ПЛАСТИНЧАТЫЙ МНОГОХОДОВОЙ ПЕРЕКРЕСТНО-ТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2020 года по МПК F28D9/02 F28F9/22 

Изобретение относится к теплотехнике, преимущественно к малой теплоэнергетике, и может быть использовано, например, в качестве теплообменника для утилизации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и микротурбин.

Опыт эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей, показал снижение эффективности применяемых теплообменников при утилизации тепла выхлопных газов. Связано это с большим количеством сажи, которая образуется во время рабочего процесса дизеля и частично оседает на теплопередающей поверхности теплообменников, формируя теплоизоляционный слой. В результате эффективность теплообменников падает по мере роста толщины слоя сажи. К тому же в них увеличивается гидравлическое сопротивление по тракту выхлопных газов, что при достижении критического значения может негативно повлиять на рабочий процесс дизеля. Поэтому данная проблема является актуальной, а предлагаемое изобретение направлено на ее решение.

Известна теплообменная труба некруглого сечения (SU 1210050 А; МПК F28F 1/40; опубл. 04.01.1984), содержащая V-образные выступы, вершины которых направлены навстречу потоку теплоносителя.

Данная теплообменная труба не представляет собой конструкцию теплообменника, поэтому она не рассматривается как полноценный аналог предлагаемому изобретению пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника.

Известен водотрубный котел-утилизатор тепла отработавших газов (RU 136532 U1; МПК F22B 1/18; опубл. 10.01.2014), содержащий цилиндрический корпус с водяными коллекторами, связанными с трубной системой из прямых труб, которая закреплена в кольцевых трубных решетках. Цилиндрический корпус также снабжен устройствами подвода и отвода второго теплоносителя, омывающего во внутреннем пространстве трубную систему.

Предложенная полезная модель имеет ряд недостатков: большие масса-габаритные размеры, загрязнение теплопередающей поверхности трубной системы, возможность очистки этой поверхности только при условии демонтажа водотрубного котла-утилизатора.

Известен пластинчатый теплообменник (SU 513234 А1; МПК F28F 3/08; опубл. 05.05.1976), содержащий стопку из попарно соединенных по боковым окнам гофрированных пластин, образующих трубчатые теплообменные каналы, которые представляют собой трубки с цилиндрическими участками, чередующимися со спиральными сегментами по длине.

Недостатком представленного пластинчатого теплообменника являются отложения на цилиндрических участках в теплообменных каналах при протекании загрязненного теплоносителя, а также отсутствие многоходовой схемы течения обоих теплоносителей.

Известен пластинчатый теплообменник (RU 2435123 С2; МПК F28F 3/08; опубл. 27.11.2011), содержащий стопку гофрированных пластин, соединенных по отверстиям, которые формируют проходы и сообщаются с полостью для первого теплоносителя. Полость для второго теплоносителя образована гофрами соприкасающихся пластин в виде прямолинейных выступов, направленных под углом относительно протекающего теплоносителя.

Однако, в данном изобретении отсутствует многоходовая схема движения второго теплоносителя. Кроме того, у изобретения низкая эффективность работы с загрязненными теплоносителями.

Известен пластинчатый теплообменник (RU 2206851 С1; МПК F28D 9/00; опубл. 20.06.2003), содержащий стопку попарно соединенных по боковым окнам гофрированных пластин с образованием трубчатых теплообменных каналов, соединенную по периферийным бортикам в единый теплообменный пакет с секционным перекрытием боковых окон для многоходового потока первого теплоносителя, который вставлен в корпус с разделенными полостями для входа и выхода второго теплоносителя и зажат торцевыми плитами с патрубками подвода в боковые окна теплообменного пакета первого теплоносителя. Теплообменный пакет зажат между торцевыми плитами с уплотнениями посредством стяжных элементов.

Недостатком представленного пластинчатого теплообменника являются существенные отложения в теплообменных каналах при протекании загрязненного теплоносителя. Наличие стяжных элементов в конструкции пластинчатого теплообменника требует использования высококачественных уплотнений. Область применения такого теплообменника ограничена устойчивостью используемых уплотнений к давлению и температуре.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является пластинчатый теплообменник (Фавстов B.C. Пластинчатый теплообменный аппарат для утилизации теплоты отработанных газов дизельного двигателя / B.C. Фавстов, В.А. Мухачев, А.А. Павлов, А.В. Жаров // 3-я Всероссийская научно-практическая конференция «История и перспективы развития транспорта на севере России»: сб. ст. / Ярославский филиал МИИТ - Ярославль, 2014. - С. 121-124), содержащий корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя.

В данном прототипе не предусмотрена многоходовая схема течения второго теплоносителя.

Задачей изобретения является создание пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника с улучшенными эксплуатационными свойствами при работе с загрязненными теплоносителями по сравнению с представленными аналогами и прототипом.

Решение задачи достигается тем, что пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник содержит корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя, при этом гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна, а для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.

Использование трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами для прохождения загрязненного (второго) теплоносителя основано на эффекте самоочищения теплопередающей поверхности за счет возникающих возле стенок в потоке загрязненного теплоносителя строго-ориентированных вихрей. Они препятствуют оседанию частиц на теплопередающей поверхности и стаскивают их с периферии к центральному ядру потока. Оттуда частицы выдуваются за счет высокой скорости потока из трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами. Данное явление происходит благодаря направлению потока загрязненного теплоносителя навстречу вершинам V-образных выступов по патенту РФ №1210050. Поскольку основная масса частиц загрязненного теплоносителя откладывается на начальном ходу в пластинчатом многоходовом перекрестно-точном теплообменнике, то на последующих ходах направление потока относительно вершин V-образных выступов не имеет существенного значения. При переходе от первого хода ко второму при повороте на 180° в пластинчатом многоходовом перекрестно-точном теплообменнике частицы будут оседать на поверхности, не участвующей в процессе теплопередачи, что не приведет к ухудшению его работы.

Благодаря развитой теплопередающей поверхности трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами и перекрестно-точной системе движения теплоносителей их протекание организовано с высокими скоростями. Во-первых, это уменьшает загрязнение теплопередающей поверхности, т.к. маловероятно появление застойных зон с низкими скоростями потока теплоносителей, а во-вторых, интенсифицирует процесс теплообмена.

Единый теплообменный пакет из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.

Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.

Многоходовое течение второго теплоносителя реализуется за счет перегородки, соединяющей без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, которая выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.

В случае течения второго теплоносителя через количество ходов более двух одна перегородка без жестких связей соединена только с устройством подвода и единым теплообменным пакетом, а дополнительная перегородка с противоположной стороны относительно устройства подвода также без жестких связей соединена с единым теплообменным пакетом и устройством отвода.

Для обеспечения дополнительной герметичности боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами.

Устройства подвода и отвода первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами корпуса с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.

Единый теплообменный пакет по бокам опирается на уголки, которые поддерживают его от провисания, закрепленные на стенках корпуса. Таким образом, единый теплообменный пакет зажат в корпусе без жестких связей, что позволяет избежать негативных последствий термического удара.

Существенные отличия предлагаемого пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника от выбранного прототипа состоят в том, что гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна. Для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.

Единый теплообменный пакет из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.

Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.

Для многоходового течения второго теплоносителя перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.

Для многоходового течения второго теплоносителя с количеством ходов более двух одна перегородка без жестких связей соединена только с устройством подвода и единым теплообменным пакетом, а дополнительная перегородка с противоположной стороны относительно устройства подвода также без жестких связей соединена с единым теплообменным пакетом и устройством отвода.

Боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами.

Устройства подвода и отвода первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами корпуса с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.

Единый теплообменный пакет по бокам опирается на уголки, закрепленные на стенках корпуса.

На фиг. 1 изображен пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник, содержащий корпус (1), в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода (3) и отвода (4), а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя, при этом гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет (2) с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода (3) и отвода (4) первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна, а для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка (7), соединяющая без жестких связей устройства подвода (5) и отвода (6) с единым теплообменным пакетом (2), разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.

Единый теплообменный пакет (2) из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.

Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет (2) вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.

Для многоходового течения второго теплоносителя перегородка (7), соединяющая устройства подвода (5) и отвода (6) с единым теплообменным пакетом (2) выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.

Боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета (2) перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами (8).

Устройства подвода (3) и отвода (4) первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами (9) корпуса (1) с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.

Единый теплообменный пакет (2) по бокам опирается на уголки (10), закрепленные на стенках корпуса (1).

Пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник работает следующим образом.

Первый теплоноситель поступает в единый теплообменный пакет (2) через устройство подвода (3). Далее по полости, образованной гофрированными пластинами первый теплоноситель течет минимум по двум ходам и выходит через устройство отвода (4), попутно контактируя через теплопередающие поверхности со вторым теплоносителем. Второй теплоноситель поступает через устройство подвода (5), проходит через трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами, направленными вершинами навстречу потоку на первом ходу. Затем второй теплоноситель разворачивается на 180° и идет по трубчатым теплообменным каналам с V-образными выступами, направленными вершинами по потоку на втором ходу и выходит через устройство отвода (6). Устройства подвода (5) и отвода (6) соединены с единым теплообменным пакетом (2) без жестких связей посредством перегородки (7), образуя вместе с корпусом (2) полость второго теплоносителя с двумя ходами.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках для утилизации тепла. Пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник содержит корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя. Гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна. Для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны. Технический результат - повышение эффективности утилизации тепла, обеспечение самоочищения теплопередающей поверхности. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник, содержащий корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя, отличающийся тем, что гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна, а для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что единый теплообменный пакет из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что для многоходового течения второго теплоносителя перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.

5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что для многоходового течения второго теплоносителя с количеством ходов более двух одна перегородка без жестких связей соединена только с устройством подвода и единым теплообменным пакетом, а дополнительная перегородка с противоположной стороны относительно устройства подвода также без жестких связей соединена с единым теплообменным пакетом и устройством отвода.

6. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами.

7. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что устройства подвода и отвода первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами корпуса с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.

8. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что единый теплообменный пакет по бокам опирается на уголки, закрепленные на стенках корпуса.