Спосіб ведення процесу теплообміну в теплових пристроях

Корисна модель передбачає спосіб ведення процесу теплообміну в теплових пристроях, який спрямован на збільшення коефіцієнта використання тепла та зменшення втрат тепла у будь яких теплових процесах і може бути застосованим в усіх галузях де відбуваються теплообмінні процеси, наприклад таких як машинобудування, енергетика. Корисна модель спрямована на зменшення потрапляння тепла у «холодильник» теплообмінника, що досягається завдяки проведенню особливого процесу теплообміну у рекуперативному теплообмінному апараті, зміни його конструкції, умов до руху потоків, та застосуванню процесу примусового переносу тепла. На початку розгляду процесів, які відбуваються, внесемо деякі уточнення. Повний теплообмін, будемо вважати, відбувається не тоді коли температури обох потоків робочих тіл зрівняються, а тоді коли робочі тіла повністю обміняються теплом (холодом). Ця умова буде основним критерієм при зрівнянні ефективностей теплообмінів в існуючому та запропонованій корисній моделі способів проведення процесу теплообміну у рекуперативних теплообмінниках. До того ж ефективність самих теплообмінних апаратів полягає також і у зменшенні їх загальних розмірів при тій же самій їх ефективності. З метою спрощення поняття суті корисної моделі, зазначимо умови проведення процесу теплообміну та терміни, які застосовані в описі: - потік, це потік робочого тіла, теплоносія; - джерело тепла, це будь яке джерело, наприклад пристрій, з якого виходить потік робочого тіла з більшою температурою (з максимальною температурою в процесі); - джерело холоду, це будь яке джерело, наприклад навколишнє середовище, пристрій, з якого виходить потік робочого тіла з меншою температурою (з мінімальною температурою в процесі); - потік, що потрапляє у теплообмінник з джерела тепла назвемо "першим", а потік із джерела холоду "другим"; - у зв'язку з тим, що потоки робочих тіл можуть мати різні масообміни за одиницю часу, теплоємності та таке інше, в теплообмінному апараті в обох потоках, присутнє одне і теж робоче тіло, при цьому його теплий та холодний потоки мають однаковий масообмін за одиницю часу, тобто робоче тіло рухається по колу - від джерела тепла до джерела холоду і навпаки; - місце перетину потоків, це умовне місце на площі нагріву теплообмінного апарату в якому розглядаються (вимірюються) температури обох потоків. Воно також включає в себе і поперечну площу потоків; - у зв'язку з тим, що у теплообмінних апаратах перепад температур може бути різним, то для спрощення поняття суті корисної моделі треба ці перепади температур якось розділяти, наприклад: максимальний, найбільший та середній. Максимальний перепад температур це коли перетинаються потоки з початковими: максимальною та мінімальною температурами в процесі. Найбільший перепад температур буде тоді коли тільки один потік має свою початкову температуру. Середній перепад температур, це коли одночасно температури обох потоків відмінні від своїх початкових та кінцевих значень. Відомо, що проведення повного теплообміну можливо тільки в рекуперативних теплообмінниках з протитоком робочих тил. Ці теплообмінники є аналогами корисної моделі. Звісно, що в рекуперативних теплообмінниках передача теплоти здійснюється безперервно від робочого тіла, що нагріває, до робочого тіла, що нагрівається текучім по теплообміннику одночасно з робочим тілом що гріє ([1], стор.155). Тобто, основа процесу теплообміну всіх видів та типів рекуперативних теплообмінних апаратів є одночасне просування двох потоків по теплообмінному апарату; при цьому температура кожного потоку поступово змінюється до початкового значення температури протилежного потоку. Якби робочі тіла не мали теплоємності, а розділова перетинка мала ідеальну теплопровідність, то у кожному будь якому місті перетину потоків температури обох потоків були б однаковими. Відповідно до існуючого розрахунку кількості переданого тепла в теплообміннику, яка залежить від коефіцієнта теплопровідності розділової перетинки, площі її нагріву та перепаду температур між потоками ([1], стор. 156), можна зробити висновок, що крім збільшення площі нагріву та коефіцієнта теплопровідності, теплообмін буде відбувається тим швидше та краще, чим більший буде перепад температур обох потоків в теплообміннику. Застосування цього принципу при проектуванні теплообмінних апаратів зменшило би розміри теплообмінників і відповідно витрати на їх виготовлення. В реальному, будь якому теплообмінному апараті, який може складатися з будь якої кількості та з будь яких теплообмінників, завдяки якійсь теплоємкості робочих тіл та не ідеальній теплопровідності розділової перетинки, потоки майже по всій його площі нагріву мають середній перепад температур, окрім місць в яких потоки потрапляють у теплообмінний апарат - там перепад температур буде найбільшим (або максимальним для теплообмінників з паралельним напрямком потоків). Цей середній перепад температур, в якому робочі тіла мають якісь середні (між початковими температурами обох потоків) значення своїх температур призводить до зниження ефективності процесу теплообміну. До того ж при одночасному приближенні температур обох потоків до серединного значення між їх початковими температурами перепаду температур зовсім не буде. У зв'язку з цими недоліками, а саме: середньому перепаду температур на більшій частині площі нагріву та існуванню місця перетину потоків в якому перепаду температур зовсім не існує, значно збільшуються розміри теплообмінних апаратів. Відносно цих недоліків можна зробити висновок, що їх причиною є певний спосіб проведення процесу теплообміну, тобто певний порядок руху потоків, який основан на тому, що в усьому теплообмінному апараті з перехресним напрямком потоків є присутніми тільки два місця перетину потоків, в яких виникає найбільший перепад температур, тобто ті місця на його площі нагріву на які потрапляють потоки робочих тіл при потраплянні у теплообмінний апарат. До того ж, по мірі того як потоки просуваються по теплообмінному апарату і їх температури одночасно змінюються у напрямку початкової температури протилежного потоку, то на всій іншій частині площі нагріву в будь якому її місті перетину потоків виникає тільки середній перепад температур. Зважаючи на те, що вказані недоліки існуючого способу проведення теплообміну призводять до збільшення площі нагріву теплообмінника, можна зробити висновок, що всі складні теплообмінні апарати, сюди ж можна віднести і каскади з теплообмінних апаратів, збільшують лише час взаємодії потоків, а не ефективність самого процесу самотоку тепла від одного потоку робочого тіла до іншого. До аналогу також можна віднести рекуперативні теплообмінні апарати з перехресними напрямком потоків, тому що в них присутній найбільший перепад температур. Це такі теплообмінники як конденсатори, випаровувачі, радіатори, пароперегрівачі, котли та таке інше, в яких один потік одночасно потрапляє на усю площу нагріву, при цьому розділюється на частки, а другий потік тим часом, проходить цю площу нагріву послідовно, тобто із одного її краю в іншій. Під описом одночасного потрапляння потоку на всю площу нагріву, мається на увазі умовне розділення цього потоку на частки. Наприклад, повітряний потік при проходженні між ребер та трубок повітряного конденсатора також «розділяється» на частки. До того ж, на усю площу - також мається на увазі коли теплообмінник має тільки один ряд. Ряд це якась частина від усієї площі нагріву, на яку одночасно потрапляє один з потоків. При цьому перший ряд на який потік потрапляє буде з найбільшим перепадом температур, а кожний наступний ряд буде мати середній перепад температур. Таким чином, кожен ряд площі нагріву можна вважати каскадом. Як було зазначено, ефективність теплообмінника знижується, і сильно збільшуються його розміри, що призводить до збільшення витрат на його виготовлення та зменшення можливостей його використання. Відомий також, обраний як прототип, спосіб ведення процесу теплообміну в рекуперативному трубчатому трьохходовому повітряпідігрівачі ([1], стор.192) що наведен на Фіг.1. Цей підігрівач повітря призначен для підігріву дутьевого повітря, яке подається в топку уходящіми димовими газами. Такий воздухопідігрівач складається з сталевих труб 2 невеликого діаметру, які закріплені кінцями у верхній 3 и нижній 7 трубних дошках. Проміжні перетинки 5 і перепускні короби 4 влаштовують декілька ходів для повітря по висоті повітряпідігрівача. У цьому теплообміннику димові гази опускаются по трубах, які віддають теплоту повітрю, яке їх омиває зовні. Повітря входить через короб б, проходить послідовно по всім трьом зонам і виходить у короб 1. Прототип складається з послідовних трьох частин - ходів, кожна з яких по суті є теплообмінником з перехресним напрямком руху потоків. Потоки при потраплянні у повітряпідігрівач, виходячи кожен з свого джерела, потрапляють у різні його частини, що призводить до того, що кожний потік рухається на зустріч іншому. При цьому в самому теплообмінному апараті потоки мають різні порядки проходження, а саме один потік розділюється на частки, з кожною з яких послідовно перетинається інший потік. Кожен потік окремо не змінює свого порядку руху при послідовному проходженні всіх його частин - ходів. Кожна частина - хід по своїй суті є каскадом. Потік, що розділюється на частки (димові гази що рухаються по трубках) в кожній частині - каскаді не змінює свого порядку руху. Тобто кожна частка його потоку проходить всі частини теплообмінного апарату однаково, та окремо від всіх інших. Швидкість руху потоків зменшується, в зрівнянні зі швидкістю яку вони мали до потрапляння у теплообмінний апарат, Це відбувається тому, що збільшується поперечна площа потоків і, відповідно, загальні розміри самого теплообмінного апарату. При цьому ефективність самого процесу теплообміну не зростає, а збільшується тільки час взаємодії потоків. У зв'язку з тим, що кожен потік робочих тіл має якусь товщу, тобто поперечну площу, в якої завдяки теплопровідності та теплоємності самих робочих тіл, та якусь постійну швидкість, то в кожному місті перетину потоків присутні неоднакові температури. Тобто температура робочого тіла коло розділової перетинки буде одна, а на іншій стороні його поперечній площі, інша. При цьому потоки мають постійний рух, тобто обидва потоки без зупинок рухаються на зустріч один одному по всім частинам теплообмінного апарату, що зменшує час взаємодії між певними кількостями робочих тіл обох потоків, що також збільшує розміри площі нагріву усього теплообмінного апарату. В прототипі розділова перетинка являє собою трубки по яким рухаються димові гази. Ці трубки зроблені з суцільного матеріалу який завдяки теплопровідності проводить тепло в усі боки однаково, а це знижує швидкість зміни температури потоку з джерела тепла. В основу корисної моделі поставлено завдання по вдосконаленню способу ведення процесу теплообміну для зменшення збитків тепла в теплових пристроях, а також вдосконалення проведення процесу теплообмінну з метою максимально можливого зменшення його площі нагріву на умові можливості проведення повного теплообміну. Наведене завдання досягається особливим способом ведення процесу теплообмінну у рекуперативному теплообмінному апараті з протитоком робочих тіл, в якому теплий та холодний потоки виходячи з своїх джерел потрапляють у різні його частини, кожна з яких є теплообмінником з перехресним напрямком руху який, відповідно до корисної моделі, передбачає використання рекуперативного теплообмінного апарату, який складається з двох частин, при цьому кожна частина по суті є теплообмінником з перехресним напрямком потоків. Тобто кожна частина теплообмінного апарату може складатися як з одного теплообмінника з перехресним напрямком руху так и з певного числа будь яких за типом теплообмінників. Ці частини можуть бути різними за площами нагріву (розмірами), кількістю та способами розташування в них теплообмінників, каскадів. Корисна модель передбачає, що обидва потоки при потраплянні в теплообмінний апарат (виходячи кожен з свого джерела), потрапляють у різні його частини. Тобто теплий потік (із джерела тепла) в одну частину, а холодний потік (із джерела холоду) в іншу частину теплообмінного апарату. Таким чином кожен потік рухається назустріч іншому. Корисна модель передбачає зміну порядку руху потоків при потраплянні їх у другу частину теплообмінного апарату, при цьому порядки руху кожного з потоків однакові. А саме, після потрапляння їх у теплообмінний апарат із своїх джерел, кожен потік розділяється на частки, кількість яких дорівнює кількості теплообмінників в тій частині в яку він потрапляє. Після проходження потоками теплообмінників першої частини теплообмінного апарату, їх частки, окремо одного потоку від іншого з'єднуються у свої початкові потоки, і потрапляють в другу, по відношенню до свого руху, частину теплообмінного апарату. В другої частині кожен потік проходить всі її теплообмінники вже послідовно. Тобто послідовно перетинається з кожною часткою іншого потоку, що потрапив в неї з свого джерела. Наприклад, як що «перший» потік, що потрапив у теплообмінний апарат з свого джерела «тепла» розділюється на частки-напрямки, то «другий» потік що потрапив з іншої частини теплообмінного апарату, послідовно перетинається з кожною часткою «першого» потоку. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг.2 зображена схема корисної моделі, на якій зображено теплообмінний апарат кожна частина якого складається з (у цьому прикладі) з теплообмінників з зустрічними потоками. При цьому кожна частина теплообмінного апарату має по чотири теплообмінника, що на схемі зображенні прямокутниками. Колами з буквами «Т» і «X» зображені умовні джерела тепла та холоду. Лінією з крапок позначено порядок напрямків потоку із джерела тепла, а штриховою - із джерела холоду. На Фіг.3 зображена схема корисної моделі, на якій кожна частина теплообмінного апарату є одним теплообмінником з перехресним напрямком потоків в якої один з потоків розділюється на частки, а тим часом інший потік послідовно з ними перетинається. Суцільною лінією позначено порядок напрямків потоку із джерела тепла, а штриховою - із джерела холоду. В запропонованому корисною моделлю теплообмінному апараті, відбувається наступне. В кожній частині теплообмінного апарату відбувається підготовка, тобто якась зміна температури потоку який потрапив з свого джерела, та одночасно з цим завершальна зміна температури потоку який потрапив в неї з іншої частини теплообмінного апарату. При цьому, в кожної частині теплообмінного апарату буде тільки найбільший перепад температур, а в кожному теплообміннику кожної частини теплообмінного апарату, завдяки різному масообміну, або швидкості руху потоків відбувається поступова зміна температури потоку що рухається по теплообмінникам частини послідовно, що призводить до того що в усьому теплообмінному апараті відсутнє місце перетину потоків в якому немає перепаду їх температур. До того ж відсутній і максимальний перепад температур. Завдяки цьому площа нагріву усього теплообмінного апарату зменшується при можливості повного теплообміну між двома потоками. Якщо частина теплообмінного апарату складаються з каскадів, то після кожного каскаду потік, що розділяється на частки повинен з'єднуватися і перед наступним каскадом знову розділятися на частки. Завдяки з'єднанню часток одного з потоків, його загальна температура буде наближатися до свого початкового значення. Таким чином збільшується загальний перепад температур між потоками, хоча в кожному наступному каскаді, після потрапляння потоку у теплообмінний апарат, буде вже середній перепад температур між потоками. При цьому, на площі нагріву цієї частини теплообмінного апарату, виникне місце в якому температури обох потоків однакові, але завдяки тому що каскад складається з певної кількості теплообмінників в кожному з яких присутня лиш частка одного з потоків, то зазначені місця будуть мати невелику площу, яка буде дорівнювати площі нагріву одного теплообмінника, в якому відбувається зрівняння температур. На Фіг.4 зображена схема теплообмінного апарату кожна частина якого складається з каскадів кожен з яких складається з теплообмінника з перехресним напрямком потоків. Суцільною лінією позначено порядок напрямків потоку із джерела тепла, а штриховою - із джерела холоду. Корисна модель передбачає, що швидкість руху потоків повинна бути така сама як і до теплообмінника, тобто не змінюватись. Що тягне за собою те, що поперечна площа кожного потоку, повинна бути еквівалентна об'єму робочого тіла, що в процесі руху по теплообмінному апарату, змінює свій агрегатний стан. Завдяки чому, в теплообмінному апараті не відбувається накопичення маси робочих (ого) тіл (а) та як наслідок не треба збільшувати розміри самого теплообмінника. Тобто застосування цієї умови призводить до зменшення розмірів частин теплообмінного апарату при тій же самій ефективності. Корисна модель передбачає імпульсний рух потоків у теплообмінному апараті. Імпульсний рух потоків означає максимально можливу швидкість переміщення робочого тіла на якусь величину та зупинку потоків на де який час. Ця величина може бути будь якою за розмірами, наприклад дорівнювати розмірам одного каскаду. Час зупинки в принципі може бути будь яким. Завдяки чому збільшується час взаємодії між певними кількостями робочих тіл обох потоків в кожному місці їх зупинки. При цьому імпульсний рух потоків може бути як одночасним так і почерговим. Почерговій рух потоків, це коли спочатку рухається одне робоче тіло на якусь величину, а потім друге робоче тіло на ту ж саму величину. Завдяки чому теплообмін між потоками, в місцях їх перетину, відбувається більш повніше. При цьому, при тій самій площі нагріву теплообмінного апарату і тій ж самій його продуктивності, ефективність теплообмінного апарату збільшується. Корисна модель передбачає розділову перетинку теплообмінного апарату з певним напрямком теплопровідності. А саме, теплопровідність розділової перетинки повинна бути лише в одному напрямку однаковому з напрямком теплообміну. Це досягається тільки особливістю її конструкції, яка може мати різні види. Суть яких полягає в тому, що розділова перетинка має місця на своїй площі, які мають різні теплопровідності, при цьому місця з високою теплопровідністю повинні розділятися місцями з низькою теплопровідністю. Завдяки чому температура розділової перетинки між потоками, по ходу руху потоку з джерела тепла, буде змінюватись значно швидше, в зрівняні з розділовою перетинкою з суцільного матеріалу. При цьому загальна необхідна площа нагріву теплообмінного апарату зменшиться, при тієї ж якості теплообміну. Збільшити теплопровідність можливо наприклад, застосуванням принципу дії теплообмінних труб, що зображено на Фіг.5. Овалами зображено теплові труби. Стрілками в овалах зображено процес переносу тепла робочим тілом теплових труб. Теплові труби є місцями з високою теплопровідністю, а штрих пунктирними лініями зображені місця з низкою теплопровідністю. Корисна модель передбачає додатковий примусовий процес повертання тепла, від джерела «холоду» до джерела «тепла», за допомогою теплової помпи (холодильної машини), Фіг.6. Застосування теплової помпи для підтримання постійної температури джерела холоду до постійності процесу теплообміну в теплообмінному апараті. При цьому значення температури холодильника, в адіабатної теплової машині може бути в принципі будь яким, а затрати на привод теплової помпи напряму залежать від ефективності теплообмінного апарату. Наприклад, теплообмінний апарат вертає 95% тепла назад у теплову машину (в котел), тоді теплова помпа повинна перекачати з холодильника лише 5% тепла. На Фіг.6 зображена схема корисної моделі з тепловою помпою: 1 - теплообмінний апарат; 2 - теплова помпа; 3 - теплообмінник - випаровувач теплової помпи; 4 - теплообмінник - конденсатор теплової помпи; 5 - пристрій перетворення теплової енергії в механічну (або електричну). Технічним результатом корисної моделі э можливість створення високоефективних теплообмінних апаратів при значному зменшені їх розмірів і відповідно вартості, що значно розширить межі їх застосування. До того ж, у порівнянні з іншими аналогічними системами, при застосуванні теплової помпи у запропонованому рекуперативному теплообмінному апараті значно зменшаться витрати на повертання тепла у тепловий пристрій, що сприяє наприклад, можливості створення компактних ефективних парових двигунів. Джерела інформації: 1. «Основы гидравлики и теплотехники» В.Е. Егорушкин, Б.И. Цеплович, Учебное пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1981. 268