Регенеративно-рекуперативный теплообменник

 

Использование: в теплотехнике и других отраслях народного хозяйства в качестве аккумулятора тепловой энергии. Сущность изобретения: в качестве теплообменных элементов использованы змеевики из труб с жидким теплоносителем и конфигурацией, обеспечивающей равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередовались послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного - снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструкционным материалам газом, соединенная с расположенной вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. Для использования теплообменника в качестве устройства для очистки веществ методом зонной плавки устройство имеет более трех теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителя, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, используемым в теплотехнике и др. отраслях народного хозяйства в качестве аккумулятора тепловой энергии, а также, в частности, в установках для разделения (очистки) веществ.

Известен теплообменник по [1] содержащий корпус, горизонтально расположенные поверхности теплообмена, выполненные из металла с высокой теплопроводностью и вертикальными проставками из материала с низкой теплопроводностью.

Известно и использование в качестве рабочего вещества теплообменника твердого тела, плавящегося при рабочих температурах теплообмена (см. [2]), что существенно увеличивает теплоаккумулирующую способность каждого элемента за счет использования скрытой теплоты плавления твердого тела.

Недостатками известных устройств являются их малая теплоаккумулирующая способность и невозможность работы при высоких температурах, что обусловлено ограниченностью легкокипящего теплоносителя, а в [1] в принципе нельзя заправить много теплоносителя, т.к. при его испарении давление паров в корпусе возрастает, что приводит к подъему температуры насыщения и снижает эффективность работы конденсатора. В [2] удельная мощность теплообменника ограничена объемом шаров с твердым теплоносителем, увеличением давления на стенки шаров при изменении температур, особенно на стадии плавления твердого теплоносителя.

Задачей изобретения явилось устранение отмеченных недостатков [1] и [2] интенсификации теплообмена при высокой надежности и простоте конструкций и возможности аккумулирования значительных количеств тепла.

Для этого в качестве теплообменных элементов в регенеративно-рекуперативном теплообменнике, размещенных в твердом рабочем теле и состоящих из двух контуров с жидким теплоносителем, использованы трубы с жидким теплоносителем в виде змеевиков, конфигурация которых обеспечивает равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередуются послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполнения нейтральным по отношению к рабочему телу и конструктивным материалам газом, соединенная с расположенным вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. При использовании данного предложения для разделения (очистки) веществ методом зонной плавки устройство имеет более 3-х теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителей в каждый, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество.

На фиг. 1 изображен корпус 1, выполненный из низкотеплопроводного материала, обложенный теплоизоляцией 2 и заполненный внутри рабочим телом 3, материал которого подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров. Корпус, все проставки и др. вертикально расположенные элементы устройства выполняют из низкотеплопроводного материала. Теплообменные контуры 4 и 5 выполняют в виде горизонтальных поясов с конфигурацией труб, обеспечивающей равномерный нагрев слоев рабочего тела по соответствующим поясам, причем так, что теплообменные элементы одного контура чередовались с теплообменными элементами другого. Материал горизонтальных поясов обоих контуров должен быть высокотеплопроводным. Каждый контур снабжен устройством 6 (обратным клапаном и др.) для направления с горячим теплоносителем сверху вниз, а с холодным - снизу вверх. Над рабочим телом внутри корпуса имеется полость 7, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструкционным материалам газом, и соединенная трубкой 8 с камерой 9 из эластичного материала.

При изготовлении теплообменника для использования в качестве устройства для зонной плавки он может выполняться с тремя и более теплообменными контурами с независимой подачей теплоносителя, размещенными последовательно по высоте теплообменника.

Работает устройство следующим образом.

Горячий теплоноситель, поступая в контур 4 только сверху вниз, благодаря устройству 6, нагревает рабочее тело 3 до плавления в верхней части корпуса. Теплоноситель контура 5, двигаясь снизу вверх постепенно и эффективно нагревается, используя в том числе скрытую теплоту плавления твердого тела. Деформации рабочего тела, связанные с изменением его физических состояний, передаются жидким слоем на газовую подушку 7. При этом газ выдавливается или всасывается по трубке 8 в (или из) эластичную камеру 9, разгружая элементы конструкций. Этому способствует материал и конфигурация горизонтальных элементов теплообменника, обеспечивающие равномерный и быстрый нагрев рабочего тела слоями по горизонтальным сечениям при минимальной деформации корпуса 1, теплоизоляции 2 и вертикальных элементов конструкций (проставок и др.).

Работа теплообменника в режиме устройства для зонной плавки обеспечивается путем последовательного включения контуров сверху вниз и выпусками расплавленной фракции рабочего тела, в качестве которого используется расплавляемое очищаемое вещество, из соответствующих выпусков. Таким образом, процесс идет до полного слива рабочего тела из нижней части корпуса.

В предложенном устройстве изменение линейных параметров элементов конструкций, связанные с изменениями агрегатных состояний рабочего тела, не приводят к значительным деформациям элементов конструкций, т.к. зоны плавления и твердения рабочего тела размещаются строго горизонтально, соответствующие нагрузки передаются на газовую подушку с упругим компенсатором. Это позволяет создавать термоаккумуляторы на любые сколь угодно большие запасы тепловой энергии, легко заполнять устройство тепловой энергией и извлекать ее.

Отметим, что признаки прототипа: ".проставками из материала низкой теплопроводности сеток, выполненных из металлического листа высокой теплопроводности. " в заявленном предложении имеют другую конструктивную реализацию (трубы вместо листовых фигурных конструкций), иное назначение (обеспечение равномерного и эффективного нагрева по горизонтальным поясам, вместо обеспечения герметичности) и проявляет другие свойства (теплоотдача через стенку трубы, а не через длинную сторону элемента, что позволяет использовать более высокую теплоемкость жидкого теплоносителя).

На фиг. 2 изображен вариант устройства с размещением теплообменных контуров внутри корпуса. Сверху показан радиатор 1, призванный гасить температурные колебания газов. Уплотнители 2 герметизируют входы и выходы труб теплообменника. Жидкая фаза рабочего тела показана позицией 3, зона плавления 4, твердое рабочее тело 5. Для выравнивания температур по горизонту может использоваться известная сетка 6 по прямому назначению, изготавливаемая как и горизонтально расположенные змеевики из высокотеплопроводного материала, например, меди. Для выпуска рабочего тела показано отверстие 7. Крепеж змеевиков в корпусе обеспечивается устройствами 8 по вертикали и 9 по горизонтали.

На фиг. 3 и 4 показаны возможные конфигурации змеевиков горизонтальных участков теплообменных контуров.

Регулируя движение теплоносителя в контурах по последовательной или последовательно-параллельным схемам, обеспечивают жидкое состояние рабочего тела в верхней части корпуса, твердое состояние в нижней части, а зона плавления, оставаясь плоской и горизонтальной, перемещается в вертикальном направлении, захватывая соответствующий объем рабочего тела.

Таким образом, предложение позволяет интенсифицировать теплообмен за счет увеличения теплоаккумулирующей способности теплопередающего элемента, что повышает производительность теплообменника при высокой надежности его конструкций.

Формула изобретения

1. Регенеративно-рекуперативный теплообменник, содержащий корпус с рабочим телом, расположенные в горизонтальных плоскостях теплообменные элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, и два контура с жидким теплоносителем, отличающийся тем, что в качестве теплообменных элементов, контактирующих с рабочим телом, использованы змеевики из труб с жидким теплоносителем с конфигурацией змеевиков, обеспечивающей равномерный нагрев горизонтальных слоев рабочего тела, и размещенные так, чтобы теплообменные элементы одного контура чередовались послойно с теплообменными элементами второго контура, каждый контур снабжен устройствами для направления потока с горячим теплоносителем сверху вниз, а холодного снизу вверх, корпус и все вертикально расположенные элементы конструкций выполнены из низкотеплопроводного материала, над рабочим телом внутри корпуса имеется полость, заполненная нейтральным по отношению к рабочему телу и конструктивным материалом газом, соединенная с расположенной вне корпуса камерой из эластичного материала, а материал рабочего тела подбирается так, чтобы температура его плавления находилась в интервале рабочих температур одного из контуров.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что для его использования в качестве устройства для разделения (очистки) веществ методом зонной плавки устройство имеет более трех теплообменных контуров с независимой подачей теплоносителя, а в качестве рабочего тела используется очищаемое вещество.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4