Противоточный пластинчатый теплообменник

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, а также в качестве конденсаторов и испарителей. Сущность изобретения заключается в том, что пластинчатый теплообменник содержит корпус и пакет попарно соединенных между собой по периферийным кромкам и стянутых нажимными плитами гофрированных пластин с отверстиями для подвода и отвода одного теплоносителя, образующими раздающий и сборный коллектора, причем гофры парных пластин, расположенные под углом к фронтальной плоскости, перекрещиваются и образуют каналы, часть каналов, имеющих минимальную длину, заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор(а) сплошными или дискретными отбортовками шириной, равной 1-3 высотам гофра, и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, и препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а), при этом другой теплоноситель подается в корпус, а течение теплоносителей происходит по схеме противотока с двумя перекрестноточными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов. Изобретение направлено на повышение эффективности теплообменника путем уменьшения площади перекрестноточного участка и равномерного распределения теплоносителя по теплопередающей поверхности при упрощении технологии изготовления. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, а также в качестве конденсаторов и испарителей.

Известны теплообменники [1] , образованные набором гладких и гофрированных пластин, которые имеют специально сформированные противоточный и перекрестноточный участки с различными углами наклона гофр. Перекрестноточный участок пластины предназначен для подвода и отвода теплоносителя при равномерном распределении его по фронту противоточного участка. Вследствие меньшей эффективности перекрестной схемы течения по сравнению с противоточной площадь перекрестного участка пластины стремятся выполнить минимальной.

Недостатком этого устройства является снижение эффективности теплообменника из-за наличия специально выполненного перекрестного участка или необходимость увеличения поверхности теплообмена для получения заданной эффективности, а также необходимость создания подводящих и отводящих коллекторов.

Известны теплообменники, каналы которых образованы гофрами, перекрещивающимися под углом, а коллектора формируются отверстиями в пластинах [2]. В таких теплообменниках направление течения теплоносителей не зависит от направления гофр, а определяется градиентом давления. Такое техническое решение является близким по технической сути к предлагаемому устройству.

Недостатком этого устройства является неравномерное распределение теплоносителя по фронту.

Существует теплообменник [3], состоящий из парных спаянных (сваренных) по краям пластин. Парные пластины с вырубленными отверстиями набраны в пакет с разделением С-образными элементами, которые направляют теплоноситель в определенную зону пластины для равномерного распределения по поверхности - прототип.

Недостатком этого теплообменника является усложнение конструкции и технологии изготовления при наличии дополнительного С-образного элемента.

Задачей данного изобретения является увеличение эффективности теплообменника за счет уменьшения площади перекрестноточного участка и равномерного распределения теплоносителя по теплопередающей поверхности при упрощении технологии изготовления.

Решение задачи достигается тем, что противоточный пластинчатый теплообменник содержит корпус и пакет попарно соединенных между собой по периферийным кромкам и стянутых нажимными плитами гофрированных пластин с отверстиями для подвода и отвода одного теплоносителя, образующими раздающий и сборный коллектора, согласно изобретению гофры парных пластин, расположенные под углом к фронтальной плоскости, перекрещиваются и образуют каналы, часть каналов, имеющих минимальную длину, заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор(а) сплошными или дискретными отбортовками шириной, равной 1-3 высотам гофра, и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, и препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а), при этом другой теплоноситель подается в корпус, а течение теплоносителей происходит по схеме противотока с двумя перекрестноточными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов; теплообменник может быть выполнен так, что гофры парных пластин, образующие перекрестноточные участки подвода и отвода теплоносителя и расположенные в зоне пересечения их с отбортовками коллекторов, повернуты в сторону коллекторов так, что они перекрещиваются под углом меньшим, чем соответствующий угол перекрещивания гофр противоточного участка при увеличении гидравлического диаметра каналов с образованием зоны уменьшенного сопротивления; теплообменник может быть выполнен так, что гофры, образующие перекрестный участок с уменьшенным сопротивлением, расположены по разным сторонам раздающего и сборного коллектора; теплообменник может быть выполнен так, что перекрестноточный участок выполнен в виде щелевого канала без или с дистанционирующими выступами, а наружный контур снабжен опорными элементами; теплообменник может быть выполнен так, что гофрированная пластина выполнена в виде чередующихся участков с симметричными относительно границ участков гофрами, причем число участков нечетное и равно числу раздающих (сборных) коллекторов; теплообменник может быть выполнен так, что крайние пластины пакета выполнены из, по меньшей мере, двух вложенных одна в другую гофрированных пластин или выполненных в виде плоской и гофрированной пластины, соединенных по периферийным кромкам или отбортовкам коллекторов; теплообменник может быть выполнен так, что между крайними пластинами и нажимными плитами имеется слой теплоизоляции; теплообменник может быть выполнен так, что штамп для изготовления пластин выполнен составным из штампа для изготовления противоточного участка и штампа для перекрестноточного участка.

На фиг. 1 показан описываемый теплообменник, вид сбоку; на фиг.2 - вид спереди; на фиг. 3 - пластина; на фиг.4 - схема течения теплоносителей; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг.3; на фиг.6 - сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.7 - сечение В-В на фиг.3; на фиг.8 - пластина с односторонним изменением угла наклона гофр в зоне коллекторов; на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг.8; на фиг.10 - теплопередающая поверхность, образованная наложением пластин на фиг.8; на фиг. 11 - пластина, перекрестноточный участок которой имеет увеличенный гидравлический диаметр каналов при уменьшенном угле перекрещивания гофр; на фиг. 12 - пластина с перекрестноточньм участком в виде щелевого канала; на фиг. 13 - пластина с чередующимися участками при одинаковых углах наклона гофр; на фиг.14 - крайние вложенные одна в другую гофрированные пластины.

Противоточный пластинчатый теплообменник содержит корпус 1 и пакет 2 (фиг. 1,2) попарно соединенных между собой по периферийным кромкам 3 (фиг.3) и стянутых нажимными плитами 4 гофрированных пластин 5 с отверстиями 6 и 7 для подвода и отвода одного теплоносителя (В), образующими раздающий и сборный коллектора 8 и 9 (фиг.4-7). Гофры 10 парных пластин 5, расположенные под углом к фронтальной плоскости 11, перекрещиваются и образуют каналы 12, 12а (фиг. 4), часть каналов 12а, имеющих минимальную длину, заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор(а) 8, 9 сплошными или дискретными отбортовками 13 шириной, равной 1-3 высотам гофра 10, и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, и препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а), при этом другой теплоноситель (Г) подается в корпус 1 (фиг.1), а течение теплоносителей происходит по схеме противотока с двумя перекрестноточными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов 8 и 9 (фиг.4). Теплообменник может быть выполнен так, что гофры 10 парных пластин 5, образующие перекрестноточные участки подвода и отвода теплоносителя В и расположенные в зоне пересечения их с отбортовками 24, 25 коллекторов 8, 9, повернуты в сторону коллекторов 8, 9 так, что они перекрещиваются под углом меньшим, чем соответствующий угол перекрещивания гофр противоточного участка при увеличении гидравлического диаметра каналов с образованием зоны уменьшенного сопротивления (фиг. 8, 9).

Теплообменник может быть выполнен так, что гофры, образующие перекрестный участок с уменьшенным сопротивлением, расположены по разным сторонам раздающего и сборного коллектора 8 и 9 (фиг.8, 10) или симметрично (фиг.11). Теплообменник может быть выполнен так, что перекрестноточный участок выполнен в виде щелевого канала (фиг.12) без или с дистанционирующими выступами 14, а наружный контур снабжен опорными элементами 15. Теплообменник может быть выполнен так, что гофрированная пластина выполнена в виде чередующихся участков с симметричными относительно границ участков гофрами (фиг.13), причем число участков нечетное и равно числу раздающих (сборных) коллекторов. Теплообменник может быть выполнен так, что крайние пластины 5 пакета 2 выполнены из, по меньшей мере, двух вложенных одна в другую гофрированных пластин 5 или выполненных в виде плоской и гофрированной пластины, соединенных по периферийным кромкам 3 (фиг. 14) или отбортовкам 24 и 25 коллекторов. Теплообменник может быть выполнен так, что между крайними пластинами 5 и нажимными плитами 4 имеется слой теплоизоляции 23 (фиг.2). Теплообменник может быть выполнен так, что штамп для изготовления пластин 5 выполнен составным из штампа для изготовления противоточного участка и штампа для перекрестноточного участка. Теплообменник имеет патрубок 16 для подвода газа, газ течет в теплообменнике по каналам 19 и удаляется через патрубок 17. Другой теплоноситель поступает в теплообменник по патрубку или патрубкам 18 и удаляется через патрубок 20. В теплообменнике имеются каналы 21 и 22 для теплоносителя.

Теплообменник работает следующим образом. Теплоноситель с меньшей плотностью Г, например отработавший в турбине газ, поступает через патрубок 16 в корпус 1 и затем в пакет 2 (фиг.1, 2). При течении по каналам 19, образованным перекрещивающимися гофрами 10 пластин 5 (фиг. 4), он передает теплоту через стенку теплоносителю В с большей плотностью, например воздуху после компрессора газотурбинного двигателя (установки), и удаляется через патрубок 17. Теплоноситель В поступает в пакет 2 по одному или по двум патрубкам 18 через отверстия в прижимных плитах 4. Через отверстия 6 в пластинах 5, образующих раздающие коллектора 8, он поступает в каналы 12 (12а) между пластинами 5 и нагревается. Отвод его из пакета 2 осуществляется через сборные коллектора 9, образованные отверстиями 7 пластины 5, через отверстия в нажимной плите 4 и патрубки 20. Течение обоих теплоносителей происходит по обе стороны пластины 5 по противоточной, а на участках подвода и отвода теплоносителя В по перекрестноточной схемам. Отбортовки 24 и 25 отверстий 6 и 7 сварены (спаяны) и препятствуют смешению теплоносителей.

Расположение отверстий 6, 7 (и коллекторов 8, 9) непосредственно на пластине 5 приводит к уменьшению проходного сечения по теплоносителю Г, увеличению скорости и росту потерь давления. Поэтому отверстия 6, 7 целесообразно выполнить минимальной ширины. При этом для обеспечения допустимых потерь давления теплоносителя В длина отверстий 6, 7 увеличивается. Тем самым на поверхности пластины появляются участки с различной длиной каналов 12 и 12а (фиг.4). Это приводит к неравномерному распределению теплоносителей по поверхности пластины и снижению эффективности теплообменника.

Для равномерного распределения теплоносителя В по поверхности пластины выход его из раздающего коллектора 8 и вход в сборный коллектор 9 должны находиться на максимальном удалении друг от друга. Поэтому для равномерного распределения теплоносителя по поверхности часть каналов, имеющих минимальную длину 12а, со стороны входа и выхода в коллекторы 6, 7 заглушены отбортовками 13 шириной, равной 1-3 высотам гофра, препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а) и расположенными в зоне, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, при этом отбортовки 13 выполняются сплошными или для уменьшения вихреобразования дискретными.

Теплоноситель В течет от раздающего коллектора 8 к сборному коллектору 9 по П-образной схеме, изменяя направление течения с перекрестноточного на противоточное и вновь на перекрестноточное (фиг.4). При этом по длине канала от коллектора 8 к коллектору 9 изменяется угол перекрещивания гофр 10. Так как коэффициент сопротивления прямо пропорционален углу перекрещивания гофр, то целесообразно на перекрестном участке уменьшать угол. Для уменьшения сопротивления входа (выхода) теплоносителя в коллектор гофры 10, образующие канал подвода (отвода) теплоносителя и расположенные в зоне пересечения их с отбортовками 24, 25 коллекторов, перекрещиваются под углом меньшим, чем соответствующий угол перекрещивания гофр противоточного участка (фиг.8) с образованием зоны уменьшенного сопротивления при увеличении гидравлического диаметра каналов (гидравлический диаметр каналов 21 и 22 для воздуха В и газа Г больше гидравлического диаметра каналов соответственно 12 и 19) (фиг. 9). Каналы подвода и отвода теплоносителя В, образующие перекрестноточный участок с уменьшенным сопротивлением, расположены по разным сторонам отверстий 6, 7 и соответственно раздающего и сборного коллекторов 8, 9 и выполнены изменением угла наклона гофр, направляющих теплоноситель от коллектора 8 и к коллектору 9. Для пары пластин, одна из которых повернута на 180^o, расположение гофр симметрично продольной оси отверстий (фиг.10).

Для упрощения технологии изготовления штамп может быть выполнен составным. В этом варианте перекрестноточный участок выполняется с углом перекрещивания гофр меньшим, чем угол противоточного участка (фиг.11).

При углах перекрещивания гофр противоточного участка меньших 90^o перекрестноточный участок выполнен в виде щелевого канала без или с дистанционирующими выступами 14 (фиг.12), что позволяет уменьшить сопротивление по обоим теплоносителям.

При изготовлении пластины больших габаритов недостаточная жесткость ее в направлении, перпендикулярном гофрам, может создавать технологические трудности при дальнейшем перемещении и сварке. Для повышения жесткости теплообменная поверхность имеет чередующиеся участки с одинаковым углом наклона гофр, причем гофры на соседних участках выполнены симметрично относительно границ участков, число участков нечетное и равное числу раздающих (сборных) коллекторов (фиг.13). Такая конструкция пластины позволяет использовать один штамп для изготовления всех пластин пакета.

Дальнейшее повышение жесткости конструкции достигается применением в качестве крайних пластин вложенных одна в другую нескольких гофрированных пластин 5, соединенных по периферийным кромкам 3 (фиг.14) или по отбортовкам коллекторов. Такая слоеная конструкция также позволяет уменьшить градиенты напряжений между пакетом 2 и нажимными плитами 4 (фиг.2). Применение дополнительного слоя теплоизоляции 23 между крайними пластинами 5 и нажимными плитами 4 также способствует уменьшению температуры нажимных плит.

Выбор различных конструкций перекрестноточных участков зависит от уровня относительных потерь давления в противоточном и перекрестноточном участках. Универсальность достигается применением составного штампа, состоящего из штампа для изготовления противоточного участка и штампа для изготовления перекрестноточных участков.

Источники информации 1. Патент США N 5287918, МКИ F 27 D 9/00.

2. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.21-26.

3. Патент Австралии N 686582, МКИ⁶ F 28 F 3/00, опублик. 12.02.98.

Формула изобретения

1. Противоточный пластинчатый теплообменник, содержащий корпус и пакет попарно соединенных между собой по периферийным кромкам и стянутых нажимными плитами гофрированных пластин с отверстиями для подвода и отвода одного теплоносителя, образующими раздающий и сборный коллектора, отличающийся тем, что гофры парных пластин, расположенные под углом к фронтальной плоскости, перекрещиваются и образуют каналы, часть каналов, имеющих минимальную длину, заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор(а) сплошными или дискретными отбортовками шириной, равной 1-3 высотам гофра и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора и препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а), при этом другой теплоноситель подается в корпус, а течение теплоносителей происходит по схеме противотока с двумя перекрестноточными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что гофры парных пластин, образующие перекрестноточные участки подвода и отвода теплоносителя и расположенные в зоне пересечения их с отбортовками коллекторов, повернуты в сторону коллекторов так, что они перекрещиваются под углом меньшим, чем соответствующий угол перекрещивания гофр противоточного участка при увеличении гидравлического диаметра каналов с образованием зоны уменьшенного сопротивления.

3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что гофры, образующие перекрестноточный участок с уменьшенным сопротивлением, расположены по разным сторонам раздающего и сборного коллектора.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что перекрестноточный участок выполнен в виде щелевого канала без или с дистанционирующими выступами, а наружный контур пластины снабжен опорными элементами.

5. Теплообменник по пп.1-4, отличающийся тем, что гофрированная пластина выполнена в виде чередующихся участков с симметричными относительно границ участков гофрами, причем число участков нечетное и равно числу раздающих (сборных) коллекторов.

6. Теплообменник по пп.1-5, отличающийся тем, что крайние пластины пакета выполнены из, по меньшей мере, двух вложенных одна в другую гофрированных пластин или выполненных в виде плоской и гофрированной пластины, соединенных по периферийным кромкам или отбортовкам коллекторов.

7. Теплообменник по пп.1-6, отличающийся тем, что между крайними пластинами пакета и нажимными плитами имеется слой теплоизоляции.

8. Теплообменник по пп.1-5, отличающийся тем, что штамм для изготовления пластин выполнен составным из штампа для изготовления противоточного участка и штампа для перекрестноточного участка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14