ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники и может найти применение в паровых и газовых турбинах, а также в авиационных газотурбинных двигателях и энергетических установках.
Известен пластинчатый теплообменник - рекуператор (RU №125321) с поверхностями теплообмена типа Френкеля с многозаходным трактом по холодному и однозаходным трактом по горячему теплоносителям, содержащий корпус, подводящие и отводящие каналы для обоих теплоносителей, матрицу, с поверхностями теплообмена типа Френкеля, представляющими собой попарно соединенные металлические пластины с компланарным направлением гофр, расположенных на верхней и нижней пластинах каждой пары.
Такая конструкция не обладает достаточной надежностью из-за необходимости герметизации многих мест подвода и отвода теплоносителя с высоким перепадом давления. Кроме того изготовление таких гофрированных пластин требует мощного прессового оборудования, что существенно снижает технологичность изготовления.
Известен пластинчатый теплообменник рекуператора газотурбинной установки (US №7,065,873) содержащий цилиндрический наружный корпус, внутренние разделительные кольца, размещенные между ними, и опирающиеся на центральное внутреннее разделительное кольцо, идентичные теплообменные элементы в виде конвертов, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам оребренных пластин. Патрубки подвода и отвода внутреннего теплоносителя с большим давлением здесь формируются набором конструктивных элементов, включающим планки, опирающиеся на разделительные кольца.
К недостаткам данной конструкции можно отнести чрезмерно большое количество элементов конструкции соединенных между собой, что существенно снижает технологичность конструкции при ее изготовлении и вызывает проблемы с герметизацией многих стыков внутри теплообменника. Кроме того, использование в районе патрубков подвода и отвода теплоносителя планок с приваркой их аргонно-дуговой сваркой снижает его эффективность вследствие загромождения проходных сечений окон патрубков.
Известен принятый за прототип пластинчатый теплообменник (RU №2100733), содержащий корпус с устройствами для подвода и отвода одного теплоносителя, а также пакеты попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и патрубки подвода и отвода второго теплоносителя, сообщенные с коллекторами, образованными выполненными в пластинах окнами с отбортовками, соединенные стяжными элементами прижимные плиты, между которыми установлен вышеописанный пакет пластин. На пластинах могут быть выполнены дополнительные выштамповки, образующие прямолинейные или зигзагообразные каналы.
К недостаткам данного теплообменника следует отнести низкую технологичность и высокую себестоимость при изготовлении. Кроме того, детали подобных теплообменников имеют повышенные напряжения, возникающие в пластинах, примыкающих к стяжным плитам из-за большой разницы температур и износ элементов конструкции из-за тепловых перемещений при изменении режимов работы теплообменника.
Задача предложенного изобретения состоит в устранении указанных недостатков теплообменника, предназначенного для достаточно больших расходов теплоносителей.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, снижении себестоимости изготовления теплообменника за счет повышения технологичности изготовления элементов матрицы теплообменника и повышении эффективности процесса теплообмена достигается тем, что согласно предлагаемому изобретению матрица теплообменника построена из отдельных элементов, каждый элемент матрицы теплообменника содержит две половины, которые соединены по периферии сварным или паяным швом, причем каждая половина имеет окна для входа и выхода одного из теплоносителей и каналы для прохода этого теплоносителя от входного окна к выходному, элементы матрицы теплообменника уложены слоями таким образом, что каналы первого теплоносителя образуют вихревую матрицу для второго теплоносителя, слои матрицы теплообменника соединены между собой сварными или паяными швами по контурам входных и выходных окон соответственно.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид матрицы теплообменника;
Фиг. 2 - чертеж элемента матрицы теплообменника;
Фиг. 3 - схема движения теплоносителей в матрице теплообменника;
где 1 - входное окно элемента матрицы теплообменника;
2 - выходное окно элемента матрицы теплообменника;
3 - наружный контур элемента матрицы теплообменника;
4 - контур входного окна;
5 - контур выходного окна;
6 - вход теплоносителя №1;
7 - выход теплоносителя №1;
8 - левая половина (часть) элемента матрицы теплообменника;
9 - правая половина (часть) элемента матрицы теплообменника;
10 - место соединения половин (частей) элемента матрицы теплообменника.
Теплообменник работает следующим образом:
Первый теплоноситель направляется в канал, образованный последовательно расположенными входными окнами элементов матрицы теплообменника, откуда он направляется в каналы, выштампованные в половинах элементов матрицы, проходит по этим каналам и выходит в канал, образованный последовательно расположенными выходными окнами. Выпуск первого теплоносителя производится из канала, образованного последовательно расположенными выходными окнами элементов матрицы. Второй теплоноситель движется через осесимметричную матрицу в радиальном направлении от центра к периферии или от периферии к центру. Теплообмен производится через стенки элементов матрицы теплообменника.
Поскольку матрица теплообменника состоит из элементов, имеющих малые габаритные размеры, они могут быть изготовлены методом штамповки на прессовом оборудовании малой мощности. Это позволяет существенно повысить технологичность изготовления элементов матрицы теплообменника и, как следствие - существенно снизить себестоимость изготовления всего теплообменника. Укладка теплообменных элементов слоями с образованием осесимметричной вихревой матрицы для формирования перекрестного противотока при протекании первого и второго теплоносителя позволяет в ряде случаев отказаться от подводящих и отводящих патрубков с поворотами потока и повысить за счет исключения потерь энергии в этих патрубках общую эффективность теплообменника. Кроме того соединение слоев матрицы по кромкам входных и выходных окон элементов матрицы обеспечивает свободу тепловых перемещений и снижение связанных с этим напряжений в этих элементах.
Такая конструкция матрицы теплообменника позволяет сформировать осесимметричную вихревую матрицу для одного из теплоносителей, что существенно повышает эффективность процесса теплообмена. Укладка теплообменных элементов слоями с образованием осесимметричной вихревой матрицы для формирования перекрестного противотока при протекании теплоносителей позволяет не только обеспечить высокую эффективность процесса теплообмена, но и в ряде случаев упростить конструкцию теплообменного аппарата, исключив подводящие и отводящие патрубки с поворотами потока. При этом за счет исключения потерь энергии в этих патрубках дополнительно увеличивается общая эффективность всего теплообменника.