ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D9/02 F28F3/00 

Изобретение относится к теплообменникам, в которых каналы для теплоносителей образованы пластинами, разделяющими обе среды, т.е. к пластинчатым теплообменникам.

Известны пластинчатые теплообменники, состоящие из пластин с выштамповками окон и гофр, образующих в сборе теплообменные каналы, входные и выходные коллекторы для обеих сред [1] Однако такие теплообменники сложны в изготовлении, металлоемки и тяжелы.

Известны также теплообменники, содержащие симметричный корпус с соосными входным и выходным патрубками, распределительной и сборной камерами, ограниченными плоскими торцевыми и цилиндрическими боковыми стенками и установленную в корпусе матрицу, состоящую из пластин с выштамповками гофр, пластины соединены между собой попарно по периферийным кромкам с образованием каналов для обеих сред, ограниченных поверхностями из взаимопересекающихся гофр [2] Теплообменник наиболее близок изобретению по совокупности существенных признаков и взят в качестве прототипа. Конструкция корпуса таких теплообменников однако сложна и дорога в производстве, а эффективность теплообмена недостаточно высока в связи с неравномерным распределением расхода теплоносителей по каналам матрицы. Кроме того, в таких теплообменниках трудно обеспечить герметичность проточных частей матрицы.

Изобретение направлено на упрощение конструкции теплообменников с целью их удешевления при одновременном повышении эффективности теплообмена и уменьшении потерь энергии.

Это достигается тем, что боковые стенки корпуса и прилегающие к ним крышки пластин имеют цилиндрическую форму, на пластинах выполнены выштамповки окон, которые попарно соединены с образованием подводящего и отводящего цилиндрических коллекторов, частично выступающих в распределительную и сборную камеры. Благодаря этому, во-первых, чрезвычайно упрощается конструкция корпуса он изготовляется из цилиндрической обечайки или отрезка трубы соответствующего диаметра, к которому привариваются или крепятся иным способом соосные входной и выходной патрубки для одного из теплоносителей. Торцевые стенки корпуса, к одной из которых (или к каждой по одному) крепятся патрубки другого теплоносителя, имеют простейшую дисковую форму. По сравнению с пластинчатыми теплообменниками с подводящими и отводящими коллекторами для обеих сред, образованных выштамповками окон, пластины данного теплообменника значительно проще и дешевле.

Кроме того, расположение части подводящего и отводящего коллекторов в распределительной и сборной камерах обеспечивает равномерное распределение расхода одного из теплоносителей по теплообменным каналам. Этой цели служат и другие частные отличия данного теплообменника-уменьшение угла отгиба кромки окон по потоку во входном коллекторе и увеличение по потоку этого угла в выходном коллекторе. Помимо этого указанный отгиб кромки уменьшает потери энергии в проточной части теплообменника и улучшает его технологичность наклонные кромки удобно сваривать электронно-лучевой сваркой через коллектор в собранном состоянии матрицы.

Выполнение гофр с предложенным углом при вершине ( γ= 40-80^о) позволяет увеличить количество точек контакта пластин. Благодаря этому уменьшается контактное напряжение, появляется возможность уменьшить толщину пластин и массу матрицы.

Другое частное отличие наличие поперечных выштамповок, образующих зигзагообразные каналы для одного из теплоносителей, повышает эффективность теплообмена за счет увеличения числа ходов при перекрестной схеме движения теплоносителей.

Наличие закруглений на концах выштамповок в местах поворота потока уменьшает потери энергии и повышает эффективность теплообмена. Наличие уплотнителей между кромками пластин матрицы, прилегающих к корпусу, уменьшает утечку теплоносителя в обход теплообменных каналов. Кроме того, размещение в боковых подводящем и отводящем патрубках трубок, присоединенных к соответствующим коллекторам, позволяет свести к минимуму перетечки между проточными частями теплоносителей, так как зазор между трубкой и патрубком можно эффективно уплотнить даже в разборной конструкции.

На фиг. 1 представлен теплообменник, поперечный разрез; на фиг. 2 то же, продольный разрез; на фиг. 3 разрез ABCD на фиг. 2; на фиг. 4 сечение гофра; на фиг. 5 схема, поясняющая необходимость выбора оптимального угла наклона кромок ( α_опт) относительно оси потока.

Теплообменник содержит корпус 1, симметричный относительно плоскости О-О, входной 2 и выходной 3 патрубки, распределительную камеру 4, сборную камеру 5, пластины 6 матрицы, периферийные кромки 7 пластин 6, выштамповки 8 гофр, выштамповки 9 окон, отводящий 10 и подводящий 11 коллекторы, выштамповки 12 поперечных перегородок, торцевое уплотнение 13, трубки 14 коллекторов, кромки 15 выштамповки окон, переходный участок 16, каналы 17, 18 для теплоносителей, торцевые стенки 19, 20 корпуса, подводящий 21 и отводящий 22 патрубки, уплотнитель 23. На чертеже показаны угол α отгиба кромки 15 и угол γ при вершине гофр.

Цилиндрический корпус 1 изготавливается, например, из обрезка трубы соответствующего диаметра или каким-либо другим способом. К нему крепятся входной 2 и выходной 3 патрубки. В корпусе укреплены торцевые стенки 19, 20, а в полости корпуса установлена матрица, состоящая из пластин 6, которые попарно соединены по периферийным кромкам 7, например, сваркой. На пластинах 6 выполнены выштамповки 8 взаимно пересекающихся в сборе гофр, которые образуют каналы 17 и 18 для теплоносителей. Кроме того, на пластинах 6 имеются выштамповки 9 окон, кромки 15 которых попарно соединены сваркой или другим способом. Между периферийными кромками 7 и выштамповками 8 расположен переходный участок 16, играющий роль демпфера. Окна образуют подводящий 11 и отводящий 10 коллекторы. К кромкам крайних окон каждого коллектора присоединены, например, сваркой трубки 14, которые расположены в подводящем 21 и отводящем 22 патрубках, укрепленных в торцевой стенке 19 (20). Патрубки могут быть укреплены также в обеих стенках. Зазор между патрубками 21, 22 и трубками 14 уплотнен любым известным способом. Между периферийными кромками 7 пластин 6, прилегающими к внутренней поверхности корпуса 1, помещены уплотнители 23. Между торцевыми стенками 19, 20 корпуса и крайними пластинами матрицы также установлены уплотнения 13. На пластинах выполнены выштамповки 12 поперечных перегородок, которые в сборе образуют зигзагообразные каналы для теплоносителя. Концы выштамповок 12 в местах поворота потока закруглены и обращены навстречу потоку. Кромки 15 окон пластин 6 отогнуты навстречу потоку в подводящем 11 и по потоку в отводящем 10 коллекторах, при этом оптимально, когда для одной из пластин кромка 15 располагается в плоскости переходного участка 16, а для сопряженной с ней другой пластины угол отгиба кромки 15 обеспечивает параллельность кромок обеих пластин. Кроме того, угол в подводящем коллекторе 11 может уменьшаться по потоку, а в отводящем 10 увеличиваться в диапазоне 0 ≅α_опт≅ 60^о.

Как видно из фиг. 4, угол при вершине гофр составляет 40-80^о, что значительно меньше, чем в известных конструкциях (115-150^о).

Теплообменник работает следующим образом.

Один из теплоносителей поступает через входной патрубок 2 в распределительную камеру 4, протекает по теплообменным каналам 17, образованным выштамповками 8 гофр, и затем удаляется через сборную камеру 5 и выходной патрубок 3. Предложенное расположение коллекторов 10, 11, частично выступающих в камеры 4, 5, обеспечивает равномерное распределение расхода теплоносителя по каналам 17, а это гарантирует эффективный теплообмен по всему объему матрицы. Другой теплоноситель поступает в подводящий коллектор 11 через патрубок 21. Отсюда он попадает в каналы 18, образованные выштамповками 8. Из каналов 18 теплоноситель поступает в коллектор 10 и удаляется через патрубок 22. Благодаря тому, что кромки 15 выштамповок окон отогнуты навстречу потоку в коллекторе 11 и по потоку в коллекторе 10, снижаются потери энергии при обтекании кромок 15. Если угол находится в диапазоне 0-60^о, то, как показывают расчеты, достигается минимум этих потерь. Изменением в коллекторах (увеличением по потоку в коллекторе 10 и уменьшением в коллекторе 11) можно добиться равномерного распределения теплоносителя по каналам 18, что обеспечивает повышение эффективности теплообмена. Для этой же цели выполнены выштамповки 12, образующие в сборе поперечные перегородки, которые обеспечивают зигзагообразные движения тепло- носителя, текущего в каналах 18.

Трубки 14, присоединенные к коллекторам 11, 10, служат для подвода и отвода теплоносителя, текущего по каналам 18. Зазор между трубками 14 и патрубками 21, 22 может быть эффективно герметизирован, что сводит к минимуму перетечки теплоносителей. Для этой же цели служат уплотнения 13, 23.

Применение сравнительно небольших углов при вершинах гофр (40-80^о) позволяет увеличить количество точек контакта смежных пластин. Благодаря этому появляется возможность уменьшить контактные напряжения под нагрузкой и тем самым снизить металлоемкость матрицы. Выполнение кромок выштамповок 12 обращенными навстречу потоку в зоне его поворота улучшает обтекание перегородок, уменьшает протяженность вихревых зон, улучшает теплообмен.

Использование: для упрощения конструкций теплообменников при одновременном их удешевлении и повышении эффективности теплообмена и уменьшении потерь энергии. Сущность изобретения: теплообменник содержит корпус с соосными входным и выходным патрубками, распределительной и сборной камерами для одного из теплоносителей. Последние имеют плоские торцевые и цилиндрические боковые стенки. В корпусе установлена матрица, состоящая из пластин с выштамповками гофр. Пластины соединены между собой попарно по периферийный кромкам с образованием каналов для обоих теплоносителей, ограниченных поверхностями из взаимно пересекающихся гофр. Боковые стенки корпуса и прилегающие к ним кромки пластин имеют цилиндрическую форму. На пластинах выполнены выштамповки окон. Они соединены попарно с образованием подводящего и отводящего цилиндрических коллекторов, частично выступающих в распределительную и сборную камеру. Кромки выштамповок окон отогнуты навстручу потоку в подводящем и по потоку в отводящем коллекторах. Угол отгиба находится в диапазоне 0 - 60°. Угол отгиба в подводящем коллекторе уменьшается по потоку, а в отводящем коллекторе увеличивается по потоку. На пластинах выполнены поперечные выштамповки, образующие загзагообразные каналы. Концы выштамповок в местах поворота потока закруглены и обращены навстречу потоку. Угол при вершине гофр 40 - 80°. Мужду кромками пластин матрицы, прилегающими к корпусу, установлены уплотнители. Теплообменник снабжен укрепленными в одной или обеих торцевых стенках корпуса подводящим и отводящим патрубками для второго теплоносителя и установленными в патрубках трубками, присоединенными к соответствующим коллекторам. Пластины выполнены симметричными относительно оси, параллельной оси входного и выходного патрубков. Матрица теплообменника смещена относительно центра симметрии корпуса так, что отношение длин фронтальной поверхности матрицы со стороны подвода теплоносителя 1,4 - 1,7. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий корпус с соосными входными и выходными патрубками, распределительной и сборной камерами для одного из теплоносителей, имеющими плоские торцевые и цилиндрические стенки, установленную в корпусе матрицу, состоящую из пластин с выштамповками гофр, соединенных между собой попарно по периферийным кромкам с образованием каналов для обоих теплоносителей, ограниченных поверхностями взаимно пересекающихся гофр, отличающийся тем, что боковые стенки корпуса и прилегающие к ним кромки пластин имеют цилиндрическую форму, на пластинах выполнены выштамповки окон, соединенные попарно с образованием подводящего и отводящего цилиндрических коллекторов, частично выступающих в распределительную и сборные камеры. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что кромки выштамповок окон отогнуты навстречу потоку в подводящем и по потоку в отводящем коллекторах. 3. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол отгиба кромок окон находится в диапазоне 0 60^o. 4. Теплообменник по пп.1 3, отличающийся тем, что угол отгиба в подводящем коллекторе уменьшается по потоку, а в отводящем коллекторе увеличивается по потоку. 5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на пластинах выполнены поперечные выштамповки, образующие зигзагообразные каналы. 6. Теплообменник по пп.1 и 5, отличающийся тем, что концы выштамповок в местах поворота потока закруглены и обращены навстречу потоку. 7. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что угол при вершине гофр находится в диапазоне 40 80^o. 8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что между кромками пластин матрицы, прилегающими к корпусу, установлены уплотнители. 9. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что он снабжен укрепленными в одной или обеих торцевых стенках корпуса подводящим и отводящим патрубками для второго теплоносителя и установленными в патрубках трубками, присоединенными к соответствующим коллекторам. 10. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены симметричными относительно оси, параллельной оси входного и выходного патрубков. 11. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что матрица теплообменника смещена относительно центра симметрии корпуса, при этом отношение длин фронтальной поверхности матрицы со стороны подвода теплоносителя и отвода составляет 1,4 1,7.