ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D1/00 F28D7/00 F28D9/00 F28F1/00 F28F3/00 

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным аппаратам холодильной, криогенной и другой теплообменной техники. Изобретение особенно целесообразно при использовании в качестве радиатора моторного транспортного средства для охлаждения наддувочного воздуха, масла и антифриза, а также в качестве конденсатора, испарителя и прочих рекуперативных теплообменников с противоточной и перекрестноточной схемой движения теплоносителей.

Известен теплообменник, содержащий коллекторы и канал для двух теплоносителей, организованные пакетом теплопроводных пластин, разделяющих теплоносители, и проставок-ребер, развивающих теплообменную поверхность и искусственно турбулизирующих потоки каждого теплоносителя [1]
Недостатками известного теплообменника являются трудность использования его при наличии существенной разницы в давлениях теплоносителей (например, более 1 МПа), низкая надежность и неудовлетворительная технологичность изготовления из-за относительно большого числа сборочных единиц деталей.

Известен теплообменник, выбранный в качестве прототипа, содержащий коллекторы и каналы по крайней мере для двух теплоносителей, организованные пакетом теплопроводных пластин с рядами отверстий и проставок между рядами отверстий, разделяющих теплоносители [2]
Известная конструкция частично устраняет недостатки аналога, однако по сравнению с ним имеет повышенные потери давления (ΔР) в каналах при одинаковых условиях работы и габаритах (фронтального сечения) теплообменника, что сильно ограничивает область использования таких теплообменных аппаратов. Это обусловлено тем, что в данной конструкции целесообразно применять отверстия с эквивалентным диаметром d_э только меньше 2 мм. Если увеличивать диаметр отверстия d_э > 2 мм (например, с целью уменьшения ΔР/ΔL при прочих одинаковых условиях согласно известной зависимости
ΔP/ΔL=ζ·G²/(2·ρ·F2у

_з·d_э) 1,6·ζ·G²/(2·ρ·n²·d2э)
то ухудшается интенсивность теплоотдачи. Для поддержания ее надо увеличивать расстояние между пластинами (или толщину проставок), которое, как правило, больше d_э. Это приводит к существенному уменьшению компактности теплообменника S/V, м²/м³ (величины теплообменной поверхности на единицу объема).

Решаемая задача интенсификация теплообмена, расширение функциональных возможностей, в частности расширение диапазона рабочего давления и области эффективного применения, а также повышение технологичности изготовления теплообменника за счет упрощения и снижения числа сборочных единиц деталей.

Был проведен поиск. Аналогов, порочащих отличительную часть формулы, обнаружено не было, на основании чего был сделан вывод, что данный теплообменник является новым и обладает существенными отличиями.

Для решения задачи в теплообменнике, содержащем коллекторы и каналы по крайней мере для двух теплоносителей, организованные пакетом теплопроводных пластин с рядами отверстий и проставок между рядами отверстий, разделяющих теплоносители, согласно изобретению проставки выполнены полыми с наклонными перемычками-турбулизаторами в зоне каждого отверстия пластин и наложены на отверстия пластин с переворотом на угол 180^о через каждую пластину, причем поверхность пластин между проставками в каналах для перекрестного тока теплоносителя имеет турбулизирующие элементы в виде, например, выступов, расположенных под углом 45-90^о к оси каналов.

На фиг. 1 изображен теплообменник в виде радиатора; нар фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 теплообменник в виде конденсатора-испарителя; на фиг. 6 теплообменник с противоточно-перекрестным током; на фиг. 7 теплообменник с противотоком.

Теплообменник содержит коллекторы (или коллекторные пластины) 1 и каналы 2 и 3 по крайней мере для двух теплоносителей. Эти каналы организованы пакетом 4 теплопроводных пластин 5 с рядами отверстий 6 и проставок 7, разделяющих теплоносители. Проставки 7 выполнены полыми с наклонными перемычками-турбулизаторами 8 в зоне каждого отверстия 6 пластин и наложены на отверстия пластин с переворотом на угол 180^о через каждую пластину 5. В каналах 3 для перекрестного тока поверхность пластин 5 между проставками 7 имеет турбулизирующие элементы 9 в виде, например, выступов, расположенных под углом 45-90^о к оси каналов 3.

Пластины 5 и проставки 7 изготовлены из теплопроводного материала, например из алюминиевого сплава, меди, латуни или стали. Пластины 5 выполнены из металлической ленты толщиной δ_л= 0,1-0,4 мм путем пропускания между двумя специальными каликами, которые обеспечивают порядное прорезание отверстий 6 и формовку (или накатку) турбулизирующих элементов 9 на поверхности пластины нужной ширины. Пластины 5 могут иметь дополнительные локальные проколы 10 с односторонним отгибом буртика (высотой до толщины проставок 7) для фиксации проставок 7 по наружному торцу на листах при сборке, а также при необходимости на участках с турбулизирующими элементами 9 для поддержания формы листов в процессе пайки пакета 4. Проставки 7 с перемычками-турбулизаторами 8 выполнены из металлического листа толщиной δ_пр= 0,5-2 мм путем штамповки. Для обеспечения герметизации между теплоносителями пластины 5 и проставки 7, собранные в пакет 4, могут быть сжаты или склеены, или спаяны. Конструктивное исполнение каналов 2 и 3 и наличие в полых проставках 7 перемычек-турбулизаторов 8 позволяют расширить возможный диапазон рабочих давлений (или возможную разницу в давлениях между теплоносителями 2 и 3), например, до 20 МПа.

Изобретение обеспечивает в каналах теплообменника при наличии только двух сборочных единиц деталей (пластина 5 и проставка 7) с относительно простой технологией изготовления, достижение эффективного сочетания геометрических параметров турбулизаторов для получения рациональной интенсификации теплообмена, а также развития и соотношения теплообменных поверхностей каналов 2 и 3 на различные условия работы теплообменника. Известно, что в негладких каналах увеличение средней интенсивности теплоотдачи за счет искусственной турбулизации потока (число Нуссельта Nu) по отношению к теплоотдаче в гладком канале (Nu_2л), т.е. величина Nu/Nu_гл А, а также повышение коэффициента гидравлического сопротивления (ζ) по сравнению со средним значением сопротивления гладкого канала (ζ_гл.ср= 0,02), т.е. значение ζ/ A², зависят от сочетания геометрических параметров турбулизирующих элементов, главными из которых являются относительная высота элементов (выступов) h/R h/(h + 0,05 a_уз) и расстояние между ними по оси потока t/h. Здесь а_уз расстояние между противоположными турбулизаторами (стенками) в узком проходном сечении канала. В частности, для канала 2, образованного отверстиями 6 в пластинах совместно с перемычками-турбулизаторами 8 проставок, это эквивалентный диаметр в узком проходном сечении единичного канала (a_уз) d_э2= 4F_iуз/п_iуз, а для канала 3 с противоточным током теплоносителя (фиг. 2-4) (a_уз)₃= δ_пр-2h d_э3/2 (δ_пр- толщина проставки). Высота турбулизаторов h₂ в канале 2 может быть различной по периметру единичного канала (п_iуз)₂) и равна или половине ширины перемычек 8 проставок, или половине ширины перемычки между отверстиями 6 в пластинах, или половине ширины перемычки между отверстием и внутренним торцом проставки на соответствующих частях периметра единичных каналов. При этом расстояние между турбулизаторами t₂ изменяется от δ_пр до 2 (δ_пр+δ_л).

Для достижения рациональной интенсификации теплообмена в каналах, т.е. например, величин Nu/Nu_гл 2-4,5 и ζ/ζ_гл.ср= 3-16, нужны определенные сочетания значений (t/h)_рац (например, в диапазоне от 2 до 6) в зависимости от принимаемой величины h/R (в частности, от 0,7 до 0,1 соответственно).

Конструкция теплообменника обеспечивает широкое варьирование геометрических параметров турбулизаторов и получение эффективного сочетания их во всех каналах для достижения рациональной интенсификации теплообмена, а также развития теплообменной поверхности S (например, для канала 2S_*2 S₂/S_2гл.уз 5-6) и соотношения поверхностей между каналами (например, S_*3,2 S₃/S₂ 1-3). Это важно, в частности, для удовлетворения известного условия оптимальной теплопередачи между теплоносителями α₃·S_*3,2·η_р2 или (при газообразных теплоносителях)
S_*3,2·η_р2 ≈
на заданные условия работы (массовые расходы G₂ и G₃, тепловая нагрузка Q, средний температурный напор ΔТ_ср между теплоносителями, их теплофизические свойства и потери давления в каналах ΔР). Здесь η_p- эффективность оребрения, в частности, пластин между проставками.

В предлагаемом теплообменнике можно реализовывать движение теплоносителей с перекрестным током (фиг. 1), с противоточно-перекрестным током (фиг. 6) и с чистым противотоком (фиг. 7).

Теплообменник работает следующим образом.

При перекрестном токе (фиг. 1) в качестве одного из теплоносителей (за N₂) может быть жидкость или газ с повышенным давлением, конденсирующийся или кипящий хладагент, а в качестве другого теплоносителя (за N₃) например, атмосферный воздух с вынужденным движением от вентилятора. Теплоноситель N₂ подается через входной коллектор 1 в каналы 2, образованные рядами отверстий 6 в пластинах 5 и внутренней полостью проставок 7 с перемычками-турбулизаторами 8, и выходит из этих каналов 2 через выходной коллектор. Теплоноситель N₃(атмосферный воздух) поступает и проходит в каналах 3 между проставками 7 и пластинами с турбулизирующими элементами 9. По мере течения теплоносителей в каналах происходит передача тепла (Q) от более теплого теплоносителя, например, в канале 2 к более холодному в канале 3 по перемычкам-турбулизаторам 8 и стенкам проставок 7 и по перемычкам пластин, расположенных в канале 2, и далее по пластинам-ребрам с турбулизирующими элементами 9 канала 3. При этом пластины и проставки должны быть достаточно теплопроводными, чтобы в рабочих условиях эффективность оребрения их η_p была близка к единице.

Теплообменник с перекрестным током теплоносителей можно также эффективно использовать как конденсатор-испаритель (фиг. 5). В этом случае ось потока в каналах 3 (между проставками 7 и пластинами с турбулизирующими элементами 9) желательно ориентировать под углом 10-20^ок вертикали. Тогда в эти каналы 3 подводят снизу кипящую жидкость, которая в каналах 3 образует подъемное двухфазное течение с верхним отводом пара после выхода из каналов. При этом каналы 2 ориентированы под углом 10-20^о к горизонту, и в них сверху подводят пар, который эффективно конденсируется в каналах 2 и в виде конденсата стекает из каналов и отводится.

Теплообменник можно выполнять с чистым противотоком (фиг. 7). При этом каналы 2 и 3 для теплоносителей имеют аналогичную конструкцию (т.е. они образованы рядами отверстий 6 в пластинах 5 и внутренней полостью проставок с перемычками-турбулизаторами 8) с возможной разницей по величине развития поверхности S₃/S₂ и интенсификации теплообмена в зависимости от заданных условий работы.

Организация противоточно-перекрестного тока (фиг. 6) особенно целесообразна при создании крупных теплообменников (с объемом до 10 м³) из отдельных теплообменных блоков с перекрестным током, как на фиг. 1. Эти блоки 4 могут изготавливаться серийно и иметь определенные размеры (например, l_i x B_i x H 150 x 650 x H мм) с установленными теплогидравлическими характеристиками. При расчете крупного теплообменного аппарата оптимизируются высота (Н) и количество блоков для организации не менее пяти перекрестных ходов, что равносильно чистому противотоку с прямым и обратным потоками. Прямой поток с повышенным давлением удобно пропускать через каналы 2, а обратный поток через каналы 3 (между проставками 7 и пластинами с турбулизирующими элементами 9). Блоки 4 стыкуются последовательно в направлении оси каналов 3 путем сварки наружной кромки коллекторных пластин 1, а затем после сборки всего аппарата приваривают коллекторы для прямого потока. Такая сборка позволяет по сравнению с существующей технологией с пайкой (или склеиванием) крупных противоточных пластинчатых теплообменников свести к минимуму материальные и денежные потери от возможного брака при пайке (или склеивании), а также устранить аксиальную теплопроводность и возможную неравномерность перераспределения расхода в каналах.

Предлагаемый теплообменник является конкурентноспособным существующим лучшим теплообменникам по теплогидравлическим характеристикам и компактности на заданные условия работы.

Изобретение обеспечивает рациональную интенсификацию теплообмена, расширение функциональных возможностей (в частности, расширение диапазона рабочего давления и области эффективного применения), а также повышение технологичности изготовления теплообменника за счет упрощения и снижения числа сборочных единиц деталей.

Использование: для интенсификации теплообмена и повышения технологичности. Сущность изобретения: проставки 7 выполнены полыми с наклонными перемычками-турбулизаторами 8 в зоне каждого отверстия 6 пластин 5. Они наложены на отверстия пластин с переворотом на угол 180° через каждую пластину. Поверхность пластин 5 между проставками 7 в каналах для перекрестного тока теплоносителя имеет турбулизирующие элементы в виде, например, выспупов, расположенных под углом 45 90° к оси каналов. 7 ил.

ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий коллекторы и каналы по крайней мере для двух теплоносителей, организованные пакетом теплопроводных пластин с рядами отверстий и проставок между рядами отверстий разделяющих теплоносители, отличающийся тем, что проставки выполнены полыми с наклонными перемычками-турбулизаторами в зоне каждого отверстия пластин и наложены на отверстия пластин с переворотом на угол 180^o через каждую пластину, причем поверхность пластин между проставками в каналах для перекрестного тока теплоносителя имеет турбулизирующие элементы в виде, например, выступов, расположенных под углом 45 90^o к оси каналов.