RU2359189C2

RU2359189C2 - Heat exchange system

Info

Publication number: RU2359189C2
Application number: RU2006137186/06A
Authority: RU
Inventors: Чиа-Хсиунг ВУ (TW); Чиа-Хсиунг ВУ
Original assignee: Чиа-Хсиунг ВУ
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2009-06-20
Also published as: RU2006137186A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention is meant for heat exchange and can be used in heat engineering. A heat exchanger includes a side which absorbs heat, which is connected through circulation contours with sides that carry away heat, and a heat carrier which fills the contours. Circulation contours of the heat exchanger are circulation contours of the heat exchanger, which are resistant to internal pressure. The correlation of the sides of the cross-section of the conduit is close to 6:1, and to the heat carrier, which fills the circulation contours 70%-85% of the volume, as the basic working medium is used water which is mixed with an additive, which improves the physical properties of the heat carrier. The heat carrier contains heat transmitting elements and a dispersive additive.

EFFECT: the specified invention is capable of ensuring a satisfactory intensity of heat transfer and solves ecological problems.

11 cl, 7 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Данное изобретение относится к теплообменникам, а конкретнее к теплообменникам, в которых в качестве основного рабочего тела используется вода (Н₂О) и которые работают в соответствии с путем циркуляции теплообмена и имеют внутреннее давление, удовлетворяющее интенсивности теплопередачи, и которые, несомненно, решают экологические проблемы.This invention relates to heat exchangers, and more particularly to heat exchangers in which water (H ₂ O) is used as the main working fluid and which operate in accordance with the heat exchange circulation and have an internal pressure satisfying the heat transfer rate, and which undoubtedly solve environmental problems. Problems.

Описание уровня техникиDescription of the prior art

В общем случае теплообменники представляют собой промышленные устройства, поддерживающие постоянную температуру, типа термостатов, или электрические обогреватели ребристо-трубчатого типа, использующие циркуляцию и предназначенные для обогрева помещений, в которых в качестве внутреннего теплоносителя используется минеральное масло. Хотя минеральное масло имеет относительно низкую теплоемкость и легко поглощает тепло, оно, однако, имеет относительно высокую вязкость и, следовательно, низкую текучесть. Кроме того, минеральное масло нагревается до высокой температуры электронагревателя, что часто приводит к эффекту обугливания, и на поверхности нагревателя образуется слой нагара, который снижает теплопроизводительность, а масло легко портится и теряет свои свойства как теплоносителя. В общем случае масло необходимо заменять каждые три года, а промышленные пользователи должны заменять масло каждые шесть месяцев. После замены масла новым, отработавшее масло создает значительную проблему как загрязнитель окружающей среды, что в общем случае не признается, особенно в Японии, где оно перепродается.In general, heat exchangers are industrial devices that maintain a constant temperature, such as thermostats, or fin-tube type electric heaters that use circulation and are designed to heat rooms in which mineral oil is used as the internal heat carrier. Although mineral oil has a relatively low heat capacity and readily absorbs heat, it, however, has a relatively high viscosity and, therefore, low fluidity. In addition, mineral oil is heated to a high temperature of the electric heater, which often leads to a carbonization effect, and a carbon layer forms on the surface of the heater, which reduces heat production, and the oil easily deteriorates and loses its properties as a coolant. In general, oil must be replaced every three years, and industrial users must change oil every six months. After replacing the oil with a new one, the used oil poses a significant problem as an environmental pollutant, which is generally not recognized, especially in Japan, where it is resold.

Более того, превышение температуры при работе электрического обогревателя приводит к возникновению избыточного внутреннего давления, которое ухудшает конструкционную прочность, что приводит к образованию трещин в местах соединения труб и часто является причиной возгорания вследствие короткого замыкания в электрической цепи, вызванного вытеканием масла, что в свою очередь, приводит к возникновению пожара, причиняющего травмы людям и повреждающего имущество.Moreover, the temperature rise during operation of the electric heater leads to excessive internal pressure, which degrades the structural strength, which leads to the formation of cracks in the pipe joints and is often the cause of fire due to a short circuit in the electric circuit caused by oil leakage, which in turn leads to a fire causing injury to people and damage to property.

Размеры отмеченного выше загрязнения окружающей среды, вызываемого отработавшим маслом, можно определить, если принять, что объем теплопроводящего масла, необходимого для каждого электрического обогревателя, составляет приблизительно 5 литров, и при мировом ежегодном производстве более, чем тридцати миллионов электрических обогревателей, после умножения получается производство более, чем ста миллионов литров отработавшего масла, что представляет собой опасность загрязнения, которой нельзя пренебрегать. Кроме того, низкая экономическая эффективность и сложность создания автоматизированного процесса регенерации отработавшего масла создает явный источник загрязнения окружающей среды.The dimensions of the above-mentioned environmental pollution caused by waste oil can be determined by assuming that the volume of heat-conducting oil required for each electric heater is approximately 5 liters, and with a world-wide annual production of more than thirty million electric heaters, multiplication results in production more than one hundred million liters of used oil, which is a pollution hazard that cannot be neglected. In addition, the low economic efficiency and complexity of creating an automated process for the regeneration of spent oil creates an obvious source of environmental pollution.

Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention

Главной целью данного изобретения является создание теплообменника, в котором в качестве основного рабочего тела используется вода (H₂O), которая смешивается с добавкой, улучшающей ее свойства как теплоносителя. Физические свойства теплоносителя улучшают условия переноса тепла и температуру фазового перехода и реализуются внутри траектории теплообмена типа замкнутого контура, в котором поддерживается внутреннее давление, расширяющее диапазон температур фазового перехода воды, что соответствует функциональным требованиям теплообмена и обеспечивает удовлетворительную интенсивность теплообмена.The main objective of this invention is the creation of a heat exchanger in which water (H ₂ O) is used as the main working fluid, which is mixed with an additive that improves its properties as a coolant. The physical properties of the coolant improve the conditions of heat transfer and the temperature of the phase transition and are realized inside the heat exchange path of the closed loop type, in which an internal pressure is maintained that extends the temperature range of the phase transition of water, which meets the functional requirements of heat transfer and provides a satisfactory heat transfer rate.

Следующей целью данного изобретения является введение в воду частиц с высокой теплопроводностью, способствующих теплопередаче, чем достигается высокая эффективность и скорость отдачи тепла.The next objective of this invention is the introduction into water of particles with high thermal conductivity, contributing to heat transfer, thereby achieving high efficiency and heat transfer rate.

Второй целью данного изобретения является создание возможности повышать давление в объеме замкнутого контура теплообмена, что позволяет создать относительно высокое внутреннее давление и увеличить температуру кипения воды.The second objective of this invention is to provide the opportunity to increase the pressure in the volume of the closed loop heat transfer, which allows you to create a relatively high internal pressure and increase the boiling point of water.

Третьей целью данного изобретения является заполнение объема замкнутого контура теплообмена теплоносителем таким образом, чтобы объемное содержание теплоносителя составляло приблизительно от 70% до 85%, а остальной объем предназначался для расширения.The third objective of this invention is to fill the volume of the closed loop heat transfer fluid so that the volumetric content of the coolant was from about 70% to 85%, and the remaining volume was intended for expansion.

Четвертой целью данного изобретения является добавление к воде антифриза для того, чтобы устройство могло выдерживать низкие температуры благодаря понижению температуры коагуляции воды.A fourth object of the present invention is to add antifreeze to water so that the device can withstand low temperatures by lowering the coagulation temperature of water.

В соответствии с этим варианты выполнения данного изобретения имеют следующие преимущества.Accordingly, embodiments of the present invention have the following advantages.

1. Обладают свойствами не создавать загрязнений окружающей среды и не воспламеняться.1. They have properties not to create environmental pollution and not to ignite.

2. Не создают проблем восстановления окружающей среды при их списании.2. Do not create problems of environmental restoration during their decommissioning.

3. Не создают проблем загрязнения окружающей среды при протечке устройства.3. Do not create problems of environmental pollution during leakage of the device.

4. Вследствие невоспламеняемости предметы домашнего обихода такие, как ковры, не подвергаются загрязнению, поддерживающему горение, в случае протечки устройства.4. Due to non-flammability, household items such as carpets are not exposed to burning pollution in the event of leakage.

С целью облегчить понимание указанных целей и технологических приемов данного изобретения, ниже приводится краткое описание чертежей с последующим подробным описанием предпочтительных вариантов выполнения.In order to facilitate understanding of these objectives and technological methods of the present invention, the following is a brief description of the drawings, followed by a detailed description of preferred embodiments.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 представляет собой общий вид теплообменника согласно данному изобретению.Figure 1 is a General view of the heat exchanger according to this invention.

Фиг.2 представляет собой чертеж, иллюстрирующий использование устройства, согласно данному изобретению в электрическом обогревателе.Figure 2 is a drawing illustrating the use of the device according to this invention in an electric heater.

Фиг.3 представляет собой вид сбоку Фиг.2.Figure 3 is a side view of Figure 2.

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение расположения нагревателя согласно данному изобретению.Figure 4 is a schematic illustration of the location of the heater according to this invention.

Фиг.5 представляет собой вид спереди выполненных заранее слабых точек в ребристо-трубчатом электрическом обогревателе согласно данному изобретению.Figure 5 is a front view of pre-made weak points in the fin-tubular electric heater according to this invention.

Фиг.6 представляет собой вид сбоку выполненных заранее слабых точек в ребристо-трубчатом электрическом обогревателе согласно данному изобретению.6 is a side view of pre-made weak points in the fin-tubular electric heater according to this invention.

Фиг.7 представляет собой вид сбоку выполненных заранее слабых точек и предохранителей в ребристо-трубчатом электрическом обогревателе согласно данному изобретению.Fig. 7 is a side view of pre-made weak points and fuses in a fin-tube electric heater according to this invention.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполненияDetailed Description of Preferred Embodiments

Рассмотрим Фиг.1, на которой изображен теплообменник 100 согласно данному изобретению. Теплообменник 100 имеет поглощающую тепло сторону 1, которая связана с отводящей тепло стороной 2 посредством траектории 10 циркуляции. Траектория 10 циркуляции заполнена теплоносителем 3, который также связывает поглощающую тепло сторону 1 с отводящей тепло стороной 2. В варианте выполнения теплообменника 100, расположенного в системе охлаждения электронной машины, может использоваться вентилятор, размещенный снаружи от теплоотводящей стороны 2, чтобы рассеивать тепло, а поглощающая тепло сторона 1 может быть расположена в непосредственном контакте с выделяющими тепло электронными компонентами.Consider Figure 1, which shows a heat exchanger 100 according to this invention. The heat exchanger 100 has a heat absorbing side 1, which is connected to the heat-removing side 2 through the circulation path 10. The circulation path 10 is filled with coolant 3, which also connects the heat absorbing side 1 to the heat-removing side 2. In an embodiment of the heat exchanger 100 located in the cooling system of the electronic machine, a fan can be used located outside of the heat-removing side 2 to dissipate heat, and the absorbing heat side 1 can be located in direct contact with heat-generating electronic components.

Если теплообменник 100 используется в качестве обогревателя помещений, предназначенного для повышения температуры окружающего воздуха, тогда для выработки тепла для нагревания теплоносителя 3 используется нагреватель 4. Электротермические характеристики нагревателя 4 определяются электротермическим устройством 40, которое вырабатывает тепло, и электротермическое устройство 40 помещено в теплопроводящий корпус 41.If the heat exchanger 100 is used as a room heater designed to increase the ambient temperature, then a heater 4 is used to generate heat for heating the coolant 3. The electrothermal characteristics of the heater 4 are determined by the electrothermal device 40, which generates heat, and the electrothermal device 40 is placed in a heat-conducting body 41 .

Заполненная траектория теплоносителя 3 в теплообменнике 100 имеет дополнительный объем, который может противостоять внутреннему давлению, и эта устойчивость к внутреннему давлению используется, чтобы повысить температуру кипения воды. Когда вода (Н₂O), в общем случае, поглощает тепло, и температура воды поднимается до 100°С, вода превращается в пар, а парообразование вызывает повышение давления вследствие расширения, которое подвергает опасности конструкцию теплообменника. Помимо температуры важным условием перехода воды (Н₂О) из жидкого в газообразное состояние является соотношением между давлением и точкой кипения. Из уравнения КлапейронаThe filled path of the coolant 3 in the heat exchanger 100 has an additional volume that can withstand the internal pressure, and this resistance to internal pressure is used to increase the boiling point of the water. When water (H ₂ O) generally absorbs heat and the temperature of the water rises to 100 ° C, the water turns into steam, and vaporization causes an increase in pressure due to expansion, which jeopardizes the design of the heat exchanger. In addition to temperature, an important condition for the transition of water (H ₂ O) from liquid to gaseous state is the ratio between pressure and boiling point. From the Clapeyron equation

где λ - удельная теплота фазового перехода, Т - точка кипения, V₂ - объемная доля газовой фазы, V₁ - объемная доля жидкой фазы, следует, что когда давление увеличивается, температура кипения повышается, т.е. в сосуде высокого давления температура кипения воды находится в прямой пропорциональной зависимости от величины давления, и таким образом можно повысить температуру кипения воды.where λ is the specific heat of the phase transition, T is the boiling point, V ₂ is the volume fraction of the gas phase, V ₁ is the volume fraction of the liquid phase, it follows that when the pressure increases, the boiling point rises, i.e. in a pressure vessel, the boiling point of water is in direct proportion to the pressure, and thus the boiling point of water can be increased.

Идея сосуда высокого давления в одном из вариантов выполнения данного изобретения позволяет повысить температуру кипения воды приблизительно до 125°С, условием для этого является то, что внутреннее давление в теплообменнике 100 составляет требуемое значение давления, равное 0,15 МПа. На основе экспериментов с использованием данного изобретения было установлено, что точка кипения водных растворов при атмосферном давлении (нормальном давлении) составляет около 100°С, и точка кипения повышается приблизительно до 125°С, когда используется герметично закрытый сосуд с давлением 0,1 МПа. Если внутреннее давление устанавливается на значение 0,15 МПа, то точка кипения повышается приблизительно до 125°С, что соответствует международным стандартам по безопасности для приборов с температурой ниже 130°С, принятым Лабораторией Underwriters (страховые компании) (UL); или для того, чтобы соответствовать стандартам Европейской электротехнической комиссии (European IEC) для приборов с температурой ниже 110°С, внутреннее давление можно, согласно этому, установить ниже, чтобы обеспечить температуру кипения ниже 110°С. Указанные выше температуры стандартов по безопасности применимы для характеристик повышения температуры работающих внутри помещения ребристо-трубчатых комнатных обогревателей, в которых используется безопасная температура, такая, чтобы электрический комнатный обогреватель мог испускать достаточное количество тепла для постепенного повышения температуры помещения.The idea of a pressure vessel in one embodiment of the present invention allows to increase the boiling point of water to approximately 125 ° C. The condition for this is that the internal pressure in the heat exchanger 100 is the required pressure value of 0.15 MPa. Based on experiments using the present invention, it was found that the boiling point of aqueous solutions at atmospheric pressure (normal pressure) is about 100 ° C, and the boiling point rises to approximately 125 ° C when a hermetically sealed vessel with a pressure of 0.1 MPa is used. If the internal pressure is set to 0.15 MPa, the boiling point rises to approximately 125 ° C, which complies with international safety standards for appliances with temperatures below 130 ° C, adopted by Underwriters Laboratory (insurance companies) (UL); or in order to meet the standards of the European Electrotechnical Commission (European IEC) for appliances with temperatures below 110 ° C, the internal pressure can, therefore, be set lower to ensure a boiling point below 110 ° C. The above temperatures of safety standards are applicable to the temperature rise characteristics of finned tubular room heaters operating indoors that use a safe temperature such that the electric room heater can emit enough heat to gradually increase the room temperature.

Предпочтительная объемная доля теплоносителя 3, заполняющего внутренний объем траектории теплообменника 100, составляет приблизительно 70-85% от объема траектории и при этом остается приблизительно 15-30% статического состояния. Оставшийся объем способен поглотить увеличившийся при расширении объем теплоносителя 3 после аномального фазового перехода; например, увеличение объема вызываемое понижением температуры окружающей среды ниже точки замерзания вызывает замерзание теплоносителя 3; или ненормальная работа электрического нагревателя вызывает повышение давления вследствие расширения газовой фазы после того, как температура теплоносителя 3 превысит точку кипения; т.е. функция оставшегося объема состоит в создании усовершенствованного средства защиты.The preferred volume fraction of the coolant 3 filling the internal volume of the path of the heat exchanger 100 is approximately 70-85% of the volume of the path and approximately 15-30% of the static state remains. The remaining volume is capable of absorbing the volume of coolant 3 increased with expansion after an abnormal phase transition; for example, an increase in volume caused by lowering the ambient temperature below the freezing point causes the coolant 3 to freeze; or the abnormal operation of the electric heater causes an increase in pressure due to the expansion of the gas phase after the temperature of the coolant 3 exceeds the boiling point; those. the function of the remaining volume is to create an improved means of protection.

Поверхность нагревателя обеспечивает однородный обмен тепловой энергией с водой и в том случае, когда тепловая энергия в точке или на очень малой площади сравнительно высока, а скорость потока воды является соответственно недостаточной, в воде, находящейся в контакте с этой очень малой площадью, начнет быстро повышаться температура и начнется процесс парообразования с появлением сферических пузырьков. Кроме того, касательная к пузырьку плоскость рассекается поперек на поверхности нагревателя и образует кипящий пузырек. Для того чтобы решить эту проблему, в данном изобретении предлагается следующее.The surface of the heater provides a uniform exchange of thermal energy with water, and in the case when the thermal energy at a point or on a very small area is relatively high, and the flow rate of water is correspondingly insufficient, in water in contact with this very small area it will begin to increase rapidly temperature and the process of vaporization will begin with the appearance of spherical bubbles. In addition, the plane tangent to the bubble is cut across across the surface of the heater and forms a bubbling bubble. In order to solve this problem, the present invention proposes the following.

Теплоемкость воды выше, чем у минерального масла, и температура поднимается медленно, поэтому возможны следующие способы решения проблемы пузырьков, возникающих при кипении в случае перегрева поверхности нагревателя.The heat capacity of water is higher than that of mineral oil, and the temperature rises slowly, so the following methods are possible to solve the problem of bubbles that occur during boiling in case of overheating of the heater surface.

1. Добавление к воде теплопроводящих частиц, предназначенных для быстрого отведения высокой температуры от поверхности нагревателя и ускорения отделения от него пузырьков, что ускоряет удаление пузырьков.1. Adding heat-conducting particles to water, designed to quickly remove heat from the surface of the heater and accelerate the separation of bubbles from it, which accelerates the removal of bubbles.

2. Создание множества пор на поверхности нагревателя и рассеивание пузырьков благодаря менисковой структуре грубой пористой поверхности и разности температур в двух точках, препятствующих закреплению образовавшихся пузырьков.2. The creation of many pores on the surface of the heater and the dispersion of the bubbles due to the meniscus structure of the rough porous surface and the temperature difference at two points that prevent the formation of bubbles.

3. Размещение на поверхности нагревателя сетчатой структуры и использование проволок сетчатой структуры для разрушения структуры воздушных пузырьков и разрушения воздушных пузырьков.3. Placing a mesh structure on the surface of the heater and using mesh wires to destroy the structure of air bubbles and the destruction of air bubbles.

4. Соединение нагревателя с устройством, создающим ультразвуковые колебания, и использование колебательной энергии для отделения и вытеснения частей, соединяющих воздушные пузырьки с поверхностью нагревателя, при этом сила сцепления давления воды заставляет пузырьки отделяться от поверхности нагревателя.4. The connection of the heater with the device that creates ultrasonic vibrations, and the use of vibrational energy to separate and displace the parts connecting the air bubbles to the surface of the heater, while the adhesion force of the water pressure causes the bubbles to separate from the surface of the heater.

5. Использование метода контроля для поддержания мощности, создаваемой на каждом мм² средней площади поверхности электрического нагревателя ниже 0,04 Вт, что эффективно препятствует возникновению пузырьков при кипении.5. Using the control method to maintain the power generated on each mm ^{2 of the} average surface area of an electric heater below 0.04 W, which effectively prevents the formation of bubbles during boiling.

В общем случае назначением теплообменника, используемого для обогрева, является быстрая передача тепловой энергии от нагревателя в место назначения, где она выделяется, и чем выше скорость передачи, тем лучше. Проблема известных технических решений состоит в использовании минерального масла, которое имеет такую характеристику вязкости, что она создает обратный поток и медленную работу, а подобное запаздывание может привести к образованию зон в трубах, и тепло из центральной области не может подойти вплотную к поверхностям стенок труб или структурным элементам на теплоотводящей стороне, что приводит к утрате теплообменником его функций.In general, the purpose of the heat exchanger used for heating is to quickly transfer thermal energy from the heater to the destination where it is released, and the higher the transfer rate, the better. The problem of the known technical solutions is the use of mineral oil, which has such a viscosity characteristic that it creates a reverse flow and slow operation, and such a delay can lead to the formation of zones in the pipes, and the heat from the central region cannot come close to the surfaces of the pipe walls or structural elements on the heat sink side, which leads to the loss of its functions by the heat exchanger.

В данном изобретении используется вода, обладающая низкой вязкостью, поэтому скорость циркуляции воды увеличивается, и вследствие увеличения скорости потока течение приобретает турбулентный характер. Турбулентность потока можно использовать, чтобы заставить тепло, переносимое теплоносителем 3 по центральной части траектории 10, свободно перемешиваться с теплоносителем, находящимся на периферии, и входить в тесный контакт с поверхностью стенок труб, создавая тем самым турбулентный поток между центральной точкой внутри трубопровода и периферической областью воды, что позволяет находящейся на периферии воде входить в тесный контакт с поверхностью стенок трубопровода и эффективно осуществлять теплообмен с окружающей средой.In the present invention, water having a low viscosity is used, therefore, the water circulation rate increases, and due to the increase in the flow rate, the flow becomes turbulent. The turbulence of the flow can be used to make the heat transferred by the coolant 3 along the central part of the path 10 freely mix with the coolant located on the periphery and come into close contact with the surface of the pipe walls, thereby creating a turbulent flow between the central point inside the pipeline and the peripheral region water, which allows the water located on the periphery to come into close contact with the surface of the walls of the pipeline and to efficiently exchange heat with the environment.

С целью улучшения физических свойств теплоносителя 3 согласно данному изобретению к воде (Н₂O) может быть добавлено от 15% до 50% добавки, улучшающей ее свойства. Улучшающая добавка представляет собой консервант или электроизолирующую композицию, или антифриз на основе этиленгликоля, при этом использование антифриза на основе этиленгликоля позволяет понизить температуру коагуляции приблизительно до -15°С - -40°С. Отсюда следует, что при использовании устройства в очень холодных помещениях теплоноситель 3 не подвержен замерзанию и потери текучести.In order to improve the physical properties of the coolant 3 according to this invention, from 15% to 50% of an additive improving its properties can be added to water (H ₂ O). The improving additive is a preservative or an electrically insulating composition, or ethylene glycol-based antifreeze, while using ethylene glycol-based antifreeze can lower the coagulation temperature to about -15 ° C to -40 ° C. It follows that when using the device in very cold rooms, the coolant 3 is not susceptible to freezing and loss of fluidity.

В данном изобретении также предлагается добавлять в теплоноситель 3 для переноса тепла частицы с низкой удельной теплоемкостью такие, как мелкие металлические частицы или мелкие частицы оксидов. Упомянутые выше мелкие частицы могут быть наночастицами, чтобы воде было легче переносить эти частицы, а свойство низкой удельной теплоемкости переносящих тепло частиц используется для обеспечения эффективного поглощения тепла на поглощающей тепло стороне 1, быстрого перемещения воды к теплоотводящей стороне 2 и быстрого выделения на ней тепловой энергии.The present invention also proposes to add particles with a low specific heat capacity such as small metal particles or small oxide particles to the heat transfer medium 3 for heat transfer. The above-mentioned small particles can be nanoparticles to make it easier for water to transfer these particles, and the property of low specific heat capacity of heat-transferring particles is used to ensure efficient absorption of heat on the heat-absorbing side 1, the rapid movement of water to the heat-removing side 2 and the rapid release of thermal energy on it .

Мельчайшие наночастицы добавляются к растворимой в воде диспергирующей добавке, чем достигается однородное и стабильное распределение мельчайших наночастиц в жидком диспергаторе на водной основе.The smallest nanoparticles are added to a water-soluble dispersant, thereby achieving a uniform and stable distribution of the smallest nanoparticles in a water-based liquid dispersant.

В теплоносителе 3 может, кроме того, использоваться чистая вода в качестве основного рабочего тела, что препятствует возникновению загрязнений и способствует поддержанию стабильности физических свойств. Кроме того, в теплоносителе 3 можно использовать как жесткую воду, так и мягкую воду для поддержания различных физических характеристик.In the coolant 3, in addition, pure water can be used as the main working fluid, which prevents the formation of contaminants and helps to maintain the stability of physical properties. In addition, in the coolant 3, you can use both hard water and soft water to maintain various physical characteristics.

Траектория потока теплоносителя 3 в теплообменнике 100 имеет свойство сжиматься, поэтому теплообменник 100 до его заполнения теплоносителем 3 может эксплуатироваться в условиях вакуума, или можно создать отрицательное давление путем заполнения в горячем состоянии, после чего теплообменник 100 заполняется теплоносителем 3 с использованием метода вакуумного заполнения или заполнения при помощи отрицательного давления, что предотвращает сохранение внутри устройства остаточного воздуха, который, в противном случае, вызывает ухудшение характеристик теплообменника 100.The flow path of the heat carrier 3 in the heat exchanger 100 has the property of being compressed, so the heat exchanger 100 can be operated under vacuum conditions before it is filled with the heat carrier 3, or negative pressure can be created by filling in the hot state, after which the heat exchanger 100 is filled with the heat carrier 3 using the vacuum filling or filling method using negative pressure, which prevents the remaining inside the device of residual air, which, otherwise, causes deterioration eristik exchanger 100.

В одном из вариантов выполнения, использующем описанный выше метод вакуумного заполнения, необходимо использовать расширитель 11, присоединенный недалеко от поглощающей тепло стороны 1. Расширитель 11 поглощает избыточное давление и препятствует возникновению высокого давления внутри нагревателя 4 в случае ненормального состояния, возникшего вследствие нестабильности электрического тока, он, таким образом, выполняет роль буфера давления и осуществляет защиту от аномальных состояний. Кроме того, на расширителе 11 расположен предохранительный клапан 110.In one embodiment using the vacuum filling method described above, it is necessary to use a reamer 11 connected not far from the heat absorbing side 1. The reamer 11 absorbs excess pressure and prevents the occurrence of high pressure inside the heater 4 in the event of an abnormal condition resulting from the instability of electric current, thus, it acts as a pressure buffer and protects against abnormal conditions. In addition, a relief valve 110 is located on the expander 11.

На Фиг.2 представлен один из вариантов выполнения данного изобретения, который используется в ребристо-трубчатом электрическом обогревателе 5, который включает ряд соединенных друг с другом звеньев 51, и сторона 511 разделения потока и сторона 512 объединения потока соединяют и связывают нижние и верхние концы звеньев 51 соответственно. Нагреватель 4 расположен внутри со стороны 511 разделения потока, а трубопровод 52 расположен в каждом из звеньев 51, находящихся между стороной 511 разделения потока и стороной 512 объединения потока, и имеет удлиненную форму поперечного сечения. Предпочтительное отношение длинной стороны 521 к короткой стороне 522 поперечного сечения составляет 6:1.FIG. 2 illustrates one embodiment of the present invention that is used in a fin-tube electric heater 5, which includes a series of interconnected links 51, and a flow separation side 511 and a flow combining side 512 connect and connect the lower and upper ends of the links 51 respectively. The heater 4 is located internally from the flow separation side 511, and the pipe 52 is located in each of the links 51 located between the flow separation side 511 and the flow combining side 512, and has an elongated cross-sectional shape. The preferred ratio of the long side 521 to the short side 522 of the cross section is 6: 1.

На Фиг.3 представлен ребристо-трубчатый электрический обогреватель 5, конструкция которого включает ряд звеньев 51, нижние и верхние концы которых соединены при помощи стороны 511 разделения потока и стороны 512 объединения потока, образуя таким образом контур циркуляции. Нагреватель 4, работающий как электротермический, расположен внутри со стороны 511 разделения потока и вызывает генерирование тепловой энергии в теплоносителе 3, находящемся внутри нагревателя 4. После повышения температуры теплоноситель 3 поднимается вверх по трубопроводу 52, выполненному в звеньях 51, и движущая сила потока теплоносителя 3, возникающая в результате нагревающего действия нагревателя 4, теплота которого вызывает состояние динамического потока, а явление возникновения потока используется для создания линий движения обратного потока, циркулирующего от холодной стороны к нагретой.Figure 3 presents the fin-tubular electric heater 5, the design of which includes a number of links 51, the lower and upper ends of which are connected using the flow separation side 511 and the flow combining side 512, thereby forming a circulation circuit. The heater 4, operating as an electrothermal, is located inside on the flow separation side 511 and causes the generation of thermal energy in the coolant 3 located inside the heater 4. After the temperature rises, the coolant 3 rises up the pipe 52 made in links 51, and the driving force of the coolant flow 3 arising as a result of the heating action of the heater 4, the heat of which causes a dynamic flow state, and the phenomenon of flow occurrence is used to create lines of movement th stream circulating from the cold side to the heated side.

Вследствие низкой вязкости воды вода, таким образом, может быстро протекать внутри трубопровода 52, и скорость потока быстро текущей воды позволяет теплоносителю 3 внутри траектории создавать турбулентный поток, который легко входит в контакт с внутренними стенками трубопровода 52, вызывая тем самым теплообмен между теплоносителем 3 и внутренними стенками трубопровода 52.Due to the low viscosity of the water, water can therefore quickly flow inside the pipe 52, and the flow rate of the fast flowing water allows the coolant 3 to create a turbulent flow within the path that easily comes into contact with the inner walls of the pipe 52, thereby causing heat exchange between the coolant 3 and the inner walls of the pipe 52.

Кроме того, конфигурация, в которой используется отношения длинной стороны 521 к короткой стороне 522 поперечного сечения трубопровода 52 (см. Фиг.2), равное 6:1, позволяет коротким сторонам 522 уменьшать относительное расстояние между внутренними стенками длинных сторон 521, после чего величина турбулентного потока может быть определена в соответствии с числом Рейнольдса, которое рассчитывается по формуле: плотность воды ρ × скорость воды V × расстояние до внутренней стороны D / коэффициент вязкости µ, в которой, если длина короткой стороны относительно небольшая, то значение D также является небольшим, что приводит к тому, что число Рейнольдса превосходит критическое значение, и, следовательно, течение внутри трубопровода 52 становится турбулентным. Согласно экспериментальным данным, полученным с использованием данного изобретения, после применения умножения коэффициентов вязкости воды, предпочтительное отношение (значение D) длиной стороны к короткой стороне поперечного сечения трубопровода 52 составит 6:1.In addition, a configuration that uses the ratio of the long side 521 to the short side 522 of the cross section of the pipe 52 (see FIG. 2) equal to 6: 1 allows the short sides 522 to reduce the relative distance between the inner walls of the long sides 521, after which the value turbulent flow can be determined in accordance with the Reynolds number, which is calculated by the formula: water density ρ × water velocity V × distance to the inner side D / viscosity coefficient µ, in which, if the length of the short side is relative tionary small, the value of D is also small, which leads to the fact that the Reynolds number exceeds a critical value, and therefore, the flow within conduit 52 becomes turbulent. According to experimental data obtained using the present invention, after applying the multiplication of the viscosity coefficients of water, the preferred ratio (D value) of the side length to the short side of the cross section of the pipe 52 is 6: 1.

В рассмотренной выше конфигурации трубопровода согласно данному изобретению используются такие короткие стороны 522, которые уменьшают относительное расстояние до внутренних поверхностей стенок длинных сторон 521, и тогда расчет соответствующих чисел Рейнольдса позволяет уменьшить значения D.In the above configuration of the pipeline according to this invention, such short sides 522 are used that reduce the relative distance to the inner surfaces of the walls of the long sides 521, and then the calculation of the corresponding Reynolds numbers allows you to reduce the value D.

Основное правило числа Рейнольдса определяется из формулы: плотность воды ρ × скорость воды V × расстояние до внутренней стороны D / коэффициент вязкости µ, из которой следует, что при уменьшении значения D критическое значение числа Рейнольдса относительно невелико, что легко приводит к возникновению турбулентного потока внутри трубопровода 52; несомненно, приведенная выше формула точно так же годится для расчета величины для турбулентного потока в случае круглого поперечного сечения трубы, в которой величина скорости уже определена, исходя из определенной площади и давления, а значение D представляет собой относительное расстояние до внутренних стенок трубы, и из формулы для числа Рейнольдса следует, что при увеличении плотности ρ вследствие нагревания происходит снижение критического числа Рейнольдса, однако, это изменение значения невелико и неочевидно. Коэффициент вязкости определяется, исходя из свойств воды.The basic rule of the Reynolds number is determined from the formula: water density ρ × water velocity V × distance to the inside D / viscosity coefficient µ, from which it follows that when D decreases, the critical value of the Reynolds number is relatively small, which easily leads to the appearance of a turbulent flow inside pipeline 52; Undoubtedly, the above formula is equally suitable for calculating the value for turbulent flow in the case of a circular pipe cross-section, in which the velocity value is already determined on the basis of a certain area and pressure, and the value D represents the relative distance to the inner walls of the pipe, and from The formula for the Reynolds number implies that with an increase in the density ρ due to heating, the critical Reynolds number decreases, however, this change in the value is small and not obvious. The viscosity coefficient is determined based on the properties of water.

В упомянутом выше методе контроля мощности для предотвращения образования на поверхности нагревателя пузырьков при кипении можно использовать регулирование площади поверхности нагревателя таким образом, чтобы на ней распределялись различные мощности, и этот метод может быть осуществлен в различных нагревателях любого размера путем обеспечения однородной теплопроводности на единицу площади в соответствии со значением величины мощности.In the aforementioned power control method, to prevent boiling bubbles on the surface of the heater, it is possible to use control of the surface area of the heater so that different powers are distributed on it, and this method can be implemented in various heaters of any size by ensuring uniform thermal conductivity per unit area in according to the value of the power value.

На Фиг.4 изображен вариант реализации теплообменника 100 согласно данному изобретению в электрическом обогревателе 5, в котором нагреватель 4 выполнен внутри электрического обогревателя 5, со стороны 511 разделению потока. Нагреватель 4 представляет собой тело в форме стержня с одинаковым периметром и заданной длинной. Внутренний объем каждого из звеньев 51 считается единичным объемом V, тогда ряд объемов V объединяется в виде сегментов в соответствии с количеством звеньев 51.Figure 4 shows an embodiment of a heat exchanger 100 according to this invention in an electric heater 5, in which the heater 4 is made inside the electric heater 5, from the flow separation side 511. The heater 4 is a body in the form of a rod with the same perimeter and a given length. The internal volume of each of the links 51 is considered to be a unit volume V, then a number of volumes V are combined in the form of segments in accordance with the number of links 51.

Когда температура становится низкой, и теплоноситель 3 замерзает, то вследствие расширения объема теплоносителя 3 при замерзании создается внутреннее давление, и объем расширяется в соответствии с размером объема пространства в геометрической прогрессии от разности размеров. Для того чтобы сделать однородным единичный внутренний объем каждого звена и обеспечить однородное объемное расширение после замерзания, используется специальная компоновка объема внутреннего пространства каждого звена 51. Основным техническим решением является равное увеличение в левую и правую стороны продольного размера выполненного в виде стержня нагревателя 4 таким образом, чтобы он доходил до нижних участков звеньев 51 с противоположных сторон обогревателя. Кроме того, внутренний объем каждого звена 51 является относительно однородным, и, следовательно, во время расширения при фазовом переходе замерзания коэффициент расширения во внутреннем объеме каждого звена 51 также является относительно однородным, что препятствует возникновению избыточной нагрузки на внутренние стенки какого-либо одного звена, что могло бы привести к появлению трещин, и тем самым достигаются приблизительно равные сроки службы каждого звена 51. Более того, вследствие наличия объемного контакта с источником тепла каждое из звеньев 51 получает при работе одинаковое количество тепла.When the temperature becomes low, and the coolant 3 freezes, due to the expansion of the volume of the coolant 3 during freezing, internal pressure is created, and the volume expands in accordance with the size of the volume of space exponentially from the difference in size. In order to make the unit internal volume of each unit homogeneous and to ensure uniform volume expansion after freezing, a special arrangement of the internal space volume of each unit 51 is used. The main technical solution is to equalize the longitudinal dimension of the heater rod 4 in the left and right sides in this way so that it reaches the lower sections of links 51 from opposite sides of the heater. In addition, the internal volume of each link 51 is relatively uniform, and therefore, during expansion during the freezing phase transition, the expansion coefficient in the internal volume of each link 51 is also relatively uniform, which prevents the occurrence of excessive load on the inner walls of any one link, which could lead to the appearance of cracks, and thereby achieve approximately equal service life of each link 51. Moreover, due to the presence of volumetric contact with the heat source, each of the links 51 receives the same amount of heat during operation.

На Фиг.5 показана сторона 511 разделения потока и сторона 512 соединения потока, которые соединяют нижний и верхний концы звеньев 51 электрического обогревателя 5, соответственно, а на Фиг.6 показано формирование стороны 512 соединения потока, при этом на верхнем и нижнем концах каждого из звеньев 51 выполнены расширения 510, имеющие форму воронки. Наружное отверстие расширений 510 соединены с использованием пайки для обеспечения герметичности их соединения, что позволяет соединять параллельно ряд звеньев 51. Во время процесса пайки создается ряд предварительно ослабленных точек 6 пайки (слабых точек). Наличие предварительно ослабленных точек 6 позволяет создать конечную систему защиты на тот случай, если все предохранители выйдут из строя, например в случае выхода из строя предохранительного клапана. Если предохранительный клапан выходит из строя, внутреннее давление непрерывно увеличивается по мере работы нагревателя 4, и в какой-то момент времени заранее определенные предварительно ослабленные точки 6 пайки разойдутся первыми, обеспечив тем самым сброс давления и сохранность других структур всей системы. В общем случае, когда внутреннее давление увеличивается до 0,4-0,5 МПа, предварительно ослабленные точки 6 пайки разойдутся и обеспечат сброс избыточного давления. Поскольку предварительно ослабленные точки 6 пайки создаются при использовании тепла, то тепловую пайки можно, аналогичным образом, использовать снова при восстановлении предварительно ослабленных точек 6 пайки, что устраняет необходимость в других деталях данного изделия и обеспечивает безопасность готового изделия минимальными средствами.FIG. 5 shows a flow separation side 511 and a flow connection side 512 that connect the lower and upper ends of the links 51 of the electric heater 5, respectively, and FIG. 6 shows the formation of a flow connection side 512, with the upper and lower ends of each of links 51 made expansion 510, having the shape of a funnel. The outer hole of the extensions 510 are connected using soldering to ensure the tightness of their connection, which allows a series of links 51 to be connected in parallel. During the soldering process, a series of previously weakened soldering points 6 (weak points) are created. The presence of pre-weakened points 6 allows you to create the final protection system in case all fuses fail, for example, in case of failure of the safety valve. If the safety valve fails, the internal pressure increases continuously as the heater 4 is operating, and at some point in time, the predetermined pre-weakened solder points 6 will disperse first, thereby ensuring pressure relief and the safety of other structures of the entire system. In the general case, when the internal pressure increases to 0.4-0.5 MPa, the previously weakened solder points 6 diverge and provide relief of excess pressure. Since pre-weakened solder points 6 are created when using heat, heat soldering can, similarly, be used again when restoring pre-weakened solder points 6, which eliminates the need for other parts of this product and ensures the safety of the finished product with minimal means.

Как показано на Фиг.7, в общем случае, точка пайки может выдерживать давление 10 МПа, а использование описанных выше предварительно ослабленных точек 6 пайки позволяет выдерживать механические условия, по крайней мере, превосходящие или равные температуре и давлению воды в нормальном рабочем режиме, или данное изобретение может быть дополнительно обеспечено другими предохранителями, такими, как предохранительный клапан 110 или температурный выключатель 7, способный обнаруживать слишком высокую температуру и автоматически отключать электропитание. Температурный выключатель 7 устанавливается на безопасную температуру, согласно физическим характеристикам температуры и давления используемого теплоносителя.As shown in FIG. 7, in general, the soldering point can withstand a pressure of 10 MPa, and the use of the previously weakened soldering points 6 described above can withstand mechanical conditions that are at least greater than or equal to the temperature and pressure of the water in normal operating mode, or the invention may be further provided with other fuses, such as a safety valve 110 or a temperature switch 7, capable of detecting too high a temperature and automatically shutting off the electronic opitanie. The temperature switch 7 is set to a safe temperature, according to the physical characteristics of the temperature and pressure of the coolant used.

Например, когда давление достигнет 0,15 МПа, соответствующая температура составит приблизительно 120°С, а температура срабатывания температурного выключателя 7 установлена выше 120°С, что позволяет поддерживать рабочую температуру, равную 120°С, необходимую для электрического обогревателя 5, и поддерживать при этом безопасное давление. Описанные выше дополнительные условия таковы, что степень баростойкости точек 6 пайки должна, по крайней мере, превосходить 0,15 МПа.For example, when the pressure reaches 0.15 MPa, the corresponding temperature will be approximately 120 ° C, and the operating temperature of the temperature switch 7 is set above 120 ° C, which allows you to maintain the operating temperature equal to 120 ° C, necessary for the electric heater 5, and to maintain at this is safe pressure. The additional conditions described above are such that the degree of pressure resistance of the solder points 6 should at least exceed 0.15 MPa.

Результаты экспериментов с данным изобретением показывают, что в том случае, когда давление составляет 0,12 МПа, температура кипения теплоносителя составляет 105°С, а когда давление повышается до 0,15 МПа, температура кипения теплоносителя составляет 120°С, и, используя систему координат для построения зависимости температуры от давления и предполагая, что график зависимости температуры от давления представляет собой прямую линию, из упомянутых выше двух совокупностей соответствующих значений по формуле у=ax+b можно рассчитать, что если баростойкость точек 6 пайки задается равной 0,3 МПа, то возможно поддерживать температуру кипения, доходящую до 195°С (в зависимости от физический свойств теплоносителя график может быть кривой). Отсюда следует, что в условиях, когда температура не может превысить температуру кипения, степень баростойкости точек 6 пайки устанавливается немного превосходящей критическую температуру кипения теплоносителя, в соответствии с необходимой рабочей температурой (восстановление и зависимость между давлением и температурой определяются по вышеупомянутым соответствующим значения и для определенного теплоносителя).The results of experiments with this invention show that in the case when the pressure is 0.12 MPa, the boiling point of the coolant is 105 ° C, and when the pressure rises to 0.15 MPa, the boiling point of the coolant is 120 ° C, and using the system coordinates for constructing the dependence of temperature on pressure and assuming that the graph of temperature versus pressure is a straight line, from the above two sets of corresponding values by the formula y = ax + b, it can be calculated that if baros oykost soldering points 6 is set to 0.3 MPa, it is possible to maintain a boiling point ranging up to 195 ° C (depending on the physical properties of the coolant can be a graph of the curve). It follows that under conditions where the temperature cannot exceed the boiling point, the degree of pressure resistance of the solder points 6 is set slightly higher than the critical boiling point of the coolant, in accordance with the required operating temperature (recovery and the relationship between pressure and temperature are determined by the above-mentioned corresponding values and for a certain coolant).

Меры безопасности, реализованные в конструкции предохранителей, согласно данному изобретению включают размещение механического предохранительного клапана 110, при этом электропитание моментально отключается, как только срабатывает предохранительный клапан 110, размещение температурного выключателя 7, который настроен на такую рабочую температуру отключения питания, чтобы она соответствовала требованиям баростойкости и состоянию соответствующего давления в предварительно ослабленных точках 6 пайки, которые определяются заранее и расходятся для предотвращения опасности.Safety measures implemented in the design of fuses in accordance with this invention include the placement of a mechanical safety valve 110, while the power is immediately turned off as soon as the safety valve 110 is activated, the placement of the temperature switch 7, which is set to such a working temperature to turn off the power so that it meets the requirements of pressure resistance and the state of the corresponding pressure at previously weakened solder points 6, which are determined in advance and hodyatsya to prevent danger.

Упомянутые выше предохранители служат дополнительными устройствами, которые срабатывают в определенной последовательности. Например, предохранительный клапан 110 или температурный выключатель 7 электропитания служат как приборы, обеспечивающие первичную безопасность, а предварительно ослабленные точки 6 пайки представляют собой конечное средство защиты. Например, когда температура превысит требуемое для работы значение, сопровождаемое соответствующим повышением внутреннего давления, температурный выключатель 7 электропитания срабатывает как предварительное устройство защиты и отключает электропитание, или, если давление превысит установленное значение, то предохранительный клапан 110 служит для сброса давления или отключения электропитания. Если два указанных выше предохранителя выходят из строя, то все еще имеются предварительно ослабленные точки 6 пайки, которые могут служить в качестве конечного устройства защиты, чем полностью и эффективно обеспечивается защита окружающей среды.The fuses mentioned above are additional devices that operate in a specific sequence. For example, a safety valve 110 or a temperature switch 7 power supply serve as devices that provide primary safety, and pre-weakened solder points 6 represent the ultimate means of protection. For example, when the temperature exceeds the required value for operation, accompanied by a corresponding increase in internal pressure, the temperature power switch 7 acts as a preliminary protection device and turns off the power, or, if the pressure exceeds the set value, the safety valve 110 serves to relieve pressure or turn off the power. If the two above-mentioned fuses fail, then there are still pre-weakened solder points 6, which can serve as a final protection device, which fully and effectively ensures environmental protection.

Несомненно, следует помнить, что описанные варианты выполнения изобретения являются лишь иллюстрациями основного принципа изобретения, и специалисты могут выполнить целое множество их модификаций, не выходя за пределы сущности изобретения, как она изложена в предлагаемых пунктах патентных притязаний.Undoubtedly, it should be remembered that the described embodiments of the invention are only illustrations of the basic principle of the invention, and specialists can perform a variety of their modifications without going beyond the essence of the invention, as set forth in the proposed claims.

Claims

1. A heat exchanger comprising a heat-absorbing side that is connected by means of a circulation circuit to a heat-removing side, and a coolant filling a circuit, wherein the circulation circuit is a circulation circuit of a heat exchanger that is resistant to internal pressure and the aspect ratio of the pipeline cross section is close to 6: 1, and in the coolant filling the circulation circuit for 70-85% of the volume, water is used as the main working fluid, which is mixed with an additive that improves physical the properties of the coolant, while the coolant contains heat-conducting particles and a dispersant.

2. The heat exchanger according to claim 1, in which the content of additives that improve properties is from 15 to 50%.

3. The heat exchanger according to claim 1, in which the additive that improves the properties, contains antifreeze based on ethylene glycol.

4. The heat exchanger according to claim 1, in which the additive that improves the properties, contains an insulating composition.

5. The heat exchanger according to claim 1, in which the additive that improves the properties, contains a preservative.

6. The heat exchanger according to claim 1, in which the heat-conducting particles are small metal particles.

7. The heat exchanger according to claim 6, in which the small metal particles are metal nanoparticles.

8. The heat exchanger according to claim 1, in which the heat-conducting particles are a mixture of oxides.

9. The heat exchanger of claim 8, in which the mixture of oxides are nanoparticles of a mixture of oxides.

10. The heat exchanger according to claim 1, in which the heat exchanger is a fin-tubular electric heater and the internal volume of each link is relatively the same.

11. The heat exchanger according to claim 1, in which the heat exchanger is a fin-tubular electric heater and pre-weakened soldering points are made at the joints of the extended parts of the link.