РЕКУПЕРАТОР ВИНЗ Российский патент 2008 года по МПК F28D9/04 

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

Широко известны пластинчатые рекуператоры, имеющие перемежающиеся каналы для течения двух теплоносителей, образованные металлическими листами, на поверхности которых выполняются регулярные неровности заданной высоты, набранными в пакет путем наложения друг на друга и плотно соединенными друг с другом на соответствующих участках по периметру листов, при этом на гранях пакета имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы [1]. Большая суммарная длина плотных соединений листов друг с другом усложняет конструкцию рекуператора, повышает трудоемкость изготовления и стоимость. Кроме того, в условиях характерного для пластинчатых рекуператоров неравномерного несимметричного температурного поля трудно обеспечить плотность соединений листов друг с другом в течение длительной эксплуатации, что снижает надежность и ресурс рекуператора.

Известен принятый нами за прототип рекуператор, имеющий каналы для течения двух теплоносителей, образованные двумя металлическими лентами, на поверхности которых выполняются регулярные неровности заданной высоты, наложенными одна на другую, свернутыми в рулон и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом по торцам рулона на равных расстояниях по окружности имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы [2]. Этот рекуператор, благодаря непрерывной (две ленты) поверхности теплообмена, имеет значительно меньшую протяженность плотных соединений листов (лент) по краям. Температурное поле рекуператора симметрично относительно его оси. Таким образом, он в значительной степени лишен указанных выше недостатков пластинчатого рекуператора. Вместе с тем, сложная конструкция перемежающихся подводов и отводов теплоносителей с обоих торцов рулона делает его изготовление сравнительно трудоемким, а стоимость достаточно высокой. Очевидно, что это негативно сказывается и на ресурсе и надежности данного рекуператора.

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

Поставленная задача решается при реализации рекуператора ВИНЗ (с Выштамповками-Интенсификаторми и Намоткой Зет-образной), имеющего каналы для течения двух теплоносителей, образованные двумя металлическими лентами, на поверхности которых выполняются регулярные неровности заданной высоты, наложенными одна на другую, свернутыми в рулон и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом по торцам рулона на равных расстояниях по окружности имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы, в котором края лент, образующих канал для течения первого теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с одного торца рулона, а края лент, образующих канал для течения второго теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с противоположного торца рулона, и оба торца рулона закрыты прилегающими к краям лент стенками, в которых выполнены соответствующие окна для входа и выхода теплоносителей в упомянутые каналы.

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 регулярные неровности заданной высоты на поверхности металлических лент выполнены в виде выпуклых сферических выштамповок, высоты которых равны высоте канала для течения соответствующего теплоносителя.

При этом, в некоторых случаях, возможен также вариант рекуператора ВИНЗ, когда шаг расположения регулярных неровностей заданной высоты на поверхности металлических лент выполнен переменным, по ширине и/или длине ленты.

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

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что края лент, образующих канал для течения первого теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с одного торца рулона, а края лент, образующих канал для течения второго теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с противоположного торца рулона, две скрученные в рулон ленты образуют единую (зигзагообразную (зетобразную) в сечении вдоль оси рекуператора) непроницаемую в осевом направлении стенку, разделяющую теплоносители. Это позволяет осуществлять подвод и отвод первого теплоносителя с одного торца рулона, а второго - с другого торца. Тем самым исключается необходимость дополнительных 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.

Указанный технический результат достигается также тем, что в заявляемом рекуператоре ВИНЗ, в отличие от прототипа, участки входа и выхода одного теплоносителя не перемежаются участками входа и выхода другого теплоносителя, что позволяет просто закрыть оба торца рулона прилегающими к краям лент стенками, в которых имеются соответствующие окна для входа и выхода теплоносителей в упомянутые каналы. При этом высокой плотности прилегания стенок к краям лент 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.

Указанный технический результат достигается исполнением рекуператора ВИНЗ, 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 ВИНЗ, который предусматривает выполнение регулярных неровностей заданной высоты на поверхности металлических лент в виде выпуклых сферических выштамповок, высоты которых равны высоте канала для течения соответствующего теплоносителя. Технология нанесения таких неровностей достаточно проста и высокопроизводительна. Сферические неровности могут выполняться на металлической ленте, например, путем ее прокатывания между двумя валками, имеющими на поверхности одного валка сферические выпуклости, а на поверхности другого валка соответствующие им лунки. Поэтому путем выполнения неровностей в виде сферических выштамповок достигается технический результат - снижение стоимости изготовления рекуператора. Кроме того, известно, что сферические выпуклости и лунки являются одними из наиболее эффективных интенсификаторов теплообмена. Поэтому применение регулярных неровностей такой формы значительно повышает тепловую эффективность рекуператора.

Указанный технический результат достигается также в возможном варианте исполнения рекуператора ВИНЗ, в котором шаг расположения регулярных неровностей заданной высоты на поверхности металлических лент 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.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображено: на фиг.1 и 2 показан общий вид рекуператора ВИНЗ; на фиг.3 - увеличенный фрагмент продольного сечения рекуператора ВИНЗ; на фиг.4 изображена развертка внутреннего канала рекуператора ВИНЗ; на фиг.5 - увеличенный фрагмент каналов рекуператора ВИНЗ, образованных металлическими лентами со сферическими выштамповками.

Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. Рекуператор ВИНЗ, имеет каналы 1 и 2 (см. фиг.3) для течения двух теплоносителей, образованные двумя металлическими лентами 3 и 4, на поверхности которых имеются регулярные неровности 5 и 6 (см. фиг.5) заданной высоты, наложенными одна на другую, свернутыми в рулон 7 (см. фиг.1). Края лент 8 (см. фиг.3), образующих канал для течения первого теплоносителя, по всей длине лент плотно соединяются друг с другом с одного торца рулона, а края лент 9, образующих канал для течения второго теплоносителя, по всей длине лент плотно соединяются друг с другом с противоположного торца. Оба торца рулона закрываются прилегающими к краям лент стенками 10, в которых на равных расстояниях по окружности имеются соответствующие окна для входа 11 (см. фиг.1) и выхода 12 теплоносителей в упомянутые каналы.

В варианте исполнения рекуператора ВИНЗ, изображенном на фиг.1 и 3, 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 ВИНЗ. Выбор количества и расположения входных и выходных окон теплоносителей зависит от конкретных условий работы рекуператора ВИНЗ и осуществляется при его проектировании.

Возможен вариант исполнения рекуператора ВИНЗ, в котором регулярные неровности заданной высоты на поверхности металлических лент выполняются в виде выпуклых сферических выштамповок 5 и 6 (фиг.5), высоты которых равны высоте канала Н для течения соответствующего теплоносителя.

Работа рекуператора ВИНЗ осуществляется следующим образом. Первый теплоноситель подводится в каналы 1 (фиг.1 и 4) через входное окно 11 и, разделяясь на два потока, движется по этим каналам в направлении выходного окна 12 (направления движения теплоносителей показаны на чертежах стрелками), где два потока снова сливаются в один и через окно 12 покидают рекуператор. Входные и выходные окна первого теплоносителя расположены на одном торце рулона 7. На противоположном его торце 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 другого торца рулона 7. Протекая по каналам 1 и 2, теплоносители омывают разделяющие их стенки - ленты 3 и 4. Поскольку температура теплоносителей по обе стороны стенок различна, между ними происходит теплообмен. Регулярные неровности 5 и 6 на стенках интенсифицируют процесс теплообмена в каналах 1 и 2.

Возможность осуществления заявляемого рекуператора ВИНЗ 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. Барановский Н.В. и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973.

2. Патент США №6289978 В1, кл. 7 F28D 9/04, опубл. 18.09.2001.

Изобретение предназначено для рекуперации тепла и может быть использовано в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Рекуператор имеет каналы для течения двух теплоносителей, образованные двумя металлическими лентами, на поверхности которых выполняются регулярные неровности заданной высоты, наложенными одна на другую и свернутыми в рулон. Края лент, образующих канал для течения первого теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с одного торца рулона, а края лент, образующих канал для течения второго теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с противоположного торца рулона, и оба торца рулона закрыты прилегающими к краям лент стенками, в которых выполнены соответствующие окна для входа и выхода теплоносителей в упомянутые каналы. Изобретение позволяет снизить стоимость изготовления, повысить надежность и ресурс теплообменных аппаратов. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Рекуператор с выштамповками-интенсификаторами и намоткой зетобразной (ВИНЗ), имеющий каналы для течения двух теплоносителей, образованные двумя металлическими лентами, на поверхности которых выполняются регулярные неровности заданной высоты, наложенными одна на другую, свернутыми в рулон и плотно соединенными друг с другом по краям на соответствующих участках, при этом по торцам рулона на равных расстояниях по окружности имеются входы и выходы теплоносителей в упомянутые каналы, отличающийся тем, что края лент, образующих канал для течения первого теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с одного торца рулона, а края лент, образующих канал для течения второго теплоносителя, по всей длине лент плотно соединены друг с другом с противоположного торца рулона, и оба торца рулона закрыты прилегающими к краям лент стенками, в которых выполнены соответствующие окна для входа и выхода теплоносителей в упомянутые каналы.2. Рекуператор ВИНЗ 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 ВИНЗ по п.1, отличающийся тем, что регулярные неровности заданной высоты на поверхности металлических лент выполнены в виде выпуклых сферических выштамповок, высоты которых равны высоте канала для течения соответствующего теплоносителя.4. Рекуператор ВИНЗ по п.1, отличающийся тем, что шаг расположения регулярных неровностей заданной высоты на поверхности металлических лент выполнен переменным, по ширине и/или длине ленты.