ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ПРОТОЧНОЙ ВОДЫ Российский патент 2005 года по МПК F24H1/00 

Пластинчатый нагреватель проточной воды - предлагаемое изобретение относится как к бытовой технике, так и к промышленным и хозяйственным системам нагрева проточных рабочих жидкостей и их охлаждения.

Известен пластинчатый теплообменник (патент №2076295, 1997), состоящий из полученных методом объемной штамповки единичных пластин, которые соединены друг с другом в образующие проточный канал для одной из сред пластинчатые пары, собранные в пластинчатый штабель и соответственно между собой образуют проточный канал для другой среды.

Достаточно большая площадь пластин, образующая проточный канал и участвующая в процессе теплообмена, обеспечивает высокий КПД теплообменника в целом, при нагреве или охлаждении двух рабочих жидкостей.

Таким образом, нормальную работу теплообменника обеспечивает обязательное наличие разнотемпературных сред в теплообменнике и соответственно его конструкция, участвующая в процессе теплообмена этих сред. Но это не дает возможности использовать его в качестве нагревания проточной рабочей жидкости. Для этого бы потребовалась конструктивная переработка его, после которой он утерял бы свое предназначение, снизил бы КПД, что было бы экономически невыгодно.

Наиболее близким по своей технической сущности, а также технологии нагрева проточной воды является переносной газовый нагреватель (патент №94030745, 1996 г.), предназначенный для высокоэффективного использования тепловой энергии кухонной газовой плиты с достаточной производительностью и удобного ухода за ним в бытовых условиях, основными нагревательными элементами которого являются прямолинейные трубы, параллельно расположенные между собой и соединенные друг с другом, посредством горизонтальных раздающих и собирающих коллекторов, размещенных по двум взаимопротивоположным стенкам корпуса нагревателя.

Однако указанный нагреватель имеет ряд недостатков, а именно:

1) громозкость конструкции,

2) малая производительность,

3) ограниченность применения, т.е. нагреватель может быть использован только при газовом энергоносителе, при использовании его с другими видами энергоносителя, например электрического, его КПД резко снизится.

Кроме того, из теории "Переноса теплоты теплопроводностью при стационарном режиме" (гл. 8.3, стр.75, в дальнейшем "теплотехника" авторов А.П.Баскакова и др.) известно, что

Q=F· q, (формула 8.18, стр.78, первый столбец)

где Q - тепловой поток,

F - площадь, через которую проходит тепловой поток,

g=Q/F≠ const - плотность теплового потока, т.к. вышеуказанная площадь зависит от радиуса (см. стр.77, рис.8.5).

Для дальнейших рассуждений Q, F, q обозначим с индексом Q_ц, F_ц, q_ц, для цилиндрической поверхности теплообмена, а с индексом Q_п, F_п, q_п для пластинчатой площади теплообмена.

Отметим, что закон Фурье, при передаче тепла через плоскую стенку будет иметь тот же вид, что и для цилиндрической стенки, т.е. Q=Fq (см. формулу 8.12, cтp.76), или Q=(tс₁-tс₂)λ · F/δ (см. формулу 8.12, стр.76, первый столбец и рис.8.3),

где Q=(tc₁-tс₂)λ - коэффициент теплопроводности - справочная величина, δ - толщина пластины, в дальнейшем обозначим через δ -δ _n - температура на внешней и внутренней стенках пластины - tс₁, tc₂, F=F_n.

Учитывая, что в предлагаемом устройстве процесс теплообмена носит не стационарный, а конвективный характер, то согласно Закону Ньютона-Рихмана, который гласит, что тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности t_c (стенки) и жидкости t_ж. (гл.9 "Конвективный теплообмен" (теплоотдача), стр.79, формула 9,1).

Или Q=α · F/t_c-t_ж/,

где

коэффициент теплоотдачи, численное значение которого равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена и измеряется в Вт/м²К;

t_c - температура поверхности теплообмена,

t_ж - температура жидкости (см. рис.9.1, стр.79).

Необходимо отметить, что скорость нагрева жидкости ω (там же) около стенки больше.

Поверхностью теплообмена у трубопроводов круглого сечения является внутренняя поверхность трубы, которая подсчитывается по формуле F=2π rl (см. 12, строка сверху), первый столбец, стр.78, или F_ц=2π r₁l, согласно (рис.8.5, стр.77), где r₁ внутренний радиус трубы. Из вышеперечисленных соотношений теплового потока и площадей, участвующих в теплообмене, видно, что чем больше эти площади, тем больше тепловой поток в единицу времени, тем больше тепла получает один и тот же объем жидкости, проходящей в единицу времени через сечение трубопровода, это очень важно, когда речь идет о проточных устройствах, т.е. когда теплообмен происходит за счет внутренней площади трубопровода.

Исходя из этого, следует, что для того чтобы увеличить площадь теплообмена при одной и той же длине трубы, необходимо увеличить величину r₁, что повлечет за собой увеличение диаметра трубы, т.е. ее сечения и, как следствие, увеличение прохождения количества жидкости через это сечение за единицу времени. Если учесть, что эта площадь теплообмена зависит от радиуса, в данном случае от r₁ (внутренний радиус трубы), то это приведет еще и к увеличению термического сопротивления Rλ (см. формулу 8.22, стр.78), что приведет к значительному уменьшению теплового потока при одной и той же мощности источника энергоносителя.

Поэтому, учитывая ту особенность, что тепловой поток, проходящий через пластину, не зависит от радиуса, предлагается выполнение трубопровода из пластин с площадью сечения, эквивалентной круглому сечению трубопровода, то есть S_k=S_n, где S_k - площадь круглого сечения трубопровода с параметрами

S_k=π · r21

S_n - площадь пластинчатого сечения трубопровода с параметрами S_n=b× h (см. фиг.1, сеч. Д-Д),

тогда π r21

Примем один из параметров пластинчатого сечения трубопровода равным параметру круглого сечения, например h=r₁. Примем один из параметров пластинчатого сечения трубопровода равным параметру круглого сечения, например r₁, тогда уравнение примет вид π r21

Как уже отмечалось ранее, площадь теплообмена в трубопроводе круглого сечения - это есть произведение периметра этого сечения 2π r₁ /где r₁ в нашем случае внутренний радиус трубопровода/ на длину трубопровода L, т.е. P_k·_{l или Fц=Рk·l, где Pk - периметр круглого сечения, площадь теплообмена трубопровода круглого сечения на длине l.}

По аналогии для пластинчатого сечения трубопровода запишем Р_n·_{l или Fn=Pnl, где}

Р_n - периметр пластинчатого сечения трубопровода,

F_n - площадь теплообмена трубопровода пластинчатого сечения на длине l.

Из вышеуказанного имеем P_k=2π r₁ и P_n=2_b+2_h или P_n=2r₁(π +1).

Из этого видно, что P_n>P_k и, как следствие, F_n>F_k, а т.к. по Закону Фурье, что было отмечено выше, тепловой поток и площадь теплообмена находятся в прямой зависимости, то и Q_n>Q_k.

Это говорит о том, что трубопровод, выполненный из пластин с той же площадью сечения и его длиной, что и круглого сечения, имеет большую площадь теплообмена.

Это очень важно при конвективном теплообмене. При этом повышается производительность получения нагретой жидкости до той же температуры, что и в трубопроводе круглого сечения при той же длине трубопровода, значительно снижается металлоемкость проточных нагревательных устройств, повышается технологичность их изготовления, а также снижаются трудозатраты его при эксплуатации. Исходя из вышеприведенного анализа и расчетов предлагается пластинчатый нагреватель проточной воды. Результаты сравнительного анализа и расчетов основных параметров трубопроводов с круглым и пластинчатым сечениями, влияющих на теплообмен приведены в таблице.

Поставленная задача достигается тем, что переносной газовый нагреватель содержит корпус с расположенными внутри проточными каналами для рабочей жидкости, причем согласно изобретению переносной газовый нагреватель выполнен в виде модуля, состоящего из параллельных между собой пластин, между которыми перпендикулярно к ним размещены пластины, длина которых меньше длины сторон параллельных между собой пластин и обечайки, причем параллельные между собой пластины, пластины и обечайка образуют зигзагообразный, проточный канал прямоугольного сечения, который соединен с подачей и сливом рабочей жидкости через отверстия в одной из параллельных пластин, кроме того, параллельные пластины, обечайка и пластины соединены между собой жестко, а в качестве рабочей жидкости используется вода. Кроме того, аналогичный модуль может быть подключен последовательно или параллельно гибким шлангом.

Предлагаемый пластинчатый нагреватель проточной воды представлен на графических материалах.

Фиг.1 - пластинчатый нагреватель для нагрева проточной воды, используемый в одиночном варианте.

Фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Фиг.3 - разрез Д-Д на фиг.1.

Фиг.4 - модули, подключенные последовательно.

Фиг.5 - модули, подключенные параллельно.

Фиг.6 - модули, подключенные последовательно.

Фиг.7 - модули, подключенные параллельно.

Предлагаемый пластинчатый нагреватель проточной воды может быть использован в одиночном варианте, а в зависимости от количества потребляемой нагретой воды и ее температуры и в групповом (фиг.4-7).

На фиг.1 показан пластинчатый нагреватель для нагрева проточной воды, используемый в одиночном варианте. В основу конструкции его положено прямоугольное сечение проточного канала рабочей жидкости в отличие от обычно принятого проточного канала круглого сечения, применяемого в проточных нагревательных устройствах.

Нагреватель содержит следующие элементы: нагреватель 1, рабочий канал 2, пластины, параллельные между собой, 3, 4, пластины 5, обечайку 6, отверстия 7, 8. При этом пластины 5 установлены между пластин 3,4 вдоль их длины L, параллельны между собой с длиной l<L, фиг.1, равноудалены друг от друга и установлены таким образом, что пластины 5, расположенные по ширине В в параллельных пластинах 3, 4, образуют зигзагообразный канал.

Одна из параллельных пластин, в данном случае 3, снабжена отверстиями 7, 8 для входа рабочей жидкости, для ее нагрева и выхода нагретой жидкости.

Все элементы модуля (фиг.1): параллельные между собой пластины 3, 4, обечайка 6 и пластины 5, соединены жестко.

Пластинчатый нагреватель проточной воды работает следующим образом.

Перед началом работы через одно из двух отверстий 7, 8 в полость модуля подают рабочую жидкость (например, воду) и, убедившись в герметичности модуля, устанавливают его на энергоноситель (например, на горелку газовой плиты).

Затем, подключив нагреватель к системе подачи рабочей жидкости (например, воды), включают энергоноситель. Холодная вода (указанная стрелкой) поступает через отверстие 8 (фиг.1), проходит через зигзагообразный канал 2 (движение жидкости указано стрелками) по всей ширине "В" параллельных между собой пластин и, нагреваясь, выходит через отверстие 7 (показано стрелкой) к потребителю.

Температура нагрева жидкости регулируется как количеством жидкости, подаваемой в полость модуля для нагрева, так и подачей в полость предварительно нагретой рабочей жидкости, за счет увеличения длины проточного канала 2 (фиг.1) путем подключения последовательно аналогичного нагревателя (фиг.2), движение жидкости указано стрелками. Для получения большего количества нагретой жидкости (воды) модули подключаются параллельно (фиг.3). Движение жидкости указано стрелками. В качестве соединения могут быть использованы гибкие шланги, что уменьшает потерю тепла на отрезке модуль - потребитель.

Результаты сравнительного анализа и расчетов основных параметров трубопроводов с круглым и прямоугольным сечениями, влияющих на теплообменВеличина параметров трубопровода круглого сеченияВеличина параметров трубопровода прямоугольного сечения, выраженных через параметры трубопровода круглого сеченияПРИНЯТОЕ УСЛОВИЕ - S_k=S_n1. Площадь поперечного сечения, S_k=π r²1.Площадь поперечного S_n=b× h=π r₁·_{r1=π r²1 сечения}2. Величина внутреннего периметра поперечного сечения, P_k=2π r₁2. Величина внутреннего периметра поперечного сечения P_n=2r₁(π +1)=23. Площадь теплообмена на длине l
F_ц=P_n·_{l=2r1l
Отсюда видно, что Fn>Fц
По закону Фурье Q=F· q,
тогда Qn>Qц}3. Площадь теплообмена на длине l
F_n=P_n·_{l=2r1(π +1)· l и, как следствие, согласно формуле 8, 12, стр.76}

Заявленное изобретение предназначено для применения в промышленных и хозяйственных системах нагрева и охлаждения проточных рабочих жидкостей и в бытовой технике. Переносной газовый нагреватель содержит корпус с расположенными внутри проточными каналами для рабочей жидкости, причем переносной газовый нагреватель выполнен в виде модуля, состоящего из параллельных между собой пластин, между которыми перпендикулярно к ним размещены пластины, длина которых меньше длины сторон параллельных между собой пластин и обечайки, причем параллельные между собой пластины, пластины и обечайка образуют зигзагообразный проточный канал прямоугольного сечения, который соединен с подачей и сливом рабочей жидкости через отверстия в одной из параллельных пластин, кроме того, параллельные пластины, обечайка и пластины соединены между собой жестко, а в качестве рабочей жидкости используется вода. Кроме того, аналогичный модуль может быть подключен последовательно или параллельно, а также аналогичный модуль может быть подключен гибким шлангом. Заявленное изобретение позволяет устранить громоздкость конструкции, увеличить производительность и расширить применение переносного газового нагревателя. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Переносной газовый нагреватель, содержащий корпус с расположенными внутри проточными каналами для рабочей жидкости, отличающийся тем, что переносной газовый нагреватель выполнен в виде модуля, состоящего из параллельных между собой пластин, между которыми перпендикулярно к ним размещены пластины, длина которых меньше длины сторон параллельных между собой пластин и обечайки, причем параллельные между собой пластины, пластины и обечайка образуют зигзагообразный проточный канал прямоугольного сечения, который соединен с подачей и сливом рабочей жидкости через отверстия в одной из параллельных пластин, кроме того, параллельные пластины, обечайка и пластины соединены между собой жестко, а в качестве рабочей жидкости используется вода.2. Переносной газовый нагреватель по п.1, отличающийся тем, что аналогичный модуль может быть подключен последовательно.3. Переносной газовый нагреватель по п.1, отличающийся тем, что аналогичный модуль может быть подключен параллельно.4. Переносной газовый нагреватель по п.1, отличающийся тем, что аналогичный модуль может быть подключен гибким шлангом.