RU192392U1

RU192392U1 - Hydrogen air heat exchanger

Info

Publication number: RU192392U1
Application number: RU2019117732U
Authority: RU
Inventors: Антон Николаевич Варюхин; Александр Валикоевич Гелиев; Валерий Игнатьевич Гуров; Виктор Савельевич Захарченко; Олег Дмитриевич Селиванов; Дмитрий Александрович Скибин
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2019-09-16

Abstract

Полезная модель относится к воздушно-водородным теплообменникам и может быть использована в силовых установках высотных летательных аппаратов. Воздушно-водородный теплообменик содержит кожух с каналами впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха) и нагреваемого теплоносителя (водорода), множество концентрично установленных трубок, размещенных перпендикулярно каналам впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя. Внутренние трубки предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя, а их длина превышает длину внешних трубок. Зазоры между концентричными трубками предназначены для промежуточного теплоносителя (гелия). Теплообменник включает две пары перегородок с отверстиями, установленных на соответствующих концах концентричных трубок и герметично связанных со стенками кожуха, при этом крайние перегородки герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок таким образом, что между крайними перегородками и торцевыми стенками кожуха образуются полости, сообщенные соответственно с впускным и выпускным каналами для нагреваемого теплоносителя. Расположенные между крайними перегородками промежуточные перегородки герметично связаны с противоположными концами внешних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок таким образом, что между крайними и промежуточными перегородками образуются полости для промежуточного теплоносителя. Полости для промежуточного теплоносителя и сообщенные с ними зазоры между концентричными трубками образуют замкнутый герметичный контур, содержащий гелий под давлением в качестве промежуточного теплоносителя. Технический результат заключается в снижении количества используемого промежуточного теплоносителя. 1 ил.The utility model relates to air-hydrogen heat exchangers and can be used in power plants of high-altitude aircraft. The air-hydrogen heat exchanger contains a casing with the inlet and outlet channels of the cooled coolant (air) and the heated coolant (hydrogen), a plurality of concentrically installed tubes placed perpendicular to the inlet and outlet channels of the cooled coolant. The inner tubes are designed to pass the heated coolant, and their length exceeds the length of the outer tubes. The gaps between the concentric tubes are for intermediate coolant (helium). The heat exchanger includes two pairs of partitions with openings installed on the respective ends of the concentric tubes and tightly connected to the walls of the casing, while the extreme partitions are hermetically connected to the opposite ends of the internal tubes placed in the corresponding holes of the partitions so that between the extreme partitions and the end walls of the casing cavities communicated respectively with the inlet and outlet channels for the heated coolant. The intermediate partitions located between the extreme partitions are hermetically connected to the opposite ends of the outer tubes located in the corresponding openings of the intermediate partitions in such a way that cavities for the intermediate coolant are formed between the extreme and intermediate partitions. The cavities for the intermediate coolant and the gaps between the concentric tubes communicated with them form a closed tight circuit containing helium under pressure as an intermediate coolant. The technical result is to reduce the amount of intermediate fluid used. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к воздушно-водородным теплообменникам, и может быть использована в силовых установках высотных летательных аппаратов, работающих на водороде, в составе топливной системы для нагрева газифицированного водорода с криогенной температуры до диапазона нормальных температур.The utility model relates to the field of heat engineering, namely to air-hydrogen heat exchangers, and can be used in power plants of high-altitude aircraft operating on hydrogen as part of a fuel system for heating gasified hydrogen from cryogenic temperature to a range of normal temperatures.

Известен теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя и полость для промежуточного теплоносителя, в качестве которого используют инертный газ, например, аргон или гелий (US 4671351, 1987).A heat exchanger is known comprising a casing with inlet and outlet channels of a heated coolant, channels for the inlet and outlet of a cooled coolant, and a cavity for an intermediate coolant, which is used as an inert gas, for example, argon or helium (US 4671351, 1987).

В известном техническом решении теплообменник представляет собой набор удлиненных телескопических коаксиально установленных труб. При этом кожух представляет собой внешнюю и внутреннюю трубы, зазор между которыми предназначен для прохождения нагреваемого теплоносителя, один открытый торец внутренней трубы сообщен с закрытым торцом внешней трубы, а противоположный открытый торец внутренней трубы и открытый торец внешней трубы предназначены соответственно для впуска и выпусканагреваемого теплоносителя. Во внутренней трубе кожуха установлены внешняя и внутренняя трубки, зазор между которыми предназначен для прохождения охлаждаемого теплоносителя. При этом внутренняя трубка представляет собой трубчатый элемент, выполненный в виде концентричных трубок, соответствующие торцы которых герметично изолированы, а зазор между ними представляет собой полость для размещения инертного газа. Один открытый торец внутренней трубки трубчатого элемента сообщен с закрытым торцом внешней трубки, а противоположный открытый торец внутренней трубки трубчатого элемента и открытый торец внешней трубки предназначены соответственно для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя. Теплообмен между охлаждаемым и нагреваемым теплоносителями происходит при встречном движении теплоносителей. При этом инертный газ предназначен для уменьшения радиального теплообмена между трубками трубчатого элемента, а также для снижения проникновения атомарного водорода в полость трубчатого элемента.In a known technical solution, the heat exchanger is a set of elongated telescopic coaxially mounted pipes. In this case, the casing is an external and internal pipe, the gap between which is intended for the passage of the heated coolant, one open end of the inner pipe is in communication with the closed end of the outer pipe, and the opposite open end of the inner pipe and the open end of the outer pipe are intended for the inlet and outlet of the heated coolant. The inner and outer tubes are installed in the inner tube of the casing, the gap between which is intended for the passage of the cooled coolant. The inner tube is a tubular element made in the form of concentric tubes, the corresponding ends of which are hermetically isolated, and the gap between them is a cavity for accommodating inert gas. One open end of the inner tube of the tubular element is in communication with the closed end of the outer tube, and the opposite open end of the inner tube of the tubular element and the open end of the outer tube are respectively for the inlet and outlet of the cooled coolant. The heat exchange between the cooled and heated fluids occurs during the oncoming movement of the fluids. Inert gas is intended to reduce radial heat transfer between the tubes of the tubular element, as well as to reduce the penetration of atomic hydrogen into the cavity of the tubular element.

Существенным недостатком известного технического решения является удлиненная конструкция теплообменника, а также низкие изолирующие свойства промежуточного теплоносителя в трубчатом элементе, что не позволяет использовать известное техническое решение в силовых установках высотных летательных аппаратов, работающих на водороде.A significant drawback of the known technical solution is the elongated design of the heat exchanger, as well as the low insulating properties of the intermediate coolant in the tubular element, which does not allow the use of the known technical solution in power plants of high-altitude aircraft operating on hydrogen.

Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют выхлопные газы камеры сгорания газотурбинного двигателя (RU 2554392, 2015).An air-hydrogen heat exchanger is known, comprising a casing with inlet and outlet channels of a heated coolant, which use hydrogen, and channels for inlet and outlet of a cooled coolant, which use the exhaust gases of a combustion chamber of a gas turbine engine (RU 2554392, 2015).

В известном техническом решении теплообменник выполнен кольцевым, движение выхлопных газов из камеры сгорания газотурбинного двигателя происходит перпендикулярно направлению движения водорода. При этом промежуточный теплоноситель не используется, конструкция теплообменника в описании изобретения не раскрыта.In a known technical solution, the heat exchanger is circular, the movement of exhaust gases from the combustion chamber of a gas turbine engine occurs perpendicular to the direction of movement of hydrogen. In this case, the intermediate heat carrier is not used, the design of the heat exchanger is not disclosed in the description of the invention.

Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух (US 3756024, 1973).Known air-hydrogen heat exchanger containing a casing with inlet and outlet channels of the heated coolant, which use hydrogen, and channels for the inlet and outlet of the cooled coolant, which use air (US 3756024, 1973).

В известном техническом решении теплообмен между охлаждаемым и нагреваемым теплоносителями происходит при встречном движении теплоносителей. При этом промежуточный теплоноситель не используется, конструкция теплообменника в описании изобретения также не раскрыта.In the known technical solution, the heat exchange between the cooled and heated fluids occurs during the oncoming movement of the fluids. In this case, the intermediate heat carrier is not used, the design of the heat exchanger in the description of the invention is also not disclosed.

Известен воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород и каналы для впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух (US 3775977, 1973).Known air-hydrogen heat exchanger containing a casing with inlet and outlet channels of the heated coolant, which use hydrogen and channels for the inlet and outlet of the cooled coolant, which use air (US 3775977, 1973).

В известном техническом решении подача нагреваемого теплоносителя (водорода) осуществляется через систему продольно расположенных петлеобразных трубопроводов, обеспечивающих взаимно противоположное течение теплоносителя и реализующих четырехпроходную схему течения. При этом подача охлаждаемого теплоносителя (воздуха) осуществляется через систему радиально расположенных трубопроводов при круговом движении теплоносителя. Таким образом, в известном техническом решении теплопередача между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителями осуществляется при условии взаимного противотока, что позволяет увеличить скорость теплопередачи. При этом промежуточный теплоноситель не используется.In the known technical solution, the supply of the heated coolant (hydrogen) is carried out through a system of longitudinally arranged loop-like pipelines, providing a mutually opposite flow of the coolant and implementing a four-pass flow pattern. In this case, the supply of the cooled coolant (air) is carried out through a system of radially arranged pipelines during circular motion of the coolant. Thus, in the known technical solution, heat transfer between the heated and cooled coolants is subject to mutual counterflow, which allows to increase the heat transfer rate. In this case, the intermediate coolant is not used.

Общим существенным недостатком известных технических решений является возможность химической реакции водорода с нагреваемым теплоносителем (продуктами сгорания газотурбинного двигателя, воздухом) при возникновении утечки водорода, что существенно снижает безопасность указанных выше теплообменников.A common significant drawback of the known technical solutions is the possibility of a chemical reaction of hydrogen with a heated coolant (combustion products of a gas turbine engine, air) in the event of a hydrogen leak, which significantly reduces the safety of the above heat exchangers.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является воздушно-водородный теплообменник, содержащий кожух с каналами впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух, расположенными напротив друг друга в средней части кожуха, каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, расположенными в противоположных торцевых частях кожуха, множество концентрично установленных трубок, размещенных перпендикулярно каналам впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние трубки предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя, а их длина превышает длину внешних трубок, зазоры между концентричными трубками предназначены для промежуточного теплоносителя, две пары перегородок с отверстиями, установленных на соответствующих концах концентричных трубок и герметично связанных со стенками кожуха, при этом крайние перегородки герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок таким образом, что между крайними перегородками и торцевыми стенками кожуха образуются полости, сообщенные соответственно с впускным и выпускным каналами для нагреваемого теплоносителя, а расположенные между крайними перегородками промежуточные перегородки герметично связаны с противоположными концами внешних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок таким образом, что между крайними и промежуточными перегородками образуются полости для промежуточного теплоносителя (ЕР 0437768, 1994).The closest in technical essence and purpose to the claimed utility model is an air-hydrogen heat exchanger containing a casing with inlets and outlets of a cooled coolant, which is used as air, opposite each other in the middle part of the casing, inlets and outlets of a heated coolant, the quality of which is used by hydrogen, located in opposite end parts of the casing, a lot of concentrically installed tubes placed perpendicular to the inlet channels and the release of the cooled coolant, the inner tubes are designed to pass the heated coolant, and their length exceeds the length of the outer tubes, the gaps between the concentric tubes are for the intermediate coolant, two pairs of partitions with holes installed on the respective ends of the concentric tubes and hermetically connected to the walls of the casing while the extreme partitions are hermetically connected with the opposite ends of the inner tubes placed in the corresponding openings it is odd in such a way that cavities are formed between the extreme partitions and the end walls of the casing, respectively communicating with the inlet and outlet channels for the heated coolant, and the intermediate partitions located between the extreme partitions are hermetically connected to the opposite ends of the outer tubes located in the corresponding holes of the intermediate partitions in such a way that between the extreme and intermediate partitions cavities are formed for the intermediate coolant (EP 0437768, 1994).

В известном техническом решении теплопередача между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителями осуществляется в средней части кожуха при взаимно перпендикулярном движении теплоносителей. При этом подача промежуточного теплоносителя, в качестве которого используют азот, осуществляется в направлении движения нагреваемого теплоносителя (водорода).In the known technical solution, heat transfer between the heated and cooled coolants is carried out in the middle part of the casing with mutually perpendicular movement of the coolants. In this case, the supply of an intermediate coolant, in which nitrogen is used, is carried out in the direction of movement of the heated coolant (hydrogen).

Таким образом, недостатком известного технического решения является низкая безопасность работы теплообменника, поскольку в случае разгерметизации внутренних трубок и возникновении утечки водорода происходит вынос последнего с потоком промежуточного теплоносителя (азотом) во внешнее пространство. В результате возможно возникновение химических реакций, в том числе взаимодействие водорода с воздухом, что при определенной концентрации компонентов ведет к образованию гремучего газа, возникновению пожара или взрыву.Thus, the disadvantage of the known technical solution is the low safety of the heat exchanger, since in the case of depressurization of the inner tubes and the occurrence of hydrogen leakage, the latter is carried out with the flow of the intermediate coolant (nitrogen) into the external space. As a result, chemical reactions can occur, including the interaction of hydrogen with air, which at a certain concentration of components leads to the formation of detonating gas, a fire or explosion.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении безопасности работы теплообменника.The technical problem, the solution of which is provided by the implementation of the claimed utility model, is to increase the safety of the heat exchanger.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в снижении количества используемого промежуточного теплоносителя.The technical result achieved by the implementation of the proposed utility model is to reduce the amount of intermediate fluid used.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в воздушно-водородном теплообменнике, содержащем кожух с каналами впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, в качестве которого используют воздух, расположенными напротив друг друга в средней части кожуха, каналами впуска и выпуска нагреваемого теплоносителя, в качестве которого используют водород, расположенными в противоположных торцевых частях кожуха, множество концентрично установленных трубок, размещенных перпендикулярно каналам впуска и выпуска охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние трубки, предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя, а их длина превышает длину внешних трубок, зазоры между концентричными трубками предназначены для промежуточного теплоносителя, две пары перегородок с отверстиями, установленных на соответствующих концах концентричных трубок и герметично связанных со стенками кожуха, при этом крайние перегородки герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок таким образом, что между крайними перегородками и торцевыми стенками кожуха образуются полости, сообщенные соответственно с впускным и выпускным каналами для нагреваемого теплоносителя, а расположенные между крайними перегородками промежуточные перегородки герметично связаны с противоположными концами внешних трубок, размещенных в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок таким образом, что между крайними и промежуточными перегородками образуются полости для промежуточного теплоносителя, согласно предложенному техническому решению полости для промежуточного теплоносителя и сообщенные с ними зазоры между концентричными трубками образуют замкнутый герметичный контур, содержащий гелий под давлением в качестве промежуточного теплоносителя.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the air-hydrogen heat exchanger containing the casing with the inlet and outlet channels of the cooled coolant, which use air, opposite each other in the middle part of the casing, the inlet and outlet channels of the heated coolant, as which use hydrogen located in opposite end parts of the casing, a plurality of concentrically mounted tubes placed perpendicular to the inlet and outlet channels of the cooled carrier, and the inner tubes are designed to pass the heated coolant, and their length exceeds the length of the outer tubes, the gaps between the concentric tubes are for the intermediate coolant, two pairs of partitions with holes installed on the respective ends of the concentric tubes and hermetically connected to the walls of the casing, the extreme partitions are hermetically connected with the opposite ends of the inner tubes placed in the corresponding holes of the partitions in such a way that between cavities are formed between the end partitions and the end walls of the casing, respectively, connected with the inlet and outlet channels for the heated coolant, and the intermediate partitions located between the end partitions are hermetically connected to the opposite ends of the outer tubes located in the corresponding holes of the intermediate partitions in such a way that between the end and intermediate partitions form cavities for an intermediate coolant, according to the proposed technical solution for polo five intermediate coolant and communicated with the gaps between them concentric tubes form a sealed closed-loop, containing helium under pressure in an intermediate heat transfer medium.

Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая воздушно-водородный теплообменник, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно - повышение безопасности работы теплообменника за счет использования в качестве промежуточного теплоносителя нейтрального газа (гелия) под давлением в замкнутом герметичном контуре, что приводит к снижению количества используемого промежуточного теплоносителя.The significance of the distinguishing features of the utility model is confirmed by the fact that only the totality of all the features describing the air-hydrogen heat exchanger can provide a solution to the technical problem with the achievement of the claimed technical result, namely, increasing the safety of the heat exchanger due to the use of neutral gas as an intermediate coolant (helium ) under pressure in a closed sealed circuit, which reduces the amount of intermediate used t plonositelya.

Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием конструкции воздушно-водородного теплообменника и его работы со ссылкой на фигуру, где представлен вариант схемы выполнения воздушно-водородного теплообменника.The present utility model is illustrated by the following detailed description of the design of the air-hydrogen heat exchanger and its operation with reference to the figure, which shows an embodiment of the air-hydrogen heat exchanger.

На фигуре приняты следующие обозначения:The following notation is used in the figure:

1 - кожух;1 - casing;

2 - канал впуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха);2 - inlet channel of the cooled coolant (air);

3 - канал выпуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха);3 - channel release of the cooled coolant (air);

4 - канал впуска нагреваемого теплоносителя (водорода);4 - inlet channel of the heated coolant (hydrogen);

5 - канал выпуска нагреваемого теплоносителя (водорода);5 - channel release of the heated coolant (hydrogen);

6 - внутренние трубки;6 - inner tubes;

7 - внешние трубки;7 - external tubes;

8 - зазоры между трубками 6 и 7;8 - the gaps between the tubes 6 and 7;

9 - крайние перегородки;9 - extreme partitions;

10 - промежуточные перегородки;10 - intermediate partitions;

11 - торцевые стенки кожуха 1;11 - end walls of the casing 1;

12 - полости нагреваемого теплоносителя (водорода);12 - cavity of the heated coolant (hydrogen);

13 - полости промежуточного теплоносителя (гелия).13 - cavity intermediate fluid (helium).

Воздушно-водородный теплообменник содержит кожух 1 с расположенными напротив друг друга в средней его части каналом 2 впуска охлаждаемого теплоносителя и каналом 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя. В качестве охлаждаемого теплоносителя используют воздух. В противоположных торцевых частях кожуха 1 расположены канал 4 впуска нагреваемого теплоносителя и канал 5 выпуска нагреваемого теплоносителя. В качестве нагреваемого теплоносителя используют водород. В кожухе 1 расположено множество концентрично установленных трубок 6 и 7, размещенных перпендикулярно каналу 2 впуска и каналу 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя (воздуха), причем внутренние трубки 6 предназначены для прохождения нагреваемого теплоносителя (водорода). При этом длина внутренних трубок 6 превышает длину внешних трубок 7, а зазоры 8 между концентричными трубками 6 и 7 предназначены для промежуточного теплоносителя (гелия). Кроме того, в кожухе 1 размещены две пары перегородок 9 и 10 с отверстиями (на чертеже не показаны), установленных на концах соответствующих концентричных трубок 6 и 7. Перегородки 9 и 10 герметично связаны со стенками кожуха 1, при этом крайние перегородки 9 герметично связаны с противоположными концами внутренних трубок 6, размещенных в соответствующих отверстиях перегородок 9 таким образом, что между крайними перегородками 9 и торцевыми стенками 11 кожуха 1 образуются полости 12, сообщенные соответственно с впускным каналом 3 и выпускным каналом 4 для нагреваемого теплоносителя (водорода). Расположенные между крайними перегородками 9 промежуточные перегородки 10 герметично связаны с противоположными концами внешних трубок 7, которые размещены в соответствующих отверстиях промежуточных перегородок 10 таким образом, что между крайними перегородками 9 и промежуточными перегородками 10 образуются полости 13 для промежуточного теплоносителя (гелия). При этом полости 13 для промежуточного теплоносителя и сообщенные с ними зазоры 8 между концентричными трубками 6 и 7 образуют замкнутый герметичный контур. Промежуточный теплоноситель в виде гелия под давлением может использоваться как в газообразном, так и в жидком состоянии. Давление теплоносителей контролируется при помощи датчиков давления (на чертеже не показаны), установленных в соответствующих каналах 2-5 и в полости 13 замкнутого герметичного контура теплообменника.The air-hydrogen heat exchanger comprises a casing 1 with a channel 2 for the inlet of the cooled coolant located opposite one another in its middle part and a channel 3 for the release of the cooled coolant. As the coolant used air. In opposite end parts of the casing 1 are located the channel 4 of the inlet of the heated coolant and the channel 5 of the release of the heated coolant. Hydrogen is used as the heat carrier. In the casing 1 there are a plurality of concentrically mounted tubes 6 and 7 arranged perpendicularly to the inlet channel 2 and the outlet channel 3 of the cooled coolant (air), and the inner tubes 6 are designed to pass the heated coolant (hydrogen). The length of the inner tubes 6 exceeds the length of the outer tubes 7, and the gaps 8 between the concentric tubes 6 and 7 are intended for an intermediate heat transfer medium (helium). In addition, in the casing 1 there are two pairs of partitions 9 and 10 with holes (not shown in the drawing) installed at the ends of the corresponding concentric tubes 6 and 7. The partitions 9 and 10 are hermetically connected to the walls of the casing 1, while the extreme partitions 9 are hermetically connected with opposite ends of the inner tubes 6 located in the corresponding openings of the partitions 9 in such a way that cavities 12 are formed between the end walls 9 and the end walls 11 of the casing 1, respectively communicating with the inlet channel 3 and the outlet channel 4 for a heated coolant (hydrogen). The intermediate partitions 10 located between the extreme partitions 9 are hermetically connected to the opposite ends of the outer tubes 7, which are located in the corresponding holes of the intermediate partitions 10 in such a way that cavities 13 for the intermediate coolant (helium) are formed between the end partitions 9 and the intermediate partitions 10. In this case, the cavities 13 for the intermediate coolant and the gaps 8 connected with them between the concentric tubes 6 and 7 form a closed tight circuit. An intermediate coolant in the form of helium under pressure can be used both in gaseous and in liquid state. The pressure of the coolant is controlled by pressure sensors (not shown in the drawing) installed in the respective channels 2-5 and in the cavity 13 of the closed sealed circuit of the heat exchanger.

Воздушно-водородный теплообменник работает следующим образом.Air-hydrogen heat exchanger operates as follows.

Принцип работы воздушно-водородного теплообменника заключается в конвективном теплообмене между различными средами. В канал 4 впуска нагреваемого теплоносителя подается газообразный водород с температурой 21-25 К. Нагреваемый теплоноситель (водород) через канал 4 впуска поступает в полость 12 и во внутренние трубки 6, проходит через них и через противоположную полость 12 выводится к потребителю через канал 5 выпуска нагреваемого теплоносителя (водорода). Одновременно через канал 2 впуска охлаждаемого теплоносителя подается воздух, который поступает в основную полость теплообменника, расположенную между промежуточными перегородками 10. Температура воздуха составляет 470-480 К. Воздух обтекает поверхности внешних трубок 7 и выводится через канал 3 выпуска охлаждаемого теплоносителя. При этом в процессе обтекания внешних трубок 7 воздух охлаждается, отдавая тепло нагреваемому теплоносителю (водороду), который нагревается до нормальной температуры во внутренних трубках 6. В полостях 13 и сообщенных с ними зазорах 8, образующих замкнутый герметичный контур, находится промежуточный теплоноситель из нейтрального газа (гелия). Гелий находится в контуре под давлением без возможности циркуляции, причем давление гелия в замкнутом герметичном контуре превышает давление водорода во внутренних трубках 6 и давление воздуха в основной полости теплообменника. При этом безопасность работы теплообменника обеспечивается повышенным давлением гелия, что исключает возможность проникновения атомарного водорода через стенки внутренних трубок 6.The principle of operation of the air-hydrogen heat exchanger is convective heat transfer between different environments. Hydrogen gas with a temperature of 21-25 K is supplied to the inlet channel 4 of the heated fluid; The heated fluid (hydrogen) passes through the inlet duct 4 into the cavity 12 and into the inner tubes 6, passes through them and through the opposite cavity 12 is discharged to the consumer through the exhaust duct 5 heated coolant (hydrogen). At the same time, air is supplied through the inlet channel 2 of the cooled coolant, which enters the main cavity of the heat exchanger located between the intermediate partitions 10. The air temperature is 470-480 K. Air flows around the surfaces of the outer tubes 7 and is discharged through the outlet 3 of the cooled coolant outlet. Moreover, in the process of flowing around the outer tubes 7, the air is cooled, giving off heat to the heated coolant (hydrogen), which is heated to normal temperature in the inner tubes 6. In the cavities 13 and the gaps 8 connected to them, forming a closed sealed circuit, there is an intermediate coolant from neutral gas (helium). Helium is in the circuit under pressure without the possibility of circulation, and the pressure of helium in a closed sealed circuit exceeds the pressure of hydrogen in the inner tubes 6 and the air pressure in the main cavity of the heat exchanger. At the same time, the operation of the heat exchanger is ensured by increased helium pressure, which excludes the possibility of atomic hydrogen penetrating through the walls of the inner tubes 6.

В случае повреждения внутренних трубок 6 с водородом более высокое давление гелия в замкнутом герметичном контуре препятствует разрушению внешних трубок 7 с гелием, что исключает возможность взаимодействия между водородом и воздухом и образование взрывоопасной смеси. Кроме того, в связи с инертностью гелия исключается химическая реакция между водородом и гелием. Падение давления в замкнутом герметичном контуре регистрируется соответствующими датчиками давления контура, что позволяет обнаружить возникшую аварийную ситуацию и отключить теплообменник. Выброс гелия ограничен, поскольку определяется объемом и величиной избыточного давления гелия в замкнутом герметичном контуре.In the case of damage to the inner tubes 6 with hydrogen, a higher helium pressure in a closed sealed circuit prevents the destruction of the outer tubes 7 with helium, which excludes the possibility of interaction between hydrogen and air and the formation of an explosive mixture. In addition, due to the inertness of helium, a chemical reaction between hydrogen and helium is excluded. The pressure drop in a closed sealed circuit is recorded by the corresponding circuit pressure sensors, which allows you to detect an emergency and turn off the heat exchanger. Helium ejection is limited because it is determined by the volume and magnitude of the helium overpressure in a closed sealed circuit.

Таким образом, замкнутый герметичный контур, содержащий гелий под давлением в качестве промежуточного теплоносителя, позволяет решить задачу повышения безопасности работы теплообменника за счет снижения количества используемого промежуточного теплоносителя, что повышает уровень экологической безопасности и исключает взрывоопасный контакт водорода с воздухом.Thus, a closed sealed circuit containing helium under pressure as an intermediate heat carrier allows us to solve the problem of improving the safety of the heat exchanger by reducing the amount of used intermediate heat carrier, which increases the level of environmental safety and eliminates the explosive contact of hydrogen with air.

Claims

An air-hydrogen heat exchanger containing a casing with inlet and outlet channels of a cooled coolant, which use air, opposite each other in the middle part of the casing, inlet and outlet channels of a heated coolant, which use hydrogen, located in opposite end parts of the casing, a plurality of concentrically mounted tubes arranged perpendicularly to the inlet and outlet channels of the cooled coolant, the inner tubes being designed for passage heating medium, and their length exceeds the length of the outer tubes, the gaps between the concentric tubes are for the intermediate coolant, two pairs of partitions with holes installed at the respective ends of the concentric tubes and hermetically connected to the walls of the casing, while the extreme partitions are hermetically connected to the opposite ends of the inner tubes placed in the corresponding holes of the partitions in such a way that between the extreme partitions and the end walls of the casing are formed cavities respectively connected with the inlet and outlet channels for the heated coolant, and the intermediate partitions located between the extreme partitions are hermetically connected to the opposite ends of the outer tubes located in the corresponding openings of the intermediate partitions in such a way that cavities for the intermediate coolant are formed between the extreme and intermediate partitions the fact that the cavity for the intermediate coolant and the gaps between them concentric pipes s form a sealed closed-loop, containing helium under pressure in an intermediate heat transfer medium.