МАТРИЦА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании и совершенствовании теплообменных аппаратов и устройств энергетического, транспортного и промышленного назначения, основу которых составляют различные компоновочные варианты пластинчатой поверхности.
Пластинчатые теплообменники на основе компоновок профильной пластинчатой поверхности сетчато-поточного типа с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами (Андреев М.М., Берман С.С. и др. Теплообменная аппаратура энергетических установок.- М: Машгиз, 1963. - 240 с.[1], Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.[2]) отличаются повышенной теплоэнергетической эффективностью и технологичностью производства. Это обусловлено тем, что при взаимодействии потока с элементами рельефа сложной геометрической формы обеспечивается дополнительная турбулизация течения и интенсификация теплообмена в профилированных каналах.
Применение в теплообменных аппаратах пластинчатой поверхности со сфероидальными выштамповками с различными схемами расположения [2] наряду с “традиционной” компоновкой пластин в виде теплоотдающих элементов с контактирующими вершинами выступов и одинаковыми проходными сечениями каналов для смежных теплоносителей, может быть также связано с реализацией других “нестандартных” компоновочных вариантов, использование которых представляет практический интерес.
Как было показано, одним из таких вариантов является матрица с компоновкой в виде набора последовательно расположенных плоскопрофильных теплообменных элементов, состоящих из спаренных плоской и контактирующей с ней вершинами сфероидальных выступов профильной пластин, образующих плоско-профилированные каналы одинакового сечения для смежных теплоносителей.
Указанный компоновочный вариант плоско-профильных теплообменных элементов, выбранный в качестве прототипа (Анисин А.А. Заявка №2012101905/06 (002628) на полезную модель “Матрица пластинчатого теплообменника” - Решение о выдаче патента на полезную модель от 6.11.2012 г.[3]), в свою очередь может быть преобразован и представлен в виде новой комбинации теплообменных элементов в наборе матрицы, позволяющей более полно использовать известные механизмы интенсификации теплообмена на профильной и плоской гладкой теплоотдающих стенках и повысить теплоэнергетическую эффективность поверхности каналов матрицы и производственно-эксплуатационные показатели теплообменника.
Задачами предлагаемой полезной модели являются интенсификация теплоотдачи комбинированной плоско-профильной поверхности в условиях нового варианта компоновки пластин, обеспечивающего уменьшение объема матрицы, снижение металлоемкости и затрат на изготовление теплообменника.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника, представляющей собой компоновку комбинированной плоско-профильной поверхности в виде теплообменных элементов, состоящих из спаренных плоской гладкой пластины и профильной пластины с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами (с шахматной, коридорной или переходной между ними схемами расположения), отличающейся тем, что чередующиеся пары плоскопрофильных теплообменных элементов со взаимно контактирующими вершинами сфероидальных выступов, образующие профилированные каналы, по одной из их внешних профилированных сторон, и с размещенными с плотным развитым контактом однотипными профильными пластинами-турбулизаторами (в частности из материала с высокой теплопроводностью) между другими их внешними гладкими сторонами, образующими прямоугольные плоские каналы, реализуют дополнительную турбулизацию потоков теплоносителя и эффект “оребрения” пластины-вставки и обеспечивают интенсификацию теплоотдачи поверхности элементов, а, в целом, высокую теплоэнергетическую эффективность каналов компоновки.
При реализации полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты:
1. Снижение затрат на изготовление теплообменного аппарата при существенном сокращении объема штамповки профильных пластин.
2. Интенсификация теплоотдачи комбинированной поверхности путем дополнительной турбулизации потока на профильных и гладких стенках каналов и за счет механизма контактной теплопроводности, определяющего эффект оребрения пластины-вставки.
3. Увеличение компактности поверхности теплообмена и снижение металлоемкости матрицы теплообменника.
1
2
1
2
1
2
3
На фиг. 1 изображена схема “традиционной” компоновки пластин с контактирующими сфероидальными выступами (с шахматной схемой расположения) теплообменных профильных элементов [1], образующих профилированные каналы одинакового сечения (S=S) для смежных теплоносителей: “холодного” (1) и “горячего” (2); на фиг. 2 - схема компоновки плоско-профильных теплообменных элементов (принятой в качестве прототипа), последовательно расположенных в наборе матрицы и образующих плоско-профилированные каналы одинакового сечения (S=S) для смежных теплоносителей 1 и 2; на фиг. 3 - схема новой предлагаемой компоновки плоско-профильных теплообменных элементов, образующих профилированные каналы 1 по одной из их сторон, и плоские прямоугольные каналы 2 с дистанционирующими пластинами-турбулизаторами 4 по другим их сторонам. При этом проходные сечения для смежных теплоносителей, “горячего”, проходящего во внутренних каналах (3) плоско-профильных теплообменных элементов, и “холодного”, проходящего в профилированных (1) и плоских с турбулизаторами (2) каналах, образованных внешними сторонами теплообменных элементов, разные: (S+S)>S. На фиг. 4 изображена схема плоско-профильного теплообменного элемента с контактирующими плоской (а) и профильной (б) пластинами.
При работе пластинчатого теплообменника с предложенной матрицей (фиг. 3), теплота от “горячего” теплоносителя, проходящего во внутренних каналах (3) плоско-профильных теплообменных элементов, через плоские и профильные стенки передается “холодному” теплоносителю, проходящему в промежуточных профилированных (1) и плоских гладких, с турбулизирующей вставкой (2), каналах и омывающему внешнюю поверхность теплообменных элементов. Следует заметить, что контактирующие выступы профильных стенок каждой пары теплообменных элементов образуют, как и в обычной “традиционной” компоновке профильных пластин с различными схемами расположения двухсторонних сфероидальных выступов и впадин (фиг. 1), профилированные каналы с высокой теплоэнергетической эффективностью поверхности [1, 2]. При этом турбулизирующая пластина-вставка, являясь дистанционирующим элементом с достаточной жесткостью, обеспечивает геометрию прямоугольного гладкого канала, образованного смежными стенками теплообменных плоско-профильных элементов. Вместе с тем, оказывая дополнительное положительное турбулизирующее воздействие на поток теплоносителя как в области пристеночного слоя на гладкой поверхности, так и по сечению канала (что особенно наглядно проявляется в однофазных потоках с числом Прандтля Pr≈1), профильная вставка в условиях обеспеченной плотности контактирования с теплоотдающими стенками выполняет функциональную роль сплошного криволинейного ребра, активизируя теплообмен за счет механизма контактной теплопроводности, определяющего эффект “оребрения”. Поэтому тепловая эффективность поверхности гладких прямоугольных каналов 2 с турбулизирующей пластиной-вставкой 4 (фиг. 3), как показано в [2], заметно выше, чем эффективность поверхности плоско-профилированных каналов 1, образованных последовательно расположенными контактирующими плоской и профильной стенками в компоновке-прототипе с плоско-профильными элементами (фиг. 2) [3].
Таким образом, средний уровень теплоэнергетической эффективности комбинированной поверхности каналов матрицы, предлагаемой в качестве полезной модели (фиг. 3), будет в целом выше, чем эффективность поверхности плоско-профилированных каналов компоновки-прототипа [3] (фиг. 2). Функциональные преимущества предлагаемого компоновочного варианта матрицы могут быть также связаны с возможностью одновременного использования в профилированных каналах 1 и прямоугольных гладких 2 разных по физическим свойствам и рабочим параметрам теплоносителей.
Применение матрицы с предложенной компоновкой пластинчатой поверхности позволит снизить затраты на изготовление теплообменника. Наличие же каналов с плоскими стенками и возможность периодического извлечения пластин-вставок позволит производить более простую и полную очистку поверхности теплообмена при обслуживании теплообменного аппарата в процессе эксплуатации.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. Андреев М.М., Берман С.С. и др. Теплообменная аппаратура энергетических установок.- М: Машгиз, 1963. - 240 с.
2. Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.
3. Анисин А.А. Заявка №2012101905/06 (002628) на полезную модель “Матрица пластинчатого теплообменника” (Решение о выдаче патента на полезную модель от 6.11.2012 г.)