Теплообмінний блок теплоутилізатора

Теплообмінний блок теплоутилізатора, який містить пакет пластин з рядами отворів плоскоовальної форми з відбортуванням, що входять в отвори суміжних пластин з утворенням труб, які в ряду розміщені попарно із зустрічним нахилом в кожній парі труб, а в суміжних рядах пари труб 3 міну, 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 . В якості найближчого аналога вибраний найбільш близький за технічною суттю теплообмінний блок теплоутилізатора (див. патент України №47247, МПК F28D15/00, 15/02, F28F1/10, 13/00, опубл. 2010), який містить пакет пластин з рядами отворів плоско-овальної 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, труби в ряду розміщені попарно із зустрічним нахилом в кожній парі, а в суміжних рядах пари труб розміщені в шахматному порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів. Розміщення труб в ряду попарно із зустрічним нахилом в кожній парі, а в суміжних рядах розміщення пар труб в шахматному 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 конфузорнодифузорні 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 58190 4 эффективные теплообменники. - М. - Л.: Гос. энергет. изд-во, 1962, с. 225-228). При цьому тепловіддача збільшується на (30-40) % при одночасному меншому зростанні аеродинамічного опору на (2030) % 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). В той же час недоліком даного технічного рішення є те, що ефективність даного теплообмінного блоку теплоутилізатора ще не є близькою до максимально можливої внаслідок того, що пограничний шар руйнується частково, а, відповідно, і інтенсивність теплообміну між гарячим та холодним середовищами має резерви для збільшення. В основу корисної моделі поставлено задачу створення теплообмінного блоку теплоутилізатора, в якому нова будова пластин дозволила б забезпечити підвищення ефективності роботи за рахунок інтенсифікації теплообміну між гарячим і холодним середовищами. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінному блокові теплоутилізатора, який містить пакет пластин з рядами отворів плоскоовальної форми з відбортуванням, що входять в отвори суміжних пластин з утворенням труб, розміщених в ряду попарно із зустрічним нахилом в кожній парі труб, а в суміжних рядах пари труб розміщені в шахматному порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів, 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, в пластинах додатково виконані ряди почергово розгорнутих на 180° прорізів з утворенням пелюсток, відігнутих під кутом до площини пластин з протилежним нахилом в суміжних прорізах, причому ряди прорізів, суміжні з трубами, розміщені паралельно більшим осям труб, а в суміжних пластинах прорізи розміщені зі зміщенням. Розміщення утворених труб плоско-овальної форми в ряду попарно із зустрічним нахилом в кожній парі, а в суміжних рядах розміщення пар труб в шахматному порядку з утворенням конфузорно-дифузорних каналів, причому спорядження кожної з утворених труб з однієї із сторін пакета глухим дном, з іншої сторони пристроєм для заповнення теплоносієм, звільнення їх від повітря і часткове заповнення теплоносієм та герметизація, виконання в пластинах додатково рядів почергово розгорнутих на 180° прорізів з утворенням пелюсток, відігнутих під кутом до площини пластин з протилежним нахилом в суміжних прорізах, причому розміщення рядів прорізів, суміжних з трубами, паралельно більшим осям труб, а в суміжних пластинах розміщення прорізів зі зміщенням дозволяє підвищити ефективність роботи теплоутилізатора за рахунок більш повного руйнування пограничного шару та помітного підвищення інтенсивності теплообміну між гарячим та холодним середовищами (див., наприклад, книгу В.Ф.Юдин. Теплообмен поперечно оребренных труб. - Л.: 5 Машиностроение, 1982, с. 43-рис. 2.7, с. 44-рис. 2.8, с. 45-табл. 2.10). Технічна суть та принцип дії запропонованого теплообмінного блоку теплоутилізатора пояснюється кресленням. На фіг. 1 зображений теплообмінний блок теплоутилізатора з попарним розміщенням труб із зустрічним нахилом в кожній парі труб, при цьому в суміжних рядах пари труб розміщені в шахматному порядку, в пластинах додатково виконані ряди почергово розгорнутих на 180° прорізів з утворенням пелюсток, відігнутих під кутом до площини пластин з протилежним нахилом в суміжних прорізах, ряди прорізів, суміжні з трубами, розміщені паралельно більшим осям труб, загальний вигляд; на фіг. 2 - окрема пластина теплообмінного блоку; на фіг. 3 - розріз А-А на фіг. 1; на фіг. 4 - розріз Б-Б на фіг. 1; на фіг. 5 - вид В на фіг. 3; на фіг. 6 - розріз Д-Д на фіг. 5; на фіг. 7 - 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 розміщені в шахматному порядку з утворенням конфузорнодифузорних каналів 5 з конфузорними (звуження поперечного перерізу каналу) та дифузорними (розширення поперечного перерізу каналу) ділянками. Кожна з плоско-овальних у перерізі 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 шахматному 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. В пластинах 1 виконані ряди почергово розгорнутих прорізів 11 у утворенням пелюсток 12, що відігнуті під кутом до площини пластин 1 з протилежним нахилом в суміжних прорізах 11. Суміжні з трубами 4 ряди прорізів 11 розміщені паралельно більшим осям перерізу труб 4, причому в суміжних пластинах 1 прорізи 11 розміщені зі зміщенням. 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 середовищ. Гаряче середовище, 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 крізь пучок труб через конфузорно-дифузорні канали 5в проміжках поміж пластинами 1, омиває плоскоовальні труби вздовж їх більших осей перерізу та 58190 6 внаслідок відривання пограничного шару від поверхні теплообміну (поверхня труб 4) і відповідно зменшення термічного опору цього шару конвективному перенесенню теплоти інтенсивно передає тепловий потік до нижніх ділянок труб 4, нагріваючи їх та відповідно охолоджуючись. При цьому основні потоки гарячого середовища, рухаючись в камері 9 поміж пластинами 1, наштовхуються на ряди пелюсток 12 та розподіляються на кілька частин, що рухаються по окремим каналам, утвореним пелюстками 12. Подальше інтенсивне руйнування пограничного шару в цих потоках відбувається на кожному з пелюстків 12 внаслідок їх переривчастості та змінюванні кута відгинання в кожній парі пелюстків. При цьому також забезпечується зменшення загального аеродинамічного опору рухові гарячого середовища, тому що кожний з пелюстків знаходиться зовні супутніх струменів попередніх пелюстків і збурююча дія не передається до ядра кожного з потоків. Зниженню аеродинамічного опору також сприяє обмеження розповсюдження відривних течій пристінних ділянок за рахунок дії найближчих до труб 4 рядів пелюстків, що паралельні їх більшим осям перерізу. В порожнинах поміж суміжними пластинами 1 створюється різна гідродинамічна обстановка внаслідок зміщенню пелюстків 12, що приводить до стабільного поперечного перетікання частини гарячого середовища через прорізи 11 (див. фіг. 6). Розвитку цього процесу сприяє також дія найближчих до труб 4 рядів пелюстків 12, що паралельні більшим осям перерізу труб 4, тому що на поверхні кожного пелюстка 12 виникає динамічний опір при набіганні потоку гарячого середовища. Такий процес вдування-відсмоктуванні також сприяє руйнуванню пограничного шару і, відповідно, підвищенню інтенсивності теплообміну та не приводить при цьому до суттєвого зростання аеродинамічного опору рухові гарячого середовища. Охолоджене гаряче середовище виходить з камери 9 з іншої сторони теплоутилізатора. Таким чином, інтенсифікація теплообміну між гарячим і холодним середовищами та трубою 4, що має місце відповідно в камері 9 і в камері 10, забезпечується перервністю пелюсток, змінюваністю їх кута відгинання за ходом потоків, вдуванням-відсмоктуванням пограничного шару та не супроводжується значним зростанням аеродинамічного опору (див. авторське свідоцтво СРСР № 1372178, опубл. 1981) та в цілому приводить до підвищення ефективності теплоутилізатора з пропонованим теплообмінним блоком. Теплоносій на нижніх ділянках труб 4, кожна я яких являє собою випаровувально-конденсаційний контур, випаровується або кипить в камері 9 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 холодним середовищем, яке, також рухаючись через конфузорно-дифузорні канали 5, ряди прорізів 11 з пелюстками 12, більш інтенсивно нагрівається в порівнянні з теплоутилізатором, спорядженим пучком плоско-овальних труб, які омиваються потоком теплоносія, який рухається 7 вздовж більших осей перерізу труб. Сконденсований теплоносій труб 4 повертається у вигляді рідини на нижні ділянки труб 4 у камеру 9 для гарячого середовища. Такі цикли відбуваються безперервно протягом функціонування теплоутилізатора з даним теплообмінним блоком. Виготовлена модель теплообмінного блоку 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). Навколо кожного з отворів вздовж більшої осі на відстані 7 мм були виконані по три прорізи розмірами 5x10 мм з відстанями між ними по 5 мм так, що їх більший розмір (10 мм) співпадав з напрямом більшої осі отворів плоскоовальної форми. Шляхом посадки з натягом відбортувань пластин в отвори суміжних пластин (крім першої пластини теплообмінного блоку) були утворені труби плоско - овальної форми в перерізі - діаметр закруглень 16 мм, довжини повздовжніх осей - 50 мм. Герметичність теплообмінного блоку 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 блоку дозволило впевнитись у можливості виготовлення плоско-овальних труб з суцільним оребренням при їх розміщенням в ряду попарно із зустрічним нахи 58190 8 лом в кожній парі, що дає можливість утворювати конфузорно-дифузорні канали для руху гарячого і холодного теплоносіїв, а також можливість додаткового виконання в пластинах рядів почергово розгорнутих на 180° прорізів з утворенням пелюсток, відігнутих під кутом до площини пластин з протилежним нахилом в суміжних прорізах, а також розміщення при цьому рядів прорізів, суміжних з трубами, паралельно більшим осям труб та розміщення прорізів зі зміщенням в суміжних пластинах. 2. Утворення конфузорно-дифузорних каналів для руху гарячого і холодного теплоносіїв дозволяє підвищити інтенсивність теплообміну між ними та підвищити ефективність роботи теплоутилізатора з пропонованим теплообмінним блоком за рахунок руйнування пограничного шару поблизу стінок труб в потоках теплоносіїв та зменшення термічного опору пограничного шару конвективному перенесенню теплоти. На виконання цієї ж задачі з більш повним руйнуванням пограничного шару та, відповідно, подальшим підвищенням ефективності роботи теплоутилізатора, направлено також утворення прорізів. 3. Підвищення ефективності роботи теплоутилізатора досягається при високих значеннях показника конструктивної компактності F/V (порядку 700 м2 поверхні теплообміну на 1 м3 габаритного об'єму теплообмінного блоку теплоутилізатора) та вагового показника або показника конструктивної матеріалоємності теплообмінного блоку (маса те2 плообмінного блоку порядку 2,5 кг на 1 м поверхні теплообміну теплообмінного блоку теплоутилізатора). 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 58190 Підписне 10 Тираж 23 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