ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, Область техники
Полезная модель относится к тешюобменным аппаратам с неподвижными каналами для двух теплоносителей, в которых каналы сформированы разделительными пластинами, имеющими перфорированные рёбра, раположенные внутри этих каналов.
Преимущественной областью использования полезной модели являются теплообменные аппараты для газообразных теплоносителей, температура, давление и расход которых при эксплуатации могут изменяться в широких диапазонах значении.
Особенно предпочтительной областью использования полезной модели являются теплообменные аппараты, для которых важно, чтобы в них фронтальная площадь в плоскости, перпендикулярной разделительным пластинам и каналам хотя бы одного из теплоносителей, была минимально возможной. Например, на самолётах в связи с охлаждением бортовых теплоносителей потоком наружного воздуха, требующим минимизации обусловленного этим аэродинамического сопротивления.
Предшествующий уровень техники
Тегоюобменный аппарат с пластинчато-ребристой теплопередающей поверхностью состоит из пакета плоских пластин, между которыми находятся соединяющие их рёбра. Теплоносители движутся между чередующимися парами пластин. Течение может быть, например, противоточным или поперечно-точным. Повышение тепловой эффективности теплопередающей поверхности достигается модификацией её геометрии, ведущей к увеличению теплоотдачи для данной скорости потока. Увеличение коэффициента теплоотдачи может быть достигнуто периодическим по ходу движения теплоносителя разрушением ламинарного пограничного слоя и иными средствами.
Наряду с «жалюзийными (РСТ JP 00/01808) и «короткими прерывистыми (US 5078207 FIG. 10) рёбрами используются также теплопередающие поверхности с перфорированными (US 5031693) рёбрами. У теплопередающих поверхностей с перфорированными рёбрами деформацию пограничного слоя осуществляют вырезанные в рёбрах отверстия. Факторы трения такой поверхности очень малы, что делает её весьма привлекательной для использования.
Поскольку расстояние между двумя последовательно расположенными щелевыми промежутками равно длине участка ребра между этими промежутками, последние нельзя рассматривать, как перфорационные отверстия. Поскольку же ширина щелевого промежутка сравнительно велика больше ширины канала, формируемого двумя соседними рёбрами, - в нём может разрушаться пограничный слой теплоносителя, сошедший с ребра предыдущей секции. В описании к патенту утверждается, что патентуемый теплообменный аппарат более эффективен, чем теплообменный аппарат, в котором ребро каждой следующей по потоку теплоносителя секции расположено между рёбрами предыдущей секции.
При изменении параметров потока теплоносителя в широком диапазоне значений интенсификация теплообмена по патенту №5078207 может оказаться недостаточной.
Раскрытие полезной модели
Задачей данной полезной модели является создание теплообменного аппарата сравнительно малых веса и размеров поперечного сечения, характеризующегося достаточно высокой теплопередачей в широком диапазоне значений температур, давлений и расходов теплоносителей.
В теплообменном аппарате, согласно полезной модели:
-Чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей сформированы разделительными пластинами из хорошо теплопроводящего материала.
-Проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включённые каналы соответствующими перфорированными рёбрами из хорошо теплопроводящего материала, находящимися в хорошем тепловом контакте с разделительными пластинами.
При росте скорости теплоносителя увеличение затрат энергии на преодоление трения значительнее уменьшения соответствующих затрат от увеличения тепловой нагрузки. Поэтому, более выгодны сравнительно низкие массовые скорости теплоносителя. Это, особенно при низком значении теплопроводности теплоносителя, приводит к относительно невысоким значениям коэффициентов теплоотдачи и определяет необходимость большой теплопередающей поверхности. Компактные пластинчато-ребристые теплообменные аппараты характеризуются высоким значением отношения теплообменной площади к занимаемому объёму.
теплоносителя с омываемыми им перфорированными рёбрами интенсифицируют за счёт перетекания теплоносителя через перфорационные отверстия в рёбрах между смежными параллельно включёнными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в них.
Перетекание теплоносителя через перфорационные отверстия в рёбрах деформирует пограничный слой. Потери на трение у поверхности с перфорированными рёбрами очень малы.
В процессе протекания, хотя бы одного, теплоносителя по параллельно включённым каналам проточной полости его теплообмен с омываемыми перфорированными рёбрами интенсифицируют за счёт регулярного разрушения пограничного слоя теплоносителя на них.
Согласно полезной модели, в теплообменном аппарате перфорированные рёбра в каждой проточной полости, хотя бы одного, теплоносителя в направлении его движения установлены в, приблизительно, шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включённых каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперёк этого направления относительно обоих перфорированных рёбер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещённым перфорированным ребром.
Вследствие разрушения пограничного слоя возникает турбулентность теплоносителя, приводящая к существенному росту коэффициента теплоотдачи.
В большинстве случаев целесообразно, если в теплообменном аппарате, согласно полезной модели, длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждающего теплоносителя составляет от 20 до 60 частных от деления усреднённой площади сечения канала в секции к усреднённому периметру одного канала.
При таком соотношении размеров достигается достаточное увеличение коэффициента теплоотдачи наряду с приемлемым ростом затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления.
В ряде целесообразно осуществлять регулярное разрушение пограничного слоя на перфорированных рёбрах в проточных полостях обоих теплоносителей.
Величина коэффициента теплоотдачи изменяется обратно пропорционально гидравлическому диаметру канала, равного отношению четырёхкратной площади канала к его омываемому периметру. Поэтому, малые геометрические размеры обеспечивают повышение коэффициента теплоотдачи. При указанных длинах перфорированных рёбер в секциях каналов охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей могут быть достигнуты наибольшие значения коэффициентов теплопередачи наряду с приемлемыми значениями гидравлического сопротивления.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем полезная модель поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
Фиг.1 - наружный вид тештообменного аппарата с круговым участком, условно открывающим внутренние противоточные участки каналов между разделительными пластинами.
Фиг.2- узел «А фиг. 1 в увеличенном масштабе.
Фиг.З - разрез «Б-Б фиг. 2.
Фиг.4- разрез «В-В фиг. 1.
Фиг.З - узел «Г фиг. 4 в увеличенном масштабе.
Фиг.6 - разрез «Д-Д фиг. 1.
Фиг.7 - узел «Е фиг. 6 в увеличенном масштабе.
Варианты осуществления полезной модели
В патентуемом теплообменном аппарате чередующиеся проточные полости 1 и 2 охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей, соответственно, сформированы разделительными пластинами 3 из хорошо теплопроводящего материала. Проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включённые каналы 4 и 5, соответственно, перфорированными рёбрами 6 и 7 из хорошо теплопроводящего материала. В большинстве случаев, рёбра образованы гофрированием соответствующих листов. Рёбра 6 и 7 находятся в хорошем тепловом контакте с разделительными пластинами 3. Это может быть достигнуто твёрдой пайкой пластин 3 с гофрами листов. Рёбра 6 перфорированы щелевыми отверстиями 16, а рёбра 7 - щелевыми отверстиями 17. Ширина перфорационных отверстий в описываемом теплообменном аппарате составляет от 0,8 до 1,0 мм. Перфорированные рёбра 6 в каждой проточной полости 1 охлаждающего теплоносителя в направлении его движения установлены в, приблизительно, шахматном порядке (Фиг.З) с образованием последовательно расположенных секций 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 параллельно включённых каналов 1.
Перфорированные рёбра 6 расположены так, что перфорированное ребро 6 в секции 9 и последующих по направлению течения охлаждающего теплоносителя секциях смещено поперёк этого направления относительно обоих перфорированных рёбер 6 предыдущей секции 8, формирующих канал непосредственно перед смещённым перфорированным ребром в секции 9. Длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций с 8 по 15 трубчатых каналов охлаждающего теплоносителя может составлять от 20 до 60 частных от деления усреднённой площади сечения трубчатого канала 4 в секции к усреднённому периметру трубчатого канала.
Разделение рёбер на последовательно расположенные секции может быть выполнено и в проточных полостях 2 охлаждаемого теплоносителя. Длина каждой из последовательно расположенных секций трубчатых каналов 5 охлаждаемого теплоносителя может составлять от 0,2 до 2,0 частных от деления усреднённой площади сечения трубчатого канала 5 в секции к усреднённому периметру трубчатого канала.
В описываемом теплообменном аппарате вход и выход охлаждающего теплоносителя - из набегающего потока воздуха при полёте самолёта происходит со стороны фланцев 18 и 19 , соответственно (Фиг. 1). Вход и выход охлаждаемого теплоносителя осуществляется через распределительные коллекторы 20 и 21, соответственно. Проточные полости 2 охлаждаемого теплоносителя со стороны фланцев 18 и 19 заглушены. Проточные полости 1 охлаждающего теплоносителя со стороны коллекторов 20 и 21 заглушены. Каждый из каналов 5 охлаждаемого теплоносителя между разделительными пластинами 3 выполнен, приблизительно, Z-образным с входным, промежуточным и выходным участками. Каждая из проточных полостей 2 охлаждаемого теплоносителя разделена на параллельно включённые Zобразные секции 22, 23, 24, 25 практически непроницаемыми Z-образными стенками 26. Стенки 26 могут быть выполнены в виде рёбер, подобных рёбрам, но без перфорационных отверстий.
При эксплуатации теплообменного аппарата теплопередачу осуществляют посредством рёбер 6 и 7 и пластин 3. При протекании каждого из теплоносителей по каждому из соответствующих параллельно включённых каналов соответствующей проточной полости интенсифицируют теплообмен теплоносителя с омываемыми им перфорированными рёбрами. Интенсификацию осуществляют за счёт перетекания каждого теплоносителя через перфорационные отверстия в соответствующих рёбрах между смежными параллельно включёнными каналами вследствие флуктуации перепадов статических давлений в них.
При протекании охлаждающего теплоносителя по параллельно включённым каналам 4 каждой проточной полости 1 интенсифицируют его теплообмен с омываемыми перфорированными рёбрами 6 за счёт регулярного разрушения пограничного слоя охлаждающего теплоносителя. Это происходит вследствие расположения перфорированных рёбер 6 по направлению течения охлаждающего теплоносителя в, приблизительно, шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включённых каналов.
Теплообменная поверхность описываемого теплообменного аппарата в области  интенсифицирует теплопередачу в 1,7-2,0 раза больше, чем теплообменные поверхности, имеющие сплошные гладкие рёбра, при поверхности, аналогичной по геометрии, но с только перфорированными рёбрами и поверхностью, имеющей короткие прерывистые рёбра. При той же тепловой эффективности и величине мощности на прокачку, а также неизменном массовом расходе воздуха, потребная фронтальная площадь у поверхности описываемого теплообменного аппарата оказалась меньше в 1,25 раза.
Поскольку длина смежных входных и выходных участков каналов 5 охлаждаемого теплоносителя различна различно и гидравлическое сопротивление в них при течении охлаждаемого теплоносителя. Поэтому, происходит перетекание охлаждаемого теплоносителя в более короткий канал 5. Стенки 26 препятствуют перетеканию охлаждаемого теплоносителя между секциями 22, 23, 24, 25, обеспечивая более равномерный теплообмен по секциям.
Формула полезной модели
1.Теплообменный аппарат, в котором:
-чередующиеся проточные полости охлаждающего и охлаждаемого теплоносителей сформированы разделительными пластинами из хорошо теплопроводящего материала,
-проточные полости обоих теплоносителей разделены на некруглые в поперечном сечении параллельно включённые каналы соответствующими перфорированными рёбрами из хорошо теплопроводящего материала, находящимися в хорошем тепловом контакте с разделительными пластинами,
-перфорированные рёбра в каждой проточной полости, хотя бы одного, теплоносителя в направлении его движения установлены в, приблизительно, шахматном порядке с образованием нескольких последовательно расположенных секций параллельно включённых каналов так, что перфорированное ребро во второй и последующих по направлению течения теплоносителя секциях смещено поперёк этого направления относительно обоих перфорированных рёбер предыдущей секции, формирующих канал непосредственно перед смещённым перфорированным ребром.
2.Теплообменный аппарат по п. 1, в котором длина ребра
в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждающего теплоносителя составляет от 20 до 60 частных от деления усреднённой площади сечения канала в секции к усреднённому периметру одного канала.
3.Теплообменный аппарат по п.1, в котором длина ребра в каждой из последовательно расположенных секций каналов охлаждаемого теплоносителя составляет от 0,2 до 2,0 частных от деления усреднённой площади сечения канала в секции к усреднённому периметру канала.
IB 1д