ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НАГРЕВА-ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам нагрева-охлаждения типа воздух-жидкость и может быть использована в энергетической, химической, нефте-химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Термоэлектрические устройства нагрева-охлаждения типа воздух-жидкость общеизвестны и описаны, например, в каталоге американской фирмой ТЕСА серия TLC-700-1400 (Thermoelectric Products, Catalog №12, Chicago, 2004 г.). Охладитель TLC-700-1400 содержит прямоугольный теплообменник с квадратным сечением. Наружные поверхности теплообменника использованы для теплопередачи от пластин термоэлектрических батарей охлаждаемой (нагреваемой) жидкости, которая циркулирует по установленному внутри змеевидно-трубчатому трубопроводу. Теплопередача потоку от ограниченной площади плоской поверхности термоэлектрической батареи в данной конструкции повышена за счет увеличения изгибами трубы пути прохождения потока по теплопередающей площади, однако коэффициент теплопередачи существенно ограничивается повышенным термическим сопротивлением переходов пластина термобатареи- поверхность теплообменника - поверхность цилиндрической трубы -охлаждаемый (нагреваемый) поток, а удлиненный путь и изгибы трубы существенно увеличивают гидравлическое сопротивление.
Более качественными характеристиками теплообмена обладают выбранные, как прототип, термоэлектрические устройства с теплообменником, выполненным в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи. Подобные термоэлектрические устройства разработаны и использованы на кафедре «Стартовые ракетные комплексы» МГТУ им. Баумана, г.Москва (доклад А.В.Царева и В.В.Чугункова «Методики расчета и результаты испытаний термоэлектрических охлаждающих устройств для систем термостатирования стартовых комплексов». XXXIII академические чтения по космонавтике, секция 12 «Объекты наземной инфраструктуры ракетных комплексов», 2009 г.). В указанных термоэлектрических системах применены теплообменники с соотношением сторон внутреннего сечения, равным 0,2, т.е. при использовании наиболее широко применяемых модулей термоэлектрических батарей с пластинами 40×40 мм размеры внутреннего сечения такого теплообменника при стандартной толщине стенок проката 1,5 мм составят: ширина 40-2×1,5=37 мм, а высота 37×0,2=7,4 мм. Теплопередача в таком теплообменнике ограничена относительной малой площадью внутренней гладкой поверхности, находящейся под пластиной термоэлектрической батареи, к тому же на этой поверхности на малых скоростях потока образуется тормозящий теплопередачу пристенный ламинарный слой толщиной до 0,5 мм, а использование известных методов интенсификации теплообмена путем разрушения пристенного ламинарного слоя применением турбулизирующих поперечных перегородок (патенты РФ №2095715, F28D 007/00, F28F 009/24, опубликован 10.11.1997 г.; №2188375, F28F 3/02, опубликован 27.08.2002 г.) затруднительно при такой малой высоте внутреннего сечения и вызовет значительный рост гидравлического сопротивления. Поэтому авторы прототипа вынуждены рекомендовать использование не одного, а нескольких термоэлектрических устройств, теплообменники которых соединяют либо последовательно для повышения теплопередачи за счет увеличения суммарной площади внутренних теплообменных поверхностей, либо параллельно для пропорционального уменьшения гидравлического сопротивления движению охлаждаемого (нагреваемого) потока.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении коэффициента теплопередачи от пластин термоэлектрической батареи охлаждаемому (нагреваемому) потоку жидкости без существенного увеличения гидродинамического сопротивления его движению.. Указанный технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом устройстве охлаждения (нагрева) жидкости, содержащем теплообменник, выполненный в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи, а внутренние поверхности которого использованы для теплопередачи охлаждаемому (нагреваемому) потоку, - применен прямоугольный профиль с соотношением сторон внутреннего сечения в пределах 0,2-1, а внутри трубы размещены поперечные перегородки, частично перекрывающие ее проходное сечение и выполненные в виде пучка цилиндрических стержней, замыкающих тепловые потоки противоположных стенок трубы и установленных в коридорном или шахматном порядке перпендикулярно направлению потока, причем стержни либо герметично вмонтированы в противоположные стенки трубы, либо установлены на одной или нескольких несущих продольных пластинах, запрессованных со стержнями во внутреннюю полость трубы.
На фиг.1-3 представлены варианты исполнения теплообменника полезной модели при использовании пучка с наиболее эффективным шахматным расположением цилиндрических стержней (коридорное расположение стержней сохраняет полную конструктивную идентичность). Теплообменник полезной модели представляет собой прямоточную трубу 1 из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи 2. Торцы трубы закрыты заглушками 3 со входным и выходным патрубками 4 (для упрощения на всех фигурах показан только один торец трубы). Внутри трубы размещены поперечные перегородки 5 из цилиндрических стержней, замыкающих тепловые потоки противоположных стенок трубы 1. Стержни 5 установлены перпендикулярно направлению потока и по варианту фиг.1 герметично вмонтированы в противоположные стенки трубы, по варианту фиг.2 установлены на одной несущей продольной пластине 6, а по варианту фиг.3 - на нескольких продольных пластинах 6, запрессованных со стержнями 5 во внутреннюю полость трубы 1. На фиг.4 представлена фотография опытного образца заявляемой полезной модели.
Полезная модель работает следующим образом. Циркулирующий поток жидкости проходит через патрубки 4 по внутренней полости трубы, ограниченной торцевыми заглушками 3. При этом осуществляется теплопередача потоку от пластин термоэлектрической батареи 2, работающей в режиме нагревания, или от потока к пластинам батареи при ее работе в режиме охлаждения. Повышению коэффициента теплопередачи потоку (от потока) жидкости в полезной модели способствует одновременное воздействие трех факторов. Во-первых, поперечные цилиндрические перемычки 5 за счет турбулизации потока эффективно разрушают пристенный ламинарный слой даже при низких скоростях движения потока с минимальными затратами энергии движения потока на обтекание цилиндрических поверхностей стержней. Во-вторых, теплоотдача цилиндров, находящихся в тепловом контакте с противоположными стенками трубы, в режиме турбулизации потока увеличивается до 65% (книга В.П.Исаченко и др., «Теплопередача», изд. 2, «Энергия», М. 1969 г., стр.209, рис.3-6). В-третьих, теплопередающие поверхности цилиндров существенно увеличивают общую теплопередающую поверхность внутренней полости трубы. Таким образом, в полезной модели эффективно использовано решение обратной задачи, часто встречающейся в технике, например, в нагревательных котельных агрегатах, где для повышения теплоотдачи от нагретого потока поперечно омываемым цилиндрическим трубам их собирают в пучок с коридорным или шахматным расположением (стр.210-215 вышеупомянутой книги).
Число стержней в каждом ряду пучка и их диаметр определяются внутренней высотой поперечного сечения трубы и поперечным шагом (расстоянием между осями стержней в поперечном потоку направлении), исходя из условия получения в каждом ряду равных проходных сечений между стержнем и стенкой трубы и между стержнями. Увеличение числа стержней в каждом ряду за счет уменьшения их диаметра повышает теплоотдачу, но при этом сумма проходных сечений ряда не должна быть ниже проходного сечения входного или выходного патрубков 4. Продольный шаг пучка (расстояние между осями двух соседних рядов стержней) может быть равен поперечному шагу, или не более, чем в 2 раза превышать его.
Замыкание стержнями тепловых потоков противоположных стенок трубы может быть осуществлено по варианту фиг.1 их установкой в отверстия этих стенок с последующим расклепыванием концов стержней с использованием герметиков или сварным соединением. Преимущественное использование этого варианта - трубопроводы высокого давления. При пониженных давлениях более технологичным является исполнение теплообменников по вариантам фиг.2 и фиг.3, согласно которым стержни 5, имеющие длину, равную ширине внутреннего сечения трубы 1, предварительно устанавливаются в отверстия одной (фиг.2) или нескольких (фиг.3) продольных пластин, ширина которых соответствует высоте внутреннего сечения трубы 1, после чего производится запрессовка сборки «пластина-стержни» во внутреннюю полость трубы методом протягивания. Вариант фиг.3 с несколькими продольными пластинами особенно эффективен при использовании труб квадратного сечения (соотношение сторон сечения равно 1), что позволяет устанавливать термоэлектрические батареи с четырех сторон трубы, обеспечивая тем самым максимальную компактность и повышенную холодопроизводительность термоэлектрических устройств.
Преимущества полезной модели были выявлены при доработке опытного образца термоэлектрического охладителя воздух-жидкость OverFrost-480-AL, разработанного в ООО «Системы СТК» г.Пермь, в котором использовался теплообменник, аналогичный теплообменнику прототипа данной заявки, а именно, выполненный в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля сечением 40 х 20 мм (т.е. соотношение сторон сечения равно 0,5). Согласно проведенным исследованиям, разница температур стенок трубы и жидкости на выходе теплообменника достигала 7-9°С. Охладитель с таким теплообменником был отправлен на испытания в СКБ «Нефтехимавтоматика» г.Уфа, после чего в данном охладителе ООО «Системы СТК» была произведена замена упомянутого теплообменника на теплообменник такого же конструктива, но выполненный с отличительными признаками настоящей заявки по варианту фиг.1. Испытание изделия с новым теплообменником, представленном на фиг.4 и получившим название OverFrost-480-AL-1, зафиксировали разность температур стенок трубы и жидкости на выходе теплообменника в пределах 0,5-1,5°С, при этом гидродинамическое сопротивление движению потока со скоростью 1,5÷2 м/сек увеличилось не более, чем на 10-15%. Доработанное изделие было вновь направлено на испытание в СКБ «Нефтехимавтоматика». Сравнение результатов обоих испытаний показало, что полезная модель обеспечивает почти вдвое большую холодопроизводителыюсть при охлаждении температуры жидкости до 0°С даже при снижении на 20% мощности электропитания термоэлектрических батарей. В соответствии с полученными результатами руководство СКБ «Нефтехимавтоматика» предполагает заказать разработчикам выпуск партии изделий объемом порядка 100 шт. в год.