Теплообменный аппарат
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к рекуперативным теплообменным аппаратам.
Известен теплообменный аппарат, содержащий корпус, патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок с продольно ориентированными и имеющими общие стенки каналами, причем на каждом конце теплопередающего блока каналы одной среды выступают относительно торцов каналов другой среды, концы выступающих каналов являются частями трубных решеток, которые вместе со смежными им торцами каналов образуют полости, а для обеспечения подвода и отвода рабочих сред внутри теплообменного аппарата расположена специальная труба с перегородками и отверстиями (СССР, патент №1810002).
Основным недостатком известного устройства является сложность разведения по каналам рабочих сред и их удаление, что обусловлено тем, что выступающие концы каналов на всем протяжении контактируют друг с другом и для попадания рабочей среды в предназначенные для нее каналы внутри теплопередающего блока или удаления ее из таких каналов приходится в некоторые рядом расположенные каналы направлять одну и ту же среду, создавая в полости протоки для этой среды. Поэтому не удается обеспечить, чтобы каждый канал с одной средой был окружен со всех сторон каналами с другой средой, что снижает эффективность работы теплообменного аппарата. К числу недостатков относится и наличие внутри теплопередающего блока специальной трубы с перегородками и отверстиями для обеспечения подвода и отвода рабочих сред только с торцов теплообменного аппарата, т.к. имевшиеся технологии изготовления теплопередающего блока очень усложняли выполнение патрубков на корпусе аппарата.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок с продольно ориентированными и имеющими общие стенки каналами, причем на каждом конце теплопередающего блока каналы одной среды выступают относительно торцов каналов другой среды, концы выступающих каналов являются частями трубных решеток, которые вместе со смежными им торцами каналов образуют полости (СССР, авторское свидетельство №1739738).
В данном техническом решении отсутствует специальная труба внутри корпуса аппарата. Однако выступающие концы каналов на всем протяжении контактируют друг с другом и для попадания рабочей среды в предназначенные для нее каналы внутри теплопередающего блока или удаления ее из таких каналов приходится в некоторые рядом расположенные каналы направлять одну и ту же среду, создавая в полости протоки для этой среды. Поэтому не удается обеспечить, чтобы каждый канал с одной средой был окружен со всех сторон каналами с другой средой, что снижает эффективность работы теплообменного аппарата.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы теплообменного аппарата и, как следствие, снижение его веса и габаритов за счет того, что в теплопередающем блоке каждый канал одной среды со всех сторон окружен каналами другой среды.
Поставленная задача решается тем, что теплообменный аппарат содержит корпус, патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок с продольно ориентированными и имеющими общие стенки каналами. На каждом конце теплопередающего блока каналы одной среды выступают относительно торцов каналов другой среды, а концы выступающих каналов являются частями трубных решеток. Трубные решетки вместе со смежными им торцами каналов образуют полости. Выступающие каналы, проходя сквозь эти полости, по крайней мере на части своей длины не соприкасаются друг с другом.
Выполнение выступающих каналов так, что по крайней мере на части своей длины, проходящей сквозь полости, они не соприкасаются друг с другом, позволяет организовать протоки для попадания рабочей среды в предназначенные для нее каналы внутри теплопередающего блока или удаления ее из таких каналов. При этом каждый канал с одной средой окружен со всех сторон каналами с другой средой, что повышает эффективность работы теплообменного аппарата и, как следствие, снижает его вес и габариты.
Выполнение выступающих каналов так, что по крайней мере на части их длины, проходящей сквозь полости, форма сечения каналов изменяется, позволяет обеспечить не соприкосновение друг с другом рядом расположенных каналов.
Выполнение выступающих каналов так, что по крайней мере на части их длины, проходящей сквозь полости, площадь сечения каналов изменяется, позволяет обеспечить не соприкосновение друг с другом рядом расположенных каналов.
Выполнение выступающих каналов так, что по крайней мере на части их длины, проходящей сквозь полости, и форма сечения каналов, и площадь сечения каналов изменяются, позволяет обеспечить не соприкосновение друг с другом рядом расположенных каналов.
Выполнение выступающих каналов так, что по крайней мере на части их длины, проходящей сквозь полости, центры масс сечений выступающих частей каналов не находятся на линиях, перпендикулярных к плоскостям обеих трубных решеток (например, каналы расходятся друг от друга «веером»), позволяет обеспечить не соприкосновение друг с другом рядом расположенных каналов.
Изменение в теплопередающем блоке формы сечения каналов, или площади сечения каналов, или и их формы, и их площади одновременно, позволяет турбулизировать поток, что ведет к повышению эффективности работы аппарата и, как следствие, к снижению его веса и габаритов.
Поскольку все каналы теплопередающего блока имеют общие стенки, то внешние стенки периферийных каналов в этой части могут выполнять роль корпуса. В этом случае патрубки подвода сред к полостям и отвода сред от полостей располагаются на плотно прилегающих к внешним стенкам периферийных каналов камерах, охватывающих полости, что исключает необходимость изготовления отдельного корпуса и ведет к снижению веса и габаритов теплообменного аппарата.
Выбор формы канала, например, треугольника, четырехугольника, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды или другой, в зависимости от свойств теплообменивающихся сред, позволяет повысить эффективность работы аппарата и, как следствие, снизить его вес и габариты.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).
На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат. Поз. 1 - корпус, поз. 2 - патрубок подвода первой среды, поз. 3 - патрубок отвода первой среды, поз. 4 - патрубок подвода второй среды, поз. 5 - патрубок отвода второй среды. Внутри корпуса установлен теплопередающий блок, состоящий из имеющих общие стенки каналов поз. 6 для первой среды и каналов поз. 7 для второй среды. На каждом конце теплопередающего блока каналы одной среды выступают относительно торцов каналов другой среды. Концы выступающих каналов являются частями трубных решеток поз. 8 и поз. 9. Трубные решетки поз. 8 и поз. 9 вместе со смежными им торцами каналов образуют полости поз. 10 и поз. 11.
На рисунке 2 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором корпус поз. 1 образован внешними стенками периферийных каналов, а патрубок поз. 3 отвода первой среды от полости поз. 11 и патрубок поз. 5 отвода второй среды от полости поз. 10 расположены на плотно прилегающих к внешним стенкам периферийных каналов камерах поз. 12 и поз. 13, охватывающих полости поз. 10 и поз. 11.
На рисунке 3 представлено поперечное сечение А-А теплопередающего блока. Каналы первой среды поз. 6 условно заполнены точками, каналы второй среды поз. 7 - белые. Все каналы в данном случае квадратные, но они могут быть круглыми или иметь другую форму сечения, но в любом случае все каналы имеют общие стенки и обеспечивается возможность окружения каждого канала одной среды со всех сторон каналами другой среды.
На рисунке 4 представлено поперечное сечение В-В (стенки камеры поз. 12 условно не показаны) теплопередающего блока в полости поз. 10. Если бы выступающие каналы поз. 6 первой среды в этом месте сохраняли свою форму, площадь и положение в пространстве, показанные на рисунке 3 сечение А-А, то выход второй среды из каналов поз. 7, расположенных не на периферии теплопередающего блока, в камеру поз. 10 был бы невозможен, т.к. выступающие каналы поз. 6 первой среды продолжали бы сохранять между собой контакт на всем протяжении полости, создавая непроницаемые перегородки для второй среды.
Однако, проходя полость поз. 10, выступающие каналы поз. 6 первой среды изменяют свою форму и теряют контакт между собой, как показано на рисунке 4, благодаря чему появляется возможность протока второй среды из всех каналов поз. 7 к патрубку выхода второй среды поз. 5.
Аналогично, проходя полость поз. 11, выступающие каналы поз. 7 второй среды изменяют свою форму и теряют контакт между собой, как показано на рисунке 4, благодаря чему появляется возможность протока первой среды из всех каналов поз. 6 к патрубку выхода первой среды поз. 3.
Если на рисунках 1 и 2 представлено исполнение заявляемого теплообменного аппарата, в котором с разных концов теплообменного блока выступают концы каналов разных сред, то на рисунке 5 представлено исполнение заявляемого теплообменного аппарата, в котором с разных концов теплообменного блока выступают концы каналов одной и той же среды.
На рисунке 6 представлена фотография фрагмента заявляемого теплообменного аппарата, изготовленного с применением 3D печати.
Теплообменный аппарат (рис. 1, рис. 2) работает следующим образом.
Первая среда через патрубок 2 подается в каналы 6, пройдя по ним попадает в полость 11. Из полости 11 первая среда удаляется через патрубок 3, расположенный на корпусе 1 или на камере 13. Благодаря тому, что выступающие каналы 7 изменили свою форму на части своей длины и их стенки уже не соприкасаются друг с другом, появились пространства для протока первой среды из всех каналов 6 к патрубку 3.
Вторая среда через патрубок 4 подается в каналы 7, пройдя по ним попадает в полость 10. Из полости 10 вторая среда удаляется через патрубок 5, расположенный на корпусе 1 или на камере 12. Благодаря тому, что выступающие каналы 6 изменили свою форму на части своей длины и их стенки уже не соприкасаются друг с другом, появились пространства для протока второй среды из всех каналов 7 к патрубку 5.
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность теплообменного аппарата, что ведет к уменьшению его веса и габаритов. Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками.