ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2000 года по МПК F28F13/18 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции высокотемпературных теплообменных аппаратов.

Теплообменные аппараты предназначены для передачи тепла от теплоносителя к какому-либо потребителю тепла. В высокотемпературных, в основном газовых, рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, являющейся поверхностью теплообмена, термическое сопротивление которой определяется условиями теплоотдачи по обе стороны стенки и теплопроводностью самой стенки. Кроме того, от поверхности теплообмена требуется высокая жаро- и коррозионная стойкость, поскольку при высоких температурах теплоносители в большинстве случаев химически агрессивны.

Известна конструкция высокотемпературного теплообменного аппарата, в котором поверхности теплообмена изготовлены из нержавеющей стали [1]. Такая конструкция обеспечивает необходимые жаро- и коррозионную стойкость, однако у нее низкая теплопроводность, что снижает эффективность работы аппарата. Кроме того, использование нержавеющей стали увеличивает ее стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция теплообменного аппарата, в котором поверхности теплообмена изготовлены, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, нанесенным напылением [2]. Теплопроводность углеродистой стали выше, чем у нержавеющей, а покрытие предохраняет теплообменник от высокотемпературной коррозии. Однако при этом поверхность теплообмена становится многослойной и ее термическое сопротивление возрастает. Кроме того, теплопроводность покрытия ниже, чем у литого металла из-за наличия пористости и пропорционально ей. Так, например, у покрытия из стали Х18Н9, нанесенного металлизацией, пористость составляет 7% и при температуре 800 градусов Цельсия теплопроводность снижается на 12% в сравнении с исходной проволокой, используемой в качестве материала при напылении покрытия.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы теплообменника при снижении затрат на его изготовление за счет использования на поверхности теплообмена многослойного покрытия с различными показателями по слоям параметров пористости и шероховатости.

Для решения указанной задачи в известной конструкции теплообменника, принятой за прототип, поверхность теплообмена которого изготовлена, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2...20 раз выше, чем нижнего.

Применение дешевых материалов стенки в условиях их работы при высоких, порядка 800...1000 градусов Цельсия, температурах и коррозии возможно, например, при их защите жаро- и коррозионно-стойкими покрытиями. Если одним из теплоносителей является газ, теплоотдача от которого к поверхности теплообмена обычно низкая, то увеличение термического сопротивления многослойной стенки можно компенсировать уменьшением термического сопротивления теплоотдачи со стороны газа путем дополнительной турбулизации потока. Для этого покрытие выполняется многослойным, таким образом, что у верхнего слоя шероховатость, т.е. высота неровностей поверхности, выше, чем у нижних.

Нижние плотные слои покрытия, выполненные напылением на стенку мелкодисперсных и однородных частиц, обеспечивают защиту поверхности теплообмена от высокотемпературной коррозии. Верхний слой покрытия, менее плотный и неоднородный по шероховатости, турбулизирует обтекающий стенку поток газа, за счет чего уменьшается толщина гидродинамического вязкого (ламинарного) подслоя потока газа и связанного с ним теплового пограничного слоя, в пределах которого температура меняется от температуры стенки до средней температуры потока теплоносителя. Уменьшение толщины теплового пограничного слоя улучшает теплоотдачу от стенки к потоку, причем чем выше пористость и неоднородность покрытия, тем выше теплоотдача и ниже ее термическое сопротивление [3].

Выполнение такой структуры покрытия возможно методом электродуговой металлизации (ЭДМ), в котором размер напыляемых частиц, а значит и шероховатость поверхности регулируется технологически параметрами процесса: напряжением дуги, вылетом электродов, давлением воздуха [2].

Опыт показывает, что для получения плотного покрытия дисперсность напыляемых частиц должна быть менее 160 мкм, при этом шероховатость поверхности будет до 50 мкм за счет растекания капель металла при ударе о поверхность теплообмена. Получение верхнего слоя покрытия с повышенной и нерегулярной шероховатостью обеспечивается напылением частиц размером 160...1500 мкм, при этом шероховатость поверхности составит 300...1000 мкм.

Согласно [4], толщина пристеночного вязкого подслоя потока составляет от 0,01 до 0,001 диаметра теплообменной поверхности, так что для ходового диаметра труб 30...100 мм шероховатость 300...1000 мкм будет сопоставима с толщиной теплового пограничного слоя, чем обеспечивается хорошая турбулизация потока, уменьшение толщины теплового пограничного слоя и, как следствие, увеличение теплоотдачи.

Пример конкретного выполнения.

Для сравнительных испытаний были изготовлены теплообменники по конструкции - прототипу и по предлагаемому техническому решению. Электрометаллизатором ЭМ-17 на теплообменники из стали 20 было нанесено покрытие из стали Х18Н9 с параметрами согласно табл. 1.

Затем по методике [5] была оценена эффективность теплообмена в интервале числа Рейнольдса Re = 18600...40000.

Эффективность теплообмена, оцениваемая по критерию Нуссельта, в предложенном техническом решении увеличилась на 15%.

Использование предложенного технического решения позволяет получать высокоэффективные теплообменники с низкими затратами на их изготовление.

Источники информации
1. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. - М.: Машиностроение. - 1971. - 200 с.

2. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. - М.: Машиностроение. - 1966. - 365 с.

3. Ибрагимов М.Х. и др. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. - М.: атомиздат. - 1978. - 296 с.

4. Вилемас Ю. и др. Интенсификация теплообмена в газоохлаждаемых каналах. - Вильнюс: Мокслас. - 1989. - 258 с.

5. Ляхов В. К., Кучай В.И. Экспериментальное исследование влияния температурного фактора на теплообмен и гидравлическое сопротивление при турбулентном движении воздуха в области автомодельного режима шероховатых труб//Тепло- и массоперенос. - М.: Энергия. - 1968. - т.1. - с.534-538.

Изобретение предназначено для высокотемпературных теплообменных аппаратов и может быть использовано в машиностроении. В теплообменнике, поверхность теплообмена которого изготовлена, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2 - 20 раз выше, чем нижнего. Использование предложенного технического решения позволяет получать высокоэффективные теплообменники с низкими затратами на их изготовление. 1 табл.

Теплообменник, содержащий поверхность теплообмена, изготовленную из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, отличающийся тем, что последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2 - 20 раз выше, чем нижнего.