Пластинчатый теплообменник
Владельцы патента RU 2422745:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ(ТУ)") (RU)
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам, и может быть использовано в системах теплоснабжения предприятий и объектов ЖКХ, а также в технологических и транспортных системах и установках. Изобретение заключается в том, что известный пластинчатый теплообменник, включающий в себя собираемые в пакет совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов и обжимных плит теплообменные пластины, имеющие отверстия, расположенные в угловых частях теплообменных пластин, снабжен вставками, расположенными между теплообменными пластинами, при этом теплообменные пластины являются плоскими, а вставки выполнены в виде спиралевидных пружин, ориентированных параллельно короткой стороне пластины. Технический результат - упрощение конструкции, снижение гидравлических потерь, повышение интенсивности теплообмена. 1 табл., 2 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам систем теплоснабжения предприятий и объектов ЖКХ, технологических систем и установок, транспортных систем и установок.
Известно устройство (патент РФ №2110030, опубл. 27.04.1998 г.), содержащее собираемые в блок совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов через прижимные пластины с фитингами теплообменные пластины, включающие основную теплообменную часть, расположенную между двумя распределительно-коллекторными частями, и отверстия, расположенные в угловых частях распределительно-коллекторных частей, для обеспечения притока и оттока охлаждаемой или нагреваемой жидкости или пара, рифления для расположения герметизирующих прокладок, рифления теплообменной части, рифления распределительно-коллекторных частей, рифления вблизи отверстий.
Недостатками аналога являются: сложность конструкции, увеличенные гидравлические потери, ограниченные возможности интенсификации теплообмена.
Известно устройство, выбранное за прототип (патент РФ №2351863, опубл. 10.04.2009 г.), содержащее собираемое в блок совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов через прижимные пластины с фитингами теплообменные пластины, включающие основную теплообменную часть, расположенную между двумя распределительно-коллекторными частями, и отверстия, расположенные в угловых частях распределительно-коллекторных частей, для обеспечения притока и оттока охлаждаемой или нагреваемой жидкости или пара, рифления для расположения герметизирующих прокладок, рифления вблизи отверстий, выполненные с переменным шагом и с переменной пологостью, причем рифления распределительно-коллекторных частей соседних теплообменных пластин эквидистантны, рифления для расположения герметизирующих прокладок.
Недостатками прототипа также являются сложность конструкции, увеличенные гидравлические потери, ограниченные возможности интенсификации теплообмена.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в упрощении конструкции, снижении гидравлических потерь, повышении интенсивности теплообмена.
Сущность изобретения заключается в том, что известный пластинчатый теплообменник, включающий в себя собираемые в пакет совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов и обжимных плит теплообменные пластины, имеющие основную теплообменную часть и отверстия, расположенные в угловых частях теплообменных пластин, снабжен вставками, расположенными между теплообменными пластинами, при этом теплообменные пластины являются плоскими, а вставки выполнены в виде спиралевидных пружин, ориентированных параллельно короткой стороне пластины.
На фиг.1 представлен общий вид пластинчатого теплообменника.
На фиг.2 показано расположение вставок в виде спиралевидных пружин между теплообменными пластинами в теплообменнике.
Предлагаемое устройство содержит пакет 1 (фиг.1) плоских теплообменных пластин 2 (фиг.1, 2), имеющих основную теплообменную часть 3, вместе с герметизирующими прокладками 4 (фиг.2), соединенных друг с другом посредством стягивающих элементов 5 (фиг.1) через обжимные плиты 6 (фиг.1).
На плоских теплообменных пластинах 2 (фиг.2) в угловых частях расположены отверстия 7 (фиг.2) для прохождения греющего и нагреваемого теплоносителей.
Между плоскими теплообменными пластинами 2 (фиг.2) размещены вставки 8 (фиг.2) в виде спиралевидных пружин, которые ориентированы параллельно коротким сторонам теплообменных пластин 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В пластинчатом теплообменнике передача тепла от одной среды (греющего теплоносителя) к другой среде (нагреваемому теплоносителю) происходит через плоские теплообменные пластины 2 (фиг.2), которые в совокупности со вставками 8 (фиг.2) в виде спиралевидных пружин образуют поверхность теплообмена.
Рабочие среды в теплообменнике движутся в щелевых пространствах 9 (фиг.2) между соседними теплообменными пластинами. Щелевые пространства 9 для греющего и нагреваемого теплоносителя чередуются между собой.
Результаты испытаний предлагаемого устройства подтвердили достижение заявленного технического эффекта: снижение гидравлических потерь, повышение интенсивности теплообмена.
Было проведено сравнение поверхностей теплообмена по теплогидравлическим характеристикам предлагаемого устройства с выпускающимся в настоящее время промышленным теплообменником типа ТПлР-S4A IS-8TL-16, содержащим 8 гофрированных пластин толщиной 0,5 мм каждая с площадью поверхности теплообмена 0,25 м2. Ниже приведена таблица, представляющая результаты сравнения поверхностей теплообмена по теплогидравлическим характеристикам предлагаемого устройства и упомянутого выше промышленного образца упомянутого теплообменника.
| Таблица | ||||||
| ρw, кг/(м2с) | ΔРсп, Па | ΔРТПлР, Па | αсп, Вт/(м2К) | αТПлР, Вт/(м2К) | (ΔР/α)сп, Па/(Вт/м2К) | (ΔР/α)ТПлР, Па/(Вт/м2К) |
| 40 | 21,0 | 463,7 | 2578,9 | 3535,5 | 0,008 | 0,131 |
| 50 | 33,1 | 664,3 | 2974,8 | 4042,0 | 0,011 | 0,164 |
| 80 | 86,4 | 1416,5 | 4018,9 | 5358,8 | 0,022 | 0,264 |
| 100 | 136,3 | 2029,3 | 4635,8 | 6126,6 | 0,029 | 0,331 |
| 150 | 312,0 | 3899,9 | 6009,3 | 7814,0 | 0,052 | 0,499 |
| 200 | 561,4 | 6199,2 | 7224,1 | 9286,1 | 0,078 | 0,668 |
| 250 | 885,4 | 8881,1 | 8333,1 | 10616,5 | 0,106 | 0,837 |
| 300 | 1284,7 | 11913,5 | 9364,4 | 11843,8 | 0,137 | 1,006 |
| 400 | 2311,6 | 18937,7 | 11257,5 | 14075,1 | 0,205 | 1,345 |
| 500 | 3645,8 | 27130,5 | 12985,7 | 16091,6 | 0,281 | 1,686 |
Сравнение выполнено при следующих условиях:
температура теплоносителя t=68°С;
плотность ρ=980 кг/м3;
теплопроводность λ=0,67 Вт/(м·К);
кинематическая вязкость v=4,3·10-7 м2/с;
Pr=2,62.
Примечания:
- w - скорость течения теплоносителя в щелевых пространствах между плоскими теплообменными пластинами, м/с;
- индекс «сп» означает, что теплогидравлические характеристики относятся к предлагаемому устройству со вставками в виде спиралевидных пружин;
- индекс «ТПлР» означает, что теплогидравлические характеристики относятся к промышленному теплообменнику типа ТплР-S4A IS-8TL-16.
Пример сравнения поверхностей теплообмена по теплогидравлическим характеристикам.
Рассмотрим коэффициент теплоотдачи αсп=12985,7 Вт/(м2К). Этому значению соответствуют ΔРсп=3645,8 Па и (ΔР/α)сп=0,281 Па/(Вт/м2К).
Рассмотрим αТПлР=11843,8 Вт/(м2К), который является ближайшим по величине к выбранному αсп=12985,7 Вт/(м2К). Этому значению соответствуют ΔРТПлР=11913,5 Па и (ΔР/α)ТПлР=1,006 Па/(Вт/м2К).
Вывод: гидравлические потери предлагаемого устройства со вставками в виде спиралевидных пружин, как и отношение ΔР/α оказались существенно ниже, чем у рассматриваемого промышленного теплообменника, что доказывает его преимущество перед рассматриваемым промышленным образцом.
Сравнение (ΔР/α)сп=0,281 Па/(Вт/м2К) с ближайшим по значению (ΔР/α)ТПлР=0,264 Па/(Вт/м2К), которому соответствует αТПлР=5358,8 Вт/(м2К) меньше αсп=12985,7 Вт/(м2К), дополнительно доказывает преимущества предлагаемого устройства со спиральными вставками перед рассматриваемым промышленным образцом.
Реализация изобретения позволит превысить существующий технический уровень данного вида техники в стране и за рубежом по следующим показателям:
1) повысить тепловую мощность, передаваемую в теплообменнике (поверхностью теплообмена) при равных гидравлических потерях или снизить гидравлические потери при равной тепловой мощности;
2) упростить технологию изготовления теплообменника, что позволит использовать отечественные материалы и оборудование при снижении затрат на их изготовление.
Пластинчатый теплообменник, включающий в себя собираемые в пакет совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов и обжимных плит теплообменные пластины, имеющие основную теплообменную часть, и отверстия, расположенные в угловых частях теплообменных пластин, отличающийся тем, что он снабжен вставками, расположенными между теплообменными пластинами, при этом теплообменные пластины являются плоскими, а вставки выполнены в виде спиралевидных пружин, ориентированных параллельно короткой стороне пластины.
