ТЕПЛООБМЕННИК

Теплообменник
Изобретение относится к области теплообменников и может быть использовано в газотурбинных установках, котельных агрегатах и компрессорных установках.
Основным недостатком известных теплообменников является сложность конструкций и технологии их изготовления. Однако в аварийных ситуациях необходимо изготовить теплообменник за короткое время и из легко доступных материалов.
Известен теплообменник «труба в трубе (см.рис.1 на стр.5 в кн. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ, под ред. О.Г.Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.). Теплообменник состоит из корпуса, внутренней трубы и входных и выходных патрубков.
Недостатком указанного теплообменника является, то что он имеет низкий коэффициент теплопередачи, а вследствие этого значительные габариты.
Прототипом предлагаемого теплообменника является пластинчатый теплообменник (см.рис.З на стр.6 в кн. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ, под ред. О.Г.Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.), который содержит гофрированные пластины, стянутые нажимными плитами, в которых установлены подводящие и отводящие патрубки.
В данной теплообменнике за счет гофрированных поверхностей и малых гидравлических диаметров достигается его компактность. Однако данный теплообменник не эффективен, если одним из теплоносителей является газ, к тому же изготовление гофрированных пластин является сложной дорогостоящей технологией.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемого теплообменника, заключается в повышении уровня теплоотдачи со стороны газовой среды и упрощения технологии его изготовления. Это достигается тем, что пластины выполняются плоскими, с обоих их сторон плоского канала установлены струйные решетки, отверстия в которых выполнены несимметричными, то есть форма отверстия не имеет полной симметрии, например, в форме квадрата, треугольника или креста, к тому же отношение расстояния между стенкой плоского канала и струйной решеткой к гидравлическому диаметру отверстий в перегородке составляет 4-6, а отношение шага между отверстиями в струйной решетке к гидравлическому диаметру отверстий в перегородке составляет 4-5.
Жидкость через входной патрубок поступает в узкий щелевой канал между плоскими пластинами и вытекает из выходного патрубка. Газовая среда через входной патрубок поступает во внешние полости корпуса
МКИ7 F 23 D
теплообменника, проходит через отверстия струйной решетки, в результате чего образуются струи, который натекают на стенки плоского канала с обоих сторон и затем через выходной патрубок вытекает наружу. При выполнении отверстий с формой, не обладающей полной симметрией, струи формируемые ими, создают на торцевой стенке поле давления с большими радиальными и тангенциальными градиентами, что приводит к возникновениюдополнительныхтурбулентныхперетоков,
увеличивающих теплосъём. В результате значительно повышается коэффициент теплопередачи, чем и достигается требуемый эффект уменьшение габаритов теплообменника и простота конструкции. Аналогичные процессы и эффекты реализуются при выполнении отверстия в форме квадрата, треугольника, креста. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение расстояния между стенкой канала и струйной решеткой к гидравлическому диаметру отверстия в перегородке составляет 4-6. В случае, если указанное отношение меньше 4, снижается интенсивность турбулентности струи и возрастает скорость сносящего потока, который снижает интенсивность натекания струй. В случае, если отношение больше 6, неравномерность поля давления на торцевой стенке резко снижается. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение шага между отверстиями струйной решетки к гидравлическому диаметру отверстия в перегородке составляет 4-5. В случае, если указанное отношение меньше 4, это приведет к тому, что взаимодействие струйных течений до удара в поверхность теплообмена приведет к возникновение результирующего течения со слабо развитой турбулентностью. В случае, если обсуждаемое отношение больше 5, то в зоне соударения смежных пристенных струй снижаются скорости сталкивающихся течений, что приводит к снижение локальной теплоотдаче в этой зоне, а следовательно и средней интенсивности теплоотдачи по всей поверхности теплообмена; кроме того уменьшается число отверстий в струйной решетке, а следовательно при том же расходе увеличивается скорости истечения струй, что приведет к значительному росту гидравлического сопротивления аппарата. При вхождении обоих отношений в указанные диапазоны описанные негативные явления исчезают, а интенсивность теплоотдачи возрастает.
На фиг.1 изображен эскиз предлагаемого теплообменника, корпус которого 1 имеет два патрубка 2 для подвода и отвода жидкости и два патрубка 3 для подвода и отвода газовой среды; в полости корпуса установлены две пластины 4, которые образуют канал 5, вверху и внизу канала находятся перепускные патрубки 6 , с обоих сторон от пластин в полостях 7 и 8 установлены две струйные решетки 9 с отверстиями 10 гидравлическим диаметром d, которые имеют форму круга, или имеют форму не обладающую полной симметрией, или имеют форму квадрата,
или имеют форму треугольника, или имеют форму креста, или имеют форму овала. Перегородка установлена от торцевой стенки корпуса на расстоянии z, отношение которого к гидравлическому диаметру d составляет 4-6. Отверстия в струйной решетке расположены с шагом s, отношение которого к гидравлическому диаметру d составляет 4-5.
Устройство работает следующим образом. Жидкость через входной патрубок 2 поступает в канал 5 образованный двумя плоскими пластинами 4 и вытекает из выходного патрубка 2. Газовая среда через входной патрубок 3 поступает в полость корпуса теплообменника 7 половина газа проходит через перепускной канал 6 в полость 8, проходит через отверстия 10 обоих струйных решеток 9, в результате чего образуются струи, который натекают на стенки плоского канала с обоих сторон, при этом достигается высокий уровень теплоотдачи от стенок к струям газа и затем через выходной патрубок 3 газ вытекает наружу. При выполнении отверстий с формой, не обладающей полной симметрией, струи формируемые ими, создают на поверхностях пластин поле давления с большими радиальными и тангенциальными градиентами по сравнению с осесимметричными струями, что приводит к возникновению дополнительных турбулентных перетоков, увеличивающих теплосъём. В результате усиливается уровень теплоотдачи с газовой стороны, что приводит к значительному увеличению коэффициента теплопередачи и, следовательно, снижения поверхности теплообмена. Аналогичные процессы и эффекты реализуются при выполнении отверстия в форме квадрата, треугольника, креста, овала. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение расстояния между стенкой канала и струйной решеткой к гидравлическому диаметру отверстия в перегородке составляет 4-6. В случае, если указанное отношение меньше 4, снижается интенсивность турбулентности струи и возрастает скорость сносящего потока, который снижает интенсивность натекания струй. В случае, если отношение больше 6, неравномерность поля давления на торцевой стенке резко снижается. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение шага между отверстиями струйной решетки к гидравлическому диаметру отверстия в перегородке составляет 4-5. В случае, если указанное отношение меньше 4, это приведет к тому, что число отверстий будет слишком большим и следовательно скорость истечения струй значительно снизиться. В случае, если отношение больше 6, Расстояние между соседними струями будет слишком большим, в результате чего области на стенке канала с максимальными значениями локальных коэффициентов теплоотдачи будут редко расположены и в итоге это приведет к снижению средней теплоотдачи, к тому же повысятся скорости истечения струй, что приведет к значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата. При вхождении обоих отношений в указанные диапазоны
описанные негативные явления исчезают, а интенсивность теплоотдачи возрастает.
Результаты расчетов пластинчатого и предлагаемого теплообменников приведены в табл.1. Расчет теплопередачи в пластинчатом теплообменнике произведен по формулам (см. формулы (8-15) на стр.217 и (8-11) на стр.216 в кн. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. М.: Энергия, 1975, - 488 с.). Из представленных данных видно, что процесс в предлагаемом теплообменнике имеет коэффициент теплопередачи в 2 раза выше по сравнению с пластинчатым при работе в одинаковых условиях, что приводит к снижению поверхности теплообмена. К тому же теплообменник изготавливается из стального листового проката, что значительно снижает стоимость материалов и изготовления (примерно в 4 раза).
Факты подтверждающие увеличение теплоотдачи при использовании несимметричных отверстий, полученные в результате экспериментальных исследований, представлены на фиг.2. Экспериментальный теплообменник опробован со струйными решетками, которые имели следующие геометрические параметры: гидравлический диаметр равнялся 5 мм, расстояние от струйной решетки до пластины изменялось от 5 до 50 мм, а шаг между отверстиями в струйной решетке - от 15 до 35 мм. Среднерасходная скорость газа варьировалась в диапазоне 10-50 м/с. Кривая А соответствует отверстиям в струйной решетке имеющим форму треугольника, Б - отверстиям в форме квадрата, В - отверстиям в форме круга. Из сопоставления кривой В с кривыми Б и А видно, что при использовании перегородки с квадратной и треугольной формой отверстия уровень теплоотдачи возрастает, этот прирост достигает соответственно 25% и 45%. Аналогичный эффект достигается и при применении отверстий в форме креста (см.рис.5 и рис.6, на стр.333 в статье Жилкин Б.П., Гулаков А.А., Бродов Ю.М., Тюльпа В.В. Интенсификация теплоотдачи в импактных струях путем изменения формы поперечного сечения сопла в труда IV Минского международного форума по тепломассообмену: В 10-и т. Т.1. Конвективный тепломассообмен.- Минск.: АНК «ИТМО им. А.В. Лыкова АНБ, 2000.- с.329-336).
Из описанного следует, что предложенный теплообменник обладает высоким коэффициентом теплопередачи, к тому же выполнение формы отверстий указанных выше форм с определенном выше шагом и установка перегородки на заданном расстоянии можно дополнительно увеличить коэффициент теплопередачи, при этом теплообменник имеет простую, технологичную конструкцию и тем самым достигается технический результат предлагаемого теплообменника.
Табл.1