Рекуператор
Полезная модель относится к теплоэнергетике и машиностроению и может быть использована в области теплообменной аппаратуры типа металлических оребренных пластинчатых теплообменников, преимущественно для газовых сред. Рекуператор представляет собой ажурный, легкий, термопластичный пакет приваренных к друг другу оребренных тонколистовых металлических панелей, в частности, биметаллических, с чередованием панелей, выполненных с продольным и поперечным оребрением. Предлагаются формулы для расчета толщины пластин панелей и геометрических параметров каналов для прохода теплоносителя. Предлагаемый рекуператор обеспечивает утилизацию тепла с производительностью по газу от 60 м3/час до 400000 м3/час для температуры теплоносителя от 60 до 1300°С и возвращает до 40% и более потраченной энергии.
Полезная модель относится к области теплообменной аппаратуры, а именно к металлическим оребренным пластинчатым теплообменникам, преимущественно для газовых сред, и может быть использована в системах электрического или газового нагрева, а также нагрева мазутом или углем для очистки отходящего в атмосферу тепла и/или его повторного использования, например, для технологических процессов или обогрева помещений.
Известен рекуперативный пластинчатый теплообменник, содержащий пакет, собранный из оребренных тонколистовых панелей (ОТП), выполненный путем наложения друг на друга ОТП с продольно и поперечно ориентированными ребрами, в которых ОТП выполнены из пар параллельных прямоугольно гофрированных пластин, причем каждая пара пластин жестко скреплена с двух сторон кромками пластин, находящимися в плоскости основания гофр. При этом образованные каналы прямоугольного сечения для перекрестного прохода теплоносителей, как горизонтальные, так и вертикальные, имеют двойные стенки гофр, причем ребрами в известном устройстве являются двойные вертикальные стенки гофр. (US 4099928, 11.07.1978).
Известное устройство имеет недостаточно прочную конструкцию, что объясняется креплением ОТП только по их кромкам. К недостатку относится также наличие двойных стенок между каналами для прохода теплоносителей, образованными соседними ОТП, что приводит к снижению эффективность работы известного устройства за счет снижения теплопередачи от одной среды теплоносителя к другой через двойные стенки каналов. При этом отсутствие герметичности горизонтальных двойных стенок гофр, расположенных между вертикальными ребрами, не исключает перетекания теплоносителей внутри каждой ОТП, что снижает эффективность работы известного устройства.
Известно устройство, содержащее пакет, собранный из ОТП, выполненный путем наложения друг на друга ОТП с продольно и поперечно ориентированными ребрами, в которых ОТП выполнены сварными, в частности, биметаллическими, в которых пластины и ребра ОТП выполнены из разных материалов. Приварка ребер к пластинам ОТП образует металлургически целостное их соединение, что обеспечивает достаточно высокие прочностные характеристики этого устройства. При этом выполнение ребер и пластин ОТП из разных материалов позволяет использовать это устройство для широкого круга теплоносителей, оптимизировать процессы теплообмена в соответствии со свойствами теплоносителя и снизить стоимость этого устройства за счет использования более дешевых материалов. (RU 43954 U1, 21.06.2004, прототип).
Недостатком этого устройства является неспособность реализации его работоспособности в полной степени, так как отсутствие герметичного соединение между ОТП способствует перетоку теплоносителя из полостей каналов с одной средой в полости каналов для прохода теплоносителя с другой средой, а также к смешиванию теплоносителей, что приводит к неполному использованию тепловой энергии теплоносителей, кроме того, использование дополнительных элементов крепления для сборки ОТП в пакет рекуператора повышает массогабаритные параметры этого устройства и не обеспечивает эффективной теплопередачи из-за наличия разнотолщинных элементов крепления.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности конструкции пакета рекуператора, расширение температурного диапазона его использования и повышение срока эксплуатации при уменьшении массогабаритных параметров.
Решение технической задачи достигается тем, что в пакете рекуператора выполненного из сварных оребренных тонколистовых панелей, в частности, биметаллических, наложенных друг на друга с чередованием панелей с продольно и поперечно ориентированными ребрами, согласно полезной модели, панели герметично соединены друг с другом путем приварки кромок каждой пластины панели в ее сечении поперек ребер с верхними кромками двух крайних ребер пластины панели с продольно ориентированными ребрами, при этом высота ребер связана с расстоянием между соседними ребрами следующим соотношением
где
Н - высота ребер, м;
В - расстояние между соседними ребрами, м;
а толщина пластин рассчитана, исходя из следующей формулы
где
D - толщина пластины, м;
k - эмпирический коэффициент, учитывающий свойства материала пластины панели и нестационарные моменты работы рекуператора, выбираемый из диапазона значений от 1,4·10-4 до 5·10-4;
- коэффицент теплопроводности материала пластины панели при температуре, равной среднему значению температур сред теплообмена в каналах для прохода теплоносителя, Вт/(м·К).
При этом в некоторых случаях панели герметично соединены друг с другом путем приварки кромок каждой пластины панели в ее сечении поперек ребер с кромками пластин панели с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности пластины панели на угол от 35° до 145° на высоту, равную высоте ребер.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу, является повышение эффективности работы рекуператора и улучшение теплофизических характеристик при расширении возможности его применения.
Указанный технический результат достигается выполнением пакета рекуператора с герметизацией крайних каналов для прохода теплоносителей путем их заварки. При этом исключается смешивание сред теплообмена и снижается вероятность появления термических напряжений в конструкции. Это объясняется тем, что все сечение каналов теплоносителей нагревается равномерно, так как в отсутствуют элементы крепления в конструкции пакета, в связи с чем отсутствует и разнотолщинность стенок каналов теплоносителей, и поэтому в сечении рекуператора не возникает термических напряжений, а значит и преждевременных механических разрушений в переходные моменты работы рекуператора, что повышает срок эксплуатации предлагаемого устройства за счет более эффективной конструкции, по сравнению с устройством по прототипу.
Достижение указанного технического результата по повышению эффективности конструкции и снижении массогабаритных показателей предлагаемого устройства также объясняется сварной конструкцией пакета рекуператора без использования дополнительных элементов крепления, по сравнению с устройством по прототипу, в котором используется корпус или другие элементы крепления. При этом герметичное соединение нескольких сварных ОТП в пакет представляет собой самостоятельный модуль рекуператора, который может использоваться самостоятельно или встраиваться в группу подобных модулей, в частности, выполненных из других материалов, что расширяет возможность применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу.
Указанный технический результат достигается также тем, что расположение сварных ОТП в виде слоеного пирога с герметично заделанными краями позволяет создать разделенные тонкой стенкой параллельные каналы для прохода теплоносителей, в частности, газовых сред, с эффективной теплопередачей геометрические параметры которых предлагается рассчитывать по формулам (1) и (2). Формула (1) позволяет вычислить нижнюю и верхнюю границы оптимальных значений отношения высоты ребер к расстоянию между соседними ребрами, которое определяет геометрию канала, что важно для создания условий эффективного теплосъема и для получения необходимого аэродинамического сопротивления в этом канале. Формула (2) определяет оптимальную толщину панели при заданных типах теплоносителей в зависимости от материала пластины ОТП, учитывая, что материал для каждой пластины может быть разным, если пакет выполнен биметаллическим. Указанные соотношения позволяют получить рекомендации к выбору параметров ОТП в зависимости от типа теплоносителя и от материала пластин без трудоемкого и дорогостоящего экспериментального поиска. Проведенные расчеты и полученные опытным путем данные показывают, что при выполнении соотношений по формуле (1), потоки газовых сред, при принятых для работы рекуператоров скоростях потоков, приобретают турбулентный характер, обеспечивая высокую эффективность теплосъема и получение необходимого аэродинамического сопротивления. Указанные соотношения являются предельными. Нарушение условий неравенства (1) приводит к ламинарному характеру движения газовых потоков и низкой эффективности рекуператора. Это объясняется тем, что наиболее эффективным средством интенсификации процесса теплопередачи является создание турбулентности в каналах сред теплообмена. Но при относительно малой высоте ребер, а именно, меньше или равной 0,33·В, или при относительно большом расстоянии между ребрами, а именно, больше или равном 1/3 высоты ребер, ячейки газовых каналов становятся плоскими и газовый поток приобретает ламинарный характер, что приводит к низкой теплоотдаче, а значит и низкой эффективности теплообмена. Расчеты также показывают, что при толщине пластин ОТП, выбранных из соотношения по формуле (2) с использованием эмпирического коэффициента k, полученного авторами опытным путем, температура металла пластины не превышает усредненного значения температур сред теплообмена. Так, например, если температура греющей среды составляет 1200°С, а нагреваемой среды 20°С, то металл, разделяющий их стенки, нагреется только до температуры 610°С. Это позволяет применять низкотемпературные стали для высоких температур газовых сред, а именно, до температур, лежащих в диапазоне от 1100°С до 1300°С, вместо обычных для этих сталей значений - не превышающих 800°С или 900°С, что позволяет расширить возможности применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу. Указанный диапазон предельных значений коэффициента k в формуле (2) обусловлен разными требованиями к механической прочности стенок рекуператора при его различных габаритных параметрах и условиями равномерного прогрева элементов теплообмена в переходные моменты работы рекуператора, благодаря которому исключаются термические напряжения, разрушающие пакет рекуператора.
Указанный технический результат повышения эффективности работы предлагаемого устройства достигается также в некоторых случаях, когда ОТП герметично соединены друг с другом путем приварки кромок каждой пластины панели в ее сечении поперек ребер с кромками пластин панели с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности листа панели на угол от 35° до 145° на высоту, равную высоте ребер. Кроме того, в отдельных случаях это позволяет снизить трудоемкость сборки пакета рекуператоров, так как ребра могут при их изготовлении иметь небольшой гофр внешней кромки, а подогнутый край имеет ровную внешнюю кромку, что исключает правку при сборке пакетов. Кроме того угол, образованный подогнутой кромкой снижает лобовое сопротивление потоку газовой среды, поступающей в каналы для прохода теплоносителей. Указанные значения угла подгибки кромок от 35° до 145° являются предельными, при которых лобовое сопротивление еще уменьшается. Но при значениях угла подгибки больших 145° или меньших 35° лобовое сопротивление практически не меняется, а габаритные размеры рекуператора неоправданно увеличиваются за счет выступа, образованного подогнутой кромкой пластины ОТП. При этом наличие дополнительных ребер за счет отгиба края пластин улучшает теплофизические свойства рекуператора также за счет того, что сечения смежных с ними крайних прямоугольных каналов в этом случае нагреваются более равномерно.
На чертежах фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 схематично изображены предлагаемые конструкции рекуператоров.
На фиг.1 схематично изображен рекуператор, собранный из ОТП путем приварки кромок каждой пластины ОТП в ее сечении поперек ребер с верхними кромками двух крайних ребер пластины ОТП с продольно ориентированными ребрами.
На фиг.2 схематично изображен рекуператор, собранный из ОТП путем приварки кромок каждой пластины ОТП в ее сечении поперек ребер с кромками пластин ОТП с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности пластины ОТП на угол 35 градусов на высоту, равную высоте ребер. Толщина элементов рекуператора не показана.
На фиг.3 схематично изображен рекуператор, собранный из ОТП путем приварки кромок каждой пластины ОТП в ее сечении поперек ребер с кромками пластин ОТП с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности пластины ОТП на угол 145 градусов на высоту, равную высоте ребер. Толщина элементов рекуператора не показана.
На фиг.4 схематично изображен рекуператор, собранный из ОПТ путем приварки кромок каждой пластины ОТП в ее сечении поперек ребер с кромками пластин ОТП с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности пластины ОТП на угол 90 градусов на высоту, равную высоте ребер.
На чертежах показано: 1 - пластина ОТП; 2 - ребро ОТП. Точками схематично указаны места приварки.
Устройство содержит ОТП, которые состоят из тонколистовых металлических пластин 1 и приваренных к ним тонколистовых металлических ребер 2. Материалы для изготовления ОТП и геометрические параметры оребрения выбираются исходя из типов теплоносителей и температурных режимов работы рекуператора. Ребра 2 и пластины 1 могут быть изготовлены из разных материалов в зависимости от типа теплоносителей и условий работы рекуператора. Геометрические параметры оребрения - расстояние между ребрами 2 и высота ребер 2 выбираются из соотношения формулы (1), а толщина пластин 1 - по формуле (2). Пакет рекуператора формируется из определенного количества ОТП в зависимости от мощности, производительности и иных параметров. Сборка пакета рекуператора производится путем наложения ОТП друг на друга с чередованием продольно и поперечно оребренных панелей для образования каналов для прохода теплоносителей. ОТП герметично соединяются между собой путем приварки кромок крайних ребер 2 каждой пластины 1 к кромкам пластины 1 соседней ОТП в ее сечении поперек ребер 2. В некоторых случаях вместо крайних ребер 2 ОТП с продольно ориентированными ребрами 2 используют отогнутые на угол от 35 до 135 градусов кромки пластин 1 ОТП и приваривают их к кромкам соседней пластины 1 ОТП в ее сечении поперек ребер 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При эксплуатации пакета рекуператора по одним каналам для прохода теплоносителя пропускается греющий теплоноситель, а по поперечным к ним каналам пропускается нагреваемый теплоноситель, в частности, газообразный. При движении в теплообменных каналах теплоносители обмениваются теплом путем теплопередачи через общие стенки каналов, а затем удаляются через выходные полости своих каналов. Рекуператоры могут устанавливаться на пути отходящих, например, загрязненных газов и нагревать чистый воздух за счет теплопередачи через перегородки между газовыми и воздушными каналами. Температура газа, выбрасываемого в атмосферу, при этом существенно понижается, а чистый нагретый воздух может быть использован для технологических процессов, обогрева помещений и для любых других целей. Пластинчатый рекуператор, разработанный авторами предлагаемой полезной модели, реализован в ООО «Бушевец-Термо». Рекуператор представляет собой легкую, простую, ажурную термопластичную конструкцию. Вес предлагаемого рекуператора и габариты в несколько раз меньше, чем у традиционных аналогов.
Сравнительно большие сечения рабочих каналов обеспечивают малое аэродинамическое сопротивления газам и позволяют обеспечить скорости газовых потоков, при которых происходит самоочищение каналов. При необходимости каналы доступны для прочистки. Предлагаемый рекуператор обеспечивает утилизацию тепла с производительностью по газу от 60 м3/час до 400000 м3/час для температуры теплоносителя от 60°С до 1300°С, при этом рекуператор возвращает до 40% и более потраченной энергии.
1. Рекуператор, содержащий пакет, собранный из сварных оребренных тонколистовых панелей, в частности биметаллических, наложенных друг на друга с чередованием панелей с продольно и поперечно ориентированными ребрами, отличающийся тем, что панели герметично соединены друг с другом путем приварки кромок каждой пластины панели в ее сечении поперек ребер с верхними кромками двух крайних ребер пластины панели с продольно ориентированными ребрами, при этом высота ребер связана с расстоянием между соседними ребрами следующим соотношением
где H - высота ребер, м;
В - расстояние между соседними ребрами, м;
при этом толщина пластин панели рассчитывается по формуле
где
D - толщина пластины, м;
k - эмпирический коэффициент, учитывающий свойства материала пластины панели и нестационарные моменты работы рекуператора, выбираемый из диапазона значений от 1,4·10-4 до 5·10 -4;
- коэффициент теплопроводности материала пластины панели при температуре, равной среднему значению температур сред теплообмена в каналах для прохода теплоносителя, Вт/(м·К).
2. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что панели герметично соединены друг с другом путем приварки кромок каждой пластины панели в ее сечении поперек ребер с кромками пластин панели с продольно ориентированными ребрами, подогнутыми к поверхности пластины панели на угол от 35° до 145° на высоту, равную высоте ребер.
