Комплексный теплообменник из многослойных пластин
COMPLEX HEAT EXCHANGER FROM MULTILAYER PLATES

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 и большое сопротивление теплопередаче, что уменьшает количество утилизированного тепла, диапазон использования и эффективность устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение диапазона использования и эффективности комплексного пластинчатого теплообменника из многослойных пластин.
Технический результат достигается комплексным теплобменником из многослойных пластин, содержащим корпус с газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из
из многослойных теплообменных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, каждая из которых представляет собой перегородку, выложенную из плоских термоэлектрических преобразователей, например, элементов Пельтье, покрытую с обеих сторон крестообразно теплообменными поверхностями, выполненными в виде тавров и уголков из материала с высокой теплопроводностью (например, из алюминия или его сплавов), прикрепленных своими торцами к внутренней поверхности корпуса, причем теплообменные поверхности в смежных многослойных теплообменных пластинах расположены относительно друг друга в шахматном порядке, каждый термоэлектрический преобразователь снабжен токовыводами, соединенными в каждом ряду параллельно с секционными коллекторами, которые соединены также параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов, образуя термоэлектрические блоки, соединенные, в свою очередь, с клеммами.
На фиг. 1–3 представлены общий вид и разрезы комплексного теплообменника из многослойных пластин (КТОМСП), на фиг. 4–5 –плоский термоэлектрический преобразователь (ПТЭП) и его стыковка с соединительными проводами и теплообменными поверхностями (ТОП).
Предлагаемый КТОМСП содержит корпус 1 с газовыми и воздушными патрубками (на фиг. 1–5 не показаны), внутри которого помещен пакет, состоящий из многослойных теплообменных пластин (МТОП) 2, образующих между собой газовые и воздушные каналы 3 и 4, каждая из которых представляет собой перегородку, выложенную из плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 5 (например, элементов Пельтье), покрытую с обеих сторон крестообразно теплообменными поверхностями (ТОП) 6, выполненными в виде тавров 7 и уголков 8 из материала с высокой теплопроводностью (например, из алюминия или его сплавов), прикрепленных своими торцами к внутренней поверхности корпуса 1 (узлы крепления на фиг. 1– 5 не показаны), причем ТОП 6 в смежных МТОП 2 расположены относительно друг друга в шахматном порядке, каждый ПТЭП 5 снабжен токовыводами 9 10, соединенными в каждом ряду параллельно с секционными коллекторами 11 и 12, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 13, которые соединены также параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15, образуя термоэлектрические блоки (ТЭБ) 16, соединенные, в свою очередь, с клеммами 17 и 18, соответственно.
В основу работы КТОМСП положено использование плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 5 (например, элементы Пельтье), которые могут генерировать значительное количество термоэлектричества при температурах значительно ниже 150°С и увеличение скорости теплообмена при применения поверхностей теплообмена с большей поверхностью теплопередачи, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи и предотвращение воздействия агрессивных газов на ПТЭП 5, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки, повышению ее надежности и эффективности и, в конечном счете, обеспечивает утилизацию большего количества тепла и генерирование в ТЭБ 16 большего количества термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506].
Комплексный теплообменник из многослойных пластин (КТОМСП ), 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 перекрестным током в воздушные каналы 4 подается холодный воздух, который, при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла через смежные МТОП 2, 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, процесс теплопередачи через МТОП 2 интенсифицируется за счет площади теплообменных поверхностей 6, которые передают и отводят большее количество тепла в ПТЭП 5, за счет чего в них и соответственно в ТЭС 13 и ТЭБ 16 вырабатывается также большее количество термоэлектричества и утилизируется большее количество тепла сбросных газов. Полученное в каждой ПТЭП 5 термоэлектричество, через токовыводы 9 и 10 поступает в секционные коллекторы 11 и 12, общие коллекторы 14 и 15, а оттуда через клеммы 17 и 18 подается потребителю.
При этом, провода токовыводов 9 и 10 и секционных коллекторов 11 и 12 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом и находятся в более холодных воздушных каналах 4, а параллельное соединение ПТЭП 5 в ТЭС 13 с секционными коллекторами 11 12 и параллельное соединение ТЭС 13 с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15 ТЭБ 16 обеспечивает снижение электрического сопротивления установки. Кроме того, полное покрытие ПТЭП 5 ТОП 6 крестообразно наряду с предохранением их от коррозионного воздействия агрессивных газов и повреждений от механических примесей, позволяет упростить конструкцию КТОМСП и проводить процесс теплообмена в перекрестном токе, что увеличивает движущую силу процесса теплопередачи (полезную разность температур), а шахматное расположение ТОП 6 в смежных МТОП 2 позволяет уменьшить площадь сечения газовых и воздушных каналов 3 и 4 и таким образом уменьшить размеры устройства, одновременно интенсифицируя процесс теплопередачи.
Очистку теплообменных поверхностей 6 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 17 и 18 КТОМСП зависит от характеристик ПТЭП 5, числа их в ТЭС 13, числа ТЭС 13 и ТЭБ 16. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например, для освещения или работы средств автоматики.
Таким образом, предлагаемый комплексный теплообменник из многослойных пластин  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.