Теплообмінний блок теплоутилізатора

Теплообмінний блок теплоутилізатора, що містить пакет пластин з рядами отворів плоско 3 також може використовуватись з прямотечієвим (паралельним рухом) теплоносіїв. В той же час недоліком теплообмінного блокааналога є те, що кругла в перерізі форма застосованих в ньому труб не є оптимальною за тепловими і аеродинамічними характеристиками, так як коефіцієнт тепловіддачі менший, а аеродинамічний опір більший для пучка труб круглої форми в перерізі в порівнянні з пучком труб більш обтічної форми, до яких належать плоско-овальні або, як їх ще називають, овалоподібні в перерізі труби (див., наприклад, книгу В.М.Антуфьев. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева.-М.-Л.: Энергия.-1966, с. 28, 29, табл. 2-3). В якості найближчого аналогу вибраний найбільш близький за технічною суттю теплообмінний блок теплоутилізатора (див. патент України № 41621, МПК F28D15/00, 15/02, F28F 1/42, 13/02, опубл. 2009), який містить пакет пластин з рядами отворів з відбортуванням, що входять в отвори суміжних пластин з утворенням труб, причому кожна з утворених труб споряджена з однієї із сторін пакета глухим дном, з іншої сторони пристроєм для заповнення теплоносієм, звільнена від повітря і частково заповнена теплоносієм та герметизована. Отвори мають плоско-овальну форму. Використання отворів плоско-овальної форми для утворення труб дозволяє забезпечити підвищення ефективності роботи поверхонь з труб цієї форми в перерізі в порівнянні з аналогом, так як вони мають кращі теплові характеристики за рахунок більших величин коефіцієнтів тепловіддачі а в порівнянні з круглотрубними пучками при одних і тих же діаметрах круглих труб і діаметрах закруглень плоско-овальних труб в перерізі та відносних поперечних і повздовжніх кроків труб в пучках (див. книгу В.М.Антуфьев. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М. - Л.: Энергия.-1966, с. 32, рис. 2-3, а). При одних і тих же питомих витратах потужності No на подолання аеродинамічного опору, що виникає під час руху теплоносія крізь пучок труб заданого профілю, процес тепловіддачі від плоско-овальних в перерізі труб характеризуються більшими величинами коефіцієнтів тепловіддачі, наприклад при N0 = 500 величина а для поверхонь з плоскоовальними трубами в перерізі складає a » 220 Вт/(м2.К) для шахматного розміщення труб у пучку, тоді як для гладкотрубного шахового пучка величина a при тому ж значенні No = 500 складає приблизно 170 Вт/(м2.К) (діаметр круглих труб і діаметр закруглень плоско-овальних в перерізі труб складає 20 мм, довжина повздовжньої осі плоскоовальних труб в перерізі складає 70 мм, величини відносних поперечних і повздовжніх кроків труб (дорівнюють відношенню величин кроків поперечних і повздовжніх до діаметра закруглень плоскоовальної труби, рівного діаметру труб круглотрубного пучка) складають, відповідно, 2,48 і 3,71, а потік середовища, що омиває зовнішню поверхню труб, рухається перпендикулярно повздовжній осі труб та паралельно більшій осі перерізу плоско овальних труб). Тобто при N0 = 500 величина a для поверхонь з плоско-овальними трубами в 1,3 рази більша в порівнянні з круглотрубними пучка 47247 4 ми (шахові пучки для обох форм труб). Таке ж становище має місце і при інших значеннях N0. Що стосується аеродинамічного опору, то при однаковій величині a для обох поверхонь, рівній, наприклад, 100 Вт/(м2.К), величини N0 відрізняються в 4,2 рази - відповідно 50 та 12 для круглотрубного пучка та пучка з плоско-овальних труб (шахові пучки). Тобто аеродинамічний опір пучка плоскоовальних у перерізі труб значно менший у порівнянні з пучком круглотрубних у перерізі труб. В той же час недоліком даного технічного рішення є все ще невисока інтенсивність теплообміну, що пов'язано з встановленням ламінарного режиму руху теплоносіїв у просторі поміж трубами з характерною для цього режиму руху наявністю пограничного шару на поверхні труб при роботі теплоутилізатора та, відповідно, відносно невисокою інтенсивністю теплообміну між гарячим та холодним середовищами внаслідок негативного впливу термічного опору пограничного шару на величину коефіцієнта теплообміну a. В основу корисної моделі поставлено задачу створення теплообмінного блока теплоутилізатора, в якому нове розміщення труб у блокові дозволило б забезпечити підвищення ефективності роботи за рахунок інтенсифікації теплообміну між середовищами. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінному блокові теплоутилізатора, що містить пакет пластин з рядами отворів плоскоовальної форми з відбортуванням, що входять в отвори суміжних пластин з утворенням труб, причому кожна з утворених труб споряджена з однієї із сторін пакета глухим дном, з іншої сторони пристроєм для заповнення теплоносієм, звільнена від повітря і частково заповнена теплоносієм та герметизована, згідно з корисною моделлю, труби в ряду розміщені попарно із зустрічним нахилом в кожній парі труб, а в суміжних рядах пари труб розміщені в шаховому порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів. Розміщення труб в ряду попарно із зустрічним нахилом в кожній парі труб, а в суміжних рядах розміщення пар труб в шаховому порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів дозволяє підвищити ефективність роботи за рахунок інтенсифікації теплообміну між середовищами. Потоки теплоносіїв, потрапляючи в простір поміж трубами, проходять почергово через конфузорні та дифузорні ділянки конфузорно-дифузорних каналів (конфузор - це фасонна частина повітропроводу, за допомогою якої збільшують швидкість повітряного потоку і яка має форму зрізаного конусу або переходу з прямокутника (квадрату) на круг зі зменшенням поперечного перерізу повітропроводу; а дифузор - це фасонна частина повітропроводу, за допомогою якої зменшують швидкість повітряного потоку, його форма - зрізаний конус або піраміда із збільшенням поперечного перерізу повітропроводу) - див., наприклад, книгу С.В.Антимонов, С.Ю.Соловых, В.П.Ханин. Измерение и расчеты потерь давления в воздухопроводах. - Оренбург: Гос. образов, учреждение "Оренбургский гос. университет", 2005.-14 с). Під час руху одного з теплоносіїв (повітря або інший газ) через конфузорно 5 дифузорні канали у відокремленій камері для цього теплоносія в його потокові виникає знакоперемінний градієнт тиску, що сприяє руйнуванню пограничного шару та більш повному омиванню труб з випаровувально-конденсаційними контурами в них, які передають тепловий потік до іншого теплоносія, що рухається у іншій відокремленій камері також через такі ж конфузорно-дифузорні канали з тим же ефектом. Такий рух повітря (чи іншого газового теплоносія) сприяє інтенсифікації процесу теплопередачі також тому, що внаслідок підвищеної турбулентності потоків точка відривання теплоносія від труб зміщується до їх кормової частини, що приводить до зменшення опору при обтікання труб (див., наприклад, книгу Ю.В.Петровский, В.Г.Фастовский. Современные эффективные теплообменники. - М. - Л.: Гос. энергет. изд-во, 1962, с. 225-228). При цьому тепловіддача збільшується на (30-40) % при одночасному меншому (20-30) %) зростанні аеродинамічного опору на в порівнянні з пучком плоско-овальних труб, більша вісь перерізу яких співпадає з напрямом руху повітря (див. авторське свідоцтво СРСР № 983431, МПК F28F1/32, 3/08, F28D7/00, опубл. 1982). Технічна суть та принцип дії запропонованого теплообмінного блока теплоутилізатора пояснюється кресленням. На фіг. 1 зображений теплообмінний блок теплоутилізатора з попарним розміщенням труб із зустрічним нахилом в кожній парі, при цьому в суміжних рядах пари труб розміщені в шаховому порядку, загальний вигляд; на фіг. 2 - окрема пластина теплообмінного блока; на фіг. 3 - вид А з фіг 1; на фіг. 4 - переріз Б-Б з фіг. 3, на фіг. 5 - теплообмінний блок у корпусі теплоутилізатора. Теплообмінний блок теплоутилізатора містить пакет пластин 1 з рядами отворів плоско-овальної форми 2 з відбортуванням 3, яке входить в отвори суміжних пластин 1 з утворенням труб 4 плоскоовальної форми в перерізі. Труби 4 в суміжних рядах розміщені попарно із зустрічним нахилом в кожній парі, а в суміжних рядах пари труб розміщені в шаховому порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів 5 з конфузорними (звуження поперечного перерізу каналу) та дифузорними (розширення поперечного перерізу каналу) ділянками. Кожна з плоско-овальних труб 4 споряджена з однієї із сторін пакета глухим дном 6, а з іншої пристроєм для заповнення труб теплоносієм 7. В теплообмінному блокові отвори 2 розміщуються попарно із зустрічним нахилом в кожній парі, а в суміжних рядах пари розміщені в шаховому порядку. При розміщенні теплообмінного блока в корпусі теплоутилізатора 8 одна з пластин 1 ущільнюється в корпусі 8, утворюючи камери: 9 - для гарячого і 10 - для холодного теплоносіїв. Теплообмінний блок теплоутилізатора працює наступним чином. Теплообмінний блок встановлюється в корпусі теплоутилізатора 8 так, що утворені труби 4 плоско-овальної форми в перерізі займають вертикальну або близьку до вертикальної орієнтацію. Одна з пластин 1 ущільнюється в корпусі 8 з утворенням камер для гарячого 9 та холодного 10 середовища. Гаряче середовище, 47247 6 наприклад відхідні димові гази подається в камеру 9. Холодне середовище, яке повинно бути нагріте, наприклад повітря, подається у камеру для холодного середовища 10. Гаряче середовище рухається в камері 9 поміж пластинами 1 через конфузорно-дифузорні канали 5 та внаслідок відривання пограничного шару від поверхні теплообміну (поверхня труб 4) і, відповідно, зменшення термічного опору цього шару конвективному перенесенню теплоти більш інтенсивно передає тепловий потік до нижніх ділянок труб 4, нагріваючи їх та охолоджуючись при цьому і виходить з іншої сторони теплоутилізатора. Теплоносій в трубах 4, кожна я яких являє собою випаровувально-конденсаційний контур, випаровується або кипить і переносить у вигляді пари за рахунок прихованої теплоти випаровування тепловий потік у камеру 10 для холодного середовища. У цій камері 10 теплоносій на верхніх ділянках труб 4 конденсується при охолодженні їх холодним середовищем, яке, також рухаючись поміж пластинами через конфузорно-дифузорні канали 5, більш інтенсивно нагрівається в порівнянні з пучком плоско-овальних труб, які омиваються потоком теплоносія, що рухається паралельно їх більшим осям перерізу. Сконденсований теплоносій труб 4 повертається у вигляді рідини на нижні ділянки цих труб 4 у камеру 9 для гарячого середовища. Такі цикли відбуваються постійно протягом функціонування теплоутилізатора з даним теплообмінним блоком. Виготовлена модель теплообмінного блока з п'яти стальних пластин товщиною 0,5 мм розміром 158x100 мм, кожна з яких мала по два отвори із зустрічним нахилом плоско-овальної форми з відбортуванням. (кут між осями отворів складав 130°, діаметр закруглень - 16 мм, довжина повздовжньої осі - 50 мм). Шляхом посадки з натягом відбортувань пластин в отвори суміжних пластин (крім першої пластини теплообмінного блока) були утворені труби плоско-овальної форми в перерізі діаметр закруглень 16 мм, довжини повздовжніх осей - 50 мм. Герметичність теплообмінного блока досягається його нагріванням після покриття вуглекислою міддю при температурі 1100-1150°С (див. авторське свідоцтво СРСР № 977130 та статтю С.Гопин. Охлаждающие пакеты//Изобретатель и рационализатор.-1988.-№ 10. С.18-19). В результаті проведених вимірювань і розрахунків було встановлено наступне: 1. Виконання моделі теплообмінного блока дозволило впевнитись у можливості виготовлення плоско-овальних труб з суцільним оребренням при їх розміщенням в ряду попарно із зустрічним нахилом в кожній парі труб, що дає можливість утворювати конфузорно-дифузорні канали для руху гарячого та холодного теплоносіїв, чого неможливо досягнути при застосуванні пучків оребрених труб будь-якої форми в перерізі, виготовлених за традиційними технологіями. 2. Утворення конфузорно-дифузорних каналів для руху обох теплоносіїв дозволяє підвищити інтенсивність теплообміну між ними за рахунок відривання пограничного шару від поверхні тепло 7 47247 обміну та, відповідно, зменшення термічного опору пограничного шару конвективному перенесенню теплоти. 3. Підвищення ефективності роботи теплоутилізатора досягається при високих значеннях показника конструктивної компактності F/V (порядку 700 м поверхні теплообміну на 1 м3 габаритного Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 об'єму теплообмінного блока теплоутилізатора) та вагового показника або показника конструктивної матеріалоємності теплообмінного блока (маса теплообмінного блока порядку 2,5 кг на 1 м2 поверхні теплообміну теплообмінного блока теплоутилізатора). Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601