Пластинчатый теплоэлектротеплообменник
PLATE-TYPE HEAT ELECTRIC HEAT EXCHANGER

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для комплексной утилизации тепла сбросных газов и жидкостей, а именно, для утилизации тепла дымовых газов котельных агрегатов, промышленных печей, вентиляционных выбросов при нагревании воздуха с одновременным получением электричества.
Известен пластинчатый воздухоподогреватель, содержащий пакет из плоских пластин, покрытых антикоррозионным покрытием, с турбулизующими выступами, образующие между собой каналы для теплообменивающихся потоков газа и воздуха [А. с. СССР № 1575062, Мкл. F 28 D9/02, 1990].
Основными недостатками известного пластинчатого воздухоподогревателя являются невозможность осуществления в нем утилизации тепла дымовых газов для попутной очистки их от твердых примесей (частиц пыли, золы, сажи и т. д.) и получения электроэнергии, что снижает  его эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплексный утилизатор тепла сбросных газов, содержащий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, причем перфорация пластин выполнена в виде горизонтальных щелей, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга, в которых помещены термоэлектрические звенья, состоящие из овальных вставок, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала, внутри которых помещены зигзагообразные ряды, состоящие из термоэмиссионных (термоэлектрических) преобразователей, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков, выполненную из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, причем термоэлектрические звенья установлены в горизонтальных щелях таким образом, что продольные половины каждого термоэмиссионного преобразователя зигзагообразного ряда находятся в газовом и воздушном каналах, соответственно, сами зигзагообразные ряды каждого горизонтального ряда щелей на пластинах соединены между собой последовательно соединительными проводами образуя термоэлектрические секции, каждая из которых также соединена соединительным проводом с коллекторами электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами [Патент РФ №2523521, МПК F 22 D1/18, 2014].
Основными недостатками известного комплексного утилизатора сбросных газов являются необходимость достаточно высокой температуры теплоносителя (требуется температура 150°С и выше, при том, что большая часть сбросных газов на многих производствах имеют более низкую температуру), так как при более низких температурах при использовании термоэлектрических преобразователей конструкции, приведенной в аналоге, количество генерируемого термоэлектричества крайне незначительно, кроме того недостаточная турбулизация воздушного и газового потоков, обусловленная конструкцией источников турбулизации, снижает скорость теплопередачи между ними, выработку термоэлектричества и, таким образом, вышеприведенные факторы уменьшают диапазон использования и эффективность устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение диапазона использования и эффективности пластинчатого термоэлектротеплобменника.
Технический результат достигается пластинчатым термоэлектротеплобменником, содержащим корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, причем перфорация пластин выполнена в виде прямоугольных проемов, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга и снабженных по горизонтальным торцам лепестковыми вихреобразователями и зажимами, в каждом прямоугольном проеме помещены плоские термоэлектрические преобразователи (например, элементы Пельтье), снабженные токовыводами и зажатые скобками, токовыводы которых соединены в каждом рядупараллельно с секционными коллекторами, образуя термоэлектрические секции, которые соединены параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами.
На фиг. 1–3 представлены общий вид и разрезы пластинчатого термоэлектротеплообменника (ПТЭТО), на фиг. 4–5 –плоский термоэлектрический преобразователь (ПТЭП) и его стыковка с соединительными проводами и теплообменной перфорированной пластиной (ТОПП) (перегородкой между газовым и воздушным каналом).
Предлагаемый ПТЭТО содержит корпус 1, снабженный газовыми и воздушными патрубками (на фиг. 1–5 не показаны), внутри которого помещен пакет, состоящий из теплообменных перфорированных пластин (ТЭПП) 2, образующих между собой газовые и воздушные каналы 3 и 4, причем перфорация ТЭПП 2 выполнена в виде прямоугольных проемов 5, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга и снабженных по горизонтальным торцам лепестковыми вихреобразователями 6 и скобками 7. В каждом прямоугольном проеме 5, закрепленные скобками 7, помещены ПТЭП 8 (например, элементы Пельтье), снабженные токовыводами 9 10 и соединенные токовыводами 9 и 10 в каждом ряду параллельно с секционными коллекторами 11 и 12, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 13, которые соединены параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15, соединенными, в свою очередь, с клеммами 16 и 17, соответственно.
В основу работы ПТЭТО положено использование плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 8 (например, элементы Пельтье), которые могут генерировать значительное количество термоэлектричества при температурах значительно ниже 150°С и увеличение скорости теплообмена при применения поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока, разрушения ламинарного подслоя, увеличения поверхности нагрева и, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки. Выполнение источников турбулентности в виде лепестковых вихреобразователей 6, расположенных на горизонтальных торцах проемов 5, обеспечивает при нагреве одних сторон ПТЭП 8 горячими сбросными газами и охлаждении их противоположных сторон холодным воздухом способствует интенсивному теплообмену между ними и генерирования в ТЭС 13 большего количества термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506], а также более интенсивной теплопередаче через ТЭПП 2.
Пластинчатый термоэлектротеплообменник (ПТЭПО), представленный на фиг. 1–5 работает следующим образом. Горячие сбросные газы из входного газового патрубка (на фиг. 1–5 не показан) поступают в газовые каналы 3, а из входного воздушного патрубка противотоком в воздушные каналы 4 ПТЭПО подается холодный воздух, который, при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла через смежные ТЭПП 2 и ПТЭП 8, конвекции в газовой и воздушной средах, нагревается до требуемой температуры и удаляется через выходной воздушный патрубок, а горячие сбросные газы охлаждаются и также удаляются через выходной газовый патрубок (на фиг. 1–5 газовые и воздушные патрубки не показаны). При этом, большое количество лепестковых вихреобразователей 6, расположенных в шахматном порядке, на горизонтальных торцах проемов 5, создает интенсивную турбулизацию газовых и воздушных потоков в газовых и воздушных каналах 3 и 4 и, таким образом, повышает скорость теплопередачи между дымовыми газами и воздухом что обеспечивает интенсивный теплообмен между сбросными газами и нагреваемым воздухом и генерацию в ПТЭП 8 и ТЭС 13 значительного количества термоэлектричества, а также более интенсивную теплопередачу через ТЭПП 2. Полученное в каждой ПТЭП 8 и ТЭС 13 термоэлектричество, через токовыводы 9 и 10 поступает в секционные коллекторы 11 и 12, общие коллекторы 14 и 15, а оттуда через клеммы 16 и 17 подается потребителю.
При этом, провода токовыводов 9 и 10 и секционных коллекторов 11 и 12 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом, щели между кромками ПТЭП 8 и пластин 2 заполнены термостойким герметиком (на фиг. 1–5 не показаны), а параллельное соединение ПТЭП 8 в ТЭС 13 с секционными коллекторами 11 12 и параллельное соединение ТЭС 13 с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15 обеспечивает снижение электрического сопротивления ПТЭП.
Очистку поверхности ПТЭП 8 и пластин ПТЭТО 2 от налипших частиц механических примесей проводят периодически путем их обдувания сжатым воздухом. Интервал между обдувками устанавливают на основании опытных данных.
Величина разности электрического потенциала на клеммах 16 и 17 ПТЭТО зависит от характеристик ПТЭП 8, числа их в ТЭС 13 и числа ТЭС 13. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например, для освещения или работы средств автоматики.
Таким образом, предлагаемый пластинчатый термоэлектротеплообменник позволяет проводить одновременно нагрев воздуха сбросными газами, имеющими температуру ниже 150°С, имеющими в своем составе агрессивные примеси и значительно увеличить количество получаемого термоэлектричества, что повышает его диапазон использования и эффективность.