ТЕПЛООБМЕННИК С ЭЛЕМЕНТАМИ В ФОРМЕ ПРУЖИН, РАСПОЛОЖЕННЫМИ СТРУКТУРИРОВАНО ПОД УГЛОМ 90º

Настоящая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к теплообменной технике, и может быть использована для обеспечения повышенной энергоэффективности в теплообменниках, рекуператорах и т.п., которые применяются в различных отраслях промышленности.
Известен теплообменник, включающий в себя множество расположенных в стопку слоев пластин, причем каждая пластина имеет повторяющийся рисунок сгибов, множество расположенных в стопку слоев пластин образует множество повторяющихся смещенных ячеистых структур, первый канал хладагента и второй канал хладагента, присоединенные к периферийным пластинам во множестве расположенных в стопку слоев пластин [Патент RU 146883, F28D 1/03, F28F 3/02, опубл. 20.10.2014]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся смещенные ячеистые структуры.
Известен высокопористый ячеистый теплообменник с микропорами, включающий в себя множество расположенных в стопку слоев высокопористого ячеистого материала с диаметром ячеек 4 мм и с микропорами диаметром 0,9 мм, первый канал теплоносителя и второй канал теплоносителя, присоединенные к периферийным слоям высокопористого ячеистого материала [Патент RU205896, F28D 9/00, F28F 21/00, F28F 13/12, опубл. 11.08.2021]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся слои высокопористого ячеистого материала.
Недостатком перечисленных аналогов является сложность изготовления пористых материалов.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник с элементами в форме пружин, расположенными под углом 45°, пористость упаковки элементов составляет 0,8, размеры каждого элемента: толщина проволоки - 1 мм, диаметр спирали - 5 мм, шаг - 5 мм [Патент RU 209655, F28D 21/0001, F28F 13/12, опубл. 17.03.2022]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через множество элементов в форме пружин.
Недостатком данной полезной модели является пониженное значение показателя энергетической эффективности ввиду высокого перепада давления.
Задачей полезной модели является разработка теплообменника с элементами в форме пружин, расположенных структурировано под углом 90°, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является снижение перепада давления и, как следствие, повышение энергетической эффективности.
Технический результат достигается тем, что теплообменник включает в себя множество структурировано расположенных под углом 90° элементов в форме пружин, пористость упаковки элементов составляет 0,8, размеры каждого элемента: толщина проволоки - 1 мм, диаметр спирали - 5 мм, шаг - 5 мм. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через множество элементов в форме пружин.
Ранее [Патент RU 209655, F28D 21/0001, F28F 13/12, опубл. 17.03.2022] было определено, что при использовании в теплообменниках элементов в форме пружин наблюдаются интенсификация теплообмена, пониженное значение перепада давления и повышенная энергоэффективность в сравнении с пористыми материалами. Так же заметим, что пружины технологически проще изготовить, чем пористый материал.
На фиг. 1 изображен образец теплообменника с элементами в форме пружин, расположенными структурировано под углом 90°.
В теплообменниках предлагается использовать элементы в форме пружин, размещенные структурировано под углом 90°, пористость упаковки элементов составляет 0,8, размеры каждого элемента: толщина проволоки - 1 мм, диаметр спирали - 5 мм, шаг - 5 мм (фиг. 2).Теплообменные элементы могут быть изготовлены из меди, алюминия или теплопроводящих сплавов. Также теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через множество элементов в форме пружин. Численные параметрические расчеты показали, что значение пористости 0,8 является наиболее оптимальным. Для численного моделирования использовались следующие размеры: диаметр цилиндрического корпуса теплообменника - 2 см; длина элементов - 2 см; длина входного и выходного вспомогательных патрубков - 2 и 6 см соответственно. Размеры элементов конструкции теплообменника и пружин могут быть изменены в зависимости от особенностей технологического процесса.
Показатель энергетической эффективности рассчитан по формуле [Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]:
где Q - тепловой поток с поверхности элементов, Вт; δP - мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя (воздуха), Вт [Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]:
V
3
где G - объемный расход воздуха, м/с; Δр - перепад давления, Па; G - массовый расход воздуха, кг/с; ρ - плотность воздуха, кг/м.
Для прокачки воздуха в межтрубном пространстве предпочтительными являются скорости 0,25-1,25 м/с. При сравнении элементов в форме пружин, размещенных структурировано под углом 90°, с пружинами, размещенными под углом 45°, наблюдается заметное снижение перепада давления у первых (фиг. 3). При скорости потока воздуха 0,25 м/с значение перепада давления у элементов, размещенных структурировано под углом 90°, относительно элементов, размещенных под углом 45°, будет ниже на 21,12%; при скорости 0,5 м/с - на 17,70%; при скорости 0,75 м/с - на 15,90%; при скорости 1 м/с - на 16,83%; при скорости 1,25 м/с - на 10,98%). Как следствие, затраты мощности на прокачку воздуха при использовании в теплообменнике элементов в форме пружин, размещенных под углом 90°, также будут ниже (2).
Снижение затрат мощности приводит к увеличению значения показателя энергетической эффективности (1) (фиг. 4). Так, при скорости потока воздуха 0,25 м/с прирост энергетической эффективности у элементов, размещенных структурировано под углом 90°, относительно элементов, размещенных под углом 45°, составит 24,26%; при скорости 0,5 м/с - 14,77%; при скорости 0,75 м/с - 12,11%; при скорости 1 м/с - 14,24%; при скорости 1,25 м/с - 7,43% (фиг. 5).
Таким образом, можно сделать вывод, что в результате использования в теплообменниках элементов в форме пружин, размещенных структурировано под углом 90°, с пористостью упаковки элементов 0,8 можно заметить уменьшение значения перепада давления и, как следствие, прирост энергетической эффективности в сравнении с элементами, размещенными под углом 45°.