РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к теплотехнике, а более конкретно к теплообменникам (ТО) с интенсификацией теплообмена и теплопередачи в их проточных трактах за счет вставки в эти тракты пористопроницаемых наполнителей из высокотеплопроводных материалов, малой массой и малыми габаритами.

Предлагаемый теплообменник предназначается для применения в теплотехнических объектах, например, системах кондиционирования, криогенной технике, энергетике, двигателестроении и, в частности, для охлаждения наддувочного воздуха в системе турбонаддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных машин.

В выше указанной области применения при массовом производстве таких ДВС предлагаемый ТО будет нагружаться не слишком высокими давлениями в его проточных трактах, не превышающими 0,4 МПа (4 атм), а также умеренными температурами воздушных теплоносителей, превышающими 420 К (150^oC) (Ханин Н. С. и др. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. М. Машиностроение, 1991, с. 333 [1] Бурков В.В. Индейкин А.И. Автотракторные радиаторы. Л. Машиностроение, 1978, с. 215 [2] Бурков В.В. Алюминиевые теплообменники сельскохозяйственных и транспортных машин. М. Машиностроение, 1985, с. 339 [3]). Таким образом, здесь речь идет о низкобарных ТО, рабочее давление в трактах которых не превышает 5 атм.

Из приведенной литературы известно, что в транспортных машинах для охлаждения различных систем ДВС применяются, в основном, ТО, выполненные по радиаторной компоновке, что обусловлено целесообразностью и удобством их эксплуатации в окружающей воздушной среде, в которой функционируют транспортные средства. Здесь применяются радиаторы-теплообменники различных типов [1-3] но чаще всего трубчато-оребренные (трубчато-пластинчатые) [3] трубчато-ленточные и пластинчато-ленточные с двусторонним оребрением [1,2] причем во всех этих теплообменных устройствах реализуется неэффективное перекрестное течение теплоносителей, что является существенным недостатком этих устройств.

В качестве аналога (аналогов) предлагаемому в заявке теплообменнику можно брать любой из перечисленных выше ТО, а за один из прототипов, по сути предложения, следует взять трубчато-ленточный ТО [1]
Вторым логичным прототипом предлагаемому ТО, по сущности данной заявки, является известный рекуперативный теплообменник пластинчато-щелевого типа цилиндрической компоновки, в щелевые проточные тракты которого вмонтированы пористопроницаемые вставки, интенсифицирующие процессы теплообмена и теплопередачи в этом теплообменном устройстве (заявка N 4285162/24-06, положительное решение ВНИИГПЭ от 12.09.88 и заявка N 4934817/06-39320 от 07.05.91).

Однако цилиндрическая компоновка указанного ТО предназначена для высоких рабочих давлений в проточных трактах этих устройств, превышающих 10 атм, то есть эти ТО относятся к высокобарному типу, который неприемлем в транспортных машинах и, в частности, для холодильников наддувочного воздуха в системах турбонаддува ДВС.

Целью изобретения является предложение приемлемой для транспортных машин компоновки пористокомпактного теплообменника при уменьшении его массы и габаритов, сокращение материалоемкости конструкции, обеспечение минимальных потерь давления на прокатку теплоносителей по ТО и реализация в нем эффективного противоточного течения теплоносителей.

Поставленная цель достигается за счет того, что в теплообменнике радиаторного типа его тракты заполнены пористопроницаемыми наполнителями (вставками) из высокотеплопроводных материалов, течение теплоносителей в которых организовано по противоточной схеме, а пористая структура наполнителей оптимизирована так, что обеспечивает в теплообменнике предельно высокий уровень коэффициента теплопередачи при допустимых потерях давления в его трактах, и при этом поверхность теплопередачи в теплообменнике не совмещена с поверхностями теплообмена теплоносителей, которые обмениваются теплом с пористыми поверхностями теплопроводных каркасов пористопроницаемых наполнителей теплообменника, теплоидеально контактирующих с его поверхностью теплопередачи.

В предлагаемом ТО принцип его действия основан на интенсификации процессов теплообмена и теплопередачи путем введения в каналы трактов пористопроницаемого наполнителя из материалов с высокой теплопроводностью, например из меди или алюминия. Для этих целей можно применять, например, пористые вставки, изготовленные из так называемой металлорезины, которая представляет собой путанку из проволочных спиралей. При этом структура пористых вставок характеризуется: высотой (толщиной) вставки h, равной высоте щелевого канала; их пористостью ε; диаметром проволоки d_п; гидравлическим диаметром вставки d_г и сформированной в структуре удельной поверхностью а. Эти величины являются геометрическими параметрами пористопроницаемых структур, выполненных из металлорезины.

Такие пористые наполнители, обладая практически неограниченной, но контролируемой и регулируемой пористой поверхностью, увеличивают поверхность теплообмена в проточных трактах ТО настолько, насколько это необходимо для повышения уровня их эффективности. В этом заключается их роль интенсификаторов теплообменных процессов в теплообменнике. В связи с этим в ТО поверхности теплообмена, без особых проблем, можно создать любого требуемого уровня и, в частности, гораздо более высокого, чем в лучших известных трубчато-ленточных или пластинчато-ленточных теплообменниках, применяемых в системах турбонаддува ДВС [1] и [2]
Тем не менее, известный прототипный ТО (заявки N 4934817 и 4285162) пластинчато-щелевого типа, выполненный по цилиндрической компоновке и предназначенный для высоких давлений в трактах, оказался неприемлемым для транспортных машин исключительно по компоновочным соображениям в связи с неудобством его размещения и монтажа в подкапотном отсеке транспортной машины. Поэтому в данной заявке для охлаждения наддувочного воздуха в системе турбонаддува ДВС предлагается ТО, выполненный по модульно-радиаторной компоновке, приемлемой для транспортных систем.

Суть этого предложения состоит в том, что здесь предложено условно горячий первый проточный тракт теплообменника выполнить в виде расчетно-требуемого набора отдельных индивидуальных и одиночных модулей, представляющих из себя герметичные относительно тонкие и плоские ампулы, заполненные внутри пористопроницаемыми, интенсифицирующими теплообмен, наполнителями (вставками) с толщиной h₁. Ампулы при этом по их высоте В с противоположных сторон имеют входной и выходной щелевые коллекторы для организации протока по их длине L горячего теплоносителя (фиг.1 и 2).

Описанные модули в предлагаемом ТО размещаются друг относительно друга на определенном расчетном расстоянии h₂ с шагом t = h₁+h₂+2δ, где δ толщина материала ампулы, которые по их высоте В и длине L заполняются другими пористопроницаемыми вставками, образующими второй, условно холодный, проточный тракт теплообменника.

Совершенно очевидно, что этот условно холодный второй тракт в предложенном ТО является типично радиаторным, обычно заполняемый в известных радиаторах непористыми материалами, а ребрами, пластинами, лентами и т.п. [2] и [3]
Из сказанного с очевидностью следует, что предлагаемый здесь теплообменник, с одной стороны, является пористым, а с другой, радиатором, и этот дуализм стал возможен благодаря введению в его конструкцию описанных выше модульных ампул, которые обеспечивают в этой конструкции новое ее качество при использовании в ней новой совокупности известных признаков, описанных в принятых здесь прототипах и литературе.

Это новое качество, предложенного в данной заявке ТО позволяет его применять в транспортных системах и, по-видимому, не только в них, но и в других областях техники, где реализуются невысокие давления теплоносителей в технических устройствах различного назначения. В связи с этим не слишком нагруженная конструкция таких ТО, естественно, будет облегченной, малогабаритной и нематериалоемкой и в ней реализуется эффективная классическая схема организации течения теплоносителей противоточная или, по необходимости, прямоточная вследствие введения модульных ампул в конструкцию этих теплообменников. Что касается гидравлических потерь давления на прокачку теплоносителей по предлагаемой в заявке конструкции ТО, то, практически, любые допустимые их уровни здесь могут быть обеспечены за счет варьирования структурными характеристиками их пористопроницаемых наполнителей, например, из металлорезины.

Таким образом, предложенный в заявке рекуперативный теплообменник полностью удовлетворяет поставленным выше целям.

На фиг.1 и 2 изображена компоновка предложенного ТО и его модульной ампулы, а также указательные с индексацией стрелки направления движения теплоносителей по ТО при реализации и противоточной схемы течения и габаритные стрелки с их безразмерным обозначением и, кроме того, в безмерном виде указаны некоторые характерные размеры и параметры предложенного теплообменного устройства.

Теплообменник содержит набор модульных ампул 1, погруженных в пористопроницаемую массу 2, которая представляет собой типичный радиаторный охладительный тракт, полностью исполняющий предназначенные ему функции в предложенном устройстве, распределительные входной и выходной коллекторы 3 для условно "горячего" теплоносителя, которые равномерно распределяют его массовый расход по набору теплоотдающих модулей 1, обечайку 4, опоясывающую охладительный тракт или, вообще, отсутствующую, и это все в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации предложенного устройства. В принципе, по необходимости, к обечайке 4 могут пристыковываться коллекторные входные и выходные приемники, которые на фиг.1 и 2 приведены пунктирно.

Функциональная работа предложенного и представленного в общем виде на фиг.1 и 2 теплообменника заключается в следующем.

Горячий газовый теплоноситель 1, например, из компрессора турбокомпрессорного агрегата ДВС поступает в распределительный верхний коллектор 3, а из него в модульные ампулы 1, пройдя по которым, выходит в нижний коллектор 3, покидая предлагаемый ТО.

Холодный газовый теплоноситель 2, если, например, ТО используется в системе турбонаддува ДВС, работающей по схеме ГГ, то есть газ газ, например, воздух воздух, от скоростного напора и возможно от вентилятора радиатора транспортной машины напрямую поступает в тракт 2 ТО, в который погружены его модульные ампулы тракта 1. Пройдя тракт 2 ТО, газовый охладитель покидает его.

Если ТО используется, например, в системе турбонаддува ДВС, работающей по схеме ГЖ, то есть газ жидкость, например, воздух вода, то жидкий охладитель подается в нижний патрубок входного коллекторного приемника, на фиг.1 и 2, обозначенного пунктиром, пройдя по нему и тракту 2 ТО, он попадает в выходной приемник, на фиг.1 и 2 также обозначенном пунктиром, и через соответствующий патрубок этого приемника жидкий теплоноситель покидает ТО.

Технико-экономическая или иная эффективность предложенного теплообменника, как, впрочем, и теплообменников любых других типов, полностью характеризуется величиной двух относительных их выходных параметров удельной массой устройства g_c (кг/кВт) и его литровой мощностью Q_л (кВт/л). Первый параметр характеризует массовое совершенство ТО, а второй его габаритное совершенство. Совершенно очевидно, что чем ниже первый и чем выше второй параметры, тем совершеннее будет теплообменник во всех отношениях.

В изобретении для одних и тех же эксплуатационных условий представлены, наряду с некоторыми другими, указанные выше выходные параметры ряда теплообменников, использующихся для охлаждения наддувочного воздуха в системах турбонаддува ДВС, выполненные из алюминия. Здесь представлены две основные и конкурирующие системы турбонаддува, одна из которых использует только газовые теплоносители (ГГ), то есть воздух -воздух, а другая газожидкостные (ГЖ), то есть воздух охлаждающая ДВС жидкость, например вода.

Предложенный в заявке ТО в системе ГГ практически не уступает американскому ТО, хотя последний имеет поддув охлаждающего тракта 2 от специального вентилятора, смонтированного на турбокомпрессорном агрегате системы [2] а в предложенном ТО этот поддув осуществляется только от скоростного напора, появляющегося при движении транспортной машины.

В системе ГЖ предложенный в заявке ТО имеет поразительно рекордные результаты по указанным выше относительным выходным его параметрам, которые по массе лучше против остальных? представленных в ТО, приблизительно в 10-33 раза, а по габаритам приблизительно в 16-28 раз. То есть предлагаемый в заявке теплообменник в системе ГЖ более чем на порядок эффективнее и лучше против остальных рассмотренных типов ТО, а сама система ГЖ при использовании в ней предложенного теплообменного устройства более эффективна, чем система ГГ, и становится внеконкурентной.

Следует также заметить, что в транспортном двигателестроении почти все теплопередающие устройства принято выполнять по радиаторному типу, которые при компоновке должны характеризоваться шириной В, высотой H и глубиной L (обычно длина тракта охлаждения). При этом глубина L и величина суммарной теплопередающей поверхности теплообменника F_Σ определяются по конкретному Т3 теплогидравлическими расчетами, а высота H и ширина В по теплопередающей поверхности F_Σ. В последнем случае можно задаваться любым соотношением между высотой и шириной по конкретным компоновочным соображениям выполнения теплообменного устройства.

Использование: в теплообменниках с интенсификацией теплообмена с теплопередач в их проточных трактах, например, в системах кондиционирования, криогенной технике, энергетике, двигателестроении и, в частности, для охлаждения наддувочного воздуха в системах турбонаддува двигателей внутреннего сгорания транспортных машин. Сущность изобретения: в теплообменнике в его проточных трактах размещены пористые наполнители из высокотеплопроводных материалов. 2 ил.

Рекуперативный теплообменник, включающий условно горячий и условно холодный тракты, подключенные по схеме противотока, и размещенные в них пористые вставки, а также входные и выходные коллекторы, отличающийся тем, что один его тракт выполнен в виде набора автономных однотипных герметичных плоских ампул, разделенных между собой одинаковыми зазорами, образующими второй его тракт, а пористые вставки этих трактов имеют одинаковые размеры по периметру, причем толщины этих вставок, определяемые техническим заданием и теплогидравлическим расчетом устройства, полностью заполняют высоту каналов трактов с теплоидеальным контактом с их поверхностью, при этом вставки одного из трактов установлены в ампулах с образованием с их стенками входных и выходных внутри ампульных щелевых коллекторов, подключенных соответственно к входному и выходному коллекторам теплообменника, поверхность теплопередачи которого, образованная набором его ампул, не совмещена с поверхностью теплообмена теплоносителей, которые обмениваются теплом с пористыми поверхностями теплопроводных каркасов пористых вставок его каналов трактов.