РЕГЕНЕРАТИВНО-РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1998 года по МПК F28D17/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, используемым в теплотехнике и др. отраслях народного хозяйства в качестве аккумулятора тепловой энергии, а также, в частности, в установках для разделения (очистки) веществ.

Известен теплообменник по [1] содержащий корпус, горизонтально расположенные поверхности теплообмена, выполненные из металла с высокой теплопроводностью и вертикальными проставками из материала с низкой теплопроводностью.

Известно и использование в качестве рабочего вещества теплообменника твердого тела, плавящегося при рабочих температурах теплообмена (см. [2]), что существенно увеличивает теплоаккумулирующую способность каждого элемента за счет использования скрытой теплоты плавления твердого тела.

Недостатками известных устройств являются их малая теплоаккумулирующая способность и невозможность работы при высоких температурах, что обусловлено ограниченностью легкокипящего теплоносителя, а в [1] в принципе нельзя заправить много теплоносителя, т.к. при его испарении давление паров в корпусе возрастает, что приводит к подъему температуры насыщения и снижает эффективность работы конденсатора. В [2] удельная мощность теплообменника ограничена объемом шаров с твердым теплоносителем, увеличением давления на стенки шаров при изменении температур, особенно на стадии плавления твердого теплоносителя.

Задачей изобретения явилось устранение отмеченных недостатков [1] и [2] интенсификации теплообмена при высокой надежности и простоте конструкций и возможности аккумулирования значительных количеств тепла.

Для этого в качестве теплообменных элементов в регенеративно-рекуперативном теплообменнике, размещенных в твердом рабочем теле и состоящих из двух контуров с жидким теплоносителем, использованы трубы с жидким теплоносителем в виде змеевиков, конфигурация которых обеспечивает равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередуются послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполнения нейтральным по отношению к рабочему телу и конструктивным материалам газом, соединенная с расположенным вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. При использовании данного предложения для разделения (очистки) веществ методом зонной плавки устройство имеет более 3-х теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителей в каждый, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество.

На фиг. 1 изображен корпус 1, выполненный из низкотеплопроводного материала, обложенный теплоизоляцией 2 и заполненный внутри рабочим телом 3, материал которого подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. Корпус, все проставки и др. вертикально расположенные элементы устройства выполняют из низкотеплопроводного материала. Теплообменные контуры 4 и 5 выполняют в виде горизонтальных поясов с конфигурацией труб, обеспечивающей равномерный нагрев слоев рабочего тела по соответствующим поясам, причем так, что теплообменные элементы одного контура чередовались с теплообменными элементами другого. Материал горизонтальных поясов обоих контуров должен быть высокотеплопроводным. Каждый контур снабжен устройством 6 (обратным клапаном и др.) для направления с горячим теплоносителем сверху вниз, а с холодным - снизу вверх. Над рабочим телом внутри корпуса имеется полость 7, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструкционным материалам газом, и соединенная трубкой 8 с камерой 9 из эластичного материала.

При изготовлении теплообменника для использования в качестве устройства для зонной плавки он может выполняться с тремя и более теплообменными контурами с независимой подачей теплоносителя, размещенными последовательно по высоте теплообменника.

Работает устройство следующим образом.

Горячий теплоноситель, поступая в контур 4 только сверху вниз, благодаря устройству 6, нагревает рабочее тело 3 до плавления в верхней части корпуса. Теплоноситель контура 5, двигаясь снизу вверх постепенно и эффективно нагревается, используя в том числе скрытую теплоту плавления твердого тела. Деформации рабочего тела, связанные с изменением его физических состояний, передаются жидким слоем на газовую подушку 7. При этом газ выдавливается или всасывается по трубке 8 в (или из) эластичную камеру 9, разгружая элементы конструкций. Этому способствует материал и конфигурация горизонтальных элементов теплообменника, обеспечивающие равномерный и быстрый нагрев рабочего тела слоями по горизонтальным сечениям при минимальной деформации корпуса 1, теплоизоляции 2 и вертикальных элементов конструкций (проставок и др.).

Работа теплообменника в режиме устройства для зонной плавки обеспечивается путем последовательного включения контуров сверху вниз и выпусками расплавленной фракции рабочего тела, в качестве которого используется расплавляемое очищаемое вещество, из соответствующих выпусков. Таким образом, процесс идет до полного слива рабочего тела из нижней части корпуса.

В предложенном устройстве изменение линейных параметров элементов конструкций, связанные с изменениями агрегатных состояний рабочего тела, не приводят к значительным деформациям элементов конструкций, т.к. зоны плавления и твердения рабочего тела размещаются строго горизонтально, соответствующие нагрузки передаются на газовую подушку с упругим компенсатором. Это позволяет создавать термоаккумуляторы на любые сколь угодно большие запасы тепловой энергии, легко заполнять устройство тепловой энергией и извлекать ее.

Отметим, что признаки прототипа: ".проставками из материала низкой теплопроводности сеток, выполненных из металлического листа высокой теплопроводности. " в заявленном предложении имеют другую конструктивную реализацию (трубы вместо листовых фигурных конструкций), иное назначение (обеспечение равномерного и эффективного нагрева по горизонтальным поясам, вместо обеспечения герметичности) и проявляет другие свойства (теплоотдача через стенку трубы, а не через длинную сторону элемента, что позволяет использовать более высокую теплоемкость жидкого теплоносителя).

На фиг. 2 изображен вариант устройства с размещением теплообменных контуров внутри корпуса. Сверху показан радиатор 1, призванный гасить температурные колебания газов. Уплотнители 2 герметизируют входы и выходы труб теплообменника. Жидкая фаза рабочего тела показана позицией 3, зона плавления 4, твердое рабочее тело 5. Для выравнивания температур по горизонту может использоваться известная сетка 6 по прямому назначению, изготавливаемая как и горизонтально расположенные змеевики из высокотеплопроводного материала, например, меди. Для выпуска рабочего тела показано отверстие 7. Крепеж змеевиков в корпусе обеспечивается устройствами 8 по вертикали и 9 по горизонтали.

На фиг. 3 и 4 показаны возможные конфигурации змеевиков горизонтальных участков теплообменных контуров.

Регулируя движение теплоносителя в контурах по последовательной или последовательно-параллельным схемам, обеспечивают жидкое состояние рабочего тела в верхней части корпуса, твердое состояние в нижней части, а зона плавления, оставаясь плоской и горизонтальной, перемещается в вертикальном направлении, захватывая соответствующий объем рабочего тела.

Таким образом, предложение позволяет интенсифицировать теплообмен за счет увеличения теплоаккумулирующей способности теплопередающего элемента, что повышает производительность теплообменника при высокой надежности его конструкций.

Использование: в теплотехнике и других отраслях народного хозяйства в качестве аккумулятора тепловой энергии. Сущность изобретения: в качестве теплообменных элементов использованы змеевики из труб с жидким теплоносителем и конфигурацией, обеспечивающей равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередовались послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного - снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструкционным материалам газом, соединенная с расположенной вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. Для использования теплообменника в качестве устройства для очистки веществ методом зонной плавки устройство имеет более трех теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителя, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Регенеративно-рекуперативный теплообменник, содержащий корпус с рабочим телом, расположенные в горизонтальных плоскостях теплообменные элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, и два контура с жидким теплоносителем, отличающийся тем, что в качестве теплообменных элементов, контактирующих с рабочим телом, использованы змеевики из труб с жидким теплоносителем с конфигурацией змеевиков, обеспечивающей равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, и размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередовались послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструктивным материалом газом, соединенная с расположенной вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что для его использования в качестве устройства для разделения (очистки) веществ методом зонной плавки устройство имеет более трех теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителя, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество.