Вихревой теплообменный аппарат Российский патент 2024 года по МПК F28D1/03 F28C3/06 

Изобретение относится к теплотехнике, а в частности к теплообменным аппаратам с рекуперативной передачей тепла, и может быть использовано в химической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Наиболее эффективное использование данного устройства возможно при умеренных и малых расходах теплоносителей. Аппарат можно использовать для охлаждения различных технологических жидкостей, а также для конденсации различных паров, то есть как аппарат воздушного охлаждения (АВО). Предпочтительно применение аппарата в качестве калорифера для нагрева газов или воздуха.

Известен аппарат воздушного охлаждения [1, с.460], содержащий секции, собранные из оребрённых труб, с крышками и патрубками для входа и выхода продукта, осевой вентилятор, диффузор, опорную раму. Оребренные трубы закреплены в трубных досках развальцовкой или сваркой. Оребрение труб компенсирует относительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны газообразного теплоносителя за счет развитой поверхности теплообмена и турбулизации потока. Коэффициент оребрения труб как правило равен К_ор = 10…20.

Недостатком данной конструкции является неоправданная сложность изготовления в случае малопоточного производства, где не требуется большая поверхность теплообмена. Изготовление такого аппарата возможно лишь на специализированном предприятии, что затрудняет его доступность.

Известен «Вихревой теплообменный аппарат для конденсации газов» [2]. Согласно формулы полезной модели он служит для конденсации и охлаждения газов. Аппарат включает: цилиндрический корпус, технологические патрубки для ввода и вывода охлаждаемого газа и охлаждающей жидкости, патрубок для отвода конденсата. Внутри корпуса расположены винтовые ребра сложного округлого профиля, на которых происходит образование конденсата. Патрубок ввода охлаждаемого газа в аппарат расположен тангенциально. При работе аппарата газ подается сверху, а жидкость снизу. Оба теплоносителя совершают вращательное винтовое движение внутри корпуса аппарата, что и обеспечивает высокую эффективность теплообмена. Недостатками данного аппарата являются: сложность его изготовления, плохая доступность поверхностей теплообмена для очистки, относительно низкая удельная поверхность теплообмена аппарата).

Простой по устройству и изготовлению теплообменный аппарат можно создать соединив вместе две вихревые камеры, которые имеют тангенциальные входные патрубки. Изучение теплопередачи в таком аппарате, подтвердило его высокую эффективность [3]. Кроме того, аппарат удобен в обслуживании и чистке.

Конструкция усовершенствованного аппарата такого типа описана в патенте [4]. «Вихревой теплообменный аппарат», содержит две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя плоскими дисками, из которых крайние диски являются крышками, а средний диск - поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами, зажатыми между дисками, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических кольцах и в центре обеих крышек.

Вихревые камеры аппарата в центре в месте размещения патрубков снабжены конусами и лопатками, высотой, равной высоте вихревых камер, установленными перпендикулярно к плоскости среднего диска, сумма длин всех лопаток в вихревой камере составляет от 0,5 до 1,5 длины окружности, на которой установлены лопатки, развернутые от касательной к этой окружности, в направлении от центра камеры на угол от 0 до 30°, а между лопатками, на среднем диске в камерах закреплены конуса, вершины которых направлены к патрубкам в центре крышек и соосны им. Патрубки эти внутри снабжены упорами, которые винтами соединены с конусами на среднем диске. Поверхность теплообмена аппарата плоская. Лопатки в центральной части вихревой камеры служат для улучшения гидродинамики на выходе из камеры.

Аппарат имеет разборную конструкцию, удобную для обслуживания.

«Вихревой теплообменный аппарат» [4] работает следующим образом. Первый теплоноситель подается в тангенциальный патрубок первой вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает её через центральный патрубок. Второй теплоноситель подается в тангенциальный патрубок второй вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает её через центральный патрубок. Движение теплоносителей внутри камер сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потоков, что существенно интенсифицирует теплообмен. Наличие внутренних устройств у центральных патрубков ведет к улучшению структуры потока на выходе из аппарата, позволяет существенно снизить сопротивление вихревой камеры (в 1,5 - 1,8 раз), а конуса и винты, скрепляющие в центре все три диска, повышают допустимое внутреннее давление.

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому (прототип).

Недостатком вихревого теплообменного аппарата [4] является то, что он обеспечивает хорошие показатели теплообмена лишь в том случае, если оба теплоносителя являются жидкими. Если один из них газ или воздух, работа аппарата будет малоэффективной. То есть использовать аппарат в качестве, калорифера или АВО не целесообразно. Однако, иногда возникает необходимость именно в таком варианте использования. Он является весьма интересным, т.к. отпадает необходимость в источнике воды для охлаждения и в коммуникациях для подвода теплоносителя - воздух можно забирать непосредственно из окружающей среды.

Общим недостатком аппаратов, имеющих в конструкции плоские стенки, является сложность их применения при повышенном давлении теплоносителя. Давление вызывает деформацию стенки либо требует увеличения толщин элементов.

Для увеличения допустимых рабочих давлений в центре известного аппарата [4] имеется связь в виде винтов, скрепляющих все три диска. Однако эта связь, решает проблему повышения допустимого давления лишь частично. Она не может существенно увеличить допускаемые давления использования аппарата.

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение заключаются в возможности эффективного использования аппарата для теплообмена в системе жидкость - газ, и в повышении его надёжности при работе под давлениемза счёт придания большей прочности элементам конструкции.

Технический результат от использования предлагаемой конструкции состоит в повышении интенсивности теплообмена при использовании газообразного теплоносителя, а также в повышении прочности элементов предлагаемого устройства.

Поставленная задача решается за счёт того, что в вихревом теплообменном аппарате, содержащем две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя дисками, из которых крайние являются крышками, а средний - поверхностью теплообмена, цилиндрическое кольцо нижней камеры, снабженное тангенциальным входным патрубком, выходной патрубок, установленный в центре нижнего диска, верхняя камера выполнена открытой по периферии, её диск-крышка имеет центральное отверстие, где перпендикулярно к диску-крышке вертикально закреплён патрубок для прохода воздуха, снабженный сверху вентилятором. Средний теплообменный диск в центре снабжен приваренными патрубком-керном и изогнутыми рёбрами, внутренние концы которых приварены внахлёст к патрубку-керну. Внешние концы рёбер расположены на краю теплообменного диска. Рёбра по их длине имеют постоянную высоту и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна. Изгибы выполнены так, что суммарный угол α отклонения внешнего конца ребра от радиального направления (т.е. угол с учётом всех изгибов, выполненных на данном ребре) находится в пределах от 30 до 80°. Верхний торец керна, обращённый к патрубку для прохода воздуха, снабжён заглушкой-обтекателем.

Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате, все изогнутые рёбра по окружности теплообменного диска размещались равномерно.

Как вариант, на теплообменном диске в промежутках между основными изогнутыми рёбрами могут быть приварены дополнительные более короткие изогнутые ребра.

Предпочтительно, чтобы в вихревом теплообменном аппарате, количество основных изогнутых рёбер равнялось 4 ÷ 16 шт.

При небольшом диаметре вихревого аппарата, предпочтительно, чтобы количество дополнительные изогнутых ребер равнялось количеству основных изогнутых рёбер.

При большом диаметре вихревого теплообменного аппарата, предпочтительно, чтобы количество дополнительных изогнутых рёбер кратно превышало количество основных изогнутых рёбер (т.е в 2 или в 3 раза).

Выполнение верхней камеры открытой на периферии обеспечивает возможность равномерного прохода воздуха вдоль всей поверхности теплообменного диска от центра к периферии, либо от периферии к центру.

На диске-крышке вертикально закреплён патрубок для прохода воздуха, на котором установлен вентилятор. Вентилятор обеспечивает движение воздуха по патрубку для прохода воздуха либо снизу вверх (через аппарат к вентилятору), либо сверху вниз (от вентилятора в аппарат).

Патрубок в совокупности с вентилятором обеспечивают равномерное движение воздуха в верхней вихревой камере по окружности теплообменного диска с изогнутыми ребрами.

Средний теплообменный диск в его центре сверху снабжен приваренными патрубком-керном и изогнутыми рёбрами, внутренние концы которых приварены внахлёст к патрубку-керну. Рёбра по их длине имеют постоянную высоту и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна. Такое устройство и крепление рёбер обеспечивает простоту изготовления, прочность и жёсткость конструкции, а при работе - равномерное распределение воздуха по всем каналам между ребрами.

Суммарный угол α отклонения внешнего конца ребра от радиального направления должен находится в пределах от 30 до 80°. В том случае, если угол α менее 30° изгиб рёбра недостаточен для турбулизации потока и эффективного заполнения рёбрами периферийного пространства теплообменного диска. Если же угол α больше 80°, то верхняя камера будет открыта слишком мало, появятся слабо омываемые застойные зоны диска и проход воздуха будет затруднен. Это может поднять гидравлическое сопротивление аппарата по воздуху. Для улучшение равномерности прохождения воздуха, верхний торец керна, снабжён заглушкой-обтекателем.

Рёбра в предлагаемой конструкции одновременно выполняют ряд важных функций.

Рёбра определяют высоту пространства верхней камеры, а соответственно и скорость движения воздуха относительно поверхности теплообмена. Скорость движения воздуха имеет ключевую роль для интенсификации теплоотдачи. Кроме того, ребра, обеспечивают приращение поверхности теплообмена, а также, благодаря наличия изгибов при прохождении потока воздуха в промежутках между ребрами формируют вихри. Вихреобразование ведёт к интенсификации теплообмена. Благодаря изгибам рёбер, скорость воздуха в каналах между ними при увеличении радиуса падает не столь существенно, а длина пути воздуха несколько возрастает. Геометрически изгибы на рёбрах обеспечивают более равномерную плотность оребрения теплообменной поверхности по радиусу аппарата (в отличии от прямолинейных рёбер, в случае использования которых удельная плотность оребрения с увеличением радиуса падает).

Тем самым решается задача возможности эффективного использования аппарата для теплообмена в системе жидкость-газ. А именно, увеличивается коэффициент теплопередачи и количество отводимого тепла.

Ребра в совокупности с керном и теплообменным диском существенно повышают прочность конструкции, облегчают работу плоского элемента - теплообменного диска под действием давления в камере. Растёт момент сопротивления сечения диска и его жёсткость при работе на изгиб.

Кроме того, участки рёбер у их изгиба образуют углы, которые упираются в верхнюю крышку-диск и легко воспринимают усилия от давления среды в нижней вихревой камере. За счёт этого, усилие от давления в нижней камере одновременно воспринимает средний и верхний диск. Соответственно, допускаемое давление для нижней жидкостной камеры увеличивается.

Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют достичь требуемый технический результат.

Достигаемый технический результат заключается

в повышении интенсивности теплообмена в вихревом теплообменном аппарате при использовании газообразного теплоносителя, а также в повышении прочностных характеристик аппарата.

Всё это достигается использованием одних и тех же конструктивных элементов, перечисленных выше.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид аппарата в разрезе с осевым вентилятором.

На фиг.2 показан общий вид аппарата в разрезе с центробежным вентилятором, который соединен с ним своим нагнетающим патрубком.

На фиг.3 показан общий вид аппарата в разрезе с центробежным вентилятором, который соединён с ним своим всасывающим патрубком.

На фиг.4 показан поперечный разрез по А-А на фиг.1,2 и 3 (при исполнении аппарата лишь с основными рёбрами, содержащими один изгиб).

На фиг.5 показан поперечный разрез по А-А на фиг.1,2 и 3 (при исполнении аппарата лишь с основными ребрами, содержащими два изгиба).

На фиг.6 показан поперечный разрез по А-А на фиг.1,2 и 3 (при исполнении аппарата с основными рёбрами, содержащими один изгиб, и с дополнительными короткими рёбрами, содержащими также один изгиб).

На фиг. 7 показано фото теплообменного диска экспериментального аппаратас основными рёбрами, содержащими два изгиба.

Позициями на чертежах обозначены:

1- нижняя вихревая камера; 2- верхняя вихревая камера; 3- нижняя крышка-диск; 4- верхняя крышка-диск; 5- средний теплообменный диск; 6 - цилиндрическое кольцо нижней камеры; 7- входной патрубок нижней камеры; 8- выходной патрубок нижней камеры; 9- патрубок прохода воздуха; 10- кронштейн крепления вентилятора; 11- вентилятор (осевой или центробежный); 12- патрубок-керн; 13- изогнутое ребро (основное); 14- изогнутое ребро (дополнительное); 15- заглушка обтекаемой формы; 16- защитная сетка 17- прокладка; 18- шпилька; 19- гайка.

Вихревой теплообменный аппарат (фиг.1) имеет разборную конструкцию. Он содержит две смежные соосные вихревые камеры: нижнюю - 1 и верхнюю - 2. Камеры образованны тремя плоскими дисками, из которых крайние диски 3 и 4 являются крышками, а средний диск 5 - поверхностью теплообмена. Нижняя камера по периферии ограничена цилиндрическое кольцом 6, на котором закреплён тангенциальный входной патрубок 7, для подачи теплоносителя в нижнюю камеру. Для его выхода из камеры 1 служит выходной патрубок 8, установленный в центре нижнего диска 3. Тангенциальный патрубок 7 и теплообменный диск 5 прикреплены к цилиндрическому кольцу 6 неразъёмно, например на сварке.

Верхняя вихревая камера 2 выполнена открытой по периферии, её диск-крышка 4 в центре имеет отверстие. В отверстии закреплён патрубок 9 для прохода воздуха. Патрубок 9 снабжён вентилятором 11. Вентилятор может быть установлен как внутри патрубка 9 на кронштейне 10 (см. фиг. 1 - осевой вентилятор), так и на патрубке 9 (см. фиг. 2 и 3 - центробежные вентиляторы). На фиг. 2 центробежный вентилятор 11 соединен с патрубком 9 своим нагнетающим патрубком. На фиг. 3 центробежный вентилятор 11 соединен с патрубком 9 своим всасывающим патрубком. Теплообменный диск 5 в центре сверху снабжен патрубком-керном 12, который расположен соосно с патрубком 9 верхней вихревой камеры 2. Патрубок-керн 12 закреплен на диске 5 неразъёмно, например на сварке. К нему и диску 5 плотно прикреплены изогнутые рёбра 13. Их внутренние концы приварены внахлёст к патрубку-керну 12, внешние концы - расположены на краю теплообменного диска 5.

Назовём ребра 13 основными. Рёбра 13 по их длине имеют постоянную высоту и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна. Изгибы выполнены так, что суммарный угол отклонения α внешнего конца ребра от радиального направления не превышает 80°. Ребра 13 закреплены на диске 5 на сварке.

На фиг.4 показан вариант исполнения ребер 13 с одним изгибом. Число рёбер равно 8, угол α менее 80° (здесь он равен 34°). На фиг.5 показан вариант исполнения основных ребер 13 с двумя изгибами. Число рёбер равно 8, угол α менее 80° (здесь он равен 79°). Число изгибов на основных рёбрах 13 может быть и больше, например 3 в зависимости от диаметра диска 5.

Верхний торец керна 12, обращённый к вентилятору 11, снабжён заглушкой-обтекателем 14. В качестве заглушки-обтекателя возможно использование различных тел вращения обтекаемой формы, например, конической, сферической или эллиптической.

Из соображений удобства изготовления аппарата, точности его геометриии, качества работы, количество изогнутых основных рёбер 13 должно быть равно 4 - 16 штук.

Как вариант, в промежутках между основными изогнутыми рёбрами 13 могут быть приварены дополнительные более короткие изогнутые ребра 14 (см. фиг. 6).

При небольшом диаметре аппарата, количество дополнительных изогнутых ребер 14 должно быть равно количеству основных изогнутых рёбер 13. Предпочтительно, чтобы ребра 13 и 14 по окружности теплообменного диска размещались равномерно.

При большом диаметре аппарата, количество дополнительных изогнутых ребер 14 должно быть кратно больше числа основных изогнутых рёбер 13. Например, если число основных ребер равно 8 шт., то число дополнительных может быть в два раза больше и равняться 16 шт. Дополнительные ребра увеличивают эффект от применения оребрения. Предпочтительно, чтобы ребра 13 и 14 по окружности теплообменного диска размещались равномерно.

Рёбра 14 по их длине имеют постоянную высоту, равную высоте рёбер 13 и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна.

Рёбра 13 и 14 по всей их длине приварены к диску 5.

Основные элементы аппарата: диски 3, 4, 5, цилиндрическое кольцо 6 стянуты шпильками 18 с гайками 19. Количество шпилек должно обеспечивать достаточное усилие для равномерного сжатия всех элементов, включая прокладку 17. Этим обеспечивается герметичность нижней вихревой камеры 1. Вихревая камера 2 является открытой на периферии, что определяет свободный вход и выход для воздуха.

Выше подробно описан вариант исполнения аппарата, когда жидкостная камера расположена внизу, а камера для воздуха и все её элементы, включая вентилятор, - сверху.

Возможно и зеркальное исполнение аппарата, когда камера для подачи жидкости размещены сверху, а камера для подачи воздуха и все её элементы, включая вентилятор, размещены снизу.

Материал основных элементов аппарата - сталь, материал прокладки - резина, фторопласт или паронит. Для безопасности и предупреждения попадания посторонних предметов к вентилятору 11 предусмотрена защитная сетка 16 (см. фиг.1,2 и 3).

Вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом. Первый теплоноситель (Т/Н 1 - горячий) жидкость или пар подаётся в тангенциальный патрубок 7 вихревой камеры 1. Т/Н 1 совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры, взаимодействует с теплообменным диском 5, передавая через него тепло к Т/Н 2 и покидает камеру через центральный патрубок 8. Движение теплоносителя внутри камеры сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока, что существенно интенсифицирует теплообмен.

Второй теплоноситель (Т/Н 2 - воздух) отбирает тепло от теплообменного диска 5 с изогнутыми ребрами 13, 14. Воздух нагревается как поверхностью диска, так и поверхностью ребер. Движение воздуха происходит от центра диска 5 к периферии (фиг. 1 и 2), либо от периферии к центру (фиг. 3). Направление зависит от варианта подключения вентилятора.

Число потоков воздуха над теплообменным диском определяется числом основных 13 и дополнительных 14 ребер. Воздух движется в радиально-окружном направлении, взаимодействуя с диском 5 и с ребрами 13. При своём движении воздух меняет свое направление, следуя за изгибами на ребрах 13 и 14. Наличие изгибов в каналах, образованных ребрами ведет к интенсивному вихреобразованию потока. Этому же способствует и меняющееся по длине поперечное сечение каждого из каналов.

Изгибы рёбер обеспечивают более полное и равномерное заполнение диска оребрением. Кроме того, изогнутые ребра обеспечивают некоторое повышение и выравнивание сопротивлений всех каналов для прохода воздуха, за счёт чего распределение воздуха между всеми каналами становится более равномерным. Как результат, теплообмен при предлагаемой конфигурации ребер более эффективный.

Наряду с интенсификацией теплообмена изогнутые ребра более эффективно выполняют и силовую функцию, укрепляя теплообменный диск 5. При наличии изгиба и сплошной приварке ребра к диску, положение ребра на диске является более устойчивым. Место пересечения прямых участков ребра (точки упора) наилучшим образом воспринимает усилия от стяжки дисков шпильками и от давления в нижней камере. Происходит равномерное подпирание среднего диска. Количество точек упора среднего диска соответствует общему числу изгибов на ребрах.

Для сравнения: в прототипе точка фиксации диска располагалась только в центре. Т.е. использование ребер существенно повышает несущую способность среднего диска. За счет всего перечисленного, работа вихревой камеры аппарата в меньшей степени ограничена по величине давления.

Таким образом, изогнутые рёбра в предложенной конструкции одновременно служат для интенсификации (улучшения) теплообмена и для повышения надёжности аппарата.

Для проверки работоспособности предложенного аппарата были поставлены опыты. Опыты проводили на стенде, который включал опытный вихревой теплообменный аппарат, термостатированный бак для горячей воды с ТЭНом, центробежный насос, ротаметр для измерения расхода горячей воды, прибор для измерения температур. Измерение температур выполняли в следующих точках:

t₁ - температура воды на входе в аппарат;

t₂ - температура воды на выходе из аппарата;

θ₁ - температура воздуха на входе в аппарат;

θ₂ - температура воздуха на выходе из аппарата

Схема стенда обеспечивала циркуляцию горячей воды. Воздух брали из лаборатории, где установлен стенд.

Опытный аппарат (см. фиг.1) состоял из двух вихревых камер, разделенных теплообменным диском. Нижняя камера предназначена для подачи горячей воды. Верхняя камера предназначена для прохода нагреваемого воздуха. Верхняя камера выполнена открытой по периферии. Её диск-крышка имеет центральное отверстие, в котором вертикально закреплён патрубок для прохода воздуха d_B, изготовленный из пластика, на котором сверху установлен небольшой вентилятор.

Диаметр нижней камеры аппарата равен D = 405 мм при высоте камеры h_н = 28 мм. Диаметр тангенциального входного патрубка d_c = 15 мм, диаметр центрального выходного патрубка d_ц=20 мм. Внешний диаметр теплообменного диска с керном и ребрами D_т=440 мм.

Диаметр керна d_к=38 мм. Число изогнутых ребер N = 8 шт. Высота рёбер, керна и верхней камеры - h_в= 30 мм. Угол α = 58°.

Фото теплообменного диска опытного аппарата приведено на фиг.  7.

Для данного диска с рёбрами поверхность теплообмена составляет F_р=0,3119 м². Для гладкого диска без рёбер поверхность теплообмена составляет F=0,1288 м². Коэффициент оребрения поверхности К_ор = 2,42.

Коэффициент не велик, однако достаточен для проверки работы устройства. Диаметр патрубка для прохода воздуха d_B = 105 мм. Вентилятор, на патрубке обеспечивал проход воздуха снизу вверх или сверху вниз. Расход воздуха регулировали и измеряли установленным в патрубке d_B анемометром.

Основные части опытного аппарата изготовлены из стали. Аппарат имеет разборную конструкцию. Все три диска аппарата соединены шпильками.

Аппарат размещали так, что теплообменный диск был горизонтален. В ходе опытов замеряли расходы теплоносителей, их температуры, сопротивления верхней и нижней камер. Расход воды меняли от 0,167 до 2,149 м³/ч. Расход воздуха меняли от 38,65 до 178,9 м³/ч. Опытные коэффициенты теплопередачи К определяли расчётом по основному уравнению теплопередачи.

Опытный аппарат работал в режиме калорифера - на нагрев воздуха. Результаты опытов приведены в таблицах 1 и 2. Аппарат успешно передает тепло воздуху, несмотря на низкий коэффициент оребрения К_ор = 2,42.

Таблица 1 показывает влияние расхода воды на показатели работы аппарата при постоянном расходе воздуха - 178,9 м³ /час. В этих опытах температура воды менялась мало. Опыты показали, что расход воды, подаваемой в нижнюю вихревую камеру, влияет на количество переданного тепла незначительно.

Таблица 1. Влияние расхода воды на работу опытного аппарата

Параметры Расход воды, V, м³/ч 0,167 0,614 1,108 1,582 2,149 Подача воздуха Снизу-вверх Сопротивление нижней камеры, _1, КПа 0 2,6 18,1 44,6 83 Передано тепла воздуху, Q, Вт 395 401 407 413 401 Коэффициент теплопередачи*, К, Вт/м²К 97,5 97,6 99,2 101 98,3

Примечания: Расход воздуха постоянен - 178,9 м³ /час. Сопротивление верхней камеры, _2,= 29,3 Па, Коэффициент К отнесен к гладкой поверхности диска.

Таблица 2. Влияние расхода воздуха на работу опытного аппарата

Параметры Расход воздуха, V, м³/ч 38,65 41,15 56,11 98,19 133,7 158,7 178,9 468 Подача воздуха Сверху-вниз Снизу-вверх опыты расчёт Сопротивление верхней камеры, _2, Па 1,4 1,6 3,0 8,8 16,4 23,0 29,3 200 -210 Передано тепла воздуху, Q, Вт 104 111 153 288 357 381 401 642 Коэффициент теплопередачи*, К, Вт/м²К 30,4 29,8 41,7 66,5 83,0 92,5 98,3 143

Примечания: Расход горячей воды постоянен - 2,149 м³ /час. Сопротивление нижней камеры, _1,= 83,4 КПа, Коэффициент К отнесен к гладкой поверхности диска.

Таблица 2 отражает влияние расхода и скорости воздуха на показатели работы аппарата при постоянном расходе горячей воды 2,149 м³ /час. Расход воздуха меняли от 38,65 до 178,9 м³/ч. Этим значениям соответствовали скорости воздуха у теплообменного диска на краю и в центре (при r=0,053 м), соответственно 0,2813/1,086 и 1,302/5,025 м/с. При анализе работы учитывали, что скорости воздуха у диска весьма умеренные (должны быть выше). Поэтому, был выполнен расчет для расхода воздуха 468 м³/ч, который показал, что коэффициент К составит 143 Вт/м² К. Будет передано тепла 642 Вт., а сопротивление по воздуху будет равно 200 - 210 Па. Расход воздуха имеет более сильное влияние, на количество переданного тепла и на коэффициент теплопередачи, чем расход воды. Объясняется это тем, что основное сопротивление переносу тепла находится именно со стороны воздуха.

Таким образом, опыты и расчёт подтвердили работоспособность предлагаемого аппарата и возможность дальнейшего роста показателей его работы.

Список использованных источников

1. Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов/ под общей редакцией А.С. Тимонина.- Калуга: Изд. «Ноосфера»,2014.-856 с.

2. Полезная модель к патенту РФ 91755 U1, МПК F 28D 7/16,Вихревой теплообменный аппарат для конденсации газов/ Калимуллин И.Р., Гафиятов И.З., Дмитриев А.В., Николаев А.Н. - опубл. 27.02.2010, Бюл № 06.

3. Косырев В.М., Аверьянов Д.Р., Мальков С.В., Соколов А.Е. Теплообмен в вихревом теплообменном аппарате с сопловыми входными устройствами //В сб. Материалы XII Всероссийской научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием (22-24 мая 2019 г., г. Бийск)/ Алт. гос.техн.ун-т. 2019. - С.41-44.

4. Патент РФ 2711569, МПК F28D 9/00; F28F 9/007. Вихревой теплообменный аппарат / Косырев В.М., Диков В.А., Суханов Д.Е., Кежутин А.А. - опубл. 17.01.2020, Бюл. № 2.- Прототип.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах. В вихревом теплообменном аппарате, содержащем две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя дисками, из которых крайние являются крышками, а средний - поверхностью теплообмена, цилиндрическое кольцо нижней камеры, снабженное тангенциальным входным патрубком, выходной патрубок, установленный в центре нижнего диска, верхняя камера выполнена открытой по периферии, ее диск-крышка имеет центральное отверстие, в котором перпендикулярно к диску-крышке вертикально закреплен патрубок для прохода воздуха, снабженный сверху вентилятором; средний теплообменный диск в центре сверху снабжен приваренными патрубком-керном и изогнутыми ребрами, внутренние концы которых приварены внахлест к патрубку-керну, внешние концы ребер расположены на краю среднего теплообменного диска; ребра по их длине имеют постоянную высоту и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна, изгибы выполнены так, что суммарный угол отклонения внешнего конца ребра от радиального направления α находится в пределах от 30 до 80 градусов, при этом верхний торец керна, обращенный к патрубку для прохода воздуха, снабжен заглушкой-обтекателем. Технический результат - повышение интенсивности теплообмена и прочности устройства. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Вихревой теплообменный аппарат, содержащий две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя дисками, из которых крайние являются крышками, а средний - поверхностью теплообмена, цилиндрическое кольцо нижней камеры, снабженное тангенциальным входным патрубком, выходной патрубок, установленный в центре нижнего диска, отличающийся тем, что верхняя камера выполнена открытой по периферии, ее диск-крышка имеет центральное отверстие, в котором перпендикулярно к диску-крышке вертикально закреплен патрубок для прохода воздуха, снабженный сверху вентилятором; средний теплообменный диск в центре сверху снабжен приваренными патрубком-керном и изогнутыми ребрами, внутренние концы которых приварены внахлест к патрубку-керну, внешние концы ребер расположены на краю среднего теплообменного диска; ребра по их длине имеют постоянную высоту и по крайней мере один изгиб под тупым углом, направленный в сторону патрубка-керна, изгибы выполнены так, что суммарный угол отклонения внешнего конца ребра от радиального направления α находится в пределах от 30 до 80°, при этом верхний торец керна, обращенный к патрубку для прохода воздуха, снабжен заглушкой-обтекателем.

2. Вихревой теплообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что все изогнутые ребра по окружности теплообменного диска размещены равномерно.

3. Вихревой теплообменный аппарат по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в промежутках между основными изогнутыми ребрами установлены дополнительные более короткие изогнутые ребра.

4. Вихревой теплообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что количество основных изогнутых ребер равно 4÷16.

5. Вихревой теплообменный аппарат по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что количество дополнительных изогнутых ребер равно количеству основных изогнутых ребер.

6. Вихревой теплообменный аппарат по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что количество дополнительных изогнутых ребер кратно превышает количество основных изогнутых ребер.