СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА И ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, РЕАЛИЗУЮЩИЙ СПОСОБ Российский патент 2005 года по МПК F28D9/00 F28F3/00 

Изобретения относятся к теплообменным аппаратам с неподвижными каналами для двух теплоносителей, в которых каналы сформированы разделительными пластинами, имеющими перфорированные ребра, расположенные внутри этих каналов.

Преимущественной областью использования изобретений являются теплообменные аппараты для газообразных теплоносителей, температура, давление и расход которых при эксплуатации могут изменяться в широких диапазонах значений.

Из уровня техники известны теплообменные аппараты с пластинчато-ребристой теплопередающей поверхностью, состоящие из пакета плоских пластин, между которыми находятся соединяющие их ребра. Теплоносители движутся между чередующимися парами пластин. Течение может быть, например, противоточным или поперечно-точным. Повышение тепловой эффективности таких теплообменных аппаратов достигается модификацией геометрии теплопередающей поверхности, ведущей к увеличению теплоотдачи при заданной скорости потока.

Увеличение коэффициента теплоотдачи может быть достигнуто периодическим разрушением ламинарного пограничного слоя по ходу движения теплоносителя или иными средствами.

Известно выполнение ребер “жалюзийными” (РСТ JP 00/01808), “короткими прерывистыми” (US 5078207, FIG. 10) и перфорированными (US 5031693). В теплообменных аппаратах с теплопередающими поверхностями, выполненными с перфорированными ребрами, деформацию пограничного слоя осуществляют вырезанные в ребрах отверстия. Факторы трения такой поверхности очень малы, что делает ее весьма привлекательной для использования. В каждом из названных случаев смежные каналы сообщены между собой. Смежные каналы выполнены разной длины, например входные участки смежных каналов Z-образной или П-образной формы с присущим им различием величин гидравлических сопротивлений смежных входных и выходных участков, происходящее значительное перетекание теплоносителя между каналами приводит к неравномерности распределения тепловых нагрузок. В итоге снижается эффективность теплообменного аппарата. Отказ же от интенсификации теплообмена указанными выше средствами с изоляцией смежных каналов, разделенных ребром (US 5333683), также снижает эффективность теплообменного аппарата в связи с относительным уменьшением коэффициента теплоотдачи.

Задачей данного изобретения является создание теплообменного аппарата сравнительно малых веса и размеров поперечного сечения, характеризующегося достаточно высокой теплопередачей в широком диапазоне значений температур, давлений и расходов теплоносителей.

Поставленная задача реализуется в способе повышения эффективности теплообменного аппарата, в котором:

- осуществляют теплопередачу посредством ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластин, разделяющих смежные проточные полости разных теплоносителей,

- интенсифицируют теплообмен теплоносителя с омываемыми им ребрами при протекании теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости за счет перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в каналах либо при регулярном разрушении пограничного слоя теплоносителя в местах стыковки последовательно по направлению течения теплоносителя секций ребер,

- ограничивают перетекание теплоносителя между параллельно включенными каналами проточной полости через перфорационные отверстия ребер или в местах стыковки последовательно расположенных по ходу течения теплоносителя секций неперфорированных ребер, для чего разделяют поток теплоносителя в проточной полости на несколько изолированных друг от друга потоков.

Поставленная задача также реализуется в теплообменном аппарате, в котором:

- чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей сформированы разделительными пластинами из теплопроводящего материала,

- проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включенные каналы соответствующими ребрами из теплопроводящего материала, находящимися в тепловом контакте с разделительными пластинами,

- ребра в каждой проточной полости хотя бы одного теплоносителя перфорированы или установлены в направлении его движения, в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным ребром, при этом каналы между ребрами со смежными участками разной длины,

- каждая из проточных полостей теплоносителя с участками смежных каналов разной длины разделена непроницаемыми стенками на несколько параллельно включенных секций.

Кроме того, в теплообменном аппарате каналы между ребрами выполнены Z- или П–образными, а разделительные стенки выполнены в виде неперфорированных ребер.

Заявленное изобретение поясняется конкретными примерами его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - общий вид теплообменного аппарата с круговым участком, условно открывающим внутренние противоточные участки каналов между разделительными пластинами.

Фиг.2 - узел “А” фиг.1 в увеличенном масштабе.

Фиг.3 - разрез “Б-Б” фиг.2.

Фиг.4 - разрез “В-В” фиг.1.

Фиг.5 - узел “Г” фиг.4 в увеличенном масштабе.

Фиг.6 - разрез “Д-Д” фиг.1.

Фиг.7 - узел “Е” фиг.6 в увеличенном масштабе.

Варианты осуществления изобретения

В заявляемом теплообменном аппарате чередующиеся проточные полости 1 и 2 соответственно охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей сформированы разделительными пластинами 3 толщиной 0,5 мм из хорошо теплопроводящего материала. Проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включенные каналы 4 и 5 соответственно перфорированными ребрами 6 и 7 толщиной 0,5 мм из хорошо теплопроводящего материала. В большинстве случаев ребра образованы гофрированием соответствующих листов. Ребра 6 и 7 находятся в хорошем тепловом контакте с разделительными пластинами 3. Это может быть достигнуто твердой пайкой пластин 3 с гофрами листов. Ребра 6 перфорированы щелевыми отверстиями 16, а ребра 7 - щелевыми отверстиями 17. Ширина перфорационных отверстий в описываемом теплообменном аппарате составляет от 0,8 до 1,0 мм. Перфорированные ребра 6 в каждой проточной полости 1 охлаждающего теплоносителя в направлении его движения установлены в, приблизительно, шахматном порядке (Фиг.5) с образованием последовательно расположенных секций 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 параллельно включенных каналов 1. Перфорированные ребра 6 расположены так, что перфорированное ребро 6 в секции 9 и последующих по направлению течения охлаждающего теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих перфорированных ребер 6 предыдущей секции 8, формирующих канал непосредственно перед смещенным перфорированным ребром в секции 9.

Длина каждой из последовательно расположенных секций с 8 по 15 трубчатых каналов охлаждающего теплоносителя может составлять от 20 до 60 частных от деления усредненной площади сечения трубчатого канала 4 в секции на усредненный периметр трубчатого канала. Разделение ребер на последовательно расположенные секции может быть выполнено и в проточных полостях 2 охлаждаемого теплоносителя. Длина каждой из последовательно расположенных секций трубчатых каналов 5 охлаждаемого теплоносителя может составлять от 2 до 20 частных от деления усредненной площади сечения трубчатого канала 5 в секции на усредненный периметр трубчатого канала.

В теплообменном аппарате вход и выход охлаждающего теплоносителя - из набегающего потока воздуха при полете самолета - происходит со стороны фланцев 18 и 19 соответственно (Фиг.1). Вход и выход охлаждаемого теплоносителя осуществляется через распределительные коллекторы 20 и 21 соответственно. Проточные полости 2 охлаждаемого теплоносителя со стороны фланцев 18 и 19 заглушены. Проточные полости 1 охлаждающего теплоносителя со стороны коллекторов 20 и 21 заглушены. Каждый из каналов 5 охлаждаемого теплоносителя между разделительными пластинами 3 выполнен, приблизительно, Z-образным с входным, промежуточным и выходным участками. Каждая из проточных полостей 2 охлаждаемого теплоносителя разделена на параллельно включенные Z-образные секции 22, 23, 24, 25 практически непроницаемыми Z-образными стенками 26. Стенки 26 могут быть выполнены в виде ребер, подобных ребрам 7, но без перфорационных отверстий.

Заявленные изобретения предназначены для применения в теплообменных аппаратах для газообразных теплоносителей, температура, давление и расход которых при эксплуатации могут изменяться в широких диапазонах значений. Способ повышения эффективности теплообменного аппарата включает осуществление теплопередачи посредством ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластины, разделяющей смежные проточные полости разных теплоносителей, интенсификацию теплообмена теплоносителя с омываемыми им ребрами при протекании теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости за счет перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в каналах либо при регулярном разрушении пограничного слоя теплоносителя в местах стыковки последовательно по направлению течения теплоносителя секций ребер, ограничение перетекания теплоносителя между параллельно включенными каналами проточной полости через перфорационные отверстия ребер или в местах стыковки последовательно расположенных по ходу течения теплоносителя секций неперфорированных ребер, для чего разделяют поток теплоносителя в проточной полости на несколько изолированных друг от друга потоков. Теплообменный аппарат включает чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей, сформированные разделительными пластинами из теплопроводящего материала, проточные полости обоих теплоносителей, разделенные на некруглые в поперечном сечении параллельно включенные каналы соответствующими ребрами из теплопроводящего материала, находящимися в тепловом контакте с разделительными пластинами, ребра в каждой проточной полости хотя бы одного теплоносителя, перфорированные или установленные в направлении его движения, в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным ребром, при этом каналы между ребрами со смежными участками разной длины, каждая из проточных полостей теплоносителя с участками смежных каналов разной длины, разделенная непроницаемыми стенками на несколько параллельно включенных секций. Заявленное изобретение позволяет создать теплообменный аппарат сравнительно малых веса и размеров поперечного сечения, характеризующегося достаточно высокой теплопередачей в широком диапазоне значений температур, давлений и расходов теплоносителей. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ повышения эффективности теплообменного аппарата, при котором осуществляют теплопередачу посредством ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластин, разделяющих смежные проточные полости разных теплоносителей; интенсифицируют теплообмен теплоносителя с омываемыми им ребрами при протекании теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости за счет перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в каналах либо при регулярном разрушении пограничного слоя теплоносителя в местах стыковки последовательно по направлению течения теплоносителя секций ребер; ограничивают перетекание теплоносителя между параллельно включенными каналами проточной полости через перфорационные отверстия ребер или в местах стыковки последовательно расположенных по ходу течения теплоносителя секций неперфорированных ребер, для чего разделяют поток теплоносителя в проточной полости на несколько изолированных друг от друга потоков.2. Теплообменный аппарат, в котором чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей сформированы разделительными пластинами из теплопроводящего материала; проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включенные каналы соответствующими ребрами из теплопроводящего материала, находящимися в тепловом контакте с разделительными пластинами; ребра в каждой проточной полости хотя бы одного теплоносителя перфорированы или установлены в направлении его движения в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным ребром, при этом каналы между ребрами выполнены со смежными участками разной длины; каждая из проточных полостей теплоносителя с участками смежных каналов разной длины разделена непроницаемыми стенками на несколько параллельно включенных секций.3. Теплообменный аппарат по п.2, в котором каналы между ребрами выполнены Z - или П - образными.4. Теплообменный аппарат по п.2, в котором разделительные стенки выполнены в виде неперфорированных ребер.