ОРЕБРЕННЫЙ РЕКУПЕРАТОР
RIBBED RECUPERATOR

Настоящее изобретение относится к теплообменным и теплопередающим устройствам и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках или аналогичной технике, применяемой в теплоэнергетической, химической и других отраслях промышленности.
Известен пластинчатый теплообменник производства компании ООО «Бушевец Термо» (Приложение к описанию) [Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу: http://rekuperator.ru/ - свободный, дата обращения 31.05.2013, 1], представляющий собой рекуператор, содержащий пакет из оребренных панелей, установленных одна на другой так, что их ребра образуют продольные и соответственно поперечные, чередующиеся друг над другом каналы для прохода нагревающей и нагреваемой сред, при этом поперечные сечения всех каналов выполнены одинаковыми и распределены по периферийной и центральной зонам пакета, при этом число панелей в каждой зоне равно друг другу. Однако у этого известного рекуператора есть существенный недостаток- низкая эффективность теплообмена, а также крупные габариты.
Недостаток обусловлен тем, что число оребренных панелей в каждой зоне пакета равно друг другу и они расположены параллельно и друг над другом так, что их ребра образуют каналы, имеющие одинаковые поперечные сечения, при этом они распределены по периферийной и центральной зонам пакета. Таким образом, получается, что панели, например, по дыму имеют каналы с одинаковым поперечным сечением, как и, например, каналы - по воздуху (хотя для прохода дыма и воздуха могут потребоваться каналы с разными поперечными сечениями, да и число каналов в каждой зоне могут отличаться друг от друга). Поэтому в известном рекуператоре скорости в каналах, находящихся в периферийной зоне пакета, могут быть меньше в 2-3 раза, чем в осевых, так как распределение скорости в трубе имеет параболический характер. Кроме этого наличие конфузора, обычно подключаемого на вход и выход рекуператора, усугубляет такое распределение скоростей. Поэтому имеют место быть как низкая эффективность теплообмена, так и увеличенные габариты рекуператора.
Известен оребренный рекуператор (патент ПМ РФ №134307, 9/00, опубл. 10.11.2013), который выполнен в виде коробчатого пакета, составленного из, по меньшей мере, двух модулей, образованных из, по меньшей мере, трех оребренных панелей и расположенных в периферийной и центральной зонах пакета. При этом модуль содержит оребренные панели, образованные из листовых пластин и приваренных к ним с одинаковым шагом вертикальных ребер. Причем все оребренные панели расположены параллельно и друг над другом и неразъемно соединены между собой путем приваривания ребер одной панели к поверхности листовой пластины, свободной от ребер, другой панели с образованием модулей, имеющих чередующиеся каналы для прохода нагревающей и нагреваемой сред.
Принцип модульного построения конструкции рекуператора по сравнению с аналогом повышает производительность его изготовления, так как при сборке модулей могут использоваться столы-кантователи с механическими и пневматическими прижимами. Процесс сварки модулей может быть ручным, автоматическим или полуавтоматическим в зависимости от материала панелей. Имеется также и возможность ускорить сборку рекуператора за счет создания нескольких постов сборки модулей (где достаточно низкая квалификация труда) и одного основного поста сборки модулей (высокая квалификация) с возможностью тестирования модулей до сборки (после изготовления рекуператора сложнее проверить, т.к. габариты рекуператора очень большие и требуются гораздо большие затраты на проверку). Но в данном случае принцип модульного построения рекуператора обеспечивает только производительность изготовления рекуператора, но не обеспечивает повышения эффективности теплообмена и малых габаритов рекуператора.
Этот известный рекуператор выбирается в качестве прототипа, так как он имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого технического решения. Однако он имеет существенные недостатки:
- низкая эффективность теплообмена;
- большие габаритные размеры.
Это обусловлено тем, что имеет место неравномерное распределение теплообменных процессов по его объему и для достижения требуемого теплообмена необходимо увеличивать габаритные размеры рекуператора, так как модули состоят из панелей, образованных из листовых пластин и приваренных к ним с одинаковым шагом и равной высоты вертикальных ребер, между которыми созданы каналы, имеющие одинаковые поперечные сечения как для прохода, например, воздуха, так и дыма. При этом модули находятся и в периферийной, и в центральной зонах рекуператора. В результате, в каналах модулей центральной зоны рекуператора создается давление, проталкивающее воздух с большой скоростью, на которой теплообмен лучше, и к середине длины каналов модулей, расположенных в ней, тепловой поток практически остывает, а в каналах модулей периферийной зоны рекуператора скорости маленькие, соответственно и мала масса проходящего газа через эти каналы рекуператора. Иначе говоря, каналы в центральной зоне рекуператора перегружены, а периферийной - недогружены. Поэтому имеют место быть и увеличенные габариты рекуператора, и низкая эффективность теплообмена.
Задачей настоящего изобретения является создание нового оребренного рекуператора, обеспечивающего достижение противоречивых технических результатов, а именно высокоэффективный теплообмен и малые габаритные размеры.
Поставленная задача решена следующим образом. В известном оребренном рекуператоре, содержащем коробчатый пакет, состоящий из, по меньшей мере, двух модулей, расположенных в периферийной и центральной зонах пакета, при этом каждый модуль образован из, по меньшей мере, трех оребренных панелей, которые выполнены из листовых пластин и приваренных к ним вертикальных ребер, причем все оребренные панели расположены параллельно и друг над другом и неразъемно соединены между собой путем приваривания ребер одной панели к поверхности листовой пластины, свободной от ребер, другой панели с образованием чередующихся каналов с поперечным сечением для прохода нагревающей и нагреваемой сред, согласно настоящему изобретению периферийную зону пакета образует, по меньшей мере, один модуль, а центральную - по меньшей мере, один, но другой модуль, при этом в модуле, образующем периферийную зону пакета, каналы имеют в поперечном сечении размеры, отличные от размеров поперечного сечения каналов у модуля, образующего центральную зону пакета.
Есть вариант развития, по которому количество модулей, расположенных в упомянутых зонах, различное и зависит от теплового режима, приходящегося на соответствующую зону пакета.
Есть в развитии еще вариант, по которому модули от центра пакета по вертикали и/или по горизонтали распределены от модулей с малыми размерами поперечных сечений каналов, образующих центральную зону, к модулям с увеличенными размерами поперечных сечений каналов, образующих периферийную зону пакета, или наоборот, от модулей в периферийных зонах к модулям в центральной зоне, при этом размеры поперечных сечений каналов в каждом модуле имеют разные размеры в зависимости от проходящей через них газообразной среды.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет создать новый тип рекуператора, который позволяет достичь следующих технических результатов.
- оптимизировать режим теплообмена;
- получить малые габариты.
Это обусловлено тем, что применение модульного принципа (одинаковая высота ребра в панелях модуля) и увеличение шага между ребрами от оси к периферии в панели модуля позволяют иметь поперечное сечение каналов, обеспечивающих оптимальное распределение тепловых потоков как в дымовом (продольном), так и в воздушном (поперечном) каналах. При этом без потери мощности рекуператора общее количество оребренных панелей, а следовательно, и модулей, может сократиться на 20-30%. (К периферийным частям шаг или высоту ребра можно увеличить в 1.5-3 раза). Кроме того, размеры каналов, в частности их поперечные сечения, в каждом модуле рассчитываются исходя из принципа максимальной тепловой передачи рекуператора в целом при минимальных габаритах и аэродинамическом сопротивлении, что в первую очередь при равной температуре входа в канал зависит от скорости потока в к нем. Увеличение размера поперечного сечения каналов в периферийной части рекуператора согласно расчету выравнивают скоростью в них до оптимальных для теплообмена. Получается, что уменьшаем общую площадь теплоотдачи, а теплопередача увеличивается. Более того, заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет сократить время его сборки при одновременном повышении точности позиционирования за счет того, что коробчатый пакет составлен из, по меньшей мере, двух модулей, образованных из, по меньшей мере, трех (но возможно, что и двух) панелей с перекрестными потоками. При этом высота ребра и шаги между ребрами в каждой панели модуля зависят от его расположения в рекуператоре относительно горизонтальной и вертикальной оси симметрии, причем шаг между ребрами в каждой панели может быть переменным, а следовательно, и сам размер поперечного сечения каналов также может быть переменным. Высота ребра и шаги между ними в панели модуля определяются решением тепловой задачи. Так как в поперечное сечение канала каждого модуля перекрестно текут газы, отличающиеся физическими свойствами, температурой и скоростью, высота ребра и шаги между ними в панелях модуля могут отличаться между собой, но в каждом модуле могут быть равными или различными для продольных и поперечных потоков. Необходимо отметить также, что общее количество пластин при предлагаемом подходе на 20-40% меньше чем у известного, например, по аналогу или прототипу, следовательно, настолько же меньше сварного шва (рабочего времени). В результате получается, что предложенный модульный принцип создания рекуператора позволил предложить модуль - тело с одной выступающей оребренной поверхностью, состоящее из минимум трех (можно и двух) перекрестно сваренных между собой продольной и поперечной панелей. При этом высота ребра в каждой панели и шаги между ее ребрами могут отличаться в зависимости от положения модуля в рекуператоре, то есть панели модуля могут быть одинаковыми, но высота ребра и шаги между ребрами в продольных и поперечных пластинах могут быть разными. Это обусловлено тем, что рекуператор (или рабочее тело рекуператора) в зависимости от необходимой тепловой мощности и свойств газов собирается из определенного числа различных модулей, размеры которых могут быть унифицированы, сваренных друг с другом в определенной последовательности, а модуль, в свою очередь, набирается из определенного количества продольных и поперечных панелей.
Заявитель провел патентный поиск по данной теме изобретения и выявил, что предлагаемая совокупность существенных признаков не известна и поэтому заявляемое изобретение можно считать новым.
Данное техническое решение обладает изобретательским уровнем и оно для специалиста средней квалификации логически не следует из уровня техники. Это обусловлено тем, что технический результат заявляемого технического решения достигается новой совокупной взаимосвязью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных. Так, например, в известных рекуператорах высота ребра и шаги между ребрами в дымовой и воздушной панелях модуля не зависят от его расположения в рекуператоре относительно горизонтальной и вертикальной оси симметрии. Между тем в поперечное сечение канала каждого модуля перекрестно текут газы, отличающиеся физическими свойствами, температурой и скоростью. Поэтому высота ребра в дымовой и воздушной панелях должна отличаться друг от друга, а шаг между ребрами также должен быть переменным. В итоге получаются переменные поперечные сечения у каналов для воздуха и дыма, например. Высота ребер и шаги между ними в дымовой и воздушной панелях модуля определяются решением тепловой задачи. Это и сделано в предлагаемом рекуператоре. Но именно это в известных рекуператорах не учитывают (см. аналог и прототип). Причем в прототипе принцип модульности формирования рекуператора преследует цель повышения производительности их изготовления, расширения их номенклатурного ряда, но не оптимизации теплового их режима и уменьшения габаритных размеров.
Таким образом, в предлагаемом изобретении рекуператор (или рабочее тело рекуператора) в зависимости от необходимого теплового режима и мощности набирается из строго определенного числа модулей, причем модуль состоит из одинаковых дымовых и воздушных панелей, причем высота ребер в них одинаковая, а шаг между ними увеличивается к периферии. Также высота ребер для модулей увеличивается в зависимости от его удаления от центра. Стоит отметить также, что предлагаемое технологическое решение позволяет проводить сборку (сварку) рекуператора, в частности, в три этапа - на первом свариваются модули, далее модули проверяются на герметичность, после чего производится сборка и сварка самого рекуператора. Такой способ дает возможность использовать труд разной квалификации, на первом этапе более низкой, так как в модуле намного проще обеспечить герметичность (доварку) после теста, чем уже в готовом рекуператоре. На втором этапе рекуператор сваривается из модулей более квалифицированными сварщиками. Также при серийном производстве создается возможность запараллелить технологический цикл сборки (сварки) тела рекуператора - на сборочном стапеле (стоимость которого достаточно велика) может работать только один сварщик высокой квалификации, в это же время сварщики низкой квалификации сваривают модули на более дешевых приспособлениях. Как правило, модуль состоит из 6-20 панелей. При равной производительности сварки 3-4 сварщика низкой квалификации могут обеспечить работу одного квалифицированного сварщика на сборке. Тем самым изготовление рекуператора можно ускорить в 2-4 раза.
Техническая сущность и практическая применимость заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где:
Фиг. 1 - общий вид в аксонометрии рекуператора со схемой прохода теплоносителя и нагреваемой среды;
Фиг. 2 - общий вид в аксонометрии диффузора;
Фиг. 3 - модуль периферийный и модуль центральный;
Фиг. 4 - рассыпная схема сборки рекуператора и его модулей из оребренных панелей.
Позиции на фигурах:
1 - рекуператор;
2 - диффузор;
3 - вход в диффузоре для теплового потока среды;
4 - вход в диффузор для нагреваемого потока среды:
5 - вариант модуля А;
6 - вариант модуля В;
7 - поперечное сечение канала в модуле А;
8 - поперечное сечение канала в модуле В;
9 - поперечное сечение канала в модуле В;
10 - поперечное сечение в модуле В;
11 - оребренная панель;
12 ребра, наваренные на листовую панель;
13 - модуль периферийный;
14 - модуль центральный;
15, 16 - поперечные сечения каналов в модуле периферийном;
17, 18 - поперечные сечения каналов в модуле центральном.
Предлагаемый оребренный рекуператор 1 представляет собой коробчатый пакет (Фиг. 1, 4). Он содержит, по меньшей мере, два модуля. Например, А и В (фиг. 3) или три модуля, из коих два 13 и один 14 (периферийные и центральный) (Фиг. 4). При этом каждый модуль образован из, по меньшей мере, трех оребренных панелей 11 (Фиг. 4), которые выполнены из листовых пластин и приваренных к ним вертикальных ребер 12. Причем все оребренные панели 11 расположены параллельно и друг над другом и неразъемно соединены между собой путем приваривания ребер 12 одной панели 11 к поверхности листовой пластины, свободной от ребер, другой панели с образованием чередующихся каналов 15, 16, 17, 18 (Фиг. 4) с поперечным сечением для прохода нагревающей и нагреваемой сред (Фиг. 1). При этом периферийную зону пакета образует, по меньшей мере, один модуль 13, а центральную, по меньшей мере, один, но другой модуль 14. В модуле 13, образующем периферийную зону пакета, каналы 15 и 16 имеют в поперечном сечение размеры, отличные от размеров поперечного сечения каналов 17 и 18 у модуля 14, образующего центральную зону пакета (Фиг. 4).
Необходимо отметить, что количество модулей, расположенных в упомянутых зонах, может быть различное и зависит от теплового режима, приходящегося на соответствующую зону пакета. Например, в центральной зоне может быть два модуля 14, но тогда в периферийной зоне их будет четыре, из коих два вверху, а два внизу (на чертеже не показано). Но может быть и иное сочетание. Модули по размерам сами по себе могут отличаться (На чертеже не показано). В этом случае возможен вариант, когда модули от центра пакета по вертикали и/или по горизонтали распределены от модулей с малыми размерами поперечных сечений каналов, образующих центральную зону, к модулям с увеличенными размерами поперечных сечений каналов, образующих периферийную зону пакета или наоборот, от модулей в периферийных зонах к модулям в центральной зоне, при этом размеры поперечных сечений каналов в каждом модуле имеют разные размеры в зависимости от проходящей через них газообразной среды (на чертеже не показано). Хотя частично это следует из модуля 6 (фиг. 3), отражается эта возможность и на рекуператоре 1 (Фиг. 4).
Необходимо отметить, что вначале изготавливают оребренные панели 11. Затем свариваются модули 13 и 14. В них далее проверяют на герметичность каналы, образованные ребрами. Причем ребрам задают высоту и шаг расположения, что и определяет поперечное сечение каналов. После чего производятся сборка и сварка самого рекуператора (Фиг. 4). Такой способ дает возможность использовать труд разной квалификации, на первом этапе более низкой, так как в модуле намного проще обеспечить герметичность (доварку) после теста, чем уже в готовом рекуператоре. На втором этапе рекуператор сваривается из модулей более квалифицированными сварщиками.
Предложенный оребренный рекуператор - система из перекрестно соединенных оребренных панелей, из которых образованы модули, распределенные по соответствующим его зонам и имеющие каналы для прохождения теплоносителя и поперек ему нагреваемой среды (Фиг 1). Основные показатели рекуператора:
- теплосъем dQ, кВт*час;
- перепад давления dP, Па.
Обычно также задается температура на входах рекуператора Т1а и Т2а и желаемая температура на входах T1b и T2b. Причем dQ в обоих направлениях равны, так как снимаемое тепло равно переданному. В то же время рекуператор должен отвечать требованиям минимальных размеров X Υ Ζ при максимальной теплопередаче и минимальному перепаду давления. Аэродинамическое сопротивление рекуператора dP определяется свойствами газа (в основном от вязкости газа) и трением об стенки каналов (их суммарной площади), и скоростью V в каждом канале. dP ~ΣiY, (a*b*X), Vi, где Vi - скорость в каждом канале, a i - каналы от 1 до N, где N - число каналов, a, b, X - ширина, высота и длина канала (на чертеже не показано)
Однако в силу того, что скорость воздуха или дыма в подводящей трубе, неоднородна по сечению, тем более используются диффузоры (фиг. 2), то практически невозможно обеспечить одинаковую скорость потока в каждом канале по обычной схеме рекуператора. Поэтому для увеличения теплопередачи потоков и для снижения аэродинамического сопротивления предлагается изменять размер поперечного сечения каналов а-b в зависимости от их расположения в рекуператоре. То есть предлагается составлять рекуператор из модулей с каналами, образованными ребрами, образующими у них поперечное сечение, переменными с высотой bJ и с шириной aI. Причем изготавливаемые заранее и уже точно по расчету распределения в нем каналов. Эти модули - технологические единицы 13 и 14, которые самостоятельного применения в качестве рекуператора иметь не могут (Фиг. 4). Они открытые с одной стороны и большое отношение наружной площади к объему - неэффективно. Таким образом, размеры поперечных сечений каналов в модулях рассчитываются исходя из принципа одинаковой тепловой передачи, при равной температуре в первую очередь зависящей от скорости потока в ячейке. Поэтому имеем максимальную теплоотдачу рекуператора при минимально возможном аэродинамическом сопротивлении. Эксперименты показали, что, увеличивая размер поперечных сечений каналов рекуператоров, расположенных в центральной зоне, снижаем давление на центральные каналы и увеличиваем скорость на крайних каналах, расположенных в периферийной зоне, то есть налицо выравнивание скоростей. Получается линейное распределение теплосъема Q по сечению, следовательно, суммарный теплосъем, пропорциональный площади под кривыми S предлагаемого рекуператора, выше. Несмотря на то, что в предлагаемом изобретении имеет место уменьшение общей площади теплоотдачи, теплопередача увеличивается за счет равномерного распределения теплового потока. В итоге получается, что выигрываем как в габаритах, так и в теплосъеме, что в известных рекуператорах подобного типа в известном техническом уровне не наблюдается.
Если в предложенном изобретении высота ребра в модуле увеличивается к периферии и соответственно увеличивается поперечное сечение каналов, то общее число панелей при тех же габаритах и рабочих характеристиках уменьшается, например, на 20-40%, а следовательно, на столько же уменьшаются сварочные работы.
Аэродинамическое сопротивление рекуператора, составленного из модулей согласно представленным рассуждениям, значительно уменьшается, что очень существенно для самоточных систем рекуперации.
Таким образом, предложенное изобретение по своей сущности состоит в том, что рекуператор собирается и сваривается из модулей с одной открытой (оребренной) поверхностью, причем каждый модуль состоит из одинаковых продольных и одинаковых поперечных панелей (продольные и поперечные могут и отличаться друг от друга), поперечный размер каналов (размер ячеек) определяется положением модуля в рекуператоре согласно решению тепловой задачи относительно равных тепловых потоков. В итоге удалось с одной стороны обеспечить эффективный теплообмен, а с другой - уменьшить габариты рекуператора.