ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к машиностроению, в частности к теплообменной технике, и может быть использовано в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания.
Известен из патента RU №2170897 (опубл. 2001.07.20) жидкостно-масляный теплообменник, предназначенный для охлаждения масла в системе смазки двигателей внутреннего сгорания. Теплообменник содержит размещенный внутри цилиндрического кожуха пучок труб, соединяющий бачки, снабженные патрубками, и перегородки, установленные перпендикулярно трубкам, разделяющие внутреннее пространство на полости и выполненные с возможностью перетекания теплоносителя последовательно из одной полости в другую. По оси теплообменника установлена труба, на концах которой выполнены бортики, выступающие во внешнюю сторону, на трубе установлены контактирующие с ней фиксаторы, выполненные с возможностью фиксации перегородок и служащие опорой для бачков, последние выполнены торообразными и образуют с трубой проходы для теплоносителя, а крышки бачков охватывают кожух, жестко соединены друг с другом, и в одной из них выполнена кольцевая выдавка, контактирующая с кожухом.
Недостатком известного теплообменника является сложность его конструктивного исполнения.
2
2
2
2
Известен из патента RU 2306516 (опубл. 2007.09.20) выбранный за прототип как наиболее близкий по конструктивным признакам кожухотрубный теплообменный аппарат, который содержит разделенную перегородкой распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубки, соединенные перегородками с сегментными вырезами, которые фиксируются крепежным элементом типа резьбовой шпильки, расположенными по оси кожуха, линзовый компенсатор и штуцера для межтрубного и трубного пространства. При этом отношение наружного диаметра кожуха к длине теплообменных труб в данном аппарате составляет 0,14…0,26; отношение диаметра теплообменных труб к наружному диаметру кожуха равно 0,02…0,14; общее количество теплообменных труб находится в интервале 13…1701; поверхность теплообмена при длине теплообменных труб, лежащей в диапазоне от 1 до 9 м, находится в интервале 1,0…961 м; площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находится в интервале 30…1640 м; площадь сечения потока между перегородками находится в интервале 50…1870 м; площадь сечения одного хода по теплообменным трубам находится в интервале 40…3750 м; отношения наружного диаметра DH кожуха к диаметрам условного прохода штуцеров для трубного и межтрубного пространства соответственно равны и находятся в интервале 1,9…4,0. Элементы конструкции изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, или из латуни.
Недостатком, присущим прототипу, является деформационный способ крепления трубок в отверстиях трубной доски, включающий операцию развальцовки трубы в трубной решетке, что приводит к усложнению технологического процесса, увеличивает трудоемкость и себестоимость теплообменника. Кроме того, такой способ крепления не обеспечивает достаточного качества соединения между трубой и трубной решеткой.
В основу изобретения поставлена задача создания простой компактной конструкции теплообменника, обладающего повышенной надежностью за счет улучшения качества соединения конструктивных деталей.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменнике, содержащем размещенные в корпусе теплообменные трубки, установленные в перегородках с сегментными вырезами и в разнесенных по длине теплообменных трубок трубных досках; приспособленный для приема протекающей по теплообменным трубкам первой текучей среды впускной коллектор и приспособленный для вывода протекающей по теплообменным трубкам первой текучей среды выпускной коллектор, при этом корпус выполнен с возможностью подвода и отвода омывающей теплообменные трубки второй текучей среды, а теплообменные трубки жестко связаны с трубными досками, причем перегородки разделяют внутреннее пространство корпуса на сообщенные между собой полости и установлены с возможностью перетекания поступающей в корпус второй текучей среды последовательно из одной полости в другую, новым является то, что теплообменные трубки, трубные доски и перегородки выполнены из алюминиевых сплавов с плакированным слоем, при том, что перегородки жестко связаны с теплообменными трубками, причем жесткая связь теплообменных трубок с трубными досками и перегородками обеспечена паяным соединением.
Целесообразно, чтобы длина теплообменных трубок находилась в диапазоне 0,1-0,7 м, предпочтительно в диапазоне 0,25-0,40 м.
Предпочтительно, чтобы отношение наружного диаметра корпуса к длине теплообменных трубок находилось в диапазоне 0,25-0,5 предпочтительно в диапазоне 0,27-0,40.
2
Желательно, чтобы площадь сечения потока между перегородками находилась в 0,0005-0,01 м.
2
2
Целесообразно, чтобы площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находилась в диапазоне 0,005-0,1 м предпочтительно в диапазоне 0,01-0,07 м.
Возможно, чтобы первой текучей средой являлась охлаждающая жидкость, а второй текучей средой являлась охлаждаемая жидкость.
Возможно, чтобы первой текучей средой являлась охлаждаемая жидкость, а второй текучей средой являлась охлаждающая жидкость.
2
2
Кроме того, площадь сечения одного хода по теплообменным трубкам может находиться в диапазоне 0,001-0,1 м предпочтительно в диапазоне 0,002-0,05 м
Возможно, что теплообменные трубки могут быть установлены в трубных решетках в коридорном порядке.
Возможно, что теплообменные трубки могут быть установлены в трубных решетках в шахматном порядке.
Возможно, что теплообменные трубки могут быть установлены в трубных решетках радиально.
Целесообразно, чтобы корпус, впускной коллектор и выпускной коллектор были выполнены из алюминиевых сплавов.
Предпочтительно, чтобы корпус теплообменника был выполнен цилиндрическим.
Кроме того, теплообменник может быть выполнен с обеспечением организации многоходового потока первой текучей среды.
Другие задачи и преимущества будут ясны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 представляет схематический разрез теплообменника в первом варианте исполнения;
фиг.2 представляет разрез в изометрии теплообменника, показанного на фиг.1;
фиг.3 представляет вид сердцевины теплообменника в сборе (трубки, трубные доски, перегородки) в изометрии;
фиг.4 представляет разрез теплообменника во второй варианте исполнения.
Показанный на фиг.1 и фиг.2 теплообменник включает цилиндрический корпус 1, внутри которого размещен пучок ориентированных преимущественно параллельно друг другу теплообменных трубок 2 (обозначены одной позицией), установленных в имеющих сегментные вырезы перегородках 3 (обозначены одной позицией) и в разнесенных по длине пучка теплообменных трубок 2 трубных досках 4 и 5.
Корпус 1 снабжен с торцевых сторон шпильками 6 (обозначены одной позицией) для крепления крышек 7 и 8. Крышки 7 и 8 вместе с трубными досками соответственно 4 и 5 образуют распределительные коллекторы, располагаемые с торцевых сторон пучка теплообменных трубок 2. Один конец каждой теплообменной трубки 2 сообщен с впускным коллектором 9, а другой конец сообщен с выпускным коллектором 10.
В крышке 7 выполнено входное отверстие 11 для приема через него первой текучей среды во впускной коллектор 9. В крышке 8 выполнено выходное отверстие 12 для отвода протекающей по пучку трубок 2 первой текучей среды.
Полости крышек изолированы от межтрубного пространства со стороны крышки 7 уплотнительными резиновыми кольцами 13, установленными в проточках корпуса 1, а со стороны крышки 8 - прокладками 14 из паронита или резины.
Корпус 1 снабжен отверстием 15 для подвода омывающей теплообменные трубки 2 второй текучей среды и отверстием 16 для отвода второй текучей среды.
n
Перегородки 3, насаженные на трубки 2 в промежутке между трубными досками 4 и 5 на одинаковом расстоянии L друг от друга, разделяют внутреннее пространство корпуса 1 на сообщающиеся между собой полости для организации многоходового движения второй текучей среды в межтрубном пространстве, что улучшает теплообмен.
Теплообменные трубки 2 выполнены из алюминиевых сплавов с плакированным слоем и закреплены пайкой в отверстиях трубных досок 4 и 5, также выполненных из алюминиевых сплавов с плакированным слоем.
Перегородки 3 изготовлены из алюминиевых сплавов с плакированным слоем и жестко связаны с трубками 2 паяным соединением.
Толщина перегородок находится в диапазоне 0,3-3 мм.
Теплообменные трубки 2, трубные доски 4 и 5, а также перегородки 3 жестко связаны между собой и образуют единый конструктивный блок - сердцевину теплообменника, как показано на фиг.3.
Жесткая связь выполнена паяным соединением в едином технологическом процессе пайки и обеспечивает качественное и прочное закрепление трубок в трубных досках, а перегородок с трубками.
В качестве алюминиевых сплавов с плакированным слоем могут быть использованы, например, алюминиевые сплавы марки АМц.АС 1М (2М).
Общее количество теплообменных трубок 2 находится в оптимальном интервале величин 30-100 штук.
Расположение теплообменных трубок 2 в трубных досках 4 и 5, определяющее тип пучка, может быть выполнено любым известным способом и подбирается в каждом конкретном случае с учетом теплогидравлических характеристик потока. Тип пучка трубок, например, может быть треугольным, шахматным или коридорным. Треугольный пучок труб имеет наибольшую плотность упаковки трубок и поэтому максимальную поверхность теплообмена в корпусе данного размера. Треугольный пучок также обеспечивает высокую эффективность теплоотдачи для заданного значения гидравлических потерь, но при этом перепад давления будет наибольшим. Шахматные пучки имеют тоже высокую эффективность теплоотдачи для заданного значения гидравлических потерь, но позволяют разместить в корпусе данного размера меньшее количество трубок по сравнению с треугольным. При одинаковом шаге потери давления в шахматных пучках будут меньше, чем в треугольных. В тех случаях, когда желательно обеспечить низкие перепады давления целесообразно использовать коридорный пучок.
Возможна также радиальная компоновка трубок в трубном пучке.
Длина L теплообменных трубок 3 находится в диапазоне от 0,1 м до 0,7 м, предпочтительно в диапазоне от 0,25 м до 0,40 м.
H
H
Обусловливающее производительность теплообменника отношение наружного диаметра D корпуса 1 к длине L теплообменных трубок 2 находится в оптимальном интервале величин D/L=0,25-0,5; предпочтительно 0,27-0,40.
H
H
Отношение диаметра d теплообменных трубок 2 к наружному диаметру D корпуса 1, обусловливающее эффективность теплообмена, находится в оптимальном интервале величин d/D=0,03-0,1.
2
Поверхность теплообмена при длине L теплообменных трубок 2, лежащей в диапазоне от 0,1 до 0,7 м, находится в оптимальном интервале величин 0,1-0,2 м.
2
2
Площадь сечения одного хода по теплообменным трубкам 2 находится в диапазоне 0,001-0,1 м, предпочтительно 0,002-0,05 м. Этим диапазоном обусловлено минимальное гидравлическое сопротивление теплообменника при сохранении высокой эффективности теплообмена.
2
Количество перегородок 3 может быть различным. Количество перегородок выбрано из диапазона 5-13 штук и подобрано так, чтобы площадь сечения потока между перегородками находилась диапазоне 0,0005-0,01 м.
2
2
Сегментные вырезы в перегородках 3 выполнены так, чтобы площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находилась в диапазоне 0,005-0,1 м, предпочтительно в диапазоне 0,01-0,07 м.
Первой текучей средой может являться охлаждающая жидкость, а второй текучей средой может являться охлаждаемая жидкость. Возможно также, что первой текучей средой будет являться охлаждаемая жидкость, а второй текучей средой будет являться охлаждающая жидкость.
Корпус 1, крышки 7 и 8 могут быть выполнены из различных подходящих материалов. Возможно их выполнение из алюминиевых сплавов АК12ч, АК9ч, АМцМ, а также стали, чугуна или пластмасс.
Во втором исполнении, как показано на фиг.4, впускной коллектор 9 и выпускной коллектор 10 могут быть расположены с одной стороны пучка теплообменных трубок 2. В этом случае крышка 7 выполнена с перегородкой 17, разделяющей ее внутренний объем на две полости, одна из которых через входное отверстие 11 сообщена с каналом подвода первой текучей среды, а другая через выполненное в крышке 7 выходное отверстие 12 сообщена с каналом вывода первой текучей среды. Вторая крышка 8 в этом случае выполнена без отверстия и ее полость служит перепускным и поворотным каналом, а в пучке трубок 2 образован двухходовой поток первой текучей среды.
В данном конкретном примере показано устройство охлаждения для грузовых автомобилей, тракторов и комбайнов в таком исполнении, при котором охлаждаемую жидкость подают в межтрубное пространство, а охлаждающую жидкость подают по пучку трубок.
Охлаждающей средой в этом случае может быть вода или тосол, подаваемые из системы охлаждения двигателя, а охлаждаемой средой может быть моторное масло или гидравлическое масло.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Охлаждаемая жидкость поступает через входной канал 15 в межтрубное пространство корпуса 1. Перегородки 3 с сегментными вырезами, установленные в корпусе 1, направляют поток среды, который несколько раз меняет свое направление. Последовательно перетекая из одной полости в другую поток охлаждаемой жидкости омывает теплообменные трубки 2 и выходит из корпуса через выходной канал 16 корпуса 1.
Охлаждающая жидкость из канала 11 поступает под давлением во впускной коллектор 9, где распределяется по трубкам 2 и, протекая по ним, нагревается потоком охлаждаемой жидкости. Выходящая из теплообменных трубок 2 жидкость собирается в выпускном коллекторе 10 и выводится из него через канал 12.
Предлагаемый теплообменник обладает компактностью, высокой прочностью и жесткостью конструкции. Простота конструкции предлагаемого теплообменника значительно снижают трудоемкость его изготовления, а использование относительно недорогих металлов и материалов при его изготовлении существенно снижает его себестоимость. Эти металлы и материалы пригодны для изготовления большинства радиаторов, применяемых в автомобилях.