ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F24H3/04 F23L15/04 

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в энергетике, нефтяной, химической, пищевой и других отраслях промышленности, преимущественно в установках для нагрева воздуха и газов.

Известен нагреватель [1] , содержащий осесимметричную кольцевую камеру нагреваемого теплоносителя и установленные в ней V-образные трубчатые электронагреватели с прямыми и изогнутыми участками, все прямые участки которых расположены на равном удалении от оси камеры и по крайней мере один прямой участок каждого электронагревателя установлен между прямыми участками соседнего, а изогнутые участки электронагревателей размещены со смещением один относительно другого вдоль оси камеры.

Кольцевая камера разделена продольной перегородкой на два канала, включенных последовательно по нагреваемому теплоносителю.

К основным недостаткам известного нагревателя относятся:
- продольные перегородки, расположенные параллельно электронагревателям, способствуют созданию ламинарного потока нагреваемого теплоносителя вдоль трубчатых электронагревателей, что значительно снижает коэффициент теплоотдачи;
- продольное обтекание нагреваемым теплоносителем прямых участков труб электронагревателей характеризуется низким коэффициентом теплоотдачи;
- малая величина пути проходимого потоком нагреваемого теплоносителя.

Все указанные недостатки способствуют уменьшению эффективности теплообмена в нагревателе в целом.

Известен воздухонагреватель [2] (прототип), содержащий корпус с воздухоподводящим патрубком, нагревательными элементами, коаксиально размещенными внутри корпуса, цилиндрическую обечайку и осевой отводящий патрубок, снабженный на выходе диффузором, образующие последовательно соединенные по воздуху кольцевые каналы, при этом корпус разделен горизонтальной перегородкой на две камеры, в каждой из которых кольцевые каналы, кроме нижнего внутреннего, имеют по радиальной перегородке, а в горизонтальной перегородке выполнены окна, сообщающие камеры в зоне расположения радиальных перегородок.

К основным недостаткам известного нагревателя относятся:
- низкая эффективность нагрева воздуха из-за расположения нагревательных элементов только во внутренних кольцевых каналах верхней и нижней камер.

В наружных кольцевых каналах обеих камер воздух частично нагревается только через стенки цилиндрической обечайки.

- близкое расположение перепускного окна, сообщающего внутренние каналы обеих камер, от отверстия в отводящем патрубке будет явно способствовать прямому перетоку нагреваемого воздуха из верхнего внутреннего канала в отводящий патрубок, тем самым уменьшается эффективность теплообмена (КПД) электронагревательных элементов во внутреннем канале нижней камеры;
- несоизмеримость живых сечений перепускных окон, кольцевых каналов, входного и выходного патрубков способствует возникновению неравномерности скорости потока теплоносителя, возникновению "застойных зон" и "затухания" потока за счет сопротивления, создаваемого перепускными окнами.

Все указанные недостатки способствуют уменьшению эффективности теплообмена (КПД) в нагревателе в целом.

Задачей изобретения является разработка конструкции воздухонагревателя, свободного от вышеуказанных недостатков, позволяющего повысить эффективность нагрева теплоносителя за счет увеличения скорости потока воздуха, создающей повышение турбулентности потока, увеличения пути проходимого потоком теплоносителя в каналах камер, увеличения коэффициента теплоотдачи трубчатых нагревательных элементов, путем обеспечения поперечного обтекания потоком цилиндрических поверхностей нагревательных элементов под углом, близким к 90^o [3], [4].

Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе, содержащем корпус с воздухоподводящим и воздухоотводящим патрубками и нагревательными элементами, вертикальную и горизонтальную перегородки с окнами, образующими последовательно соединенные по воздуху камеры, разделенные на каналы, вертикальная перегородка размещена по оси корпуса, а ее окна в каждой камере противолежат окнам горизонтальных перегородок, размещенных по высоте корпуса с обеспечением последовательного чередования окон в шахматном порядке относительно вертикальной перегородки.

На фиг. 1 показан воздухонагреватель в разрезе.

На фиг. 2 и фиг. 3 - сечения А-А и Б-Б на фиг. 1 соответственно.

Воздухонагреватель содержит корпус 1, воздухоподводящий патрубок 2, воздухоотводящий патрубок 3, нагревательные элементы 4, горизонтальные перегородки 5 с окнами 6, образующие камеры 7, вертикальную перегородку 8 с окнами 9, разделяющую каждую камеру 7 на два канала 10 и 11.

Воздухонагреватель при использовании его, преимущественно, в качестве подогревателя в установках для нагрева воздуха и газов работает следующим образом.

Холодный воздух через патрубок 2 подается в верхний канал 10, не меняя направления, омывает нагревательные элементы 4.

Дальше поток, проходя через окно 9, попадает в соседний канал 11, где, дополнительно нагреваясь от нагревательных элементов 4, меняет направление, опускаясь вниз через окно в горизонтальной перегородке 5, поступает в нижележащий канал 11.

Таким образом поток нагреваемого воздуха проходит последовательно все каналы 10 и 11 камер 7 сверху вниз и выходит в нагретом до необходимой температуры состоянии из корпуса 1 через патрубок 3.

Предлагаемый воздухонагреватель, благодаря конструктивным особенностям, позволит увеличить эффективность теплообмена за счет:
- Увеличения скорости потока, которая в свою очередь повышает турбулентность потока нагреваемой среды.

В турбулентном же потоке осуществляется гораздо более интенсивный перенос тепла между взаимодействующими рабочей средой и стенками нагревательных элементов [3].

Скорость потока увеличивается за счет уменьшения живого проходного сечения каналов. Это достигается установкой вертикальной перегородки в камерах.

- Увеличения пути проходимого потоком рабочей среды в каналах.

Это достигается наличием вертикальной и горизонтальных перегородок и их взаимным расположением, образующих сообщающиеся замкнутые каналы.

- Увеличения коэффициента теплоотдачи трубчатых поверхностей нагревательных элементов.

Это достигается путем создания направленного поперечного обтекания потоком рабочей среды трубок нагревательных элементов под углом, близким к 90^o [3], [4].

Этому способствует наличие в вертикальной перегородке окон прямоугольного сечения и расположение окон в каждой горизонтальной перегородке вне зоны расположения нагревательных элементов.

Источник информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1078210, F 24 H 1/20, 1984.

1. Авторское свидетельство СССР N 522380, F 24 H 03/04, 1976.

3. Шорин С. Н. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1964, с. 292-295, 305-309, 328-330, 336-340.

4. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Издание второе, переработанное. - М.: Энергия, 1972, с. 34 и 35.

Использование: в энергетике, нефтяной, химической, пищевой и других отраслях промышленности, преимущественно в установках для нагрева воздуха и газов. Устройство содержит корпус с воздухоподводящим и воздухоотводящим патрубками и нагревательными элементами, вертикальную и горизонтальную перегородки с окнами, последовательно соединенные по воздуху камеры, разделенные на каналы. Вертикальная перегородка размещена по оси корпуса, а ее окна в каждой камере противолежат окнам горизонтальных перегородок, размещенных по высоте корпуса с обеспечением последовательного чередования окон в шахматном порядке относительно вертикальной перегородки. При таком выполнении увеличивается скорость движения теплоносителя, длина каналов, по которым он движется, и коэффициент теплоотдачи. 3 ил.

Воздухонагреватель, содержащий корпус с воздухоподводящим и воздухоотводящим патрубками и нагревательными элементами, вертикальную и горизонтальную перегородки с окнами, образующие последовательно соединенные по воздуху камеры, разделенные на каналы, отличающийся тем, что вертикальная перегородка размещена по оси корпуса, а ее окна в каждой камере противолежат окнам горизонтальных перегородок, размещенных по высоте корпуса с обеспечением последовательного чередования окон в шахматном порядке относительно вертикальной перегородки.