РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к регенеративным газожидкостным тепломассообменным аппаратам и может быть использована для тепловлажностной обработки воздуха пассажирского вагона в зимнее время года.
Известен регенеративный теплообменник, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками для жидкого теплоносителя и горизонтальный вал с установленными на нем термосифонами дисковой формы, внутри которых находятся загнутые лопасти и легкоиспаряющаяся жидкость [Авт. свид. СССР №1575061, F28D 19/00, по заявке №4407279/24-06 от 11.04.88, опубл. 30.06.90, бюл. №24. - Регенеративный теплообменник / И.Э.Цитук, А.А.Лакомкин, В.В.Очковский.].
Недостатком данной конструкции регенеративного теплообменника является малая площадь теплопередающей поверхности термосифонов от жидкого теплоносителя к воздуху.
Известен регенеративный теплообменник, содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода газа, размещенный в корпусе горизонтальный вал, на котором закреплены диски и термосифон, частично погруженные в жидкий промежуточный теплоноситель, жидкостный трубчатый теплообменник змеевикового типа и излучатель ультразвуковых колебаний, установленные в жидком промежуточном теплоносителе, а на валу по его краям расположены лопастные турбины [Патент на полезную модель №60195, F28D 19/00, по заявке №2006129659/22 от 15.08.2006, опубл. 10.01.2007, бюл. №1. - Регенеративный теплообменник / А.Н.Балалаев, Д.П.Варганов.].
Недостатком данной конструкции регенеративного теплообменника является низкая надежность привода вращения вала в начальный момент работы из-за недостаточной мощности термосифона (одного или двух) и лопастных турбин для преодоления трения покоя вала. Кроме того, при использовании в процессе теплообмена промежуточного теплоносителя увеличиваются потери тепла, что снижает КПД теплообменника и увеличивает его габариты и вес.
Данное устройство может быть принято за прототип.
Техническим результатом является повышение надежности регенеративного теплообменника за счет увеличения мощности привода вращения вала, а также увеличение КПД теплообменника и снижение его габаритов и веса за счет нагрева жидкого теплоносителя с помощью вихревого теплогенератора.
Технический результат достигается тем, что в регенеративном теплообменнике, содержащем корпус с патрубками для подвода и отвода газа, короб с жидким теплоносителем, размещенный в корпусе горизонтальный вал, на котором закреплены диски, частично погруженные в жидкий теплоноситель, и размещенный в жидком теплоносителе излучатель ультразвуковых колебаний, причем диски жестко соединены с обедами, внутри которых размещены предварительно термоциклированные на обратимую деформацию проволочные силовые элементы из титано-никелевого сплава с памятью формы ТН-1 (нитинол), которые одним концом шарнирно закреплены к внутренней стороне обода, а другим концом соединены подвижно через пружины с шарнирами, которые в свою очередь установлены на коленчатом валу, который жестко закреплен относительно короба и размещен соосно горизонтальному валу, кроме того, в полости короба с жидким теплоносителем выполнены два отверстия, одно из которых соединено с напорным, а другое - с обратным
трубопроводом, которые в свою очередь соединены соответственно с выходом и входом вихревого теплогенератора.
Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве привода вращения вала вместо термосифонов и лопастных турбин используются проволочные силовые элементы с памятью формы - см. [Барвинок В.А., Богданович В.И., Феоктистов B.C. Физические основы моделирования и проектирования реверсивных силовых приводов из материала с эффектом памяти формы. - М.: Международный центр научной и технической информации, 1997. - 72 с.].
На фиг.1 представлена схема регенеративного теплообменника с вихревым теплогенератором.
На фиг.2 - вид сверху на короб с дисками и обедами с проволочными силовыми элементами из сплава с памятью формы ТН-1.
На фиг.3 - разрез А-А вида фиг.2.
На фиг.4 - разрез Б-Б вида фиг.2.
Регенеративный теплообменник содержит корпус 1 с патрубками для подвода 2 и отвода 3 газа, например воздуха, размещенный в корпусе горизонтальный коленчатый вал 4, укрепленные на нем диски 5, а также шарнирно связанные с валом 4 ободы 6, с которыми шарнирно соединены одним концом проволочные силовые элементы 7 из сплава с памятью формы ТН-1, которые другим концом соединены подвижно через пружины 8 с шарнирами 9, установленными на коленчатом валу 10. Коленчатый вал 10 установлен соосно с горизонтальным валом 4 и закреплен неподвижно относительно короба 11, в котором выполнены прорези 12 для дисков 5, погруженных своей нижней частью в горячий жидкий теплоноситель 13, находящийся в коробе 11. В жидком теплоносителе 13 расположен излучатель ультразвуковых колебаний 14. Жидкий теплоноситель 13 нагревается с помощью вихревого теплогенератора 15, соединенного с
полостью короба 11 при помощи напорного трубопровода 16 и обратного трубопровода 17.
Регенеративный теплообменник работает следующим образом.
Горячий жидкий теплоноситель 13, например, водяной раствор морской соли, нагревает погруженные в него части дисков 5, ободов 6 и проволочных силовых элементов 7. Излучатель ультразвуковых колебаний 14 интенсифицирует процессы передачи тепла от жидкого теплоносителя 13 к погруженным в него стенкам дисков 5, ободам 6 и проволочным силовым элементам 7.
При нагреве проволочных силовых элементов 7 выше температуры 90°С (температура начала обратного мартенситного превращения сплава ТН-1) элементы 7 начинают изменять свою форму - сжиматься, воздействуя через пружины 8 на шарниры 9, и развивая на коленчатом валу 10 крутящий момент. Так как коленчатый вал 10 закреплен неподвижно относительно короба 11, то крутящий момент приводит во вращение ободы 6 и жестко связанные с ними диски 5. Деформация элементов 7 заканчивается при температуре 105°С (температура конца обратного мартенситного превращения сплава ТН-1). При выходе элементов 7 из жидкого теплоносителя 13 они начинают охлаждаться воздухом, проходящим в корпусе 1. При снижении температуры элементов 7 ниже 65°С (температура начала прямого мартенситного превращения сплава ТН-1) элементы 7 начинают восстанавливать свою первоначальную длину. Деформация элементов 7 заканчивается при температуре 40°С (температура конца прямого мартенситного превращения сплава ТН-1). Элементы 7 при охлаждении удлиняются, перемещаются относительно шарниров 9 и уменьшают усилие пружин 8, действующих на шарниры 9. Подвижное соединение элементов 7 относительно шарниров 9 облегчает сборку конструкции и предотвращает заклинивание.
Элементы 7 могут многократно совершать возвратно-поступательные движения за счет специальной термосиловой «тренировки» - термоциклирования. Рабочие напряжения, развиваемые сплавом ТН-1 при обратимой деформации достигают 50...100 МПа, при этом деформация составляет 4...5% от длины элемента 7. При условии выполнения элементов 7 из проволоки диаметром 4 мм и их погружения в теплоноситель 13 на величину 150...200 мм крутящий момент только от одного обода 6 составляет 3...6 Н·м, что значительно превышает крутящий момент от действия термосифонов прототипа (0,5...0,7 Н·м).
Вращение вала 4 за счет силовых элементов 7 возможно при значении температуры жидкого теплоносителя 13 в диапазоне 90...105°С, а температуры потока воздуха в корпусе 1 15...25°С. Требуемая температура жидкого теплоносителя 13 может быть обеспечена с помощью вихревого теплогенератора 15. Подогрев жидкости в вихревом теплогенераторе 15 осуществляется за счет сообщения жидкости кинетической энергии от электродвигателя и преобразования этой энергии в тепловую энергию при протекании процессов кавитации и преодолении жидкостью сил трения. [Патент РФ №2132517, F24H 3/02, по заявке №97114262/06 от 20.08.1997, опубл. 27.06.1999, бюл. №. - Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости / Р.И.Мустафаев].
Постоянный подогрев жидкого теплоносителя 13 осуществляется за счет подачи последнего самотеком из короба 11 по обратному трубопроводу 17 в вихревой теплогенератор 15 и оттуда после нагрева до температуры кипения по напорному трубопроводу 16 в короб 11.
Нагретая жидким теплоносителем 13 поверхность дисков 5 омывается воздухом, движущимся по корпусу 1, и отдает ему тепло за счет конвекции.
Так как поверхность дисков 5, погруженная через прорези 12 в короб 11, смачивается теплоносителем 13 (водным раствором морской соли), то
на их поверхности остается влага в виде капель. Эта влага, частично испаряется в подогреваемый воздух, так как температура воздуха вблизи поверхности дисков 5 становится выше, его относительная влажность снижается, а парциальное давление водяных паров воздуха становится меньше давления насыщения вблизи более горячих капель. Таким образом, подогреваемый воздух увлажняется, причем величину увлажнения можно регулировать с помощью величины зазора прорезей 13.
Пыль, присутствующая в воздухе, осаждается на мокрой поверхности дисков 5 и смывается затем жидким теплоносителем 13. Микробы и вирусы, находящиеся в пыли, также попадают в жидкий теплоноситель 13, где погибают от ультразвуковых колебаний, создаваемых излучателем ультразвуковых колебаний 14.
Таким образом, воздух, движущийся по корпусу 1, подогревается, увлажняется, очищается от пыли, обеззараживается и приобретает полезные йодистые испарения из морской соли.
Данный регенеративный теплообменник обладает повышенной мощностью привода вращения вала, а также увеличенным КПД, малыми габаритами и весом, эффективно увлажняет подогреваемый воздух и очищает его от пыли и болезнетворных вирусов.
Предложенное техническое решение позволяет существенно повысить мощность привода вращения горизонтального вала и обеспечить преодоление трения покоя вала с большим количеством установленных на нем дисков.