Нагреватель текучей среды

 

Изобретение относится к нагревателям текучей среды, преимущественно к электронагревателям газов. В нагревателе зазор между излучающей и экранирующей поверхностями выполнен не более величины вязкого подслоя текучей среды, которая определяется по формуле: δ = 144μ/Vρ, где μ - динамический коэффициент вязкости текучей среды, Па•с; V - скорость текучей среды, м/с; ρ - плотность текучей среды, кг/м³, при этом величина зазора находится в пределах 0,05-0,5 мм. Повышение интенсивности теплообмена позволяет уменьшить габариты нагревателя и упростить его конструкцию, а также уменьшить температуру нагревательного элемента, что повышает его надежность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нагревателям текучей среды, преимущественно газов, и может быть наиболее эффективно использовано для нагрева газов при их редуцировании от источников высокого давления.

В процессе редуцирования газа от источников высокого давления происходит его расширение и снижение давления, что приводит к переохлаждению газа и, в конечном итоге, к перемерзанию регулирующей аппаратуры и нарушению ее функционирования, а также к нарушению технологических режимов при потреблении этого газа.

Для сохранения работоспособности регулирующей аппаратуры и стабилизации технологических режимов при потреблении газа в настоящее время применяют два типа нагревателей - нагреватели накладного типа и нагреватели проточного типа.

Нагреватели накладного типа частично защищают регулирующую аппаратуру от перемерзания, но имеют низкий коэффициент полезного действия.

Нагреватели проточного типа надежнее защищают регулирующую аппаратуру от перемерзания, имеют больший коэффициент полезного действия за счет меньших потерь в окружающую среду и имеют более высокое быстродействие за счет повышенной интенсивности теплообмена между нагревательным элементом и газом.

Известен электронагреватель текучей среды [1], содержащий кожух с патрубками входа и выхода текучей среды, внутри которого коаксиально установлены трубчатая перегородка и трубчатый нагревательный элемент, излучающая поверхность которого снабжена оребрением с образованием между перегородкой и нагревателем по всей длине спирального канала для прохода нагреваемой среды. Оребрение, размещенное между трубчатой перегородкой и нагревателем, выполнено в виде кольцевых пластин, в которых с чередованием диаметрально противоположно выполнены отверстия.

Увеличение пути прохождения в электронагревателе и наличие отдельных участков турбулизации текучей среды приводит к повышению интенсивности теплообмена.

Недостатками известного нагревателя являются: - сложность конструкции спирального канала, что приводит к увеличению габаритов и, в конечном итоге, к уменьшению быстродействия; - низкая степень турбулизации не вызывает разрушения пристеночного вязкого подслоя, что приводит к недостаточной интенсивности теплообмена.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является нагреватель (электронагреватель) текучей среды [2], содержащий трубчатый нагревательный элемент с оребрением на наружной поверхности, установленный в трубчатом кожухе соосно с ним, при этом оребрение выполнено в виде колец, установленных с шагом, составляющим 4...8 их высоты, которая при этом составляет 0,05..0,3 зазора от наружной стенки нагревательного элемента (излучающей поверхности) до внутренней поверхности трубчатого кожуха (экранирующей поверхности).

Повышение плотности и интенсивности турбулизации текучей среды нагревателя повышает интенсивность теплообмена, которая связана со срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон.

Недостатками известного нагревателя являются: - сложность конструкции из-за необходимости оребрения трубчатого нагревателя; - низкая интенсивность теплообмена, вызванная: - высоким тепловым сопротивлением из-за сложности конструкции; - наличием застойных зон, не охваченных турбулизацией; - низкая интенсивность теплообмена приводит к увеличению температуры нагревательного элемента подогревателя и снижению его надежности.

Целью изобретения является уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции, повышение эффективности теплообмена и надежности работы нагревателя текучей среды.

Указанная цель достигается за счет того, что в нагревателе текучей среды, включающем излучающую и экранирующую поверхности, размещенные с зазором друг относительно друга, величину зазора выполняют не более величины вязкого подслоя текучей среды, которая определяется по формуле: δ = 144μ/Vρ, где μ - динамический коэффициент вязкости текучей среды, Па•c;
V - скорость текучей среды, м/с;
ρ - плотность текучей среды, кг/м³,
при этом величина зазора находится в пределах 0,05...0,5 мм.

Причем излучающая и экранирующая поверхности могут быть выполнены в виде цилиндров, между которыми размещен набор металлических гильз, установленных с вышеупомянутым зазором друг относительно друга.

Между излучающей и экранирующей поверхностями может быть размещена металлическая лента, выполненная в виде спирали с зазором между витками, равным по величине вышеупомянутому.

Излучающая и экранирующая поверхности могут быть выполнены в виде плоских пластин, установленных с вышеупомянутым зазором друг относительно друга.

При движении газов перенос теплоты в вязком подслое осуществляется путем молекулярной теплопроводности, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц газа или жидкости. Коэффициент молекулярной теплопроводности или теплопроводности вязкого подслоя для газов на 3...4, а для жидкостей на 2...3 порядка меньше, чем у металлов. Таким образом, вязкий подслой является термическим сопротивлением на пути теплового потока от излучающей поверхности и препятствует теплообмену. Интенсификация последнего осуществляется, как правило, турбулентным разрушением вязкого подслоя.

Сущность изобретения заключается в том, что увеличение интенсивности теплообмена осуществляется за счет прокачки всего потока нагреваемого газа через зону вязкого подслоя, что ведет к уменьшению термического сопротивления в теплообменном процессе.

На фиг.1 приведены схематическое изображение нагревателя и график распределения температуры текучей среды в щелевом зазоре.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение нагревателя с металлическими гильзами.

На фиг. 3 изображено поперечное сечение нагревателя с металлической лентой.

На фиг. 4 изображено поперечное сечение нагревателя из металлических пластин.

Нагреватель текучей среды (фиг. 1), преимущественно газовой, содержит нагревательный элемент 1, находящийся в тепловом контакте с его корпусом 2, который содержит излучающую поверхность 3, кожух 4 с экранирующей поверхностью 5, при этом излучающая 3 и экранирующая 5 поверхности размещены с зазором 6 друг относительно друга, величину зазора 6 выполняют не более величины вязкого подслоя текучей среды, которая определяется по формуле:
δ = 144μ/Vρ,
где μ - динамический коэффициент вязкости текучей среды, Па•с;
V - скорость текучей среды, м/с;
ρ - плотность текучей среды, кг/м³;
при этом величина зазора 6 находится в пределах 0,05-0,5 мм.

Для повышения эффективности нагревателя излучающая 3 и экранирующая 5 поверхности могут быть выполнены в виде цилиндров (фиг.2), между которыми размещен набор металлических гильз 7, установленных с вышеупомянутым зазором 6 друг относительно друга и образующих дополнительные излучающие 3 и экранирующие 5 поверхности.

Между излучающей 3 и экранирующей 5 поверхностями может быть размещена металлическая лента 8 (фиг.3), выполненная в виде спирали с зазором 6 между витками, равным по величине вышеупомянутому.

Излучающая 3 и экранирующая 5 поверхности могут быть выполнены в виде плоских пластин 9 (фиг.4), установленных с вышеупомянутым зазором 6 друг относительно друга.

Нагреватель текучей среды работает следующим образом. Тепловой поток Q от нагревательного элемента 1 (фиг.1) через его корпус 2 попадает на излучающую поверхность 3, которая в установившемся режиме принимает температуру tи, и где происходит теплоотдача текучей среде, протекающей со скоростью V в зазоре 6, ограниченной с другой стороны экранирующей поверхностью 5 кожуха 4. Величина δ зазора 6 находится в пределах от 0,05 до 0,5 мм и определяется свойствами текучей среды, динамическим коэффициентом вязкости μ и ее плотностью ρ, а также скоростью движения текучей среды V относительно стенок зазора 6. Так как для газов и обычных жидкостей теплоотдача в основном определяется термическим сопротивлением пристенного вязкого подслоя, то для интенсификации теплоотдачи повышается скорость замены текучей среды в вязком подслое. При этом для повышения эффективности теплопередачи вся нагреваемая текучая среда прогоняется непосредственно через вязкий подслой за счет выбора величины зазора, которая определяется выражением:
δ = 144μ/Vρ.
Данная величина зазора позволяет повысить эффективность инфракрасного переноса тепла через него, что приводит к нагреву экранирующей поверхности 5 до температуры tэ (фиг.1), при этом эта поверхность по отношению к текучей среде становится излучающей. При этом энергией поглощения текучей среды можно пренебречь, так как жидкости и газы обладают узким спектром поглощения в области инфракрасных излучений. В результате в зазоре 6 образуется клин двух вязких подслоев, в котором нагреваемая жидкая среда приобретает температуру tщ (температура в щели), которая значительно выше температуры tт (температура турбулентного ядра), в случае когда величина зазора 6 намного больше величины вязкого подслоя (фиг.1). Перенос теплоты в вязком подслое осуществляется путем молекулярной теплопроводности, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц газа или жидкости.

Повышение интенсивности теплообмена позволяет уменьшить габариты нагревателя текучей среды, упростить конструкцию устройства в целом за счет применения простых цилиндрических поверхностей, а также позволяет уменьшить температуру нагревательного элемента 1, что повышает его долговечность. Малая величина щелевого зазора повышает гидродинамическое сопротивление устройства. Однако изобретение относится к нагревателям текучей среды, преимущественно газов, работающих от источников высокого давления с последующим его редуцированием.

Использование организации зазора с помощью металлических гильз (фиг.2) позволяет уменьшить гидродинамическое сопротивление устройства и повысить теплоотдачу за счет увеличения площади контакта текучей среды с излучающими поверхностями.

Более технологична конструкция нагревателя с организацией зазора с помощью металлической ленты (фиг.3).

Нагреватель текучей среды с организацией зазора с помощью металлических пластин (фиг. 4) позволяет применить современные технологии нанесения (осаждения, напыления и др.) нагревательного элемента.

Предлагаемый нагреватель текучей среды был использован для подогрева углекислого газа перед его редуцированием и последующим использованием в полуавтоматах электродуговой сварки в среде углекислого газа. Использование данного изобретения позволило создать подогреватель углекислого газа по габаритам более чем в два раза меньше по отношению к существующим, а также увеличить срок службы нагревательного элемента более чем в четыре раза.

Источники информации
1. Авт. св. 1746907, Н 05 В 3/50. Электронагреватель текучей среды.

2. Авт. св. 1474870, Н 05 В 3/50. Электронагреватель текучей среды - прототип.

Формула изобретения

1. Нагреватель текучей среды, преимущественно газовой, включающий излучающую и экранирующую поверхности, размещенные с зазором относительно друг друга, отличающийся тем, что зазор выполнен не более величины вязкого подслоя текучей среды, которая определяется по формуле
δ = 144μ/Vρ,
где μ - динамический коэффициент вязкости текучей среды, Па•с;
V - скорость текучей среды, м/с;
ρ - плотность текучей среды, кг/м³.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что величина зазора находится в пределах 0,05÷0,5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.11.2008

Извещение опубликовано: 20.11.2008        БИ: 32/2008