ПАКЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 1997 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов, преимущественно к пакетам компактных пластинчатых теплообменников, и может быть использовано в энергетическом машиностроении, химической промышленности.

Для компактных пластинчатых теплообменников характерно большое геометрическое разнообразие внутренних поверхностей составляющих их пакетов, однако при этом многообразии эти поверхности должны обладать высоким отношением площади теплоотдачи к единице объема и иметь по возможности низкое гидравлическое сопротивление.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий плоские листы с размещенными между ними гофрированными вставками, образующими каналы, в которых установлены поперечные перегородки с прорезями, снабженные турбулизаторами, размещенными по длине канала с постоянным шагом (А.с. СССР N 661229; кл. F 28 F 3/02, 1979, БИ N 17).

Недостатком указанного пакета является его невысокая интенсивность теплообмена.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины, установленные в контакте по вершинам гофр с образованием каналов для рабочих сред, причем одна часть пластин имеет на боковых сторонах гофр ряды отверстий, расположенных на смежных сторонах со смещением, а другая - турбулизирующие выступы, и пластины с выступами сгруппированы в секции, разделенные пластинами, имеющими отверстия (А.с. СССР N 1322068, кл. F 28 F 3/02, 1987, БИ N 25). Недостатком пакета является его невысокая технологичность, значительное гидравлическое сопротивление и невысокая интенсивность теплообмена.

Цель изобретения интенсификация теплообмена, повышение компактности и снижение гидравлического сопротивления и расширение технологических возможностей.

Заявляемый пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины, снабженные отверстиями и турбулизирующими выступами и установленные в контакте по вершинам гофр, отличается тем, что гофрированные пластины выполнены из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), например из меди с диаметром пор d_п 1 5 мм и пористостью П 84 96%
ВПЯМ представляет из себя трехмерный сетчато-ячеистый каркас, составленный из плотноупакованных многогранных ячеек с проницаемыми гранями (фиг. 1). Ребра граней в виде трехгранных микростержней имеют длину ≈ 0,4 0,5 d_п, которая не зависит от пористости ВПЯМ; пористость ВПЯМ пористость ВПЯМ определяет размеры поперечного сечения ребра для каждого диаметра пор. Диаметр пор ВПЯМ определяется типом используемой при его получении проницаемой полимерной подложки, например пенополиуретана. Технология получения ВПЯМ с матрицей из меди основана на осаждении меди из раствора ее солей химическим или электрохимическим восстановлением с последующим удалением полимера при спекании. Пористость наиболее существенно сказывается на теплофизических и механических свойствах ВПЯМ и слабо влияет на величину его деталей поверхности и коэффициент проницаемости, определяющий гидравлические свойства ВПЯМ. Последние две характеристики определяются главным образом диаметром пор ВПЯМ. В таблице приведены характеристики ВПЯМ из меди. Выбор диаметра пор ВПЯМ гофрированных пластин в заявляемой конструкции обусловлен необходимостью обеспечения с одной стороны высокой удельной поверхности каркаса, с другой низкого гидравлического сопротивления при значительных расходах теплоносителя, что будет способствовать более интенсивному обмену теплом между теплоносителем и высокоразвитой сетчато-ячеистой поверхностью гофрированной пластины.

Использование ВПЯМ с диаметром пор менее 1 мм неприемлемо по двум причинам во-первых, это уменьшает проницаемость ВПЯМ настолько, что теплоноситель начинает течь преимущественно по каналам, практически не проникая в пористые гофрированные пластины, и тем самым уменьшается интенсивность теплообмена из-за частичного исключения из него кондуктивного переноса тепла по каркасу ВПЯМ; во-вторых, ребра становятся достаточно малого размера, чтобы эффективно выполнять роль турбулизаторов потока теплоносителя, протекающего по каналам. Применение ВПЯМ с диаметром пор более 5 мм нецелесообразно, поскольку при этом уменьшается удельная поверхность каркаса, что приводит к снижению локального коэффициента теплоотдачи, а также из-за значительных технологических проблем получения исходной полимерной подложки для изготовления ВПЯМ.

Выбор пористости ВПЯМ гофрированной пластины обусловлен необходимостью обеспечения высокого уровня прочности коэффициента теплопроводности, а также проницаемости.

Использование ВПЯМ с пористостью более 96% нецелесообразно, т.к. при этом сетчато-ячеистый каркас обладает низким уровнем механических свойств и неудовлетворительной несущей способностью, а также низкой теплопроводностью, что ухудшает кондуктивный перенос тепла по каркасу. Применение гофрированных пластин из ВПЯМ с пористостью менее 84% нерационально как из-за значительных материальных затрат при его изготовлении в процессе металлизации, так и с точки зрения одной из наиболее важных его характеристик проницаемости, которая уменьшается настолько, что приводит к перераспределению потоков теплоносителя, движущихся по каналам и по гофрированным пластинам в сторону первых и соответственно к снижению интенсивности теплообмена.

Диаметр пор и пористость ВПЯМ гофрированных пластин выбираются, исходя из необходимости обеспечения оптимального соотношения между теплообменными характеристиками заявляемого пакета пластинчатого теплообменника, трудоемкостью и себестоимостью его изготовления.

На фиг. 2 схематично изображен предложенный пакет пластинчатого теплообменника с гофрированной пластиной из ВПЯМ.

Пакет содержит разделительные пластины 1, между которыми помещена гофрированная пластина 2 из ВПЯМ. Пакет уплотнен с помощью проставок 3, размещенных между пластинами. Между гофрированными и разделительными пластинами образуются каналы 4. Пакет работает следующим образом. При протекании теплоносителя между пластинами 1 последний движется как вдоль каналов 4, так и через проницаемую сетчато-ячеистую гофрированную пластину 2. Ребра ВПЯМ выполняют функцию турбулизаторов: теплоноситель, обтекая ребра, образует за ними трехмерные отрывные течения, приводящие к возникновению поперечных циркуляций, что заставляет теплоноситель перетекать сквозь поры из гофрированной пластины в каналы и обратно. Учитывая статистическую распределенность расположения ребер в гофре без какого-либо преимущественного направления, перестроение профиля скоростей потока теплоносителя происходит постоянно. Постоянное перераспределение потока сопровождается его активным перемешиванием с одновременным взаимодействием с высокоразвитой поверхностью гофра, что приводит к достижению наибольшей интенсивности теплообмена в турбулентном режиме течения теплоносителя. При работе пакета кондуктивный перенос тепла к пластинам 1 осуществляется не только по объему теплоносителя, но и по сетчато-ячеистой гофрированной пластине из ВПЯМ, которая по своим вершинам контактирует с пластинами 1.

Пример конкретной реализации предлагаемого технического решения.

Изготовлен перекрестноточный теплообменник размером 140х140х140х мм, состоящий из 14 пакетов, показанных на фиг. 2, которые последовательно установлены друг на друге таким образом, чтобы оси каналов в соседних пакетах были перпендикулярны. В качестве материала разделительных пластин, проставок и гофрированных пластин из ВПЯМ использована медь. Гофрированные пластины толщиной 4 мм с высотой и шагом гофров соответственно 9,7 и 8 мм изготовлены из ВПЯМ с пористостью 92% и диаметром ячейки 4 мм и соединены с разделительными пластинами (толщиной 0,25 мм) методом совместной химической металлизации с последующим спеканием. Проставки установлены и закреплены пайкой твердым припоем ПМ-17.

Проведены теплогидравлические исследования теплообменника на экспериментальном стенде при продувке горячим и холодным воздухом.

В ходе проведения экспериментов параметры потоков воздуха изменялись в следующих диапазонах:
для охлаждаемого (нагретого) воздуха: расход 4,7 11 г/с, давление на входе 0,2 МПа, температура на входе 373 и 423 К.

для охлаждающего (холодного) воздуха: расход 70 г/с, давление на входе 0,1 МПа, температура на входе 290,1 294,9 К.

Гидравлическое сопротивление в магистрали охлаждаемого воздуха теплообменника составило 250 270 Па, а в магистрали охлаждающего воздуха 1960 2200 Па.

В зависимости от расхода нагретого воздуха (4,7 11,1 г/с) и его температуры на входе 373 и 423 K удалось достичь тепловых потоков соответственно 365 944 Вт и 609 1425 Вт, при этом воздух охладился до температур 294,3 296,9 K и 295,4 297,2 K, т.е. на 76,1 78,7 и 125,8 - 127,6 градусов.

Проведенные теплогидравлические исследования теплообменника показали, что применение ВПЯМ позволяет создавать высокоэффективные и компактные теплообменные аппараты.

Использование: в энергетическом машиностроении, химической промышленности. Пакет пластинчатого теплообменника содержит гофрированные пластины с отверстиями и турбулизирующими выступами, установленные в контакте по варшинам гофр с разделительными пластинами с образованием каналов для рабочих сред. Причем гофрированные пластины выполнены из высокопористого ячеистого материала /ВПЯМ/ с пористостью 84 - 96% и диаметром ячейки 1/5 мм. 2 ил., 1 табл.

Пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины с отверстиями и турбулизирующими выступами, установленные в контакте по вершинам гофр с разделительными пластинами с образованием каналов для рабочих сред, отличающийся тем, что гофрированные пластины выполнены из высокопористого проницаемого ячеистого материала с пористостью 84 96% и диаметром ячейки 1 5 мм.