Теплообмінний елемент

Винахід відноситься до теплотехніки і стосується теплообмінників як загального, так і спеціального призначення. Винахід направлено на розв'язання існуючої проблеми видалення накипу з поверхні теплообміну, який утворюється при кипінні на ній охолоджуючої рідини. Відомий теплообмінний елемент, який має теплопровідну стінку з поверхнями нагрівання та охолодження, описаний у книзі Л.І. Грачової та ін. "Котельні установки у сільському господарстві", Київ, Урожай, 1991р., с.113. Видалення накипу в ньому відбувається механічним способом із застосуванням механічних шарошок, пневматичних зубил, дротяних щіток та наждачних каменів. Недоліками даного технічного рішення є необхідність зупинки теплообмінного агрегату на період очищення від накипу, тр удоємність виконуваних робіт та додаткові затрати на їх виконання. Найближчим аналогом винаходу, що заявляється, є те хнічне рішення (авт. посв. CPCP №1424440 kл. F28F3/04, 1979р.), в якому теплообмінний елемент має теплопровідну стінку, зребрену з боку її о холодження. З метою забезпечення самоочищення зребреної поверхні від накипу, на охолоджуваній поверхні створюють градієнт температури, що перевищує 8,5 • 104 0С/м. Недоліком цього рішення є те, що елемент має спеціальну конструкцію, відмінну від конструкцій більшості існуючих теплообмінників, що не дає можливості забезпечити їх самоочищення від накипу. Ефект самоочищення в такому теплообміннику забезпечується наявністю зребреної поверхні теплообміну і великою щільністю теплових потоків, які недосяжні при роботі теплообмінників з гладкою теплообмінною поверхнею. Технічною задачею, яка вирішується винаходом, є створення теплообмінного елементу з гладкою теплообмінною поверхнею, здатного працювати в режимі самоочищення від накипу при робочих теплових навантаженнях. Суть винаходу полягає в тому, що в теплообмінному елементі, який має теплопровідну стінку з поверхнями нагрівання та охолодження, теплопровідна стінка разом з поверхнями нагрівання та охолодження виготовлена із окремих полосок матеріалів з різними теплопровідностями. Полоски почергово з'єднані між собою. При цьому ширина полосок визначається за формулою S£ æ 1 1 ö ÷ q dç çl - l ÷ è 1 2ø 8,5 ×10 4 де S – ширина полоски, м; q – щільність теплового потоку крізь стінку, Вт/м 2; d - товщина теплопровідної 4 стінки, м; l 1 і l 2 - відповідно коефіцієнти теплопровідності полосок двох різних матеріалів, Вт/м 0С; 8,5 × 10 0 мінімальна різниця температур між двома суміжними полосками, умовно віддаленими між собою на 1м, С. Приведена формула для визначення ширини полосок одержана за допомогою наступних розрахунків. У відповідності з прототипом для самоочищення накипу з поверхні охолодження необхідно створити на ній 4 градієнт температури не менше 8,5 × 10 0С/м. На зребреній поверхні це досягається за рахунок існування такого ж градієнта температури в товщині теплопровідної стінки. Для гладкої ж поверхні цього недостатньо. Поверхневий градієнт температури з'явиться на ній тільки тоді, коли теплопровідна стінка буде виготовлена із окремих полосок матеріалів з різними теплопровідностями. Відомо, що градієнт температури в напрямку теплового потоку для кожної теплопровідної полоски складає Dt 1 q1 Dt 2 q2 = = d1 l1 і d 2 l 2 , де Dt1 і Dt 2 - різниці температур теплопровідної стінки з боку нагрівання та з боку охолодження для одної та іншої суміжної полоски, 0С; q1 і q2 - відповідно теплові потоки через дві різні пластини, Вт/м 2; d1 і d 2 - товщина теплопровідних стінок кожної пластини, м; l 1 і l 2 - питомі теплопровідності пластин, Вт/м 0С. Оскільки q1 = q2 і d1 = d 2 , то два попередніх рівняння після простих перетворень можна записати у вигляді æ 1 1 ö q dç ç l - l ÷ = Dt 1 - D t 2 ÷ è 1 2 ø Вираз у правій частині останнього рівняння являє собою поверхневий градієнт температури на відстані між 4 полосками в 1м. У відповідності з прототипом він повинен бути не менше 8,5 × 10 0С. Тому останнє рівняння можна представити як æ 1 1 ö 4 q dç ç l - l ÷ £ 8,5 × 10 ÷ è 1 2 ø Користуючись цією формулою можна розрахувати товщин у і ширину полосок, з яких набрана теплопровідна стінка. Очевидно, що ширина кожної полоски S (при умові їх рівності) визначається з виразу S£ æ 1 1 ö ÷ q dç çl - l ÷ è 1 2ø 4 8,5 ×10 що і треба було доказати. Підставивши в цю нерівність критичне значення теплового потоку при охолодженні водою q=1,25Вт/м 2 і питому теплопровідність матеріалів пластин, наприклад сталі з l 1 = 40 Вт/м 0С і міді з l 2 = 380 Вт/м 0С , будемо мати S £ 0,33 d . Якщо задатись товщиною стінки d , взявши її, наприклад 4...5 мм, то ширина полосок буде , , дорівнювати S £ 1 22... 1 65 мм і т.д. Наведений розрахунок показує, що для виготовлення теплопровідної стінки запропонованого теплообмінника немає ніяких те хнічних утруднень. На фіг.1 зображено головний вигляд теплообмінного елементу, на фіг.2 - вигляд збоку. Теплообмінний елемент складається з теплопровідної стінки 1, виготовленої із окремих пластин (кілець) матеріалів з різними теплопровідностями. Теплопровідна стінка 1 розташована у корпусі 2 і має поверхню нагрівання 3 і поверхню охолодження 4. Джерело тепловиділення міститься в каналі 5. Охолоджуюча рідина рухається через кільцевий канал 6. Теплообмінний елемент працює так: Джерело тепловиділення, що міститься в центральному каналі 5, нагріває поверхню 3 стінки 1. Тепловий потік через стінку передається на поверхню охолодження 4, нагріваючи охолоджуючий теплоносій. В процесі нагрівання та кипіння рідкого охолоджуючого теплоносія на поверхні охолодження утворюється накип. Але завдяки існуванню поверхневого градієнта температур, який обумовлений тим, що теплопровідна стінка виготовлена із пластинок матеріалів з різною теплопровідністю, накип руйнується і його частинки виносяться із зони охолодження потоком теплоносія. Завдяки цьому тепловий режим теплообмінного елементу залишається стабільним. Технічні переваги винаходу полягають у здатності теплообмінного елементу звичайної конструкції, який має гладку теплообмінну поверхню, працювати безперебійно в режимі самоочищення від накипу.