RU2101645C1

RU2101645C1 - Regenerative-recuperative heat exchanger

Info

Publication number: RU2101645C1
Application number: RU96103971A
Authority: RU
Inventors: К.И. Крыщенко; В.Н. Дзегиленок; А.Б. Нейланд
Original assignee: Крыщенко Константин Иванович; Дзегиленок Вадим Николаевич; Нейланд Анатолий Борисович
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: heat-power engineering and other industries for accumulation of thermal energy. SUBSTANCE: heat exchange elements are made in form of tubular coils containing liquid heat-transfer agent; shaped of coils ensures smooth heating of horizontal layers of working medium; heat exchange elements of one loop alternate in layers with heat-exchange elements of second loop. Each loop is provided with devices for directing the hot heat-transfer agent flow downward and coil heat-transfer agent flow upward. Housing and all vertical structural members are made from low-heat-conducting material. There is cavity above working medium inside housing which is filled with gas neutral relative to working medium and structural materials and connected with chamber located outside housing. Material of working medium is so selected that its melting point is within working temperature range of one loop. When exchanger is used for cleaning substances by zone melting method, it is provided with more than three heat exchange loops at independent delivery of heat-transfer agent; substance to be cleaned is used as working medium in this case. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to heat exchangers used in heat engineering and other sectors of the national economy as a heat energy accumulator, and also, in particular, in installations for the separation (purification) of substances.

Известен теплообменник по [1] содержащий корпус, горизонтально расположенные поверхности теплообмена, выполненные из металла с высокой теплопроводностью и вертикальными проставками из материала с низкой теплопроводностью. Known heat exchanger according to [1] comprising a housing, horizontally arranged heat exchange surfaces made of metal with high thermal conductivity and vertical spacers from a material with low thermal conductivity.

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. The use of a solid body heat exchanger melting at operating heat transfer temperatures (see [2]) is also known, which significantly increases the heat storage capacity of each element through the use of the latent heat of fusion of a solid.

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. The disadvantages of the known devices are their low heat storage capacity and the inability to work at high temperatures, due to the limited availability of low-boiling coolant, and in [1] in principle it is impossible to charge a lot of coolant, because when it evaporates, the vapor pressure in the housing increases, which leads to a rise in the saturation temperature and reduces the efficiency of the condenser. In [2], the specific power of the heat exchanger is limited by the volume of balls with a solid coolant, an increase in pressure on the walls of the balls with changing temperatures, especially at the stage of melting of a solid coolant.

Задачей изобретения явилось устранение отмеченных недостатков [1] и [2] интенсификации теплообмена при высокой надежности и простоте конструкций и возможности аккумулирования значительных количеств тепла. The objective of the invention was to eliminate the noted drawbacks [1] and [2] of heat transfer intensification with high reliability and simplicity of structures and the possibility of accumulating significant amounts of heat.

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. For this purpose, pipes with a liquid heat carrier in the form of coils, the configuration of which ensures uniform heating of the horizontal layers of the working fluid, placed so that the heat exchangers the elements of one circuit alternate in layers with the heat exchange elements of the second circuit, each circuit is equipped with devices for directing the flow with the hot coolant with top-down and cold bottom-up, the body and all vertically located structural elements are made of low-heat-conducting material, there is a cavity above the working fluid inside the housing, filled with gas neutral with respect to the working fluid and structural materials, connected to a chamber made of an elastic material located outside the housing , and the material of the working fluid is selected so that its melting temperature is in the range of operating temperatures of one of the circuits. When using this proposal for the separation (purification) of substances by the zone melting method, the device has more than 3 heat exchange circuits with an independent supply of heat carriers to each, and the substance to be cleaned is used as a working fluid.

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. In FIG. 1 shows a housing 1 made of a low-conductive material, lined with thermal insulation 2 and filled inside with a working fluid 3, the material of which is selected so that its melting temperature is in the range of operating temperatures of one of the circuits. The housing, all spacers, and other vertically located elements of the device are made of low heat conductive material. The heat exchange circuits 4 and 5 are made in the form of horizontal belts with a tube configuration that ensures uniform heating of the layers of the working fluid in the respective zones, so that the heat exchange elements of one circuit alternate with the heat exchange elements of another. The material of the horizontal zones of both loops should be highly heat-conducting. Each circuit is equipped with a device 6 (non-return valve, etc.) for the direction with hot coolant from top to bottom, and with cold - from bottom to top. Above the working fluid inside the casing there is a cavity 7 filled with gas, which is neutral with respect to the working fluid and structural materials, and connected by a tube 8 to a chamber 9 of elastic material.

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. In the manufacture of a heat exchanger for use as a device for zone melting, it can be performed with three or more heat exchange circuits with independent supply of a heat carrier, arranged in series along the height of the heat exchanger.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

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.). Hot coolant entering the circuit 4 only from top to bottom, thanks to the device 6, heats the working fluid 3 until it melts in the upper part of the housing. The coolant of circuit 5, moving from bottom to top, gradually and effectively heats up, using the latent heat of fusion of a solid, including. Deformations of the working fluid associated with a change in its physical conditions are transmitted in a liquid layer to the gas cushion 7. In this case, the gas is squeezed out or sucked through the tube 8 into (or out of) the elastic chamber 9, unloading the structural elements. This is facilitated by the material and the configuration of the horizontal elements of the heat exchanger, ensuring uniform and rapid heating of the working fluid in layers along horizontal sections with minimal deformation of the housing 1, thermal insulation 2 and vertical structural elements (spacers, etc.).

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. The operation of the heat exchanger in the mode of the device for zone melting is ensured by sequentially turning on the circuits from top to bottom and discharging the molten fraction of the working fluid, which uses a melted substance to be purified, from the corresponding outlets. Thus, the process goes to the complete discharge of the working fluid from the lower part of the housing.

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. In the proposed device, a change in the linear parameters of structural elements associated with changes in the state of aggregation of the working fluid does not lead to significant deformation of structural elements, zones of melting and hardening of the working fluid are placed strictly horizontally, the corresponding loads are transferred to the gas cushion with an elastic compensator. This allows you to create thermal accumulators for any arbitrarily large reserves of thermal energy, it is easy to fill the device with thermal energy and extract it.

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). Note that the features of the prototype: ". By spacers from a material of low thermal conductivity of grids made of a metal sheet of high thermal conductivity." In the claimed proposal have a different design implementation (pipes instead of sheet shaped structures), another purpose (ensuring uniform and efficient heating along horizontal belts, instead of ensuring tightness) and exhibits other properties (heat transfer through the pipe wall, and not through the long side of the element, which allows the use of a higher heat capacity It is the heat transfer fluid).

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. In FIG. 2 shows a variant of the device with the placement of heat exchange circuits inside the housing. Above is shown radiator 1, designed to damp the temperature fluctuations of gases. Seals 2 seal the inlets and outlets of the pipes of the heat exchanger. The liquid phase of the working fluid is shown at position 3, melting zone 4, solid working fluid 5. To equalize the temperatures horizontally, a well-known grid 6 can be used for its intended purpose, manufactured as well as horizontally arranged coils from highly heat-conducting material, for example, copper. A hole 7 is shown for the release of the working fluid. The fasteners of the coils in the housing are provided by devices 8 vertically and 9 horizontally.

На фиг. 3 и 4 показаны возможные конфигурации змеевиков горизонтальных участков теплообменных контуров. In FIG. Figures 3 and 4 show the possible configurations of the coils of the horizontal sections of the heat exchange circuits.

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. By regulating the movement of the coolant in the circuits in serial or series-parallel schemes, they provide a liquid state of the working fluid in the upper part of the body, a solid state in the lower part, and the melting zone, remaining flat and horizontal, moves in the vertical direction, capturing the corresponding volume of the working fluid.

Таким образом, предложение позволяет интенсифицировать теплообмен за счет увеличения теплоаккумулирующей способности теплопередающего элемента, что повышает производительность теплообменника при высокой надежности его конструкций. Thus, the proposal allows you to intensify heat transfer by increasing the heat storage capacity of the heat transfer element, which increases the performance of the heat exchanger with high reliability of its designs.

Claims

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. 1. A regenerative-regenerative heat exchanger comprising a housing with a working fluid, heat exchange elements arranged in horizontal planes made of a material with high thermal conductivity, and two circuits with a liquid heat transfer medium, characterized in that coils are used as heat exchanging elements in contact with the working fluid from pipes with a liquid coolant with a coil configuration, providing uniform heating of the horizontal layers of the working fluid, and placed so that the heat exchange elements of one the circuit alternated in layers with the heat exchange elements of the second circuit, each circuit is equipped with devices for directing the flow with hot coolant from top to bottom, and cold from bottom to top, the body and all vertically located structural elements are made of low-heat-conducting material, above the working medium inside the body there is a cavity filled with a neutral in relation to the working fluid and the structural material by gas, connected to a chamber made of an elastic material located outside the housing, and the working body material is chosen so that its melting temperature is within the operating temperature range of the circuits.

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. 2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that for its use as a device for the separation (purification) of substances by zone melting, the device has more than three heat exchange circuits with independent supply of heat carrier, and the substance to be cleaned is used as a working medium.