Теплообмінник

Корисна модель відноситься до теплотехніки, зокрема до пристроїв - теплообмінників для конвективного і конвективно-променевого теплообміну, які широко використовуються при нагріві-охолодженні газів в теплових машинах типу Стірлінга, а також для осушування газів (водню, аргону, гелію і т.ін.) Відомі теплообмінники (охолоджувачі, нагрівачі), які використовуються у кріогенній техніці, в яких розвинена поверхня виконана з обох боків фрезерованими ребрами, які утворюють щілинні канали (Новожельнов В.Н., Суслов А.Д., Полтараус В.Б. Криогенные машины. С.-П.: Политехника, 1991, с.258). Доцільність використання такої конструкції базується на практично однакових умовах з обох боків конвективного теплообміну "газ-поверхнягаз". При зміні умов теплообміну з одного боку, наприклад, на конвективно-променевий ефективність його стає недостатньою тому, що таке конструктивне рішення знижує величину коефіцієнта теплопередачі за рахунок зменшення однієї складової (коефіцієнта тепловіддачі) з одного боку. У випадку використання теплообміну при конденсації пари (з боку нагріву) картина змінюється навпаки. Інтенсивність теплообміну при конденсації значно переважає інтенсивність внутрішньої конвекції. І в цьому випадку така конструкція працює неефективно. Відомі нагрівачі для газового середовища, наприклад, у двигуна х Стірлінга, коли умови інтенсивності нагріву робочого тіла (газу) є визначальними у величинах коефіцієнтів корисної дії двигунів та їх потужності (Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М: Машиностроение, 1985, с.102-105 и 273-276). Наведені два типа нагрівачів - ребристі і трубчасті. Їх конструкція складається із герметичного корпусу, до якого приєднані чисельні трубки (капіляри), вихід і вхід яких з'єднано з внутрішнім об'ємом корпусу. Всередині цих трубок відбувається циклічно переміщення газу (робочого тіла) із швидкостями десятки метрів на секунду. При Рейнольдсах (Re=2×104...6×104) - це забезпечує високі коефіцієнти тепловіддачі, а відповідно і ефективність двигуна. Суттєвим недоліком таких нагрівачів є технологічна складність їх виготовлення і знижена надійність, пов'язана з необхідністю забезпечення щільності і міцності з'єднання торців трубок (до сотень з'єднань) з герметичним корпусом, заповненим робочим тілом, наприклад, газом (гелієм, воднем і т.ін.) з високим тиском. Окрім того, оскільки пакети трубок, розташовані в зоні горіння, будь-якого палива, від якого вони відбирають тепло, неодмінно виникає їх перекриття одне одного, в наслідок чого зменшується інтенсивність променевого нагріву їх поверхонь, що також знижує загальний коефіцієнт корисної дії. Необхідність забезпечення ефективного теплообміну між відділеними непроникненою поверхнею середовищ (газ-газ; газ-рідина) є важливою умовою в багатьох існуючих способах, системах і пристроях осушування газів (повітря, водню, гелію, аргону та ін.) Причому газ, який осушується, може знаходитись під значним тиском. Процеси теплообміну в таких пристроях реалізуються, як правило, в теплообмінниках-рекуператорах (теплообмін через стінку), які у відповідних джерелах, термінологічно, подаються з додатком до назви (нагрівач, охолоджувач, конденсатор). Приклади застосування таких пристроїв: - Устройство для поглощения влаги. РЖ: Изобретения стран мира (ИСМ), вып.18 №5, 1990, Франция (FR), МКИ В01D53/26, заявка №2627401; - Устройство для осушки газов, РЖ: ИСМ, вып.18, №10, 1990, ЧССР (CS), МКИ B01D53/26, заявка №265153; - Устройство для осушки компремированного (под давлением) воздуха, РЖ: ИСМ, вып.11, №21, 1991, СССР (SU), МКИ B01D53/26; F24F3/14, А.С. №1669512. За прототип технічної пропозиції слід вважати конструкцію теплообмінника-нагрівача, наведеного у а.с. №1725423, Н05К7/20, Б. №13 від 07.04.1992). Конструкція прототипу вміщує стакан з основою у вигляді його дна, на якому всередині розміщені паралельно одне одному ребра з капілярно-пористого матеріалу, закритих зверху поверхнею - суцільною кришкою, що утворює замкнені канали, які з протилежних боків закриті заглушками. До входів і виходів каналів приєднані закриті колектори. Повітря (газ) в цьому радіаторі подається у відкриті канали і фільтрується через пори матеріалу ребер, нагрітих від дна стакану, в суміжні канали, що гідравлічно з'єднані з колектором відводу повітря. Недоліками цього теплообмінника є вузький діапазон його застосування, який пов'язаний із специфікою охолодження радіоелементів, приєднаних до протилежної від ребер сторони основи. Конвективне охолодження повітрям джерел тепла (радіоелементів), які кондуктивно передають тепло в основу радіатора цілком виправдано. Але якщо джерелом тепла буде потік нагрітого газу, то відсутність з протилежного боку такого радіатора розвиненої поверхні у вигляді ребер буде суттєво зменшувати коефіцієнт теплопередачі за рахунок невисокої інтенсивності теплопідводу до основи конвекцією. Окрім того, наявність паралельних каналів між пористими ребрами, по яких рухається газовий потік, призводить до збільшення приграничних шарів, які: поперше, зменшують коефіцієнти тепловіддачі між газовим потоком і пористою поверхнею, по-друге, виникає нерівність гідравлічного опору "протисканню" потоку газу через пори по довжині ребра, особливо в тупиковій частині каналу, що підтверджується законами гідростатики і енергії руху потоку, наприклад, рівнянням Бернулі: Епот =z+p/g+a v2 /2g, коли на питому енергію потоку суттєво впливає третя складова цього рівняння, до якого входить швидкість v2 , а оскільки для умов рівного "фільтраційного" опору швидкість потоку по ходу каналу буде зменшуватися, відповідно, буде знижуватися і енергія потоку Eпот , допускаючи, що решта складових рівняння зберігає свої величини (z - висота центру потоку над поверхнею ("дном" каналу). Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Литература по строительству, 1965, C.61...62). Інші недоліки конструкції прототипу хоч і не так суттєво впливають на ефективність теплообміну, але при розширенні діапазону його застосування стають зайвими. Так, з боку збірного колектора виходу повітря непотрібне функціональне використання заглушок, які тільки зменшують поверхню теплообміну і можуть бути замінені продовженням і "замиканням" тих же капілярно-пористих ребер. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення теплообмінника шляхом створення нової конструкції теплообмінних поверхонь для розширення меж використання теплообмінника в умовах газоконвективного і газо-променевого підводу тепла, а також підвищення ефективності теплообміну. Поставлена задача вирішується тим, що в наведеній конструкції теплообмінника, що виконаний у вигляді стакана, на дні якого всередині розташовані капілярно-пористі ребра з заглушеними каналами і містить колектори, новим є те, що ззовні стакану на його дні розташовані у вигляді симетричних секторів суцільні ребра, основи яких співпадають з основами капілярно-пористих ребер, виконаних зі змінною площею їх перерізу по довжині, що контактують з дном додатково введеного внутрішнього стакану з наскрізними симетричними отворами, дно якого утворює відкриті і закриті щілинні канали, при цьому відкриті канали і торці суміжних ребер заглушені з боку кільцевого колектора для входу газу, що утворений стінками внутрішнього і зовнішнього стаканів, а отвори разом із стінкою внутрішнього стакану утворюють колектор для виходу газу. Така конструкція теплообмінника забезпечує ефективний теплообмін за умов конвективно-променевого теплопідводу і передачу теплового потоку через стінку рухомому газовому середовищу. Подібні умови теплообміну використовуються в теплових машинах типу двигуна Стірлінга, які знаходять широке застосування в системах екологічно чистої генерації енергії. На кресленнях відображено схему пропонуємої конструкції теплообмінника-нагрівача з поздовжнім його перерізом (Фіг.1), з перерізом І-І по Фіг.1 (Фіг.2) та з видом зверху на дно зовнішнього стакану з суцільними ребрами - переріз ІІ-ІІ по Фіг.2 (Фіг.3). Запропонована конструкція теплообмінника-нагрівача включає: зовнішній стакан 1, на дні якого назовні розташовані у вигляді симетричних секторів суцільні ребра 8, основи яких співпадають з основами капілярнопористих ребер 2 з перемінною площею їх перетину по довжині; додатково введений внутрішній стакан 9 з наскрізними симетричними отворами 7; кільцевий колектор 6 для входу газу, утворений стінками стаканів 1 і 9; збірний колектор 10 для виходу газу, утворений отворами 7 і стінками внутрішнього стакану 9; закритий щілинний канал 3 між суміжними капілярно-пористими ребрами 2, які з'єднані з вхідним кільцевим колектором 6; відкриті канали 4, які разом з торцями суміжних капілярно-пористих ребер 2 з боку кільцевого колектору 6 заблоковані заглушками 5. Теплообмінник працює таким чином Якщо зовнішнє середовище в зоні назовні дна стакану 1 відрізняється тепловими параметрами від внутрішнього, наприклад, газового потоку, що рухається колектором 6 через щілинні канали 3 і 4, капілярнопористі ребра 2, отвори 7 у внутрішній об'єм колектора 10, між ними відбувається теплообмін. Приймемо у якості джерела теплового потоку (Qн) нагріті гази, які омивають зовнішню поверхню дна стакану 1 з ребрами 8. Між ними відбувається конвективний теплообмін і тепло передається через стінку капілярно-пористим ребрам 2. В наслідок цього, температура каркасу ребер 2 підвищується і потік газу, що рухається через пори в їх каркасі починає активно нагріватись. Ефективність такого теплообміну залежить від чинників, які реалізуються запропонованою конструкцією теплообмінника. Висока і рівномірна швидкість газового потоку забезпечується мінімізацією і постійністю гідравлічного опору по всій довжині ребер 2 за рахунок наявності кута між ребрами 2, перемінності площі їх перетину по довжині, а також блокування заглушками торців цих ребер з боку колектору. Ефективність теплообміну між зовнішнім і внутрішнім середовищем характеризується залежністю коефіцієнта 1 теплопередачі К = від суми термічних опорів в знаменнику, де перша складова 1 / a1 + d1 / l 1 + dp / l кр + 1 / a 2 (зовнішній теплообмін) 1/a 1 - мінімізується наявністю зовнішнього оребрення 8 стакана 1. Друга складова d1/l1 кондуктивна теплопередача між основами зовнішніх 8 і внутрішніх 2 ребер, мінімізується відстанню (d1) між основами ребер 8 і 2, які конструктивно розташовані напроти одне одного. Третя складова мінімізується зменшенням висоти (dр) ребра 2, а необхідність збільшення розвиненої поверхні ребра 2 компенсується його товщиною, що при достатньо високій поросності, практично не збільшує гідравлічний опір. Четверта складова 1/a 2 суттєво зменшується за рахунок високих значень коефіцієнта тепловіддачі газовому потоку a 2 від каркасу ребра 2, який складається з елементів мінімальних розмірів, теплообмін з якими по даним А.Д. Кра уса [Охлаждение электронного оборудования. - Ленинград: Энергия, 1971, с.31] перевищує інтенсивність теплообміну схеми "рідина-стінка". Діапазон використання запропонованого теплообмінника не обмежується функціями нагріву газового потоку. Він також може використовуватись, як осушувач газів (водень, аргон, гелій та ін.), що включають пару води. Щоб зменшити концентрацію вологи в газовому потоці, що подається через колектор, дно зовнішнього стакану 1 може омиватися парами азоту, або бути зануреним в скраплений азот. В цьому випадку теплопередача відбувається у зворотному напрямку з додатком процесу конденсації водяної пари, або її наморожування на каркасі ребер 2 та інших поверхнях внутрішнього об'єму. Процес такого теплообміну буде мати циклічний характер. Це діється тому, що з накопиченням конденсату, або інею, поступово зменшується інтенсивність тепловіддачі і збільшується гідравлічний опір. З огляду на це, необхідно періодично проводити його "очистку", наприклад, шляхом нагріву дна зовнішнього стакану 1 і випарювання вологи і переконденсації її в інше місце. В процесі евакуації вологи газовий потік в колектор 6 теплообмінника не подається. Таким чином, у запропонованій конструкції теплообмінника завдяки наявності симетричних отворів у внутрішньому стакані, зменшується гідравлічний опір проходженню газового потоку з колектору у вн утрішній об'єм і, відповідно, підтримується більша швидкість газового потоку через капілярно-пористі ребра, що суттєво підвищує інтенсивність внутрішнього теплообміну, наявність ребер і співпадіння основ внутрішніх і зовнішніх ребер, окрім забезпечення високої інтенсивності теплопередачі, дозволяє в цьому теплообміннику ефективне осушування газів, що значно розширює межі його використання.