ТЕПЛООБМЕННИК ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА Российский патент 1998 года по МПК F28D20/00 

Изобретение относится к теплообменнику пластинчатого типа, который образован конструкцией из некоторого количества параллельных длинных полостей с прямоугольным или овальным поперечным сечением. В каждую из полостей в качестве теплопередающей среды заливается определенный объем рабочей текучей среды. Эта пластина может эксплуатироваться в качестве термодиода или однонаправляющего термосифона в направлении толщины пластины.

Принцип действия изобретения заключается в том, что текучая среда в нижней части полостей испаряется под действием тепла, подводимого через нижнюю поверхность теплообменника. Пар, который смещается вверх к верхней части полостей, затем конденсируется за счет охлаждения у верхней поверхности теплообменника, и следовательно, скрытая теплота парообразования передается наружу через верхнюю поверхность полостей.

Следовательно, тепло передается от нижней поверхности полостей за счет испарения рабочей текучей среды к верхней поверхности полостей путем конденсации пара при наличии силы тяжести. Поскольку тепло не может передаваться от верхней поверхности теплообменника и его нижней поверхности, теплообменник может функционировать в качестве термодиода.

Когда произошла конденсация текучей среды, она течет вниз по стенкам полостей в нижнюю часть полостей при наличии такого силового поля, как гравитационное, поскольку плотность жидкой фазы рабочей текучей среды выше, чем плотность паровой фазы рабочей текучей среды.

Следовательно, когда теплообменник пластинчатого типа, изготовленный в соответствии с изобретением, устанавливается на место, тепло передается только от нижней стороны к верхней стороне теплообменника и не может эффективно передаваться в обратном направлении.

Механизм теплопередачи, использующий скрытую теплоту парообразования рабочей текучей среды, аналогичен механизму действия термосифона, описанного [1]
Однако, вследствие того, что конструкция теплообменника по изобретению совершенно отличается от конструкции термосифона, направление (маршрут) теплопередачи иное, чем в обычном термосифоне. Обычные термосифоны выполнены из системы труб, которые имеют сравнительно небольшую площадь в направлении теплового потока вследствие малого диаметра используемых труб. В таких обычных термосифонах тепло передается в трубу через боковую стенку нижней части трубы, содержащей текучую среду, и тепло удаляется через боковую стенку конденсирующей части, расположенной в верхней части термосифона. Следовательно, недостатки обычного термосифона проявляются в том случае, когда его необходимо использовать в ситуации, где зона теплопередачи или зона, в которой должна поддерживаться однородная температура, является довольно большой по площади по сравнению с площадью термосифона в направлении теплового потока.

Задача изобретения заключается в том, чтобы разработать теплообменник пластинчатого типа, который поглощает тепло у своей нижней поверхности и передает тепло наружу через свою поверхность. Теплообменник может иметь широкую сферу применения при высоком термическом КПД.

Одной из областей применения предложенного теплообменника является использование его в качестве "термодиода" пластинчатого типа, который применяется для обеспечения устойчивых или для защиты основания трубопроводов, дорог, взлетно-посадочных полос аэропортов, сооружений и т.д. путем поддержания основания замороженным в регионах с чрезвычайно низкими температурами окружающей среды. Для достижения той же величины тепловой эффективности, какая имеет место при применении теплообменника пластинчатого типа по изобретению, потребовалось бы большое количество обычных термосифонов. Кроме того, при использовании обычных термосифонов также требуется, чтобы часть термосифона была открыта в атмосферу.

При использовании теплообменника пластинчатого типа по изобретению, который полностью засыпан землей, одна пластина может покрывать большую площадь дороги или летного поля, чтобы сохранить основание замороженным в регионах с чрезвычайно низкими температурными окружающей среды. Поскольку у теплообменника нет частей, которые открыты (в атмосферу), можно избежать полной потери коэффициента теплопередачи устройства.

Другим примером применения теплообменника пластинчатого типа по изобретения является использование его для потолка или пола в сравнительно больших помещениях, таких как административные здания, производственные предприятия, складские здания или даже крыши вагонов-рефрижераторов, где требуется регулирование температуры. Расходы при эксплуатации подобного теплообменника для данных целей в отличие от обычных систем можно практически не принимать в расчет.

Теплообменник пластинчатого типа по изобретению может быть изготовлен способами экструзионного прессования или прокатки, которые характеризуются высокой производительностью. Обычные термосифоны, как правило, изготавливаются по одному из металлических труб, но материалом для изготовления устройства по изобретению могут служить не только металлы, но и многие виды пластмасс.

Как подтверждено в Jnternatinal Jornal of Heat and Mass Transfer, Vol 15, pp, 1695-1707, базовая термостойкость, которая определяет термический КПД такой теплообменной системы, как термосифон, который передает тепло, используя скрытую теплоту парообразования рабочей текучей среды, определяется коэффициентами теплопередачи на наружной поверхности термосифона. Следовательно, даже если устройство по изобретению изготовлено из таких пластмасс, как полиэтилен, полипропилен и т.д. у которых сравнительно низкие коэффициенты теплопроводности по сравнению с металлами, термический КПД устройства снизится незначительно.

Когда предполагается использование пластмасс, процесс изготовления устройства по изобретению может быть очень похож на процесс горячего прессования металлических труб, который является лучшим технологическим процессом из современных методов изготовления, используемых для производства обычных термосифонов. Если устройство по изобретению предполагается изготавливать из металлических материалов, можно использовать процесс профилирования листов металла (на роликовой листогибочной машине), который аналогичен процессу экструзионного прессования, используемому для пластмасс.

Рабочая текучая среда, подлежащая заливке в устройство по изобретению, может представлять собой такую однокомпонентную текучую среду, как вода, фреон II, диоксид углерода, аммоний, этанол и т.п. в зависимости от практических условий применения.

Для определенных случаев лучшие технические характеристики по сравнению с однокомпонентной бесприместной текучей средой может обеспечить двухкомпонентная смесь двух текучих сред. Например, при применении в регионах с низкими температурами окружающей среды в теплообменнике по изобретению может быть лучше пригодна для использования рабочая текучая среда из воды и этанола или из воды и этиленгликоля.

На практике в обычных термосифонах в качестве рабочей текучей среды в диапазоне температур выше точки замерзания при давлении, близком к атмосферному, используется вода. Для диапазона температур ниже точки замерзания используются такие однокомпонентные текучие среды, как фреон II, диоксид углерода, аммоний или этанол, которые по сравнению с водой относительно дороги. В теплообменнике по изобретению в случае применения его в регионах с низкими температурами окружающей среды в качестве рабочей текучей среды вместо таких дорогих однокомпонентных текучих сред, как упомянутые выше, будет использоваться смесь воды и этанола или воды и этиленгликоля, что делает устройство еще более выгодным с точки зрения затрат.

На фиг.1 показано перспективное изображение с пространственным разделением деталей предлагаемого теплообменника; на фиг.2 перспективное изображение предлагаемого теплообменника по фиг.1 в собранном виде с местным разрезом, чтобы показать внутреннюю структуру теплообменника; на фиг.3 узел I на фиг. 2; на фиг. 4 процесс заливки рабочей текучей среды в полость, которая образует ячейку в предлагаемом теплообменнике; на фиг.5 поперечное сечение ячейки предлагаемого теплообменника, выполненной на основе другой конструкторской идеи; на фиг. 6 поперечное сечение примера узла для практического применения предлагаемого теплообменника.

Теплообменник 1 пластинчатого типа состоит из основной пластины 2, имеющей некоторое количество теплопередающих ячеек (полостей) 3, которые проходят параллельно вдоль основной пластины 2, и двух торцевых пластин 4a и 4b, которые закрывают теплопередающие ячейки 3 в основной пластине 2 путем закрывания левого и правого торцов основной пластины 2.

Каждая теплопередающая ячейка 3 отделена (от соседних ячеек) вертикальными перегородками 5, которые проходят между верхней стенкой 2a основной пластины 2 и нижней стенкой 2b основной пластины 2.

Заранее определенное количество рабочей текучей среды 6 заливается под вакуумом в теплопередающую ячейку 3 через заправочные отверстия 7, расположенные в верхней стенке 2a основной пластины 2.

Рабочая текучая среда 6 заливается в теплопередающую ячейку 3 с помощью устройства 8 для заливки рабочей текучей среды, которые имеет вакуумную магистраль 9 и магистраль 10 для заливки рабочей текучей среды, как показано на фиг.3. Инертный газ или воздух, находящийся в ячейке 3, удаляют через вакуумную магистраль 9 устройства 8 для заливки рабочей текучей среды, которая соединена с заправочными отверстиями 7. Затем вакуумную магистраль 9 закрывают, а магистраль 10 для заливки рабочей текучей среды открывают, так что рабочая текучая среды всасывается в ячейки 3. Рабочая текучая среда 6 в объеме, составляющем часть объема теплопередающей ячейки 3, заливается в каждую ячейку 3. Следовательно, в ячейке 3 имеются одновременно жидкая фаза 3a и газообразная фаза 3b рабочей текучей среды 6.

Когда процесс заливки рабочей текучей среды 6 завершен, устройство 8 для заливки рабочей текучей среды убирают от заправочного отверстия 7, и заправочное отверстие 7 потом герметизируют.

В качестве рабочей текучей среды 6, заливаемой в ячейки 3, можно использовать или такие однокомпонентные текучие среды, как вода, фреон II, диоксид углерода, аммоний, этанол и т.д. или двухкомпонентную смесь двух текучих сред, таких как вода и этанол или вода и этиленгликоль, в зависимости от условий применения.

Основная плита 2 может изготавливаться из пластмасс способом экструзионного прессования или из металлических материалов способом профилирования листового металла. Ширина и длина основной пластины 2 определяются применением устройства.

Теплообменник 1 пластинчатого типа по настоящему изобретению передает тепло от нижней стенки 2b к верхней стенке 2a основной пластины 2. Рабочая текучая среда в нижней части испаряется под действием тепла от нижней стенки 2b основной пластины. Пар перемещается через ячейку 3 и затем конденсируется путем охлаждения на верхней стенке 2a ячейки 3, а скрытая теплота парообразования рабочей текучей среды передается наружу через верхнюю стенку 2a ячейки 3. Конденсат возвращается в нижнюю часть ячейки 3 и процесс непрерывно повторяется и, следовательно, тепло передается от нижней части пластины 1 к верхней части пластины 1 без какого-либо дополнительного или внешнего действия по передаче тепла.

Поскольку пластина 1 имеет модульную конструкцию, пластина 1 может быть изготовлена таким образом, что такая обширная площадь, как площадь автострады или взлетно-посадочной полосы аэропорта, может быть покрыта путем простого последовательного или параллельного соединения таких модулей.

Фиг. 5 представляет собой поперечное сечение теплопередающей ячейки 3, основанной на другой конструктивной идее. Фитиль 11 вертикально установлен в ячейке 3 от верхней стенке 2a к нижней стенке 2b. Использование фитиля 11 в ячейке 3 основано на принципе обычных тепловых труб, и ячейку 3 с фитилем 11 можно использовать даже в том случае, когда отсутствует такое силовое поле, как гравитационное.

Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение узла для другого примера практического применения теплообменника. На верхней наружной поверхности теплопередающей пластины 1 прикреплены ребра 12 с тем, чтобы увеличить термический КПД теплопередающей пластины 1, когда ребра 12 открыты для воздействия воздуха.

Изобретение может быть видоизменено в рамках объема формулы изобретения помимо графических материалов 1-5, как одного примера из различных вариантов исполнения.

Использование: например, в качестве "термодиода" для обеспечения устойчивости или для обеспечения защиты оснований трубопроводов, дорог, сооружений и т.д. в регионах с чрезвычайно низкими температурами окружающей среды или для потолка и пола в больших помещениях, где требуется регулирование температуры. Сущность изобретения: создание теплообменника с высоким термическим КПД, который поглощает тепло у своей нижней поверхности и передает его через свою верхнюю поверхность, обеспечивается тем, что теплообменник пластинчатого типа в своем поперечном сечении имеет ряд прямоугольных или овальных полостей 3 (или ячеек), в каждую из которых заливается определенное количество рабочей текучей среды 6. В этих ячейках 3 тепло от нижней поверхности 2a теплообменника за счет испарения и конденсации текучей среды 6. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменник пластинчатого типа, имеющий основную пластину и рабочую текучую среду в своей внутренней части, отличающийся тем, что он состоит из основной пластины с теплопередающими ячейками, которая содержит основную пластину с параллельной конструкцией из ряда длинных ячеек, имеющих прямоугольное или овальное поперечное сечение и отделенных друг от друга вертикальными перегородками, проходящими между верхней стенкой и нижней стенкой основной пластины, и в которые залито определенное количество рабочей текучей среды, и две торцевые пластины, которые закрывают теплопередающие ячейки в основной пластине путем закрывания левого и правого торцев основной пластины. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что основная пластина с рядом теплопередающих ячеек изготовлена способом экструзионного прессования с использованием пластмасс. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что основная пластина с рядом теплопередающих ячеек изготовлена способом профилирования листового металла с использованием металлических материалов. 4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что рабочая текучая среда представляет собой однокомпонентную текучую среду, выбранную из группы, в которую входят вода, фреон II, диоксид углерода, аммоний и этанол. 5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что рабочая текучая среда представляет собой двухкомпонентную смесь, состоящую из воды и этанола или из воды и этиленгликоля.