ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 2000 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 поверхность нагрева водогрейного котла, содержащая соединенные между собой секции, каждая из которых содержит волнистые ребра, расположенные между прямыми ребрами по меньшей мере на части ее поверхности, причем смежные волнистые ребра на обращенных одна к другой сторонах секций смещены на половину длины волны. Каждую секцию как одно целое с ребрами обычно изготавливают методом литья (см. , например, авторское свидетельство СССР N 1314208, МПК⁴ F 24 H 1/32, заявл. 1985 г., опубл. 1987 г., бюл. N20).

К недостаткам известной поверхности нагрева относится низкая эффективность теплообмена в связи с тем, что секции обычно выполняют литыми как одно целое с ребрами из высокоуглеродистого чугуна, обладающего низким коэффициентом теплопроводности, а также из-за недостаточной общей площади поверхности нагрева.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому, принятым в качестве прототипа, является теплообменный элемент, содержащий трубу с проволочным оребрением, в котором проволока выполнена двухслойной в виде сердечника и герметичной оболочки, при этом сердечник выполнен из меди, а оболочка из нержавеющей стали (см., например, авторское свидетельство СССР N 939924, МПК³ F 28 F 1/10, заявл. 1980 г., опубл. 1982 г., бюл.N 24).

Для прототипа и заявляемого теплообменного устройства общими существенными признаками являются наличие поверхности нагрева и одного или более теплопроводящего элемента.

Известное конструктивное решение теплообменного элемента по прототипу в недостаточной степени реализует интенсификацию теплообмена вследствие того, что сердечник проволоки оребрения, выполненный из меди, заключен в оболочку из нержавеющей стали, которая, выполняя защитную функцию в условиях повышенных температур и агрессивных сред, в то же время за счет низкого коэффициента теплопроводности нержавеющей стали снижает теплообмен между оребрением и поверхностью нагрева. Кроме того, крепление проволочного оребрения к поверхности нагрева имеет малую площадь контакта, что также снижает теплообмен и не позволяет достичь известной конструкции высокой интенсификации теплообмена.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования теплообменной поверхности, включающей поверхность нагрева и один или более теплопроводящий элемент, в которой за счет выполнения сплошной поверхности нагрева и расположенных на ней с одной или двух ее сторон теплопроводящих элементов различной формы из меди или ее сплавов, при условии, что коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, обеспечивается ускорение теплообмена, а также уменьшение тепловых потерь за счет максимального поглощения тепловой энергии, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур, что приводит к повышению эффективности работы, экономичности, надежности и увеличению долговечности теплообменной поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменной поверхности, включающей поверхность нагрева и один или более металлический теплопроводящий элемент, согласно изобретению сплошная поверхность нагрева и расположенные на ней с одной или двух ее сторон теплопроводящие элементы различной формы выполнены из меди или ее сплавов, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева.

Кроме того, в теплообменной поверхности:
- поверхность нагрева и теплопроводящие элементы выполнены как одно целое;
- поверхность нагрева выполнена цельносварной или цельнотянутой, а теплопроводящие элементы соединены с ней при помощи сварного соединения;
- теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева, 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.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в ускорении теплообмена, а также уменьшении тепловых потерь за счет максимального поглощения тепловой энергии, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур.

Между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Выполнение сплошной поверхности нагрева и теплопроводящих элементов, расположенных на поверхности нагрева с одной или двух ее сторон, из металла с высокой теплопроводностью - меди или ее сплавов, при условии, что коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, обеспечивает оптимальный отбор и перераспределение тепловой энергии, позволяет наиболее эффективно использовать энергию теплового потока, ускоряя теплообмен, а также уменьшить тепловые потери за счет максимального поглощения тепловой энергии, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур, что повышает эффективность работы и экономичность теплообменной поверхности, надежность и увеличивает долговечность.

Кроме того, медь и ее сплавы обладают значительным коэффициентом теплопроводности по сравнению с материалами (например, сталь или чугун), из которых обычно выполняют поверхности нагрева и другие части теплообменных устройств, в результате чего происходит ускоренный отбор и передача тепловой энергии теплопроводящими элементами к рабочей среде, что повышает интенсификацию процесса теплообмена. При этом значительно снижается возможность появления высокотемпературной коррозии и окалино- и шлакообразование на теплопередающих элементах, а также на поверхности нагрева.

Выполнение поверхности нагрева и теплопроводящих элементов как одно целое, например цельнолитыми, позволяет упростить технологию изготовления теплообменной поверхности, получая различные формы, и повысить надежность и долговечность теплообменной поверхности в целом. Кроме того, увеличивается теплопередающая площадь поверхности нагрева, на которой отсутствуют какие-либо крепления с теплопередающими элементами, что значительно повышает теплоотдачу поверхности и ее надежность. Выполнение поверхности нагрева цельносварной или цельнотянутой позволяет ускорить изготовление теплообменной поверхности.

Сварное соединение, посредством которого осуществляют соединение материала поверхности нагрева с теплопроводящими элементами, материалы которых имеют равные или различные коэффициенты теплопроводности (например, медь со сплавом меди или медь с медью), вследствие диффузионной структуры получаемого сварного шва с заданными характеристиками (плотность, однородность и т. п. ), которые не только не препятствуют теплообмену от теплопроводящих элементов к материалу поверхности нагрева и, в конечном итоге, к рабочей среде, а, наоборот, способствуют прохождению тепла через сварное соединение, что ускоряет теплообмен.

Приведенные различные виды соединений теплопроводящих элементов с материалом поверхности нагрева, 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, позволяют выбирать наиболее эффективные в зависимости от поставленной задачи и заданных параметров, тем самым ускорить теплопередачу, 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 - повышение теплоотдачи от теплового потока к рабочей среде и увеличение надежности и долговечности, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена теплообменная поверхность с поверхностью нагрева и теплопроводящими элементами, выполненными как одно целое, с некоторыми примерами возможных форм теплопроводящих элементов; а на фиг.2 - теплообменная поверхность с различными примерами возможных форм теплопроводящих элементов, соединенных с поверхностью нагрева при помощи сварного соединения, где также приведены примеры разных видов соединения теплопроводящих элементов с материалом поверхности нагрева.

Рабочей средой в теплообменных поверхностях 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 выполнена сплошной из однородного металла с высокой теплопроводностью - меди или ее сплавов. На поверхности нагрева 1 с одной или с двух ее сторон (см. фиг.1 и 2) в разных местах, преимущественно в зоне высоких температур, расположены один или более металлические теплопроводящие элементы 2. Поверхность нагрева 1 и теплопроводящие элементы 2 могут быть выполнены как одно целое, например, методом литья или прессованием, при этом теплообменная поверхность с одной или с двух сторон может представлять из себя гофрированную, волнообразную или иную форму или их сочетание. Когда поверхность нагрева 1 выполнена, например, цельносварной или цельнотянутой, то теплопроводящие элементы 2 соединены с ней при помощи сварного соединения. Теплопроводящие элементы 2 любой формы выполнены из металла с высокой теплопроводностью - меди или ее сплавов, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов 2 равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева 1 для ускорения отбора и передачи тепловой энергии. Теплопроводящий элемент 2 способствует перераспределению тепловой энергии и максимальному ее отбору. Форма выполнения теплопроводящих элементов 2 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. Теплопроводящие элементы 2 соединены с поверхностью нагрева 1 при помощи сварного соединения (например, сваркой: медь со сплавом меди или медь с медью), образующего сварочный шов, который имеет технические характеристики, позволяющие обеспечить надежность и длительный срок службы теплообменной поверхности. Соединение теплопроводящих элементов 2 с поверхностью нагрева 1 при помощи сварного соединения может быть выполнено в разных видах (см.фиг.2), 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 2, 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 2, находящимися на поверхности нагрева 1 с одной или двух ее сторон, и передает им тепло. Вследствие того, что поверхность нагрева 1 и теплопроводящие элементы 2 любой формы выполнены из однородного металла с высокой теплопроводностью - меди или ее сплавов, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов 2 равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева 1, а также благодаря заявленной конструкции теплообменной поверхности в целом, она интенсивно воспринимает тепло и передает его рабочей среде, омывающей поверхность нагрева 1. При этом происходит максимальный отбор и ускоренная передача тепловой энергии, что значительно снижает потери тепла в окружающую среду. В результате эффективность и экономичность работы поверхности нагрева повышается.

Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменной поверхности позволяет ускорить теплообмен, а также уменьшить тепловые потери за счет максимального поглощения тепловой энергии, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур, что повышает эффективность работы и экономичность теплообменной поверхности, надежность и увеличивает долговечность.

Использование заявляемой теплообменной поверхности выгодно отличает ее от известных и обеспечивает при ее эксплуатации в различных устройствах, например 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 срока службы, 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, а также в любых теплообменных устройствах, например котлах, водо- и паронагревателях, парогенераторах, градирнях, сушильных устройствах и других устройствах разнообразного назначения. Теплообменная поверхность включает поверхность нагрева и связанный с ней один или более теплопроводящий элемент, причем сплошная поверхность нагрева и расположенные на ней с одной или двух ее сторон теплопроводящие элементы различной формы выполнены из меди или ее сплавов, а коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева. Использование данного изобретения приводит к повышению эффективности работы, надежности и увеличению долговечности теплообменной поверхности, особенно в условиях длительного воздействия высоких температур. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплообменная поверхность, включающая поверхность нагрева и связанный с ней один или более теплопроводящий элемент, отличающаяся тем, что сплошная поверхность нагрева и расположенные на ней с одной или двух ее сторон теплопроводящие элементы различной формы выполнены из меди или ее сплавов, причем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящих элементов равен или превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева. 2. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что поверхность нагрева и теплопроводящие элементы выполнены как одно целое. 3. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что поверхность нагрева выполнена цельносварной или цельнотянутой, а теплопроводящие элементы соединены с ней при помощи сварного соединения. 4. Поверхность по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы соединены с материалом поверхности нагрева, 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.