ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2015 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов, преимущественно - к газо-газовым пластинчатым теплообменникам, и может быть использовано для рекуперации тепла вторичных энергоресурсов в технологических установках и энергетическом оборудовании на промышленных предприятиях и в гражданском строительстве в системах приточно-вытяжной вентиляции.

Известен пластинчато-ребристый теплообменник, содержащий элементы, деталями которых являются две гладкие пластины, между которыми расположен гофрированный лист (Барановский И.В., Коваленко Л.М., Ястребеницкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973, с. 228, рис.133-134, 137). Поставленные один на другой такие элементы образуют пакет теплообменника с каналами для прохождения рабочих сред. После сборки необходимого количества элементов в пакет производится припайка гофров к гладкой пластине в местах касания пластин. Необходимая поверхность теплообмена компонуется путем последовательного или параллельного соединения отдельных пакетов.

Недостатком указанного теплообменника является то, что при принятой схеме коммутации и разводки потоков, требуется очень высокое качество контакта деталей элементов, достигаемое применением пайки, что, в свою очередь, требует наличия сложного технологического оборудования - печей с защитной атмосферой из инертных газов или соляных ванн. Отсюда, другим недостатком являются сложность и высокая трудоемкость изготовления, связанные с необходимостью обеспечения высокой точности формообразования гофрированных листов с учетом необходимости операции шлифовки для соединения с гладкими листами пайкой.

Известны также теплообменный элемент и пластинчатый теплообменник, по совокупности признаков принятые за прототип (Патент RU №2319095 C1. Теплообменный элемент и пластинчатый теплообменник. - МПК⁶ F28D 9/00. Опубл. 10.03.2008, Бюл. №7).

Данный теплообменник, благодаря принятой схеме коммутации потоков теплоносителей, в некоторой степени лишен недостатков описанного выше устройства. В нем, в частности, не является определяющим условие качества контакта плоского и гладкого листов в теплообменном элементе. Однако сохранение операции пайки, использованной здесь главным образом для обеспечения жесткости конструкции, определяет и присущие ему недостатки, связанные с необходимостью наличия сложного технологического оснащения при высоких трудозатратах.

Теплообменный элемент содержит соединенные между собой с помощью пайки плоский проставочный и профильный листы с образованием между ними каналов для рабочих сред, при этом каналы для подвода и отвода рабочих сред выполнены прямолинейными, а рабочий теплопередающий участок каждого канала представляет собой зигзагообразную последовательность коротких каналов, ориентированных друг к другу под углом 90°, с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника, а каналы для подвода и отвода рабочих сред выполнены в поперечном сечении прямоугольными с площадью поперечного сечения, равной площади поперечного сечения короткого теплопередающего канала, в результате чего имеют высоту, равную половине высоты этого канала.

Недостатком данного теплообменного элемента является неспособность его реализации в полной степени без учета ряда условий. Так, с уменьшением толщины и механических характеристик материала, например в случае использования для изготовления профильного и проставочного листов алюминиевой фольги толщиной менее 0,2 мм, при пайке существенно возрастают трудности производственного характера, обусловленные, в частности, малой жесткостью соединяемых деталей и относительно низкими технологическими показателями данного материала.

Недостатком принятого за прототип теплообменника, содержащего корпус с размещенными в нем теплообменными элементами, теплоизоляцию, присоединительные фланцы и заглушки, является сложность конструкции и повышенная материалоемкость корпуса, ввиду того, что теплообменные элементы, собранные в стопу, не образуют замкнутого объема теплообменника, что требует выполнения боковых и верхней стенок теплообменника двойными, имея в виду необходимость наличия в конструкции корпуса герметичных полостей для размещения теплоизоляции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в реализации изделия, отвечающего современным требованиям энергосбережения, а также технологичности его изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в пластинчатом теплообменнике теплообменный элемент выполнен содержащим профильный и гладкий проставочный листы, имеющие с боковых сторон борта равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном и прямолинейном участках. Высота борта профильного листа превышает высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, предпочтительно, не менее чем на 5 мм, но не более чем в два раза. Борта профильного и проставочного листов имеют наклон от вертикали наружу на один и тот же угол α=arcsin S/Δ, где S - толщина материала профильного листа; Δ - превышение высоты борта над высотой поперечного сечения канала на его зигзагообразном рабочем участке. Ширина основания профильного листа равна расстоянию между бортами проставочного листа в месте их контакта. Профильный и проставочный листы, предпочтительно, изготовлены из алюминиевой фольги. Профильный и проставочный листы могут быть изготовлены из медной фольги. Профильный и проставочный листы жестко соединены между собой на участках контакта их бортов, предпочтительно, с помощью металлических скоб. Профильный и проставочный листы могут быть жестко соединены между собой на участках контакта их бортов с помощью термостойкого клея. На концах прямолинейных участков каналов профильного листа выполнены клапаны с возможностью их отгиба за счет надрезов материала листа, выполненных в кромке свода канала вплотную к его вертикальным стенкам. Положение лапок проставочного листа выбрано таким, что концевые кромки горизонтальных участков лапок располагаются в одной плоскости с линией отгиба клапанов на прямолинейных участках каналов профильного листа. Содержит элементы крепления профильного листа к проставочному листу по концам каналов для прохождения рабочей среды. Элементы крепления профильного листа к проставочному листу выполнены, предпочтительно, в виде Ω-образных скоб, предпочтительно, из листового металла с лепестковыми клеммами на горизонтальных участках скобы. На сводах каналов, на участках подвода и отвода рабочей среды, имеются,установленные под углом к торцовой кромке листа направляющие элементы потока.

А сам пластинчатый теплообменник, содержащий множество теплообменных элементов, корпус, теплоизоляцию, присоединительные фланцы и заглушки, содержит блок теплообменных элементов с герметичными боковыми стенками, образованный последовательным вложением одного в другой теплообменных элементов по пп.1-14 с жестким соединением их между собой, например, с помощью металлических скоб на участках контакта их бортов, а по концам каналов - за счет отгибания и наложения клапанов каналов профильного листа на опорную лапку проставочного листа смежного с ним теплообменного элемента. Имеется замыкающий теплообменный элемент-крышка. Стенки корпуса выполнены однослойными и снабжены изнутри подкрепляющими профилями, а сам корпус снаружи снабжен поясами жесткости из профильного материала.

Соединение теплообменных элементов между собой на участках контакта их бортов может быть выполнено в процессе сборки теплообменных элементов в единый блок одновременно с соединением предварительно не связанных между собой их профильного и проставочного листов с помощью одних и тех же металлических скоб.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении интенсификации процесса теплообмена путем снижения термического сопротивления за счет уменьшения толщины материала компонентов теплообменных элементов, а также в повышении технологичности сборки и снижении удельной металлоемкости.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

на фиг.1 общий вид теплообменного элемента в изометрическом изображении;

на фиг.2 - вид А по фиг.1;

На фиг.3 - вид Б по фиг.2;

на фиг.4 - поперечный разрез В-В по фиг.2;

на фиг.5 - общий вид пластинчатого теплообменника, вид сбоку;

на фиг.6 - вид Г по фиг.5;

на фиг.7 - местный продольный разрез Д-Д по фиг.6;

на фиг.8 - местный разрез Е-Е по фиг.4.

Теплообменный элемент 1 для пластинчатого противоточного теплообменника 2 содержит профильный лист 3 и жестко связанный с ним гладкий проставочный лист 4 с образованием каналов для прохождения рабочей среды, имеющих треугольное поперечное сечение на зигзагообразных рабочих участках L и прямоугольное сечение меньшей высоты на концевых прямолинейных участках k для подвода и отвода рабочей среды. Профильный и проставочный листы имеют с боковых сторон борта 5 и 6 равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке L, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами 7 для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа 4 с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки 8, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном L и прямолинейном k участках. Высота борта профильного листа 3 превышает высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке L, предпочтительно, не менее чем на 5 мм, но не более чем в два раза. Борта профильного 3 и проставочного 4 листов имеют наклон от вертикали наружу на один и тот же угол

α=arcsinS/Δ,

где

S - толщина материала профильного листа;

Δ - превышение высоты борта над высотой поперечного сечения канала на его зигзагообразном рабочем участке.

Ширина основания профильного листа 3 равна расстоянию между бортами 6 проставочного листа 4 в месте контакта листов. Профильный и проставочный листы изготовлены, предпочтительно, из алюминиевой или медной фольги. Профильный и проставочный листы 3 и 4 жестко соединены между собой на участках контакта их бортов металлическими скобами 9. Профильный и проставочный листы могут быть жестко соединены между собой на участках контакта их бортов также с помощью термостойкого клея. На концах прямолинейных участков k каналов профильного листа 3 выполнены клапаны 10 с возможностью их отгиба за счет надрезов k, выполненных в кромке свода канала вплотную к его вертикальным стенкам. Положение опорных лапок 8 проставочного листа 4 выбрано таким, что концевые кромки горизонтальных участков лапок 8 располагаются в одной плоскости с линией отгиба клапанов 10. По концам каналов для прохождения рабочей среды установлены элементы крепления профильного листа 3 к проставочному листу 4 в виде Ω-образных скоб 11 из листового металла с лепестковыми клеммами на горизонтальных участках скобы. На сводах каналов, на участках подвода и отвода рабочей среды, имеются установленные под углом к торцовой кромке листа направляющие элементы потока 12.

А сам пластинчатый теплообменник 2 содержит множество теплообменных элементов 1, корпус 13, теплоизолирующий материал 14, присоединительные фланцы 15, 16 и заглушки 17. Теплообменные элементы 1 вложены один в другой с жестким соединением между собой: на участках контакта их бортов с помощью металлических скоб 9, а по концам каналов - за счет отгибания и наложения клапанов 10 каналов профильного листа 3 каждого теплообменного элемента на опорную лапку 8 проставочного листа, смежного с ним очередного теплообменного элемента, с образованием таким образом теплообменного блока 18 с герметичными несущими боковыми стенками. Теплообменник 2 содержит также замыкающий теплообменный элемент-крышку 19, в роли которой выступает проставочный лист 4. Контакт компонентов теплообменного блока осуществлен через слой термопасты (на чертеже не показана). Стенки корпуса 13 выполнены однослойными и снабжены изнутри подкрепляющими профилями 20, а на самом корпусе 13 снаружи установлены пояса жесткости 21 из профильного материала.

Сборка теплообменного блока может осуществляться двумя способами.

В первом случае предварительно соединяют между собой вложенные один в другой профильный 3 и проставочный 4 листы с получением единичного теплообменного элемента 1. Выполнение бортов листов с наклоном облегчает сборку и позволяет при вложении одного элемента в другой до их контакта по гребням зигзагообразного профиля получить контакт и по площади бортов. Прочностные и технологические характеристики материала позволяют скрепление листов 3 и 4 между собой по бортам 5 и 6 производить, например, металлическими канцелярскими скобками 9 с помощью степлера. Далее на вертикальные стенки концевых участков смежных каналов, устанавливают Ω-образные скобы 11. При этом клапаны 10 в своде канала предварительно отгибают вверх, по линии, определенной глубиной надрезов l. Скобы 11 устанавливают таким образом, чтобы концевая кромка проставочного листа 4 располагалась между предварительно раздвинутыми клеммами на горизонтальных участках скобы. После этого стенки скобы и клеммы смыкают известным инструментом, фиксируя скобу 11 на полученном теплообменном элементе. Собранные таким образом попарно профильный и проставочный листы с образованием единичных теплообменных элементов 1 собирают в стопу вложением элементов один в другой, последовательно соединяя их между собой. Соединение бортов производят упомянутыми выше скобками 9 внахлест за счет выполненного превышения высоты бортов листов над высотой рельефа профильного листа на его рабочем зигзагообразном участке. Соединение элементов по концам каналов производят отгибанием и наложением клапанов 10 каналов профильного листа 3 каждого теплообменного элемента на опорную лапку 8 проставочного листа смежного с ним очередного теплообменного элемента. В первом канале каждого элемента со стороны окна устанавливают заглушку 17, а на сводах каналов на участке k под углом к торцовой кромке листа устанавливают направляющие элементы потока 12 с креплением их к бортам элемента скобками 9. Так, опорные лапки 8 и заглушки 17 образуют торцовые стенки теплообменника. Таким образом, на участках подвода и отвода рабочей среды между профильными и проставочными листами теплообменных элементов формируются изолированные друг от друга полости со щелевидным окном в каждой. Последним укладывают и скрепляют с предыдущим замыкающий теплообменный элемент-крышку 19. В результате получают единый существенно жесткий теплообменный блок 18 с герметичными несущими стенками. Это позволяет разместить маты теплоизолирующего материала 14 непосредственно на поверхности блока, что, в свою очередь, дает возможность выполнить корпус 13 однослойным, существенно упростив тем самым его конструкцию и снизив массу теплообменника.

Во втором варианте сборки компоновка теплообменного блока производится без предварительного соединения между собой гладкого проставочного и профильного листов 3 и 4. Сначала последовательным вложением один в другой собирают пакет из четырех листов с установкой направляющих элементов потока 12, после чего соединяют их описанным выше образом с обеспечением контакта между компонентами по трем участкам: на рабочем теплопередающем участке - по гребням канала треугольного профиля; по всей длине элемента - по левому и правому бортам 5 и 6 и по плоским площадкам между крайними каналами и бортами; на участке подвода и отвода рабочей среды - по стенкам прямолинейных каналов и по горизонтальному участку лапки 8 профильного листа 4. Далее укладывают следующие проставочный и профильный листы и в местах перехлеста бортов одновременно соединяют их между собой и с предыдущей парой листов. В последнюю очередь на полученную стопу накладывают и соединяют с остальными замыкающий теплообменный элемент-крышку 19.

Работа пластинчатого теплообменника, содержащего блок теплообменных элементов, осуществляется следующим образом.

Горячий воздух подается в пластинчатый теплообменник через присоединительный фланец 15, а холодный - через фланец 16, чем обеспечивается противоток рабочих газовых сред. Поток поступающего горячего воздуха через торцовый фланец 15 сразу попадает под своды прямолинейных каналов на участке k и далее - в зигзагообразные каналы рабочего участка L теплообменных элементов. Поток относительно холодного воздуха через боковой фланец 16 и щелевидные окна в боковых стенках единичных теплообменных элементов блока поступает в полости между их листами на участке k и с помощью направляющих элементов 12 вводится в зигзагообразные впадины между каналами с горячим воздухом. Таким образом, осуществляется теплообмен между потоками. Короткие каналы, стыкующиеся под углом 90°, создают искусственную турбулизацию потока, чем в сочетании с малой толщиной стенок каналов за счет предлагаемого технического решения интенсифицируется теплообмен.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в газо-газовых пластинчатых теплообменниках. Теплообменный элемент для пластинчатого противоточного теплообменника, содержит профильный лист и жестко связанный с ним проставочный лист с образованием каналов для прохождения рабочей среды, имеющих треугольное поперечное сечение на зигзагообразных рабочих участках и прямоугольное сечение меньшей высоты на концевых прямолинейных участках для подвода и отвода рабочей среды, причем профильный и проставочный листы теплообменного элемента имеют с боковых сторон борта равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном и прямолинейном участках. Технический результат - снижение термического сопротивления за счет уменьшения толщины материала компонентов теплообменных элементов, повышение технологичности сборки и снижение удельной металлоемкости. 2 н. и 17 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Теплообменный элемент для пластинчатого противоточного теплообменника, содержащий профильный лист и жестко связанный с ним проставочный лист с образованием каналов для прохождения рабочей среды, имеющих треугольное поперечное сечение на зигзагообразных рабочих участках и прямоугольное сечение меньшей высоты на концевых прямолинейных участках для подвода и отвода рабочей среды, отличающийся тем, что профильный и проставочный листы теплообменного элемента имеют с боковых сторон борта равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном и прямолинейном участках.

2. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что высота борта профильного листа превышает высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке не менее чем на 5 мм, но не более чем в два раза.

3. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что борта профильного и проставочного листов имеют наклон от вертикали наружу на один и тот же угол
α=arcsinS/Δ,
где S - толщина материала профильного листа;
Δ - превышение высоты борта над высотой поперечного сечения канала на его зигзагообразном рабочем участке.

4. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что ширина основания профильного листа равна расстоянию между бортами проставочного листа в месте их контакта.

5. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что профильный и проставочный листы изготовлены из алюминиевой фольги.

6. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что профильный и проставочный листы изготовлены из медной фольги.

7. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что профильный и проставочный листы жестко соединены между собой на участках контакта их бортов с помощью металлических скоб.

8. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что профильный и проставочный листы жестко соединены между собой на участках контакта их бортов с помощью термостойкого клея.

9. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит на концах прямолинейных участков каналов профильного листа клапаны с возможностью их отгиба за счет надрезов материала листа, выполненных в кромке свода канала вплотную к его вертикальным стенкам.

10. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что положение лапок проставочного листа выбрано таким, чтобы концевые кромки горизонтальных участков лапок располагались в одной плоскости с линией отгиба клапанов на прямолинейных участках каналов профильного листа.

11. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит элементы крепления профильного листа к проставочному листу по концам каналов для прохождения рабочей среды.

12. Теплообменный элемент по п.11, отличающийся тем, что элементы крепления профильного листа к проставочному листу выполнены в виде Ω-образных скоб из листового металла с лепестковыми клеммами на горизонтальных участках скобы.

13. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что профильный лист контактирует с проставочным листом через слой термопасты.

14. Теплообменный элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит на сводах каналов на участках подвода и отвода теплоносителя установленные под углом к торцовой кромке листа направляющие элементы потока.

15. Пластинчатый теплообменник, содержащий множество теплообменных элементов, корпус, теплоизоляцию, присоединительные фланцы и заглушки, отличающийся тем, что содержит блок теплообменных элементов с герметичными боковыми стенками, образованный последовательным вложением одного в другой теплообменных элементов по пп.1-14 с жестким соединением их между собой, например, с помощью металлических скоб на участках контакта их бортов, а по концам каналов - за счет отгибания и наложения клапанов каналов профильного листа на опорную лапку проставочного листа смежного с ним теплообменного элемента.

16. Пластинчатый теплообменник по п.15, отличающийся тем, что содержит замыкающий теплообменный элемент блока.

17. Пластинчатый теплообменник по п.15, отличающийся тем, что контакт компонентов теплообменного блока осуществлен через слой термопасты.

18. Пластинчатый теплообменник по п.15, отличающийся тем, что соединение теплообменных элементов по пп.1-14 между собой на участках контакта их бортов выполнено одновременно с соединением их предварительно не связанных между собой профильного и проставочного листов в процессе сборки теплообменных элементов в единый теплообменный блок с помощью одних и тех же металлических скоб.

19. Пластинчатый теплообменник по п.15, отличающийся тем, что стенки корпуса выполнены однослойными и снабжены изнутри подкрепляющими профилями, а сам корпус снаружи снабжен поясами жесткости из профильного материала.