ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в системах отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (коттеджи, сады, школы, бассейны, индивидуальные тепловые пункты жилых домов и микрорайонов), в тепловых сетях сельскохозяйственных и промышленных предприятий, в пищевой промышленности и др.
Теплообменники имеют широкую классификацию. В зависимости от способа передачи тепла теплообменное оборудование разделяют на поверхностные и смесительные.
В поверхностном теплообменнике передача тепла между охладителем и нагревателем происходит через твердую стенку. Смесительные теплопункты предусматривают непосредственный контакт между двумя компонентами.
К поверхностным теплообменнкам относятся пластинчатые которые предназначены для осуществления процессов теплообмена между средами "вода-вода", "пар-вода" и применяется в системах отопления и горячего водоснабжения жилых, административных и промышленных зданий, а также в различных технологических процессах
Большим преимуществом пластинчатых теплообменников является большая площадь контакта через пластины одного носителя с другим. Поэтому именно эти пластинчатые теплообменники нашли широкое применение.
Существует также пластинчато-ребристые теплообменники. От пластинчатого они отличается тем, что такие теплообменные аппараты состоят из пластин, между которыми расположены не прокладки, а ребристые поверхности
В качестве аналогов предлагаемой полезной модели рассмотрим некоторые разновидности конструкций теплообменников.
F28D 9/00
Известен теплообменник (см. патент РФ на изобретение №2254532, кл. МПК 7 , опубл. 2005.02.27), содержащий пакет алюминиевых пластин с дистанционирующими вставками с образованием каналов для рабочих сред и размещенный внутри каркаса, скрепленного стержнями, причем в качестве дистанционирующих вставок используют ребра жесткости с канавкой, внутренняя полость которой заполнена высокотемпературным герметиком с последующим образованием слоя герметика высотой 1-1,5 мм, при этом ребра жесткости расположены перпендикулярно плоскости алюминиевой пластины и параллельно друг к другу и к борту теплообменника на расстоянии 150-200 мм. Формирование канавки с внутренней полостью на алюминиевой пластине осуществляют способом штамповки.
Известен теплообменник (см. патент РФ на изобретение №2287754, кл. МПК F28D 9/00, опубл. 2006.11.20), содержащий пакет пластин, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий с отбортовками, входящими в соответствующее отверстие смежных пластин с формированием канала для пропуска через теплообменник одной из сред, при этом продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками между пластинами сужающихся и расширяющихся каналов для прохода второй среды через теплообменник, в каждой из пластин между смежными рядами плоскоовальных отверстий вдоль их продольной оси выполнены ряды просечек с отогнутыми в ту же сторону, что и отбортовки, лепестками, причем последние выполнены в соседних в ряду просечках на противоположных сторонах образованного просечкой отверстия, лепестки отогнуты вдоль плоскоовальных отверстий, и лепестки соседних в ряду просечек наклонены к поверхности пластины с противоположным наклоном, причем высота отбортовки плоскоовальных отверстий составляет от 5 до 15 толщин пластины, отбортовки вставлены в плоскоовальные отверстия смежных пластин на глубину, составляющую не более 0,3 высоты отбортовки, ширина лепестков в месте их отгиба от пластины составляет от 0,1 до 0,2 длины продольной оси плоскоовального отверстия, а высота лепестка, соответствующая длине отверстия, образованного в пластине при ее просечке, составляет от 0,3 до 0,7 расстояния между смежными установленными в пакете пластинами
Известен также теплообменник http://kalorifer.net/content/category/4/37/75/, который предназначен для осуществления процессов теплообмена между средами "вода-вода", "пар-вода" Он может быть одноходовой и двухходовой. Теплообменник может включать четыре типа пластин отличающихся друг от друга, как рельефом (широкие и узкие каналы), так и углом наклона шеврона (120° и 60°). За счет комбинирования данных пластин возможно создание до девяти различных каналов, как с симметричным, так и ассиметричным расположением.
Преимущество ассиметричных каналов состоит в том, что одна из сред, участвующих в процессе теплообмена, протекает в большем объеме (на 30%) при меньших потерях давления. От угла наклона шеврона зависят теплопередающие свойства пластин. При угле наклоне 120° теплопередача будет высокой, но и потери давления будут велики. При наклоне 60° теплопередача будет низкой, но и уменьшатся потери давления. Сочетанием пластин с тупым и острым углом наклона шеврона можно получить оптимальную теплопередачу при заданных потерях давления.
Недостатками известных устройств является технологическая сложность при изготовлении и значительные габариты изделия.
Наиболее близким по своей конструкции и технической сущности к предлагаемой полезной модели является пластинчатый теплообменник (см. патент РФ на изобретение №22247290, кл. МПК 7 F28D, опубл. 2005.02.27), содержащий прижимные плиты и пакет гофрированных в центральной части пластин с угловыми коллекторными отверстиями, распределительные трубы, установленные в угловых отверстиях прижимных плит и пластин, причем распределительные трубы имеют в средней части сквозные продольные пазы для прохода теплообменивающихся сред, опорный бурт с одного конца и наружную резьбу с другого, распределительные трубы также выполнены с обеспечением возможности достижения сжатия прижимными плитами пластин в пакете с помощью навернутых на резьбу гаек, при этом отверстия распределительных труб со стороны опорного бурта заглушены, наружные поверхности средней части труб по отношению к отверстиям пластин выполнены с зазором для осуществления направления пластин друг относительно друга при сборке, а отверстия прижимных плит по отношению к сопрягаемым наружным поверхностям труб выполнены с уплотнением.
Пластинчатый теплообменник, принятый за прототип обладает рядом преимуществ, главные среди них заключаются в повышении технологичности при изготовлении, уменьшении габаритных размеров теплообменника, его компактности и удобства монтажа.
Однако, несмотря на несомненные достоинства известного теплообменника, следует отметить и недостаток, присущий анализируемому техническому решению. Недостатком известного теплообменника является возможность использования его только для осуществления процессов теплообмена между средами и, следовательно, в системах отопления и горячего водоснабжения.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных и эксплуатационных возможностей, за счет получения непосредственно в теплообменнике альтернативного источника электрической энергии, не зависящей от внешних источников энергоснабжения.
Для достижения поставленной задачи предлагается пластинчатый теплообменник который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, содержит пластины, образующие между собой каналы для теплообменивающихся сред и распределительные патрубки.
Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип теплообменника, является то, что в зоне разницы температур теплообменивающихся сред, установлены термоэлектрические преобразователи.
Технический результат, достигаемый при создании предлагаемой полезной модели заключается в том, что помимо своей основной функции теплообмена, теплообменник является самостоятельным, не связанным с городской электросетью, альтернативным источником получения электрической энергии, что позволяет обеспечивать работу электроприборов с низким энергопотреблением, например, светодиодных ламп для освещения подъездов, различных помещений, питания радио и электроаппаратуры, а также наружного освещения, светорекламы, а это, в свою очередь, позволит значительно сократить энергопотребление.
Решение задачи, поставленной при создании предлагаемой полезной модели, стало возможным благодаря тому, что в зоне разницы температур теплообменивающихся сред, установлены термоэлектрические преобразователи.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлен один из конкретных примеров реализации предлагаемого теплообменника.
На фиг.1 представлен предлагаемый пластинчатый теплообменник в аксонометрии.
На фиг.2 представлен разрез по А-А.
На фиг.3 представлены пластины с установленными наборами термоэлектрических преобразователей.
Теплообменник состоит (Фиг.1, и Фиг.2) из подвижного 1, и неподвижного 2 оснований, пакета пластин 3 с угловыми коллекторными отверстиями 4, уплотнительных прокладок 5, герметизирующих межпластинные каналы - греющей среды 6 и нагреваемой среды 7, распределительных патрубков 8 с входными и выходными отверстиями 9 для подвода и отвода теплообменивающихся сред, со сквозными продольными пазами 10 для заполнения каналов подвода теплообменивающихся сред к угловым коллекторным отверстиям 4 пластин 3 и межпластинным каналам теплообменивающихся сред 6 и 7, шайб 11, гаек 12, стягивающих основания 1 и 2 для обеспечения герметичности соединения пластин.
Пластины 3 устанавливают относительно друг друга так, что между ними образуются чередующиеся каналы 6 и 7. На пластинах 3 устанавливают уплотнительные прокладки 5 с совмещением отверстий пластины с одной парой распределительных патрубков 8, расположенных по диагонали, а на смежной пластине с другой парой патрубков 8.
Так, если в каналы 6 греющая среда поступает через отверстие А патрубка 8 и выводится через отверстие Б, то нагреваемая среда заполняет каналы 7 через патрубок В и выводится через патрубок Г. Таким образом с одной стороны набора термоэлектрических преобразователей 13, воспринимающих разность температур, находятся пластины греющей среды, а с другой нагреваемой.
Такая установка позволяет создать чередующиеся каналы греющих 6 и нагреваемых 7 сред, поскольку прорези 10 распределительных патрубков 8 сообщаются только с каналами греющей среды, тогда как прорези с расположенных по диагонали патрубков 8 сообщаются со смежными чередующимися каналами нагреваемой среды.
Между отдельными чередующимися каналами 6 и 7, формирующими зоны разницы температур, установлены наборы термоэлектрических преобразователей 13 соединенных с устройством 14 коммутации и распределения электроэнергии.
Термоэлектрические преобразователи 13 (фиг 3), герметизируются с помощью прокладкок 15, в которых предусмотрен канал Д для вывода проводов к устройству 14 коммутации и распределения электроэнергии.
Наборы термоэлектрических преобразователей, установленные на плате 16 надевают на патрубки 8 и стягивают совместно с пластинами 3 в единый пакет, при этом, ромбовидная часть прокладки 15 герметично отделяет установленные термоэлектрические преобразователи от каналов теплообменивающихся сред.
В зонах теплообмена, при установке термоэлектрических преобразователей, за счет разницы температур греющей и нагреваемой сред создается ЭДС.
На основе эффекта Пельтье в мировой практике широко применяются термоэлектрические модули для охлаждения или нагрева различных деталей.
Однако, термоэлектрические преобразователи могут быть использованы и в «обратном порядке». Если одну сторону термоэлектрических модулей нагревать, а другую охлаждать, то в самом модуле возникает ЭДС, что принято обозначать термином «термоэлектричество».
Этот принцип образования электричества при разности температур нагревания предметов использован для решения поставленной задачи при создании предлагаемой полезной модели.
В качестве материалов термоэлементов могут быть использованы составы на основе теллурида висмута n- типа и p- типа проводимости. Наружные поверхности термоэлементов охвачены сплошным защитным покрытием из силиконового герметика, например, марки ВГО-1, который обеспечивает наиболее эффективную защиту термоэлектрического преобразователя, работающего в условиях цикличного изменения температур в широком диапазоне.
Современные пластинчатые теплообменники имеют пластины, которые в большинстве случаев выполнены из листового металла. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточная часть пластин может быть выполнена гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены "в елку». К пластинам приклеивают резиновые прокладки специальной формы для герметизации конструкции. Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме.
В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2.
Теплообменник работает следующим образом:
Теплообменивающиеся среды через входные отверстия распределительных патрубков 8, выполненные в них сквозные продольные пазы 10 и угловые отверстия 4 пластин, поступают в межпластинные каналы 6 и 7, в которых через гофрированные стенки пластин 3 создаются зоны конвективного теплообмена. Движение сред в теплообменнике осуществляется по схеме противотока. При этом, в результате разности температур обменивающихся сред в термоэлектрических преобразователях 13 возникает ЭДС, которая передается на устройство 14 коммутации и распределения электроэнергии, которое суммирует электрическую мощность получаемую от каждого набора термоэлектрических модулей и преобразует в требуемые параметры (напряжение, ток) для потребителей электроэнергии.
2
2
Существующие термоэлектрические модули Пельтье позволяют получать с поверхности площадью 0,0016 м до 3 Вт электроэнергии при разнице температур горячей и холодной сторон 100°. Применение в предлагаемом пластинчатом теплообменнике пластин с площадью теплообмена 0,65 м тепловая мощность теплообменника составляет 10-12 кВт. С площади одной пластины возможно получить не менее 160 Вт электроэнергии при разнице температур греющей и нагреваемой среды в 45°-50°С. Но количество пластин теплообменника можно увеличивать в зависимости от потребностей и получать больше электроэнергии. Совокупная поверхность теплообмена одного теплообменника может составлять от 1 до 180 м2, с числом пластин - от 7 до 320.
Эту энергию можно использовать для освещения, например, с помощью светодиодных ламп. Светодиодный светильник со световым потоком, равным световому потоку 40 ваттной лампы накаливания, потребляет 4 Вт электроэнергии.
Таким образом, предлагаемый пластинчатый теплообменник, помимо своей основной функции теплообмена, является самостоятельным, не связанным с внешней электросетью, альтернативным источником получения электрической энергии, обеспечивающей возможность работы электроприборов с низким энергопотреблением, освещения различных помещений, наружного освещения, питания радиоэлектронной аппаратуры, ноутбуков, систем охранной сигнализации, зарядки аккумуляторов различного назначения, питания медицинских систем жизнеобеспечения и в ряде аварийных ситуаций, а это позволит значительно экономить электроэнергию потребления от внешней электросети.