РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
RECUPERATIVE HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к теплообменным аппаратам, и может быть использовано в технике для подогрева/охлаждения жидких или газообразных сред.
Известен противоточный теплообменник (патент RU 2673305 С1, опубл. 23.11.2018), выбранный в качестве наиболее близкого аналога, состоящий из передней и задней стенок, внешнего корпуса, внутри которого расположены каналы второго теплоносителя, имеющие входные и выходные окна, вход и выход первого теплоносителя, подводящих и отводящих коллекторов с патрубками и теплообменной секции, состоящей из основного и двух концевых участков, при этом каналы двух теплоносителей на основном участке расположены в шахматном порядке, каналы одного из теплоносителей, расположенные вдоль оси теплообменника, имеют прямоугольное сечение на концевых участках и ромбовидное или восьмигранное на основном, а прямоугольные каналы второго теплоносителя на концевых участках выполнены под углом к оси теплообменной секции и сопряжены с расположенными вдоль той же оси каналами основного участка, а их сечение в зоне сопряжения выполнено изменяющимся от прямоугольного сечения концевого участка к ромбовидному сечению основного участка.
К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести относительно низку эффективность теплообмена, что также выражается в повышенных гидравлических сопротивлениях в каналах теплообмена.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении коэффициента теплоотдачи, а также уменьшение гидравлических потерь в теплообменнике.
Технический результат достигается рекуперативным теплообменником (8), состоящим из передней (12) и задней (13) стенок, внешнего корпуса (7), внутри которого расположены каналы (9) второго теплоносителя, имеющие входные (10) и выходные (11) окна, вход (18) и выход (19) первого теплоносителя, при этом между внешним корпусом (7) и по меньшей мере частью внешних поверхностей каналов (9) второго теплоносителя расположена теплоизолированная разделительная стенка (14) первого теплоносителя, выполненная с возможностью разделения входящего в теплообменник (8) потока и выходящего из теплообменника (8) потока первого теплоносителя с образованием продольного кольцевого канала (16) первого теплоносителя, также содержит перегородки (15), выполненные с образованием лабиринтных каналов (17) для прохождения первого теплоносителя, через эти перегородки (15) проходят каналы (9) второго теплоносителя, кроме того перегородки (15) расположены таким образом, что проходное сечение лабиринтных каналов (17) увеличивается в направлении от задней стенки (13) к передней стенке (12), входные окна (10) каналов (9) второго теплоносителя расположены в передней стенке (12), а выходные окна (11) каналов (9) второго теплоносителя расположены в задней стенке (13), при этом проходное сечение каждого канала (9) второго теплоносителя в направлении от входного окна (10) к выходному окну (11) уменьшается.
Вход (18) и выход (19) первого теплоносителя располагаются на одной стороне теплообменника (8).
По меньшей мере часть перегородок (15) установлена перпендикулярно оси каналов (9) второго теплоносителя.
По меньшей мере часть перегородок (15) установлена под углом, отличным от 90°, к оси каналов (9) второго теплоносителя.
По меньшей мере одна перегородка (15) установлена перпендикулярно к оси каналов (9) второго теплоносителя.
Проходное сечение каждого канала (9) второго теплоносителя в направлении от входного окна (10) к выходному окну (11) уменьшается.
По меньшей мере у одного канала (9) второго теплоносителя на по меньшей мере части внутренней поверхности выполнено по меньшей мере одно продольное ребро (20), кроме того на по меньшей мере части внешней поверхности по меньшей мере одного канала (9) второго теплоносителя выполнено по меньшей мере одно продольное ребро (21).
Также технический результат достигается способом работы рекуперативного теплообменника (8), согласно которому первый теплоноситель подают ко входу (18) первого теплоносителя и далее через продольный кольцевой канал (16) внутрь теплообменника (8), далее поток первого теплоносителя направляется в лабиринтные каналы (17), где происходит контакт первого теплоносителя с внешними поверхностями каналов (9) второго теплоносителя, при этом проходное сечение лабиринтных каналов (17) увеличивается в направлении движения потока первого теплоносителя, кроме того увеличивается и площадь контакта первого теплоносителя и внешних поверхностей каналов (9) второго теплоносителя, после чего через выход (19) первый теплоноситель подается к потребителю, второй теплоноситель через входные окна (10) каналов (9) второго теплоносителя подают в эти каналы (9) в направлении от передней стенки (12) к задней стенке (13), откуда через выходные окна (11) второй теплоноситель выводится из теплообменника (8).
В лабиринтных каналах (17) поток первого теплоносителя разворачивают на угол 90° или на угол, отличный от 90°.
На представленных фигурах показано:
Фиг. 1 - продольный разрез рекуперативного теплообменника в составе газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - вид А (продольный разрез рекуперативного теплообменника с перегородками, перпендикулярными осям каналов второго теплоносителя).
Фиг. 3 - вариант вида А (продольный разрез рекуперативного теплообменника с перегородками, под углом к осям каналов второго теплоносителя).
Фиг. 4 - вид И.
Фиг. 5 - разрез В-В.
Фиг. 6 - разрез Д-Д.
Фиг. 7 - разрез Г-Г.
На представленных фигурах обозначены следующие элементы.
1 - генератор;
2 - компрессор;
3 - турбина;
4 - камера сгорания;
5 - диффузор камеры сгорания;
6 - диффузор-смеситель газа выхлопа;
7 - корпус внешний;
8 - теплообменник рекуперативный;
9 - каналы второго теплоносителя;
10 - входные окна второго теплоносителя;
11 - выходные окна второго теплоносителя;
12 - стенка передняя теплообменника;
13 - стенка задняя теплообменника;
14 - стенка теплоизолированная разделительная воздуха;
15 - перегородки;
16 - канал кольцевой продольный первого теплоносителя;
17 - каналы лабиринтные;
18 - вход первого теплоносителя;
19 - выход первого теплоносителя;
20 - продольное ребро внутри канала (9);
21 - продольное ребро снаружи канала (9).
Стрелками показано направление движения теплоносителей в теплообменнике. Штриховкой на фиг.6-7 показаны проходные площади для первого теплоносителя в лабиринтных каналах (17).
1
2
3
4
Рекуперативный теплообменник (8) состоит из передней (12) и задней (13) стенок, внешнего корпуса (7), внутри которого расположены каналы (9) второго теплоносителя, имеющие входные (10) и выходные (11) окна, вход (18) и выход (19) первого теплоносителя. Между внешним корпусом (7) и по меньшей мере частью внешних поверхностей каналов (9) второго теплоносителя расположена теплоизолированная разделительная стенка (14) первого теплоносителя, выполненная с возможностью разделения входящего в теплообменник (8) потока и выходящего из теплообменника (8) потока первого теплоносителя с образованием продольного кольцевого канала (16) первого теплоносителя. Теплообменник (8)содержит перегородки (15), выполненные с образованием лабиринтных каналов (17) для прохождения первого теплоносителя, что позволяет повысить коэффициент теплоотдачи за счет эффективного теплообмена при реализации встречно-поперечного обтекания каналов второго теплоносителя (9)первым теплоносителем в лабиринтных каналах (17). Через перегородки (15) проходят каналы (9) второго теплоносителя. Кроме того, перегородки (15) расположены таким образом, что проходное сечение лабиринтных каналов (17) увеличивается в направлении от задней стенки (13) к передней стенке (12), что обеспечивает постоянство скорости потока - интенсивность теплообмена, уменьшает гидравлическое сопротивление при повышении температуры первого теплоносителя, что повышает коэффициент теплоотдачи. Таким образом, расстояния, указанные на фиг. 2 и фиг. 3 L>L>L>L, обеспечивают увеличение проходного сечения лабиринтных каналов (17) в направлении от задней стенке (13) к передней стенке (12). Входные окна (10) каналов (9) второго теплоносителя расположены в передней стенке (12), а выходные окна (11) каналов (9) второго теплоносителя расположены в задней стенке (13), при этом проходное сечение каждого канала (9) второго теплоносителя в направлении от входного окна (10) к выходному окну (11) уменьшается, что обеспечивает подержание нужной скорости движения второго теплоносителя для эффективной теплоотдачи вторым теплоносителем при снижении его температуры. Возможен вариант исполнения постоянного проходного сечения канала (9) второго теплоносителя в направлении от входного окна (10) к выходному окну (11). Вход (18) и выход (19) первого теплоносителя располагаются на одной стороне теплообменника (8). По меньшей мере часть перегородок (15) установлена перпендикулярно оси каналов (9) второго теплоносителя или по меньшей мере часть перегородок (15) установлена под углом, отличным от 90°, к оси каналов (9) второго теплоносителя, при этом по меньшей мере одна перегородка (15) установлена перпендикулярно к оси каналов (9) второго теплоносителя. Кроме того, по меньшей мере у одного канала (9) второго теплоносителя на по меньшей мере части внутренней поверхности выполнено по меньшей мере одно продольное ребро (20), кроме того на по меньшей мере части внешней поверхности по меньшей мере одного канала (9) второго теплоносителя выполнено по меньшей мере одно продольное ребро (21), что обеспечивает увеличение площади теплообмена первого и второго теплоносителя и повышение теплопередачи, а значит и коэффициента теплоотдачи.
Также канал (9) второго теплоносителя может иметь в сечении форму окружности или форму многоугольника. Кроме того, по длине форма канала (9) может изменяться.
Рекуперативный теплообменник (8) работает следующим образом.
Первый теплоноситель подают ко входу (18) первого теплоносителя и далее через продольный кольцевой канал (16) внутрь теплообменника (8). При этом поток первого теплоносителя направляется в лабиринтные каналы (17), где происходит контакт первого теплоносителя с внешними поверхностями каналов (9) второго теплоносителя, а также в этих канал (17) поток первого теплоносителя разворачивают на заданный перегородками (15) угол, который может составлять 90° или быть отличным от 90°, что также позволяет за счет более оптимального (рационального) обтекания внешних поверхностей каналов (9) повысить коэффициент теплоотдачи. При этом проходное сечение лабиринтных каналов (17) увеличивается в направлении движения потока первого теплоносителя, что позволяет сохранить скорость движения первого теплоносителя по мере его нагревания, то есть обеспечивается уменьшение гидравлических потерь и сохранить высокую эффективность теплообмена. Кроме того, увеличивается и площадь контакта первого теплоносителя и внешних поверхностей каналов (9) второго теплоносителя, а также за счет наличия по меньшей мере у одного канала (9) второго теплоносителя на по меньшей мере части внутренней поверхности по меньшей мере одного продольного ребра (20) и на по меньшей мере части внешней поверхности по меньшей мере одного канала (9) - по меньшей мере одного продольного ребра (21), что также позволяет повысить теплоотдачу за счет увеличения площадей контакта. После чего через выход (19) первый теплоноситель подается к потребителю. Второй теплоноситель через входные окна (10) каналов (9) второго теплоносителя подают в эти каналы (9) в направлении от передней стенки (12) к задней стенке (13), при этом по мере охлаждения второго теплоносителя уменьшают проходное сечение каналов (9), что позволяет сохранить скорость движения второго теплоносителя по мере его охлаждения, то есть обеспечивается уменьшение гидравлических потерь при сохранении высокой эффективности теплообмена. Далее через выходные окна (11) второй теплоноситель выводится из теплообменника (8).
Заявленный рекуперативный теплообменник (8) может работать, например, в составе газотурбинного двигателя. Внешний корпус (7) теплообменника (8) соединяют с корпусом газотурбинного двигателя (на фигурах не обозначен) либо внешний корпус (7) теплообменник может быть одним целым с корпусом газотурбинного двигателя. В таком случае в качестве первого теплоносителя выступает воздух, нагнетаемый компрессором (2) газотурбинного двигателя. При этом, воздух, проходя лабиринтные каналы (17) теплообменника (8), нагревается и подается через диффузор (5) в камеру сгорания (4) двигателя. После сжигания топливовоздушной смеси в камере сгорания (4) горячий газ передает энергию турбине (3), от которой приводятся генератор (1) и компрессор (2). Далее газ выхлопа через диффузор-смеситель (6) газа выхлопа подается через входное окно (10) в каналы (9) второго теплоносителя, где он по мере охлаждения (передачи тепла воздуху) направляется через уменьшающееся проходное сечение каналов (9) и выходит из теплообменника (8) через выходные окна (11) второго теплоносителя.
Таким образом, достигается повышение коэффициента теплоотдачи, а также уменьшение гидравлических потерь в теплообменнике.