по инерции, наталкиваются на другие гофры фитиля 7 и фитиль 8, всякий раз теряя более тяжелые остатки образований конденсата, пока не окажутся в патрубке отвода 3. Фитилем 8 из металловолоконного пористого проницаемого материала, например, из 12Х18Н9, 50ХГ или ТГ-4М, с внешней зубчатой поверхностью, идентичной гофрам фитиля 7, весь конденсат отводится к эвакуатору и патрубком отвода 5 выводится из устройства. Конструктивное выполнение фитиля 8 обеспечивает его достаточную увлажненность, предотвращающую попадание газовой фазы в отводящую конденсат трассу. Подавление рабочих шумов в тракте ОГС осуществляется фильтрами 7 и 8, способности материалов которых в этой ипостаси хорошо известны.

Угол подъема винтовых пазов 15 связан с теплофизическими и гидравлическими характеристиками хладагентов. Минимальный угол подъема спиралей винтовых пазов 12^o ограничен технологическими проблемами их изготовления и снижением скорости охлаждения, максимальный -75^o - нежелательным ростом гидравлических потерь и шумов. Одинаковые направления СРРТ внешней и внутренней рубашек охлаждения и ЩПС охладителя при встречном движении потоков ОГС и хладагента в сочетании с продвижением по спиральным траекториям, т.е. непрерывным перемешиванием составляющих элементов потоков, обеспечивают максимальную эффективность теплообмена, а следовательно, и самого устройства.

Таким образом, совокупность новых признаков предложенного решения устройства для охлаждения и осушки газовой среды позволило выполнить поставленную задачу, достигнув нового технического результата: повышены быстродействие процессов охлаждения и осушки, их эффективность и надежность при минимуме шумов от работы устройства.