ПАКЕТ ПЕРЕКРЕСТНОТОЧНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к пакету перкрестноточного теплообменника и может быть использована в энергетике, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред, а также в процессах конденсации и испарения.
Известна конструкция пакета, включающая множество однотипных параллельных гофрированных пластин, плоские края которых отогнуты на 90°, причем каждая пара противоположных краев отогнута в противоположном направлении. При этом смежные пластины соединены между собой сваркой встык по двум противоположным кромкам отогнутых краев, образуя чередующиеся по высоте пакета полости для входа и выхода теплоносителей в теплообменные каналы. Гофры в двух смежных пластинах расположены в перекрестном направлении, образуя при этом точки опор по вершинам гофр, обеспечивающих жесткость пакета пластин при перепадах давлений между теплоносителями (см. патент США №4719970, МКл. F 28 F 003/08, опубл. 19.01.1988).
Однако технология сварки пластин между собой в рассмотренной конструкции сложна в производстве, кроме того, надежность таких сварных соединений недостаточна при эксплуатации пакета с высокими давлениями теплоносителей.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является, выбранный заявителем за прототип, пакет теплообменника,
выполненный из параллельно расположенных прямоугольных гофрированных пластин, жестко соединенных между собой по плоским периферийным кромкам таким образом, что каждая пара смежных пластин соединена по двум противоположным кромкам, лежащим в плоскости основания гофр, а пары пластин соединены между собой по двум другим кромкам, лежащим в плоскости вершин гофр. При этом по сторонам пакета, ограниченным плоскими кромками теплообменных пластин, образуются полости для входа и выхода теплоносителей в теплообменные каналы. Теплоносители направляются во входные полости теплообменного пакета в одной плоскости под углом 90° и движутся в теплообменных каналах в поперечном направлении. Обменявшись теплом, теплоносители через выходные полости удаляются из пакета пластин также под углом 90° по отношению друг к другу (см. патент США №4099928, МКл. B 21 D 053/00, опубл. 11.07.1978).
Недостатком известной конструкции является сложность монтажа и демонтажа, особенно при необходимости замены теплообменных пластин на новые. Цельносварная конструкция пакета, состоящего из большого числа пластин, существенно усложняет его сборку.
Известный пакет состоит из гофрированных пластин, которые образуют теплообменные каналы с равными углами наклона гофр к направлению движения обоих теплоносителей, а, соответственно, и равными условиями для интенсивности теплоотдачи первого и второго теплоносителей. Отсутствие возможности регулирования интенсивности теплоотдачи в теплообменных каналах известного пакета приводит к снижению их тепловой эффективности и, в конечном счете, к повышению их металлоемкости.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель является облегчение монтажа и демонтажа, создание ремонтопригодной конструкции пакета пластин, повышение тепловой эффективности и снижение металлоемкости.
Решение технической задачи достигается тем, что, в пакете перекрестноточного теплообменника, выполненного из параллельно расположенных гофрированных теплообменных пластин, жестко соединенных между собой по плоским периферийным кромкам с образованием чередующихся по высоте пакета и не сообщающихся между собой смежных теплообменных каналов для прохождения теплоносителей в поперечном направлении друг к другу, согласно полезной модели, в теплообменных каналах, по меньшей мере, одна из гофрированных пластин имеет разные углы наклона гофр к направлению движения первого и второго теплоносителей.
Целесообразно, пакет перекрестноточного теплообменника выполнять из отдельных теплообменных блоков, каждый из которых содержит группу теплообменных пластин, заключенных между плоскими пластинами. Кроме того, толщина плоских пластин должна превышать в 3-5 раз толщину теплообменных пластин; теплообменные блоки жестко могут быть соединены между собой по плоским пластинам, например, сваркой или пайкой; по меньшей мере, один из теплообменных блоков может быть образован теплообменными пластинами, углы наклона гофр которых к направлению движения теплоносителей не равны углам наклона гофр теплообменных пластин в остальных теплообменных блоках.
Угол наклона гофр к направлению движения теплоносителя существенно влияет на интенсивность теплообмена, причем с ростом угла наклона это влияние увеличивается. Так, применение в заявляемой конструкции пакета пластин с углами наклона гофр, например, к первому теплоносителю 60°, а ко второму теплоносителю 30° (далее - пластина 30°×60°) приводит к повышению коэффициента теплоотдачи первого теплоносителя на 60% при снижении коэффициента теплоотдачи второго теплоносителя на 30% по сравнению с коэффициентами теплоотдачи в
каналах рассмотренных ранее конструкций пакетов, образованных пластинами с одинаковыми углами наклона к направлению движения теплоносителей (далее - пластина 45°×45°). При этом теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи направляется в каналы с большим углом наклона гофр. Таким образом, применение пластин с разными углами наклона гофр в продольном и поперечном направлении позволяет повысить коэффициент теплопередачи, снижая при этом металлоемкость пакета пластин. Особое значение предлагаемая конструкция имеет при ее использовании в процессах конденсации и испарения. В большинстве случаев значение коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующегося или испаряющегося теплоносителя существенно превосходит значение коэффициента теплоотдачи другого теплоносителя. При этом снижение угла наклона гофр в каналах первого теплоносителя приводит не к снижению, а к некоторому повышению коэффициента теплоотдачи, что наряду с существенным ростом коэффициента теплоотдачи в каналах второго теплоносителя с большим углом наклона гофр ведет к значительному росту коэффициента теплопередачи и снижению металлоемкости пакета.
При небольшом различии в коэффициентах теплоотдачи первого и второго теплоносителей в полезной модели предлагается использование комбинации двух пластин, чередующихся в пакете друг с другом, например, пластины 30°×60° и пластины 45°×45°. При этом каналы для первого теплоносителя формируются пересечением гофр под углами 60° и 45° при среднем угле 52,5°, а углы наклона гофр в каналах второго теплоносителя равны соответственно 30° и 45°, что составляет средний угол 37,5°.
Применение комбинации двух указанных выше пластин приводит к менее значительному изменению коэффициентов теплоотдачи теплоносителей, чем при формировании пакета однотипными пластинами
30°×60°, а именно: в каналах со средним углом наклона гофр 52,5°, рост теплоотдачи составляет ≈20%, а в каналах со средним углом наклона гофр 37,5° снижение теплоотдачи составляет ≈16%.
Таким образом, применение пластин с разными углами наклона гофр в продольном и поперечном направлении или рассмотренной выше комбинации пластин в зависимости от соотношения коэффициентов теплоотдачи теплоносителей позволяет достигать максимальной тепловой эффективности использования теплообменной поверхности, сокращая при этом металлоемкость пакета.
Формирование пакета пластин из теплообменных блоков, каждый из которых содержит 10-20 теплообменных пластин позволяет:
- существенно упростить сборку пакета пластин, используя одно технологическое устройство, фиксирующее теплообменный блок по наружным кромкам и высоте при сварке пластин между собой, при этом сборка пакета пластин технологического устройства не требует, так как теплообменные блоки соединяются между собой сваркой или пайкой по периметру примыкающих друг к другу плоских пластин;
- производить ремонт пакета пластин, заменяя теплообменные блоки удалением наружных сварных швов, соединяющих блоки между собой;
- при многоходовой схеме компоновки формировать пакет пластин теплообменными блоками с разными средними углами наклона гофр для каждого из теплоносителей, что также позволяет, изменяя интенсивность теплообмена по тракту каждого теплоносителя, повысить тепловую эффективность использования теплообменной поверхности пакета пластин.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 -изображен пакет теплообменника;
На фиг.2 - изображена теплообменная пластина с углом наклона гофр 30°×60°;
На фиг.3 - взаимное расположение гофр в каналах, образованных пластинами с углом наклона гофр 30°×60°;
На фиг.4 - теплообменная пластина с углом наклона гофр 45°×45°;
На фиг.5 - взаимное расположение гофр в каналах, образованных комбинацией пластин с углом наклона гофр 30°×60° и 45°×45°;
На фиг.6 - теплообменный блок.
Пакет перекрестноточного теплообменника состоит из параллельных гофрированных пластин 1, причем каждая пара смежных пластин жестко соединена роликовой контактной сваркой или по двум противоположным плоским периферийным кромкам 2, а пары соединены между собой аргонодуговой сваркой по другим двум противоположным прямым кромкам 3, образуя при этом не сообщающиеся между собой полости для входа и выхода в теплообменные каналы 4,5 соответственно первого и второго теплоносителей. В теплообменных каналах, по меньшей мере, одна из гофрированных пластин имеет разные углы наклона гофр к направлению движения первого и второго теплоносителей
Целесообразно пакет теплообменника формировать из однотипных пластин, имеющих средний угол наклона гофр к направлению движения первого теплоносителя (1) не равным среднему углу наклона гофр к направлению движения второго теплоносителя (II).
Каналы в пакете могут формироваться двумя смежными пластинами с перекрестным направлением гофр, но с одинаковыми углами наклона гофр к направлению движения каждого теплоносителя. Значение углов наклона гофр обеих пластин в каналах первого теплоносителя может составлять 60°, а в каналах второго теплоносителя - 30°.
Формирование пакета теплообменника может быть осуществлено комбинацией двух пластин, одна из которых имеет равные углы наклона
гофр в продольном и поперечном направлении, а вторая - разные углы. При этом теплообменные каналы, образованные такой комбинацией пластин, имеют средние углы наклона гофр к направлению движения первого теплоносителя)- 52,5°, а к направлению движения второго теплоносителя - 37,5°.
Пакет теплообменника состоит из теплообменных блоков 6. Каждый теплообменный блок содержит группу теплообменных пластин 1 в количестве 10-20 шт., причем сверху и снизу теплообменные блоки ограничены плоскими пластинами 7, толщина которых в 3-5 раз превышает толщину теплообменных пластин 1, значение которой составляет обычно (0,5-1,0) мм. При этом толщина плоских пластин 7, составляющая (2,0-5,0) мм, определяется из условий достаточной жесткости теплообменного блока при его сборке в технологическом устройстве, а также надежности сварного соединения между теплообменными блоками при сборке пакета пластин.
Теплообменные блоки, формирующие пакет теплообменника, соединяются между собой сваркой или пайкой по смежным кромкам 8 примыкающих друг к другу плоских пластин 7.
При этом пакет теплообменника при многоходовой схеме компоновки может формироваться теплообменными блоками, отличающимися друг от друга средними углами наклона гофр в теплообменных каналах для каждого теплоносителя. По меньшей мере, один из теплообменных блоков может быть образован теплообменными пластинами, углы наклона гофр которых к направлению движения теплоносителей не равны углам наклона гофр теплообменных пластин в остальных теплообменных блоках.
Пакет перекрестноточного теплообменника работает следующим образом:
При эксплуатации одноходового пакета теплообменника первый теплоноситель направляется в теплообменные каналы и удаляется из него с противоположной входной стороне пакета. Второй теплоноситель, поступая в теплообменные каналы 5 покидает пакет пластин. При прохождении обоих теплоносителей через теплообменные каналы в поперечном направлении между ними осуществляется теплообменный процесс.
При многоходовой схеме компоновки каждый теплоноситель направляется в группу каналов, составляющую часть пакета пластин. При выходе из упомянутой группы каналов теплоносители изменяют направление движения на противоположное и направляются в следующую группу каналов, таким образом проходя последовательно весь пакет, после чего удаляются из него. При этом в пакете теплообменника может осуществляться как прямоточная, так и противоточная схема движения теплоносителей.
Для достижения максимальной тепловой эффективности теплообменной поверхности пакет теплообменника может формироваться комбинацией разных пластин, каждая из которых имеет неодинаковые углы наклона гофр в продольном и поперечном направлении, например, 20°×70° и 40°×0°.
Пакет перекрестноточного теплообменника может эксплуатироваться как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях и использоваться для охлаждения и нагрева жидкостей и газов, а также в процессах конденсации и испарения.
Полезная модель позволяет облегчить монтаж и демонтаж пакета, снизить его металлоемкость, повысить тепловую эффективность и коэффициент теплопередачи.