Теплообменник Советский патент 1993 года по МПК F28D9/00 F28F3/00 

VI

ю со

со о

И пользование: для повышения эффективно ;ти теплообмена в холодильной, крио АЗ ВГ№ генной, микрокриогенной и других отраслях техники. Сущность изобретения: теплообменник содержит пакет секций 1 из набора перфорированных пластин 4 и 5. В продольном зазоре между секциями 1 установлен разделительный лист 10 с отверстиями 11, Последние совпадают с перфорациями прилегающих к нему пластин. Секции с одной стороны листа 10 смещены относительно секций с другой его стороны на величину, превышающую половину своей длины. Поперечные зазоры 2 между секциями 1 выполнены сквозными на высоту секции 1 и примыкают к листу 10. Входные и выходные отверстия каналов расположены в зонах, к которым примыкают крайние секции. 3 ил.

Фи&З

Предполагаемое изобретение относится к компактным теплообменным аппаратам матричного типа и может быть использовано в холодильной,криогенной и микрокриогенной, а также в других отраслях техники.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий перфорированные пластины с отверстиями, диаметр которых равен ширине каналов. Отверстия расположены с шагом, составляющим 1,25...2 их диаметра (т.е. ширины канала) при расстоянии между центрами перфорации в смежных пластинах 0,25...0,5 их шага в канале.

Недостатком данного пакета теплообменника является значительная площадь поперечного сечения стенок пакета, и как следствие, высокие теплопотери, вызванные разностью температур на концах пакета при малой длине каналов, определяемой высотой набора пакета,

Известен теплообменник, содержащий последовательно размещенные секции, разделенные зазорами и выполненные из набора граничных и перфорированных пластин с образованием для теплообменивающихся сред плоских змеевиковых каналов, имеющих входные и выходные отверстия на противоположных сторонах пакета.

Недостатком такого теплообменника при достаточной длине каналов являются существенные теплопотери, вызванные разностью температур на концах и значительной продольной теплопроводностью теплообменника, поскольку теплопроводные пластины образуют непрерывные стенки каналов по всей их длине и поток тепла беспрепятственно проходит по пластинам от теплого к холодному концу аппарата, прогревая его. Последним вызывается недоох- лаждение одного из потоков и недогрев второго. Это обстоятельство ограничивает применение компактных теплообменников в микрокриогенной технике, так как уменьшает холодопроизводительность систем охлаждения.

Целью изобретения является повышение эффективности теплообменника путем снижения теплопотерь за счет уменьшения продольной теплопроводности.

Поставленная цель достигается тем, что в теплообменнике, содержащем пакет секций, сообщенных между собой с образованием продольного и поперечного зазоров и выполненных каждая в виде примыкающего к граничной плите набора перфорированных пластин, образующих змеевиковые каналы для теплообменивающихся сред, входные и выходные отверстия которых расположены на противоположных краях пакета, в продольном зазоре между секциями установлен разделительный лист с отверстиями, совпадающими с перфорациями примыкающих к нему пластин, причем секции с одной стороны этого листа смещены относительно секций с другой его стороны на величину, превышающую половину своей длины, поперечные зазоры выполнены сквозными на высоту секции и примыка ют к листу между его отверстиями, а входные и выходные отверстия каналов рас- поло жены в зонах, к которым примыкают крайние секции.

Отличительными признаками таких теп5 лробменников являются: установка в продольном зазоре между секциями разделительного листа; отверстия в разделительном листе совпадают с перфорациями примыкающих к нему пластин;

0 смещение секций с одной стороны на величину, превышающую половину длины секции; выполнение поперечных зазоров сквозными на высоту секции; примыкание поперечных зазоров к листу между его от5 верстиями; размещение входных и выходных отверстий каналов в зонах листа, к которым примыкают крайние секции.

На фиг.1 показан фронтальный вид теплообменника; на фиг,2 - вид теплообменни0 ка, план;, на фиг.З - развертка его . продольного сечения.

Теплообменник (фиг.1-3) содержит пакет секций 1, сообщенных между собой с образованием поперечных зазоров 2. Сек5 ции 1 выполнены каждая в виде примыкающего к граничной плите 3 набора попеременно собранных перфорированных теплопроводных 4 и малотеплопроводных 5 пластин. В наборе образованы змеевико0 вые каналы прямого 6 и обратного 7 потоков

; теплообменивающихся сред, выполненные

посредством перфораций 8 и 9 в пластинах

4,5. В продольном зазоре между секциями 1

установлен разделительный лист Юсотвер5 стиями 11. Отверстия 11 листа 10 совпадают с перфорациями 8, 9 примыкающих к нему пластин 4, 5. Секции 1 с одной стороны листа 10 смещены относительно секций 1 с другой его стороны на величину, превыша0 ющую половину своей длины. Поперечные зазоры 2 выполнены сквозными на высоту секции 1. Зазоры 2 примыкают к листу 10 на его неперфорированных участках 12, размещенных между отверстиями 11. Отверстия

5 13, 14 входа и выхода каналов 6, 7 расположены в зонах 15, 16 листа 10, к которым примыкают крайние секции 1.

Движение сред и теплообмен в теплообменнике осуществляются следующим образом.

L ерез отверстия 13, 14, например, про- тиво оком теплообменивающиеся среды поступают в полости каналов 6,7 и движутся зигзагообразно последовательно через все секции 1 к выходным отверстиям 13, 14. В проц ;ссе движения нагретая среда, движущаяся, например, в канале б, отдает тепло участоми пластин между отверстиями 8. Это

тепле интенсивно распространяется через стенки канала к участкам пластин смежных кана/ов 7, где отдается охлаждающей среде. Поскольку теплообменная поверхность в каналах 6, 7 велика, интенсивность теплообмена также велика. При этом эффективность теплообменника с поперечными зазорами достигает наибольшего значения, так кж продольная теплопроводность его минимальна.

С нижение продольного теплового потока, представляющего собой теплопотери, в пред/агаемой конструкции теплообменника по сравнению с прототипом показано на примере расчета эффективного коэффициента теплопроводности для каждой из этих конст укций.

В теплообменнике-прототипе поток тепло ютерь распространяется вдоль теп- лопрозодных пластин от тёплого конца аппарат,} к холодному в силу того, что стенки каналов, образованные этими пластинами, являются непрерывными по всей длине канала.

Эофективный коэффициент продольной теплопроводности в этом случае можно рассч1 тать как коэффициент теплопроводности вдоль слоев многослойной стенки по известной формуле:

I Ьд;

i 1

17

0)

где i стины)

А

номер слоя (в нашем случае это пла-

- коэффициент теплопроводности

&

материала 1-го слоя;

- толщина 1-го слоя.

Дл i примера рассчитаем А Э1 для конструкц

1и прототипа, выполненной из перфорированных теплопроводных (медных МЗр) и малотеплопроводных (из нержавеющей стали 12Х18Н10Т) пластин.

Тогда формулу (1) можно переписать в .виде:

,Aw(5l П1 + АН.С. & П2 +АН.С. (5з ПЗ ,0,

Л 31 ------А. -. i Д. -. i А. .---:---) (2)

д- m + 62 па + дз пз

5

0 5

0

5

0

5

где А м. А не коэффициенты теплопроводности меди ( Я м 380 Вт/(м.К)) и нержавеющей стали ( Я н.с 18 Вт/(м.К));

51, д 2, б з - толщины соответственно перфорированных медных пластин ( 51 0,5 мм), перфорированных пластин из нержавеющей стали ( д 2 0,5 мм), граничных пластин из нержавеющей стали (дз 3 мм);

П1.-П2, пз - количества пластин в пакете (п 1 П2 30 шт., пз 2 шт.).

Подставив Значения параметров в формулу (2), получим А э1 170 Вт/(м.К).

В/федлагаемой конструкции теплообменника тепловой поток от одного конца аппарата к другому не может идти вдоль пластин, поскольку между секциШи выполнены зазоры, изолирующие соседние секции друг от друга и являющиеся термическими сопротивлениями для Теплового потока.

В данном случае поток теплопотерь от теплого конца теплообменника к холодному проходит в направлении, перпендикулярном поверхности пластин, и лишь часть его проходит вдоль разделительного листа, выполненного из малотеплопроводного материала, поскольку лист является общим для всех секций аппарата.

Тепловым потоком вдоль разделительного листа можно пренебречь в силу низкогозначения коэффициента теплопроводности его материала, значительной длины и малого поперечного сечения. Рассчитать эффективный коэффициент теплопроводности в направлении, перпендикулярном поверхности пластин, можно по формуле: .

Л,2i

i 1 5i ,li

(3)

В конструкции предлагаемого теплообменника, изготовленного из тех же самых материалов: медных (МЗр) перфорированных пластин, пластин из нержавеющей стали (12Х18Н10Т), граничных плит и разделительного листа, формула (3) примет вид:

, Щ +62 Л2 ПЗ + ..

Аэ2 -#---%-----дг---дг , (4)

П1 + П2;сг+n3;sr+ п%т

где д А - толщина разделительного листа ( д 4 - 5 мм); .

гм - количество разделительных листов

(П4 - 1 ШТ.).

Подставив значения параметров (недостающие значения см. в предыдущем примере) в формулу (4), получим А э2 27,7 Вт/(м.К).

Таким образом продольная теплопроводность в предложенном теплообменнике составляет 1 /6 часть от значения эффективного коэффициента продольной теплопро- водности, имеющей место в конструкции прототипа.

Из приведенного выше следует, что при движении потока теплопотёрь в продольном направлении (вдоль потоков рабочих сред) перпендикулярно поверхности медных и нержавеющих пластин, образующих многослойные стенки каналов, эффективный коэффициент теплопроводности должен значительно уменьшится по сравнению с движением теплопотерь вдоль поверхности пластин. Это обстоятельство приводит к снижению теплопотерь в предлагаемом теплообменнике, и соответственно к повышению его эффективности.

Предложенный теплообменник предназначен для компрессионных систем охлаждения различного назначения. Он

Фо рмула изобретения Теплообменник, содержащий пакет секций, сообщенных между собой с образованием продольного и попёр ечШго з аЗбров и выполненных ка ждая ввиде прйм ыкШщёго к граничной плите набора перфорированных пластин, образующих змеевиковые каналы для теплообменивающйхся сред, входные и выходные отверстия которых расположены на противоположных краях пакета, о т л и ч а ю щ и И С я тем, что, с целью повышения эффективности путем снижения теплопотерь, в продольном зазоре между

удобен в компоновке узлов охлаждения ввиду возможности выполнения его различной конфигурации (в виде кольца, прямоугольника и др.). с разным числом зигоа, с входными и выходными отверстиями на удобной поверхности аппарата, а также ввиду возможности размещения других элементов узла охлаждения в цeнfpaльнoй части его, либо в вырезанном секторе (см. фиг.2). Разделительный лист, являющийся общим для всех секций теплообменника, придает ему достаточно высокую прочность. Такой аппарат несмотря на сложность конструкции является технологичным, так как он может быть изготовлен с применением диффузионной сварки или пайки с последующей механической обработкой. Последнее позволяет изготовить его с высокой точностью по габаритным размерам, придает ему хороший внешний вид и высокие потребительские качества. По данной заявке изготовлен экспериментальный образец. После сварки и механической обработки он испытан на прочность и плотность пробным давлением гелия 2,5 МПа. В настоящее время экспериментальный образец подготовлен для сборки компрессионной системы охлаждения и еетеплогидравлических испытаний.

секциями дополнительно установлен разделительный лист с отверстиями, совпадающими с перфорациями примыкающих к нему пластин, причем секции с одной стороны этого листа смещены относительно секций с другой его стороны на величину, превышающую половину своей длины, поперечные зазоры выполнены сквозными на высоту секции и примыкают к листу между его отверстиями, а входные и выходные отверстия каналов расположены в зонах, к которым примыкают крайние секции.

2.