Теплообменник Советский патент 1993 года по МПК F28D9/00 

г гсо

Ок Ю СЛ

Использование: для повышения теплообменников, применяемых в холодильной, криогенной и других отраслях техники. Сущность изобретения: теплообменник содержит ряд секций 1 из перфорированных пластин 4, 5. Секции установлены с образованием промежуточных зазоров 2. Пластины 4 и 5 в наборе образуют змеевиковые каналы прямого 6 и обратного 7 потоков теплообменивающихся сред. Пластины заключены между верхними и нижними граничными плитами. Последние выполнены с полостями в виде крышек с отверстиями во внутренних стенках. Эти отверстия совпадают с перфорациями примыкающих к ним пластин. Все крышки, кроме двух в крайних секциях, выполнены общими для пар соседних секций с образованием поворотных коллекторных камер. Крышки крайних секций образуют подводящий и отводящий коллекторы. 3 ил. f J гv со с

11 15

16

Фиг.1

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

Целью изобретения является повышение эффективности пакета теплообменника путем снижения теплопотерь, вызванных разностью температур на концах теплообменника.

На фиг. 1 изображен вид пакета теплообменника спереди; на фиг.2 -- вид пакета в плане; на фиг.З - развертка его продольного сечения.

Пакет теплообменника (фиг.1-3) содержит последовательно размещенные секции

I, разделенные зазорами 2. Секции 1 выполнены из граничных 3, перфорированных теплопроводных 4 и малотеплопроводных 5 пластин, попеременно собранных в пакете. Пластины 4 и 5 в наборе образуют змееви- ковые каналы прямого 6 и обратного 7 потоков теплообменивающихся сред, В теплопроводных пластинах 4 выполнена мелкая перфорация 2, а в малотеплопроводных 5 - круглые отверстия перфорации 9. Смежные секции 1 объединены попарно граничными пластинами 3 так, что верхние граничные пластины относительно нижних смещены на величину более половины длины гра- ничной пластины 3. В пластинах 3 выполнены отверстия 10, совпадающие с отверстиями 9 пластин 5. С наружной стороны граничных пластин 3 установлены коллекторные пластины 11, разные по длине гоаничным пластинам. А в пластинах 11 выполнены пазы 12, объединяющие отверстия перфорации 10 пластин 3 одних и тех же каналов б или 7 Таким образом, каналы 6 и 7 имеют большую длину, при этом они проходят последовательно через все секции 1 пакета и пазы 12 коллекторных пластин 11. Входы и выходы 13, 14 каналов б, 7 соответственно расположены на концевых секциях 15 и 16. Коллекторные пластины 11 с отверстиями 13, 14 примыкают лишь к одной концевой секции 15 или 16. Зазоры 2 между смежными секциями 1 выполнены на глубину до противоположной граничной пластины 3, объединяющей две смежные секции 1.

Движение сред и теплообмен в пакете осуществляются следующим образом. Через отверстия 13, 14, например, противотоком, теплообменивающиеся среды поступают в пазы 12 коллекторных пластин

II, примыкающих к концевым секциям 15, 16, и по ним распределяются по отверстиям перфорации 10 граничных пластин 3 в полости каналов 6, 7 концевых секций, Пройдя

каналы 6, 7 концевых секций среда через отверстия 10 противоположной граничной пластины 3, поступает в пазы 12 коллекторной пластины 11, объединяющей концевую

секцию 16 или 15 со смежной секций 1. Далее среды последовательно проходят участки каналов 6, 7 в секциях 1 и пазах 12 пластин 11 всего пакета теплообменника и выходят из концевой секции 15, 16 через

соответствующие выходные отверстия 13, 14. В процессе движения сред происходит теплообмен между ними.

Поскольку канал прямого потока расположен между каналами обратного потока

процесс теплообмена между средами происходит интенсивно. Низкие теплопотери предложенного пакета теплообменника обеспечивают его высокую эффективность. Показать это можно расчетом эффективной

теплопроводности.

Коэффициент эффективной теплопроводности в пакете, выполненном из набора попеременно собранных теплопроводных и малотеплопроводных пластин, может быть

определен следующим образом. Если поток теплопотерь идет продольно по пластинам, что имеет место в конструкции прототипа, то эффективный коэффициент продольной теплопроводности определяется по известной формуле для многослойной стенки:

Дэ1

Ј

п

Ј

(1)

где i - номер слоя (в данном случае пластины;

А( - теплопроводность материала 1-го слоя;

д - толщина 1-го слоя. Для примера рассчитаем конструкцию прототипа из перфорированных теплопроводных медных (МЗр) пластин, малотеплопроводных пластин из нержавеющей стали (12Х18Н10Т), и граничных пластин из нержавеющей стали (12Х18Н10Т). Тогда формулу (1) можно переписать в виде:

3 Ам(1 П1 + Ан.с. 62П2 +Ян.с. Ь

----- . A. j А--i . А.---

ПЗ

+П2Ф2 +П3 5з

где Л« , /U.c. - коэффициенты теплопровод- 5 ности меди ( Дм 380 Вт/(м-К)) и нержавеющей стали (Дн.с 18 Вт/(м-К));

5i, 5г , 5з - толщины соответственно перфорированных медной пластины (3i 0,5 мм), пластины из нержавеющей

стали (да 0,5 мм), граничной пластины (5з 3 мм);

ш, П2, пз - количества соответствующих пластин в пакете (ni па 30 шт.. па 2 шт.У

Подставив значения параметров в формулу (2) получим значение Аэ1 170 Вт/(м.К).

Если поток теплопотерь проходит в осевом направлении по многослойным стенкам каналов перпендикулярно поверхности пластин, как это происходит в предложенном пакете теплообменника, эффективный коэффициент осевой теплопроводности определяется по формуле

2

Аэ2

1 1

(3)

vn 5i

И

Для примера возьмем конструкцию пакета теплообменника из медных (МЗр) и стальных (12Х18Н10Т), перфорированных. пластин, граничных медных и коллекторных стальных пластин. Тогда формула (3) может быть записана в виде: , 5i m + & П2 + дз пз + &t П4 32 5ГТ $27ЗГТ34

. Щ т- + П2 т-- + ПЗ -г- + П4 т-- AMЛн.с. Лм АН.С.

(4)

где щ - толщина коллекторной пластины, ( дз 3 мм);

П4 - количество коллекторных пластин (ПА 2 шт.).

Принимая значения параметров, входящих в формулу (4), такими же, как и в предыдущем примере, за исключением 5з 0,5 мм, получаем в результате Яэ2 31 Вт/(м.-К).

Из расчета следует, что при движении потока теплопотерь в осевом направлении по многослойным стенкам каналов, содержащим медные и нержавеющей стали пластины, перпендикулярно их поверхности, эффективный коэффициент теплопроводни- ки уменьшается более чем в 5,5 раз по сравнению с эффективным коэффициентом пропорциональной теплопроводности вдоль пластин. А передача тепла вдоль граничных и коллекторных пластин в предложенном пакете незначительна ввиду выполнения коллекторных пластин из малотеплопроводного материала и малого поперечного сечения граничных пластин.

Применение теплообменных пакетов по данной заявке представляет возможность создавать эффективные компактные тепло- обменные аппараты в микрокриогенной

5 технике, поскольку в этой области большое значение имеет снижение всех видов потерь тепла, в частности, потерь от разности температур между концами пакета теплообменника. Предложенные пакеты предназ10 начены для компрессионных систем охлаждения различного назначения прежде всего. Они удобны в компоновке узлов охлаждения ввиду возможности выполнять их различной конфигурации, с разным числом

15 зигов с входными и выходными отверстиями на удобную поверхность пакета, а также ввиду возможности размещения других элементов узла охлаждения в центральной части пакета либо в вырезанном его секторе

20 (см.фиг.2). Такой пакет является технологич ным, так как он может быть изготовлен с применением диффузионной сварки или пайки с последующей механической обработкой. Последнее позволяет изготовить

25 его с высокой точностью по габаритным размерам, придает ему хорошим внешний вид и высокие потребительские качества. По данной заявке спроектированы рабочие чертежи и технология изготовления, и под30 готовлены детали пакета к диффузионной сварке его.

Формула изобретения Теплообменник, содержащий ряд секций, установленных с образованием проме35 жуточных зазоров, последовательно соединенных между собой, выполненных в виде набора заключенных между верхними и нижними граничными плитами перфорированных пластин, образующих змеевико40 вые каналы для теплообменивающихся сред, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем снижения теплопотерь, граничные плиты выполнены с полостями в виде крышек с отверстиями во

45 внутренних стенках, совпадающими с перфорациями примыкающих с ним пластин, причем все крышки, кроме двух в крайних секциях, выполнены общими для пар соседних секций с образованием поворотных кол50 лекторных камер, а крышки крайних секций образуют подводящий и отводящий коллекторы.