1. Степень защиты интеллектуальной собственности

• патент РФ № 2200807 «Гофрированная оболочка» БИ №8, 2003
• патент № 1725772 «Теплообменник», Би №13, 1992

2.     Технические характеристики разработки

Предлагаемая конструкция элемента теплообмена котла ортотропно-сотовой конструкции и технология его изготовления по сравнению со змеевиковым котлом из нержавеющей стали позволяет:

• уменьшить массу элемента теплообмена котла более, чем в два раза, значительно снизить его габариты, повысить эффективность теплообмена в котле по сравнению с обычным котлом;
• на порядок повысить надежность работы котла с водой, содержащей механические примеси.

 3.     Уровень технической готовности идеи

Проведен сравнительный анализ технических характеристик змеевикового котла и котла ортотропно-сотовой конструкции, обоснованы преимущества последнего, по заказу Научно-производственного предприятия ООО «ТАН-ИТ» (г. Саратов) разрабатывается конструкторская документация на экспериментальный образец котла газового отопительного ортотропно-сотовой конструкции мощностью 30 кВт.

 4. Область применения ортотропно-сотовой конструкции из тонкостенных оболочек

В теплотехнике: котлы, двухконтурные скоростные теплообменники, утилизаторы тепловой энергии горячих газов газоэлектрических установок, теплообменные аппараты химических производств.

 5.           Суть проекта

Элемент теплообмена котла выполнен из гофрированных по двум ортогональным осям панелей с отбортовками по патенту РФ № 2200807 «Гофрированная оболочка» (патентообладатель Увакин В.Ф.) с синусоидальными профилями волн гофр с относительной глубиной волн гофр в продольном и поперечном направлениях H/h=15…20, в результате повышается изгибная жесткость панелей по двум ортогональным осям и снижается масса элемента теплообмена, причем каждая секция котла выполнена из двух гофрированных панелей с зеркальным отображением волн гофр, сваренных контактной точечной сваркой в местах контактирования волн гофр, а по периметру отбортовок – шовной сваркой с образованием герметичных секций котла, соединенных каналами для воды (патент № 1725772, Би №13, 1992).

 Надежная патентная защита позволит выпускать продукцию в режиме, защищенном от конкуренции, как в РФ так и за рубежом.

 6.       Цели и задачи исследования:

6.1.  Целью исследования является ускорение внедрения гофрированных по двум координатным направлениям тонкостенных оболочек с периодическими профилями волн гофр в объектах теплоэнергетики.

Такие оболочки обладают особыми свойствами-с увеличением относительной глубины волн гофр Н_пр/h и поперечном Н_п/h направлениях жесткости на изгиб оболочки резко возрастают и могут превышать жесткость пластины той же толщины h в тех же направлениях в сотни и тысячи раз, а жесткости на растяжение в поперечном и продольном направлениях уменьшатся во столько же раз. Так, например, масса гофрированной по двум ортогональным направлениям металлической дымовой трубы с той же изгибной жесткостью, что и гладкая труба уменьшиться по крайней мере в 8…12 раз по сравнению с массой гладкой трубы. Волны гофр оболочек являются турбулизаторами потока теплоносителя в каналах элемента теплообмена.

6.2.  Разработка приближенных аналитических методов  расчета жесткостей и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния гофрированных оболочек под нагрузкой позволят упростить расчет конструкций теплообменной аппаратуры и решить задачи повышения ее технологичности и потребительских свойств (снижение металлоемкости и габаритов, повышения эффективности теплообменных процессов, ресурса) путем применения предлагаемых гофрированных по двум ортогональным направлениям оболочек [патент РФ № 2200807] в элементе теплообмена нового класса-пространственной ортотропно-сотовой конструкции [2, 3].

6.3.  Разработка чертежей на экспериментальный образец элемента теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции для водогрейного котла мощностью 10…12 кВт и методики расчета его основных характеристик облегчат поиск предприятий, заинтересованных в их серийном производстве.

 7.     Содержание проекта и основные требования к проведению исследования, описание предмета исследования или разработки

В конструкциях современных теплообменных аппаратов средней и большой мощности наибольшее применение нашли элементы теплообмена, выполненные из гладких труб в виде трубных решеток [7]. При этом диаметр труб достигает 50…60 мм при толщине стенок до 4…6 мм, что приводит к повышенному расходу металла на элемент теплообмена, увеличению его габаритов, снижению эффективности теплообменных процессов, связанных с завышенными размерами поперечных сечений каналов для теплоносителей, а использование в качестве материала для труб некоррозионностойких  сталей типа сталь 20 – к уменьшению ресурса теплообменных аппаратов.

К конструкциям элементов теплообмена энергетических установок предъявляются следующие требования:

• поверхности элемента теплообмена для интенсификации процессов теплообмена должны иметь турбулизаторы потоков теплоносителей в каналах теплообменника с малым шагом между ними [8] по форме, приближающейся к полусферам;
• конструкция элемента теплообмена должна быть жесткой на изгиб, вибро-ударопрочной, тонкостенной с малой шероховатостью поверхностей теплообмена, иметь небольшую массу и габариты, допускать оребрение поверхностей теплообмена для одного из теплоносителей, а материал конструкции должен быть коррозионностойким;
• конструкция элемента теплообмена должна быть технологичной с использованием для его изготовления технологии для массового производства изделий из листового проката (штамповка, прокатка, точечная и шовная электросварка при сборке и т.д.);
• каналы элемента теплообмена должны выдерживать большие давления и температуры теплоносителей, а направления потоков теплоносителей  должны быть ортогональными.

Наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют элементы теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции, каждая секция которых выполнена из двух одинаковых гофрированных по двум ортогональным направлениям тонкостенных оболочек с периодическими профилями волн гофр с одинаковыми шагами [1], которые позволяют использовать только один штамп вместо двух, необходимых для изготовления двух оболочек элемента теплообмена по патенту СССР № 1725772 [4].

Параметры волн гофр (шаг волн гофр, относительная глубина волн гофр в продольном Н_пр/h и поперечном Н_п/h), толщина листов заготовки h для гофрированных оболочек, размер и число секций элементов теплообмена в модуле вместе с коллекторами для теплоносителей возрастают с увеличением мощности теплообменного аппарата.

Гофрированные оболочки больших размеров 1000х1500 мм и более можно изготовить прокаткой на специальных прокатных станах.

Пространство между секциями элемента теплообмена и коллекторами для теплоносителей можно использовать для установки элементов оребрения, дистанцеров между секциями для повышения эффективности теплообменных процессов и уменьшения гидравлического сопротивления каналов для одного из теплоносителей.

Основным элементом теплообменников пространственной ортотропно-сотовой конструкции является гофрированная по двум ортогональным направлениям тонкостенная оболочка. В настоящее время отсутствуют приближенные аналитические методы расчета жесткостей на изгиб и растяжение таких оболочек, выполненных со срединной поверхностью в виде пластины, цилиндра, мембраны, защемленных по наружному контуру, отсутствуют исследования напряженно-деформированного состояния таких оболочек, что значительно затрудняет их внедрение в производство, в том числе  и в объекты теплоэнергетики, и необходимость проведения таких исследований в проекте очевидна.

Поэтому в содержание проекта должны входить техническое задание на экспериментальный образец элемента теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции для какого-либо теплообменного аппарата, например, для котлов отопительных водогрейных мощностью 10…12 кВт, которые должны заменить котлы КОВ-С «Сигнал», выпускаемые серийно ЗАО «Сигнал-Прибор», г. Энгельс, Саратовская обл., Россия [9], разработка приближенного аналитического метода расчета изгибных жесткостей и жесткостей на растяжение гофрированных по двум ортогональным направлениям оболочек со срединными поверхностями в виде прямоугольной и круглой пластины, цилиндра, разработка чертежей на экспериментальный образец водогрейного котла мощностью 10…12 кВт по техническому заданию, выполненного из гофрированных по двум ортогональным направлениям оболочек, методики расчета его основных технических характеристик, экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния таких оболочек со срединными поверхностями в виде прямоугольной или круглой пластины, цилиндра (дымовая труба), выдача рекомендаций по использованию гофрированных оболочек по патенту РФ по заявке № 2000118478/28 [1], составлении заключительного отчета по проекту.

 8.     Описание конкретных показателей, параметров и характеристик объекта разработки, технико-экономические показатели

Для определения технико-экономических показателей объекта разработки проведем сравнительный анализ технических характеристик котла отопительного водогрейного КОВ-С “Сигнал” [9] и котла той же мощности Р=10…12 кВт с элементом теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции.

В котле КОВ-С элемент теплообмена сварной  конструкции выполнен из стальных пластин с размерами 300х250х3 мм, в предлагаемом котле – гофрированная оболочка из ленты толщиной 0,4 мм  с размерами 400х330 мм из стали типа Х18Н9Т.  Поэтому масса элемента теплообмена вместе с коллекторами будет снижена в 5-6 раз, толщина одной секции элемента теплообмена 34 и 20 мм соответственно, что приведет к уменьшению габаритов элемента теплообмена. переход на точечную и шовную электросварку конструкции повысит технологичность изделия.

Уменьшение проходных сечений каналов для газа, которые в первом приближении можно рассматривать как совокупность последовательно соединенных диффузорно-конфузорных пар с шагом равным шагу волн гофр l_г=15 мм позволяет при приемлемом  аэродинамическом сопротивлении повысить коэффициент теплоотдачи газ-стенка примерно в 2 раза (в котле КОВ-С каналы для газа представляют собой плоскую щель шириной δ=18 мм), а эквивалентный диаметр d_э=2δ=36 мм [11].

Емкость котла по воде снижена с 20 л до 4 л, что существенно при работе котла в качестве проточного водонагревателя, т.к. повышается его быстродействие.

Выполнение элемента теплообмена малой массы из нержавеющей стали исключит появление оксида железа FeO (ржавчины) в котле [12], повысит ресурс котла, упростит его эксплуатацию, расширит область применения котла за счет увеличения допустимого давления воды в 5…7 раз.

За счет повышения технологичности изготовления и снижения его массы в 3-4 раза стоимость предлагаемого котла будет снижена на 10…15% по сравнению со стоимостью котла КОВ-С. Массу дымовой трубы котла диаметром 100 мм, выполненной из предлагаемой гофрированной оболочки можно уменьшить в 3-4 раза.

 9.     Основные ожидаемые научные и научно-технические результаты, которые будут получены при выполнении проекта, научная новизна и прикладное значение результатов

Разработка приближенного аналитического метода расчета жесткостей на изгиб и растяжение гофрированных по двум ортогональным направлениям оболочек со срединной поверхностью в виде прямоугольной пластины, круглой пластины, защемленной по наружному контуру, цилиндра, публикации статей в научно-технических журналах упростят анализ и расчет различных конструкций, в которых используются  такие оболочки не только в энергетике, но и в других областях науки и техники, в частности, в строительных конструкциях (плиты перекрытий, цилиндрические и сферические резервуары и цистерны, куполы зданий и сооружений, дымовые трубы), летательных аппаратах, металлокерамических камерах сгорания различных двигателей, плавильных и вращающихся печах [6], высокотемпературных химических реакторах, плавучих платформах, в том числе, работающих в условиях обледенения, конструкциях поверхностных жестких пружин,  устройствах защиты особо-важных объектов от падающих предметов, конструкциях противоснарядной защиты бронированных объектов, сейсмостойких зданиях и сооружениях, в приборостроении (упругие элементы – мембраны, сильфоны и т.д.).

Экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния гофрированных по двум ортогональным направлениям оболочек с периодическими профилями волн гофр со срединными поверхностями в виде прямоугольных пластин, круглых пластин, защемленных по наружному контуру, цилиндров позволят выявить наиболее напряженные точки в гофрированных оболочках при их нагружении, уточнить аналитические расчетные соотношения для изгибных жесткостей и жесткостей на растяжение, прогнозировать допускаемые нагрузки.

Разработка чертежей на экспериментальный образец элемента теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции для водогрейного котла мощностью 10…12 кВт и методики его расчета облегчат поиск предприятий, заинтересованных в их серийном производстве.

 10.   Имеющийся научный задел по исследуемому проекту

В 1998-2000 г.г. автором патента была выполнена научно-исследовательская работа по теме “Исследование и разработка двухконтурных скоростных теплообменников с повышенными технологичностью и потребительскими свойствами” (шифр СГТУ-162). Тема финансировалась по результатам конкурса грантов в области машиностроения.

В результате проведенных исследований впервые в мире был разработан двухконтурный скоростной теплообменник пространственной ортотропно-сотовой конструкции, выполненный из двух гофрированных  тонкостенных панелей с отбортовками с ортогональным направлением основных гофр в смежных оболочках с переменной глубиной волн гофр одинакового шага, соединенных между собой по периметру панелей шовной электросваркой, а в местах контактирования гофр смежных панелей-точечной контактной электросваркой с образованием герметичной полости для одного из теплоносителей [4]. Коллекторы для подвода и отвода теплоносителя во внутреннюю полость элемента теплообмена выполнены из тонкостенных гофрированных оболочек, соединённых с элементом теплообмена шовной герметичной сваркой.

Собранный элемент теплообмена вместе с коллекторами затем сворачивался в спираль Архимеда с образованием между витками спирали каналов переменного сечения для другого теплоносителя-воздуха, масла и др. Теплообменник разрабатывался для работы в качестве охладителей надувочного воздуха и масла в мощных дизелях типа 6ЧН21/21 производства ЗАО “Волжский дизель им.Маминых”, г.Балаково [2,3,5].

Сравнительный анализ технических характеристик заводского кожухотрубчатого охладителя масла 0211.39.000СБ, выполненного из медных оребренных трубок и двухконтурного теплообменника с элементом теплообмена пространственной ортотропно-сотовой конструкции показал, что при одинаковой мощности теплообмена последний имеет в 4,5 раза меньшую массу и в 3 раза меньший объем рабочей полости для теплоносителей [2, С.28].

Автор является одним из патентообладателей патента СССР №1702884 на изобретение “Вращающаяся печь”  [6]. Изобретение повышает ресурс печей,камер сгорания, котлов, уменьшает их массу, что достигается уменьшением жесткостей на растяжение упругого подвеса футеровки (обмуровки)  в радиальном и осевом направлениях в сотни раз и соответствующим снижением температурных напряжений в местах контактирования подвеса и футеровки. Упругий подвес футеровки выполнен из двух концентрических цилиндрических гофрированных в продольном и поперечном направлениях тонкостенных металлических оболочек, соединенных между собой в местах контактирования гофр смежных оболочек и с корусом печи на 0,03…0,05 его длины. На внутреннюю поверхность внутренней оболочки каким-либо известным способом нанесена футеровка из огнеупорного теплоизоляционного неметаллического материала.

 Источники информации

1. Увакин В.Ф. патент РФ № 2200807 “Гофрированная оболочка”.
2. Увакин В.Ф. Исследование и разработка двухконтурных скоростных теплообменников с повышенными технологичностью и потребительскими свойствами. Отчет по НИР (промежуточный), шифр СГТУ-162, Балаково, 1998. –33с, № госрегистрации 01990005350.
3. Увакин В.Ф. Исследование и разработка двухконтурных скоростных теплообменников с повышенными технологичностью и потребительскими свойствами. Отчет по НИР (заключительный), шифр СГТУ-162, Балаково, 2000. –43с, № госрегистрации 02200203450.
4. Увакин В.Ф., Увакин А.В. Теплообменник. Патент СССР № 1725772, БИ № 18, 1992.
5. Увакин В.Ф. Многофункциональный двухконтурный скоростной теплообменник для транспортных средств. Сборник трудов Первой Всероссийской научно-методической конференции с международным участием. Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров, Саратов, 2000. –С.225-228.
6. Увакин В.Ф., Увакин А.В. Вращающаяся печь. Патент СССР № 1702884, 1989. Гриф “Для служебного пользования”.
7. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник /Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1983. –552с.
8. Калинин Э.К.,Дрейцер Г.А. и др. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998. –408с.
9. Котел отопительный водогрейный КОВ-С “Сигнал”. Руководство по эксплуатации СЯМИ 621261 –306РЭ, Энгельс, ЗАО “Сигнал – Прибор”.
10. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машгиз, 1962. –456с.
11. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник /Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. –М: Энергоиздат, 1982. –С.164,168.
12. Журнал “Изобретатель и рационализатор” №10, 2002. –С.8-9.

Методика изготовления гофрированных панелей теплообменника методом гидроформования из листа см. в анотации Харьковского национального университета “ХПИ” (вторая статья по счету)

содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты, размещенной внутри корпуса по всей его длине, отличающийся тем, что лента намотана в виде спирали Архимеда, ее гофрировка выполнена по двум координатным осям, а на поверхности ленты нанесено электроизоляционное покрытие.

включающая установленный на железобетонном фундаменте ствол из двух коаксиально размещенных тонкостенных оболочек из тепло- и коррозионностойкого материала, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет рекуперации тепловой энергии дымовых газов и снижения материалоемкости, она снабжена по крайней мере одной дополнительной оболочкой, внутренним покрытием из гибкого тепло- и коррозионного материала и торцевыми заглушками, при этом оболочки выполнены гофрированными, а в смежных оболочках гофры размещены ортогонально и соединены между собой в местах контактирования гофров с образованием между внутренними оболочками герметичной полости, частично заполненной теплоносителем, а между наружными – теплового экрана, перекрытого торцевыми заглушками, при этом толщина внутреннего покрытия меньше толщины внутренней гофрированной оболочки.

ВРАЩАЮЩАЯСЯ ПЕЧЬ, содержащая цилиндрический корпус с футеровкой, установленной в корпусе на упругом теплоизоляционном подвесе, выполненном в виде цилиндрической металлической гофрированной в поперечном направлении оболочки, прикрепленной к корпусу, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса печи путем уменьшения жесткости упругого подвеса и снижения температурных напряжений, футеровка выполнена из армированного жаростойкого бетона, а упругий теплоизоляционный подвес снабжен дополнительной концентрической металлической гофрированной оболочкой, причем оболочки гофрированны дополнительно в продольном направлении и соединены между собой и с арматурой футеровки по всей длине и частично с корпусом по контактируемым выступам гофр, при этом упругий теплоизоляционный подвес установлен с зазором по отношению к корпусу, а на внутренней поверхности корпуса вдоль впадин поперечных гофр внешней оболочки упругого подвеса установлены упоры.