ПЛАСТИНЧАТЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ НАГРЕВА ПРОТОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2007 года по МПК F24H1/00 

Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей относится к бытовой технике, промышленным и хозяйственным системам нагрева и охлаждения рабочих жидкостей и может быть использован в качестве обогревателя различных объектов.

Известно, что критерием оценки любого модуля для нагрева проточной воды является его поверхность теплообмена, а точнее площадь внутренней поверхности проточного канала. Другим немаловажным критерием является его производительность, а именно - количество нагретой воды за единицу времени до требуемой температуры.

Так, например, поверхность теплообмена у нагревателя проточной воды с проточным каналом круглого сечения является внутренняя цилиндрическая поверхность трубы, которая подсчитывается по формуле F_ц=2Пrl, где 2Пr -периметр сечения, r - радиус окружности, l - длина канала (см. «Теплотехника» - автор Баскаков и др. - стр.78, первый столбец, 12 строка сверху).

Поверхность теплообмена пластинчатого модуля для нагрева проточных жидкостей, см. патент (RU) 2249771 С2, F24H 1/00, 10.04.2005, является внутренняя поверхность параллелепипеда, равная F_пр=2r(П+1)l, где 2r(П+1) - периметр внутреннего сечения, l - длина трубопровода, при этом поперечные сечения как круглого сечения, так и прямоугольного сечения между собой равны, т.е. S_пр=S_кр (S_пр - площадь прямоугольного сечения трубопровода, S_кр - площадь круглого сечения трубопровода, а т.к. 2r(П+1)>2Пr, то и Р_пр>Р_кр, где Р_пр - периметр прямоугольного сечения трубопровода, Р_кр - периметр круглого сечения трубопровода, и при одной и той же длине трубопровода l F_пр>F_ц, а если учесть, что S_пр=S_кр, то эффективность прямоугольного сечения трубопровода при тех же термодинамических процессах и при одной длине водопровода с круглым сечением очевидна.

Отсюда видно, что эффективность прямоугольного сечения по сравнению с круглым достигнута за счет увеличения длины его периметра путем изменения конфигурации поперечного сечения трубопровода.

Дальнейшее же увеличение площади теплообмена как для нагревателя проточной воды с круглым сечением, водопровода, так и для нагревателя с прямоугольным сечением за счет увеличения периметра сечения, привело бы к увеличению площади поперечного сечения трубопровода, а это бы свело эффективность прямоугольного сечения до нуля.

Отсюда видно, что, чтобы повысить эффективность нагревателя проточной воды с прямоугольным сечением водопровода, необходимо его конструктивное изменение при сохранении его прежней площади сечения и при той же его длине.

Известен пластинчатый нагреватель проточной воды, выполненный в виде модуля (RU №2249771 С2, F24Н 1/00, 10.04.2005), который предназначен для высокоэффективного использования практически любых видов топлива, основным нагревательным элементом которого является проточный канал, состоящий 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 обечайки образуют зигзагообразный проточный канал прямоугольного сечения, соединенный с подачей и сливом рабочей жидкости через отверстия, выполненные в одной из параллельных пластин. Пластины и обечайки соединены между собой жестко, причем пластинчатый нагреватель, выполненный в виде модуля, может соединяться с другим аналогичным нагревателем как последовательно, для получения повышенной температуры рабочей жидкости, так и параллельно, для получения большего объема нагретой воды за единицу времени посредством гибких шлангов.

Нагреватель может эксплуатироваться как в бытовых, так и в полевых условиях. Однако указанный нагреватель имеет ряд недостатков, а именно:

1. Невозможность получения различной по величине площади теплообмена внутренней поверхности трубопровода при его постоянной величине площади поперечного сечения и его длины.

2. Невозможность, без подсоединения аналогичного модуля, получить увеличение объема нагреваемой проточной воды.

3. Невозможность, без подсоединения аналогичного модуля, повысить температуру нагрева проточной воды.

4. Ограниченную обогреваемую поверхность.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы пластинчатого модуля для нагрева проточных жидкостей, удобство его эксплуатации и расширение его технологических возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что в пластинчатом модуле для нагрева проточных жидкостей, состоящем из параллельных между собой пластин, между которыми 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, новым является то, что пластины, размещенные между параллельными пластинами, расположены к ним под углом и установлены таким образом, что совместно с параллельными пластинами и обечайкой образуют канал параллелограммного сечения с высотой, равной высоте прямоугольного сечения, площадь которого равна площади канала параллелограммного сечения, и высотой канала параллелограммного сечения, равной длине большей стороны прямоугольного сечения, причем большая сторона параллелограммного сечения равна величине отношения его высоты к синусу противолежащего угла, а также то, что пластины, размещенные между параллельными пластинами, снабжены полостями.

Технический результат изобретения достигается путем расположения пластин, размещенных между параллельными пластинками под углом α, см. поз.4 фиг.2 (А-А), фиг.3 (В-В), и образования фигуры параллелограмма, соответствующего второму и третьему его признакам, а именно:

1. Одна пара противоположных сторон состоит из равных и параллельных отрезков.

2. При противоположенных вершинах той и другой пары углы равны (см. параллелограмм типа «а» - том 19 БСЭ стр.184), с основанием «М» фиг.3 (В-В), равного меньшей стороне прямоугольника «h» (см. патент RU 2249771 С2, F24H 1/00), фиг.5 (Д-Д) и высотой «Н» (см. там же), равного большей стороне «В» прямоугольника, и сторонами «а» - фиг.3 (В-В) - с длиной одной из сторон из треугольника DCE - фиг.3 (В-В), равной отношению высоты «Н» к синусу противолежащего угла «α», т.е. H=aSinα, откуда

Известно, что площадь параллелограмма равна произведению основания на высоту, или S_пар=MH,

где М - основание параллелограмма,

Н - высота параллелограмма.

Известно также, что площадь прямоугольника равна произведению основания на высоту,

S_n=Bh,

см. табл.1 патента (RU) 2249771 С2 F24H 1/00),

а т.к. M=h, а Н=В, то S_пар=S_n, т.е. площадь параллелограмма, выраженная через параметры прямоугольника, и площадь прямоугольника равны. Это принято в основу для дальнейших рассуждений.

Периметр параллелограмма при этом будет равен сумме его сторон, а именно: Р_пар=2М+2а,

где M=h;

Тогда

а т.к. h=r₁, где r₁ - радиус внутреннего круглого сечения трубопровода, принятого для сравнения периметров круглого сечения трубопровода с прямоугольным сечением, при равных поперечных сечениях, и H=Пr₁,_{см. табл.1 патента (RU) 2249771 С2 F24H 1/00, и, подставляя значения h и Н, получим:}

Или

Анализируя это выражение, видно, что при уменьшении угла α значение Р_пар - периметр параллелограмма - растет. Так, периметр при значении α=30° примет вид

Р_пар=2r₁(1+2П).

Известно, что P_n=2r₁(П+1), где Р_n - периметр прямоугольного сечения канала, то очевидно, что Р_пар>Р_n, или 2r₁(1+2П)>2r₁(П+1).

Умножая это неравенство на одно и то же значение l - длину водопроводного канала - получаем Р_пар·l>Р_n·l или F_пар>F_n, где F_пар - площадь теплообмена канала с параллелограммным поперечным сечением и длиной, равной l, F_n - площадь теплообмена канала с прямоугольным сечением и той же длины l.

Отсюда следует, что канал, образованный пластинами, расположенными под углом α, между параллельными пластинами и обечайкой с одной и той же длиной и площадью поперечного сечения, что и канал прямоугольного сечения, имеет большую площадь теплообмена - это очень важно при конвективном теплообмене, что значительно повышает эффективность пластинчатого модуля с параллелограммным сечением.

Согласно закону Ньютона-Рихтера

Q=α·F·(tc-tж),

где Q - тепловой поток,

F - площадь теплообмена,

α - коэффициент конвекции,

q - удельная теплопроводность,

tc - температура у стенки,

tж - температура жидкости.

Учитывая то, что модуль с параллелограммным сечением водопроводного канала выполнен из того же материала, что и модуль с прямоугольным сечением канала, то при одном и том же температурном режиме тепловой поток, проходящий через него, будет больше, чем у модуля с прямоугольным сечением, т.е.

Q_пар=Q_n.

Или αF_пар(tc-tж)>F_n(tc-tж),

т.к. F_пар>F_n.

Отсюда видно, что эффективность работы пластинчатого модуля с параллелограммным сечением канала выше работы такого же модуля с прямоугольным поперечным сечением канала.

Результаты сравнительного анализа и расчетов основных параметров трубопроводов с прямоугольным и параллелограммным сечениями, влияющих на теплообмен, сведены в таблицу.

Предлагаемый пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей представлен на графических материалах.

Фиг.1 - пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей.

Фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Фиг.3 - элемент разреза А-А на фиг.2.

Фиг.4, 5 - варианты расположения модуля.

Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей состоит из параллельных между собой пластин 2 и 3, между которыми размещены пластины 4 (см. фиг.2), длина l которых меньше длины L (см. фиг.1) сторон параллельных между собой пластин 2, 3, и обечайка 8. Пластины 4 расположены к параллельным пластинам 2 и 3 под углом α (см. фиг.3), жестко соединены с параллельными пластинами 2 и 3 и обечайкой 8 и образуют зигзагообразный проточный канал 1 параллелограммного сечения (см. фиг.2, 3) с высотой Н, равной высоте прямоугольного сечения, площадь которого равна площади канала параллелограммного сечения, и высотой канала параллелограммного сечения, равной длине большей стороны прямоугольного сечения, причем большая сторона «а» параллелограммного сечения равна величине отношения его высоты Н к синусу противолежащего угла (см. фиг.3). Кроме того, пластины 4 снабжены полостями 6, соединенными со сквозными каналами 7 (см. фиг.2, 3), которые образуют проточный канал для прохождения теплосодержащих газов. Обечайки 8 снабжены отверстиями 9 и 10 для входа и выхода соответственно рабочей жидкости.

Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей работает следующим образом.

Перед началом работы через одно из двух отверстий 9, 10 в полость модуля подают рабочую жидкость (например, воду) и, убедившись в герметичности модуля, устанавливают его на энергоноситель.

Затем, подключив нагреватель к системе подачи рабочей жидкости, например воды, включают энергоноситель.

Рабочая жидкость поступает через отверстие 9 (см. указательную стрелку), проходит через зигзагообразный канал 1 параллелограммного сечения (движение жидкости указано стрелками) по всей ширине "В" параллельных между собой пластин 2, 3 и, нагреваясь, выходит через отверстие 10 к потребителю.

С целью значительного повышения температуры нагрева рабочей жидкости к нему последовательно подсоединяют аналогичный пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей (см. фиг.3, 7. патент (RU) 2249771 С2, F24Н 1/00), а для получения большого количества нагретой воды модулем - к нему подсоединяют аналогичный пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей параллельно (см. фиг.3, 7 - патент (RU) 2249771 С2 F24Н 1/00).

С целью удобства эксплуатации, а также использования пластинчатых модулей для нагрева проточной жидкости (например, воды) в установках теплообмена их соединяют эластичными трубопроводами, изготовленными из полимерных материалов, например из резины, см. 13, 14 строки лист 11 патент (RU) 2249771 С2, F24Н 1/00, а исполнение пластин 4, установленных под углом альфа к параллельным между собой пластинам 2 и 3 фиг.2, с полостями 6 - фиг.2 (А-А), фиг.3 - позволяет расширить технологические возможности пластинчатого модуля для нагрева проточных жидкостей и использовать его в качестве обогревателя, например, в конвекторах, а также в других обогревательных системах.

Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей с проточным каналом параллелограммного сечения может устанавливаться, в зависимости от требования эксплуатации, как горизонтально к зеркалу горелки - фиг.4, так и под углом - фиг.3. При этом угол β равен β=90°-α, где угол α - угол наклона пластин 2 и 3.

ТаблицаРезультаты сравнительного анализа и расчеты основных параметров трубопроводов с прямоугольным и параллелограммным сечениями, влияющих на теплообмен.Величина параметров трубопровода прямоугольного сечения, выраженных через параметры трубопровода круглого сеченияВеличина параметров трубопровода параллелограммного сечения, выраженных через параметры трубопровода прямоугольного сечения

Принятое условие S_n=S_пар1. Площадь поперечного сечения трубопровода 1. Площадь поперечного сечения трубопровода где h=r₁ - радиус внутреннего круглого сечения водопровода.S_пар=M·H=b·hгде H=b; M=h2. Величина внутреннего периметра поперечного сечения Pn=2r₁(Π+1)b=Πr, h=rгде r₁ - радиус внутреннего круглого сечения водопровода.2. Величина внутреннего периметра поперечного сечения.3. Площадь теплообмена на длине l Fn=Pn·l=2r₁(Π+1)·l из треугольника СДЕ (см. фиг.3, где Н=Πr₁);3. Площадь теплообмена на длине l

Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей относится к бытовой технике, промышленным и хозяйственным системам нагрева и охлаждения рабочих жидкостей и может быть использован в качестве обогревателя различных объектов как в стационарном варианте, так и в полевых условиях, может быть использован в быту, машиностроении, медицине, спасательных работах и других сферах жизнедеятельности человека. Пластинчатый модуль, состоит из параллельных между собой пластин, между которыми 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, а пластины, размещенные между параллельными пластинами, расположены к ним под углом, установлены таким образом, что совместно с параллельными пластинами и обечайкой образуют канал параллелограммного сечения, и снабжены полостями для прохождения теплосодержащих газов. Изобретение позволяет повысить эффективность нагрева проточных жидкостей, увеличивая КПД, и расширяет сферу его применения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Пластинчатый модуль для нагрева проточных жидкостей, состоящий из параллельных между собой пластин, между которыми 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, отличающийся тем, что пластины, размещенные между параллельными пластинами, расположены к ним под углом и установлены таким образом, что совместно с параллельными пластинами и обечайкой образуют канал параллелограммного сечения с высотой, равной высоте прямоугольного сечения, площадь которого равна площади канала параллелограммного сечения и высотой канала параллелограмного сечения, равной длине большей стороны прямоугольного сечения, причем большая сторона параллелограммного сечения равна величине отношения его высоты к синусу противолежащего угла.2. Пластинчатый модуль по п.1, отличающийся тем, что пластины, размещенные между параллельными пластинами, снабжены полостями.