СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА СРЕД И ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, РЕАЛИЗУЮЩИЙ СПОСОБ Российский патент 2005 года по МПК F28D9/00 F28F3/00 

Область техники

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.

Особенно предпочтительной областью использования изобретений являются теплообменные аппараты, для которых важно, чтобы в них фронтальная площадь в плоскости, перпендикулярной разделительным пластинам и каналам хотя бы одного из теплоносителей, была минимально возможной. Например, на самолетах в связи с охлаждением бортовых теплоносителей потоком наружного воздуха, требующим минимизации обусловленного этим аэродинамического сопротивления.

Предшествующий уровень техники

Теплообменный аппарат с пластинчато-ребристой теплопередающей поверхностью состоит 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 теплопередающей поверхности достигается модификацией геометрии, ведущей к увеличению теплоотдачи для данной скорости потока. Увеличение коэффициента теплоотдачи может быть достигнуто периодическим по ходу движения теплоносителя разрушением ламинарного пограничного слоя и иными средствами.

Наряду с “жалюзийными” (РСТ JP 00/01808) и “короткими прерывистыми” (US 5078207 FIG. 10) ребрами используются также теплопередающие поверхности с перфорированными (US 5031693) ребрами. У теплопередающих поверхностей 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 теплообменном аппарате по патенту США №5078207 смежные каналы теплоносителя, разделенные ребром, сообщены через щелевые промежутки. Поскольку расстояние между двумя последовательно расположенными щелевыми промежутками равно длине участка ребра между этими промежутками, последние нельзя рассматривать, как перфорационные отверстия. Поскольку же ширина щелевого промежутка сравнительно велика - больше ширины канала, формируемого двумя соседними ребрами, - в нем может разрушаться пограничный слой теплоносителя, сошедший с ребра предыдущей секции. В описании к патенту утверждается, что патентуемый теплообменный аппарат более эффективен, чем теплообменный аппарат, в котором ребро каждой следующей по потоку теплоносителя секции расположено между ребрами предыдущей секции.

При изменении параметров потока теплоносителя в широком диапазоне значений интенсификация теплообмена по патенту №5078207 может оказаться недостаточной.

Наиболее близким предлагаемому решению является пластинчатый теплообменник по авторскому свидетельству RU №304414. В этом теплообменнике

- 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.

Раскрытие изобретения

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.

Согласно изобретению, при реализации способа интенсификации теплообмена теплопередачу осуществляют посредством перфорированных ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластин, разделяющих смежные проточные полости разных теплоносителей.

В теплообменном аппарате, согласно изобретению:

- 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 перфорированными ребрами из теплопроводящего материала, находящимися в тепловом контакте с разделительными пластинами.

При росте скорости теплоносителя увеличение затрат энергии на преодоление трения значительнее уменьшения соответствующих затрат от увеличения тепловой нагрузки. Поэтому, более выгодны сравнительно низкие массовые скорости теплоносителя. Это, особенно при низком значении теплопроводности теплоносителя, приводит к относительно невысоким значениям коэффициентов теплоотдачи и определяет необходимость большой теплопередающей поверхности. Компактные пластинчато-ребристые теплообменные аппараты характеризуются высоким значением отношения теплообменной площади к занимаемому объему.

Согласно изобретению, в процессе движения каждого из теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости теплообмен теплоносителя с омываемыми им перфорированными ребрами интенсифицируют за счет перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуаций перепадов статических давлений в них.

Перетекание теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах деформирует пограничный слой. Потери на трение у поверхности с перфорированными ребрами очень малы.

Согласно изобретению, в процессе протекания, хотя бы одного, теплоносителя по параллельно включенным каналам проточной полости его теплообмен с омываемыми перфорированными ребрами интенсифицируют за счет регулярного разрушения пограничного слоя теплоносителя на них вследствие расположения перфорированных ребер по направлению течения теплоносителя в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно перфорированных ребер предыдущей секции.

Согласно изобретению, в теплообменном аппарате перфорированные ребра в каждой проточной полости, хотя бы одного, теплоносителя в направлении его движения установлены в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих перфорированных ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным перфорированным ребром.

Вследствие разрушения пограничного слоя возникает турбулентность теплоносителя, приводящая к существенному росту коэффициента теплоотдачи.

В большинстве случаев целесообразно, если в теплообменном аппарате, согласно изобретению, длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждающего теплоносителя составляет от 20 до 60 частных от деления усредненной площади сечения канала в секции к усредненному периметру одного канала.

При таком соотношении размеров достигается достаточное увеличение коэффициента теплоотдачи наряду с приемлемым ростом затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления.

В ряде случаев при реализации способа целесообразно, согласно изобретению, осуществлять разрушение пограничного слоя на перфорированных ребрах в проточных полостях обоих теплоносителей.

Величина коэффициента теплоотдачи изменяется обратно пропорционально гидравлическому диаметру канала, равного отношению четырехкратной площади канала к его омываемому периметру. Поэтому, малые геометрические размеры обеспечивают повышение коэффициента теплоотдачи. При указанных длинах перфорированных ребер в секциях каналов охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей могут быть достигнуты наибольшие значения коэффициентов теплопередачи наряду с приемлемыми значениями гидравлического сопротивления.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

фиг.1 - наружный 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 патентуемом теплообменном аппарате чередующиеся проточные полости 1 и 2 охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей, соответственно, сформированы разделительными пластинами 3 из теплопроводящего материала. Проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включенные каналы 4 и 5, соответственно, перфорированными ребрами 6 и 7 из теплопроводящего материала. В большинстве случаев ребра образованы гофрированием соответствующих листов. Ребра 6 и 7 находятся в 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 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 в 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 ребра в 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 к усредненному периметру 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 к усредненному периметру трубчатого канала.

В описываемом 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.

При эксплуатации теплообменного аппарата теплопередачу осуществляют посредством ребер 6 и 7 и пластин 3. При протекании каждого из теплоносителей по каждому из соответствующих параллельно включенных каналов соответствующей проточной полости интенсифицируют теплообмен теплоносителя с омываемыми им перфорированными ребрами. Интенсификацию осуществляют за счет перетекания каждого теплоносителя через перфорационные отверстия в соответствующих ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в них.

При протекании охлаждающего теплоносителя по параллельно включенным каналам 4 каждой проточной полости 1 интенсифицируют его теплообмен с омываемыми перфорированными ребрами 6 за счет разрушения пограничного слоя охлаждающего теплоносителя. Это происходит вследствие расположения перфорированных ребер 6 по направлению течения охлаждающего теплоносителя в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов.

Теплообменная поверхность описываемого теплообменного аппарата в области Re>1000 интенсифицирует теплопередачу в 1,7-2,0 раза больше, чем теплообменные поверхности, имеющие сплошные гладкие ребра, при поверхности, аналогичной по геометрии, но столько перфорированными ребрами и поверхностью, имеющей короткие прерывистые ребра. При той же тепловой эффективности и величине мощности на прокачку, а также неизменном массовом расходе воздуха, потребная фронтальная площадь у поверхности описываемого теплообменного аппарата оказалась меньше в 1,25 раза.

Положительное влияние на теплоотдачу перфорации ребер и формирования, вследствие их смещения, последовательно расположенных секций каналов подтверждено экспериментально. В экспериментальной матрице, разделенной смещением ребер на две секции каналов, общая теплоотдача увеличилась более чем на 7,5%, а в разделенной на три секции - более чем на 12%. Если бы чередующиеся ряды перфорированных ребер работали так, как описано известными степенными зависимостями (“Справочник по теплообменникам”, Москва, “Энергоиздат”, 1987, том 2, стр.101), соответствующие увеличения теплоотдачи составили бы для двух секций - 2,4%, а для трех секций - 4,7%.

Поскольку длина смежных входных и выходных участков каналов 5 охлаждаемого теплоносителя различна различно и гидравлическое сопротивление в них при течении охлаждаемого теплоносителя. Поэтому, происходит перетекание охлаждаемого теплоносителя в более короткий канал 5. Стенки 26 препятствуют перетеканию охлаждаемого теплоносителя между секциями 22, 23, 24, 25, обеспечивая более равномерный теплообмен по секциям.

Изобретение предназначено для применения в теплообменных аппаратах с неподвижными каналами для двух теплоносителей, в которых каналы сформированы разделительными пластинами, имеющими перфорированные ребра, расположенные внутри этих каналов. Способ интенсификации теплообмена двух теплоносителей, при котором теплопередачу осуществляют посредством перфорированных ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластин, разделяющих смежные проточные полости разных теплоносителей, причем при протекании теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости теплообмен теплоносителя с омываемыми им перфорированными ребрами интенсифицируют за счет перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в ребрах между смежными параллельно включенными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в них, кроме того, при протекании одного из теплоносителей по параллельно включенным каналам проточной полости его теплообмен с омываемыми перфорированными ребрами интенсифицируют за счет регулярного разрушения пограничного слоя теплоносителя на них вследствие расположения перфорированных ребер по направлению течения теплоносителя в, приблизительно, шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно перфорированных ребер предыдущей секции. Теплообменный аппарат содержит чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей, сформированные разделительными пластинами из теплопроводящего материала, кроме того, 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, перфорированные ребра в каждой проточной полости хотя бы одного из теплоносителей, установленные в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих перфорированных ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным перфорированным ребром, причем длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждающего теплоносителя составляет от 20 до 60 частных от деления усредненной площади сечения канала в секции к усредненному периметру одного канала. Изобретение позволяет создать теплообменный аппарат малого размера поперечного сечения и веса, характеризующийся достаточно высокой теплопередачей в широком диапазоне значений температур, давлений и расходов теплоносителей. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ интенсификации теплообмена двух теплоносителей, при котором теплопередачу осуществляют посредством ребер, разделяющих проточные полости каждого из теплоносителей на параллельно включенные каналы, и пластин, разделяющих смежные проточные полости разных теплоносителей; при протекании хотя бы одного из теплоносителей по параллельно включенным каналам соответствующей проточной полости теплообмен теплоносителя с омываемыми им перфорированными ребрами интенсифицируют за счет перетекания теплоносителя между смежными параллельно включенными каналами через перфорационные отверстия в ребрах вследствие флуктуации перепадов статических давлений в каналах; при протекании хотя бы одного из теплоносителей по параллельно включенным каналам проточной полости его теплообмен с омываемыми перфорированными ребрами интенсифицируют за счет разрушения пограничного слоя теплоносителя на них вследствие расположения перфорированных ребер по направлению течения теплоносителя в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно перфорированных ребер предыдущей секции.2. Способ по п.1, при котором осуществляют разрушение пограничного слоя на перфорированных ребрах в проточных полостях обоих теплоносителей.3. 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 из теплоносителей перфорированы; перфорированные ребра в каждой проточной полости хотя бы одного теплоносителя в направлении его движения установлены в шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включенных каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперек этого направления относительно обоих перфорированных ребер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещенным перфорированным ребром.4. Теплообменный аппарат по п.3, в котором длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждающего теплоносителя составляет от 20 до 60 частных от деления усредненной площади сечения канала в секции к усредненному периметру одного канала.