ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
HEAT EXCHANGE ELEMENT

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в теплообменных аппаратах.
Известен пакет пластин теплообменного аппарата, состоящий из пластин сетчато-поточного типа с прерывистыми турбулизаторами в виде односторонних полых полусферических выступов одинаковой высоты. Выступы образуют между пластинами сетку взаимных опор со структурой равностороннего треугольника. Пластины собраны выступами в одну сторону и стянуты с упором выступов в плоские участки сопряженных пластин. Пластины образуют каналы высотой от 1 до 2 высот выступов (Барановский Н.Д. и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники, М., Машиностроение, 1973, стр. 78-81, 94, 147)
Известен пакет пластин теплообменного аппарата из одинаковых пластин сетчато-поточного типа с прерывистыми турбулизаторами в виде полых двусторонних выступов, образующих между пластинами сетку взаимных опор, стянутых в пакет по выступам вершина в вершину по патенту RU №2337295.
Все существующие пластинчатые теплообменные аппараты предполагают использование либо газа, либо жидкости в качестве теплового агента. Известны трубчатые аппараты водовоздушного охлаждения, где теплообмен интенсифицирован процессом постоянного испарения либо конденсации.
Известен теплообменник, содержащий установленные вертикально плоские решетки и размещенные между ними пары гофрированных пластин с конусными выступами, расположенными в шахматном порядке, обеспечивающими турбулизацию потока продукта и жесткость конструкции по АС SU №1084584, выбранный за прототип. Этот способ турбулизации потока показал свою высокую эффективность и был взят за основу при разработке конструкции пластинчатого теплообменного элемента.
Техническая задача, которую решает изобретение, - создание универсального автономного пластинчатого теплообменного элемента для системы водовоздушного охлаждения, с которым можно использовать в качестве хладагента как газы, так и жидкости, и газожидкостные смеси, в том числе водовоздушное охлаждение. Водовоздушное охлаждение при своей доступности и дешевизне может быть весьма эффективным при правильной организации технологического режима охлаждения. Поставленная задача решается тем, что в теплообменных элементах внутреннее пространство организовано так, что пары штампованных профильных пластин, образующих каналы для прохода потока снабжены на обращенных поверхностях конусными или сферическими выступами, и структурировано роликовой сваркой для удлинения пути прохождения продукта по внутреннему пространству, для чего выполняют чередующиеся продольные сварные швы, организующие многоходовое движение потока и образующие извилистый канал.
На фигуре 1 представлен общий вид теплообменного элемента, на фигуре 2 - профили в разрезе по линиям А-А, Б-Б и В-В.
Теплообменный элемент по изобретению состоит из двух отштампованных из листового металла пластин, условно на рисунке определяемых как верхняя 1 и нижняя 2, имеющих штуцера ввода и вывода потока 3, расположенные параллельно либо перпендикулярно направлению движения потока. Пластины попарно сварены по периметру и частично вдоль потока роликовой сваркой 4, число поперечных сварных швов образует число ходов продукта от 1 до 12. На фигуре 1 число ходов равно четырем. Внутренний трехмерный рельеф канала для продукта образован отштампованными усеченными конусами или полусферами, приваренными точечной сваркой вершинами ко второй пластине 5. Пластины совмещают между собой таким образом, чтобы выступы 6 одной пластины попадали между выступами второй пластины и сваривают между собой точечной сваркой в местах примыкания вершин конусов либо полусфер одной пластины к плоской поверхности второй пластины. Аналогично сваривают выступы второй пластины с плоской поверхностью первой пластины. Таким образом, между парой теплообменных пластин, сваренных между собой, образуется извилистый канал для потока, где в зависимости от скорости и вязкости жидкости обеспечивается спиралевидное движение, что приводит к снижению термического сопротивления пограничного слоя. Сочетание шахматного расположения выступов с размещением вершин в противоположные стороны обеспечивает движение жидкости по двум взаимодействующим плоскостям от стенки к стенке и по шахматному ряду, т.е. создает эффект винтового движения потока вдоль канала. Обеспечивая сильно развитое турбулентное движение по всему объему. Эти факторы позволяют постоянно многократно обновлять поверхность теплообмена, значительно увеличивая коэффициент теплоотдачи внутри канала.
Известно, что в пластинчатых аппаратах гидравлическое сопротивление достигает значительных величин. Для снижения гидравлического сопротивления и увеличения прочности конструкции штамповку усеченных конусов либо полусфер производят с закруглениями радиусом R, которыми поверхность конических либо полусферических выступов сопрягается с плоскостью пластины, радиус R может быть в пределах 1÷4 мм. Закругления при штамповке усеченных конусов или полусфер приводит к снижению гидравлического сопротивления и снимает местные напряжения металла.
1
Диаметр выступов у основания, D - в диапазоне 10÷25 мм, диаметр выступов в месте соприкосновения с противоположной пластиной d<D. Выступы выполняют две функции - турбулизации потока и придания жесткости и прочности конструкции за счет множественной точечной сварки. Отношение шага в поперечном направлении l к диаметру основания выступа D находится в диапазоне от 1 до 1,5.
2
1
2
1
Соотношение шагов выступов l и l в продольном по отношению к потоку и поперечном направлении l:l=1,75÷3, а отношение размеров канала L:H и/или А:Н находится в диапазоне 1:1,5. Многоходовое движение по каналу, образованному сварными швами 4, исключает образование застойных или не охваченных потоком зон.
Этот канал имеет входное и выходное отверстия для потока, снабженные штуцерами 3, которые могут располагаться как горизонтально, так и вертикально, параллельно либо перпендикулярно движению потока. (фиг. 1)
Теплообменный элемент предназначен для работы как в одиночку, так и в пакете, состоящем из группы теплообменных элементов.
Теплообменные элементы по изобретению укладываются в емкость пакетами без стяжки, на расстоянии, обеспечивающем проход хладагента по внешней стороне теплообменной пластины. По внешней стороне пластин возможно охлаждение как газовое, жидкостное, так и организованным водовоздушным потоком с элементами разбрызгивания и постоянного испарения воды, что интенсифицирует теплообмен.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении интенсивности теплообмена в 2-5 раз по сравнению с аналогами и прототипом.
Дополнительными преимуществами теплообменного элемента по изобретению является возможность индивидуального отключения или замены одного из элементов без демонтажа всего пакета, что упрощает и удешевляет профилактику и ремонт теплообменников, содержащих теплообменные элементы по изобретению.