ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HEAT EXCHANGE DEVICE

Изобретение относится к теплообменным аппаратам (ТА) и может быть использовано в энергетической промышленности, в частности в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).
Известен ТА типа «труба в трубе», содержащий корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред и каналами для теплоносителей, образованными кольцевыми зазорами между концентрично расположенными цилиндрическими оболочками, в которых размещены ребра, примыкающие к поверхности оболочек (RU 2088873 C1, F28D 7/10, 1997).
Основными недостатками данного ТА являются невысокая интенсивность теплообмена, так как поверхностями теплосъема являются только боковые стенки каналов, а при повышении производительности ТА с увеличением поверхности теплосъема растут его габариты и масса.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ТА типа «труба в трубе», содержащий внутреннюю и наружную цилиндрические оболочки, установленные коаксильно с кольцевым зазором и образующие полость для рабочего тела, подводящие и отводящие коллекторы с патрубками и дополнительные оболочки, установленные в ТА на пилонах, в которых выполнены каналы подвода и отвода рабочего тела (RU 2204773 С2, F28D 7/10, 2003, прототип).
Основными недостатками данного ТА являются невысокая интенсивность теплообмена, так как поверхностями теплосъема являются только боковые стенки каналов и теплообмен осуществляется в пристеночном слое теплоносителя, а его центральная часть в теплообмене не участвует.
При повышении производительности ТА путем увеличения поверхности теплосъема растут его габариты и масса. Это неприемлемо для ТА, используемых в конструкциях ЖРД, так как увеличиваются массогабаритные характеристики двигателя.
Задачей изобретения является повышение производительности ТА без увеличения его габаритов.
Поставленная задача достигается тем, что ТА, содержащий теплообменник (ТО) с корпусом и цилиндрической оболочкой, образующими каналы, входной и выходной коллекторы, имеет дополнительный ТО, расположенный последовательно с первым, содержащий корпус и цилиндрическую оболочку, образующие каналы, входной и выходной коллекторы, кроме того, внутри теплообменников расположен трубчатый теплообменник, содержащий входной и выходной коллекторы, расположенные между двумя первыми теплообменниками, кроме того, трубчатый теплообменник имеет обобщающие входной и выходной коллекторы, соединенные трубопроводами между собой и с входным и выходным коллекторами, кроме того, внутри трубчатого теплообменника установлен цилиндрический экран с обтекателем, а выходной обобщающий коллектор соединен с корпусом первого теплообменника пилонами, расположенными под углом α к оси теплообменного аппарата. Кроме этого трубчатый теплообменник снабжен бандажом, установленным между обобщающими коллекторами, а дополнительный теплообменник снабжен соплом.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан продольный разрез ТА. Основными элементами ТА являются:
1 - ТО;
2 - корпус;
3 - цилиндрическая оболочка;
4 - входной коллектор;
5 - выходной коллектор;
6 - дополнительный ТО;
7 - корпус дополнительного ТО;
8 - цилиндрическая оболочка дополнительного ТО;
9 - входной коллектор дополнительного ТО;
10 - выходной коллектор дополнительного ТО;
11 - трубчатый ТО;
12 - входной коллектор трубчатого ТО;
13 - выходной коллектор трубчатого ТО;
14 - входной обобщающий коллектор;
15 - выходной обобщающий коллектор;
16 - входной трубопровод;
17 - трубопровод;
18 - выходной трубопровод;
19 - бандаж;
20 - цилиндрический экран;
21 - обтекатель;
22 - пилон;
23 - сопло.
ТА состоит из ТО 1, который содержит корпус 2, цилиндрическую оболочку 3, входной 4 и выходной 5 коллекторы, и дополнительного ТО 6, который содержит корпус 7 и цилиндрическую оболочку 8, входной 9 и выходной 10 коллекторы. Внутри ТО 1 и 6 установлен трубчатый ТО 11, который имеет входной 12 и выходной 13 коллекторы, обобщающие входной 14 и выходной 15 коллекторы, входные трубопроводы 16, трубопроводы 17, выходные трубопроводы 18, бандаж 19. Внутри трубчатого ТО 11 установлен цилиндрический экран 20 с отсекателем 21. Выходной обобщающий коллектор 15 соединен с корпусом 2 ТО 1 пилонами 22, установленными под углом α к оси ТА. Дополнительный ТО 6 снабжен соплом 23.
ТА работает следующим образом.
Теплоноситель подается в кольцевую полость ТА, образованную ТО 1, 6 и цилиндрическим экраном 20 с обтекателем 21 и омывает оболочки 3, 8 и трубопроводы 16, 17, 18 трубчатого ТО 11, которые являются теплообменными элементами. Проходя пилоны 22, установленные под углом α к оси ТА теплоноситель завихряется, благодаря чему усиливается турбулизация потока, что обеспечивает увеличение теплообмена.
Проходя через сопло 23 теплоноситель создает дополнительную тягу, что особенно важно при использовании ТА в конструкциях ЖРД, так как повышает эффективность использования горючего и окислителя.
Рабочее тело разделяется на три потока.
Первый поток поступает во входной коллектор 4 ТО 1, далее в каналы, образованные корпусом 2 и цилиндрической оболочкой 3. Проходя по каналам, рабочее тело нагревается и через выходной коллектор 5 выходит из ТО 1.
Второй поток рабочего тела через входной коллектор 9 дополнительного ТО 6 поступает в каналы, образованные корпусом дополнительного ТО 7 и его цилиндрической оболочкой 8. Проходя по каналам, рабочее тело нагревается и через выходной коллектор дополнительного ТО 10 выходит из дополнительного ТО 6.
Третий поток рабочего тела через входной коллектор 12 трубчатого ТО 11 поступает во входные трубопроводы 16 и входной обобщающий коллектор 14. Далее по трубопроводам 17 рабочее тело поступает в выходной обобщающий коллектор 15 и выходные трубопроводы 18.
Проходя по трубопроводам 16, 17 и 18, рабочее тело нагревается и через выходной коллектор трубчатого ТО 13 выходит из трубчатого ТО 11. При этом бандаж 19 является гасителем возможных колебаний трубопроводов 17, возникающих при прохождении рабочего тела. Использование изобретения позволит интенсифицировать процесс теплообмена за счет более развитой поверхности теплообменных элементов, турбулизации потока теплоносителя и повысить производительность ТО без увеличения его габаритов. Установка дополнительного и трубчатого ТО расширяет функциональные возможности ТО, так как позволяет использовать три потока рабочего тела разной интенсивности нагрева в одном, двух или трех направлениях, например: в качестве рабочего тела может быть использован нейтральный газ для наддува баков горючего, окислителя и других внутренних нужд в ракетоносителе.