Способ интенсификации теплообмена

(71)(73) Заявитель и патентовладелец: РЕСПУБЛИКАНСКОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИНСТИТУТ ЖИЛИЩА НИПТИС ИМ. АТАЕВА С.С." (BY) Изобретатель: Осипов Сергей Николаевич, Пилипенко Владимир Митрофанович (BY) Представитель: Изобретение относится к области теплообмена при использовании в теплообменниках каналов(трактов) для горячего или холодного теплоносителей с решетчатыми или пористыми теплопроводными заполнителями. Задачей предлагаемого изобретения является повышение интенсивности теплообмена между теплоносителем и пористопроницаемыми структурами,введенными в каналы трактов теплообменников без изменения поперечных характеристик проницаемых структур и их поверхностей, материала и режима движения теплоносителя(постоянства критерия Рейнольдса Re). Представлен способ интенсификации теплообмена"холодный теплоноситель - горячий теплоноситель", включающий заполнение пористыми проницаемыми высокотеплопроводными структурами с горячим и холодным теплоносителями трактов теплообменника с контактным интенсивным теплообменом между упомянутыми трактами, причем в направлении движения потоков теплоносителей разделяют проницаемый высокотеплопроводный заполнитель трактов на два или более слоев из пористого заполнителя,выполненных с чередованием с промежутками свободными от заполнителя, чем обеспечивают новообразование теплового пограничного слоя на границе каждого слоя из пористопроницаемого заполнителя. При этом обеспечивают ламинарный режим пограничного слоя теплоносителя у поверхности каждого слоя пористого заполнителя трактов теплообменника. Изобретение относится к области теплообмена при использовании в теплообменниках каналов(трактов) для горячего или холодного теплоносителей с решетчатыми или пористыми 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 высоко теплопроводными 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 пористопроницаемыми структурами, введенными в каналы трактов теплообменников без изменения поперечных характеристик проницаемых структур и их поверхностей, материала и режима движения теплоносителя (постоянства критерия Рейнольдса Re). Задача решается достижением технического результата способом интенсификации теплообмена"холодный теплоноситель - горячий теплоноситель", включающим заполнение пористыми проницаемыми высокотеплопроводными структурами с горячим и холодным теплоносителями трактов теплообменника с контактным интенсивным теплообменом между упомянутыми трактами, причем согласно способа по изобретению в направлении движения потоков теплоносителей разделяют проницаемый высокотеплопроводный заполнитель трактов на два или более слоев из пористого заполнителя, выполненных с чередованием с промежутками свободными от заполнителя, чем обеспечивают новообразование теплового пограничного слоя на границе каждого слоя из пористопроницаемого заполнителя. При этом обеспечивают ламинарный режим пограничного слоя теплоносителя у поверхности каждого слоя пористого заполнителя трактов теплообменника. 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 чертежами, где на фиг. 1 показана структура одного слоя из пористопроницаемого заполнителя; на фиг. 2 - схема чередования слоев из пористого заполнителя с промежутками, свободными от заполнителя, по способу. На чертежах представлены: 1 - тракты теплообменника для горячего теплоносителя; 2 - слой из пористопроницаемого заполнителя; 3 -промежутки свободные от заполнителя; 4 - тракты теплообменника для холодного теплоносителя; 5 - сплошные перегородки между трактами. Поставленная задача решается тем, что для повышения интенсивности теплообмена 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 промежуток [3], что обеспечивает новообразование теплового пограничного слоя на границе каждого слоя пористопроницаемых теплопроводных структур. Такой ламинарный режим пограничного участка теплоносителя сохраняется примерно при Re5105 основного потока теплоносителя. При этом среднее значение коэффициента конвективного теплообмена для воздуха определяется из выражения где ср - средняя величина коэффициента конвективного теплообмена, Вт/(м 2 К);v - скорость потока, м/с; х - длина поверхности теплообмена, м (фиг) [3]. Поэтому для интенсификации теплообмена между трактами (каналами), заполненными пористопроницаемыми высокотеплопроводными структурами с горячим и холодным теплоносителями, устанавливают тонкие теплопроводные газоводонепроницаемые перегородки, а по ходу движения потоков разделяют заполненные пористыми структурами тракты (каналы) на отдельные участки с их смещением по ходу движения потоков таким образом, чтобы обеспечить чередование участков (слоев) из пористого заполнителя со свободными от пористопроницаемых структур промежутками, что может оставить прежними или несколько удлинить размеры теплообменника, но благодаря преобладанию массы заполнителя уменьшить общую массу теплообменника. Как следует из приведенной формулы, при уменьшении длины канала х в 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 пищиQг=200 м 3/ч при температуре tг = 20 С и относительной влажностью Vг = 50%. Температура наружного (холодного) воздуха tх=+5; 0; -5 и -20 С. Расход поступающего (холодного) воздуха равен расходу удаляемого воздуха Qx=Qг. В качестве теплообменной среды 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/см.с.град. Диаметры сквозных открытых пор 1 мм для зоны горячего влажного воздуха, так как при меньшем диаметре может заметно сказываться капиллярный эффект "застревания" влаги, а при больших диаметрах - существенно уменьшается поверхность теплообмена. Рабочая схема теплообменного устройства приведена на чертеже, 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 h=5 см. Масса такой пластины около 13,5 кг. Хотя размеры и направление сквозных пор в направлении потоков воздуха не могут быть совершенно одинаковыми, но 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 Площадь поверхности примерно цилиндрических пор длиной h=5 см составит Для случая принудительного (механически, гидравлически и др.) образования сквозных цилиндрических каналов суммарная площадь их поперечного сечения принимается в размере 50% от всей площади. Тогда n=2105, а S=32 м 2. Средняя скорость прохода воздуха в принудительно образованных сквозных теплообменных каналах Учитывая близкий к ламинарному режим движения воздуха в каналах, среднее значение коэффициентов конвективного теплообмена в соответствии с [3, с.47] составляет Для эффективного использования теплообменника-рекуператора его возможность нагрева холодного воздуха желательно иметь около 90% от температуры удаляемого воздуха, т.е. необходимое количество теплоты q для нагрева холодного воздуха составляет: Теплосодержание горячего влажного воздуха состоит из теплосодержания сухого воздуха и сырой теплоты парообразования влаги в горячем воздухе при =50%, что составляет d7,6 г/кг воздуха. При 0 С, до которой можно охлаждать горячий воздух вследствие дальнейшего замерзания влаги, d2 г/кг, а при t=+5 С - d2,6 г/кг горячего воздуха. Тогда при охлаждении горячего воздуха до 0 С тепловыделение за счет конденсации паров влаги составит qM=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 Определяем возможность "сухого" теплообмена для случая перепада температур в 2 С при S=50 м 2 Как видно из приведенных расчетов, при d=1 мм возможностей теплообмена даже при t=2 С достаточно для успешной работы теплообменника до fK.0=-5 С, когда может происходить интенсивное замерзание влаги в каналах. При tH.0-5 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 (чертежи, h1, h2 иh3) каждая толщиной 1 см с двумя воздушными промежутками, что дает возможность использовать высокий уровень теплообмена в начале формирования пограничного слоя на твердой поверхности. Приh=1 см коэффициенты конвективного теплообмена приобретают следующие значения: При этом общая толщина трех теплообменных пластин уменьшилась с 5 до 3 см, а площади теплообменных поверхностей пеноалюминия с пористостью 80% до S1+3=30 м 2, а при искусственном образовании сквозных каналов на прежних условиях S2+3=19,2 м 2. Тогда возможный теплообмен в этих условиях при перепаде температур в 2 С соответственно составит Полученные значения величин теплообменов почти на 38% больше для трехслойного теплообменника общей толщиной h=5 см по сравнению со сплошным такой же толщины. При этом необходимая масса пеноалюминия уменьшается с 12,5 до 7,5 кг. В случае tK=-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 площади поверхности теплопередачи. Принимая перепад температур равны t=2 С и путь теплопередачи /=2 см, возможная теплопередача при наличии N=35 разделительных полос 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 увеличитьср, по-видимому 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/Re, что для разных условий составляет от 1 до 3,2. Принимаем =2. Потери напора определяем по формуле Для пластины теплообменника толщиной 1 см Р=6 Па, для h=3 см - 18 Па, для h=5 см - 30 Па. С учетом местных сопротивлений для трехслойного теплообменника расчетные потери давления составляют менее 50 Па. Источники информации 1. Патент РФ 2219016, МПК B22F 3/24, С 22 С 1/24, F28F 21/08 (Машуков Х.М., Афанасенко В.В.,Камбиев М.М. Способ изготовления темлообменного аппарата). 2. Патент РФ 93025782, МПК F28F 13/00 (Горда В.П. Способ интенсификации теплообмена и теплопередачи в рекуперативных теплопередающих устройствах за счет механизации каналов их трактов). 3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1982, 416 с. (с. 47) ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ интенсификации теплообмена "холодный теплоноситель - горячий теплоноситель",включающий заполнение пористыми проницаемыми высокотеплопроводными структурами с горячим и холодным теплоносителями трактов теплообменника с контактным интенсивным теплообменом между упомянутыми трактами, отличающийся тем, что в направлении движения потоков теплоносителей проницаемый высокотеплопроводный заполнитель трактов разделен на два или более слоев из пористого заполнителя, расположенных перпендикулярно потоку, при этом в тракте имеет место чередование слоев заполнителя с промежутками, свободными от заполнителя, так что на границе каждого слоя обеспечивается новообразование теплового пограничного слоя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают ламинарный режим пограничного слоя теплоносителя на пограничном участке на переходе каждого слоя из пористого заполнителя в свободный от заполнителя промежуток.