ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D1/03 F28F3/02 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического и химического машиностроения и может быть использовано в различных типах теплообменного оборудования, например, рекуператорах, подогревателях, охладителях и др.

Пластинчатые теплообменники нашли широкое применение в различных областях машиностроения: энергетическом, химическом, медицинском и др.

Значительная часть пластинчатых теплообменников конструктивно представляет собой набор параллельных пластин, уложенных и загерметизированных друг относительно друга таким образом, что между пластинами образуются чередующиеся каналы для циркуляции теплообменных сред. Таким образом, соединенные между собой попарно пластины образуют соответствующую полость для прохода теплоносителя, а чередование этих пар и подключение их к соответствующим коллекторам подвода и отвода теплообменных сред формируют пластинчатый теплообменник. Силового корпуса при такой конструкции теплообменника не требуется, а обеспечение прочности теплообменника при перепадах давления выше 0,1 МПа производится путем сжатия пакета пластин при помощи плит и стягивающих элементов.

Такие теплообменники отличаются от других видов теплообменников большей компактностью поверхности теплообмена в единице объема, меньшими массо-габаритными размерами и стоимостью (см. например, Н.В.Барановский, Д.М.Коваленко, А.Р.Ястребенецкий. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М. Машиностроение, 1973, стр. 45-46).

К недостаткам указанных теплообменников относятся сложность и ненадежность узла уплотнения между пластинами, а также не обеспечена их прочность при значительных перепадах давления между пластинами (более 1 МПа).

Другая разновидность пластинчатых теплообменников позволяет работать при перепадах давления до 4,5 МПа. Конструктивно они выполнены из набора плоских, изготовленных из листа пластин или труб, заделанных по краям в трубные доски и затем установленных и загерметизированных в силовом корпусе. При этом одна среда движется внутри плоских труб, а другая в межтрубном пространстве, то есть между трубами и внутренней поверхностью корпуса (см. например, там же стр. 32-35).

К недостаткам можно отнести меньшую компактность поверхности по сравнению с теплообменниками, описанными выше.

Известны пластинчатые теплообменники, включающие в себя положительные качества обоих видов вышеописанных теплообменников (см. например, патент США N 4178991, опубл. 18.12.79. кл. F 28 F3/02).

Теплообменник, описанный в патенте США, снабжен продольно расположенной трубкой в качестве направляющей одной из теплообменных сред, теплообменным элементом, расположенным коаксиально в корпусе и имеющим множество стенок, исходящих наружу из продольно расположенной центральной зоны, а каждая стенка соединена с внутреннего края с одной смежной стенкой, а с внешнего края с другой смежной стенкой, средство для перекрытия зон расхода, образующее тракты для циркуляции теплообменных сред, кроме того, стенки могут быть сформированы из гофрированных пластин, которые чередуются с плоскими пластинами.

Недостатками данной конструкции являются:
низкая компактность теплообменной поверхности, так как пространство, охваченное корпусом, не используется полностью, неиспользованной остается центральная часть теплообменника;
повышенное входное и выходное гидравлическое сопротивление в каналах по обоим трактам, вызванное тем, что количество этих каналов, в зависимости от ширины продольного канала и ширины перегородки между каналами на центральной трубе, определяется ее периметром. Уменьшение гидравлического сопротивления в каналах за счет увеличения количества продольных каналов на центральной трубе приводит к увеличению ее диаметра и, следовательно, к еще большему уменьшению пространства, используемого для размещения теплообменной поверхности, то есть к уменьшению компактности теплообменника. Уменьшение гидравлического сопротивления в каналах за счет увеличения их высоты на входе и выходе приведет к увеличению высоты теплообменника, то есть также к уменьшению компактности теплообменника.

По наибольшему числу общих признаков и достигаемому эффекту патент США N 4178991 выбираем за прототип.

Решаемая задача повышение эффективности работы теплообменника за счет выполнения более компактной теплообменной поверхности и уменьшения гидравлического сопротивления.

Поставленная задача решается за счет того, что в теплообменнике, содержащем корпус, в котором расположен теплообменный элемент, состоящий из множества стенок, обращенных наружными краями в сторону корпуса, при этом каждая стенка соединена с наружного края с одной смежной стенкой, а с внутреннего края с другой смежной стенкой, образуя каналы для циркуляции теплообменных сред, средство для перекрытия каналов и образования трактов циркуляции теплообменных сред, пространство, охваченное корпусом, разделено на зоны, в пределах которых размещены теплообменные элементы, внутренние края стенок которых обращены к внутренним краям стенок теплообменных элементов или к стенке теплообменных элементов, расположенных в смежных зонах, причем средство для перекрытия каналов и образования трактов циркуляции теплообменных сред размещено в каналах, стенки которых соединены с внутреннего края, полностью перекрывая их сечение, а также в каналах, стенки которых соединены с наружного края, перекрывая их сечение частично со стороны наружного края, и объединенных общим герметизирующим элементом, на котором закреплены коллектор подвода и отвода одной из теплообменных сред, кроме того, стенки каналов, расположенных в смежных зонах, соединены компенсаторами.

Расположение теплообменного элемента в пределах зон, на которые разделено пространство, охваченное корпусом, обеспечивает повышенную компактность теплообменной поверхности за счет использования его центральной части и позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление в каналах за счет увеличения их количества, так как ликвидирована причина, сдерживающая их увеличение. Это позволяет повысить эффективность работы теплообменника, то есть получить более высокие характеристики при тех же габаритах теплообменника.

На фиг. 1 показан общий вид теплообменника; на фиг. 2 показано сечение А-А фиг.1, расположение теплообменных элементов, внутренние края стенок которых обращены к внутренним краям стенок теплообменных элементов, расположенных в смежных зонах; на фиг. 3 показан узел Б фиг. 2, расположение теплообменных элементов в смежных зонах; на фиг. 4 показано сечение А-А фиг. 1, вариант расположения теплообменных элементов, внутренние края стенок которых обращены к стенкам теплообменных элементов, расположенных в смежных зонах; на фиг. 5 показано сечение В-В фиг. 1, расположение средства для перекрытия каналов; на фиг. 6 показано сечение Г-Г фиг. 5, элементы перекрытия каналов; на фиг. 7 показано сечение Д-Д фиг. 5, объединение общим герметизирующим элементом; на фиг. 8 показан компенсатор, соединяющий стенки теплообменных элементов, расположенных в смежных зонах.

Теплообменник состоит из корпуса 1, снабженного подводящим коллектором 2 с патрубком 3 и отводящим коллектором 4 с патрубком 5 одной теплообменной среды, подводящим коллектором 6 с патрубком 7 и отводящим коллектором 8 с патрубком 9 другой теплообменной среды. Пространство, охваченное корпусом 1, разделено на зоны, в пределах которых расположены теплообменные элементы 10. состоящие из множества стенок 11, обращенных наружными краями 12 в сторону корпуса 1. Каждая стенка 11 соединена с наружного края 12 с одной смежной стенкой, а с внутреннего края 13 с другой смежной стенкой, образуя при этом каналы 14 и 15 для циркуляции теплообменных сред. Стенки 11 теплообменных элементов 10 одной зоны обращены внутренними краями 13 к внутренним краям 13 стенок 11 теплообменных элементов 10 смежных зон (см фиг. З) или к стенке 11 теплообменного элемента 10 смежной зоны (см. фиг. 4). С целью образования трактов циркуляции теплообменных сред проходные сечения каналов 14 и 15 на входных и выходных участках герметично перекрыты, причем сечения каналов 14, перекрыты полностью, например, элементами 16 (фиг. 6), а сечение каналов 15
частично со стороны наружных краев 12 элементами 17. Все смежные элементы 16 и 17 и торцы стенок 11 объединены общим герметизирующим элементом 18 (фиг. 7), к которому присоединены подводящий коллектор 6 и отводящий коллектор 8. Стенки 11 крайних каналов, находящихся в смежных зонах, соединены между собой дополнительным компенсатором 19, который воспринимает на себя все перемещения при расширениях и сжатиях теплообменных элементов под действием высоких и низких температур.

Работает теплообменник следующим образом.

Теплоноситель, например нагреваемый газ, подается по патрубку 3 в коллектор 2, из него через продольные проходы между наружными краями 12 стенок 11, обращенных к коллектору 2, поступает в каналы 14 теплообменных элементов 10, продвигается вдоль по ним, нагревается, достигает выхода из каналов и выходит из теплообменника через отводящий патрубок 5 коллектора 4. Другой теплоноситель, например греющий газ, подается по патрубку 7 в коллектор 6, распределяется по каналам 15, продвигается вдоль по ним, отдавая тепло нагреваемому газу, движущемуся противотоком в смежных каналах 14, выходит из теплообменника через патрубок 9 коллектора 8.

Расположение теплообменных элементов 10 в пределах зон, на которые разделено пространство, охваченное корпусом 1, и размещение наружных краев 12 стенок 11 в сторону корпуса 1, а внутренних краев 13 теплообменных элементов 10 одной зоны к внутренним краям 13 теплообменных элементов 10 смежной зоны позволяют полностью использовать внутрикорпусное пространство, то есть использовать центральную часть корпуса. Размещение средства для перекрытия каналов и образования трактов циркуляции теплообменных сред на входных и выходных участках каналов 14 с полным перекрытием сечения, а каналов 15 с частичным перекрытием сечения со стороны наружных краев 12 позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление в каналах за счет увеличения количества каналов.

Предлагаемый теплообменник позволяет получить в том же объеме большую производительность, так как обеспечена более плотная компоновка, то есть более рационально использовано внутрикорпусное пространство, уменьшить гидравлическое сопротивление.

Использование: изобретение относится к области энергетического и химического машиностроения и может быть использовано в различных типах теплообменного оборудования, например, рекуператорах, подогревателях, охладителях и др. Сущность: теплообменник состоит из корпуса 1, снабженного подводящими коллекторами и отводящими коллекторами каждой теплообменной среды. Пространство, охваченное корпусом 1, разделено на зоны, в пределах которых расположены теплообменные элементы 10, состоящие из множества стенок 11. Каждая стенка 11 соединена с наружного края 12 с одной смежной стенкой, а с внутреннего края 13 - с другой смежной стенкой, образуя при этом каналы 14 для циркуляции теплообменных сред. Каналы 14 расположены в пределах зоны таким образом, что стенки 11 теплообменных элементов 10 одной зоны обращены внутренними краями 13 к внутренним краям стенок 11 теплообменных элементов 10 смежных зон или к стенке 11 теплообменного элемента 10 смежной зоны. Средство для перекрытия каналов 14 и 15 установлено на входных участках каналов 14 и полностью перекрывает его сечение, а на входных участках каналов 15 частично перекрывает его сечение со стороны наружного края 12 и объединено общим герметизирующим элементом. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Теплообменник, содержащий корпус, в котором расположен теплообменный элемент, состоящий из множества стенок, обращенных наружными краями в сторону корпуса, при этом каждая стенка соединена с наружного края с одной смежной стенкой, а с внутреннего края с другой смежной стенкой, образуя каналы для циркуляции теплообменных сред, средство для перекрытия каналов и образования трактов циркуляции теплообменных сред, отличающийся тем, что пространство, охваченное корпусом, разделено на зоны, в пределах которых размещены теплообменные элементы, внутренние края стенок которых обращены к внутренним краям стенок смежных зон или к стенке теплообменного элемента смежной зоны, причем средство для перекрытия каналов и образования трактов циркуляции теплообменных сред размещено в каналах, стенки которых соединены с внутреннего края, полностью перекрывая их сечение, а также в каналах, стенки которых соединены с наружного края, перекрывая их сечение частично со стороны наружного края, и снабжено общим герметизирующим элементом, на котором закреплен коллектор подвода или отвода теплообменной среды. 2. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что стенки крайних каналов, расположенных в смежных зонах, соединены компенсаторами.