ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2001 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к теплотехнике и конструкциям общего назначения для теплообменных и теплопередающих устройств, а более конкретно к плоским теплообменникам.

Из патентной литературы известен сотовый теплообменник, защищенный авторским свидетельством СССР N 397738, публ. 1973 г., М.Кл. F 28 F 3/00. Теплообменник снабжен патрубками для подвода и отвода теплоносителей, а пластины содержат плоские поверхности. Это техническое решение выбираем в качестве аналога. Из материалов авторского свидетельства не ясно, каким образом скреплены между собой пластины пакета. Кроме того, этот теплообменник сложно конструктивно исполнить на высокие рабочие давления теплоносителей, например, 1000 атмосфер.

Из технической литературы известен спаянный алюминиевый теплообменник для работы с тремя жидкостями (Справочник по теплообменникам, в двух томах, перевод с английского под ред. д.т.н. О.Г. Мартыненко, д.т.н. А.А. Михалевича, к.т.н В.К. Шикова, т.2, М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр. 103). Теплообменник содержит подводы и отводы теплоносителей. Он состоит из пакета плоских пластин, снабженных гофрами с пластинчато-ребристыми поверхностями прямоугольной формы. Пакет алюминиевых пластин спаян твердым припоем. Это техническое решение выбираем в качестве аналога изобретения. Недостаток аналога в том, что его сложно конструктивно исполнить на высокие рабочие давления теплоносителей (например, 1000 атмосфер) в связи с тем, что в нем прямоугольная форма параллелепипеда требует больших массовых характеристик.

Кроме того, эту конструкцию вряд ли можно считать надежной при высоких виброперегрузках, которые имеют место в современных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). Следует также отметить проблематичность использования таких теплообменников для ЖРД, часто содержащих теплоносители с температурой выше 400^oC.

Из патентной литературы известен теплообменник и способ его изготовления из патента США N 5385204, 31.01.1995. Теплообменник состоит из пакета скрепленных между собой пластин, которые имеют плоские поверхности и каналы для прохода теплоносителя. Теплообменник снабжен патрубками для подвода и отвода теплоносителей. Недостаток теплообменника в том, что в нем сложно обеспечить высокие значения рабочих давлений теплоносителей в каналах для их прохода.

Также известно техническое решение - пластинчатый теплообменник, содержащий пакет скрепленных между собой пластин, выполненных в виде дисков, имеющих плоские поверхности и каналы для прохода одного из двух теплоносителей, патрубки подвода и отвода теплоносителя, цилиндрический обод, в который вставлен пакет пластин, причем на дисках пакета содержатся преимущественно равнорасположенные по окружности окна, а со стороны торцев пакет дисков закрыт днищами, на которых выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителей, кроме того, диски скреплены между собой с помощью пайки (US 4917181 A, 17.04.1990). Это техническое решение обладает теми же недостатками, что и предыдущее и является ближайшим аналогом изобретения.

В основу настоящего изобретения положена задача создания конструкции теплообменника на высокие рабочие давления теплоносителя в каналах для их прохода. Такими теплоносителями могут быть газообразный гелий, азот и такие компоненты ракетного топлива, как кислород, керосин и продукты их газогенерации.

Необходимость решения такой задачи продиктована необходимостью обеспечения малых габаритов и массы теплообменника при высоких рабочих давлениях теплоносителей.

Технический результат заключается в том, что создан теплообменник с хорошими массовыми характеристиками, работоспособный при высоких давлениях теплоносителей, например, 1000 атмосфер.

Сущность изобретения заключается в том, что пластинчатый теплообменник состоит из пакета скрепленных между собой пластин, выполненных в виде дисков, имеющих плоские поверхности и каналы для прохода одного из двух теплоносителей.

Теплообменник также снабжен патрубками для подвода и отвода теплоносителей. Отличительная особенность теплообменника в том, что он имеет цилиндрический обод, пластины выполнены в виде плоских дисков, их пакет вставлен в обод, а каждый из дисков имеет плоскую и плоскооребренную стороны, каналы теплоносителя расположены только с плоскооребренной стороны концентрично друг другу и периферийному диаметру диска и ограничены имеющими вершины ребрами оребрения, в которых выполнены прорези, на дисках пакета выполнены преимущественно равнорасположенные по окружности окна, часть из которых окружена (каждое окно отдельно) отделенными щелями от ребер оребрения замкнутыми ребрами, выступающими своими вершинами заподлицо с плоскоребренной поверхностью диска, а часть сообщена с каналами теплоносителя на диске, при этом соседние диски в пакете развернуты по окружности друг относительно друга, обеспечивая чередование в осевом направлении окон, ограниченных замкнутыми ребрами, с окнами, сообщенными с концентрично выполненными каналами теплоносителя, образуя подводящие и отводящие коллекторы, при этом пакет дисков со стороны своих торцев закрыт днищами, на которых выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителей и перегородки, причем патрубки и перегородки расположены по окружности в соответствии с положением подводящих и отводящих коллекторов пакета, при этом плоскооребренные стороны дисков по вершинам ребер герметично скреплены с плоскими сторонами дисков и днищами, а также периферийные поверхности дисков и днищ с ободом с помощью пайки.

Пластинчатый теплообменник, в частном случае, может иметь прорези на ребрах оребрения, выполненные в виде нескольких радиальных прорезей на диске, равнорасположенных по окружности.

Следует отметить, что такое расположение прорезей оребрения целесообразно из технологических соображений простоты. Возможны и иное расположение и конфигурация прорезей из соображений оптимальности гидравлического сопротивления и теплосъема.

В пластинчатом теплообменнике окна на дисках могут быть выполнены в количестве четырех цилиндрических окон, равнорасположенных по окружности диска, при этом замкнутые ребра выполнены вокруг диаметрально расположенных двух окон, а днища имеют четыре патрубка подвода и отвода двух теплоносителей.

Количество окон на дисках может быть и иным. Например, для теплообменника с тремя теплоносителями могут оказаться выгодными и пять, и шесть окон с соответствующим увеличением количества патрубков подвода и отвода.

В другом частном случае теплообменник может быть выполнен таким образом, что диски содержат центральное окно, например, для технологических целей, с расположенным вокруг него со стороны оребрения замкнутым ребром, выступающим своей вершиной заподлицо с плоскооребренной поверхностью диска.

Наиболее целесообразно в конструкции теплообменника, чтобы диски в пакете были установлены направленными в одну сторону вершинами ребер.

Пластинчатый теплообменник может быть выполнен так, что он в пакете дисков вместо одного из дисков содержит проставочный диск, конструктивно соответствующий остальным дискам пакета, но в одном окне с замкнутым ребром снабженный выполненной, например, зацело с диском, перегородкой.

Проставочные диски используют для увеличения протяженности гидравлического тракта соответствующего теплоносителя. В теплообменнике в перегородке проставочного диска в частном случае может быть выполнено отверстие, например, дросселирующее. Оно может служить для обеспечения соответствующих характеристик теплосъема. Кроме того, это отверстие может служить и технологическим целям, например, способствовать удалению из теплообменника воды после проливки для определения его гидравлического сопротивления.

Так как теплообменник рассчитан на высокие давления теплоносителей, то в нем целесообразно, чтобы днища были выполнены утолщенными в местах перегородок и патрубков подвода и отвода теплоносителей. Это способствует получению оптимальных массовых характеристик конструкции.

На фиг. 1 представлен пластинчатый теплообменник для двух теплоносителей в разрезе.

На фиг. 2 представлен разрез М-М теплообменника, изображенного на фиг. 1.

На фиг. 3 представлен вид А (фиг. 2) на плоско-оребренную сторону диска пакета.

На фиг. 4 представлен вид А (фиг. 2) на плоскооребренную сторону проставочного диска.

На фиг. 5 представлен вид А (фиг. 2) на днище теплообменника.

На фиг. 6 представлен разрез Н-Н (фиг. З) диска пакета.

На фиг. 7 представлен повернутый разрез С-С (фиг. З) диска пакета.

На фиг. 8 представлен повернутый разрез Р-Р (фиг. 4) проставочного диска.

В пластинчатом теплообменнике для двух теплоносителей диск 1 пакета имеет плоскую сторону 2 и плоскооребренную сторону 3 (фиг. 1, 7), на которой выполнены каналы 4 для прохода теплоносителя. Каналы 4 имеют кольцевую форму и ограничены ребрами оребрения 5, имеющими вершины 6. На плоскооребренной стороне выполнены радиальные прорези 7, которые обеспечивают сообщение между собой каналов 4 теплоносителя. Диски 1 имеют четыре равнорасположенных по окружности окна 8 (фиг. 3, 7) и технологическое окно 9. Два относительно центра диска 1 противоположно расположенных окна 8 и технологическое окно 9 окружены замкнутыми ребрами 10 и 11. Замкнутые ребра 10 отделены от ребер оребрения 5 щелями 12. Диски 1 имеют периферийные поверхности 13 цилиндрической формы.

Пластинчатый теплообменник имеет цилиндрический обод 14 и днища 15 и 16 (наружный диаметр днищ 15 и 16 равен наружному диаметру диска 1), которые образуют наружный контур пластинчатого теплообменника, который имеет патрубок подвода 17 и патрубок отвода 18 одного теплоносителя (фиг. 1), а также патрубок подвода 19 и патрубок отвода 20 другого теплоносителя (фиг. 2). Окна 8 образуют подводящий коллектор 21 и отводящий коллектор 22 одного теплоносителя и коллекторы 23 и 24 этого же теплоносителя (фиг. 1), такие же окна образуют подводящий коллектор 25, отводящий коллектор 26 и коллектор 27 второго теплоносителя (фиг. 2).

Пластинчатый теплообменник снабжен проставочными дисками 28, на которых в одном из окон 8, снабженных замкнутыми ребрами 10, выполнена перегородка 29 (фиг. 1, 4, 8). На перегородке 29 проставочного диска 28 выполнено дросселирующее отверстие 30 (на различных проставочных дисках 28 на перегородках 29 эти отверстия 30 могут быть выполнены различного диаметра). В остальном проставочный диск 28 повторяет диск 1.

Проставочные диски 28 вставлены в соответствующие места пакета дисков 1. В образованном таким образом пакете дисков диски 1 и 28 развернуты по окружности таким образом, что в коллекторах 21, 22, 23 и 24 чередуются окна 8, снабженные замкнутыми ребрами 10, с окнами 8 без этих ребер (фиг. 3, 6, 7).

В принципе возможна конструкция теплообменника без проставочных дисков и перегородок. В этом случае изменится положение патрубков отвода 20 второго теплоносителя. Возможно также и иное количество проставочных дисков 28 в конструкции теплообменника.

Дросселирующие отверстия 30 (фиг. 4, 8) выполнены с целью обеспечения соответствующих гидравлических сопротивлений магистралей теплоносителей и соответствующих значений теплообменных характеристик теплообменника, а также для технологических целей, связанных с удалением из внутренней полости теплообменника воды после гидравлических испытаний.

Днища 15 и 16 выполнены утолщенными в местах перегородок 31 и в местах установки патрубков 17, 18, 19, 20 (фиг. 1, 2, 5).

В пластинчатом теплообменнике все детали выполнены из стали или медных, или никелевых сплавов. Скрепление дисков 1 осуществляется по местам контакта плоских сторон 2 с плоскооребренными сторонами 3 по вершинам ребер и соответственно днищ 15 и 16, а также периферийных поверхностей 13 дисков 1, проставочных дисков 28 и днищ 15 и 16 с внутренней поверхностью цилиндрического обода 14 осуществляется с помощью твердого припоя.

Аналогичный теплообменник может быть выполнен для трех и более теплоносителей после осуществления небольших изменений конструктивного и схемного его исполнения.

Работает теплообменник следующим образом. К патрубку подвода 17 (фиг. 1) подается первый теплоноситель (например, азот). К патрубку подвода 19 подается второй теплоноситель (например, нагретый керосин).

Первый теплоноситель заполняет коллектор 21 вплоть до перегородки 29 (фиг. 1) проставочного диска 28, а затем, в основном по каналам 4 (т.е. по плоскооребренной стороне 3), сообщающимся с окнами 8 без замкнутых ребер 10, теплоноситель протекает до коллектора 23, заполняет его вплоть до перегородки 29 коллектора 23, затем по таким же каналам аналогично установленных дисков 1 между перегородками 29 коллекторов 21 и 23 теплоноситель попадает в коллектор 24, заполняет его, после чего таким же образом по каналам дисков 1 попадает в отводящий коллектор 22 и в патрубок отвода 18 первого теплоносителя.

К патрубку подвода 19 подается второй теплоноситель, который попадает в коллектор 25 (фиг. 2), а затем осуществляет повороты благодаря наличию перегородки 29 в коллекторе 25 аналогично описанным выше поворотам первого теплоносителя, после чего второй теплоноситель попадает в отводящий коллектор 26, а затем в патрубок отвода 20.

Следует отметить, что благодаря тому, что, как было описано выше, в пакетах диски 1 и 28 (фиг. 1, 3, 4) развернуты по окружности таким образом, что в коллекторах 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 (фиг. 1, 2) чередуются окна 8, снабженные замкнутыми ребрами 10, с окнами 8 без этих ребер и что детали конструкции скреплены между собой пайкой, каналы первого теплоносителя разобщены от каналов второго теплоносителя.

При течении теплоносителей указанным образом в каналах осуществляется теплообмен и один теплоноситель нагревается за счет охлаждения второго теплоносителя.

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, в теплообменных и теплопередающих устройствах. Пластинчатый теплообменник содержит пакет скрепленных между собой пластин, имеющих плоские поверхности и каналы для прохода одного из двух теплоносителей, патрубки подвода и отвода теплоносителей, цилиндрический обед, в который вставлен пакет из плоских дисков, причем каждый диск имеет плоскую сторону и плоскооребренную сторону, на которой расположены концентрично друг другу и периферийному диаметру диска каналы теплоносителя, которые ограничены ребрами оребрения, имеющими вершины. На дисках пакета выполнены равнорасположенные по окружности окна, часть из которых окружена замкнутыми ребрами, а часть сообщена с каналами теплоносителя. Пакет дисков со стороны своих торцев закрыт днищами, на которых выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителей. Изобретение позволяет обеспечить высокое значение рабочих давлений теплоносителей в каналах для их прохода. 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Пластинчатый теплообменник, содержащий пакет скрепленных между собой пластин, выполненных в виде дисков, имеющих плоские поверхности и каналы для прохода одного из двух теплоносителей, патрубки подвода и отвода теплоносителя, цилиндрический обод, в который вставлен пакет пластин, причем на дисках пакета содержатся преимущественно равнорасположенные по окружности окна, а со стороны торцев пакет дисков закрыт днищами, на которых выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителей, кроме того, диски скреплены между собой с помощью пайки, отличающийся тем, что каждый из дисков имеет плоскую и плоскооребренную стороны, каналы теплоносителя расположены только с плоскооребренной стороны концентрично друг другу и периферийному диаметру диска и ограничены имеющими вершины ребрами оребрения, в которых выполнены прорези, часть окон, каждое в отдельности окруженное отдельными щелями, которые отделяют их от ребер оребрения замкнутыми ребрами, выступающими своими вершинами заподлицо с плоскооребренной поверхностью диска, другая часть окон сообщена с каналами теплоносителя на диске, при этом соседние диски в пакете развернуты по окружности друг относительно друга, обеспечивая чередование в осевом направлении окон, ограниченных замкнутыми ребрами, с окнами, сообщенными с концентрично выполненными каналами теплоносителя, образуя подводящие и отводящие коллекторы, причем патрубки и перегородки расположены по окружности, в соответствии с положением подводящих и отводящих коллекторов пакета, плоскооребренные стороны дисков по вершинам ребер герметично скреплены с плоскими сторонами дисков и днищами с помощью пайки, а периферийные поверхности дисков и днищ с ободом также соединены пайкой. 2. Пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что прорези на ребрах оребрения выполнены в виде нескольких радиальных прорезей на диске, равнорасположенных по окружности. 3. Пластинчатый теплообменник по п. 2, отличающийся тем, что окна на дисках выполнены в количестве четырех цилиндрических окон, равнорасположенных по окружности диска, при этом замкнутые ребра выполнены вокруг диаметрально расположенных двух окон, а днища имеют четыре патрубка подвода и отвода двух теплоносителей. 4. Пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что диски содержат центральное окно, например, для технологических целей, с расположенным вокруг него со стороны оребрения замкнутым ребром, выступающим своей вершиной заподлицо с плоскооребренной поверхностью диска. 5. Пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что диски в пакете установлены направленными в одну сторону вершинами ребер. 6. Пластинчатый теплообменник по п.3, отличающийся тем, что теплообменник в пакете дисков вместо одного из дисков содержит проставочный диск, конструктивно соответствующий остальным дискам пакета, но в одном окне с замкнутым ребром снабженный выполненной, например, зацело с диском, перегородкой. 7. Пластинчатый теплообменник по п.6, отличающийся тем, что в перегородке проставочного диска выполнено отверстие, например, дросселирующее. 8. Пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что днища выполнены утолщенными в местах перегородок и патрубков подвода и отвода теплоносителей.