Теплообменный аппарат Российский патент 2019 года по МПК F28D7/16 F28F1/02 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к рекуперативным теплообменным аппаратам.

Известен теплообменный аппарат, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок с каналами для теплообменивающихся сред, состоящий из основного и двух концевых участков. На основном участке теплопередающего блока продольно ориентированные каналы имеют общие стенки и расположены в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред (патент RU №2673305).

Основным недостатком известного устройства является наличие относительно протяженных (не менее 0,8 от ширины блока) концевых участков теплопередающего блока, в которых каналы расположены не в шахматном порядке, причем движение сред на части концевых участков осуществляется по не смежным каналам, а схема движение сред отличается от противотока, что ведет к снижению тепловой эффективности теплообменного аппарата.

Кроме того, для обеспечения на основном участке теплопередающего блока шахматного порядка расположения каналов двух сред необходимо изменять форму проходного сечения каналов с прямоугольной на концевых участках на ромбовидную или восьмигранную на основном участке, что усложняет изготовление теплопередающего блока.

Выполнение на концевых участках теплопередающего блока каналов одной из сред под углом к оси теплопередающего блока повышает сопротивление теплопередающего блока и осложняет механическую чистку каналов.

Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными, имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков (патент RU №2687549 опубликован 14.05.19 Бюл. №14).

В данном техническом решении для обеспечения на основном участке теплопередающего блока шахматного порядка расположения каналов двух сред не надо изменять форму проходного сечения каналов, что упрощает изготовление теплопередающего блока. Каналы на основном участке теплопередающего блока могут быть выполнены любой формы, при этом их шахматное расположение сохраняется.

В данном техническом решении в теплопередающем блоке отсутствуют концевые участки с каналами, расположенными под углом к продольной оси блока, а каналы на всем своем протяжении выполнены прямолинейными, что позволяет упростить изготовление теплопередающего блока, уменьшить его сопротивление и упростить механическую чистку каналов с одного из их концов.

Однако, и в данном устройстве теплопередающий блок имеет относительно протяженные концевые участки, на которых имеет место не противоток сред, как на основном участке, а перекрестный ток. Это снижает среднелогарифмический температурный напор на этих участках и ведет к снижению тепловой эффективности теплообменного аппарата.

В данном устройстве концевые участки образованы путем продолжения некоторых каналов за пределы основного участка, что создает опасность обрыва стенок этих каналов в тех местах, где упомянутые каналы продолжаются за пределы основного участка, что снижает надежность такого теплообменного аппарата

Кроме того, из-за наличия с обеих сторон основного участка концевых участков, образованных каналами только одной среды, отсутствует возможность очистки с обеих сторон всех каналов, что снижает показатели ремонтопригодности аппарата.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности теплообменного аппарата за счет исключения перекрестного тока на концевых участках теплопередающего блока, повышение надежности аппарата за счет исключения возможности обрыва стенок некоторых каналов и повышение показателей ремонтопригодности аппарата благодаря обеспечению возможности очистки с обеих сторон каналов.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными, имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, все каналы имеют общие стенки на всей своей длине. На выходе концевых участков каналы имеют форму, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол, образуя ряды, между которыми выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока перегородка, разделяющая ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллектора.

Выполнение всех каналов с общими стенками на всей их длине, включая основной и оба концевых участка, позволяет исключить перекрестный ток на концевых участках и обеспечить на этих участках противоток, что повышает эффективность работы теплообменного аппарата, обеспечивает возможность очистки каналов с обеих их сторон, что повышает показатели ремонтопригодности аппарата, а также исключает возможность обрыва стенок некоторых каналов, что повышает надежность аппарата.

Выполнение на торцевых поверхностях теплопередающего блока концов каналов в форме, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и поворот их на одинаковый угол, обеспечивают формирование рядов концов каналов для каждой из теплообменивающихся сред с перемычками между этими рядами без существенного увеличения площади поперечного сечения блока на торцевых поверхностях по сравнению с площадью поперечного сечения блока на основном участке. Достигается это благодаря тому, что за счет увеличения линейного размера одной стороны прямоугольника и пропорционального уменьшения другой его стороны создается возможность уменьшить ширину ряда каналов каждой среды. Если бы концам каналов не была придана форма, вписываемая в неравносторонний прямоугольник (концы каналов имели бы, например, форму квадрата), и они не были бы развернуты, то на торцевых поверхностях теплопередающего блока тоже можно было бы сформировать ряды концов каналов для каждой из теплообменивающихся сред, но чтобы сохранить неизменным площадь сечения каналов на всей длине теплопередающего блока, каналы пришлось бы искривить для обеспечения необходимой ширины перемычки между рядами каналов каждой среды, а площадь торцевой поверхности при этом увеличилась бы.

В предлагаемом техническом решении обеспечивается не только возможность сохранения неизменной площади каналов на всем их протяжении, но и имеется возможность как сохранить неизменной форму каналов, так и, при необходимости, обеспечить разную форму каналов на основном и концевых участках.

Выполнение перегородки, выступающей над торцевыми поверхностями теплопередающего блока, позволяет разделить между собой ряды концов каналов различных теплообменивающихся сред и сформировать раздельные для каждой из теплообменивающихся сред протоки.

Наличие протоков, объединяющих ряды концов каналов каждой из сред, позволяет вывести теплообменивающиеся среды в соответствующие каждой среде коллектора.

Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).

На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат. Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, сформированный продольно ориентированными имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред. Поз. 2 и 3 - концевые участки теплопередающего блока, на торцевых поверхностях которых каналы имеют форму, вписываемую в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол. Поз. 4 подводящий (или отводящий), а поз. 5 отводящий (или подводящий) коллектора для разных теплообменивающихся сред. Поз. 6 - патрубок подвода (или отвода) первой среды, поз. 7 патрубок отвода (или подвода) второй среды. Поз. 8 патрубок отвода (или подвода) первой среды, поз. 9 патрубок подвода (или отвода) второй среды. Поз. 10 перегородка, которая выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока и разделяет ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллектора поз. 4 и поз. 5. Поз. 11 - каналы первой среды, поз 12 - каналы второй среды. Поз 13 - крышка теплообменного аппарата, с другой стороны аппарата крышка условно не показана.

На рисунке 2 представлено поперечное сечение основного участка теплопередающего блока в случае, когда каналы поз. 11 и 12 на всем протяжении теплопередающего блока сохраняют свою форму.

На рисунке 3 представлено поперечное сечение основного участка теплопередающего блока в случае, когда каналы поз.11 и 12 на протяжении основного участка теплопередающего блока имеют форму, отличную от формы, вписываемой в неравносторонний прямоугольник (например, квадратную).

На рисунке 4 представлен фрагмент концевого участка теплопередающего блока. Нижняя плоскость представляет собой сечение перехода основной части в концевую часть, а верхняя плоскость представляет собой торцевую поверхность концевой части. Рис. 4 дает возможность увидеть, как на протяжении концевой части происходит поворот сечений каналов на заданный угол, благодаря чему, при сохранении шахматного расположения каналов обеих сред на основной части, выходные сечения каналов каждой из сред на торцевой поверхности концевой части располагаются линейно в ряд и потому могут быть собраны в протоки, разделенные перегородкой, возвышающейся над перемычками, располагающимися между линейными рядами каналов.

Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.

Первая среда через патрубок 6 подается в коллектор 4, где распределяется по сборным протокам первой среды, в которые открываются концевые участки каналов 11. При этом сборные протоки первой среды отделены от таких же протоков для второй среды перегородкой 10. Пройдя концевой участок 3 теплопередающего блока, первая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока и попадает в концевой участок 2 теплопередающего блока, где каналы поворачиваются на одинаковый угол и, при необходимости, меняют свою форму на такую, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, образуя ряды, открывающиеся в коллектор, из которого удаляется из аппарата через патрубок 8.

Вторая среда через патрубок 9 подается в коллектор, распределяется по своим сборным протокам, в которые открываются концевые участки каналов 12, проходит концевой участок 2 теплопередающего блока, поступает в основной участок 1 теплопередающего блока, пройдя который попадает в концевой участок 3 теплопередающего блока, где каналы 12 поворачиваются на одинаковый угол и, при необходимости, меняют свою форму на такую, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, образуя на торцевой поверхности концевого участка 3 ряды, открывающиеся в коллектор 5, из которого удаляется из аппарата через патрубок 7. При этом ряды каналов 12 второй среды отделены от рядов каналов 11 первой среды выступающей над торцевой поверхностью теплопередающего блока перегородкой 10.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность теплообменного аппарата, что ведет к уменьшению его веса и габаритов, а также повышает показатели ремонтопригодности и надежности аппарата.

Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками за счет идентичности каналов обеих сред, а также обеспечения чистого противотока на всем протяжении каналов.

Теплообменный аппарат, изготовленный с использованием аддитивных технологий (3D печати), содержит теплопередающий блок, состоящий из основного и двух концевых участков. Теплопередающий блок сформирован продольно ориентированными, имеющими общие стенки на всей своей длине каналами, расположенными на основном участке в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред. На выходе концевых участков теплопередающего блока каналы имеют форму, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол, образуя ряды, между которыми выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока перегородка. Перегородка разделяет ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, которые открываются в подводящие и отводящие коллекторы с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред. 4 ил.

Теплообменный аппарат, содержащий подводящие и отводящие коллекторы с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок, состоящий из основного сформированного продольно ориентированными, имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, отличающийся тем, что все каналы имеют общие стенки на всей своей длине, причем на выходе концевых участков каналы имеют форму, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол, образуя ряды, между которыми выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока перегородка, разделяющая ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллекторы.