Кольцевой пластинчатый теплообменник
Владельцы патента RU 2300721:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" (RU)
Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а именно в любых отраслях техники для подогрева и охлаждения газообразных или жидких сред. Кольцевой пластинчатый теплообменник содержит кольцевую пластинчатую матрицу с патрубками подвода и отвода воздуха к отверстиям раздающего и сборного коллекторов, камеру подвода и отвода газового потока и стяжные элементы, причем стяжные элементы выполнены из пластин, прикрепленных к передней и задней стенкам камеры подвода газового потока и расположенных снаружи матрицы цилиндрических стержней с элементами регулирования усилия сжатия матрицы. Отверстия раздающего и сборного коллекторов матрицы со стороны, противоположной патрубкам подвода и отвода, закрыты крышками, задняя стенка камеры подвода газа усилена кольцом в виде тора, для уменьшения ее прогиба внутрь тора подается по трубке воздух из раздающего коллектора матрицы, а прикрепленный к задней стенке конус направляет газовый поток в матрицу. Изобретение позволяет обеспечить равномерное осевое и окружное сжатие матрицы и увеличить ее жесткость при минимальной массе. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, в том числе для подогрева воздуха газотурбинной установки (ГТУ) теплотой выхлопных газов.
Существуют пластинчатые теплообменники, содержащие плиты и гофрированные теплопередающие пластины, соединенные с помощью стяжных элементов (см. Л.М.Коваленко, А.Ф.Глушков «Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи» М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.123). Стяжные элементы данных теплообменников состоят из шпилек, расположенных вне теплопередающих пластин, и силовых плит, воспринимающих усилие от перепада давлений сред. Данные теплообменники выполняются разборными с уплотнительными прокладками и применяются для жидких сред при небольших температурах (<120°С) и давлениях (до 2,5 МПа).
Известен «Пластинчатый теплообменник» а.с. СССР №1376698 от 11.07.1986 г., стяжки которого установлены в коллекторах и выполнены в виде стержня Т-образного сечения, верхняя полка которого прилегает к внутренней периферийной части коллектора.
Недостатком данной конструкции является неравномерное сжатие матрицы теплообменника в окружном направлении
Известен «Кольцевой пластинчатый теплообменник», патент США №3631687 от 27.06.1974 г., матрица которого стянута стержнями круглого сечения, расположенными снаружи матрицы. В матрице установлены промежуточные диски более толстые, чем пластины. На наружном диаметре дисков выполнены выступы, которые вилкообразно охватывают стяжки.
Основными недостатками данного теплообменника являются:
- повышенная масса из-за наличия более толстых промежуточных дисков;
- усложнение сварки и возникновение дополнительных напряжений в матрице из-за наличия более толстых промежуточных дисков;
- увеличение трудоемкости изготовления теплообменника из-за наличия выступов на дисках.
Известен «Пластинчатый теплообменник» а.с. СССР №989294 от 11.06.1981 г., матрица которого стянута стержнями, расположенными в коллекторах и соединена с опорными дисками, который принят за прототип. В данном теплообменнике нет промежуточных дисков.
Основным недостатком данного технического решения является возникновение дополнительных напряжений из-за неравномерного расширения пластин по мере охлаждения газа и нагрева воздуха. А стяжки не разгружают матрицу от изгибных напряжений.
Задачей, которую решает предложенное техническое решение, является создание равномерного поля скорости потока, уменьшение массы, упрощение конструкции и уменьшение напряжений в матрице теплообменника.
Технический результат, который обеспечивает решение поставленной задачи, - обеспечение равномерного осевого и окружного сжатия матрицы и увеличение ее жесткости при минимальной массе.
Технический результат обеспечивается тем, что кольцевой пластинчатый теплообменник содержит кольцевую пластинчатую матрицу с патрубками подвода и отвода воздуха к отверстиям раздающего и сборного коллекторов, камеру подвода и камеру отвода газового потока и стяжные элементы, причем стяжные элементы выполнены из прямолинейных пластин, прикрепленных к передней и задней стенкам камеры подвода газового потока, и расположенных снаружи матрицы цилиндрических стержней, имеющих элементы регулирования усилия сжатия матрицы.
Технический результат обеспечивается и тем, что отверстия раздающего и сборного коллекторов матрицы со стороны, противоположной патрубкам подвода и отвода воздуха, закрыты крышками, задняя стенка камеры подвода газа усилена кольцом в виде тора, а для уменьшения ее прогиба внутрь тора подается по трубке воздух из раздающего коллектора матрицы, при этом приваренный к задней стенке конус направляет газовый поток в матрицу.
Технический результат обеспечивается и тем, что для равномерного распределения газа по фронту матрицы конус смещен по потоку на расстояние, равное от половины до двух третьих длины камеры подвода газа, а выходная камера газа имеет диффузорность в пределах 5-10%.
Технический результат обеспечивается и тем, что выходная камера газа имеет пилоны, являющиеся подвижными опорами.
На фиг.1 показан вид кольцевого пластинчатого теплообменника спереди.
На фиг.2 показано продольное сечение А-А фиг.1.
На фиг.3 показано поперечное сечение Б-Б фиг.2.
Кольцевой пластинчатый теплообменник содержит кольцевую пластинчатую матрицу 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 воздуха к отверстиям раздающего коллектора 4 и сборного коллектора 5, камеру 6 подвода и камеру 7 отвода газового потока и стяжные элементы. Стяжные элементы выполнены из прямолинейных пластин 8, прикрепленных к передней стенке 9 и задней стенке 10 камеры 6 подвода газового потока, и расположенных снаружи матрицы 1 цилиндрических стержней 11 с элементами 12 регулирования усилия сжатия матрицы 1.
Отверстия 4 и 5 соответственно раздающего и сборного коллекторов матрицы 1 со стороны, противоположной патрубкам 2 и 3 соответственно подвода и отвода воздуха, закрыты крышками 13, например плоскими, задняя стенка 10 камеры 6 подвода газа усилена кольцом 14, выполненным в виде тора, для уменьшения прогиба задней стенки 10 внутрь тора подается по трубке 15 воздух из раздающего коллектора 4 матрицы, а приваренный к задней стенке 10 конус 16 направляет газовый поток в матрицу.
Для равномерного распределения газа по фронту матрицы конус 16 смещен по потоку на расстояние от половины до двух третьих длины камеры 6 подвода газа, а камера 7 отвода газа имеет диффузорность 5-10%.
Камера 7 отвода газа имеет пилоны 17, являющиеся подвижными опорами камеры 7.
Дефлектор 18 позволяет компенсировать ее температурное расширение.
Кольцевой пластинчатый теплообменник работает следующим образом.
Греющий теплоноситель, например газ, после турбины газотурбинной установки поступает в камеру 6 подвода, распределяется по фронту матрицы 1 и проходит по каналам матрицы 1, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю.
Охлажденный газ собирается в камере 7 отвода и истекает в атмосферу.
Нагреваемый теплоноситель, например воздух, после компрессора поступает по патрубкам 2 и раздающим коллекторам 4 в матрицу 1, проходит по каналам матрицы 1, собирается в сборном коллекторе 5 и по патрубку 3 отводится потребителю, например, в камеру сгорания газотурбинной установки. Так как на нестационарных режимах работы газотурбинной установки матрица 1 испытывает неравномерные по объему и по времени термические и динамические нагрузки, то возникающие напряжения в матрице могут превысить допустимые, что сокращает ресурс.
Таким образом, предлагаемый кольцевой пластинчатый теплообменник, состоящий из прямолинейных пластин 8 и цилиндрических стержней 11, ограничивает амплитуду колебаний и повышает жесткость матрицы, уменьшает напряжения в ней, создает равномерное поле скорости потока, упрощает конструкцию и уменьшает массу теплообменника.
1. Кольцевой пластинчатый теплообменник, содержащий кольцевую пластинчатую матрицу с патрубками подвода и отвода воздуха к отверстиям раздающего и сборного коллекторов, камеру подвода и отвода газового потока и стяжные элементы, отличающийся тем, что стяжные элементы выполнены из пластин, прикрепленных к передней и задней стенкам камеры подвода газового потока и расположенных снаружи матрицы цилиндрических стержней с элементами регулирования усилия сжатия матрицы.
2. Кольцевой пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что отверстия раздающего и сборного коллекторов матрицы со стороны, противоположной патрубкам подвода и отвода, закрыты крышками, задняя стенка камеры подвода газа усилена кольцом в виде тора, для уменьшения ее прогиба внутрь тора подается по трубке воздух из раздающего коллектора матрицы, а прикрепленный к задней стенке конус направляет газовый поток в матрицу.
3. Кольцевой пластинчатый теплообменник по п.2, отличающийся тем, что для равномерного распределения газа по фронту матрицы конус смещен по потоку на расстояние от половины до двух третьих длины камеры подвода газа, а выходная камера газа имеет диффузорность в пределах 5-10%.
4. Кольцевой пластинчатый теплообменник по любому из пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что камера отвода газового потока имеет пилоны, являющиеся подвижными опорами.
