Способ изготовления теплообменника

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Институт жилища НИПТИС им. Атаева С.С.(72) Авторы Осипов Сергей Николаевич Пилипенко Владимир Митрофанович(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Институт жилища - НИПТИС им. Атаева С.С.(57) Способ изготовления теплообменника, при котором теплообменную часть выполняют из двух или более параллельных теплообменных пластин с промежутками между ними,каждая из которых содержит прямоугольные теплообменные тракты для холодного и горячего теплоносителей, заполняют пористым проницаемым высокотеплопроводным материалом прямоугольные теплообменные тракты для контактного интенсивного теплообмена между ними и разделяют их тонкими теплопроводными газоводонепроницаемыми перегородками, причем в направлении движения потоков теплоносителей заполнение трактов теплообменника пористым высокотеплопроводным материалом осуществляют слоями с образованием свободных от заполнения промежутков, чередующихся со слоями из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала, обеспечивающих ламинарный режим движения потоков теплоносителя на пограничном участке при переходе каждого слоя из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала в свободный от упомянутого материала промежуток. Фиг. 1 Изобретение относится к области теплообмена при использовании в теплообменниках каналов (трактов) для горячего или холодного теплоносителя с решетчатыми или пори 17330 1 2013.08.30 стыми теплопроводными заполнителями, теплообменная поверхность которых в несколько раз больше поверхности теплообменной перегородки между горячим и холодным теплоносителями. Известен способ повышения теплообменных возможностей канала путем его частичного заполнения выступами и (или) продольными вертикальными или (и) горизонтальными высокотеплопроводными перегородками пространства каналов для холодного или (и) горячего теплоносителей и разделительными перегородками между горячим и холодным теплоносителями 1. Недостатком этого способа является необходимость опережающего повышения площади теплообменной поверхности и массы теплообменника для увеличения его эффективности. В качестве прототипа выбран способ интенсификации теплообмена и теплопередачи в рекуперативных теплопередающих устройствах за счет каналов их трактов 2, в которые вводятся твердые пористопроницаемые структуры из теплопроводных материалов, имеющих максимальные удельные поверхности. Недостатком этого способа также является необходимость опережающего повышения площади теплообменной поверхности и массы теплообменника для увеличения его эффективности. Задачей предлагаемого изобретения является повышение интенсивности теплообмена между теплоносителем и заполненными пористым проницаемым высокотеплопроводным материалом трактами теплообменника без изменения поперечных характеристик пористых проницаемых структур заполнителя и их поверхностей, материала и режима движения теплоносителя (постоянства критерия Рейнольдса - ). Задача решается достижением технического результата способом изготовления теплообменника, при котором теплообменную часть выполняют из двух или более параллельных теплообменных пластин с промежутками между ними, каждая из которых содержит прямоугольные теплообменные тракты для холодного и горячего теплоносителей, заполняют пористым проницаемым высокотеплопроводным материалом прямоугольные теплообменные тракты для контактного интенсивного теплообмена между ними и разделяют их тонкими теплопроводными газоводонепроницаемыми перегородками, причем в направлении движения потоков теплоносителей заполнение трактов теплообменника пористым высокотеплопроводным материалом осуществляют слоями с образованием свободных от заполнения промежутков, чередующихся со слоями из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала, обеспечивающих ламинарный режим движения потоков теплоносителя на пограничном участке при переходе каждого слоя из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала в свободный от упомянутого материала промежуток. В представленном способе в качестве горячего теплоносителя, т.е. выходной теплообменной среды, выступает теплый влажный газ (воздух) или пар в качестве холодного теплоносителя, т.е. входной теплообменной среды, выступает любой холодный флюид. Сущность способа поясняется фигурами фиг. 1 - структура одного слоя из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала фиг. 2 - схема чередования слоев из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала с промежутками, свободными от заполнения по способу. На фигурах представлено следующее 1 - тракты теплообменника для горячего теплоносителя 2 - слой из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала 3 - промежутки, свободные от заполнения 4 - тракты теплообменника для холодного теплоносителя 5 - сплошные перегородки между трактами. Поставленная задача решается тем, что для повышения интенсивности теплообмена по изобретению используется эффект уменьшения коэффициента конвективного теплообмена теплоносителей с удлинением области ламинарного режима теплоносителя на пограничном участке на переходе слоя пористого заполнителя в свободный от заполнителя 2 17330 1 2013.08.30 промежуток 3, что обеспечивает новообразование теплового пограничного слоя на границе каждого слоя из пористого проницаемого высокотеплопроводного материала. Такой ламинарный режим пограничного участка теплоносителя сохраняется примерно при 5105 основного потока теплоносителя. При этом среднее значение коэффициента конвективного теплообмена для воздуха определяется из выражения 3(1) ср 3,94 (/)0,5,2 где ср - средняя величина коэффициента конвективного теплообмена, Вт/(мК)- скорость потока, м/с- длина поверхности теплообмена, м. Поэтому для интенсификации теплообмена между трактами (каналами), заполненными пористым проницаемым высокотеплопроводным материалом с горячим и холодным теплоносителями, устанавливают тонкие теплопроводные газоводонепроницаемые перегородки, а по ходу движения потоков разделяют заполненные пористым материалом тракты (каналы) на отдельные участки с их смещением по ходу движения потоков таким образом, чтобы обеспечить чередование слоев (участков) из пористого проницаемого высокотеплопроводного заполнителя со свободными от заполнения промежутками, что может оставить прежними или несколько удлинить размеры теплообменника, но благодаря преобладанию массы заполнителя может уменьшить общую массу теплообменника. Как следует из приведенной формулы, при уменьшении длины каналав 2 раза средняя величина ср увеличивается в 1,42 раза, а при уменьшении длины в 4 раза ср может увеличиться в 2 раза. Количественная оценка эффективности предлагаемого изобретения видна из приведенного далее примера. Исходные данные расход удаляемого (горячего) воздуха из квартиры с газовой плитой для приготовления пищи г 200 м 3/ч при температуре г 20 С и относительной влажности г 50 Температура наружного (холодного) воздуха 5 0 - 5 и - 20 С. Расход поступающего (холодного) воздуха равен расходу удаляемого воздухаг. В качестве теплообменной среды - пористого проницаемого высокотеплопроводного материала - используется пеноалюминий плотностью 0,54 г/см 3 и открытой пористостью 80 . При этом теплопроводность материала уменьшается прямо пропорционально уменьшению плотности материала и составляет 0,4 Дж/смсград. Диаметры сквозных открытых пор 1 мм для зоны горячего влажного воздуха, т.к. при меньшем диаметре может заметно сказываться капиллярный эффект застревания влаги, а при больших диаметрах существенно уменьшается поверхность теплообмена. Рабочая схема теплообменного устройства приведена на фигурах, где стрелками указано направление потоков теплообменных сред. Теплообменная масса представлена в виде прямоугольной пластины со сторонами 7070 см (площадь теплообменной пластины для горячего и холодного воздуха по 0,25 м 2) и толщиной 5 см. Масса такой пластины около 13,5 кг. Хотя размеры и направление сквозных пор в направлении потоков воздуха не могут быть совершенно одинаковыми, для расчета ориентированных величин поверхностей теплообмена можно принять, что при пористости 80 именно такая площадь поперечного сечения материала занята порами со средними диаметром 0,1 см. Тогда количество пор составит 42500/(0,12)3,2105. Площадь поверхности примерно цилиндрических пор длиной 5 см составит 0,153,21055105 см 250 м 2. Для случая принудительного (механически, гидравлически и др.) образования сквозных цилиндрических каналов суммарная площадь их поперечного сечения принимается в размере 50 от всей площади. Тогда 2105, а 32 м 2. Средняя скорость прохода воздуха в принудительно образованных сквозных теплообменных каналах 3 17330 1 2013.08.30200/(36000,250,5)0,45 м/с и 0,4510-3/(14,210-6)32. Учитывая близкий к ламинарному режим движения воздуха в каналах, среднее значение коэффициентов конвективного теплообмена в соответствии с 3, с. 47 составляет 3,94(0,45/0,05)0,511,8 Вт/м 2 град. Для эффективного использования теплообменника-рекуператора его возможность нагрева холодного воздуха желательно иметь около 90 от температуры удаляемого воздуха, т.е. необходимое количество теплотыдля нагрева холодного воздуха составляет при к.120 С 13500 Дж/ч 2640 Вт при к.25 С 21600 Вт при к.30 С 31250 Вт при к.45 С 4900 Вт. Теплосодержание горячего влажного воздуха состоит из теплосодержания сухого воздуха и срытой теплоты парообразования влаги в горячем воздухе при 50 , что составляет 7,6 г/кг воздуха. При 0 С, до которой можно охлаждать горячий воздух вследствие дальнейшего замерзания влаги,2 г/кг, а при 5 С 2,6 г/кг горячего воздуха. Тогда при охлаждении горячего воздуха до 0 С тепловыделение за счет конденсации паров влаги составит м 12,7 кДж/кг, что позволяет подогреть холодный воздух на 12,5 С. При охлаждении горячего воздуха до 5 С нагрев холодного воздуха за счет конденсации влаги горячего воздуха возможен на 11,5 С. Тогда необходимое количество теплоты за счет сухого теплообмена составит при к.120 С 1.с 1770 Вт при к.25 С 2.с 730 Вт при к.30 С 3.с 480 Вт при к.45 4.с 100 Вт. Определяем возможность сухого теплообмена для случая перепада температур в 2 С при 50 м 2 (9,3 Вт/м 2 град) и 32 м 2 (11,8 Вт/м 2 град). Тогда 1.с 9,3250930 Вт 2.с 11,8232750 Вт. Как видно из приведенных расчетов, при 1 мм возможностей теплообмена даже при 2 С достаточно для успешной работы теплообменника до к.05 С, когда может происходить интенсивное замерзание влаги в каналах. При н.05 С необходимо различными методами предотвращать замерзание и выход из строя теплообменника. Однако можно значительно увеличивать теплообменные возможности по сухому воздуху. Для этого необходимо собрать теплообменник толщиной 5 см из трех теплообменных пластин (1, 2 и 3), каждая толщиной 1 см, с двумя воздушными промежутками, что дает возможность использовать высокий уровень теплообмена в начале формирования пограничного слоя на твердой поверхности. При 1 см коэффициенты конвективного теплообмена приобретают следующие значения 3,94(0,45/0,01)0,526,4 Вт/м 2 град. При этом общая толщина трех теплообменных пластин уменьшилась с 5 до 3 см, а площади теплообменных поверхностей пеноалюминия с пористостью 80- до 1330 м 2,а при искусственном образовании сквозных каналов на прежних условиях 2319,2 м 2. Тогда возможный теплообмен в этих условиях при перепаде температур в 2 С соответственно составит 1.с 20,52301230 Вт 2.с 26,4219,21030 Вт. Полученные значения величин теплообменов почти на 38 больше для 3-слойного теплообменника общей толщиной 5 см по сравнению со сплошным такой же толщины. При этом необходимая масса пеноалюминия уменьшается с 12,5 до 7,5 кг. 4 17330 1 2013.08.30 В случае к- 20 С для обеспечения достаточного сухого теплообмена необходим расчетный перепад температур в 3-4 С, что также обеспечит почти 90 эффективность. Теперь необходимо определить размеры слоев, перпендикулярных к направлениям потоков воздуха. В этом поперечном направлении теплообмен определяется величинами коэффициентов теплопроводности, длины пути теплопередачи, перепада температур и площадью поверхности теплопередачи. Принимая перепад температур равным 2 С и путь теплопередачи 2 см, возможная теплопередача при наличии 35 разделительных полос.20,4235703/23000 Вт. При 23 и 3 см .12160 Вт и .21300 Вт. Как видно из приведенных расчетов, даже при крайне жестких условиях теплообмена возможную ширину теплообменного слоя можно принять 3 см. Уменьшение толщины одного слоя менее 1 см, что может еще увеличить ср, повидимому, нерационально из-за недостаточной прочности и технологических проблем при изготовлении. Расчетная величина аэродинамического сопротивления в пластине при ламинарном режиме определяется по известным формулам 3. Коэффициент сопротивления (трения)64/, что для разных условий составляет от 1 до 3,2. Принимаем 2. Потери напора определяем по формуле,(2)2 где- плотность воздуха, кг/м 3- константа тяготения 9,81 м/с 2. 20,45 1,25 Тогда 10600 Па / м. 0,00129,81 Для пластины теплообменника толщиной 1 см 6 Па, для 3 см - 18 Па, для 5 см-30 Па. С учетом местных сопротивлений для 3-слойного теплообменника расчетные потери давления составляют менее 50 Па. Источники информации 1. Патент РФ 2219016, МПК 22 3/24,22 1/24,28 21/08. 2. Патент РФ 93025782, МПК 2813/00. 3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М. Высшая школа, 1982. - С. 47. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5