ПЛАСТИНА ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 1998 года по МПК F28F3/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструктивным элементам теплообменных и теплопередающих устройств, преимущественно к теплообменникам газовых водонагревателей.

Известна пластина теплообменника, содержащая плоскоовальные отверстия, выполненные под углом друг к другу, а по обе стороны плоскоовальных отверстий параллельно их осям выполнены турбулизирующие выступы (авт. св. СССР N 1128093, кл. F 18 F 1/26, F 28 F 3/08, F 28 D 9/00// F 25 B 39/04). Такая конструкция пластины не позволяет достичь необходимой интенсификации теплообмена.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности существенных признаков (прототип) является пластина, имеющая гофрированные и гладкие участки с отверстиями и расположенные между отверстиями вырезы с кромками, отогнутыми под углом к направлению потока рабочей среды на высоту гофр с образованием направляющих каналов, вершина угла между кромками каждого выреза совмещена с центром смежного с ним отверстия, а направляющие каналы имеют на входе ширину, превышающую диаметр отверстий (авт. св. СССР N 1245850, кл. F 28 F 1/32, 3/04).

Такая конструкция пластины также не позволяет достичь необходимой интенсификации теплообмена, особенно при использовании пластины в теплообменниках для газовых водонагревателей. Известно, что наиболее интенсивный теплообмен происходит в зоне контакта пластины с трубкой. Поэтому конструкция пластин теплообменников должна обеспечивать наиболее полное направление потока рабочей среды в зону контакта трубки с пластиной, т.е. в зону отверстий. В известной пластине значительная часть потока рабочей среды по каналам, образованным гофрами, уходит, не попадая в зону размещения отверстий. Вырезы, выполненные между отверстиями, своими кромками направляют поток на переднюю зону отверстий, а тыльная зона отверстий недостаточно охватывается потоком рабочей среды и там могут возникать "застойные зоны". К тому же такая конструкция пластины не позволяет увеличить теплообмен с обеих сторон пластины.

Изобретение направлено на повышение теплообмена.

Это достигается тем, что в известной пластине теплообменника, содержащей гладкие участки с по меньшей мере одним рядом отверстий, параллельным передней кромке пластины, и расположенные между отверстиями направляющие поток рабочей среды каналы, новым является то, что каналы выполнены в виде выдавок, начинающихся от передней кромки пластины и переходящих в ответвления, направленные в тыльную зону смежных с каналом отверстий.

Такая конструкция пластины теплообменника позволяет значительно повысить теплообмен за счет направления потока рабочей среды, протекающего между рядами отверстий по потоку, в тыльную зону смежных с каналом отверстий, т.е. в зону контакта трубок и пластин теплообменника.

Выполнение каналов пластины сужающимися или ступенчатыми позволяет эффективнее использовать поток рабочей среды при нескольких рядах отверстий в пластине, параллельных ее передней кромке.

Выполнение за каждой парой отверстий дополнительных выдавок при конструкции пластины, когда каналы расположены между парами отверстий, позволяет также направить поток рабочей среды, протекающий между отверстиями пары, в тыльную зону этих отверстий и увеличить теплообмен.

Кроме того, использование теплообменников с такими пластинами в газовых водонагревателях позволит снизить количество оксидов углерода в отходящих газах водонагревателей и снизить количество потребляемого газа на нагревание воды до нужной температуры за определенный промежуток времени (доказано испытаниями).

На фиг. 1 изображен вид сверху на пластину теплообменника, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - вариант выполнения пластины с сужающимися каналами и выдавкой за парой отверстий.

Пластина 1 теплообменника содержит гладкие участки 2, на которых выполнены отверстия 3. Отверстия 3 расположены параллельными рядами относительно передней кромки 4 пластины 1 (на фиг. 1 показано три ряда отверстий). Отверстия 3 имеют бортики 5 для создания хорошего контакта с трубками теплообменника (не показаны). На пластине 1 выполнены каналы 6 в виде выдавок, то есть дно 7 канала 6 смещено относительно плоскости гладких участков 2 пластины.

Боковые стенки 8 и 9 канала 6 выполнены под углом ко дну 7 канала и величину угла и переход от стенок 8 и 9 ко дну 7 и к плоским участкам 2 пластины выбирают из требований технологичности изготовления, т.е. штамповки. Каналы 6 начинаются от передней кромки 4 пластины 1 и расположены по потоку рабочей среды между отверстиями теплообменника. Приблизительно от горизонтальной оси отверстий 3 первого ряда, параллельного передней кромке 4 пластины 1, у канала 6 начинаются ответвления 10, которые направлены в тыльную зону 11 смежных с каналом отверстий 3 первого ряда. Канал 6 выполнен ступенчатым, т.е. ширина b канала после ответвлений 10 меньше, чем ширина a канала перед ответвлениями 10. Далее по потоку рабочей среды в зоне второго ряда отверстий канал имеет ответвления 12, направленные в тыльную зону 11 смежных с каналом отверстий 3 второго ряда. В зоне второго ряда отверстий 3 канал 6 также имеет ступеньку, т.е. ширина d канала 6 после ответвлений 12 меньше ширины c канала 6 перед ответвлениями 12.

Число ступенек канала на единицу меньше числа рядов отверстий, параллельных передней кромке 4. Ступеньки канала увеличивают эффективность отвода рабочей среды в ответвления. В зоне третьего ряда отверстий 3 канал 6 переходит в ответвления 13, направленные в тыльную зону 11 отверстий 3 последнего ряда, смежных с каналом. Этими ответвлениями 13 канал 6 заканчивается.

Таким образом выполнены все каналы пластины. В каждом ряду, параллельном передней кромке 4, к каждому отверстию 3 пластины, смежному с каналом 6, канал имеет ответвления 10, 12, 13, направленные в тыльные зоны 11 смежных с каналом 6 отверстий 3. Контур ответвлений выполняется плавными линиями, и каждое ответвление сужается от начала к периферии. Заканчиваются ответвления не доходя до вертикальной оси соответствующего отверстия. Каналы получают методом штамповки. На фиг. 1 показана пластина с "коридорным" расположением отверстий по потоку рабочей среды и расположением каналов между каждым рядом отверстий, перпендикулярным передней кромке пластины. Предлагаемая конструкция предполагает и попарное размещение отверстий в рядах, параллельных передней кромке пластины, а каналов - между парами таких отверстий, по меньшей мере в последнем ряду от передней кромки. На фиг. 3 показана пластина с попарным размещением отверстий в последнем ряду, параллельном передней кромке пластины, и одним отверстием в первом ряду, параллельном последнему. В пластине 1 на фиг. 3 отверстия 3 размещены на гладких участках 2 пучками из трех отверстий, между этими пучками выполнены каналы 6 с ответвлениями 10 и 13. Каналы 6 начинаются от передней кромки 4 пластины 1 и выполнены сужающимися по потоку рабочей среды. Ответвления 10 и 13 направлены в тыльную зону 11 смежных с каналом отверстий 3. За каждой парой отверстий последнего ряда выполнены дополнительные выдавки 14. Выдавки 14 выполнены в сторону выдавок (каналов) 6 и равной с ними глубины. Форма выдавок 14 может быть треугольной, в виде цилиндра и т.д.

Благодаря выполнению каналов 6 сужающимися обеспечивается разница между шириной a канала перед ответвлениями 10 и шириной b канала после ответвления 10, что также повышает эффективность отвода потока рабочей среды из канала 6 в ответвления 10.

Каналы 6 могут быть выполнены сужающимися и в то же время и ступенчатыми в зависимости от конкретной конструкции пластины, лишь бы был эффективный отвод рабочего потока в ответвления 10, 12, 13.

Пластина может иметь всего один ряд отверстий, параллельных передней кромке пластины, и в этом случае обеспечивается эффективный теплообмен.

Пластина работает следующим образом.

Поток рабочей среды, это, как правило, газовоздушная смесь, начиная свое движение от передней кромки 4 пластины 1, обтекает ее сверху и снизу. При "коридорном" расположении отверстий 3 (фиг. 1) поток между каналами 6 непосредственно направляется на отверстия 3 (в теплообменнике это трубки), обтекая отверстия 3, поток, благодаря ответвлениям 10, 12, 13, направляется в тыльную зону 11 отверстий. Поток, который течет между отверстиями, т.е. по каналам 6, также благодаря тому, что каналы выполнены ступенчатыми или сужающимися, попадает в ответвления 10, 12, 13 и направляется в тыльную зону 11 отверстий 3, смежных с каналами 6, чем создается эффективное обтекание отверстий, а, следовательно, и эффективный теплообмен в зоне контакта пластины и трубки. При попарном расположении отверстий (фиг. 3) поток, пройдя между отверстиями пары благодаря имеющейся за ними дополнительной выдавке 14, направляется в тыльную зону отверстий этой пары, что также увеличивает теплообмен.

Пластина теплообменника предназначена для использования в машиностроении, в частности, в качестве конструктивных элементов теплообменных и теплопередающих устройств, преимущественно газовых водонагревателей. Повышение эффективности теплообмена обеспечивается тем, что пластина 1 содержит гладкие участки 2 с по меньшей мере одним рядом отверстий 3, параллельным передней кромке 4 пластины 1, и расположенные между отверстиями 3 направляющие поток рабочей среды каналы 6, причем каналы 6 выполнены в виде выдавок, начинающихся от передней кромки 4 пластины 1 и переходящих в ответвления 10,12,13, направленные в тыльную зону 14 смежных с каналом отверстий 3. Такая конструкция пластины 1 теплообменника позволяет значительно повысить эффективность теплообмена за счет направления потока рабочей среды, протекающего между рядов труб, в тыльную зону 11 смежных с каналом отверстий 3, т. е. в зону контакта трубок и пластин теплообменника. Выполнение каналов 6 пластины сужающимися или ступенчатыми позволяет эффективнее использовать поток рабочей среды при нескольких рядах отверстий 3 в пластине 1, параллельных ее передней кромке 4. Выполнение за каждой парой отверстий 3 дополнительных выдавок при конструкции пластины 1, когда каналы 6 расположены между парами отверстий 3, позволяет также направить поток рабочей среды, протекающий между отверстиями 3 пары, в тыльную зону 11 этих отверстий и увеличить эффективность теплообмена. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Пластина теплообменника, содержащая гладкие участки с по меньшей мере одним рядом отверстий, параллельным передней кромке пластины, и расположенные между отверстиями каналы, отличающаяся тем, что последние выполнены в виде выдавок, начинающихся от передней кромки пластины и переходящих в ответвления, направленные в тыльную зону смежных с каналом отверстий. 2. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что каналы выполнены ступенчатыми по ширине, а число ступенек канала на единицу меньше числа рядов отверстий, параллельных передней кромке. 3. Пластина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каналы по ширине выполнены сужающимися от передней кромки пластины. 4. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что каналы расположены между парами отверстий по меньшей мере в последнем ряду от передней кромки, а за каждой парой отверстий последнего ряда выполнены дополнительные выдавки.