ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2017 года по МПК F28D21/00 

Изобретение относится к теплотехнике.

Известны рекуперативные, регенеративные и смесительные теплообменники (БЭС, том 25, издание третье, Москва: Советская энциклопедия, 1976. С. 455).

Рекуперативные теплообменники - аппараты, в которых теплоносители с различной температурой разделены твердой стенкой. Недостатком рекуперативных теплообменников является значительное термическое сопротивление, которое препятствует передаче теплоты от одного теплоносителя к другому.

Смесительные теплообменники - аппараты, в которых теплообмен идет при непосредственном соприкосновении теплоносителей, что обеспечивает максимально возможную передачу теплоты от одного теплоносителя к другому. Недостатком смесительных теплообменников является то, что физические свойства теплоносителей при смешении изменяются.

Целью изобретения является обеспечение максимально возможной передачи теплоты от одного теплоносителя к другому (как в смесительных теплообменниках) при сохранении физических свойств теплоносителей (как в рекуперативных теплообменниках).

Известен теплообменник, в котором теплоносители с различной температурой разделены твердой стенкой, при этом один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, прошедшим через теплообменник, нагнетаемым насосом (CN 103415538 А, МПК C08F 2/01, C08F 2/18, опуб. 27.11.2013).

Поставленная цель достигается тем, что в теплообменнике, в котором теплоносители с различной температурой разделены твердой стенкой, один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, прошедшим через теплообменник. При этом расход теплоносителя, поступающего из теплообменника в смеситель, составляет более 90 процентов от расхода теплоносителя, поступающего из смесителя в теплообменник. Для подачи теплоносителя из теплообменника в смеситель используется компрессор. В качестве теплоносителя используется газ или жидкость.

Сущность изобретения заключается в том, что изменение температуры одного из теплоносителей и теплообмен между теплоносителями осуществляются раздельно. Изменение температуры теплоносителя осуществляется в смесительном теплообменнике (смесителе), а теплообмен между теплоносителями - в рекуперативном теплообменнике. Обмен теплотой в рекуперативном теплообменнике ведет к изменению температуры теплоносителя, которое усиливается в смесительном теплообменнике, и так до тех пор, пока на разделительной стенке рекуперативного теплообменника не установится минимальный перепад температур. Перепад температур тем меньше, чем больше теплоносителя из рекуперативного теплообменника возвращается в смесительный теплообменник: при 90 процентном возврате теплоносителя эффективность теплообмена рекуперативного теплообменника практически не отличается от эффективности теплообмена смесительного теплообменника, и при этом сохраняются физические свойства теплоносителей.

На фиг. 1 изображен теплообменник;

на фиг. 2 изображен термодинамический цикл, реализуемый в теплообменнике;

на фиг. 3 показаны характеристики эффективности теплообменника.

Теплообменник (фиг. 1) состоит из рекуперативного теплообменника 1, компрессора 2, смесителя 3, входного канала 4.

Работа теплообменника осуществляется следующим образом. Теплоноситель (газ) под давлением через входной канал 4 поступает в смеситель 3 и далее в теплообменник 1. Охлажденный (нагретый) в теплообменнике 1 теплоноситель частично отводится потребителю. Оставшаяся часть теплоносителя поступает в компрессор 2, из которого - в смеситель 3. В смесителе 3 охлажденный (нагретый) теплоноситель перемешивается с теплоносителем, поступающим в смеситель через канал 4. В результате смешения температура теплоносителя понижается (повышается). Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Изменение температуры теплоносителя будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет выравнивание тепловых потоков в теплообменнике 1 и смесителе 3.

На фиг. 2 изображен термодинамический цикл, реализуемый в теплообменнике. Рабочим телом цикла является газ (теплоноситель), циркулирующий внутри теплообменника 1 (температура газа внутри теплообменника выше температуры газа снаружи теплообменника). Газ (процесс а-б) расширяется и охлаждается в теплообменнике (отводится теплота q₂). Охлажденный газ сжимается до исходного давления (процесс б-с). К газу при постоянном давлении подводится теплота q₁ (процесс с-а). Цикл повторяется. Количество подведенной и отведенной теплоты равны (q₁=q₂), так как вся работа расширения газа (процесс а-б) преобразуется в теплоту.

Количество подведенной (отведенной) теплоты в цикле (фиг. 2) зависит от интенсивности теплообменных процессов и массы рабочего тела цикла.

Интенсивность теплообменных процессов характеризуется коэффициентом интенсивности охлаждения газа

,

где Та и Тб - температуры газа в точках а и б цикла,

Т₂ - исходная температура наружного газа (второй теплоноситель).

Масса рабочего тела, участвующего в теплообмене, характеризуется коэффициентом циркуляции газа (теплоносителя)

,

где G^* - расход газа, поступающего из теплообменника в смеситель,

G - расход газа, поступающего из смесителя в теплообменник.

Температуры газа в цикле а-б-с определяются как

,

,

,

где T₁ и Т₂ - исходные температуры внутреннего и наружного газа (первый и второй теплоносители, соответственно);

π - степень повышения давления в компрессоре;

η_с - к.п.д. в процессе сжатия;

к - показатель адиабаты.

На фиг. 3 показано изменение температуры газа на выходе из теплообменника (точка б на фиг. 2) в зависимости от коэффициента интенсивности охлаждения газа ϑ и коэффициента циркуляции δ_ц при исходных температурах газов: T₁=900 К, Т₂=300 К и степени повышения давления в компрессоре π=1,1. Видно, что при коэффициентах циркуляции δ_ц>0,9 температура газа на выходе из теплообменника (независимо от коэффициента ϑ) приближается к исходной температуре наружного газа Т₂.

Изобретение позволяет приблизить эффективность рекуперативного теплообменника (способность к выравниванию температур теплоносителей) к эффективности смесительного теплообменника, что открывает новые возможности для повышения к.п.д. энергетических установок, например авиационных двигателей, в которых использование подобных теплообменников позволит в разы уменьшить расходы воздуха на охлаждение двигателей.

Рекуперативный теплообменник, в котором один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, но уже прошедшим через теплообменник, нагнетаемым компрессором. Теплообменник, будучи рекуперативным, по эффективности (способности к выравниванию температур теплоносителей) соответствует смесительному теплообменнику. Технический результат - повышение эффективности теплообменника. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник, в котором теплоносители с различной температурой разделены твердой стенкой, при этом один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, прошедшим через теплообменник, нагнетаемым компрессором, отличающийся тем, что расход теплоносителя, поступающего из теплообменника в смеситель, составляет более 90 процентов от расхода теплоносителя, поступающего из смесителя в теплообменник.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что теплоноситель - газ.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что теплоноситель - жидкость.