Противоточный теплообменник
COUNTER FLOW HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к конструкции теплообменников, предназначенных для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, и может быть применено в авиационной и ракетной технике.
В авиационной и ракетной технике важным условием является компактность теплообменника. Для обеспечения компактности и минимальной массы на единицу передаваемой мощности необходимо обеспечить максимальную площадь теплопередающей поверхности на единицу объема теплообменника. В большинстве конструкций (патент RU №2179692, патент RU №2099663 и др.) это достигается многослойным расположением каналов теплоносителей. При этом теплопередача происходит между этими слоями и каждый канал одного теплоносителя по двум своим граням (стенкам) контактирует с каналами другого теплоносителя, а по двум (по ребрам) - с каналами того же самого теплоносителя.
Известен теплообменник (патент RU №2535187) с шахматным расположением каналов квадратного поперечного сечения, принятый в качестве прототипа, в котором стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению каналов, что повышает эффективность теплообмена.
В этом случае площадь проходного сечения обоих теплоносителей оказывается одинаковой. Однако плотность, расход, допустимый перепад теплоносителей, а, следовательно, и необходимая по расчету проходная площадь сечения может отличаться, что ограничивает область эффективного применения прототипа. Кроме того, предлагаемое в прототипе преобразование расположения каналов горячего и холодного теплоносителей относительно друг друга в шахматный порядок с помощью вспомогательной разделяющей перегородки приводит к тому, что площадь проходного сечения обоих теплоносителей в месте преобразования уменьшается более чем в два раза по сравнению с сечением участка интенсивного теплообмена. На участках разведения каналов их сечение плавно изменяется более чем в 3 раза, а суммарная длина и гидравлическое сопротивление параллельных каналов одного теплоносителя на этих участках не остается постоянной.
Изобретение направлено на уменьшение гидравлического сопротивления, расширения пределов применимости данной конструктивной схемы по соотношению площадей проходных сечений и увеличение теплопередачи между теплоносителями.
Этот технический результат достигается за счет того, что в теплообменной секции, состоящей из основного участка интенсивного теплообмена и двух концевых участков разведения каналов, каналы одного из теплоносителей 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.
Уменьшение гидравлического сопротивления достигается за счет сохранения на всей длине проходной площади каналов (ее изменение не превышает 20%). Для этого преобразование расположения каналов из рядного расположения в шахматное осуществляется за счет плавного изменения сечения канала без использования вспомогательной разделяющей перегородки. В простейшем случае переход от квадратного сечения к ромбовидному соответствует повороту сечения на 45 градусов. Практически переходная поверхность строится программами трехмерного проектирования по заданному начальному и конечному сечению. При этом не происходит закручивания жидкости и связанных с этим потерь давления.
Необходимое соотношение площади сечения каналов разных теплоносителей обеспечивается на основном участке восьмиугольной формой канала большего сечения. Восьмиугольник в общем случае не равносторонний. У него четыре грани имеют туже ширину, что и у каналов другого теплоносителя, а ширина четырех дополнительных граней определяется необходимым соотношением проходных площадей. В случае равенства площадей эта ширина становится нулевой, а восьмиугольник вырождается в ромб. На концевых участках необходимое соотношение проходных площадей сечений каналов обеспечивается соответствующим соотношением толщин слоев.
При необходимости дальнейшего уменьшения площади сечения меньшего из каналов, а также для увеличения теплопередачи между теплоносителями за счет увеличения теплоотдающей поверхности на гранях ромба могут быть выполнены продольные ребра. Если ребра имеют треугольное сечение, то сечение канала приобретает крестообразную форму.
Повышению эффективности теплообмена также способствует равная суммарная длина параллельных каналов каждого из теплоносителей, а, следовательно, одинаковые гидравлические сопротивления и расходы этих каналов.
Необходимыми условиями применимости предлагаемого изобретения являются:
1. Температура теплоносителей должна находиться в пределах допустимого диапазона для материала теплообменника.
2. Расчетная длина каналов теплоносителей должна как минимум в 2 раза превышать ширину теплообменной секции. В противном случае, не останется длины для основного участка, т.к. длина каналов на начальном и конечном участке в среднем составляет от коллектора до поворота около 0,8 от ширины секции плюс длина перехода от прямоугольного сечения к ромбовидному. Как правило, уменьшить ширину при заданной длине можно увеличив высоту теплообменной секции, либо разбив ее на несколько параллельно соединенных секций.
Условиями, при которых использование предлагаемого изобретения наиболее эффективно являются:
1. Требуемая разность температур между теплоносителями на входе и выходе мала по сравнению с изменением температуры каждым из них. В этом случае противоточной схеме нет альтернативы.
2. Расчетное сечение каналов первого и второго теплоносителей отличается не более чем на порядок. В противном случае контакт по всем четырем граням ромбовидного канала не столь эффективен.
3. Располагаемый перепад давления на каналах обоих теплоносителей мал по сравнению с изменением температуры каждого из них. В противном случае целесообразны конструктивные меры по турбулизации потока, не предусмотренные в данной конструкции.
Изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлено трехмерное изображение теплообменника с разрезом, на фиг. 2 сечение основного участка теплообменника с ромбовидным сечением каналов одного из теплоносителей и продольными ребрами в каналах второго теплоносителя, на фиг. 3 сечение основного участка теплообменника с восьмиугольным сечением каналов одного из теплоносителей, а на фиг. 4 сечение основного участка теплообменника с восьмиугольным сечением каналов одного из теплоносителей и продольными ребрами в каналах второго теплоносителя.
Теплообменник состоит из подводящих 1 и отводящих коллекторов 2 с патрубками и теплообменной секции 3. Теплообменная секция состоит из основного 4 и двух концевых участков 5. На основном участке каналы двух теплоносителей расположены в шахматном порядке. Каналы одного из теплоносителей, расположенные вдоль оси теплообменника, имеют прямоугольное сечение на концевых участках 6 и ромбовидное или восьмигранное на основном 7. Прямоугольные каналы второго теплоносителя 8 на концевых участках выполнены под углом к оси теплообменной секции и сопряжены с расположенными вдоль той же оси каналами основного участка 9. Сечение каналов второго теплоносителя в зоне сопряжения 10 выполнено изменяющимся от прямоугольного сечения концевого участка к ромбовидному сечению основного участка. Сопряжение каналов обоих теплоносителей осуществляется за счет переходной поверхности без существенного изменения проходного сечения.
В частности, в каналах второго теплоносителя на основном участке выполнены продольные ребра 11 на каждой грани.
Первый теплоноситель подается через патрубок 12 в коллектор 1, проходит по каналам 6 и 7 теплообменной секции 3, собирается в коллектор 2 и отводится в патрубок 13. Второй теплоноситель подается через патрубок 14 в коллектор 1, проходит по каналам 9 и 8 теплообменной секции 3, собирается в коллектор 2 и отводится в патрубок 15. Теплообмен осуществляется на основном участке 4 между каналами 7 и 9, а на концевых участках 5 между каналами 6 и 8 через разделительную стенку.
Пережатие проходного сечения каналов у прототипа в районе с вспомогательной разделяющей перегородки в два раза приводит к увеличению скоростного напора, пропорционально которому определяются местные гидравлические потери, в четыре раза. Устранение этого пережатия и изменения площади проходного сечения на концевых участках может привести к общему уменьшению гидравлического сопротивления до двух раз по сравнению с прототипом.
Отличия в суммарной длине каналов у прототипа может привести к изменению в них расхода ~5%. Причем рядом с каналами меньшего расхода одного теплоносителя находятся каналы с большим расходом другого теплоносителя. Выравнивание длины каналов в предлагаемой конструкции приводит к выравниванию расходов и подогревов, что приводит к улучшению теплообмена.
Продольное оребрение обеспечивает уменьшение длины до 50%. При этом масса уменьшается до 40%, а гидравлическое сопротивление может даже возрасти.