ПАКЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2001 года по МПК F28D9/02 

Изобретение относится к теплообменной технике, реализующей обмен тепловой энергией между двумя рабочими средами через стенку, и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для теплообмена между приточным и вытяжным воздухом.

Известен пакет пластинчатого теплообменника со складывающимися пластинами, используемый в теплообменнике по патенту США N 5029639 (МПК F 28 D 9/00). Описываемый пакет составлен из отдельных пластин шестиугольной формы. Две противолежащие стороны каждой пластины снабжены стенками, которые служат для направления движения рабочих сред, четыре другие снабжены отгибами, противолежащие из которых загибаются в противоположные стороны на 90^o и служат для организации входа, выхода и распределения рабочих сред по соответствующим каналам. Данное устройство обеспечивает повышенный температурный напор между рабочими средами за счет осуществления их взаимного движения по наиболее эффективной схеме "противоток", что влечет за собой некоторое повышение количества теплоты, переданной от одной рабочей среды к другой по сравнению с другими схемами движения при прочих равных условиях. Однако при этом описываемый пакет не обеспечивает равномерного распределения потоков рабочих сред по ширине каналов в связи с резкими изменениями сечения канала по ширине и образованием замкнутых вихрей в зоне отрыва потока рабочей среды при повороте. Это ведет к росту гидравлического сопротивления движению потоков рабочих сред и снижению эффективно используемой для теплообмена площади его поверхности, а последнее, в свою очередь, снижает количество переданной теплоты. Технологичность изготовления такого пакета понижена в связи с необходимостью его сборки из отдельных пластин достаточно сложной формы.

Также известен пакет пластин, используемый в теплообменнике по заявке Германии N 4142177 (МПК F 28 F 3/02). Данный пакет собран из отдельных пластин, имеющих в плане форму прямоугольника. Для образования каналов между каждыми двумя соседними пластинами размещены расположенные друг напротив друга по две Г-образные в плане стенки, примыкающие своими удлиненными участками по всей длине больших сторон пластин, а укороченными - на половине длины расположенных друг напротив друга их меньших сторон. При этом в каждом последующем канале упомянутые стенки имеют зеркальное расположение относительно предыдущего. На входе сред в каналы установлены устройства для равномерного распределения потоков рабочих сред по ширине пластины. Таким образом, в описываемом пакете осуществляется противоточное движение потоков рабочих сред, благодаря чему обеспечивается повышенный температурный напор между рабочими средами, что влечет за собой некоторое повышение количества теплоты, переданной от одной рабочей среды к другой по сравнению с другими схемами движения при прочих равных условиях. Однако ввиду резких изменений сечения канала по ширине и несмотря на устройства для равномерного распределения потоков в каналах образуются зоны замкнутых вихрей, что приводит к неполному использованию теплопередающей поверхности, а следовательно, и к снижению количества переданной теплоты. Изменения ширины каналов и наличие устройств для распределения потоков рабочих сред повышают гидравлическое сопротивление движению потоков рабочих сред. Кроме того, технологичность такой конструкции понижена в связи с тем, что пакет собирается из отдельных пластин и требует установки в каждом канале устройств для равномерного распределения потоков.

Наиболее близким к заявляемому пакету является пакет пластинчатого теплообменника по патенту США N 5072790 (МПК F 28 F 3/08), содержащий набор пластин, имеющих в плане форму квадрата и уложенных друг на друга с образованием между обращенными друг к другу поверхностями соседних пластин чередующихся между собой каналов для рабочих сред. Эти каналы ограничены с двух других сторон расположенными друг напротив друга стенками, примыкающими к противолежащим сторонам квадрата каждой из двух соседних пластин, причем упомянутые стенки, ограничивающие один из двух соседних каналов, примыкают к упомянутым сторонам из одной пары расположенных друг напротив друга сторон квадрата, а ограничивающие другой канал - к упомянутым сторонам другой пары противолежащих сторон. Стенки описываемого пакета выполнены за одно целое с пластинами, изготовленными из жесткого листового материала. Данный пакет пластинчатого теплообменника обладает пониженным гидравлическим сопротивлением за счет обеспечения прямолинейного движения рабочих сред в каналах и отсутствия зон вихреобразования; последнее также способствует полноценному использованию теплопередающей поверхности. Однако описываемый пакет обеспечивает пониженный температурный напор между рабочими средами по сравнению со схемой "противоток", поскольку осуществляет взаимное движение рабочих сред перпендикулярно друг другу в плоскости пластины, т. е. по схеме "перекрестный ток", что, в свою очередь, ведет к снижению количества теплоты, переданной от одной рабочей среды к другой.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения возможности передачи теплоты от одной рабочей среды к другой при повышенном температурном напоре между ними за счет приближения взаимного движения потоков рабочих сред к противотоку при сохранении при этом пониженного гидравлического сопротивления движению потоков рабочих сред и полного использования теплопередающей поверхности.

Для достижения этого технического результата в пакете пластинчатого теплообменника, содержащего набор пластин, имеющих в плане форму выпуклого четырехугольника и уложенных друг на друга с образованием между обращенными друг к другу поверхностями соседних пластин чередующихся между собой каналов для рабочих сред, ограниченных с двух других сторон расположенными друг напротив друга стенками, примыкающими к противолежащим сторонам четырехугольника каждой из двух соседних пластин, причем эти стенки, ограничивающие один из двух соседних каналов, примыкают к упомянутым сторонам из одной пары расположенных друг напротив друга сторон четырехугольника, а ограничивающие другой канал - к упомянутым сторонам другой пары противолежащих сторон, согласно изобретению, четырехугольник имеет такую конфигурацию, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон, не перпендикулярны друг другу.

Выполнение пластины в виде четырехугольника такой конфигурации, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон, не перпендикулярны друг другу в силу того, что упомянутые прямые линии являются параллельными направлениям потоков в каналах по разные стороны пластины, обеспечивает взаимное движение потоков навстречу друг другу, т.е. приближенно к схеме движения рабочих сред "противоток". Это качество обеспечивает повышенный температурный напор между рабочими средами по сравнению с перекрестным током при прочих равных условиях, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение количества переданной теплоты от одной рабочей среды к другой по сравнению с перекрестным током. При этом отсутствие поворотов и резких сужений и расширений каналов способствует сохранению таких качеств, как пониженное гидравлическое сопротивление движению потоков рабочих сред и полное использование теплопередающей поверхности за счет отсутствия вихреобразования.

Одним из частных случаев реализации пакета пластинчатого теплообменника является выполнение четырехугольной пластины такой конфигурации, что указанный четырехугольник симметричен относительно одной из его диагоналей. Такое выполнение, обеспечивая достижение указанного технического результата, одновременно способствует повышенной технологичности изготовления пакета за счет облегчения изготовления пластин, т.к. при этом упрощается раскрой и разрезка листового материала, из которого они изготавливаются (при изготовлении из него нескольких пластин за счет прилегания заготовок пластин друг к другу), и, кроме того, облегчается сборка пакета за счет более быстрого определения взаимного расположения пластин.

Более оптимальным частным случаем реализации пакета пластинчатого теплообменника является выполнение четырехугольной пластины в форме ромба, т.е. с равными друг другу и попарно параллельными противолежащими сторонами четырехугольника. Такое выполнение также обеспечивает достижение указанного технического результата, способствуя при этом еще более высокой технологичности за счет еще большего облегчения изготовления пластин, т.к. упрощается и ускоряется раскрой и разрезка листового материала, из которого они изготавливаются (при изготовлении из него нескольких пластин), за счет прилегания заготовок пластин друг к другу. Кроме того, упрощается сборка пакета из таких пластин, поскольку быстрее определяется их взаимное расположение - таким образом, снижается трудоемкость изготовления пакета. Указанная форма выполнения пластин также положительно влияет на снижение гидравлического сопротивления, поскольку обеспечивает равномерное прямолинейное движение потока в канале.

Еще более оптимальным частным случаем реализации пакета пластинчатого теплообменника является такой, при котором величина большего угла между прямыми линиями, проведенными через середины противолежащих сторон четырехугольника, составляет 110 - 160^o, поскольку при величине указанного угла менее 110^o взаимное движение потоков лишь в малой степени отличается от движения по схеме "перекрестный ток" и не ведет к ощутимому росту температурного напора между рабочими средами, а следовательно, и к заметному росту количества теплоты, переданной от одной рабочей среды к другой. Увеличение угла более 160^o ведет к многократному превышению одного линейного размера пластины над другим, что влечет за собой увеличение трудоемкости операций с такими пластинами. Кроме того, чрезмерный рост размеров теплообменника с пакетом из пластин, указанный угол у которых превышает 160^o, ведет к значительному росту гидравлического сопротивления движению потоков рабочих сред.

Изготовление пластин из листа полимерного материала сотовой структуры способствует еще большему увеличению технологичности изготовления пакета, т. к. позволяет снизить объем операций по раскрою и разрезке пластин и сборке из них пакета. Кроме того, наличие между соседними пластинами перемычек, параллельных проходящему потоку, ведет к росту площади теплообменной поверхности между рабочими средами, что также обеспечивает повышенное количество теплоты, переданной от одной рабочей среды к другой.

Предлагаемый пакет пластинчатого теплообменника иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

На фиг. 1,3,5 показаны общие виды пакета пластинчатого теплообменника с различными вариантами выполнения пластин, на фиг. 2 - вид пластины в плане, соответствующий варианту выполнения пакета по фиг. 1, а на фиг. 4 - соответствующий варианту выполнения пакета по фиг. 3.

Пакет пластинчатого теплообменника содержит набор пластин 1, имеющих в плане форму выпуклого четырехугольника, имеющего в плане такую конфигурацию, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон (линии cd и ef на фиг. 2,4), не перпендикулярны друг другу. Пластины уложены друг на друга с образованием между обращенными друг к другу своими поверхностями чередующихся между собой каналов 2 для рабочих сред, причем с двух других сторон упомянутые каналы ограничены расположенными друг напротив друга стенками 3, примыкающими к противолежащим сторонам четырехугольника каждой из двух соседних пластин. При этом указанные стенки, ограничивающие один из двух соседних каналов, примыкают к упомянутым сторонам из одной пары расположенных друг напротив друга сторон четырехугольника, а ограничивающие другой канал - к упомянутым сторонам другой пары его противолежащих сторон. Для повышения технологичности изготовления пакета пластинчатого теплообменника пластины 1, имеющие в плане вид четырехугольника вышеуказанной конфигурации, выполнены с соблюдением дополнительного условия, при котором этот четырехугольник симметричен относительно одной из его диагоналей, например диагонали ab (фиг. 2). Наиболее оптимальной формой выполнения пластины 1 является такая, при которой четырехугольник имеет в плане форму ромба (фиг. 3,4 и 5). Для обеспечения движения рабочих сред в каналах 2, приближенного к противотоку, пластины выполнены таким образом, что величина большего угла α между прямыми линиями cd и ef (фиг. 2 и 4), проведенными через середины противолежащих сторон упомянутого четырехугольника, составляет, например, 115^o (фиг. 2) или 130^o (фиг. 4).

Пластины 1 могут быть выполнены из листового материала, например оцинкованной стали (фиг. 1). Однако для увеличения площади теплопередающей поверхности наиболее целесообразным является выполнение пластин из полимерного материала сотовой структуры, в качестве которого могут быть использованы, например, поликарбонатные панели сотовой структуры (фиг. 3 и 5). Для образования каналов 2 пластины 1 дистанционируются друг от друга с помощью стенок 3, которые могут быть выполнены, например, за одно целое с пластиной 1 в виде загибов на одной из пар противолежащих сторон каждого вида вставок, имеющих П-образный профиль, выполненных так же как и пластины из оцинкованной стали и прикрепленных к ним вдоль указанных противолежащих сторон четырехугольника с помощью заклепок (не показано). При выполнении пластин 1 из поликарбонатных панелей (фиг. 3 и 5) для образования каналов для одной из рабочих сред стенки 3 в одном из вариантов (фиг. 3) могут быть выполнены в виде вставок, изготовленных, например, также из поликарбоната, и прикреплены к пластинам с помощью клея, а для чередующихся с ними каналов для другой рабочей среды в качестве стенок 3 могут быть использованы перемычки, имеющиеся в поликарбонатных панелях сотовой структуры. В другом варианте (фиг. 5) при выполнении пластин из поликарбонатных панелей для образования чередующихся между собой каналов 2 для обеих рабочих сред пластины 1 дистанционируются друг от друга с помощью имеющихся в упомянутых панелях перемычек, крайние из которых является стенками 3.

Пакет пластинчатого теплообменника работает следующим образом. Пакет устанавливается в корпус теплообменника (не показан), снабженный патрубками для подвода и отвода рабочих сред к пакету соответствующим образом. Потоки рабочих сред, первой из которых является, например, приточный воздух, а второй, например, вытяжной воздух, под действием сил давления, создаваемого нагнетателями (не показаны), или иным способом поступают через соответствующие патрубки каждый в свою систему каналов 2. В процессе движения потоков воздуха по каналам 2, образованным пластинами 1 и стенками 3, происходит передача теплоты через пластины от более горячего вытяжного воздуха к более холодному приточному, причем осуществляется этот процесс по схеме, приближенной к схеме "противоток", т.е. с повышенным температурным напором между рабочими средами, что обеспечивает повышенный по сравнению с перекрестным током температурный напор между рабочими средами и ведет к увеличению количества теплоты, переданной от вытяжного воздуха к приточному. При этом отсутствие поворотов и резких сужений и расширений каналов 2 способствует сохранению таких качеств пакета, как пониженное гидравлическое сопротивление движению потоков рабочих сред и полное использование теплопередающей поверхности за счет отсутствия вихреобразования. В случае выполнения пластин из поликарбонатных панелей передача теплоты происходит через теплопередающую поверхность, площадь которой увеличена за счет наличия перемычек между пластинами, имеющихся в панелях сотовой структуры. Это также положительно сказывается на увеличении количества теплоты, переданной от вытяжного воздуха к приточному. При движении указанных воздушных потоков по каналам 2, образованным пластинами 1, имеющими в плане форму ромба, происходит еще большее снижение гидравлического сопротивления движению этих потоков, поскольку обеспечивается их равномерное прямолинейное движение в каналах 2.

После завершения процесса теплообмена в каналах потоки приточного и вытяжного воздуха выходят из корпуса теплообменника через соответствующие патрубки.

Изобретение может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для теплообмена между приточным и вытяжным воздухом. Пакет собран из пластин, которые для обеспечения движения потоков рабочих сред, приближенного к противотоку, имеют в плане форму выпуклого четырехугольника такой конфигурации, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон, не перпендикулярны друг другу. Пластины уложены друг на друга с образованием между обращенными друг к другу поверхностями чередующихся между собой каналов для рабочих сред. Каналы ограничены с двух других сторон расположенными напротив друг друга стенками, примыкающими к противолежащим сторонам четырехугольника каждой из двух соседних пластин. При этом указанные стенки, ограничивающие один из двух соседних каналов, примыкают к упомянутым сторонам из одной пары расположенных напротив друг друга сторон четырехугольника, а ограничивающие другой канал - к упомянутым сторонам другой пары его противолежащих сторон. Такое выполнение теплообменника обеспечивает возможность передачи теплоты от одной рабочей среды к другой при повышенном температурном напоре между ними за счет приближения взаимного движения потоков рабочих сред к противотоку при сохранении при этом пониженного гидравлического сопротивления движению потоков рабочих сред и полного использования теплопередающей поверхности. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пакет пластинчатого теплообменника, содержащий набор пластин, имеющих в плане форму выпуклого четырехугольника, уложенных друг на друга с образованием между обращенными друг к другу поверхностями соседних пластин чередующихся между собой каналов для рабочих сред, ограниченных с двух других сторон расположенными друг напротив друга стенками, примыкающими к противолежащим сторонам четырехугольника каждой из двух соседних пластин, причем эти стенки, ограничивающие один из двух соседних каналов, примыкают к упомянутым сторонам из одной пары расположенных напротив друг друга сторон четырехугольника, а другой - к упомянутым сторонам другой пары противолежащих сторон, отличающийся тем, что четырехугольник имеет такую конфигурацию, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон, не перпендикулярны друг другу. 2. Пакет по п.1, отличающийся тем, что четырехугольник симметричен относительно одной из его диагоналей. 3. Пакет по п.1, отличающийся тем, что четырехугольник имеет вид ромба. 4. Пакет по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что величина большего угла между прямыми линиями, проведенными через середины противолежащих сторон четырехугольника, составляет 110 - 160°. 5. Пакет по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что пластины выполнены из полимерного материала сотовой структуры.