Теплообменный аппарат

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в любых областях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, в том числе для каталитических установок с целью рекуперации тепла, выделяемого в ходе протекания экзотермических реакций, либо потребляемого в ходе проведения эндотермических реакций.
Известны устройства, относящиеся к теплообменным аппаратам, теплообменные поверхности которых образованы набором тонких металлических пластин, имеющих систематизированную трехмерную структуру, образованную ребрами, либо изготовленную методом штамповки или гофрирования, собранных в единый пакет и образующих каналы по которым протекают теплоносители, обменивающиеся тепловой энергией (полезная модель Ru №, 130378, F28D 9/00, 20.07.2013, US №4131159, F28D 9/00, 26.12.1978).
Наиболее близким является теплообменник, содержащий множество теплообменных пластин, имеющих гофрированную форму, переднюю закрывающую пластину и заднюю закрывающую пластину, в котором теплообменные пластины прочно прикреплены друг к другу, а также и к передней закрывающей пластине, и к задней закрывающей пластине, и в котором передняя и/или задняя закрывающая пластина содержит множество соединительных каналов, которые содержат продолжающиеся наружу втулки, выполненные из того же материала, что и закрывающая пластина (Пат. Ru №2488060, F28D 9/00, 20.07.2013).
Основным недостатком вышеуказанных пластинчатых аппаратов является невозможность контроля за однородностью распределения газового или жидкого потоков внутри каналов, образованных гофрированными, либо штампованными, либо оребренными тонкими металлическими теплообменными пластинами, собранными в единый пакет. Неоднородное распределение потока, которое может возникать из-за присутствия теплообменных пластин, может вызвать существенные изменения структуры потока теплоносителя в транспортных каналах, образованных этими элементами, например, появление устойчивых областей с низкими линейными скоростями или даже застойных зон. Поэтому эффективность теплопередачи на определенных участках внутри аппарата может лимитироваться процессами массопереноса, т.е. значительная часть теплообменного канала может фактически не работать, что будет приводить к значительной неоднородности по температуре, в частности, к образованию горячих и холодных зон. В конечном счете, это приведет к значительному снижению эффективности всего теплообменного аппарата.
Для выявления температурного профиля можно использовать устройства, состоящие из множества термопар, расположенных в разных точках теплообменного устройства. Однако даже в случае выявления двухмерного температурного профиля по сечению требуется специальная конструкция теплообменного аппарата и сложная система коммутации термопар. Применение тепловизионной техники для изучения температурного профиля в теплообменном аппарате затруднено и требует специальной дорогостоящей аппаратуры. Наиболее простым и удобным способом для контроля за температурным профилем является применение термоиндикаторных красок (Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. - М.: Энергия, 1972. - 224 с.), который не требует специальной конструкции аппарата и использования дополнительного оборудования.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности работы пластинчатого теплообменного аппарата.
Технический результат - выявление и контроль температурного профиля в пластинчатом теплообменном аппарате, что позволяет косвенно выявлять степень однородности газовых потоков, проходящих через него и обменивающихся тепловой энергией.
Задача решается конструкцией теплообменного аппарата, который состоит из набора тонких металлических пластин, собранных в единый пакет, образующих между собой каналы, по которым протекают теплоносители, обменивающиеся тепловой энергией, так, что каналы с охлаждаемым и нагреваемым теплоносителями чередуются между собой, на пластины нанесены в виде полос термоиндикаторные краски, предназначенные для цветовой индикации при нагреве теплообменной пластины выше определенной температуры.
Тонкие металлические пластины изготавливаются методом штамповки или методом гофрирования.
Потоки теплоносителей, обменивающиеся тепловой энергией, текут в параллельном направлении или во встречном направлении, или в перпендикулярном направлении.
Для обмена тепловой энергией между потоками теплоносителей как газовыми, так и жидкими, нагретыми в результате протекания экзотермической реакции, либо охлажденными в результате эндотермической реакции, наиболее эффективными и компактными являются пластинчатые теплообменные аппараты, которые представляют собой устройства, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных, либо гофрированных металлических пластин, на которые нанесены термоиндикаторные краски, предназначенные для цветовой индикации при нагреве теплообменных пластин выше определенной температуры. Термоиндикаторную краску наносят в виде тонких полос на поверхность металлических пластин. Пластины теплообменника, собранные в единый пакет и заключенные в единый корпус с входными и выходными патрубками образуют между собой каналы, которые образуют два раздельных контура, где циркулируют теплоносители - нагревающий (охлаждающий) и нагреваемый (охлаждаемый).
Можно использовать многопереходные термоиндикаторные краски, которые могут показать несколько цветовых переходов для различных температур, либо несколько термоиндикаторных красок, имеющих различные температуры, при которых происходит изменение их окраски. Термоиндикаторные краски выбирают таким образом, чтобы температуры, при которых происходят изменения цветовой индикации, находились в исследуемой области температур и отличались между собой на 10-100°С. При повышении температуры в какой-либо зоне теплообменного аппарата выше определенного значения происходит изменение цвета краски в этой зоне. После проведения испытаний, пластинчатый теплообменный аппарат разбирается и качественно (визуально) воссоздается профиль распределения температуры. Наблюдаемая 3-х мерная карта неоднородности температур указывает, на каких участках теплообмен протекает более интенсивно, а на каких менее интенсивно, т.е. можно косвенно оценить неоднородности распределения потока теплоносителя в пластинчатом теплообменном аппарате.
1
2
3
4
Для цветовой индикации температур используются термоиндикаторные краски (например, производства ЗАО «НПФ «Люминофор», либо ООО «ЭЛ-СКАДА») наносимые на теплообменные пластины, которые при нагреве выше определенной температуры изменяют цвет. Термоиндикаторную краску наносят методом пневматического распыления в один слой толщиной от 20 до 30 мкм. Для достижения эффективной визуализации профиля температуры термоиндикаторные краски подбираются индивидуально и наносятся в виде полос по длине структурообразующих элементов. При этом используют термоиндикаторные краски с различной температурой изменения цвета T, Т, Т, Т и т.д., так, чтобы разница каждой последующей температуры с предыдущей составляла от 10°С до 100°С, либо используют многопереходную термоиндикаторную краску, обладающую несколькими цветовыми переходами в исследуемой области температур. Ширина полос термоиндикаторных красок подбирается экспериментально и составляет не менее 5 мм.