ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, преимущественно к кожухотрубным воздухоподогревателям котельных агрегатов.
Известен теплообменник (см. патент РФ №2161764, МПК F28D 3/00, F28F 13/12,2001), содержащий теплообменную поверхность, устройство для подачи теплоносителя с отверстиями, в которых расположены сопла с жестко закрепленными внутри завихрителями в виде четырех полос, развернутых по ходу сопла на 90° и имеющих лотки, соединенные с кольцевой канавкой и установленным в нижней ее части устройством для удаления загрязнений.
Недостатком является залипание твердых и каплеобразных загрязнений на внутренней поверхности кольцевой канавки, что приводит к возрастанию толщины слоя загрязнений и последующему срыву его потоком воздуха, поступающего в сопло, а это интенсифицирует бомбардировку теплообменной поверхности, снижая эксплуатационные показатели теплообменников за счет увеличения частоты замены пучка труб. Кроме этого, возрастание концентрации загрязнений по проходному сечению сопла увеличивает его гидравлическое сопротивление и, как следствие, приводит к дополнительным энергозатратам при транспортировке теплоносителя в теплообменник.
Известен теплообменник (см. патент РФ на полезную модель №75884, МПК F28D 3/00, F28F 13/12, 2008), содержащий теплообменную поверхность, устройство для подачи теплоносителя с отверстиями, в которых расположены сопла с жестко закрепленными внутри завихрителями в виде четырех полос, развернутых по ходу сопла на 90° и имеющих лотки, соединенные с кольцевой канавкой и установленным в нижней ее части устройством для удаления загрязнений, отличающийся тем, что кольцевая канавка выполнена из биметалла, при этом материал биметалла на внутренней поверхности кольцевой канавки имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза превышающий коэффициент теплопроводности материала на внешней поверхности кольцевой канавки.
Недостатком является энергоемкость эксплуатации в качестве воздухоподогревателей котельных агрегатов в темное время суток, когда необходимо осуществлять дежурное освещение помещения, в котором расположен теплообменник, что требует наличие источника электрической энергии, а это в целом удорожает процесс подогрева воздуха окружающей среды, нагнетаемого вентилятором, например, в топку котельного агрегата.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат при эксплуатации теплообменника, особенно в темное время суток, путем применения теплового потенциала нагревающего теплоносителя для производства электрической энергии, обеспечивающей дежурное освещение процесса теплообмена, посредством использования термоэлектрического генератора, выполненного в виде корпуса с проходным каналом для нагревающего теплоносителя и комплектом дифференциальных термопар, при этом «горячие» концы расположены внутри проходного канала для нагревающего теплоносителя.
Технический результат по снижению энергоемкости при длительной эксплуатации теплообменника достигается тем, что теплообменник содержит теплообменную поверхность, устройство для подачи теплоносителя с отверстиями, в которых расположены сопла с жестко закрепленными внутри завихрителями в виде четырех полос, развернутых по ходу сопла на 90° и имеющих лотки, соединенные с кольцевой канавкой и установленным в нижней ее части устройством для удаления загрязнений, причем кольцевая канавка выполнена из биметалла, при этом материал биметалла на внутренней поверхности кольцевой канавки имеет коэффициент теплопроводности, в 2,0-2,5 раза превышающий коэффициент теплопроводности материала на внешней поверхности кольцевой канавки, причем теплообменная поверхность включает расширяющийся патрубок ввода нагревающего теплоносителя и трубчатую решетку, между которыми расположен термоэлектрический генератор, выполненный в виде корпуса с проходным каналом для нагревающего теплоносителя и комплектом дифференциальных термопар, при этом вход проходного канала для нагревающего теплоносителя соединен с входом расширяющегося патрубка ввода нагревающего теплоносителя теплообменной поверхности, а его выход соединен с выходом расширяющегося патрубка ввода нагревающего теплоносителя перед трубчатой решеткой, кроме того, «горячие» концы комплекта дифференциальных термопар термоэлектрического генератора расположены внутри проходного канала для нагревающего теплоносителя, а их «холодные» концы укреплены на поверхности корпуса термоэлектрического генератора вдали от проходного канала для нагревающего теплоносителя.
На фиг.1 изображен теплообменник, общий вид, на фиг.2 - завихритель суживающегося сопла с лотками на каждой из четырех полос, на фиг.3 - поперечный разрез кольцевой канавки.
Теплообменная поверхность 1 включает расширяющийся патрубок 11 ввода нагревающего теплоносителя и трубчатую решетку 12, между которыми расположен теплоэлектрический генератор 13, выполненный в виде корпуса 14 с проходным каналом 15 для нагревающего теплоносителя, который своим входом 16 соединен с входом 17 расширяющегося патрубка 11 ввода нагревающего теплоносителя теплообменной поверхности 1, а его выход 18 соединен с выходом 19 расширяющегося патрубка 11 ввода нагревающего теплоносителя перед трубчатой решеткой 12 и комплекта дифференциальных термопар 20. «Горячие» концы 21 комплекта дифференциальных термопар 20 теплоэлектрического генератора 13 расположены внутри проходного канала 15 для нагревающего теплоносителя, а «холодные» их концы 22 укреплены на поверхности 23 корпуса 14 теплоэлектрического генератора 13 вдали от проходного канала 15 для нагревающего теплоносителя.
Теплообменник работает следующим образом.
При поступлении нагревающего теплоносителя, например отработанных газов котельных агрегатов с температурой от 140°С и выше, на вход 17 расширяющегося патрубка 11 он разделяется на два потока: один направляется в к входу 16 проходного канала 15 для нагревающего теплоносителя корпуса 14 теплоэлектрического генератора 13, а другой (основной) - к трубчатой решетке 12 и далее к пучку труб теплообменной поверхности 1 для передачи тепла нагреваемому теплоносителю, т.е. воздуху окружающей среды. Отработанные газы котельных агрегатов от входа 16 перемещаются по проходному каналу 15, где контактируют с «горячими» концами 21 комплекта дифференциальных термопар 20 теплоэлектрического генератора 13, и далее через выход 18 поступают на вход 19 расширяющегося патрубка 11 ввода нагревающего теплоносителя перед трубчатой решеткой 12.
Данное техническое решение по соединению входа 16 и выхода 18 проходного канала 15 для нагревающего теплоносителя соответственно к входу 17 и выходу 19 расширяющегося патрубка 11 позволяет, используя скоростной напор вводимого нагревающего теплоносителя, без дополнительных энергозатрат преодолевать аэродинамическое сопротивление проходного канала 15 при перемещении потока отработанных газов, направляемых в корпус 14 теплоэлектрического генератора 13.
«Холодные» концы 22 комплекта дифференциальных термопар 20 контактируют с воздухом окружающей среды, имеющим температуру до 20°С в зависимости от условий эксплуатации котельных агрегатов. При выполнении комплекта дифференциальных термопар 20, например из хромель-копеля, температурный перепад (около 100°С) дает возможность на каждой термопаре получать термо-эдс до 6,96 мВ (см., например, Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.). А это позволяет получить напряжение на выходе термоэлектрического генератора 13 в пределах 12÷36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.
Справочник / под. общ. ред. В.М.Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1980. 560 с.), что вполне достаточно для питания дежурного освещения помещения, в котором расположен теплообменник. А это в конечном итоге позволяет снизить энергозатраты на нагрев воздуха окружающей среды при длительной эксплуатации теплообменника.
Теплоноситель, например воздух из окружающей среды, в которой практически всегда наблюдается наличие во взвешенном состоянии мелких твердых частиц и каплеобразных загрязнений, нагнетается вентилятором (не показан) и поступает на входное устройство 2 и далее к соплам 3. В суживающихся соплах 3 поток ускоряется и, перемещаясь по полосам завихрителя 4, закручивается и в виде двух струй подается на теплообменную поверхность 1. Твердые частицы и каплеобразные загрязнения, поступая на полосы завихрителя 4, за счет центробежных сил смещаются в лотки 5, здесь сталкиваются, слипаются, коагулируют и, укрупняясь, перемещаются по внутренней полости лотков 5 и входному отверстию 6 устройства 2, где выполнена смесь, состоящая из каплеобразной влаги и смоченных твердых частиц, перемещаются из лотков 5 в кольцевую канавку 7, где в результате контакта на внутренней ее поверхности 9 образуется слой загрязнений, изменяющийся по толщине в направлении к нижней части. Здесь размещено устройство для удаления загрязнений 8. Интенсивность роста слоя загрязнений на внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7 определяется концентрацией твердых частиц, смоченных пылеобразной влагой и обладающих высокой степенью слипаемости с материалом внутренней поверхности 9. При толщине загрязнений, превышающей глубину кольцевой канавки 7, особенно ближе к ее нижней части, наблюдается постоянный срыв и витание каплеобразных и твердых частиц под воздействием непрерывно поступающего потока теплоносителя, т.е. воздуха, и, как следствие данного явления, концентрация загрязнений в объеме суживающихся сопл 3 резко возрастает и часть их бомбардирует теплообменную поверхность, снижая эксплуатационные показатели теплообменников за счет увеличения частоты замены пучка труб в период работы.
Выполнение кольцевой канавки 7 из биметалла при наличии разности температур между температурой воздуха окружающей среды, примерно равной температуре наружной поверхности устройства 2, соответственно, наружной поверхности 10 кольцевой канавки 7, и температурой воздуха, перемещающегося по завихрителям 4 (см., например, Вихревой эффект и его применение в технике. - А.П.Меркулов. М.: 1969, 387 с.), соответственно, внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7, приводит к образованию термовибраций, которые практически устраняют налипание смоченных каплеобразной влагой твердых частиц на внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7. Т.к. температурный напор, как показала практика эксплуатации кожухотрубных воздухонагревателей котельных агрегатов, колеблется от 10 до 15°С, то предлагается в составе биметалла использовать материал внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7 с коэффициентом теплопроводности, превышающим в 2,0-2,5 раза коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности 10. В результате градиент температур, получаемый по условиям эксплуатации, поддерживает стабильную термовибрацию (см., например, Дмитриев А.Н. Биметаллы. Пермь, 1991, 416 с.), обеспечивающую постоянное стряхивание налипающих твердых и каплеобразных загрязнений с внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7 в устройство удаления загрязнений 8 и, как следствие, устраняются возможность образования утолщенного слоя загрязнений и, соответственно, срыва его с внутренней поверхности 9 кольцевой канавки 7 и последующая бомбардировка теплообменной поверхности.
Оригинальность технического решения заключается в том, что снижение эксплутационных энергозатрат при работе теплообменника достигается использованием теплового потенциала отработанных газов котельных агрегатов для производства электрической энергии для дежурного освещения в темное время суток помещения, в котором расположен теплообменник, путем выполнения термоэлектрического генератора с проходным каналом для нагревающего теплоносителя и комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых контактируют с нагревающим теплоносителем, а «холодные» их концы контактируют с воздухом окружающей среды.