Теплообменник с элементами в форме пружин

Настоящая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к теплообменной технике, и может быть использована для обеспечения высокой интенсивности тепловых процессов в теплообменниках, рекуператорах и т.п., которые применяются в различных отраслях промышленности.
Известен теплообменник, включающий корпус с узлом орошения, подводящий и отводящий воздушные потоки воздуховодные патрубки и пакет пластин из капиллярно-пористого и водонепроницаемого материалов, образующих каналы для основного и вспомогательных потоков, последние из которых заглушены со стороны патрубка, отводящего основной поток, и со стороны патрубка, подводящего основной поток [Патент RU 184269, F24F 3/14, F28D 5/00, опубл. 19.10.2018]. Дополнительно пакет снабжен заглушками, перекрывающими входы в каналы в верхней и нижней частях пакета, при этом все заглушки и пластины выполнены съемными, а водонепроницаемые пластины выполнены из металла.
Известен высокопористый ячеистый теплообменник с микропорами, включающий в себя множество расположенных в стопку слоев высокопористого ячеистого материала с диаметром ячеек 4 мм и с микропорами диаметром 0,9 мм, первый канал теплоносителя и второй канал теплоносителя, присоединенные к периферийным слоям высокопористого ячеистого материала [Патент RU 205896, F28D 9/00, F28F 21/00, F28F 13/12, опубл. 11.08.2021]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся слои высокопористого ячеистого материала.
Недостатками перечисленных аналогов являются сложность конструкции [Патент RU 184269, F24F 3/14, F28D 5/00, опубл. 19.10.2018] и сложность изготовления пористых материалов [Патент RU 205896, F28D 9/00, F28F 21/00, F28F 13/12, опубл. 11.08.2021].
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник, включающий в себя множество расположенных в стопку слоев пластин, причем каждая пластина имеет повторяющийся рисунок сгибов, множество расположенных в стопку слоев пластин образует множество повторяющихся смещенных ячеистых структур, первый канал хладагента и второй канал хладагента, присоединенные к периферийным пластинам во множестве расположенных в стопку слоев пластин [Патент RU 146883, F28D 1/03, F28F 3/02, опубл. 20.10.2014]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся смещенные ячеистые структуры.
Недостатком данной полезной модели является пониженное значение теплового потока ввиду использования в теплообменнике ячеистых структур, обладающих меньшей площадью поверхности.
Задачей полезной модели является разработка теплообменника с элементами в форме пружин, в которой устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является интенсификация теплообмена и повышение энергетической эффективности.
Технический результат достигается тем, что теплообменник включает в себя множество структурированно расположенных под углом 45° элементов в форме пружин, пористость упаковки элементов составляет 0,8, размеры каждого элемента: толщина проволоки - 1 мм, диаметр спирали - 5 мм, шаг - 5 мм. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через множество элементов в форме пружин.
На фиг. 1 изображен образец теплообменника с элементами в форме пружин. На фиг. 2 изображена упаковка элементов в форме пружин.
В теплообменниках предлагается использовать элементы в форме пружин, размещенные структурированно под углом 45° для обеспечения большего контакта с поверхностью газа (воздуха), пористость упаковки элементов составляет 0,8, размеры каждого элемента: толщина проволоки - 1 мм, диаметр спирали - 5 мм, шаг - 5 мм (фиг. 3). Пружины могут быть изготовлены из меди, алюминия или теплопроводящих сплавов. Также теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через множество элементов в форме пружин. Численные параметрические расчеты показали, что значение пористости 0,8 является наиболее оптимальным. Для численных исследований использовались следующие размеры: диаметр цилиндрического корпуса теплообменника - 2 см; длина элементов - 2 см; длина входного и выходного вспомогательных патрубков - 2 и 6 см соответственно. Размеры конструкции теплообменника и элементов в форме пружин могут быть изменены в зависимости от специфики технологического процесса.
Показатель энергетической эффективности рассчитан по формуле [Бажан П.П., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]:
где Q - тепловой поток с поверхности пружин, Вт; δP - мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя (воздуха), Вт [Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]:
V
3
3
где G - объемный расход воздуха, м/с; Δр - перепад давления, Па; G -массовый расход воздуха, кг/с; ρ - плотность воздуха, кг/м.
Для прокачки воздуха в межтрубном пространстве предпочтительными являются скорости 0,5-1,25 м/с. При равной пористости среды (ε=0,8) значения теплового потока с поверхности пружин выше, чем с поверхности высокопористых ячеистых материалов, геометрии которых были построены: методом дискретного элемента (Discrete Element Method) (DEM), в виде объемно центрированной кубической решетки (Body-centered Cubic) (ВСС), гранецентрированной кубической решетки (Face-centered Cubic) (FCC) и простой кубической решетки (Simple Cubic) (SC) (фиг. 5). Это объясняется тем, что при равной пористости среды площадь поверхности пружин больше площади поверхности высокопористых ячеистых материалов (фиг. 4). При скорости воздуха 0,5 м/с прирост значения теплового потока относительно: SC - 97,86%; DEM - 23,79%; ВСС - 8,81%; FCC - 4,76%. При скорости потока воздуха 0,75 м/с прирост относительно: SC - 122,86%); DEM - 28,11%; ВСС - 9,72%; FCC - 4,65%. Прирост значения теплового потока при скорости 1 м/с относительно: SC - 135,01%; DEM - 29,99%; ВСС - 9,70%; FCC - 3,84%. Прирост при скорости 1,25 м/с относительно: SC - 137,29%; DEM - 30,83%; ВСС - 9,27%; FCC - 2,72%.
Пружины демонстрируют наибольшее значение температуры воздуха на выходе (фиг. 6). На фиг. 7 представлен образец температурного поля в продольном сечении модели теплообменника с элементами в форме пружин, по которому можем визуально отследить, как происходит нагрев воздуха, проходящего через них.
При использовании в теплообменнике элементов в форме пружин наблюдается заметное уменьшение перепада давления (фиг. 8). Следовательно, будут ниже и затраты мощности на прокачку воздуха (2). Чем ниже скорость, тем ниже затраты мощности.
Поскольку показатель энергетической эффективности равен отношению теплового потока к мощности, затрачиваемой на прокачку воздуха (1), снижение затрат мощности приводит к повышению энергетической эффективности (фиг. 9). Так, при скорости потока воздуха 0,5 м/с прирост энергетической эффективности относительно: FCC - 1135,51%; ВСС - 383,97%; DEM - 198,23%; SC - 26,48%. При скорости потока воздуха 0,75 м/с прирост относительно: FCC - 1459,20%; ВСС - 513,71%; DEM - 285,79%; SC - 60,69%. Прирост энергетической эффективности при скорости 1 м/с относительно: FCC - 1634,34%; ВСС - 584,84%; DEM - 337,16%; SC - 80,66%. Прирост энергетической эффективности при скорости 1,25 м/с относительно: FCC - 1907,08%; ВСС - 695,77%; DEM - 413,59%; SC - 111,46%.
Достоинством данной полезной модели является то, что пружины технологически проще изготовить, чем пористый материал.
Таким образом, можно сделать вывод, что благодаря использованию в теплообменниках элементов в форме пружин с пористостью упаковки элементов 0,8 наблюдается увеличение температуры воздуха на выходе и возрастание теплового потока. Также увеличивается площадь поверхности и, как результат, интенсифицируется теплообмен. Кроме того, наблюдается значительный прирост энергоэффективности в сравнении с использованием высокопористых ячеистых материалов.