РЕКУПЕРАТОР ПЛАСТИНЧАТЫЙ ВИЗ Российский патент 2008 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению, пищевой промышленности и может быть использовано в теплообменных аппаратах.

Широко известны трубчатые рекуператоры, имеющие каналы для течения двух теплоносителей, образованные металлическими трубами, набранными в трубный пучок и соединенными трубными досками и корпусом, при этом течение первого теплоносителя осуществляется внутри труб, а течение второго теплоносителя - в межтрубном пространстве внутри корпуса [1]. Одним из существенных недостатков трубчатых рекуператоров являются сравнительно высокие масса и габариты. Недостатком этих рекуператоров является также высокая стоимость, обусловленная большой материалоемкостью и трудоемкостью изготовления, которая в значительной степени определяется большим объемом механической обработки металла при изготовлении трубных досок.

Известен принятый нами за прототип пластинчатый рекуператор, имеющий перемежающиеся каналы для течения двух теплоносителей, образованные металлическими листами, набранными в пакет с перемежающимися интервалами, равными высотам Н1 и Н2 каналов и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом на соответствующих боковых поверхностях пакета имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы [2]. Он обладает лучшими, чем трубчатые рекуператоры, массогабаритными характеристиками. Отсутствие трубных досок снижает трудоемкость его изготовления. Вместе с тем, большая суммарная длина плотных соединений листов друг с другом усложняет конструкцию рекуператора. Поэтому трудоемкость его изготовления и стоимость остаются достаточно высокими. Кроме того, в условиях характерного для таких рекуператоров неравномерного несимметричного температурного поля трудно обеспечить плотность соединений листов друг с другом в течение длительной эксплуатации, что снижает надежность и ресурс рекуператора. Необходимость равномерной раздачи теплоносителей по каналам требует наличия входных и выходных коллекторов соответствующих размеров, что увеличивает массу и габариты рекуператора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции и снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления рекуператора.

Поставленная задача решается при реализации рекуператора пластинчатого ВИЗ (Встречнозаходного с Интенсификаторами Замкнутого), имеющего перемежающиеся каналы для течения двух теплоносителей, образованные плоскими металлическими листами, набранными в пакет с перемежающимися интервалами, равными высотам Н1 и Н2 каналов и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом на соответствующих боковых поверхностях пакета имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы, в котором металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор, расположенный по оси пакета, при этом входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора на равных расстояниях по кольцу друг от друга, а входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета на равных расстояниях по кольцу друг от друга.

При этом в некоторых случаях окна для входа первого теплоносителя расположены напротив окон для выхода второго теплоносителя, а окна для выхода первого теплоносителя расположены напротив окон для входа второго теплоносителя.

При этом в некоторых случаях листы, образующие канал для течения, по меньшей мере одного теплоносителя, выполнены с оребрением.

При этом в некоторых случаях возможен также вариант рекуператора пластинчатого ВИЗ, когда расстояние между ребрами выполнено переменным.

При этом в некоторых случаях листы, образующие канал для течения, по меньшей мере одного теплоносителя, выполнены с расположенными определенным образом неровностями поверхности заданной высоты.

При этом в некоторых случаях возможен также вариант рекуператора пластинчатого ВИЗ, когда шаг расположения неровностей заданной высоты на поверхности листов выполнен переменным.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого устройства, является снижение стоимости изготовления, повышение надежности и ресурса рекуператора.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор, расположенный по оси пакета, при этом входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора на равных расстояниях по кольцу друг от друга, а входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета на равных расстояниях по кольцу друг от друга. Выполнение металлических листов в форме замкнутого кольца позволяет значительно сократить, по сравнению с прототипом, суммарную протяженность плотных соединений листов по краям, так как вместо четырех боковых граней пакет рекуператора ВИЗ имеет только две боковые поверхности, охватывающие внутренний и наружный периметры кольцевых листов.

Сократить суммарную протяженность плотных соединений листов по краям позволяет также то, что входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора, а входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета. Тем самым исключается необходимость стенок сложной формы, разделяющих теплоносители на участках входа и выхода из рекуператора, как это имеет место в прототипе. Поскольку эти разделительные стенки находятся, как правило, под достаточно высоким давлением, равным разности давлений теплоносителей, исключение их из конструкции рекуператора не только снижает трудоемкость изготовления и стоимость, но и повышает надежность и ресурс рекуператора.

Благодаря тому, что участки входа и выхода первого теплоносителя отделены кольцевым пакетом от участков входа и выхода второго теплоносителя, нет необходимости плотного соединения краев листов на участках от входа до выхода каждого теплоносителя. Это позволяет просто закрыть внутреннюю и наружную боковые поверхности кольцевого пакета прилегающими к краям листов стенками, в которых имеются соответствующие окна для входа и выхода теплоносителей в каналы. При этом высокой плотности прилегания стенок к краям листов не требуется, так как перепад давления между входом и выходом одного теплоносителя обычно сравнительно невелик и, соответственно, малы возможные перетечки из-за неплотности. Это также значительно упрощает конструкцию рекуператора, снижает его стоимость, повышает надежность и увеличивает ресурс.

Существенное снижение стоимости рекуператора, повышение его надежности и ресурса достигается также тем, что металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор, расположенный по оси пакета, при этом входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора. Таким образом, исчезает необходимость во внешних входном и выходном коллекторах для первого теплоносителя. Это преимущество особенно ощутимо, когда в качестве первого теплоносителя рассматривается теплоноситель с высоким давлением. Расположение входов и выходов в каналы для течения каждого из теплоносителей на равных расстояниях по кольцу друг от друга обеспечивает равную длину каналов между соответствующими входами и выходами теплоносителей, что, очевидно, необходимо для равномерной раздачи теплоносителей по всем каналам, обеспечивающей максимальную тепловую эффективность работы рекуператора, высокую надежность и ресурс.

Указанный технический результат достигается исполнением рекуператора пластинчатого ВИЗ, в котором окна для входа первого теплоносителя расположены напротив окон для выхода второго теплоносителя, а окна для выхода первого теплоносителя расположены напротив окон для входа второго теплоносителя, реализующим противоточную схему течения теплоносителей, при которой тепловая эффективность рекуператора максимальна. Повышение тепловой эффективности рекуператора позволяет уменьшить поверхность теплообмена и, следовательно, материалоемкость рекуператора. Таким образом, при повышении тепловой эффективности достигается технический результат - снижение стоимости изготовления рекуператора.

Указанный технический результат достигается в другом варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, который предусматривает выполнение листов, образующих канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя, с оребрением. Известно, что оребрение поверхности позволяет во многих случаях повысить интенсивность теплообмена, что, как сказано выше, снижает стоимость изготовления рекуператора. Кроме того, при значительной разнице давлений теплоносителей, выполнение оребрения внутри канала с низким давлением обеспечивает прочность конструкции и позволяет использовать металлические листы меньшей толщины, чем также достигается указанный технический результат.

Аналогично, интенсификация теплообмена и придание дополнительной прочности конструкции рекуператора с достижением указанного технического результата обеспечивается в варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, который предусматривает выполнение листов, образующих канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя с расположенными определенным образом неровностями поверхности заданной высоты.

Указанный технический результат достигается также в возможном варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, в котором шаг расположения неровностей заданной высоты на поверхности металлических листов выполняется переменным, по ширине и/или длине ленты. Очевидно, что длина линий тока теплоносителя от входного окна до выходного окна различается в зависимости от расположения точки начала линии тока во входном окне. Это приводит к соответствующей неравномерности скоростного и температурного полей теплоносителя. Путем соответствующего изменения шага неровностей можно повысить равномерность распределения скоростей и температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и за счет этого увеличить тепловую эффективность рекуператора. Современные методы численного и физического моделирования течений позволяют определить оптимальный закон изменения шага неровностей.

Указанный технический результат достигается также в возможном варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, в котором расстояние между ребрами на поверхности листов выполнено переменным. Как и в предыдущем варианте исполнения рекуператора, этим достигается равномерность распределения теплоносителя по каналам с аналогичным результатом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6. На чертежах схематически изображено: на фиг.1 показан общий вид рекуператора пластинчатого ВИЗ; на фиг.2 - продольное сечение рекуператора пластинчатого ВИЗ; на фиг.3 - увеличенный фрагмент продольного сечения рекуператора пластинчатого ВИЗ; на фиг.4 - изображена схема оребрения канала рекуператора пластинчатого ВИЗ; на фиг.5 - увеличенный фрагмент каналов рекуператора пластинчатого ВИЗ, образованных металлическими листами с оребрением; на фиг.6 - увеличенный фрагмент каналов рекуператора пластинчатого ВИЗ. образованных металлическими листами со сферическими выштамповками.

Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. Рекуператор пластинчатый ВИЗ имеет перемежающиеся каналы 1 и 2 (фиг.3) для течения двух теплоносителей, образованные плоскими металлическими листами 3 и 4, набранными в пакет 5 (фиг.1 и фиг.2) с перемежающимися интервалами, равными высотам Н1 и Н2 каналов и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках 6. Металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца (фиг.1 и фиг.4) и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор 7, расположенный по оси пакета, в котором имеется перегородка 8. При этом входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора на равных расстояниях по кольцу друг от друга, а входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета на равных расстояниях по кольцу друг от друга.

В варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, изображенном на фиг.1, окна 9 для входа и выхода теплоносителей в каналы выполнены в прилегающих к краям листов стенках 10 и 11, закрывающих внутреннюю и наружную боковые поверхности кольцевого пакета.

В варианте исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, изображенном на фиг.1, окна для входа первого теплоносителя располагаются напротив окон для выхода второго теплоносителя, а окна для выхода первого теплоносителя располагаются напротив окон для входа второго теплоносителя. Необходимо отметить, что по количеству и расположению входных и выходных окон теплоносителей конструкции рекуператора могут быть весьма разнообразны: количество входных и выходных окон для каждого из теплоносителей может быть, теоретически, любое, а их взаимное расположение определяет тепловую схему (противоток, прямоток, смешанная схема) рекуператора пластинчатого ВИЗ. Выбор количества и расположения входных и выходных окон теплоносителей зависит от конкретных условий работы рекуператора пластинчатого ВИЗ и осуществляется при его проектировании.

Возможен вариант исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, в котором листы, образующие канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя, выполнены с оребрением 12 (фиг.4 и фиг.5). Как видно из фиг.3, металлические листы в форме замкнутого кольца могут быть выполнены, например, в виде правильного многоугольника.

Возможен вариант исполнения рекуператора пластинчатого ВИЗ, в котором листы, образующие канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя, выполнены с расположенными определенным образом неровностями поверхности заданной высоты. В частности, на фиг.5 неровности заданной высоты на поверхности металлических листов выполнены в виде выпуклых сферических выштамповок 13 и 14, высоты которых равны высотам каналов Н1 и Н2 для течения теплоносителей.

Работа рекуператора пластинчатого ВИЗ осуществляется следующим образом. Первый теплоноситель подводится в каналы 1 (фиг.1, фиг.2 и фиг.3) из коллектора 7 через входное окно в стенке 10 и, разделяясь на два потока, движется по этим каналам в направлении выходного окна в той же стенке (направления движения теплоносителей показаны на чертежах стрелками), где два потока снова сливаются в один и по коллектору 7 покидают рекуператор. С наружной стороны пакета 5 имеются аналогичные окна второго теплоносителя. Схема движения второго теплоносителя в каналах 2 совершенно аналогична схеме движения первого, с той лишь разницей, что его подвод и отвод осуществляется с наружной стороны пакета. Протекая по каналам 1 и 2, теплоносители омывают разделяющие их стенки - металлические листы 3 и 4. Поскольку температура теплоносителей по обе стороны стенок различна, между ними происходит теплообмен. Расположенные определенным образом неровности 13 и 14 на стенках, а также оребрение стенок 12 интенсифицируют процесс теплообмена в каналах 1 и 2.

Возможность осуществления заявляемого рекуператора пластинчатого ВИЗ не вызывает сомнений, поскольку для этого могут быть использованы широко известные материалы (листовая сталь, рулонная металлическая лента и т.п.) и технологические процессы (штамповка, сварка и т.п.).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Бажан П.И. и др., Справочник по теплообменным аппаратам, М.: Машиностроение, 1989.

2. А.с. СССР №1829559, Пластинчатый теплообменник, МПК F28F 3/08, F28D 9/00, опубл. 02.20.1996.

Изобретение предназначено для рекуперации тепла и может быть использовано в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Рекуператор пластинчатый встречнозаходный с интенсификаторами, замкнутый, имеет перемежающиеся каналы для течения двух теплоносителей, образованные плоскими металлическими листами, набранными в пакет с перемежающимися интервалами, равными высотам H1 и Н2 каналов и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках. На соответствующих боковых поверхностях пакета имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы. Металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор, расположенный по оси пакета. Входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора на равных расстояниях по кольцу друг от друга. Входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета на равных расстояниях по кольцу друг от друга. Изобретение позволяет снизить стоимость изготовления, повысить надежность и ресурс теплообменных аппаратов. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Рекуператор пластинчатый ВИЗ (встречнозаходный с интенсификаторами замкнутый), имеющий перемежающиеся каналы для течения двух теплоносителей, образованные плоскими металлическими листами, набранными в пакет с перемежающимися интервалами, равными высотам H1 и Н2 каналов и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом на соответствующих боковых поверхностях пакета имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы, отличающийся тем, что металлические листы выполнены в форме замкнутого кольца и при наборе в пакет образуют внутренний коллектор, расположенный по оси пакета, при этом входы и выходы в каналы для течения первого теплоносителя расположены со стороны внутреннего коллектора на равных расстояниях по кольцу друг от друга, а входы и выходы в каналы для течения второго теплоносителя расположены с наружной стороны пакета на равных расстояниях по кольцу друг от друга.2. Рекуператор ВИЗ по п.1, отличающийся тем, что окна для входа первого теплоносителя расположены напротив окон для выхода второго теплоносителя, а окна для выхода первого теплоносителя расположены напротив окон для входа второго теплоносителя.3. Рекуператор пластинчатый ВИЗ по п.1, отличающийся тем, что листы, образующие канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя, выполнены с оребрением.4. Рекуператор пластинчатый ВИЗ по п.3, отличающийся тем, что расстояние между ребрами выполнено переменным.5. Рекуператор пластинчатый ВИЗ по п.1, отличающийся тем, что листы, образующие канал для течения, по меньшей мере, одного теплоносителя, выполнены с расположенными определенным образом неровностями поверхности заданной высоты.6. Рекуператор пластинчатый ВИЗ по п.5, отличающийся тем, что шаг расположения неровностей заданной высоты на поверхности листов выполнен переменным.