ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 1999 года по МПК F28F3/00 F28F3/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к теплообменному оборудованию, и может быть использовано в любых теплообменных и теплопередающих устройствах, например котлах, водо-и паронагревателях, парогенераторах, градирнях, сушильных устройствах и других устройствах разнообразного назначения.

Известна теплообменная поверхность, например, теплообменная труба с поперечными ребрами, примыкающими к ее поверхности, и защитным покрытием, нанесенным на поверхности трубы и ребер, причем материал слоя, нанесенного на поверхность трубы, ребер и заполняющего полости прорезей, имеет теплопроводность, близкую к теплопроводности материала трубы и ребер (см., например, авторское свидетельство СССР N1476298, МПК⁴ F 28 F 1/24, опубл. 1989 г., бюл.N 16).

Недостатками известной теплообменной поверхности являются, низкая надежность и долговечность защитного слоя в условиях длительного воздействия высоких температур, а также недостаточная ее эффективность из-за сравнительно малой поверхности нагрева, что приводит к недостаточной интенсификации теплообмена, ограничивающей его экономические возможности и снижающей надежность работы устройства.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемой, принятым в качестве прототипа, является теплопередающий элемент, состоящий из металлической трубки и пакета оребряющих пластин, при этом крайние пластины пакета и трубка скреплены сварными соединениями, а промежуточные пластины и трубка скреплены паяными соединениями, образуя паяно-сварное соединение трубки и пакета пластин, при этом оребряющие пластины имеют не менее двух вырубленных и отогнутых перпендикулярно плоскости пластины зубца на высоту, соответствующую расстоянию между пластинами в пакете (см., например, патент Российской Федерации N2067737, МПК⁶ F 28 F 1/24, 1/36,., опубл. 1992 г., бюл.N 40).

Однако известное конструктивное решение теплообменного элемента по прототипу в недостаточной степени реализует интенсификацию теплообмена вследствие того, что сложная конструкция пакета оребряющих пластин снижает интенсивность прохождения тепла к рабочей среде и приводит к громоздкости конструкции, увеличению ее металлоемкости, снижению надежности и недолговечности в условиях длительного воздействия высоких температур из-за использования пайки, а также шлакообразования и коррозии металлов.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования теплообменной поверхности, в которой за счет выполнения поверхности нагрева из частей, которые выполнены из разных металлов и/или сплавов металлов с различными коэффициентами теплопроводности или из одного и того же металла с высокой теплопроводностью, а также выполнения теплопроводящих элементов любой формы цельными и/или составными из частей из металлов и/или их сплавов с высокой теплопроводностью, при условии, что коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов, соединенного с поверхностью нагрева, не менее (равен или превышает) коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева, с которой они соединены, и при этом все соединения выполнены при помощи сварного соединения, обеспечивается управление интенсивностью теплопередачи и повышение интенсификации теплообмена от теплового потока к рабочей среде, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур, и за счет этого достигается повышение эффективности работы и экономичности теплообменной поверхности, надежности и увеличение срока службы, упрощение конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменной поверхности, содержащей поверхность нагрева и соединенный с ней при помощи сварного соединения не меньше чем один теплопроводящий элемент, согласно изобретению поверхность нагрева состоит из частей, соединенных между собой сварным соединением, которые выполнены из металлов и/или сплавов металлов с различными коэффициентами теплопроводности, или из одного и того же металла, или его сплавов с высокой теплопроводностью, а теплопроводящие элементы выполнены цельными и/или составными из металлов и/или сплавов металлов с высокой теплопроводностью, при этом составные теплопроводящие элементы выполнены в виде частей из разных металлов и/или сплавов металлов, соединенных между собой сварным соединением, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов, соединенного с поверхностью нагрева, должен быть не менее коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева, с которой они соединены различными видами соединений или в их комбинациях.

Кроме того, в теплообменной поверхности:
- части поверхности нагрева с различными коэффициентами теплопроводности, выполнены из меди, ее сплавов, стали, в том числе нержавеющей;
- все части поверхности нагрева выполнены из меди или ее сплавов;
- цельные теплопроводящие элементы выполнены из меди или ее сплавов;
- части составных теплопроводящих элементов выполнены из меди, ее сплавов;
- теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева внахлестку;
- теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева встык;
- теплопроводящие элементы углублены в материал поверхности нагрева;
- теплопроводящие элементы проходят сквозь материал поверхности нагрева;
- теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык;
- теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева с углублением с двух сторон;
- теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева, причем с одной из сторон встык, а с другой - с углублением.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в управлении интенсивностью теплопередачи и повышении интенсификации теплообмена от теплового потока к рабочей среде, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур.

Выполнение поверхности нагрева из частей, выполненных из разных металлов и/или сплавов металлов с различными коэффициентами теплопроводности, преимущественно, из меди, ее сплавов, стали, в том числе нержавеющей, или из одного и того же металла с высокой теплопроводностью, преимущественно, из меди или ее сплавов, соединенных между собой сварным соединением, позволяет путем перераспределения теплового потока, максимально его используя, управлять интенсивностью теплопередачи. Кроме того, это позволяет осуществлять реконструкцию и модернизацию существующих теплообменных устройств, не изменяя в общем их конструкции, для повышения интенсификации теплообмена.

Выполнение тедлопроводящих элементов любой формы цельными и/или составными из металлов и/или сплавов металлов с высокой теплопроводностью, преимущественно, из меди или ее сплавов, при условии что коэффициент теплопроводности той части материала теплопроводящих элементов, которая соединена непосредственно с поверхностью нагрева, должен быть не менее (равен или превышать) коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева, с которой теплопроводящие элементы соединены различными видами соединений или в их комбинациях, позволяет ускорить теплопередачу, что повышает интенсификацию теплообмена. Кроме того, в составных теплопроводящих элементах, выполнение частей, соединенных между собой сварным соединением, из меди, ее сплавов или их комбинаций, позволяет дополнительно перераспределить тепловой поток для создания необходимой интенсивности теплообмена.

Сварное соединение, посредством которого осуществляют соединение материала поверхности нагрева с теплопроводящими элементами, или ее частей между собой, вследствие диффузионной структуры получаемого шва, способствует повышению интенсивности теплопередачи между поверхностью нагрева и теплопроводящими элементами к рабочей среде, а также повышению надежности соединения и увеличению срока службы теплообменной поверхности.

Соединение теплопроводящих элементов с материалом поверхности нагрева сварным соединением в различных видах: например, внахлестку, или встык, или углублены в материал, или проходят сквозь материал, или соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык, или с углублением с двух сторон, или с одной из сторон встык, а с другой - с углублением, или в различных комбинациях приведенных видов соединений, увеличивает площадь теплопередающей поверхности нагрева и усиливает эффект теплопередачи, повышая в целом интенсификацию теплообмена между тепловым потоком и рабочей средой.

Таким образом, предложенная совокупность общих и частных существенных признаков, объединенных единым изобретательским замыслом, позволяет при реализации только объекта изобретения как целого достичь технический результат - управление интенсивностью теплопередачи и повышение интенсификации теплообмена от теплового потока к рабочей среде.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображена заявляемая теплообменная поверхность с некоторыми примерами возможных форм теплопроводящих элементов и разных видов их соединения с поверхностью нагрева.

Рабочей средой может являться вода, пароводяная смесь, пар, воздух и другие вещества, а тепловой поток может быть в виде пламени, горячих газов, жидкостей и др.

Теплообменная поверхность содержит поверхность нагрева 1, которая непосредственно контактирует с тепловым потоком и обеспечивает прием и передачу тепловой энергии от теплового потока непосредственно рабочей среде. Поверхность нагрева 1 состоит из частей, например, 2, 3, 4, соединенных между собой сварным соединением, которые выполнены из разных металлов и/или с различными коэффициентами теплопроводности, преимущественно, из меди, ее сплавов, стали, в том числе нержавеющей, или из одного и того же металла с высокой теплопроводностью, преимущественно, из меди или ее сплавов. Части поверхности нагрева 1, материалы которых имеют различные коэффициенты теплопроводности, располагают так, чтобы наиболее эффективно отобрать и передать тепло от теплового потока. Например, часть поверхности, материал которой имеет высокий коэффициент теплопроводности (медь) располагают в области наиболее высокой температуры теплового потока, далее по убыванию температуры располагают части из сплавов меди, а в зоне выхода теплового потока - часть, выполненную из стали. На поверхности нагрева 1 со стороны теплового потока или со стороны рабочей среды в разных местах, расположены, теплопроводящие элементы любой формы 5, соединенные с ней сварным соединением. Теплопроводящие элементы 5 выполнены цельными и/или составными в зависимости от предъявляемых требований к выходным характеристикам и особенностям применения теплообменной поверхности и изготовлены из металла с высокой теплопроводностью, преимущественно, меди или ее сплавов, для ускорения отбора и передачи тепловой энергии. Составные теплопроводящие элементы 5 выполнены, например, из частей 6, 7, 8 из разных материалов, например, меди, ее сплавов или их комбинаций, соединенных между собой сварным соединением. Составные теплопроводящие элементы 5 изготавливают так, чтобы часть, находящаяся в области высокой температуры теплового потока (например, 7 или 8), была выполнена из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности, чем часть, соединенная с поверхностью нагрева 1 (например, 6). Цельные теплопроводящие элементы 5 выполнены также, например, из меди или ее сплавов. При этом коэффициент теплопроводности той части материала теплопроводящих элементов 5, которая соединена непосредственно с поверхностью нагрева 1, должен быть не менее (равен или превышать) коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева 1, с которой они соединены. Теплопроводящий элемент 5 способствует перераспределению тепловой энергии и максимальному ее отбору. Форма выполнения теплопроводящих элементов 5 возможна различная: например, в виде пластин, штырей различной конфигурации, в том числе Т-, Г-, Z-образной, волнообразной или гофрированной формы, в виде капли различной геометрической формы, а также иных видов и форм или их комбинаций, в том числе формы, при которой часть теплопроводящего элемента 5, проходящая сквозь поверхность нагрева 1, является ее частью и омывается двумя средами: тепловым потоком и рабочей средой. Теплопроводящие элементы 5 соединены с поверхностью нагрева 1 при помощи сварного соединения (например, соединение меди со сплавом меди, меди с медью, или меди со сталью), образующего сварной шов, который имеет технические характеристики, обеспечивающие надежность и длительный срок службы теплообменной поверхности. Соединение теплопроводящих элементов 5 с поверхностью нагрева 1 при помощи сварного соединения может быть выполнено в разных видах соединений, например, внахлестку, или встык, или когда они углублены в материал, или проходят сквозь материал, или соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык, или с углублением с двух сторон, или с одной из сторон встык, а с другой - с углублением, или в различных комбинациях приведенных видов соединений. Количеством теплопроводящих элементов 5, их формой, расположением и видом соединения можно варьировать в зависимости от поставленной задачи и требуемых выходных характеристик теплопередачи теплообменной поверхности, а также назначения и конструкции устройства, где она будет использоваться.

Заявляемая теплообменная поверхность осуществляет передачу тепла от теплового потока рабочей среде следующим образом.

В процессе работы тепловой поток контактирует с поверхностью нагрева 1 и с теплопроводящими элементами 5, находящимися на поверхности нагрева 1, и передает им тепло. Вследствие того, что в предложенной теплообменной поверхности применяются металлы с высокой теплопроводностью, например, медь или ее сплавы, и используются сварные соединения, а также благодаря заявленной конструкции теплообменной поверхности в целом, поверхность нагрева 1 и теплопроводящие элементы 5 интенсивно воспринимают тепло и передают его рабочей среде, омывающей поверхность нагрева 1. При этом происходят максимальный отбор и ускоренная передача тепловой энергии, что значительно снижает потери тепла в окружающую среду. В результате эффективность и экономичность работы поверхности нагрева повышаются.

Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменной поверхности позволяет обеспечить управление интенсивностью теплопередачи и повысить интенсификацию теплообмена от теплового потока к рабочей среде, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур, что повышает эффективность работы и экономичность, надежность и долговечность теплообменной поверхности, а также достигается упрощение ее конструкции.

Использование заявляемой теплообменной поверхности выгодно отличает ее от известных и обеспечивает при ее эксплуатации в различных теплообменных устройствах, преимущественно котлах, повышение интенсификации теплообмена от теплового потока к рабочей среде, что приводит к повышению КПД и сохранению его постоянства на протяжении всего срока службы устройства, увеличению его надежности и долговечности, возможности задания показателей теплового потока на выходе. Кроме того, заявленная теплообменная поверхность имеет широкую сферу применения в устройствах различного назначения: как при реконструкции и модернизации уже действующих и восстановлении подлежащих ремонту и очистке, так и при проектировании и изготовлении новых устройств.

По предложенному техническому решению были изготовлены опытные образцы, которые прошли успешные испытания и подтвердили получение положительного эффекта.

Изобретение предназначено для применения в теплоэнергетике, в теплообменом оборудовании, а также в любых теплообменных и теплопередающих устройствах. Изобретение содержит поверхность нагрева и соединенный с ней при помощи сварного соединения не меньше чем один теплопроводящий элемент, поверхность нагрева состоит из частей, соединенных между собой сварным соединением, которые выполнены из металлов и/или сплавов металлов с различными коэффициентами теплопроводности или из одного и того же металла или его сплавов с высокой теплопроводностью, а теплопроводящие элементы выполнены цельными и/или составными из металлов и/или сплавов металлов с высокой теплопроводностью, при этом составные теплопроводящие элементы выполнены в виде частей из разных металлов и/или сплавов металлов, соединенных между собой сварным соединением, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов, соединенного с поверхностью нагрева, должен быть не менее коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева, с которой они соединены различными видами соединений или их комбинациями. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс теплообмена от теплового потока к рабочей среде. 11 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. Теплообменная поверхность, содержащая поверхность нагрева и соединенный с ней при помощи сварного соединения не меньше чем один теплопроводящий элемент, отличающаяся тем, что поверхность нагрева состоит из частей, соединенных между собой сварным соединением, которые выполнены из металлов и/или сплавов металлов с различными коэффициентами теплопроводности или из одного и того же металла или его сплавов с высокой теплопроводностью, а теплопроводящие элементы выполнены цельными и/или составными из металлов и/или сплавов металлов с высокой теплопроводностью, при этом составные теплопроводящие элементы выполнены в виде частей из разных металлов и/или сплавов металлов, соединенных между собой сварным соединением, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов, соединенного с поверхностью нагрева, должен быть не менее коэффициента теплопроводности материала части поверхности нагрева, с которой они соединены различными видами соединений или их комбинациями. 2. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что части поверхности нагрева с различными коэффициентами теплопроводности выполнены из меди, ее сплавов, стали, в том числе нержавеющей. 3. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что все части поверхности нагрева выполнены из меди или ее сплавов. 4. Поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что цельные теплопроводящие элементы выполнены из меди или ее сплавов. 5. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что части составных теплопроводящих элементов выполнены из меди, ее сплавов. 6. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева внахлестку. 7. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева встык. 8. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы углублены в материал поверхности нагрева. 9. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы проходят сквозь материал поверхности нагрева. 10. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык. 11. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева с углублением с двух сторон. 12. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева, причем с одной из сторон встык, а с другой - с углублением.