ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники и теплоэнергетики, более конкретно, к теплоаккумулирующим регенеративным теплообменникам, использующим скрытую теплоту фазовых превращений рабочего тела при его переходе из твердого в жидкое состояние и обратно и теплоту нагрева рабочего тела, происходящих с небольшим изменением занимаемого объема. Устройства такого рода предназначены для применения в различных областях народного хозяйства, в том числе в теплотехнологии, быту и других с целью экономии энергоресурсов и повышения эффективности работы оборудования и теплотехнических приборов. Например, для снятия пиковых тепловых нагрузок в радиоэлектронной аппаратуре, транспортных средствах, бытовых нагревательных приборах в регионах с неравномерной подачей электроэнергии, а также в промышленности для использования аккумулированного тепла отходящих газов на заводах и фабриках с целью отопления различного рода помещений, кузовов автомобилей и др.
Известна конструкция теплообменника, описанная в книге [1] на стр.64. Внутри напряженной конструкции чугунного сосуда для аккумулятора с горячим теплоносителем расположены многочисленные теплообменные элементы (с фазопереходным рабочим телом), а именно герметичные капсулы небольших размеров, заполненные эвтектической смесью солей - m-трифенилом. В каждой капсуле предусмотрен свободный объем внутренней полости, заполняемый расплавленным рабочим телом при зарядке аккумулятора - котла. Теплоноситель, вода, омывает наружные поверхности герметичных капсул.
2
2
3
2
2
2
Также известна конструкция теплообменника, описанная в книге [1] на стр.180. Это система аккумулирования на основе использования теплоты фазового перехода, представляющая собой бак со съемной крышкой, заполненный фазопереходной теплоаккумулирующей средой - гидратом соли NaSO·5HO или MgCl·6HO (иначе - теплоаккумулирующим рабочим телом), внутри которого размещены пластиковые теплообменные элементы, представляющие собой трубки с циркулирующим теплоносителем - водой. Там же показан один из вариантов теплообменника с оребренными кольцевыми каналами с раздельными контурами зарядной и разрядной сред. Каждый теплообменный элемент состоит из внутренних и наружных трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода и нагрева расплавленной соли. В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела.
Главными недостатками вышеперечисленных конструкций являются:
- ухудшение теплопередачи между рабочим телом и теплоносителем из-за наличия разделяющей стенки между ними;
- увеличение массы и размеров теплообменных элементов из-за наличия разделяющих стенок между рабочим телом и теплоносителем;
- необходимость герметизации объема с рабочим телом для исключения выливания расплавленной массы рабочего тела и связанные с этим усложнения технологии заполнения теплообменного устройства рабочим телом;
- образование газовых полостей внутри герметичных объемов теплообменных элементов и необходимость борьбы с ними.
2
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменник, описанный на стр.179 книги [1] (рис.6.5). В этом устройстве теплообменные элементы состоят из блока энергоаккумулирующих стержней цилиндрической формы из полиэтилена, внутри которых размещено фазопереходное рабочее тело - гидрат хлористого кальция CaCl·6HO. Недостатками такого теплообменника являются все вышеперечисленные, отнесенные к аналогам изобретения.
Задачей изобретения является избавление от недостатков, включая отказ от необходимости герметизации объема с фазопереходным рабочим телом, влекущей многочисленные последствия от проведения этой процедуры, в том числе появление дополнительных паразитных тепловых сопротивлений между теплоаккумулирующим рабочим телом и циркулирующим теплоносителем, и на этой основе принципиальное улучшение массогабаритных и энергетических характеристик теплообменников и систем энергосбережения на их основе.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются:
- улучшение массогабаритных характеристик теплообменных устройств при одновременном увеличении их энергоемкости (теплосодержания) на единицу объема и массы устройства;
- упрощение конструкции;
- повышение уровня энергосбережений систем и улучшение энергетических характеристик систем в целом, работающих в пиковых режимах включения.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном теплообменнике, содержащем кожух со сквозными окнами с противоположных его сторон, фазопереходное рабочее тело и теплоноситель, фазопереходное рабочее тело выполнено в виде бескорпусных теплообменных элементов из формоустойчивого композиционного теплоаккумулирующего материала, закрепленных внутри кожуха с возможностью их свободного обтекания теплоносителем.
При этом теплообменные элементы представляют собой тела пластинчатого типа с прямолинейными или криволинейными боковыми поверхностями, теплообменник может быть снабжен теплопроводными гофрированными металлическими пластинами, размещенными в потоке теплоносителя так, чтобы они были плотно зажаты между соседними теплообменными элементами, в кожухе со стороны входного окна установлен электрический нагреватель, а внутри или снаружи теплообменных элементов размещены электрические нагреватели.
На фиг.1 показана общая схема теплообменника.
На фиг.2 изображены геометрические формы бескорпусных теплообменных элементов, где h - толщина теплообменного элемента.
На фиг.3 показан общий вид теплообменника с упругими гофрированными пластинами для улучшения теплообмена с циркулирующим через него теплоносителем.
Конструкция теплообменника (фиг.1) состоит из кожуха (1) со входом (2) и выходом (3) для теплоносителя (4), нагнетаемого извне, и бескорпусных теплообменных элементов (5), представляющих собой формоустойчивое рабочее тело.
Использование в устройстве формоустойчивого композиционного теплоаккумулирующего рабочего тела, сохраняющего свою форму при переходе из твердого в жидкое состояние и обратно, не требующего герметизации занимаемого объема, например композиции для теплоаккумулирующего материала по патенту РФ №2105025 от 27.09.1993 г., позволило исключить из состава теплообменных элементов с фазопереходным теплоаккумулирующим рабочим телом разделительные стенки между теплоносителем и названным теплоаккумулирующим материалом. Именно отсутствие упомянутой разделительной стенки, герметизирующей объем рабочего тела, и позволило назвать теплообменные элементы бескорпусными, не требующими герметизации рабочего тела. При этом существенно улучшаются массогабаритные и энергетические характеристики теплообменных устройств и энергосберегающих систем в целом.
Как правило, формоустойчивые фазопереходные композиционные теплоаккумулирующие материалы обладают малой теплопроводностью (обычно до λ<0,5 Вт/(м·К)). Последнее накладывает определенные ограничения на конструктивное исполнение теплообменных элементов, поле температур по объему которых (в предлагаемом теплообменнике - по толщине элемента) должно быть минимальным для обеспечения оптимальных массогабаритных характеристик и необходимой энергоемкости теплообменника.
Для снятия этого ограничения лучшей конфигурацией объема теплообменного элемента следует признать плоскую пластинчатую форму ограниченной толщины, т.к. в этом случае тепловое сопротивление h/λ теплопередаче относительно направления подводимого теплового потока, где h и λ - толщина и теплопроводность массы рабочего тела, от движущегося теплоносителя к рабочему телу минимальна. При этом размеры элементов в других направлениях не ограничиваются. В первом приближении требуемую толщину рабочего тела можно определить по методикам расчета, представленным в монографии [2], исключая из тепловых балансов корпус (оболочку).
Если нужно увеличить интенсивность теплообмена с теплоносителем, то следует выбирать более сложные пластинчатые формы и размеры элементов, при которых улучшается теплопередача между поверхностями элементов и теплоносителем, например волнистые поверхности, поверхности с выпуклостями и впадинами трапециевидной или треугольной формы (фиг.2). В результате чего увеличиваются коэффициенты теплоотдачи между теплоносителем и поверхностью рабочего тела.
При использовании теплообменных элементов только в виде плоских пластин для улучшения теплопередачи в пространство между соседними теплообменными элементами устанавливаются упругие гофрированные металлические ребристые пластины (6) (фиг.3) с хорошей теплопроводностью, плотно прижатые с обеих сторон к поверхности рабочего тела, между которыми циркулирует теплоноситель, обеспечивая интенсивный теплообмен.
Предлагаемый теплообменник можно широко использовать при отоплении различного рода жилых и производственных помещений при неравномерной подаче электрической энергии от автономных источников, при наличии ночных тарифов, в экстремальных случаях. Тогда выгодно выполнять конструкцию устройства, вводя в состав теплообменных элементов с фазопереходным рабочим телом электрические нагреватели, используемые для зарядки системы отопления. При этом в зависимости от конструкции нагреватели можно располагать внутри объема фазопереходного рабочего тела или снаружи на входе в устройство для разогрева теплоносителя во время зарядки. Схемы теплообменников для двух описанных систем отопления приведены на фиг.4 и 5, где (7) - электрический нагреватель. Обеспечение теплоотдачи от теплоаккумулирующего рабочего тела осуществляется путем непосредственного обдува его наружных поверхностей циркулирующим теплоносителем, например, с помощью вентилятора.
Покажем принцип работы заявляемого теплообменника энергосберегающей системы на примере использования тепла отходящих газов.
Заявляемое устройство работает следующим образом (см. фиг.1 и 3). Отработанный воздух или другой газ (4), нагретый в промышленном или технологическом оборудовании, сбрасывается за пределы занимаемого цеха с помощью вентиляционной системы, в которую встраивается теплообменник. Воздух, служащий теплоносителем, проходя через устройство, нагревает фазопереходное рабочее тело (5) и соприкасающиеся с ним гофрированные металлические пластины (6), если они есть. При достижении рабочим телом температуры фазового перехода плавкий наполнитель теплоаккумулирующего материала (рабочего тела) начинает плавиться, расплавленные части объема продолжают нагреваться, а твердые - повышать свою температуру до фазового перехода. В результате через определенный промежуток времени, называемый временем зарядки, рабочее тело достигает заданной допустимой температуры, и подача горячего теплоносителя в устройство прекращается. Так, например, формоустойчивый теплоаккумулирующий материал по патенту РФ №2105025 от 27.09.1993 г. сохраняет форму при нагреве до температуры порядка 190÷250°C. При этом температура фазового перехода плавкого наполнителя этого композиционного теплоаккумулирующего материала составляет 80°C. Далее происходит процесс разрядки - использование запасенного сбросного тепла для подогрева другого, холодного теплоносителя, на вход промышленного оборудования или на обогрев соседнего помещения и других нужд.
При использовании теплообменника в качестве электроотопительного прибора в индивидуальных жилых и служебных помещениях разогрев и фазовый переход рабочего тела осуществляется при включении электрического нагревателя - режим зарядки до допустимой температуры (см. фиг.4 и 5). Во время зарядки вентилятор может находиться во включенном или выключенном состоянии. При разрядке вентилятор должен быть включен, так как теплосъем запасенной тепловой энергии в устройстве осуществляется воздухом от разогретого теплоаккумулирующего материала.
Источники информации
1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: Пер. с англ. В.Я.Сидорова, Е.В.Сидорова; под редакцией д-ра технических наук проф. В.М.Бродянского. М.: Мир, 1987.
2. В.А.Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. М.: Энергия, 1975.