ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована для рекуперации теплоты дымовых газов трубчатых печей.
Известен пластинчатый теплообменник, содержащий попарно соединенные пластины с выполненными на них двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами, впускные и выпускные окна для подачи и удаления жидких рабочих сред (Патент РФ №26641 от 22.01.2002 по кл. F28D 9/00 опубл. 10.12.2002). Между каждыми двумя смежными пластинами установлена прокладка и выполнен гарантированный зазор между вершинами выступов.
Недостатком указанного теплообменника является недостаточная интенсивность теплообмена. Гладкий характер сфероидальной формы выступов и впадин не обеспечивает достаточную интенсивность срыва пограничного слоя, в связи с чем не обеспечивается достаточная турбулизация потока. Наличие зазора между вершинами выступов исключает механическое напряжение в точках контакта, однако попарное соединение пластин сохраняет возможность нагрузки по их периметру, что снижает надежность работы устройства.
В качестве прототипа принят пластинчатый теплообменник, содержащий корпус с отверстиями, фланцы, теплообменные пластины (профильные листы) с рабочим участком и прямолинейными участками для подвода и отвода теплоносителей, установленные в корпусе с формированием теплопередающих каналов (Патент РФ №2319095 от 11.09.2006 по кл. F28D 9/00 опубл. 10.03.2008). На фланцах установлены заглушки для разделения теплоносителей. Теплообменные пластины с помощью пайки соединены с плоскими проставочными листами с образованием между ними теплопередающих каналов. Теплопередающий канал на рабочем участке пластины представляет собой зигзагообразную последовательность коротких каналов, ориентированных друг к другу под углом 90°, с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника.
Недостатками указанного теплообменника являются невысокая интенсивность теплообмена и недостаточная надежность работы устройства. Одна из сторон теплопередающего канала является плоской (проставочный лист), в связи с чем поток теплоносителя турбулизируется недостаточно, что снижает интенсивность теплообмена. Выполнение теплообменных каналов в виде зигзагообразной последовательности коротких каналов обуславливает относительно небольшую площадь теплообмена. Кроме того, теплоноситель поступает на поверхность пластины непосредственно от фланца через щели, сформированные заглушками. Длина этих щелей будет определяться размером фланца, а не протяженностью теплообменной пластины, что приводит к наличию возвратных движений на рабочем участке теплообменной пластины и, как следствие, к повышенному гидравлическому сопротивлению. Спаенность вершин теплообменных пластин и плоскости проставочного листа способствует увеличению механических напряжений на местах контакта этих элементов, что может привести к деформации теплообменных элементов и свидетельствует о недостаточной надежности работы устройства.
Технический результат полезной модели заключается в повышении интенсивности теплообмена и надежности работы устройства.
Технический результат достигается пластинчатым теплообменником, содержащим корпус с отверстиями, фланцы, теплообменные пластины с рабочим участком и прямолинейными участками для подвода и отвода теплоносителей, установленные в корпусе с формированием теплопередающих каналов. Стенки корпуса снабжены распределительными камерами. Отверстия корпуса имеют щелевидную форму и расположены в чередующемся порядке относительно сопрягаемых сторон. Фланцы расположены на распределительных камерах. Рабочий участок теплообменной пластины выполнен из соединенных между собой отдельных ромбических тонкостенных панелей, наклоненных под углом 45 градусов к плоскости теплообменной пластины. Теплообменные пластины установлены в корпусе путем приваривания к его стенкам с образованием между пластинами сообщающихся полостей ромбододекаэдрической формы, формирующих теплопередающие каналы. Над каждым теплопередающим каналом для нагревающего теплоносителя может быть сформирована герметичная полость для промежуточного теплоносителя.
На фиг. 1 представлен общий вид пластинчатого теплообменника. На фиг. 2 - корпус с теплообменными пластинами. На фиг. 3 - теплообменная пластина. На фиг. 4 ромбические тонкостенные панели, образующие ромбододекаэдрическую полость. На фиг. 5 - вид условных трубок.
Пластинчатый теплообменник содержит корпус 1 с отверстиями 2, фланцы 3, 4, 5, 6 и теплообменные пластины 7 (фиг. 1, 2) с рабочим участком 8 и прямолинейными участками 9 для подвода и отвода теплоносителей. Рабочий участок 8 теплообменной пластины 7 выполнен из соединенных между собой отдельных ромбических тонкостенных панелей 10, наклоненных под углом 45 градусов по отношению к плоскости теплообменной пластины (фиг. 3). Теплообменные пластины 7 установлены в корпусе 1 путем приваривания к его стенкам с образованием между пластинами сообщающихся полостей 11 ромбододекаэдрической формы (фиг. 4), формирующих теплопередающие каналы. Стенки корпуса 1 снабжены распределительными камерами 12. Фланцы 3, 4, 5, 6 расположены на распределительных камерах 12. Отверстия 2 корпуса 1 имеют щелевидную форму и расположены в чередующемся порядке относительно сопрягаемых сторон. В пластинчатом теплообменнике над каждым теплопередающим каналом для нагревающего теплоносителя может быть сформирована герметичная полость для промежуточного теплоносителя.
Работа пластинчатого теплообменника осуществляется следующим образом.
Через фланцы 3, 4 в распределительные камеры 12 подают соответственно нагреваемый и нагревающий теплоносители, которые поступают на прямолинейные участки 9 для подвода и отвода теплоносителей теплообменных пластин 7. Такая организация системы подачи теплоносителей на рабочие участки 8 теплообменных пластин 7 позволяет избежать возвратных движений этих теплоносителей (делает его прямолинейным), благодаря чему уменьшается общее гидравлическое сопротивление пластинчатого теплообменника, что способствует повышению надежности его работы.
Так как рабочие участки 8 теплообменных пластин 7 выполнены из соединенных между собой (к примеру, с помощью сварки) отдельных, ромбических, тонкостенных панелей 10, толщина по всей площади рабочего участка 8 примерно одинакова (что не всегда можно достичь с помощью выштамповки из цельного металлического листа). Благодаря привариванию теплообменных пластин 7 к стенкам корпуса 1 по прямолинейным участкам 9 подвода и отвода теплоносителя большую часть механической нагрузки при эксплуатации удается перенести с рабочего участка 8 пластины на ее край и, частично, на корпус 1 теплообменника. Это позволяет повысить надежность работы пластинчатого теплообменника.
При использовании пульсационного режима средняя по периоду колебаний теплоотдача повышается. Известно, что максимумы распределения теплоотдачи по длине трубчатых каналов соответствуют сечениям с максимальными амплитудами колебаний средней массовой скорости.
Существенное влияние на теплоотдачу оказывают вторичные течения, интенсивность которых возрастает с увеличением амплитуды колебаний и с уменьшением числа Маха и плотности теплового потока на стенке и, как следствие, среднее за период число Нуссельта в 1,5-2 раза может превышать свое стационарное значение (Численное моделирование теплообмена пульсирующей плоской импактной струи [Текст] / А.И. Тыринов, Е.И. Летнянчин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий -2011. - 1/9 (49). В итоге при различных комбинациях углов (в диапазоне 30...90 градусов), амплитуд (в диапазоне 0…0.5) и частот (в диапазоне 10…50 Гц) наибольший прирост теплообмена может достигать 75%. Максимум достигается при угле наклона стенки в 45 градусов (что соответствует углу наклона ромбических тонкостенных панелей 10) (Интенсификация турбулентного теплообмена при взаимодействии туманообразной осесимметричной импактной струи с преградой [Текст] / М.А. Пахомов, В.И. Терехов // Прикладная механика и техническая физика - 2011. - Т. 52, №1).
Через щелевидные отверстия 2 теплоноситель попадает в пространство между двумя теплообменными пластинами 7, которое можно рассматривать как систему практически не связанных между собой трубок, по которым газовые потоки движутся без взаимодействия с соседними потоками. Форма условных трубок представлена на Фиг. 5. Таким образом, теплоноситель движется фактически по ряду труб переменного сечения (площади сечений в малом и большом сечениях различаются в 3 раза), что приводит к появлению пульсаций давления (10-100 Гц), благодаря которым число Нуссельта будет расти при относительно небольших скоростях движения теплоносителя, что позволяет повысить интенсивность теплообмена при использовании естественной тяги для теплоносителей.
Для обеспечения существования нестационарных микроотрывов потока (что является причиной повышения интенсивности теплообмена) при условии сохранения оптимальных значений гидравлического сопротивления теплоносителей в трубке переменного сечения необходимы следующие оптимальные значения геометрических параметров (Моделирование теплообменного энергетического оборудования [Текст] / В.К. Мигай. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - 264 с):
где h - перепад высот в верхней и нижней точке трубы;
S - шаг между двумя соседними верхними точками трубы.
В силу того, что ромбические тонкостенные панели 10 наклонены под углом 45 градусов к плоскости теплообменной пластины 7, значения перепада высот и их шаг определяют формулами:
где d - малая диагональ ромба,
то есть  что близко к оптимальному значению.
Используемая форма теплообменных пластин 7 позволяет за счет образования сообщающихся полостей 11 ромбододекаэдрической формы достичь предельно возможных значений площади поверхности теплообмена при сохранении оптимального значения гидравлического сопротивления, что дает возможность получить большой температурный градиент для нагреваемого теплоносителя, повысить интенсивность теплообмена.
При прохождении рабочих участков 8 теплообменных пластин 7 теплоносители выходят через щелевидные отверстия 2, распределительные камеры 12 и фланцы 5, 6 (соответственно для нагреваемого и нагревающего теплоносителей). При этом нагреваемый теплоноситель выходит нагретым, нагревающий теплоноситель - охлажденным.
Для выполнения пластинчатого теплообменника с промежуточным теплоносителем над каждым теплопередающим каналом для нагревающего теплоносителя может быть сформирована герметичная полость. В герметичную полость через специальную заглушку наполовину объема этой полости заливают промежуточный теплоноситель. Температура кипения и температура конденсации промежуточного теплоносителя должны попадать в рабочий диапазон температур теплообменника. При прохождении нагревающего теплоносителя в соответствующем теплопередающем канале промежуточный теплоноситель в герметичной полости над этим каналом начнет нагреваться. Испаряясь, промежуточный теплоноситель конденсируется у верхней теплообменной пластины 7. Над этой пластиной движется нагреваемый теплоноситель, которому благодаря конденсации передается тепло. В итоге повышается интенсивность теплообмена.
Пример выполнения пластинчатого теплообменника
2
Пластинчатый теплообменник с высотой корпуса 1,2 м содержит 56 теплообменных пластин 7 длиной 1,075 м и шириной 1,019 м, приваренных к стенкам корпуса 1. Рабочая поверхность 8 каждой теплообменной пластины 7 выполнена из отдельных ромбических тонкостенных панелей 10, изготовленных из стали толщиной 2 мм, сваренных по граням. Параметры ромбической тонкостенной панели 10: малая диагональ ромба равна 19 мм, вторая диагональ ромба - 26,9 мм, угол при вершине ромба равен 70°32'. Боковые грани наклонены под углом 45°. Ширина прямолинейного участка 9 для подвода и отвода теплоносителей составляет 10 мм. При указанных габаритах корпуса 1 и размерах теплообменных пластин 7 общая площадь теплообмена составляет примерно 100 м.
Щелевидные отверстия 2 корпуса 1 необходимы для подачи и разделения нагревающего и нагреваемого теплоносителей. Высота их составляет 10 мм. Высота распределительных камер 12 соответствует высоте корпуса 1, длина - 1,075 м, ширина - 1,2 м. Фланцы 3,4,5,6, расположенные на распределительных камерах 12, имеют диаметр 0,6 м и длину 0,3 м, что обеспечивает соответствие площади сечения фланца и суммарной площади щелевидных отверстий стороны корпуса 1. Благодаря этому осуществляется непрерывная подача теплоносителя от фланца к теплообменной пластине.
Через фланец 4 теплообменника подают раскаленные дымовые газы температурой 450°С через дымоход трубчатой печи. Через фланец 3 подают атмосферный воздух температурой 20°С. Дымовые газы, охлажденные до температуры 180°С, выходят через фланец 6. Через фланец 5 выходит атмосферный воздух, нагретый до температуры 220°С, что свидетельствует о высоком градиенте температур теплоносителя и соответственно о высокой интенсивности теплообмена.
Пластинчатый теплообменник, выполненный с промежуточным теплоносителем, содержит дополнительные 28 пластин для образования 28 герметичных полостей, в которые через заглушку заливают промежуточный теплоноситель, например дифенильную смесь Therminol VP-1 (точка кипения 257°С).
При осмотре теплообменника в процессе эксплуатации механических повреждений, значительных деформаций, трещин на сварочных швах теплообменных пластин 7 обнаружено не было, что свидетельствует о высокой надежности работы теплообменника.
Использование заявляемой конструкции пластинчатого теплообменника позволяет повысить интенсивность теплообмена и надежность работы.