ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1999 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к теплообменной технике, а именно к теплообменникам.

В настоящее время одной из основных проблем при создании теплообменников является улучшение его массовых характеристик.

Известен блочный теплообменник с индивидуальным подводом одного теплоносителя и общим поперечным подводом другого теплоносителя, содержащий две цилиндрические пластины, расположенные параллельно друг другу, в которых выполнено заданное количество сквозных отверстий, внутрь которых введены теплообменные трубы, принадлежащие теплообменным ячейкам. Головки установлены по окружности боковых участков пластин и закрывают эти участки. Под давлением, направленным к центру от боковой стороны головок по боковым участкам пластин, происходит формирование единой конструкции, состоящей из труб пластин и головок. При этом по сторонам труб проходит камера горячего дутья. Процесс теплообмена осуществляется между средой в камере и вторичным носителем тепла (заявка Японии N 54-13010, МКИ F 28 D 7/00, B 21 D 53/2 - прототип).

Данный теплообменник не обеспечивает равномерного теплообмена и плотного расположения теплообменных элементов по всему сечению теплообменника, а также движения компонентов, участвующих в теплообмене по схеме "ток - противоток", которая является наиболее эффективной при ограничении возможных потерь давления в тракте. Это приводит к снижению эффективности теплообмена и обеспечивает сравнительно низкие массовые характеристики.

Целью настоящего изобретения является снижение массы теплообменника с возможностью обеспечения схемы "ток - противоток" при широком варьировании мощностей.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном теплообменнике, выполненном в виде секции, содержащей подводящий и отводящий патрубки, трубчатые теплообменные элементы, концы которых установлены в днищах, помещенных в коллекторы, в днищах между концами теплообменных элементов выполнены сквозные каналы с гидравлическими характеристиками, близкими к характеристикам основного рабочего трубчатого участка, днище теплообменника имеет форму шестигранника, который является составной частью сотовой матрицы, обеспечивающей наиболее плотную упаковку, подводящий и отводящий патрубки, расположенные перпендикулярно к продольной оси трубчатых теплообменных элементов, имеют в поперечном сечении форму крыла, что позволяет при прохождении потока рабочего тела (например, воздуха) патрубкам участвовать в создании подъемной силы.

Для максимального использования всей поверхности теплообменника в процессе теплопередачи подводящий и отводящий патрубки имеют развитую (оребренную) поверхность, что способствует интенсификации теплообмена и обеспечивает им улучшенные прочностные характеристики.

На наружной поверхности трубчатых теплообменных элементов выполнены винтовые каналы под углом наклона ≤ 45^o к оси, которые образуют на внутренней поверхности трубки эквидистантные выступы, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена не только на поверхности, но и внутри теплообменных элементов. Следует отметить, что при увеличении угла наклона винтовых каналов > 45^o растет гидравлическое сопротивление потока, что приведет к "запиранию" теплообменных каналов, при уменьшении угла наклона до 0^o интенсивность теплообмена в каналах снижается в 1,5 - 2 раза.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом и другими известными техническими решениями в данной области техники показало, что данная совокупность признаков в предложенном сочетании применена впервые и ранее не использовалась.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Предложенный теплообменник представлен на:
фиг. 1 - продольный разрез теплообменника,
фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1,
фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2,
фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2,
фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 1,
фиг. 6 - элемент Д на фиг. 1,
фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 6,
фиг. 8 - вид Ж , где
1 - трубчатые теплообменные элементы,
2 - подводящее днище,
3 - отводящее днище,
4 - сквозные каналы в днище,
5 - внутренние коллекторы днищ,
6 - подводящий патрубок,
7 - отводящий патрубок,
8 - ребра,
9 - лучевые каналы,
10 - подводящие каналы.

Предложенный теплообменник содержит трубчатые теплообменные элементы - 1, которые соединяются с днищами, подводящим 2 и отводящим 3, имеющими форму шестигранника, в которых выполнены сквозные каналы 4 с гидравлическими характеристиками, близкими к основному рабочему трубчатому участку сборки, внутренние коллекторы днищ 5 являются промежуточным соединением между патрубками для подвода 6 и отвода 7 рабочих тел и трубчатыми теплообменными элементами 1. Патрубки 6, 7 расположены перпендикулярно к трубчатым элементам 1 и имеют ребра 8, причем поток рабочего тела из подводящих патрубков распределяются по трем лучевым каналам 9, подводящим каналам 10 и далее в теплообменные элементы 1.

Предложенный теплообменник работает следующим образом.

I рабочее тело (например, хладагент) подводится к днищу 2 по подводящему патрубку 6, распределяется по внутреннему коллектору днища 5, который обеспечивает подвод рабочего тела непосредственно к трубчатым теплообменным элементам 1. Пройдя через трубчатые теплообменные элементы 1, отводящее днище 3 и внутренний коллектор днища 5, I рабочее тело попадает в отводящий патрубок 7. Винтовая закрутка трубок 1 способствует турбулизации потока, что интенсифицирует теплообмен.

Набегающий поток II рабочего тела (например, воздуха) обтекает отводящий патрубок 7, далее через сквозные каналы 4 в отводящем днище 3 поступает на основной теплообменный участок, омывая трубки 1, проходит через сквозные каналы 4 подводящих днищ 2 и, обтекая подводящий патрубок 6, поступает на выход.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано при создании теплообменников ожижителей атмосферного воздуха двигателей ЖВРД, авиационных и наземных газотурбинных установок, криогенной техники.

Изобретение предназначено для применения в области теплообменной техники и может быть использовано при создании теплообменников ожижителей атомсферного воздуха двигателей ЖВРД, авиационных и наземных газотурбинных установок, в криогенной технике. Теплообменник содержит секции с подводящими и отводящими патрубками, трубчатые теплообменные элементы, концы которых установлены в днищах, помещенных в коллекторы, согласно изобретению в днищах между концами теплообменных элементов выполнены сквозные каналы. Днище теплообменника имеет форму шестигранника, который является составной частью сотовой матрицы, что обеспечивает наиболее плотную упаковку. В конструкции используют трубчатые теплообменные элементы с выполненными на наружной поверхности винтовыми каналами под углом наклона ≤ 45^o к оси, которые образуют на внутренней поверхности трубки эквидистантные выступы. Подводящий и отводящий патрубки расположены перпендикулярно продольной оси трубчатых теплообменных элементов, имеют в поперечном сечении форму крыла, что при прохождении потока рабочего тела (например, воздуха) позволяет им участвовать в создании подъемной силы. Подводящий и отводящий патрубки имеют оребренную поверхность, что способствует интенсификации процесса теплообмена и обеспечивает им прочностные характеристики. Техническим результатом является снижение массы теплообменника с возможностью обеспечения схемы ток - противоток при широком варьировании мощностей. 5 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Теплообменник, выполненный в виде секции, содержащий подводящий и отводящий патрубки, трубчатые теплообменные элементы, концы которых установлены в днищах, помещенных в коллекторы, отличающийся тем, что в днищах между концами трубчатых теплообменных элементов выполнены сквозные каналы. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что днище теплообменника выполнено в виде шестигранника. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности трубчатых теплообменных элементов выполнены винтовые каналы под углом наклона ≤ 45^o, образующие на внутренней поверхности трубчатых теплообменных элементов эквидистантные выступы. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что подводящий и отводящий патрубки расположены перпендикулярно продольным осям трубчатых теплообменных элементов. 5. Теплообменник по пп.1 и 4, отличающийся тем, что подводящий и отводящий патрубки имеют в поперечном сечении форму крыла. 6. Теплообменник по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что на поверхности подводящего и отводящего патрубков выполнены ребра.