МАТРИЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Предлагаемая полезная модель относится к теплообменной технике, в частности, к теплообменникам матричного типа с перфорированными пластинами и может применяться в во всех типах низкотемпературных и криогенных систем, в которых используются теплообменные аппараты рекуперативного типа, а также в других областях техники для теплообмена потоков.
Наиболее перспективным является применение предлагаемого матричного теплообменника в системах, в которых применяются многокомпонентные рабочие тела (смеси).
Матричные теплообменники характеризуются развитой теплообменной поверхностью и низким гидравлическим сопротивлением.
Известно, что матричные теплообменники можно разделить на два типа: сетчатые и пластинчатые.
В пластинчатых матричных теплообменниках теплообменной поверхностью является металлическая перфорированная пластина, материал которой также характеризуется высокой теплопроводностью.
При применении многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературных системах в каналах рекуперативного теплообменника происходят процесс конденсации (в канале, в котором рабочее тело охлаждается) и процесс кипения (в канале, в котором рабочее тело нагревается).
При этих процессах средняя плотность потоков (паро-жидкостных потоков) сильно изменяется с изменением температуры, чем ниже температура, тем выше плотность потоков рабочего тела. В ряде случаев, плотность рабочего тела может меняться в несколько раз. При постоянном поперечном сечении каналов теплообменника средняя скорость рабочего
тепла существенно изменяется, что отражается на эффективности теплообмена.
При понижении скорости потока также возможно расслоение потока, что может привести к резкому падению эффективности применения многокомпонентного рабочего тела.
Сказанное выше, является общим недостатком традиционных матричных теплообменников, выполненных из перфорированных пластин.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является матричный теплообменник, содержащий пакет перфорированных пластин, проставки, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов для теплообменивающихся сред, и верхний и нижний коллекторы (патент RU №2028572,по кл. F 28 F 3/00, 1995 г.)
Основным недостатком этого теплообменника является неизменность поперечного сечения каналов, по которым движутся теплообменивающиеся потоки рабочих тел.
Так как в этом случае при изменении свойств рабочих тел с понижением или повышением температуры эффективность теплообмена может существенно уменьшится, а гидравлическое сопротивление может возрасти, что резко снижает эффективность теплообменного аппарата.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции матричного теплообменника, обеспечивающего высокую эффективность процесса теплообмена во всем диапазоне изменения в нем температур рабочих тел при изменении их свойств.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием матричного теплообменника, содержащего пакет перфорированных пластин, проставки, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов для теплообменивающихся рабочих сред, и верхний и нижний коллекторы, который, согласно полезной модели, снабжен внутренними коллекторами, расположенными между пакетами
теплообменника, выполненного составным, по крайней мере, из двух пакетов, пластины каждого из которых имеют разные размеры, и установленных соосно относительно одной оси, при этом пакеты с теплообменивающимися рабочих средами более высоких температур расположены над пакетами с теплообменивающимися рабочих средами менее высоких температур, а внутренние коллекторы, количество которых на один меньше количества пакетов, состоят из собирающей пластины, расположенной между двумя разделяющих пластин, каналы для теплообменивающихся рабочих сред которых имеют размер и их количество соответствующее размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.
Полезная модель характеризуется также тем, что каждый пакет составного теплообменника имеет отличные от другого пакета и/или количество каналов с теплообменивающимися рабочих средами, и/или перфорацией и/или их конфигурацией.
Изменение этих параметров позволяет сделать теплообмен в каждой секции теплообменника эффективным, учитывая особенности изменения термодинамических и теплофизических свойства теплообменивающихся рабочих тел, а также особенности режимов течения рабочих тел в данной секции.
Предлагаемый матричный теплообменник компактен и позволяет сохранить высокую эффективность теплообменника по длине каналов при незначительном гидравлическом сопротивлении при течении рабочего тела, а также предотвратить расслоение рабочее тело на паровую и жидкостные фазы.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных матричных теплообменниках, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления предлагаемого изобретения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где
На фиг.1 показан общий вид матричного теплообменника с тремя ступнями;
На фиг.2 показана конструкция внутренних коллекторов матричного теплообменника;
На фиг.3 - приведена топология пластин и проставок матричного теплообменника
На фиг 4 - приведена топология пластин и проставок с различными количество каналов с теплообменивающимися средами, перфорацией и их конфигурацией матричного теплообменника;
На фиг 5 показан внешний коллектор матричного теплообменника
Матричный теплообменник выполнен составным и содержит, по крайней мере, три пакета 1, 2, 3 перфорированных пластин 4, проставки 5, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов 6 для теплообменивающихся сред, расположенный между пакетами внутренние коллектор, верхний и нижний коллекторы.
В предлагаемом матричном теплообменнике размеры пластин пакетов по длине канала можно менять ступенчато, в случае применения многокомпонентных рабочих тел предлагается ограничиться тремя пакетами (ступенями).
Это соответствует трем режимам течения рабочего тела: газовая область, паро-жидкостная область, жидкостная область. Однако, в общем случае число ступеней может не быть любым.
Каждый пакет теплообменника собирают методом диффузионной сварки в вакууме или диффузионной сварки с использование прокладки из специального класса легкоплавких многокомпонентных оксидных систем (МОС) в воздушной атмосфере.
Состав прокладок запатентован и заявитель на их новизну не претендует (см. патент RU №2149087, по кл В 23 К 20/16, 1999 г.)
Пакеты 1, 2, 3 установлены соосно относительно одной оси, например вертикальной. При этом пакет 1 с теплообменивающимися средами более высоких температур расположен над пакетом 2 с теплообменивающимися средами менее высоких температур и над пакетом 3 с самым низкими температурами.
Каждый внутренний коллектор, количество которых на один меньше количества пакетов, состоит из собирающей пластины 7, расположенной между двумя разделяющими пластинами 8, 9 с каналами 10.
Каналы для теплообменивающихся сред 10 имеют размер и количество соответствующие размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.
В предлагаемом матричном теплообменнике в зависимости от технологических требований, каждый пакет имеет отличные от другого пакета и/или количество каналов с теплообменивающимися рабочая средами, и/или перфорацией и/или их конфигурацией.
Верхний и нижний коллекторы имеют одинаковые конструкции и состоят из двух деталей - крышки коллектора 11 и разделительной пластины 12.
В крышке 11 верхнего коллектора пакета 1 размещены входной 13 и выходной 14 патрубки, через которые рабочая среда входит и выходит из теплообменника.
Разделительная пластина 12 обеспечивает разделение потоков, обменивающихся теплом, и сбор их в патрубке 14 крышки коллектора.
Работу предлагаемого матричного теплообменника осуществляют следующим образом:
Поток теплообменивающейся среды (рабочего тела) высокого давления и имеющий высокую температуру поступает через патрубок 13 в верхний коллектор, где распределяется по каналам высокого давления.
Поток проходит через каналы 4 перфорированной пластины 6, омывает ее и отдает ей некоторое количество тепла, которое по пластине передается потоку низкого давления, который проходит через эту же пластину.
Поток низкого давления нагревается и его температура повышается. Таким образом, осуществляется теплообмен между потоками высокого и низкого давления.
Поток высокого давления пройдя через первый пакет 1 теплообменника попадает во внутренний коллектор, а затем во второй пакет 2 теплообменника, а затем и в третий пакет 3. На выходе из третьего пакета охлажденный поток высокого давления собирается в нижнем коллекторе и выходит из теплообменника
Поток низкого давления, имеющий низкую температуру, поступает через входной патрубок 13 в нижний коллектор, где распределяется по каналам 6 низкого давления.
Поток низкого давления движется по своим каналам навстречу потоку высокого давления и его температура повышается. Таким образом, в теплообменнике организовано противоточное движение рабочих тел.
Поток низкого давления, последовательно пройдя через второй и первый пакет теплообменника, через выходной патрубок 14 верхнего коллектора выходит из теплообменника. На выходе из теплообменника температура потока низкого давления максимальна, но несколько ниже температуры потока высокого давления на входе в теплообменник.
Был сделан и испытан опытный образец матричного теплообменника, состоящий из трех пакетов
Общее поперечное сечение каждого пакета имело форму прямоугольника.
Поперечные размеры первого пакета составляли 100×50 мм., второго - 80×40 мм и третьего 64×32 мм.
Каналы 6 (перфорация) пластин 4 в каждом пакете были выполнена в виде отверстий диаметром 0,8 мм. Пластины 4 с перфорацией, проставки 5 и все
коллектора (верхний, внутренний и нижний коллекторы) и были выполнены из алюминия АД-1.
Число перфорированных пластин 4 в каждом пакете было равно 50. Толщина пластин 4 с перфорацией и проставок 5 составляла 1 мм.
Сборка теплообменника осуществлялась диффузионной сваркой с использование прокладки из специального класса легкоплавких многокомпонентных оксидных систем (МОС) в воздушной атмосфере.
В каждом пакете имелось два канала для потока теплообменивающимися средами высокого давления и три канала для потока с теплообменивающимися средами низкого давления.
Поперечное сечение каждого из каналов имело прямоугольную форму. Каналы низкого давления чередовались с каналами высокого давления. Сечение одного канала низкого давления примерно в два раза больше сечения канала высокого давления.
Испытания предлагаемого теплообменника осуществляли в составе дроссельной рекуперативной системы, работающей на многокомпонентном рабочем теле.
Результаты испытаний показали устойчивую работу матричного теплообменника, повышение коэффициента теплопередачи в среднем в 1,2-1,5 раза, что заметно улучшило теплообмен между потоками, при сохранении низкого гидравлического сопротивления теплообменника (менее 0,03 МПа).