ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СТЕКЛОБЛОЧНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ
POLYFUNCTIONAL GLASS-BLOCK AIR HEATER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно для использования тепла дымовых газов котельных агрегатов и промышленных печей при нагревании воздуха, подаваемого на горение.
Известен стеклоблочный воздухоподогреватель, содержащий пакет многоканальных или одноканальных стеклоблоков, выполненных из термостойкого малощелочного армированного стекла, закрепленных с применением уплотнений между двумя трубными досками болтами и помещенных в корпус с крышкой, снабженный газовыми и воздушными патрубками, причем стеклянные блоки расположены многорядной системой перевязки с образованием по длине пакета сквозных одноименных каналов и соединены между собой по длине через упругие уплотнения с прокладками между каждым рядом, боковыми поверхностями блоков и корпусом [Патент РФ №2247281, МКЛ F23D 15/04, 2005].
Основными недостатками известного стеклоблочного воздухоподогревателя являются невозможность использования тепла дымовых газов для попутного получения электроэнергии, что снижает его эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является полифункциональный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет из плоских сплошных и перфорированных пластин, размещенных поочередно, образующих между собой газовые и воздушные каналы, отверстия в перфорированных пластинах размещены попарно рядами друг против друга и снабжены шайбами, выполненными из диэлектрического материала, через которые пропущены также попарно, перпендикулярно и под углом относительно плоских пластин парные проволочные отрезки (элементы), выполненные из разных металлов и спаянные на концах между собой, образуя многорядные зигзагообразные сетки, устроенные таким образом, что продольные половины каждой зигзагообразной сетки находятся в газовом и воздушном каналах, размещенные друг над другом по ярусам во всех газовых и воздушных каналах, причем каждая многорядная зигзагообразная сетка соединена своими концами проволочными отрезками, пропущенными через отверстия в боковых стенках корпуса с коллекторами электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами [Патент РФ №2422728, МКЛ F23D 15/04, 2011].
Основными недостатками известного полифункционального воздухоподогревателя являются сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования перфорированных перегородок (пластин), в отверстиях которых устроены шайбы из диэлектрического материала, и быстрый коррозионный износ теплообменных поверхностей (пластин) при охлаждении газов, содержащих агрессивные компоненты (такие, например, как оксиды азота и оксиды серы), и температурах ниже точки росы, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности полифункционального стеклоблочного воздухоподогревателя.
Технический результат достигается тем, что полифункциональный стеклоблочный воздухоподогреватель включает корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, закрытый крышкой, в котором помещены расположенные многорядной системой перевязки многоканальные стеклоблоки, выполненные из термостойкого армированного малощелочного стекла, с прокладками между стеклоблоками, корпусом и крышкой, причем сами стеклоблоки состоят из прямоугольных воздушных и газовых каналов для прохода воздуха и дымовых газов, отделенных друг от друга вертикальными перегородками, между рядами стеклоблоков находятся прямоугольные газовые каналы, каждый стеклоблок представляет собой термоэлектрическую секцию, состоящую из термоэлектрических преобразователей, расположенных в вертикальных перегородках и воздушных каналах, составленных из элементов, представляющих собой парные оголенные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов M1 и М2, спаянные на концах между собой и образующие зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что элементы согнуты под углом 90° и частично утоплены в вертикальных перегородках, образуя их арматуру и параллельно им, не касаясь поверхности газовых каналов, противоположные им части элементов зигзагообразных рядов выступают из вертикальных перегородок и располагаются в пространстве воздушных каналов, крайние проволочные отрезки M1 и М2 крайних элементов верхнего и нижнего зигзагообразных рядов каждой вертикальной перегородки соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены проводами с электрическим аккумулятором.
На фиг.1 представлен полифункциональный стеклоблочный воздухоподогреватель, содержащий корпус 1, закрытый крышкой 2, снабженный воздушными и газовыми патрубками (на фиг.1-4 не показаны) и заключающий в себе расположенные многорядной системой перевязки многоканальные стеклоблоки 3, выполненные из термостойкого армированного малощелочного стекла, с прокладками (на фиг.1-4 не показаны) между стеклоблоками 3, корпусом 1 и крышкой 2, причем стеклоблоки 3 состоят из прямоугольных воздушных и газовых каналов 4 и 5 для прохода воздуха и дымовых газов, отделенных друг от друга вертикальными перегородками 6, между рядами стеклоблоков 3 находятся прямоугольные газовые каналы 7, каждый стеклоблок 3 представляет собой термоэлектрическую секцию (ТЭС) 8, состоящую из термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 9, расположенных в вертикальных перегородках 6 и воздушных каналах 4, составленных из элементов 10, представляющих собой парные оголенные проволочные отрезки 11 и 12, выполненные из разных металлов M1 и М2, спаянные на концах между собой и образующие зигзагообразные ряды 13, устроенные таким образом, что элементы 10 согнуты под углом 90° и частично утоплены в вертикальных перегородках 6, образуя их арматуру и параллельно им, не касаясь поверхности газовых каналов 5, противоположные им части элементов 10 зигзагообразных рядов 13 выступают из вертикальных перегородок 6 и располагаются в пространстве воздушных каналов 4, крайние проволочные отрезки 11 и 12 крайних элементов 10 верхнего и нижнего зигзагообразных рядов 13 каждой вертикальной перегородки 6 соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов 14 и 15, которые, в свою очередь, соединены проводами 16 и 17 с электрическим аккумулятором (на фиг.1-4 не показан).
В основу работы предлагаемого полифункционального стеклоблочного воздухоподогревателя положено увеличение скорости теплообмена при применении поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока среды, разрушения ламинарного подслоя, увеличения поверхности нагрева и, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки. Выполнение источников турбулентности в виде зигзагообразных рядов 13, изготовленных из оголенных проволочных отрезков 11 и 12, выполненных из разных металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, обеспечивает при нагреве одних спаянных концов проволочных отрезков горячими дымовыми газами и охлаждении других холодным воздухом появление в зигзагообразных рядах 13 термоэлектричества [С.Г.Калашников. Электричество. - М.: Наука, 1970, с.502-506]. При этом материал, из которого изготовлены стеклоблоки 3 (малощелочное стекло), исключает коррозионный износ теплообменных поверхностей, а размещение вертикальных частей элементов 10 в самих вертикальных перегородках 6 повышает их прочностные свойства, выполняя роль их арматуры, и повышает скорость теплопередачи через вышеупомянутые перегородки 6.
Полифункциональный стеклоблочный воздухоподогреватель (ПФСБВП), представленный на фиг.1-4, работает следующим образом.
Дымовые газы при параметрах, соответствующих режиму работы котельного агрегата, из входного газового патрубка поступают в газовые каналы 5 и 7, а из входного воздушного патрубка противотоком в воздушные каналы 4 ПФСБВП подается холодный воздух, который, при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла теплопроводностью через смежные вертикальные перегородки 6 воздушных и газовых каналов 4 и 5, 7, соответственно, и конвекции в газовой и воздушной средах, нагревается до требуемой температуры и удаляется через выходной воздушный патрубок, а горячие дымовые газы охлаждаются и также удаляются через выходной газовый патрубок (на фиг.1-4 входные и выходные газовые и воздушные патрубки не показаны). При этом элементы 10 зигзагообразных рядов 13, выступающие из вертикальных перегородок 6 и находящиеся в пространстве воздушных каналов 4, обеспечивают турбулизацию воздушных потоков в них и, таким образом, повышают скорость теплопередачи между дымовыми газами и воздухом. Противоположные части элементов 10, изогнутые под углом 90° и частично утопленные в вертикальных перегородках 6, параллельно им, воспринимают тепло дымовых газов за счет теплопроводности от материала вертикальной перегородки 6, соприкасающейся с потоком дымовых газов. Одновременно с процессом теплопередачи ПФСБВП выполняет функцию электрогенератора, которая осуществляется следующим образом. В результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков 11 и 12 элементов 10, выполненных из металлов M1 и М2, образующих зигзагообразные ряды 13, расположенных в вертикальных стенках 6 стеклоблоков 3, горячими дымовыми газами и охлаждения противоположных спаянных концов этих же элементов 10, расположенных в воздушных каналах 4, холодным воздухом, возникает значительная разность температур на противоположных спаянных концах элементов 10, из-за чего в многорядных зигзагообразных рядах 13 появляется термоэлектричество, которое из каждого стеклоблока 3 поступает в коллекторы 14 и 15, а оттуда через провода 16 и 17 подается потребителю. При этом материал (малощелочное стекло), из которого изготовлены стеклоблоки 3, позволяет использовать ПФСБВП для охлаждения газообразных выбросов, содержащих агрессивные примеси при температуре ниже точки росы, а диэлектрические свойства стекла исключают вероятность работы ТЭП на массу ПФСБВП и прекращение выработки электричества.
Величина разности электрического потенциала на коллекторах 14 и 15 и сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов M1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 11 и 12, числа элементов 10 в зигзагообразных рядах 13 и их числа в стеклоблоках 3, разности температур на правых и левых спаянных концах элементов ТЭП и числа стеклоблоков 3 в ПФСБВП. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например, для освещения.
Таким образом, предлагаемый полифункциональный стеклоблочный воздухоподогреватель обеспечивает прочность конструкции стеклоблоков путем армирования их перегородок элементами ТЭП и одновременно нагрев дутьевого воздуха дымовыми газами, содержащими агрессивные примеси, в широком диапазоне температур (в том числе и при температурах ниже точки росы) и прямую трансформацию тепла дымовых газов в электричество в самом аппарате, что повышает его надежность и эффективность.