ТЕПЛООБМЕННИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НАГРЕВА-ОХЛАЖДЕНИЯ
HEAT EXCHANGER OF THERMOELECTRIC HEATING-COOLING DEVICES

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам нагрева-охлаждения циркулирующих потоков жидкости или газа и может найти применение в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.
При создании термоэлектрических устройств основное внимание уделяется совершенствованию систем теплообмена, конструкциям теплообменников и способам их изготовления. Используются экструдированные теплообменники сложной конфигурации (патент США №4472945), игольчатые или пластинчатые теплообменники (патент США №4297849), теплообменники из пористого материала (патент США №4448028), теплообменники из проката с внутренними ребрами (пример использования фирмой фРГ Fischer Elektrik прилагается в разделе «Другие документы»).
Интенсификация теплообмена в указанных теплообменниках достигнута за счет увеличения площади внутренней контактной поверхности с нагреваемой (охлаждаемой) средой, однако при этом существенно увеличивается аэрогидродинамическое сопротивление транспортируемому потоку жидкости или газа. Кроме того, эти теплообменники обладают высокой себестоимостью изготовления. Именно поэтому многие производители термоэлектрических охладителей жидкости (фирма ТЕСА, США, охладители серии TLC (700-1400); компания «Криотерм», РФ, охладитель 400LT и т.д.) используют змеевидно-трубчатые теплообменники, в которых повышение теплопередачи охлаждаемому потоку от ограниченной плоской поверхности пластин термоэлектрической батареи осуществляется за счет увеличения изгибами трубы пути прохождения потока по теплопередающей площади, однако коэффициент теплопередачи в этом случае ограничивается повышенным термическим сопротивлением переходов от пластин к жидкости, а удлиненный путь и изгибы трубы существенно увеличивают гидравлическое сопротивление.
Более качественные характеристики теплообмена в термоэлектрических устройствах обеспечивают выбранные в качестве первого прототипа теплообменники, выполненные в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи. Термоэлектрические устройства с такими теплообменниками использованы на кафедре «Стартовые ракетные комплексы» МГТУ им. Баумана г. Москва (ссылка «Результаты гидравлических и тепловых испытаний жидкостных теплообменников для термоэлектрических систем термостатирования стартовых комплексов» прилагается в разделе «Другие документы»). Согласно приведенной ссылке, плоские теплообменники прямоугольного сечения с оптимальным соотношением 0,2 сторон внутреннего сечения могут обеспечить «компромисс между гидравлическим сопротивлением и параметрами теплоотдачи внутри теплообменников». Однако при использовании наиболее широко применяемых модулей термоэлектрических батарей с пластинами 40×40 мм размеры внутреннего сечения такого теплообменника при стандартной толщине стенок 1,5 мм составят: ширина 40-2×1,5=37 мм, а высота 37×0,2=7,4 мм. Теплопередача в таком теплообменнике от пластины модуля потоку жидкости ограничена относительно малой площадью его внутренней гладкой поверхности, на которой, к тому же особенно при малых скоростях потока, образуется тормозящий теплопередачу пристенный ламинарный слой толщиной до 0,5 мм, а использование известных методов интенсификации теплообмена путем разрушения пристенного ламинарного слоя, в частности применением поперечных турбулизирующих перегородок, затруднительно при такой малой высоте сечения и вызовет значительный рост гидравлического сопротивления. Поэтому авторыссылки вынуждены рекомендовать использование не одного, а нескольких термоэлектрических устройств, теплообменники которых соединяют либо последовательно для повышения теплопередачи за счет увеличения суммарной площади внутренних теплообменных поверхностей, либо параллельно для пропорционального уменьшения гидравлического сопротивления движению охлаждаемого (нагреваемого) потока.
Турбулизирующие поперечные перегородки, частично перекрывающие проходное сечение теплообменника, использованы, например, в патенте РФ №2095715, F28D 007/00, F28D 009/24. Теплообменник из пластин со сферообразными выступами и впадинами описан в патенте РФ №2188375, F28F 3/02, 2002 г., который выбран в качестве второго прототипа вследствие достижения в нем наименьшего гидродинамического сопротивления за счет обтекаемых турбулизирующих вставок, создающих извилистые проходы потоку. Однако в этом прототипе теплообмен осуществляется между двумя движущимися потоками, поэтому его использование для термоэлектрических устройств нагрева-охлаждения сопряжено со значительными трудностями конструктивного порядка, связанными с монтажом термоэлектрических батарей и установкой внутри прямоугольной трубы пластин со сферообразными выступами и впадинами.
Задачей изобретения является устранение недостатков обоих прототипов для достижения технического результата, заключающегося в повышении коэффициента теплопередачи от пластин термоэлектрической батареи нагреваемому (охлаждаемому) потоку жидкости или газа без существенного аэрогидродинамического сопротивления его движению. Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменнике, выполненном в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи, внутренние поверхности которого использованы для теплопередачи нагреваемому (охлаждаемому) потоку жидкости или газа, с размещенными внутри трубы поперечными перегородками, частично перекрывающими ее проходное сечение, применен прямоугольный профиль с соотношением сторон внутри сечения в пределах от 0,2 до 1, а поперечные перегородки выполнены в виде пучка цилиндрических стержней, замыкающих тепловые потоки противоположных стенок трубы и установленных в коридорном или шахматном порядке перпендикулярно направлению потока, причем стержни либо герметично вмонтированы в противоположные стенки трубы, либо установлены на одной или нескольких несущих продольных пластинах, запрессованных со стержнями во внутреннюю полость трубы.
На фиг.1 представлены варианты исполнения предлагаемого теплообменника при использовании пучка с наиболее эффективным шахматным расположением цилиндрических стержней (коридорное расположение стержней сохраняет полную конструктивную идентичность).
Теплообменник представляет собой прямоточную трубу 1 из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи 2. Торцы трубы закрыты заглушками 3 со входным и выходным патрубками 4 (для упрощения показан только один торец трубы). Внутри трубы размещены поперечные перегородки 5 из цилиндрических стержней, замыкающих тепловые потоки противоположных стенок трубы 1. Стержни 5 установлены перпендикулярно направлению потока и по варианту фиг.1а герметично вмонтированы в противоположные стенки тубы, по варианту фиг.1б установлены на одной несущей продольной пластине 6, а по варианту фиг.1в - на нескольких продольных пластинах 6, запрессованных со стержнями 5 во внутреннюю полость трубы 1.
При работе теплообменника циркулирующий поток жидкости или газа проходит через патрубки 4 по внутренней полости трубы, ограниченной торцовыми заглушками 3. При этом осуществляется теплопередача потоку от пластин термоэлектрической батареи 2, работающей в режиме нагревания или от потока к платинам батареи при ее работе в режиме охлаждения. Повышению коэффициента теплопередачи в данном теплообменнике способствует одновременное воздействие трех факторов. Во-первых, поперечные цилиндрические перемычки 5 за счет турбулизации потока эффективно разрушают пристенный ламинарный слой даже при низких скоростях движения потока с минимальными затратами энергии движения потока на обтекание цилиндрических поверхностей стержней. Во-вторых, теплоотдача цилиндров, находящихся в тепловом контакте с противоположными стенками трубы, в режиме турбулизации потока, увеличивается до 65% (книга В.П.Исаченко и др., «Теплопередача», изд. 2. - М.: «Энергия», 1969 г., стр.209, рис.3-6). В-третьих, теплопередающие поверхности цилиндров существенно увеличивают общую теплопередающую поверхность внутренней полости трубы. Таким образом, в заявленном теплообменнике эффективно использовано решение обратной задачи, часто встречающейся в технике, например, в нагревательных котельных агрегатах, где для повышения теплоотдачи от нагретого потока поперечно омываемым цилиндрическим трубам их собирают в пучок с коридорным или шахматным расположением (стр.210-215 вышеупомянутой книги).
Число стержней в каждом ряду пучка и их диаметр определяются внутренней высотой поперечного сечения трубы и поперечным шагом (расстоянием между осями стержней в поперечном потоку направлении), исходя из условия получения в каждом ряду равных проходных сечений между стержнем и стенкой трубы и между стержнями. Увеличение числа стержней в каждом ряду за счет уменьшения их диаметра повышает теплоотдачу, но при этом сумма проходных сечений ряда не должна быть ниже проходного сечения входного или выходного патрубков 4. Продольный шаг пучка (расстояние между осями двух соседних рядов стрежней) может быть равен или не более чем в 2 раза превышать поперечный шаг.
Замыкание стержнями тепловых потоков противоположных стенок трубы может быть осуществлено по варианту фиг.1а их установкой в отверстие этих стенок с последующим расклепыванием концов стержней с использованием герметиков или сварным соединением. Преимущественное использование этого варианта - трубопроводы высокого давления. При пониженных давлениях более технологичным является исполнение теплообменников по вариантам фиг.1б и фиг.1в, согласно которым стержни 5, имеющие длину, равную ширине внутреннего сечения трубы 1, предварительно устанавливаются в отверстия одной (фиг.1б) или нескольких (фиг.1в) продольных пластин, ширина которых соответствует высоте внутреннего сечения трубы 1, после чего производится запрессовка сборки «пластина-стержни» во внутреннюю полость трубы методом протягивания. Вариант для 1в с несколькими продольными пластинами особенно эффективен при использовании труб квадратного сечения (соотношение сторон сечения равно 1), что позволяет устанавливать термоэлектрические батареи с четырех сторон трубы, обеспечивая тем самым максимальную компактность и повышенную холодопроизводительность термоэлектрических устройств.
Преимущества заявленного теплообменника были выявлены при испытании опытного образца термоэлектрического охладителя воздух - жидкость OverFrost-480-AL, разработанного в ООО «Системы СТК», г.Пермь, в котором использовался теплообменник, аналогичный теплообменнику первого прототипа данной заявки, а именно выполненный в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля сечением 40×20 мм (т.е. соотношение сторон сечения равно 0,5). Согласно проведенным исследованиям, разница температур стенок трубы и жидкости на выходе теплообменника достигала 7-9°С. Охладитель с таким теплообменником был отправлен на испытания в СКБ «Нефтехимавтоматика» г.Уфа (результаты испытаний согласно письма №14/640 от 25.08.2010 г. прилагаются в разделе «Другие документы»). После этих испытаний в данном охладителе ООО «Системы СТК» была произведена замена упомянутого теплообменника на теплообменник с идентичными габаритами, но выполненный с отличительными признаками настоящей заявки по варианту фиг.1а. Испытание изделия с новым теплообменником, получившим название OverFrost-480-AL-1 (фотография охладителя прилагаются в разделе «Другие документы»), зафиксировали разность температур стенок трубы и жидкости на выходе теплообменника в пределах 0,5-1,5°С, при этом гидродинамическое сопротивление движению потока со скоростью 1,5÷2 м/сек увеличилось всего на 10-15%. Доработанное изделие было вновь направлено на испытание в СКБ «Нефтехимавтоматика», результатом которых приведены в письме №14/961 от 30.11.2010 г., также приложенному к разделу «Другие документы». Сравнение результатов обоих испытаний показывает, что предлагаемый теплообменник обеспечивает почти вдвое большую теплопередачу при охлаждении жидкости до 0°С даже при снижении на 20% мощности электропитания термоэлектрических батарей. В соответствии с полученными - результатами руководство СКБ - «Нефтехимавтоматика» предполагает заказать разработчикам охладителя выпуск партии изделий объемом порядка 100 шт. в год.