Пластинчатый теплообменник



Пластинчатый теплообменник
Пластинчатый теплообменник
Пластинчатый теплообменник

 


Владельцы патента RU 2478891:

Учреждение Российской академии наук Казанский научный центр РАН (RU)

Изобретение может использоваться в энергетике, в частности в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения, кондиционирования и холодильной технике. Изобретение представляет собой пластинчатый теплообменник, содержащий пластины с отверстиями и межпластинчатые каналы для прохода теплоносителей, базовую и нажимную плиты, стягивающие винты и штуцеры для подвода и отвода рабочих сред, в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред. Технический результат - увеличение теплопередачи. 3 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и касается способа повышения теплопередающей способности пластинчатых теплообменников путем увеличения интенсивности теплоотдачи и площади поверхности теплообмена (Основной индекс МПК F28D 9/00).

Изобретение может быть применено в различных энергетических системах - в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования и др.

Известен пластинчатый теплообменник, содержащий плоские листы, чередующиеся с гофрированными вставками и образующие каналы для холодной и горячей рабочих сред, и распорные элементы с отбортовками, примыкающие к листам [1].

Недостатком теплообменника является недостаточно развитая поверхность теплообмена и недостаточная интенсивность теплообмена.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник, содержащий каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей. Каналы образованы пластинами с непрерывными гофрами треугольного профиля в поперечном сечении, стянутые при помощи базовой и нажимной плит и нажимных винтов [2].

Недостатком теплообменника является недостаточно развитая поверхность теплообмена и недостаточная интенсивность теплообмена, обусловленная большим эквивалентным гидравлическим диаметром этих каналов.

Цель изобретения - увеличение площади поверхности теплообмена и интенсификация внутреннего теплообмена.

Цель достигается тем, что в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса, представляющей собой комбинацию коротких каналов и перемычек каркаса, и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред.

На фиг.1 показан продольный разрез теплообменника; на фиг.2 представлен поперечный разрез по тракту горячей рабочей среды; на фиг.3 - поперечный разрез по тракту холодной рабочей среды.

Пористые вставки 1 (фиг.1) горячего тракта и смежные с ними пористые вставки 2 холодного тракта размещены между плоскими пластинами 3 с отверстиями 4 и 5 (фиг.1-3) для прохода рабочих сред и отбортовками для уплотнений 6. Длина пористых вставок обоих трактов, как и их ширина, одинаковы. Пакет пластин с пористыми вставками и пластинами с уплотнениями размещены между базовой 7 и нажимной 8 плитами и стягиваются нажимными винтами 9. Штуцеры 10 и 11 служат для подвода и отвода горячей рабочей среды, а штуцеры 12 и 13 - для холодной рабочей среды.

Работает пластинчатый теплообменник следующим образом. Горячий теплоноситель поступает через входной штуцер 10 и верхние отверстия 4 (фиг.2) в межпластинчатые каналы горячего тракта, где размещены пористые вставки 1. В пористых вставках 1 горячая рабочая среда охлаждается, нагревая вставки 1. Вставки 1 совместно с горячей средой передают теплоту через плоские пластины 3 вставкам 2 и холодной рабочей среде, подаваемой через входной штуцер 12 и нижние отверстия 5 в пластинах 3 в межпластинчатые каналы холодного тракта. Охлажденная горячая среда отводится через нижние отверстия 4 в пластинах 3 и штуцер 11, а нагретая холодная рабочая среда отводится из теплообменника через верхние отверстия 5 в пластинах 3 и штуцер 13.

Благодаря большей по сравнению с прототипом площади поверхности контакта рабочих сред с каркасом пористых вставок, а также более интенсивным теплообменом, обусловленным, с одной стороны, малым размером эквивалентных гидравлических каналов в пористых вставках и комбинированным механизмом теплообмена, сочетающим теплообмен в коротких каналах с теплообменом при поперечном обтекании перемычек каркаса, в предлагаемом теплообменнике сокращаются масса и габариты, или повышается тепловая нагрузка Q при тех же массогабаритных показателях аппарата.

Для подтверждения преимуществ предлагаемого пластинчатого теплообменника перед прототипом проведены теплогидравлические расчеты предлагаемого теплообменника в качестве водяного калорифера, предназначенного для подогрева атмосферного воздуха горячей водой. Температуры рабочих сред на входе приняты: воды , воздуха . Расходы рабочих сред G1=G2=0,25 кг/с. Воздух должен быть подогрет до температуры не ниже 45°C при потерях его давления в аппарате не более 1100 Па.

Прототипом является разборный теплообменник с пластинами типа 0,2р по ГОСТ 15518-87 [3], обладающими следующими характеристиками:

- площадь поверхности теплообмена одной пластины: 0,2 м2;

- размер пластины (длина×ширина×высота гофр) в мм: 960×460×4,5;

- масса пластины из стали 12Х18Н10Т толщиной δпл=1 мм: 2,5 кг;

- коэффициент теплоотдачи определяется критериальным уравнением

Nu=0,065Re0,73Pr0,43(Pr/Pr)1/4, (1)

где Nu=α·dэ/λ - число Нуссельта; dэ=8,8·10-3 м - эквивалентный гидравлический диаметр каналов, м; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К); Re=w·dэ/v - число Рейнольдса; w - среднерасходная скорость теплоносителя, м/с; v - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м2/с; Pr=v/а - число Прандтля; а - коэффициент температуропроводности теплоносителя, м2/с;

- уравнение для коэффициента гидравлического сопротивления:

ξ=19,6/Re0,25;

- термические сопротивления загрязнений поверхностей пластины со стороны горячей и холодной рабочих сред отсутствуют.

Расчеты по методике [3] показали, что для удовлетворения заданным требованиям пластинчатый теплообменник разборного типа по ГОСТ 15518- 87 с пластинами 0,2р должен состоять из 27 последовательных пакетов по 1 каналу в каждом - для воды и 3 пакетов по 9 параллельных каналов в каждом - воздуха. С учетом пластин, прилегающих к базовой и нажимной плитам, аппарат содержит 53 пластины общей массой 53×2,5=132,5 кг и общей площадью теплопередающих поверхностей 10,6 м2. Общая высота всех пластин составляет 53×4,5·10-3=0,2385 м.

Параметры рабочих сред в аппарате составляют:

- скорости: воды - 0,145 м/с; воздуха - 9,92 м/с;

- коэффициенты теплоотдачи: воды - 2702 Вт/(м2К); воздуха - 25,0 Вт/(м2К);

- температуры на выходе: воды - 73,6°C; воздуха - 46,3°C;

- потери давления: воды - 0,041 МПа; воздуха - 891 Па.

Таким образом, массогабаритные показатели теплопередающих поверхностей прототипа таковы: масса -132,5 кг; габариты (длина×ширина×высота) - 0,96×0,46×0,2385 м; объем пакета пластин составляет примерно 0,1053 м3.

В качестве пористой вставки предлагаемого пластинчатого теплообменника применяется высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ) [4]. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника с пористыми вставками производится с помощью оригинального решения сопряженной задачи теплообмена рабочей среды с каркасом, боковая поверхность которого, прилегающая к пластине, нагрета до температуры t(h, y), где h - полутолщина пористой вставки, м; у - продольная координата от входа рабочего тела в пористую вставку, м. Решение сопряженной задачи аналогично приведенному в статье [5].

Тепловой расчет пластинчатого теплообменника с пористыми вставками произведен при допущениях: (Методика теплового расчета пластинчатого теплообменника с пористыми вставками в полном объеме будет направлена для публикации в один из ведущих научно-технических журналов России после регистрации данной заявки):

- структура пористости, скорость фильтрации и коэффициент теплообмена между каркасом и теплоносителем однородны по всему объему каждой из пористых вставок;

- перенос внутренней энергии теплоносителями в продольном направлении за счет молекулярной теплопроводности пренебрежимо мал по сравнению с конвективным переносом;

- плотность теплового потока однородна по поверхности разделительных пластин;

- массовые расходы теплоносителей равномерно распределены по параллельным каналам;

- температурные поля в отдельных каналах одного и того же тракта, как и параметры (температура, давление) теплоносителя на входе и выходе каналов, совпадают;

- температурные перепады (скачки) по толщине пластин и в зазорах постоянны по длине пористой вставки.

Расчеты выполнены для двух вариантов, различающихся материалом вставок, при количестве параллельных каналов Nкан и фиксированной общей (суммарной) толщине вставок Hсум. Материалом пластин, как и в прототипе, является нержавеющая сталь 12Х18Н10Т толщиной δпл=1 мм.

Геометрические параметры пористой структуры вставок обоих трактов взяты одинаковыми. Характеристики пористости: объемная пористость εv=0,9538; относительная площадь поперечного сечения каркаса ε=0,0158; удельная площадь поверхности каркаса f=1558 1/м; диаметр сферических пор dсф=3,49·10-3 м; эквивалентный диаметр внутренних каналов dэ=2,46·10-3 [6].

Ширина каналов принята Вкан=0,34 м; длина lвс=0,12 м; суммарные толщины вставок обоих трактов одинаковы и равны Нcум=0,125 м. Количество пакетов в каждом тракте - 1; количество параллельных каналов в пакете - Nкaн=50; общее количество пластин - 99. Общая площадь теплообмена обоих трактов составляет 2×7,99=15,98 м2. Общая толщина пакета пористых вставок с пластинами

Нто=2×Нcум+(2×Nкан-1)×δпл=2×0,125+99×10-3≈0,35 м.

Принимая ширину отбортовок для уплотнений 6 равной, примерно, 0,02 м, получим ширину пластин: Вплкан+2×0,02=0,34+2×0,02=0,38 м. Длина пластин превышает длину пористых вставок также на ширину отбортовок для уплотнений и, примерно, на 2 диаметра штуцера, имеющего наибольшее значение 0,15 м:

Lпл=lвс+2×0,02+2×0,15=0,12+0,04+0,3=0,46 м.

Таким образом, общие габариты пакетов пластин со вставками составляют: 0,46×0,38×0,35 м; объем всего пакета, примерно, 0,0612 м3. При плотности меди 8890 кг/м3 и плотности стали 12Х18Н10Т 7900 кг/м3 общая масса вставок в обоих пакетах составит:

Мвставок=2×(1-εv)×1вс×Вкан×Hсум×ρмеди=

2×(1-0,9538)×0,12×0,34×0,125×8890≈4,2 кг.

Масса 1 пластины равна 1,38 кг; масса 99 пластин ~136,7 кг. Общая масса пакетов пластин с пористыми вставками равна ~141 кг.

Теплогидродинамические характеристики пористых вставок, полученные экспериментальным путем по описанной в работе [5] методике:

где

Результаты расчетов показаны в табл.1.

Потери давления рабочих сред во всех вариантах не превысили 991 Па для воздуха и менее 3,0 Па для воды.

Таблица 1
Результаты расчетов водяного калорифера с пористыми вставками
Параметры Размерность Материал вставок
Материал вставок - Нихром Медь
Число параллельных каналов в пакете Nкан - 50 50
Скорость воды м/с 0,0062 0,0062
Коэффициент теплоотдачи воды Вт/(м2К) 81,2 79,2
Температура воды на выходе °С 74,2 72,3
Скорость воздуха м/с 5,31 5,38
Коэффициент теплоотдачи воздуха Вт/(м2К) 72,1 72,0
Температура воздуха на выходе °С 45,6 53,2

Из таблицы видно, что даже самый неблагоприятный вариант (вариант 1), характеризуемый низкой теплопроводностью материала каркаса (15 Вт/(м·К)), обеспечивает выполнение требуемых условий. Применение пористых вставок из высокотеплопроводного материала (меди) позволяет улучшить характеристики теплообменника.

Таким образом, предлагаемый вариант пластинчатого теплообменника в конкретном случае применения в качестве водяного калорифера имеет в 1,5 раза большую площадь поверхности теплообмена, почти в 3 раза более интенсивную теплоотдачу со стороны воздуха, существенно меньшие габариты и в 1,72 раза меньший объем, при примерно одинаковой с прототипом массе.

Сопоставительный анализ с прототипом [2] показал, что заявляемый пластинчатый теплообменник отличается от известного устройства тем, что в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса, представляющей собой комбинацию коротких каналов и перемычек каркаса, и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на теплопередающую способность пластинчатого теплообменника, а их совокупность позволяет получить требуемый технический результат. Таким образом, заявляемое устройство соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Использование предлагаемого пластинчатого теплообменника позволяет по сравнению с прототипом [2] повысить теплопередающую способность за счет увеличения площади поверхности теплообмена и интенсификации теплоотдачи.

Источники информации

1. Патент №1259760. Пакет пластинчатого перекрестно-точного теплообменника / Тарасов B.C., Рыжик М.С., Салтайс Э.А.

2. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.

3. Кирсанов Ю.А. / Теплообменные аппараты ТЭС: справочник: в 2 кн. Кн. 1 / Даминов А.З., Кирсанов Ю.А., Ковальногов Н.Н., Молочников В.М., Назмеев Ю.Г., Николаев А.Н. / под общ. ред. чл.-корр. РАН Ю.Г.Назмеева и проф. В.Н. Шлянникова. - М.: Издат. дом МЭИ, 2010. 491 с.

4. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д. Способы получения и свойства высокопористых ячеистых металлов и сплавов. // Перспективные материалы. 2000. №5. С.56-60.

5. Кирсанов Ю.А. / Теплообмен пористого тела с однофазным потоком теплоносителя / Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А. // Теплофизика высоких температур. 2011. Том 49, №2. С.235-242.

6. Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Башкирцев Г.В. Теплообмен и сопротивление при течении однофазного теплоносителя в высокопористой вставке // Труды V Российской национальной конференции по теплообмену: В 8 томах. Т.5. Секция 7. Дисперсные потоки и пористые среды. - М.: Изд. дом МЭИ, 2010. 258 c./ С.176-180.

Пластинчатый теплообменник, включающий пластины с отверстиями и межпластинчатые каналы для прохода теплоносителей, базовую и нажимную плиты, стягивающие винты и штуцеры для подвода и отвода рабочих сред, отличающийся тем, что в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в холодильных аппаратах. .

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть применено в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть применено в пластинчатых теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах

Изобретение относится к теплообменникам

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках без принудительной подачи охлаждающего воздуха. В пластинчатом теплообменнике с естественной подачей охлаждающего воздуха, содержащем кожух, с трубными досками и крышками, между которыми помещен пакет теплообменных пластин, которые формируют каналы для охлаждаемой и охлаждающей среды, в крышках устроены входные и выходные патрубки для входа и выхода теплообменивающихся сред, при этом кожух выполнен корытообразным, горизонтальным, с днищем и двумя торцами, представляющими собой нижнюю и две торцевые трубные доски, торцевые и верхние кромки корытообразного горизонтального кожуха, кромки торцевых и верхней крышек снабжены фланцевыми полосами, верхняя крышка выполнена с верхней трубной доской, каналы теплообменивающихся сред соединены с соответствующими отверстиями верхней и нижней трубных досок и торцевых трубных досок и направлены вертикально и горизонтально, а выходной патрубок охлаждающей среды (воздуха) соединен с вертикальной вытяжной трубой, снабженной дефлектором. Технический результат - повышение эффективности и надежности пластинчатого теплообменника с естественной подачей охлаждающего воздуха. 6 ил.

Представлена металлическая пластина для теплообмена, в которой сформированы углубления, имеющие глубину 5 мкм или более и составляющие 10% или менее от толщины металлической пластины. По меньшей мере в нижнем углу углубления в направлении толщины сформирована расщелина. Также представлен способ изготовления металлической пластины согласно изобретению. Изобретение позволяет создать металлическую пластину для теплообмена, которая способствует пузырьковому кипению и обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью. 2 н. и 4 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к теплотехнике. Пластинчатый теплообменник содержит пакет пластин, образующих основные пространства между пластинами для основной среды и вспомогательные пространства - для вспомогательной среды, основной впуск и основной выпуск для основной среды, вспомогательный впуск и выпуск для вспомогательной среды. Измерительное устройство содержит пространство, содержащее измерительную среду, находящуюся под воздействием температуры вспомогательной среды. Дроссельный элемент, присоединенный к измерительному устройству, регулирует поток основной среды под действием измерительной среды. Пространство содержит первую часть пространства, ограниченную одной из пластин теплообменника, которая граничит с и находится в теплопередающем контакте с самым внешним вспомогательным пространством между пластинами, и вторую часть пространства, которая граничит с и находится в теплопередающем контакте со вспомогательным выпуском, расположенным дальше по потоку от вспомогательных пространств между пластинами. Технический результат - создание пластинчатого теплообменника с усовершенствованным измерительным устройством, обеспечивающим надлежащее и постоянное регулирование температуры вспомогательной среды. 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

Теплообменник содержит корпус с первым и вторым каналами для теплоносителей и сферические теплопередающие элементы, размещенные в сферических лунках. Каналы разделены теплопередающей поверхностью, входными и выходными патрубками первого канала, входными и выходными патрубками второго канала. Сферические теплопередающие элементы размещены в сферических лунках на теплопередающей поверхности и на внутренней поверхности корпуса. Изобретение позволяет улучшить теплоотдачу от разделяющей каналы теплообменника теплопередающей поверхности. 2 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник содержит несколько теплообменных пластин (1), обеспеченных рядом друг с другом, которые образуют первые межпластинчатые промежутки (3) и вторые межпластинчатые промежутки (4) в порядке чередования. Каждая вторая теплообменная пластина образует первичную пластину (V) и каждую вторую вторичную пластину (1''). Каждая теплообменная пластина продолжается в плоскости (p) протяженности и содержит область теплопередачи и крайнюю область вокруг области теплопередачи. Область теплопередачи содержит гофр из выступов (30) и впадин (40), каждый из которых продолжается в продольном направлении. Выступы имеют две крайние поверхности (31, 32) и опорную поверхность (33) между крайними поверхностями и с первой шириной (34) поперечно продольному направлению. Впадины имеют две крайние поверхности (41, 42) и опорную поверхность (43) между крайними поверхностями и со второй шириной (44) поперечно продольному направлению. Опорная поверхность впадин первичных пластин наклоняется относительно плоскости протяженности, и опорная поверхность выступов вторичных пластин наклоняется относительно плоскости протяженности. Технический результат - уменьшение размера точек и областей контакта между пластинами. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменников. В теплообменнике для использования в изотермическом химическом реакторе, имеющем несколько теплообменных пластин, каждая из которых включает первый и второй листы металла, образующие соответственно первую боковую поверхность и противоположную ей вторую боковую поверхность пластины, подающую линию теплоносителя и коллектор теплоносителя, и несколько внутренних проходов для теплоносителя между первым и вторым листами металла, причем первый и второй листы соединены по меньшей мере одним сварными швом, выполненным на первой боковой поверхности, а подающая линия теплоносителя и коллектор теплоносителя образованы подающим и коллекторным каналами и присоединены ко второму листу металла другими сварными швами, выполненными на упомянутой второй поверхности пластины. Технический результат - обеспечение изготовления пластины автоматизированным сварочным процессом, например лазерной сваркой. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к способу изготовления набора (40) пластин для теплообменника, образованного стопой пластин (41). Заявленный способ включает этапы, на которых уменьшают первоначальную толщину каждой пластины (41) посредством механической обработки оставляя на периферии пластины (41), по меньшей мере, один соединительный бортик (45) высотой, превышающей толщину пластины (41) после механической обработки, выполняют в центральной части пластины (41) гофры (42), накладывают пластины (41) парами друг на друга, соединяют находящиеся в контакте бортики (45) пластин (41) каждой пары сварным швом (50), укладывают пары пластин (41) друг на друга, располагая бортики (45) пар пластин (41) друг над другом, и соединяют находящиеся в контакте бортики (45) пар пластин (41) герметичным сварным швом (50), выполняя чередующееся наложение друг на друга открытых или закрытых концов входа или выхода указанной текучей среды. Технический результат - упрощение технологии изготовления, сокращение объема сварки. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх