ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА
CYLINDRICAL RECUPERATIVE HEAT EXCHANGER OF COAXIAL TYPE

Изобретение относится к области теплоутилизирующих устройств, и может использоваться для утилизации тепловой энергии уходящего воздуха в приточно-вытяжных установках вентиляции и кондиционирования воздуха.
Известно устройство пластинчатого рекуперативного теплообменного аппарата, применяемого в приточно-вытяжных вентиляционных установках, и выполненного в параллелепипедной, кубической или призматической форме, образованной каскадно-расположенными друг над другом металлическими высокотеплопроводными пластинами, отделяющими воздушные потоки приточного и уходящего воздуха (см., например, О.В. Картавцева, С.В. Баратынская «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение», учебно-методический комплекс. – Новополоцк: ПГУ, 2011 г. С. 221-223). Недостатками данного устройства являются большие габариты теплообменного аппарата и высокое аэродинамическое сопротивление, развиваемое краеугольной формой поперечного сечения воздушных каналов. Вследствие этого скорость движения воздуха в каналах, образуемых металлическими пластинами, стремительно снижается, что не позволяет применять рекуперативные теплообменные аппараты данной конфигурации с большой линейной протяженностью, без сопутствующего увеличения давления, развиваемого вентилятором. В результате происходит  снижение интенсивности процесса теплообмена, в случае с малой линейной протяженностью и номинальным давлением, развиваемым вентилятором, либо значительное повышение капиталовложений, обуславливающее незначительное развитие технического потенциала, в случае с увеличением линейной протяженности и давлением, развиваемым вентилятором.
Известно устройство воздухо-воздушного рекуперативного теплообменного аппарата роторного типа,  выполненного на поворотной оси в кольцевой форме с наличием множества каналов малого сечения для прохода воздуха (см., например, О.В. Картавцева, С.В. Баратынская «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение», учебно-методический комплекс. – Новополоцк: ПГУ, 2011 г. С. 223-225). Недостатком данного теплообменного устройства является смешивание приточного и удаляемого воздуха, вследствие чего значительно ограничивается сфера его применения. Эксплуатация данного рекуператора может характеризоваться нарушением санитарно-гигиенических норм с выделением вредностей при вентиляции помещений.
Известен пластинчатый теплообменник для рекуперации тепловой энергии, применяемый для утилизации тепла уходящего воздуха в установках вентиляции и кондиционирования (см. патент RU 2247911 С2, F28D 9/00, опубликовано 10.03.2005). Недостатком данного изобретения является краеугольная форма, снижающая компактность устройства, а также повышающая аэродинамическое сопротивление, при движении воздуха по трапециевидным и коническим каналам.
Известно изобретение противоточного пластинчатого матрично-кольцевого компактного керамического рекуператора, выполненного из множества кольцевых продольно разделенных матриц с каналами для перемещения греющей и нагреваемой сред. (см. патент RU 2464514 С2, F28D 9/00, опубликовано 20.10.2012). Недостатком данного устройства, при удовлетворяющей конфигурации каналов и их поперечного сечения, являются большие габариты теплообменного аппарата и толщина стенок матриц, а также более низкая теплопроводность применяемого керамического материала матриц, что обуславливается необходимостью создания эффективного сопротивления термоциклическому нагружению при эксплуатации устройства для перемещения высокотемпературных сред. Применение данного устройства невозможно в низкотемпературных установках.
Наиболее близким техническим решением является пластинчатый теплообменник (см. патент RU 2094726 С1, F28D 9/00, F28F 3/02, опубликовано 27.10.1997), содержащий корпус, коллекторы подвода и отвода теплообменных сред, закладные элементы и каналы для циркуляции теплообменных сред, при этом каналы для циркуляции выполнены за счет изгиба гладкой или гофрированной ленты с обеспечением замкнутого контура в поперечном сечении, а закладные элементы установлены на входных и выходных участках по тракту каждой теплообменной среды между изгибами ленты со стороны их внутренних радиусов, перекрывая частично друг друга в смежных каналах и образуя общую поверхность, к которой подсоединены патрубки подвода и отвода теплообменной среды в полость замкнутого контура, изгибы гофрированной ленты расположены по эвольвенте в корпусе круглого сечения, а по центру теплообменника установлен вытеснитель, на входном и выходном участках каналы выполнены из гладкой ленты, а между изгибами дополнительно установлены распределительные элементы, в каналах установлены дистанционирующие элементы. Устройство применяется для утилизации тепловой энергии газовоздушной или воздушной среды.
Недостатком данного устройства, при удовлетворяющей форме поперечного сечения, является малый полезно используемый объем рекуператора для осуществления процесса теплообмена между греющей и нагреваемой средами.
Задачей изобретения является - интенсификация процесса теплообмена между греющей и нагреваемой средами.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что цилиндрический рекуперативный теплообменный аппарат коаксиального типа, включающий цилиндрический корпус; каналы с заглушками, подводящий и отводящий воздуховоды, отличающийся тем, что дополнительно включает кольцевые пластины, образующие центральный осевой канал и кольцевые каналы с торцевыми заглушками; продольные дуговые элементы; фланцы; герметизирующую резиновую прослойку между фланцами; отбортовки с отверстиями под болты с гайками; продольную перегородку, разделяющую подводящий воздуховод и отводящий воздуховод, турбулизаторы, образованные выпуклыми элементами при этом между кольцевыми пластинами применено устройство продольных дуговых элементов, продольно завихряющих воздушные потоки и увеличивающих время контакта греющей среды с теплообменными элементами, а на поверхности кольцевых пластин, обращенной к оси цилиндрического корпуса, в результате нанесения контактного высокотеплопроводного покрытия, формируется шероховатость, обуславливающая, при совокупном действии с турбулизаторами, поперечное завихрение воздушных потоков.
В цилиндрическом рекуперативном теплообменном аппарате коаксиального типа, состоящего из цилиндрического корпуса, устроенного с образованием кольцевых каналов, формируемых коаксиально расположенными кольцевыми пластинами, которые соединены между собой продольными дуговыми элементами, для интенсификации процесса теплообмена между греющей и нагреваемой средой, при сопутствующем сохранении аэродинамических характеристик, процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средами интенсифицируется путем формирования коаксиальной каскадной системы, в которой в качестве интенсифицирующих элементов предусмотрены турбулизаторы и контактное высокотеплопроводное напыление, формирующее шероховатость. При этом движение встречных потоков воздуха в коаксиальной каскадной системе цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата, за счет продольных дуговых элементов, имеет спиралевидную траекторию, что увеличивает протяженность движения воздушных потоков, а также за счет влияния центростремительного ускорения позволяет развивать бóльшую скорость движения воздуха, увеличивающую тепловую отдачу поверхности. Кольцевая форма коаксиально расположенных каналов, несмотря на наличие в них шероховатой поверхности и турбулизаторов, позволяет сохранить аэродинамическое сопротивление в диапазоне оптимальных величин.
При подобной конфигурации цилиндрического теплообменного аппарата коаксиального типа, соединение с подводящими и отводящими воздуховодами осуществляется при помощи фланцев, между которыми устанавливается герметизирующая резиновая прослойка, а крепление осуществляется посредством обжатия фланцев окаймляющими отбортовками с отверстиями под болты с гайками. При этом для исключения перетекания греющей среды к нагреваемой среде на окончании и на основании кольцевых каналов установлены торцевые заглушки, а подводящий и отводящий воздуховоды разделены продольной перегородкой.
Техническим результатом является интенсификация процесса теплообмена между греющей и нагреваемой средами, развиваемой при оптимизации конструкции рекуперативного теплообменного аппарата и поперечного сечения его каналов, создающих режим течения сред, позволяющий сохранить аэродинамические характеристики близкими к номинальным, при сопутствующем развитии скорости потока, времени контакта греющей и нагреваемой сред с теплообменными элементами рекуперативного теплообменного аппарата и турбулентности, обуславливаемой наличием турбулизаторов и контактного высокотеплопроводного покрытия, формирующего шероховатость.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 изображен вертикальный фронтальный разрез цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа.
фиг. 2 изображен фронтальный вид цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа.
фиг. 3 изображена изометрическая проекция с вырезом четверти цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа.
фиг. 4 изображен способ фланцевого соединения цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата и присоединительного фасонного элемента воздуховодов.
фиг. 5 изображена схема расположения отверстий на фланцевом соединении.
фиг. 6 изображен общий вид цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата.
фиг. 7 изображен общий вид присоединительного фасонного элемента воздуховодов.
фиг. 8 изображен вертикальный продольный разрез кольцевого канала.
фиг. 9 изображен общий вид возможных схем турбулизаторов.
Цилиндрический корпус 1 рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа устроен с образованием кольцевых каналов 2, формируемых коаксиально расположенными кольцевыми пластинами 3, которые соединены между собой продольными дуговыми элементами 4. При этом подвод и отвод воздуха по кольцевым каналам 2 осуществляется через подводящий воздуховод 5 и отводящий воздуховод 6, соответственно, которые выполнены в форме фасонного элемента воздуховодов (см.: фиг. 7), в котором кольцевые каналы 2 разделены продольной перегородкой 7, исключающей смешивание или утечку греющей и нагреваемой сред. Для чего исполнение продольной перегородки 7 предусмотрено из композитного материала, который при контакте с гладкой поверхностью путем прижатия к подводящему воздуховоду 5 и отводящему воздуховоду 6 образует герметичное соединение.
Для разделения греющей и нагреваемой сред в цилиндрическом корпусе 1, кольцевые каналы 2 выполнены с наличием на основании и на окончании торцевых заглушек 8, перекрывающих доступ греющей среды в подводящий воздуховод 5 и наоборот нагреваемой среды в отводящий воздуховод 6.
Торцевые заглушки 8 могут присоединяться к кольцевым пластинам 3 при помощи ультразвуковой сварки в производственных условиях.
Расположение кольцевых каналов 2 при коаксиальном устройстве кольцевых пластин 3 выполнено в порядке каскадного чередования, в котором после каждого кольцевого канала 2, перемещающего греющую среду, следует кольцевой канал 2, перемещающий нагреваемую среду. При этом с целью интенсификации процесса теплообмена центральный осевой канал 9 выполняет функцию перемещения греющей среды, повышающей температуру кольцевой пластины 3 центрального осевого канала 9. В результате образующейся разности температур между кольцевыми пластинами 3 кольцевых каналов 2, осуществляется процесс теплообмена излучением, что при неравномерности температур, а также массовых скоростей воздушных потоков 10 в каждом кольцевом канале 2, обуславливает увеличение теплового потока от греющей среды к нагреваемой. Для достижения аналогичного эффекта последний, относительно центральной оси цилиндрического корпуса 1, кольцевой канал 2 служит для перемещения нагреваемой среды.
Внедрение в кольцевые каналы 2 между кольцевыми пластинами 3 продольных дуговых элементов 4 выполняет функции изменения траектории воздушных потоков 10 с линейной на спиралевидную и функцию повышения жесткости конструкции, при которой исключается зависимость от термоциклического нагружения. Дуговые элементы 4 установлены соосно в кольцевых каналах 2 и за счет этого разделяют его на две равные части, в каждой из которых движется одна и та же среда (греющая либо нагреваемая). При этом оптимизация протяженности цилиндрического корпуса 1 осуществляется параллельно с углом искривления продольных дуговых элементов 4 таким образом, чтобы дуговые элементы сводились к середине дуги основания кольцевых каналов 2, позволяя формировать одинаково объемные расходы воздушных потоков 10 в каждом кольцевом канале 2. Также подводящий воздуховод 5 и отводящий воздуховод 6 присоединяются к кольцевым каналам 2 под углом идентичным углу искривления продольных дуговых элементов 4, что обуславливает сокращение аэродинамического сопротивления и позволяет сохранить скорость движения греющей и нагреваемой сред при входе в кольцевые каналы 2.
Присоединение цилиндрического корпуса 1 к подводящему воздуховоду 5 и отводящему воздуховоду 6 осуществляется через фланцы 11, между которыми, с целью герметизации фланцевого соединения и предотвращения теплопередачи между не участвующими в процессе теплообмена элементами, размещается герметизирующая резиновая прослойка 12. При этом соединение осуществляется посредством соединения по всей окружности фланцев 11 окаймляющих отбортовок 13, в которых выполнены отверстия 14 под болты 15 с гайками 16.
Схема расположения отверстий 14 на окаймляющих отбортовках 13 (см.: фиг. 5) выполнена таким образом, чтобы придать соединению максимальную жесткость и герметичность.
Соединение фасонного элемента воздуховодов (см.: фиг. 7) и цилиндрического корпуса 1 возможно иным существующим фасонным соединением. Главным критерием для этого является нивелирование утечек воздуха при перемещении сред, участвующих в процессе теплообмена.
За счет формирования движения воздушных потоков 10 по спиралевидной траектории, увеличивается расстояние, проходимое воздушным потоком, а из-за развития центростремительного ускорения, возрастает скорость воздуха в кольцевых каналах 2. Форма кольцевых каналов 2, в которой отсутствуют краеугольные элементы, дополнительно интенсифицирует скорость движения воздуха путем сокращения аэродинамического сопротивления. Вследствие чего, в результате повышения теплоотдачи поверхности, интенсифицируется процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средами.
Дополнительно процесс теплообмена интенсифицируется посредством турбулизации воздушных потоков 10 в кольцевых каналах 2 во всех направлениях тремя элементами:
– в продольном и вертикальном направлении развитие эффекта турбулентности обусловлено наличием контактного высокотеплопроводного напыления 17, нанесенного на внутренней поверхности кольцевых пластин 3, вследствие чего на поверхности, обращенной к оси цилиндрического корпуса 1, формируется шероховатость 18, обуславливающая завихрение воздушных потоков 10;
– в поперечном и дополнительно в продольном и вертикальном направлениях формирование турбулентности осуществляется посредством устройства на внешней поверхности кольцевых пластин 3 турбулизаторов 19, завихряющих воздушные потоки 10;
– в поперечном и продольном направлениях эффект турбулентности обусловлен формой кольцевых каналов 2 с устройством в них продольных дуговых элементов 4, выполненных таким образом, чтобы воздушные потоки 10 проходили через кольцевые каналы 2 по спиралевидной траектории.
Формирование турбулентности воздушных потоков 10 позволяет увеличить скорость движения воздуха, проходящего через кольцевые каналы 2, что обуславливает повышение теплоотдачи поверхности кольцевых пластин 3. При этом за счет изменения траектории воздушных потоков 10, основной массовый объем воздуха находится в кольцевых каналах 2 более продолжительное время, что также повышает величину теплового потока между греющей и нагреваемой средами.
Размещение на внутренней поверхности кольцевых пластин 3 контактного высокотеплопроводного напыления 17, формирующего шероховатость 18, а на внешней поверхности кольцевых пластин 3 турбулизаторов 19, кроме развития эффекта турбулентности, также повышает площадь поверхности теплообмена между греющей и нагреваемой средами.
Кроме того выполнение на внешней поверхности кольцевых пластин 3 турбулизаторов 19, а на внутренней поверхности кольцевых пластин 3 контактного высокотеплопроводного напыления 17, обуславливает достижение такого эффекта турбулизации воздушных потоков 10, при котором завихрение образуется не только во всех направлениях, но и по всему объему кольцевых каналов 2.
Турбулизаторы 19 выполнены способом  гнутья с устройством на кольцевых пластинах 3 выпуклых элементов 20, расположенных в форме кольцевых и дуговых сегментов, формирующих завихрение воздушных потоков 10, и дополнительно увеличивающих площадь теплообмена между греющей и нагреваемой средами.
Расположение выпуклых элементов 20 может варьировать с целью изменения критерия Рейнольдса, обуславливающего степень турбулизации потока. В результате чего возможно осуществление оптимизации аэродинамических и тепломассообменных характеристик, обусловленных данным аспектом.
Шаг расположения и количество турбулизаторов 19 в кольцевых каналах 2 может меняться в пределах принимаемых габаритов цилиндрического корпуса.
Величина и шаг выступов, формируемой на внутренней поверхности кольцевых пластин 2 шероховатости 18, может меняться с целью достижения оптимальных аэродинамических и тепломассообменных характеристик, обусловленных данным аспектом.
Угол искривления продольных дуговых элементов 4 может находиться в пределах от 15 до 60 градусов, с целью изменение аэродинамических характеристик и параметров тепломассообмена, обусловленных скоростью движения и длительностью пребывания основных массовых объемов греющей и нагреваемой сред, перемещаемых по кольцевым каналам 2.
Таблица
Целесообразность применения различных углов искривления дуговых элементов
Угол искривления
Эскиз траектории движения воздушного потока
Эскиз развертки траектории движения воздушного потока
Степень увеличения длины, %
Обоснование
1
<img file="00000001.jpg" he="79" wi="104" img-content="undefined" img-format="jpg" />2
3
4
5
0
0
Отсутствие увеличения протяженности
15
4
Незначительное увеличение протяженности
30
14
Оптимальное увеличение протяженности при сохранении оптимальных аэродинамических характеристик
45
26
60
41
Значительное увеличение протяженности, но превышение допустимого аэродинамического сопротивления
Таким образом, в цилиндрическом рекуперативном теплообменном аппарате коаксиального типа осуществляется интенсификация процесса теплообмена между греющей и нагреваемой средами, развиваемой при оптимизации конструкции рекуперативного теплообменного аппарата и поперечного сечения его каналов, создающих режим течения сред, позволяющий сохранить аэродинамические характеристики близкими к номинальным, при сопутствующем развитии скорости потока, времени контакта греющей и нагреваемой сред с теплообменными элементами рекуперативного теплообменного аппарата и турбулентности, обуславливаемой наличием турбулизаторов и контактного высокотеплопроводного покрытия, формирующего шероховатость.
Дополнительно процесс теплообмена, а также общая эффективность работы цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа, может оптимизироваться путем варьирования скорости движения воздуха, развиваемой вентиляторами, что может обуславливать снижение величины потребляемой электрической энергии.
Повышение аэродинамического сопротивления шероховатостью 18 и турбулизаторами 19 в цилиндрическом рекуперативном теплообменном аппарате коаксиального типа нивелируется формой кольцевых каналов 2 и движением воздушных потоков 10 по спиралевидной траектории. Вследствие чего аэродинамические характеристики сохраняются близкими к номинальным показателям.
Цилиндрический корпус 1, кольцевые пластины 3 и продольные дуговые элементы 4 выполняются из алюминия, с целью максимизации теплопередачи между греющей и нагреваемой средами. При этом соединение продольных дуговых элементов 4 с кольцевыми пластинами 3 выполняется аналогично торцевым заглушкам 8, с помощью ультразвуковой сварки.
Процесс производства цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа может осуществляться каскадным образом, при котором выполнение кольцевых пластин 3 и дуговых элементов 4 осуществляется методом вытягивания из расплава. Полный цикл производства осуществляется по следующему алгоритму:
1) Методом вытягивания из расплава выполняется набор для одного цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата коаксиального типа: кольцевых пластин 3, центрального осевого канала 9 и дуговых элементов 4;
2) На кольцевые пластины 3 ультразвуковой сваркой последовательно присоединяются соответствующие ей по размеру продольные дуговые элементы 4;
3) Кольцевые пластины 3 совмещенные с дуговыми элементами 4 последовательно соединяются друг с другом по размеру на увеличение;
4) На основании и окончании образованных кольцевыми пластинами 3 кольцевых каналов 2 в соответствующих местах ультразвуковой сваркой присоединяются торцевые заглушки 8, а на окончание и основание цилиндрического корпуса 1 присоединяются фланцы 11.