Воздушно-водородный теплообменник

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к воздушно-водородным теплообменникам, и может быть использована в силовых установках высотных летательных аппаратов, работающих на водороде, в составе топливной системы для нагрева газифицированного водорода с криогенной температуры до диапазона нормальных температур.
Известен теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя и полость для промежуточного теплоносителя, в качестве которого используют инертный газ, например, аргон или гелий (US 4671351, 1987).
В известном техническом решении теплообменник представляет собой набор удлиненных телескопических коаксиально установленных труб. При этом кожух представляет собой внешнюю и внутреннюю трубы, зазор между которыми предназначен для прохождения нагреваемого теплоносителя, один открытый торец внутренней трубы сообщен с закрытым торцом внешней трубы, а противоположный открытый торец внутренней трубы и открытый торец внешней трубы предназначены соответственно для впуска и выпусканагреваемого теплоносителя. Во внутренней трубе кожуха установлены внешняя и внутренняя трубки, зазор между которыми предназначен для прохождения охлаждаемого теплоносителя. При этом внутренняя трубка представляет собой трубчатый элемент, выполненный в виде концентричных трубок, соответствующие торцы которых герметично изолированы, а зазор между ними представляет собой полость для размещения инертного газа. Один открытый торец внутренней трубки трубчатого элемента сообщен с закрытым торцом внешней трубки, а противоположный открытый торец внутренней трубки трубчатого элемента и открытый торец внешней трубки предназначены соответственно для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя. Теплообмен между охлаждаемым и нагреваемым теплоносителями происходит при встречном движении теплоносителей. При этом инертный газ предназначен для уменьшения радиального теплообмена между трубками трубчатого элемента, а также для снижения проникновения атомарного водорода в полость трубчатого элемента.
Существенным недостатком известного технического решения является удлиненная конструкция теплообменника, а также низкие изолирующие свойства промежуточного теплоносителя в трубчатом элементе, что не позволяет использовать известное техническое решение в силовых установках высотных летательных аппаратов, работающих на водороде.
Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют выхлопные газы камеры сгорания газотурбинного двигателя (RU 2554392, 2015).
В известном техническом решении теплообменник выполнен кольцевым, движение выхлопных газов из камеры сгорания газотурбинного двигателя происходит перпендикулярно направлению движения водорода. При этом промежуточный теплоноситель не используется, конструкция теплообменника в описании изобретения не раскрыта.
Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух (US 3756024, 1973).
В известном техническом решении теплообмен между охлаждаемым и нагреваемым теплоносителями происходит при встречном движении теплоносителей. При этом промежуточный теплоноситель не используется, конструкция теплообменника в описании изобретения также не раскрыта.
Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух (US 3775977, 1973).
В известном техническом решении подача нагреваемого теплоносителя (водорода) осуществляется через систему продольно расположенных петлеобразных трубопроводов, обеспечивающих взаимно противоположное течение теплоносителя и реализующих четырехпроходную схему течения. При этом подача охлаждаемого теплоносителя (воздуха) осуществляется через систему радиально расположенных трубопроводов при круговом движении теплоносителя. Таким образом, в известном техническом решении теплопередача между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителями осуществляется при условии взаимного противотока, что позволяет увеличить скорость теплопередачи. При этом промежуточный теплоноситель не используется.
Общим существенным недостатком известных технических решений является возможность химической реакции водорода с нагреваемым теплоносителем (продуктами сгорания газотурбинного двигателя, воздухом) при возникновении утечки водорода, что существенно снижает безопасность указанных выше теплообменников.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух, расположенными напротив друг друга в средней части кожуха, каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, расположенными в противоположных торцевых частях кожуха, множество концентрично установленных трубок, размещенных перпендикулярно каналам впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние трубки предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя, а их длина превышает длину внешних трубок, зазоры между концентричными трубками предназначены для промежуточного теплоносителя, две пары перегородок с отверстиями, установленных на соответствующих концах концентричных трубок и герметично связанных со стенками кожуха, при этом крайние перегородки герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок таким образом, что между крайними перегородками и торцевыми стенками кожуха образуются полости, сообщенные соответственно с впускным и выпускным каналами для нагреваемого теплоносителя, а расположенные между крайними перегородками промежуточные перегородки герметично связаны с противоположными концами внешних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок таким образом, что между крайними и промежуточными перегородками образуются полости для промежуточного теплоносителя (ЕР 0437768, 1994).
В известном техническом решении теплопередача между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителями осуществляется в средней части кожуха при взаимно перпендикулярном движении теплоносителей. При этом подача промежуточного теплоносителя, в качестве которого используют азот, осуществляется в направлении движения нагреваемого теплоносителя (водорода).
Таким образом, недостатком известного технического решения является низкая безопасность работы теплообменника, поскольку в случае разгерметизации внутренних трубок и возникновении утечки водорода происходит вынос последнего с потоком промежуточного теплоносителя (азотом) во внешнее пространство. В результате возможно возникновение химических реакций, в том числе взаимодействие водорода с воздухом, что при определенной концентрации компонентов ведет к образованию гремучего газа, возникновению пожара или взрыву.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении безопасности работы теплообменника.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в снижении количества используемого промежуточного теплоносителя.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в воздушно-водородном теплообменнике, содержащем кожух с каналами впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух, расположенными напротив друг друга в средней части кожуха, каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, расположенными в противоположных торцевых частях кожуха, множество концентрично установленных трубок, размещенных перпендикулярно каналам впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние трубки, предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя, а их длина превышает длину внешних трубок, зазоры между концентричными трубками предназначены для промежуточного теплоносителя, две пары перегородок с отверстиями, установленных на соответствующих концах концентричных трубок и герметично связанных со стенками кожуха, при этом крайние перегородки герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок таким образом, что между крайними перегородками и торцевыми стенками кожуха образуются полости, сообщенные соответственно с впускным и выпускным каналами для нагреваемого теплоносителя, а расположенные между крайними перегородками промежуточные перегородки герметично связаны с противоположными концами внешних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок таким образом, что между крайними и промежуточными перегородками образуются полости для промежуточного теплоносителя, согласно предложенному техническому решению полости для промежуточного теплоносителя и сообщенные с ними зазоры между концентричными трубками образуют замкнутый герметичный контур, содержащий гелий под давлением в качестве промежуточного теплоносителя.
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая воздушно-водородный теплообменник, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно - повышение безопасности работы теплообменника за счет использования в качестве промежуточного теплоносителя нейтрального газа (гелия) под давлением в замкнутом герметичном контуре, что приводит к снижению количества используемого промежуточного теплоносителя.
Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием конструкции воздушно-водородного теплообменника и его работы со ссылкой на фигуру, где представлен вариант схемы выполнения воздушно-водородного теплообменника.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - кожух;
2 - канал впуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха);
3 - канал выпуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха);
4 - канал впуска нагреваемого теплоносителя (водорода);
5 - канал выпуска нагреваемого теплоносителя (водорода);
6 - внутренние трубки;
7 - внешние трубки;
8 - зазоры между трубками 6 и 7;
9 - крайние перегородки;
10 - промежуточные перегородки;
11 - торцевые стенки кожуха 1;
12 - полости нагреваемого теплоносителя (водорода);
13 - полости промежуточного теплоносителя (гелия).
Воздушно-водородный теплообменник содержит кожух 1 с расположенными напротив друг друга в средней его части каналом 2 впуска охлаждаемого теплоносителя и каналом 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя. В качестве охлаждаемого теплоносителя используют воздух. В противоположных торцевых частях кожуха 1 расположены канал 4 впуска нагреваемого теплоносителя и канал 5 выпуска нагреваемого теплоносителя. В качестве нагреваемого теплоносителя используют водород. В кожухе 1 расположено множество концентрично установленных трубок 6 и 7, размещенных перпендикулярно каналу 2 впуска и каналу 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха), причем внутренние трубки 6 предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя (водорода). При этом длина внутренних трубок 6 превышает длину внешних трубок 7, а зазоры 8 между концентричными трубками 6 и 7 предназначены для промежуточного теплоносителя (гелия). Кроме того, в кожухе 1 размещены две пары перегородок 9 и 10 с отверстиями (на чертеже не показаны), установленных на концах соответствующих концентричных трубок 6 и 7. Перегородки 9 и 10 герметично связаны со стенками кожуха 1, при этом крайние перегородки 9 герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок 6, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок 9 таким образом, что между крайними перегородками 9 и торцевыми стенками 11 кожуха 1 образуются полости 12, сообщенные соответственно с впускным каналом 3 и выпускным каналом 4 для нагреваемого теплоносителя (водорода). Расположенные между крайними перегородками 9 промежуточные перегородки 10 герметично связаны с противоположными концами внешних трубок 7, которые размещены в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок 10 таким образом, что между крайними перегородками 9 и промежуточными перегородками 10 образуются полости 13 для промежуточного теплоносителя (гелия). При этом полости 13 для промежуточного теплоносителя и сообщенные с ними зазоры 8 между концентричными трубками 6 и 7 образуют замкнутый герметичный контур. Промежуточный теплоноситель в виде гелия под давлением может использоваться как в газообразном, так и в жидком состоянии. Давление теплоносителей контролируется при помощи датчиков давления (на чертеже не показаны), установленных в соответствующих каналах 2-5 и в полости 13 замкнутого герметичного контура теплообменника.
Воздушно-водородный теплообменник работает следующим образом.
Принцип работы воздушно-водородного теплообменника заключается в конвективном теплообмене между различными средами. В канал 4 впуска нагреваемого теплоносителя подается газообразный водород с температурой 21-25 К. Нагреваемый теплоноситель (водород) через канал 4 впуска поступает в полость 12 и во внутренние трубки 6, проходит через них и через противоположную полость 12 выводится к потребителю через канал 5 выпуска нагреваемого теплоносителя (водорода). Одновременно через канал 2 впуска охлаждаемого теплоносителя подается воздух, который поступает в основную полость теплообменника, расположенную между промежуточными перегородками 10. Температура воздуха составляет 470-480 К. Воздух обтекает поверхности внешних трубок 7 и выводится через канал 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя. При этом в процессе обтекания внешних трубок 7 воздух охлаждается, отдавая тепло нагреваемому теплоносителю (водороду), который нагревается до нормальной температуры во внутренних трубках 6. В полостях 13 и сообщенных с ними зазорах 8, образующих замкнутый герметичный контур, находится промежуточный теплоноситель из нейтрального газа (гелия). Гелий находится в контуре под давлением без возможности циркуляции, причем давление гелия в замкнутом герметичном контуре превышает давление водорода во внутренних трубках 6 и давление воздуха в основной полости теплообменника. При этом безопасность работы теплообменника обеспечивается повышенным давлением гелия, что исключает возможность проникновения атомарного водорода через стенки внутренних трубок 6.
В случае повреждения внутренних трубок 6 с водородом более высокое давление гелия в замкнутом герметичном контуре препятствует разрушению внешних трубок 7 с гелием, что исключает возможность взаимодействия между водородом и воздухом и образование взрывоопасной смеси. Кроме того, в связи с инертностью гелия исключается химическая реакция между водородом и гелием. Падение давления в замкнутом герметичном контуре регистрируется соответствующими датчиками давления контура, что позволяет обнаружить возникшую аварийную ситуацию и отключить теплообменник. Выброс гелия ограничен, поскольку определяется объемом и величиной избыточного давления гелия в замкнутом герметичном контуре.
Таким образом, замкнутый герметичный контур, содержащий гелий под давлением в качестве промежуточного теплоносителя, позволяет решить задачу повышения безопасности работы теплообменника за счет снижения количества используемого промежуточного теплоносителя, что повышает уровень экологической безопасности и исключает взрывоопасный контакт водорода с воздухом.