ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2000 года по МПК F28D9/00 F28F3/02 

Изобретение относится к отраслям промышленности, в которых имеется необходимость обеспечения тепловых процессов при переработке жидких и газообразных веществ, в частности к двигателестроению.

Известно, что в ряде случаев к теплообменным аппаратам предъявляются требования по минимизации аэродинамического сопротивления или потери напора протекающих потоков. Такие требования имеют особое значение для устройств теплообмена между газовыми потоками с низким давлением или разрежением.

Примером могут служить аппараты для теплообмена между отработанными газами двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и топливно-воздушной смесью, а также аппараты для жидкостно-газового конвертирования топлива непосредственно на транспортном средстве (патент ФРГ N 3607007, патент СССР N 493073, патент РФ N 2008495).

Системы конвертирования жидкого топлива на ДВС работают параллельно с существующими традиционными системами подготовки топливно-воздушной смеси, обладающими малым аэродинамическим сопротивлением. При значительном превышении этого сопротивления в системе конвертирования эффективность ее будет очень низкой.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является теплообменник по патенту США N 4384611, кл. F 28 F 3/00, в котором в качестве теплообменного элемента использована гофрированная пластина, разделяющая обрабатываемые потоки вещества. Гофр образует чередующиеся между собой ячейки-каналы для протекания теплоносителя и подогреваемой среды.

Причем подвод и отвод потоков осуществляется через открытые наполовину высоты гофров ячейки-каналы за счет сжатия ("прищипывания") их стенок на 1/2 высоты от верхушки гофра.

Однако предлагаемые патентом США N 4384611, кл. F 28 F 3/00 технические решения с поворотом потоков и элементы конструкций для создания турбулентности в потоках увеличивают аэродинамическое сопротивление теплообменника.

На преодоление этого сопротивления требуется затратить дополнительную энергию, что в условиях транспортного средства ведет к увеличению расхода топлива и снижает эффективность системы конвертирования топлива.

Использование в теплообменниках для систем конвертирования топлива конструктивных элементов, увеличивающих поверхность теплообмена, также ограничено, так как ведет к росту аэродинамического сопротивления. Теплообменники таких систем, как правило, работают при небольшом разрежении (или давлении) внутри (0,2-0,8 кПа), что предъявляет свои требования к конструкции элементов теплообменника. Например, возможно изготовление гофра и корпуса теплообменника из металла толщиной 0,2-0,3 мм, что упрощает технологию, улучшает теплопередачу и уменьшает тепловую инерционность, вес и габариты.

В основу настоящего изобретения положена задача повысить эффективность и экономичность работы теплообменника, в том числе в условиях систем конвертирования топлива на транспортных средствах.

Технический результат достигается за счет того, что теплообменник, содержащий корпус с помещенной внутрь гофрированной перегородкой (фиг. 1), образующей щелевые ячейки-каналы, для протекания теплоносителя и нагреваемой среды, торцы стенок у которых в верхней части гофра соединены между собой герметично до половины длинной стороны ячейки (фиг. 2), обеспечивая направление движения потоков при входе или выходе их из теплообменника вдоль оси щелевых ячеек-каналов.

Предлагаемая конструкция торцевой части теплообменника позволяет избавиться от устройств, неоднократно поворачивающих потоки на 90^o.

Технические решения поясняются чертежами.

Фиг. 1 - варианты теплообменного элемента:
А - с неразборным (например, сварным) корпусом;
B - с разборным/неразборным корпусом;
C - элементы ячейки-канала, образованного гофрированной перегородкой;
1 - направление входящего потока среды;
2 - направление выходящего потока среды;
3 - вершина ячейки-канала (гофра).

Фиг.2 - торцевые части ячеек-каналов:
A - соединенные (сжатые) участки стенок ячеек-каналов, вид спереди;
B - то же, вид сверху;
C - то же, вид сбоку;
4 - варианты "глубины" зоны сжатия торцевых участков ячеек-каналов;
5 - дополнительный разделитель потоков.

Фиг.3 - укороченные ячейки-каналы и вспомогательные полости:
A - ячейки одинаковой ширины;
B - ячейки разной ширины;
6 - укороченная ячейка-канал;
7 - образованная полость.

Фиг.4 - cоединение теплообменников с камерой реактора (активатора):
А - одинарный (по потоку) теплообменник;
B - два последовательно соединенныx теплообменных элемента;
8 - теплообменник, использующий тепло полученных газов;
9 - камера активатора (реактора) с поворотом потока;
10 - первый теплообменный элемент;
11 - проточная камера активатора канала первого потока смеси;
12 - второй теплообменный элемент;
13 - проточная камера активатора канала второго потока смеси.

Предлагаемая конструкция торцевой части теплообменника позволяет избавиться от устройств, неоднократно поворачивающих потоки на 90^o.

При сжатии части ячейки увеличивается ширина соседних ячеек в той же части. Таким образом, площадь сечения S канала выходной (входной) части каждой ячейки остается без изменения (фиг. 2А,В).

S = h • b = (h/2) • 2b, где h - высота, b - ширина ячейки.

В зависимости от необходимости и конструкции присоединяемых к теплообменнику устройств, например реактора или камеры активатора, сгруппированные по своим входам/выходам ячейки могут быть снабжены дополнительным разделителем потока 5 (фиг. 2С). С уменьшением ширины ячейки-канала улучшается теплообмен между потоками вещества.

Если теплообменник соединен с устройством, в котором осуществляются реакции разложения жидкого топлива в нефтяные газы, то на выходе из него объем горячих газов будет значительно больше, и для их прохода щелевые каналы могут быть сделаны более широкими (фиг. 3В).

Таким образом, оптимизируется ширина каналов обoих потоков с учетом аэродинамического сопротивления каждого из них.

При малой ширине ячеек-каналов теплообменник может иметь достаточно большую поверхность теплообмена и удовлетворительно работать при сохранении ламинарного течения потоков и c низким аэродинамическим сопротивлением.

Известна сложность конструкций электрических вводов в герметичные камеры с высокотемпературными нагревателями, особенно при ограничении габаритов всего устройства и необходимости вывода "холодного" электропровода для подключения к источнику тока (например, на транспортном средстве).

Для токоподвода в высокотемпературную камеру в предлагаемом теплообменнике одна или более ячеек, по которым проходит горячая среда, сделаны несколько укороченными по высоте 6 (фиг. 3). В образованной полости 7 над укороченной ячейкой располагается провод, проходящий по каналу через весь теплообменник от "горячей" камеры к входу "холодной" среды (например, топливно-воздушной смеси). При движении холодного потока он охлаждает электропровод, обеспечивая вывод "холодного" провода из теплообменника. При необходимости в таких полостях могут располагаться провода для датчиков контроля и автоматики, установленных в высокотемпературной зоне, а также трубопроводы для подачи в камеру необходимых добавок.

Предлагаемый теплообменник может состоять из одного теплообменного элемента или из нескольких элементов, заключенных в общий кожух с теплоизоляцией (кожухи и теплоизоляция на чертежах не показаны).

Для использования тепла горячих нефтяных газов, получаемых в реакторе, он своими входом и выходом соединяется непосредственно с соответствующими каналами теплообменника. При этом поток подогреваемой топливно-воздушной смеси, выходящей из теплообменника в реактор, поворачивается в нем на 180^o и проходит через весь теплообменник в обратном направлении фиг. 4А.

Улучшенные аэродинамические характеристики получаются при использовании прямоточных реакторов или камер активатора. В этом случае возможно последовательное соединение двух теплообменных элементов или теплообменников, например для многоцилиндрового ДВС (фиг. 4В). При такой конструкции поток подогреваемой смеси проходит через первый теплообменный элемент 10, затем камеру 11 и в виде смеси газов через второй (соединенный последовательно) теплообменный элемент 12, не изменяя своего направления.

Аналогично указанному образуется и обрабатывается второй поток, движущийся параллельно первому потоку, но в противоположном направлении.

Смесь первого потока до активатора нагревается горячими газами второго потока, выходящими из камеры 13. А смесь второго потока - газами первого потока, выходящими из камеры 11.

Потери напора движущихся потоков будут меньше при использовании для приготовления исходной топливно-воздушной смеси устройств впрыска топлива. Их можно устанавливать непосредственно на входной части теплообменника.

Источники информации
1. Патент ФРГ N 3607007, F 02 М 27/02, 1987.

2. Патент РФ N 2008495, F 02 М 27/02, 1991.

3. Патент РФ N 2062419, F 28 D 9/00, 1996.

4. Патент США N 4384611, F 28 F 3/00, 1983.

Изобретение предназначено для применения в двигателестроении. Теплообменник содержит корпус с помещенной внутрь гофрированной перегородкой, образующей ячейки-каналы для протекания теплоносителя и подогреваемой среды, стенки которых на своей торцевой части соединены до половины высоты канала. Каналы для теплоносителя и нагреваемой среды имеют разную ширину, одна или несколько ячеек-каналов укорочены по высоте для образования вспомогательных полостей и по меньшей мере два теплообменных элемента соединены камерами активатора последовательно, образуя два прямоточных канала для сред. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы теплообменника, снижение потери напора в нем, в том числе в условиях применения в системах конвертирования топлива на транспорте. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменник, содержащий корпус с помещенной внутрь гофрированной перегородкой, образующей параллельные ячейки-каналы для протекания теплоносителя и нагреваемой среды, торцевые стенки которых в начале верхней части гофра соединены герметично до половины длинной стороны ячейки, обеспечивая направление входа и выхода потоков вдоль оси каналов теплообменника, отличающийся тем, что имеет одну или несколько ячеек-каналов, укороченных по высоте. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ячейки-каналы для нагреваемой среды и теплоносителя имеют разную ширину. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере два теплообменных элемента соединены последовательно между собой отдельными камерами активаторов, образуя два прямоточных параллельных канала теплообменных сред.