RU2736316C1 - Plate-type heat electric heat exchanger - Google Patents

Abstract

FIELD: heat power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used for complex utilization of heat of waste gases and liquids, namely for utilization of heat of flue gases at heating of air with simultaneous production of electricity. In the plate-type heat and electric heat exchanger containing housing equipped with gas and air nozzles, inside which there is a package consisting of perforated plates forming gas and air channels between each other, which perforation is arranged in staggered order and in it there are thermoelectric converters connected to thermoelectric sections and to common collectors of similar electric charges connected in their turn to terminals, perforation of plates is made in the form of rectangular openings, equipped with horizontal petal vortex generators and staples, in each rectangular opening there are flat thermoelectric converters equipped with current terminals and clamped by staples, the current leads are in parallel connected in each row to sectional collectors, forming thermoelectric sections, which are connected in parallel to common collectors of similar electric charges.

EFFECT: technical result is increased range of use and efficiency of plate-type thermoelectric heat exchanger.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для комплексной утилизации тепла сбросных газов и жидкостей, а именно, для утилизации тепла дымовых газов котельных агрегатов, промышленных печей, вентиляционных выбросов при нагревании воздуха с одновременным получением электричества.The proposed invention relates to heat and power engineering and can be used for complex heat recovery from waste gases and liquids, namely, for heat recovery from flue gases of boiler units, industrial furnaces, ventilation emissions when heating air with simultaneous generation of electricity.

Известен пластинчатый воздухоподогреватель, содержащий пакет из плоских пластин, покрытых антикоррозионным покрытием, с турбулизующими выступами, образующие между собой каналы для теплообменивающихся потоков газа и воздуха [А. с. СССР № 1575062, Мкл. F 28 D9/02, 1990].Known lamellar air heater containing a package of flat plates coated with an anti-corrosion coating, with turbulizing protrusions, forming channels between themselves for heat exchanging flows of gas and air [A. from. USSR No. 1575062, Mcl. F 28 D9/02, 1990].

Основными недостатками известного пластинчатого воздухоподогревателя являются невозможность осуществления в нем утилизации тепла дымовых газов для попутной очистки их от твердых примесей (частиц пыли, золы, сажи и т. д.) и получения электроэнергии, что снижает его эффективность.The main disadvantages of the known plate air heater are the impossibility of utilizing the heat of flue gases in it for their associated cleaning of solid impurities (dust particles, ash, soot, etc.) and generating electricity, which reduces its efficiency.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплексный утилизатор тепла сбросных газов, содержащий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, причем перфорация пластин выполнена в виде горизонтальных щелей, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга, в которых помещены термоэлектрические звенья, состоящие из овальных вставок, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала, внутри которых помещены зигзагообразные ряды, состоящие из термоэмиссионных (термоэлектрических) преобразователей, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков, выполненную из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, причем термоэлектрические звенья установлены в горизонтальных щелях таким образом, что продольные половины каждого термоэмиссионного преобразователя зигзагообразного ряда находятся в газовом и воздушном каналах, соответственно, сами зигзагообразные ряды каждого горизонтального ряда щелей на пластинах соединены между собой последовательно соединительными проводами образуя термоэлектрические секции, каждая из которых также соединена соединительным проводом с коллекторами электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами [Патент РФ №2523521, МПК F 22 D1/18, 2014].Closer in technical essence to the proposed invention is a complex waste heat exchanger containing a housing equipped with gas and air nozzles, inside which a package is placed, consisting of perforated plates, forming between themselves gas and air channels, and the perforation of the plates is made in the form of horizontal slots , placed in a checkerboard pattern relative to each other, in which thermoelectric links are placed, consisting of oval inserts made of an elastic dielectric corrosion-resistant material, inside which are placed zigzag rows, consisting of thermoemission (thermoelectric) converters, each of which is a pair of bare wire segments , made of different metals M1 and M2, soldered at the ends to each other, and the thermoelectric links are installed in horizontal slots in such a way that the longitudinal halves of each thermionic converter are zigzag o rows are located in the gas and air channels, respectively, the zigzag rows of each horizontal row of slots on the plates themselves are connected in series with connecting wires forming thermoelectric sections, each of which is also connected by a connecting wire with collectors of electric charges, connected, in turn, with terminals [RF patent No. 2523521, IPC F 22 D1 / 18, 2014].

Основными недостатками известного комплексного утилизатора сбросных газов являются необходимость достаточно высокой температуры теплоносителя (требуется температура 150°С и выше, при том, что большая часть сбросных газов на многих производствах имеют более низкую температуру), так как при более низких температурах при использовании термоэлектрических преобразователей конструкции, приведенной в аналоге, количество генерируемого термоэлектричества крайне незначительно, кроме того недостаточная турбулизация воздушного и газового потоков, обусловленная конструкцией источников турбулизации, снижает скорость теплопередачи между ними, выработку термоэлектричества и, таким образом, вышеприведенные факторы уменьшают диапазон использования и эффективность устройства. The main disadvantages of the known integrated waste gas utilizer are the need for a sufficiently high coolant temperature (a temperature of 150 ° C and higher is required, despite the fact that most of the waste gases in many industries have a lower temperature), since at lower temperatures when using thermoelectric converters of the design , given in the analogue, the amount of generated thermoelectricity is extremely insignificant, in addition, insufficient turbulization of the air and gas flows due to the design of turbulence sources reduces the rate of heat transfer between them, the generation of thermoelectricity and, thus, the above factors reduce the range of use and efficiency of the device.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение диапазона использования и эффективности пластинчатого термоэлектротеплобменника.The technical result of the proposed invention is to increase the range of use and efficiency of the plate thermoelectric heat exchanger.

Технический результат достигается пластинчатым термоэлектротеплобменником, содержащим корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, причем перфорация пластин выполнена в виде прямоугольных проемов, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга и снабженных по горизонтальным торцам лепестковыми вихреобразователями и зажимами, в каждом прямоугольном проеме помещены плоские термоэлектрические преобразователи (например, элементы Пельтье), снабженные токовыводами и зажатые скобками, токовыводы которых соединены в каждом рядупараллельно с секционными коллекторами, образуя термоэлектрические секции, которые соединены параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами. The technical result is achieved by a plate thermoelectric heat exchanger containing a housing equipped with gas and air nozzles, inside which a package is placed, consisting of perforated plates, forming between themselves gas and air channels, and the perforation of the plates is made in the form of rectangular openings, placed in a checkerboard pattern relative to each other and equipped on the horizontal ends with petal vortex generators and clamps, in each rectangular opening there are flat thermoelectric converters (for example, Peltier elements) equipped with current leads and clamped with brackets, the current leads of which are connected in each row in parallel with sectional collectors, forming thermoelectric sections that are connected in parallel with common collectors electric charges of the same name, connected, in turn, with terminals.

На фиг. 1–3 представлены общий вид и разрезы пластинчатого термоэлектротеплообменника (ПТЭТО), на фиг. 4–5 –плоский термоэлектрический преобразователь (ПТЭП) и его стыковка с соединительными проводами и теплообменной перфорированной пластиной (ТОПП) (перегородкой между газовым и воздушным каналом).FIG. 1–3 show a general view and sections of a plate thermoelectric heat exchanger (PTETO), Fig. 4–5 - flat thermoelectric converter (PTEP) and its docking with connecting wires and heat exchange perforated plate (TOPP) (partition between the gas and air ducts).

Предлагаемый ПТЭТО содержит корпус 1, снабженный газовыми и воздушными патрубками (на фиг. 1–5 не показаны), внутри которого помещен пакет, состоящий из теплообменных перфорированных пластин (ТЭПП) 2, образующих между собой газовые и воздушные каналы 3 и 4, причем перфорация ТЭПП 2 выполнена в виде прямоугольных проемов 5, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга и снабженных по горизонтальным торцам лепестковыми вихреобразователями 6 и скобками 7. В каждом прямоугольном проеме 5, закрепленные скобками 7, помещены ПТЭП 8 (например, элементы Пельтье), снабженные токовыводами 9 10 и соединенные токовыводами 9 и 10 в каждом ряду параллельно с секционными коллекторами 11 и 12, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 13, которые соединены параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15, соединенными, в свою очередь, с клеммами 16 и 17, соответственно. The proposed PTETO contains a housing 1, equipped with gas and air nozzles (not shown in Figs. 1-5), inside which a package is placed, consisting of heat exchange perforated plates (TEPP) 2, forming between themselves gas and air channels 3 and 4, and the perforation TEPP 2 is made in the form of rectangular openings 5, placed in a staggered manner relative to each other and equipped at the horizontal ends with petal vortex generators 6 and brackets 7. In each rectangular opening 5, fixed by brackets 7, there are PTEP 8 (for example, Peltier elements) equipped with current leads 9 10 and connected by current leads 9 and 10 in each row in parallel with sectional collectors 11 and 12, forming thermoelectric sections (TPP) 13, which are connected in parallel with common collectors of the same electric charges 14 and 15, connected, in turn, with terminals 16 and 17, respectively.

В основу работы ПТЭТО положено использование плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 8 (например, элементы Пельтье), которые могут генерировать значительное количество термоэлектричества при температурах значительно ниже 150°С и увеличение скорости теплообмена при применения поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока, разрушения ламинарного подслоя, увеличения поверхности нагрева и, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки. Выполнение источников турбулентности в виде лепестковых вихреобразователей 6, расположенных на горизонтальных торцах проемов 5, обеспечивает при нагреве одних сторон ПТЭП 8 горячими сбросными газами и охлаждении их противоположных сторон холодным воздухом способствует интенсивному теплообмену между ними и генерирования в ТЭС 13 большего количества термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506], а также более интенсивной теплопередаче через ТЭПП 2.The operation of PTETO is based on the use of flat thermoelectric converters (PTEP) 8 (for example, Peltier elements), which can generate a significant amount of thermoelectricity at temperatures well below 150 ° C and an increase in the heat transfer rate when using heat exchange surfaces with artificially created sources of turbulence, which provides intensification heat transfer processes by turbulization of the flow, destruction of the laminar sublayer, increasing the heating surface and, in turn, leads to a decrease in the size of the heat exchange unit. The execution of turbulence sources in the form of petal vortex generators 6, located at the horizontal ends of the openings 5, provides when heating one sides of the PTEP 8 with hot waste gases and cooling their opposite sides with cold air promotes intensive heat exchange between them and the generation of more thermoelectricity in TPP 13 [S.G. ... Kalashnikov. Electricity. - M: "Science", 1970, p. 502-506], as well as more intense heat transfer through TPP 2.

Пластинчатый термоэлектротеплообменник (ПТЭПО), представленный на фиг. 1–5 работает следующим образом. Горячие сбросные газы из входного газового патрубка (на фиг. 1–5 не показан) поступают в газовые каналы 3, а из входного воздушного патрубка противотоком в воздушные каналы 4 ПТЭПО подается холодный воздух, который, при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла через смежные ТЭПП 2 и ПТЭП 8, конвекции в газовой и воздушной средах, нагревается до требуемой температуры и удаляется через выходной воздушный патрубок, а горячие сбросные газы охлаждаются и также удаляются через выходной газовый патрубок (на фиг. 1–5 газовые и воздушные патрубки не показаны). При этом, большое количество лепестковых вихреобразователей 6, расположенных в шахматном порядке, на горизонтальных торцах проемов 5, создает интенсивную турбулизацию газовых и воздушных потоков в газовых и воздушных каналах 3 и 4 и, таким образом, повышает скорость теплопередачи между дымовыми газами и воздухом что обеспечивает интенсивный теплообмен между сбросными газами и нагреваемым воздухом и генерацию в ПТЭП 8 и ТЭС 13 значительного количества термоэлектричества, а также более интенсивную теплопередачу через ТЭПП 2. Полученное в каждой ПТЭП 8 и ТЭС 13 термоэлектричество, через токовыводы 9 и 10 поступает в секционные коллекторы 11 и 12, общие коллекторы 14 и 15, а оттуда через клеммы 16 и 17 подается потребителю. The plate thermoelectric heat exchanger (PTEPO) shown in Fig. 1-5 works as follows. Hot waste gases from the gas inlet pipe (not shown in Figs. 1-5) enter the gas channels 3, and cold air is supplied from the air inlet pipe in counterflow to the air channels 4 of the PTEPO, which, when passing through the channels 4 as a result of the heat exchange process, consisting in the transfer of heat through adjacent TEPP 2 and PTEP 8, convection in gas and air media, is heated to the required temperature and removed through the air outlet, and the hot waste gases are cooled and also removed through the gas outlet (in Figs. 1-5, gas and air connections not shown). At the same time, a large number of petal vortex generators 6, staggered at the horizontal ends of the openings 5, creates intensive turbulization of gas and air flows in gas and air channels 3 and 4 and, thus, increases the rate of heat transfer between flue gases and air, which provides intensive heat exchange between waste gases and heated air and generation in PTEP 8 and TPP 13 of a significant amount of thermoelectricity, as well as more intensive heat transfer through TPP 2. The thermoelectricity obtained in each PTEP 8 and TPP 13, through current leads 9 and 10 enters sectional collectors 11 and 12, common collectors 14 and 15, and from there through terminals 16 and 17 it is supplied to the consumer.

При этом, провода токовыводов 9 и 10 и секционных коллекторов 11 и 12 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом, щели между кромками ПТЭП 8 и пластин 2 заполнены термостойким герметиком (на фиг. 1–5 не показаны), а параллельное соединение ПТЭП 8 в ТЭС 13 с секционными коллекторами 11 12 и параллельное соединение ТЭС 13 с общими коллекторами одноименных электрических зарядов 14 и 15 обеспечивает снижение электрического сопротивления ПТЭП. In this case, the wires of the current leads 9 and 10 and sectional collectors 11 and 12 are isolated from direct contact with flue gases and air, the gaps between the edges of the PTEP 8 and plates 2 are filled with a heat-resistant sealant (not shown in Figs. 1-5), and the parallel connection of the PTEP 8 in TPP 13 with sectional collectors 11 12 and parallel connection of TPP 13 with common collectors of the same electric charges 14 and 15 provides a decrease in the electrical resistance of the PTEP.

Очистку поверхности ПТЭП 8 и пластин ПТЭТО 2 от налипших частиц механических примесей проводят периодически путем их обдувания сжатым воздухом. Интервал между обдувками устанавливают на основании опытных данных.Cleaning the surface of PTEP 8 and plates PTETO 2 from adhered particles of mechanical impurities is carried out periodically by blowing them with compressed air. The interval between blows is set based on experimental data.

Величина разности электрического потенциала на клеммах 16 и 17 ПТЭТО зависит от характеристик ПТЭП 8, числа их в ТЭС 13 и числа ТЭС 13. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например, для освещения или работы средств автоматики.The difference in electric potential at terminals 16 and 17 of PTETO depends on the characteristics of PTEP 8, their number in TPP 13 and the number of TPP 13. The resulting electric current can be used for intrashop needs, for example, for lighting or the operation of automation equipment.

Таким образом, предлагаемый пластинчатый термоэлектротеплообменник позволяет проводить одновременно нагрев воздуха сбросными газами, имеющими температуру ниже 150°С, имеющими в своем составе агрессивные примеси и значительно увеличить количество получаемого термоэлектричества, что повышает его диапазон использования и эффективность.Thus, the proposed plate thermoelectric heat exchanger allows simultaneous heating of air with waste gases having a temperature below 150 ° C, containing aggressive impurities and significantly increase the amount of thermoelectricity obtained, which increases its range of use and efficiency.

Claims (1)

Пластинчатый термоэлектротеплобменник, содержащий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, перфорация которых размещена в шахматном порядке и в нее помещены термоэлектрические преобразователи, соединенные в термоэлектрические секции и с общими коллекторами одноименных электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами, отличающийся тем, что перфорация пластин выполнена в виде прямоугольных проемов, снабженных по горизонтальным торцам лепестковыми вихреобразователями и скобками, в каждом прямоугольном проеме помещены плоские термоэлектрические преобразователи, снабженные токовыводами и зажатые скобками, токовыводы которых параллельно соединены в каждом ряду с секционными коллекторами, образуя термоэлектрические секции, которые соединены параллельно с общими коллекторами одноименных электрических зарядов.A lamellar thermoelectric heat exchanger containing a housing equipped with gas and air nozzles, inside which a package is placed, consisting of perforated plates, forming between themselves gas and air channels, the perforation of which is staggered and thermoelectric converters are placed in it, connected to thermoelectric sections and with common collectors of the same electric charges, connected, in turn, with terminals, characterized in that the perforation of the plates is made in the form of rectangular openings, equipped with petal vortex generators and brackets at the horizontal ends, in each rectangular opening there are flat thermoelectric converters equipped with current leads and clamped with brackets, the current leads of which are connected in parallel in each row with sectional collectors, forming thermoelectric sections, which are connected in parallel with common collectors of the same electric charges.

Images