Теплообменник

 

Изобретение предназначено для высокотемпературных теплообменных аппаратов и может быть использовано в машиностроении. В теплообменнике, поверхность теплообмена которого изготовлена, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2 - 20 раз выше, чем нижнего. Использование предложенного технического решения позволяет получать высокоэффективные теплообменники с низкими затратами на их изготовление. 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции высокотемпературных теплообменных аппаратов.

Теплообменные аппараты предназначены для передачи тепла от теплоносителя к какому-либо потребителю тепла. В высокотемпературных, в основном газовых, рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, являющейся поверхностью теплообмена, термическое сопротивление которой определяется условиями теплоотдачи по обе стороны стенки и теплопроводностью самой стенки. Кроме того, от поверхности теплообмена требуется высокая жаро- и коррозионная стойкость, поскольку при высоких температурах теплоносители в большинстве случаев химически агрессивны.

Известна конструкция высокотемпературного теплообменного аппарата, в котором поверхности теплообмена изготовлены из нержавеющей стали [1]. Такая конструкция обеспечивает необходимые жаро- и коррозионную стойкость, однако у нее низкая теплопроводность, что снижает эффективность работы аппарата. Кроме того, использование нержавеющей стали увеличивает ее стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция теплообменного аппарата, в котором поверхности теплообмена изготовлены, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, нанесенным напылением [2]. Теплопроводность углеродистой стали выше, чем у нержавеющей, а покрытие предохраняет теплообменник от высокотемпературной коррозии. Однако при этом поверхность теплообмена становится многослойной и ее термическое сопротивление возрастает. Кроме того, теплопроводность покрытия ниже, чем у литого металла из-за наличия пористости и пропорционально ей. Так, например, у покрытия из стали Х18Н9, нанесенного металлизацией, пористость составляет 7% и при температуре 800 градусов Цельсия теплопроводность снижается на 12% в сравнении с исходной проволокой, используемой в качестве материала при напылении покрытия.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы теплообменника при снижении затрат на его изготовление за счет использования на поверхности теплообмена многослойного покрытия с различными показателями по слоям параметров пористости и шероховатости.

Для решения указанной задачи в известной конструкции теплообменника, принятой за прототип, поверхность теплообмена которого изготовлена, например, из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2...20 раз выше, чем нижнего.

Применение дешевых материалов стенки в условиях их работы при высоких, порядка 800...1000 градусов Цельсия, температурах и коррозии возможно, например, при их защите жаро- и коррозионно-стойкими покрытиями. Если одним из теплоносителей является газ, теплоотдача от которого к поверхности теплообмена обычно низкая, то увеличение термического сопротивления многослойной стенки можно компенсировать уменьшением термического сопротивления теплоотдачи со стороны газа путем дополнительной турбулизации потока. Для этого покрытие выполняется многослойным, таким образом, что у верхнего слоя шероховатость, т.е. высота неровностей поверхности, выше, чем у нижних.

Нижние плотные слои покрытия, выполненные напылением на стенку мелкодисперсных и однородных частиц, обеспечивают защиту поверхности теплообмена от высокотемпературной коррозии. Верхний слой покрытия, менее плотный и неоднородный по шероховатости, турбулизирует обтекающий стенку поток газа, за счет чего уменьшается толщина гидродинамического вязкого (ламинарного) подслоя потока газа и связанного с ним теплового пограничного слоя, в пределах которого температура меняется от температуры стенки до средней температуры потока теплоносителя. Уменьшение толщины теплового пограничного слоя улучшает теплоотдачу от стенки к потоку, причем чем выше пористость и неоднородность покрытия, тем выше теплоотдача и ниже ее термическое сопротивление [3].

Выполнение такой структуры покрытия возможно методом электродуговой металлизации (ЭДМ), в котором размер напыляемых частиц, а значит и шероховатость поверхности регулируется технологически параметрами процесса: напряжением дуги, вылетом электродов, давлением воздуха [2].

Опыт показывает, что для получения плотного покрытия дисперсность напыляемых частиц должна быть менее 160 мкм, при этом шероховатость поверхности будет до 50 мкм за счет растекания капель металла при ударе о поверхность теплообмена. Получение верхнего слоя покрытия с повышенной и нерегулярной шероховатостью обеспечивается напылением частиц размером 160...1500 мкм, при этом шероховатость поверхности составит 300...1000 мкм.

Согласно [4], толщина пристеночного вязкого подслоя потока составляет от 0,01 до 0,001 диаметра теплообменной поверхности, так что для ходового диаметра труб 30...100 мм шероховатость 300...1000 мкм будет сопоставима с толщиной теплового пограничного слоя, чем обеспечивается хорошая турбулизация потока, уменьшение толщины теплового пограничного слоя и, как следствие, увеличение теплоотдачи.

Пример конкретного выполнения.

Для сравнительных испытаний были изготовлены теплообменники по конструкции - прототипу и по предлагаемому техническому решению. Электрометаллизатором ЭМ-17 на теплообменники из стали 20 было нанесено покрытие из стали Х18Н9 с параметрами согласно табл. 1.

Затем по методике [5] была оценена эффективность теплообмена в интервале числа Рейнольдса Re = 18600...40000.

Эффективность теплообмена, оцениваемая по критерию Нуссельта, в предложенном техническом решении увеличилась на 15%.

Использование предложенного технического решения позволяет получать высокоэффективные теплообменники с низкими затратами на их изготовление.

Источники информации 1. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. - М.: Машиностроение. - 1971. - 200 с.

2. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. - М.: Машиностроение. - 1966. - 365 с.

3. Ибрагимов М.Х. и др. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. - М.: атомиздат. - 1978. - 296 с.

4. Вилемас Ю. и др. Интенсификация теплообмена в газоохлаждаемых каналах. - Вильнюс: Мокслас. - 1989. - 258 с.

5. Ляхов В. К., Кучай В.И. Экспериментальное исследование влияния температурного фактора на теплообмен и гидравлическое сопротивление при турбулентном движении воздуха в области автомодельного режима шероховатых труб//Тепло- и массоперенос. - М.: Энергия. - 1968. - т.1. - с.534-538.

Формула изобретения

Теплообменник, содержащий поверхность теплообмена, изготовленную из углеродистой стали с жаро- и коррозионно-стойким покрытием, отличающийся тем, что последнее выполнено по крайней мере из двух слоев, причем нижний, контактирующий с основным металлом, выполнен более плотным, чем верхний, а шероховатость поверхности верхнего слоя в 2 - 20 раз выше, чем нижнего.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к установке крупногабаритных тепловыделяющих изделий, эксплуатирующихся в вакууме, в том числе в составе космической техники

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к поверхностям теплообмена, Цель изобретения - повышение теплопередающей способности поверхности теплообмена

Изобретение относится к теплотехнике и может 5ыть использовано для конвективного охлаждения тепловыделяющих элементов

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах испарительного охлаждения

Изобретение относится к теплообменникам и может быть использовано в таких областях промышленности, как металлургия, машиностроение и переработка сельскохозяйственной продукции
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении секционных радиаторов для систем водяного центрального отопления жилых, общественных и производственных зданий

Изобретение относится к энергетике. Представлена производственная установка для осаждения материала на несущую подложку и электрод для использования в такой производственной установке. Несущая подложка имеет первый конец и второй конец, находящиеся на расстоянии друг от друга. На каждом конце несущей подложки расположено контактное гнездо. Установка включает в себя корпус, который образует камеру. По меньшей мере один электрод расположен проходящим через корпус для приема контактного гнезда. Электрод включает в себя внутреннюю поверхность, которая образует канал. Электрод нагревает несущую подложку до необходимой температуры осаждения за счет непосредственного прохождения электрического тока через несущую подложку. В проточном сообщении с каналом электрода находится охладитель для уменьшения температуры электрода. На внутренней поверхности электрода расположено покрытие канала для предотвращения потерь при теплопередаче между охладителем и внутренней поверхностью. Изобретение позволяет улучшить производительность и увеличить срок службы электрода. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к материалу, излучающая/поглощающая способность которого близка к излучающей/поглощающей способности абсолютно черного тела. Метаматериал представляет собой периодически чередующиеся полоски проводящего материала (металла) и диэлектрика, причем ширина полосок диэлектрика больше, чем длина волны максимума излучения при данной температуре, проводящий материал имеет в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее, в обоих случаях радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала должен быть меньше длины волны максимума излучения при данной температуре, при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше длины волны максимума излучения при данной температуре. Технический результат - создание материала, излучательная/поглощательная способность которого близка к абсолютно черному телу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к технологии изготовления изделий для теплообмена и проведения гетерогенного катализа, а более конкретно к cпособу припекания монослоя из медных шариков к металлической контактной поверхности тепломассообменника, и может быть использовано в производстве аппаратов для каталитической химии, теплообменников, а также в экспериментальной криогенике и производстве эффективных криоинструментов для хирургии. Контактную поверхность тепломассообменника предварительно покрывают слоем высоковакуумного масла, теплообменник помещают в контейнер для спекания, засыпают упомянутый контейнер медными шариками размером от 100 до 500 мкм, высыпают из упомянутого контейнера все не прилипшие к покрытой высоковакуумным маслом поверхности медные шарики, насыпают в контейнер для спекания с избытком шарики из окиси алюминия, которые равновелики или меньше медных шариков, загружают контейнер в вакуумную печь с уровнем вакуума не ниже 10-5 мм ртутного столба и нагревают до температуры спекания, составляющей от 800 до 900°С. Нагрев проводят с выдержкой при температуре кипения высоковакуумного масла для полного удаления паров масла. Затем осуществляют спекание монослоя из медных шариков с контактной поверхностью тепломассообменника в течение от 2 до 4 ч. Обеспечивается припекание монослоя металлических шариков к заранее определенным участкам поверхности тепломассообменника вне зависимости от их пространственной ориентации. 1 пр.

Изобретение относится к области интенсификации теплообмена при конденсации внутри труб и каналов, а также конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара. Интенсивный конденсатор пара с контрастным и градиентным смачиванием выполнен в форме охлаждаемого цилиндра, на внешнюю поверхность которого нанесены чередующиеся поперечные кольцевые полосы с гидрофобным покрытием с градиентным углом смачивания и полосы с гидрофильным покрытием. Причем угол смачивания поверхности с гидрофобным покрытием уменьшается от линии максимального значения угла смачивания к линии минимального значения угла смачивания. Изобретение позволяет увеличить интенсивность конденсации за счет использования специальных покрытий с градиентным смачиванием, а также за счет снижения гидравлического сопротивления при течении двухфазного потока вдоль поверхности конденсации. 3 ил.
Наверх