ТЕПЛООБМЕННИК С ЖИДКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ)
HEAT EXCHANGER WITH LIQUID HEAT CARRIER (OPTIONS)

Изобретение относится к теплопередающим системам, в частности относится к теплообменнику с жидким теплоносителем, и может использоваться для охлаждения тепловыделяющего оборудования, в частности для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры вычислительной и телекоммуникационной техники или в качестве нагревающих радиаторов при построении модульных инженерных систем для обогрева помещений.
Известно теплопередающее устройство, используемое в модуле электронного блока для съема тепла, которое включает многослойную пластину с внешними металлическими слоями и внутренним эластичным слоем, в котором выполнены каналы в форме меандра и прямоугольного поперечного сечения для прохождения хладагента, подводимого и отводимого через патрубки, подсоединенные к меандровым каналам (авт. свид. СССР №1637051, опубликовано 23.03.1991 года, бюл. №11).
Недостатками известного теплопередающего устройства является низкая надежность конструкции, обусловленная неустойчивостью каналов, созданных в эластичном слое, и низкий коэффициент теплопередачи, определяемый относительно малой поверхностью теплообмена, сформированной поверхностью меандровых каналов на металлических наружных слоях пластины.
Известны также устройства для охлаждения электронных компонентов за счет принудительной циркуляции жидкого теплоносителя (RU 34844 U1, 2003; RU 89318 U1, 2009; 2273970), которые, в общей для них части, содержат герметичный корпус с основанием для установки электронных компонентов, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, снабженный впускным и выпускным отверстиями для теплоносителя, причем в корпусе выполнены каналы для движения теплоносителя, например, в форме одного или нескольких меандров.
Недостатком указанных известных устройств для охлаждения электронных компонентов является то, что эффективность теплообмена между различными участками поверхности основания для установки электронных компонентов и жидким теплоносителем определяется формой, размерами и расположением каналов для движения теплоносителя, в результате чего эти устройства не обеспечивают равномерности теплообмена по площади поверхности основания для установки электронных компонентов.
Аналогичные системы для съема тепла используются также в металлургии, в частности, в доменных печах для охлаждения шахт. В медном плитовом холодильнике, в корпусе которого путем сверления выполнены спаренные продольные каналы для циркуляции охлаждающей воды, при этом диаметр продольных каналов составляет 0,25-0,4 толщины корпуса холодильника, расстояние между осями продольных каналов каждой пары составляет 1,5-2,0 их диаметра, продольные каналы на торцах корпуса холодильника заглушены пробками, а полости каждой пары продольных каналов соединены между собой цилиндрическими, перпендикулярными к плоскости корпуса холодильника глуходонными каналами, служащими для ввода и закрепления в них патрубков для подвода и отвода охлаждающей воды, причем оси этих глуходонных каналов расположены от торцевых поверхностей корпуса холодильника на расстоянии, равном 0,8-1,3 толщины его корпуса, их диаметр равен 1,9-2,2 диаметра продольных каналов, а глубина глуходонных каналов равна сумме половин толщины корпуса холодильника и диаметра продольных каналов, причем корпус холодильника имеет форму трапеции, а его длина равна высоте заплечиков (патент RU №2204611, опубликовано 20.05.2003 г.).
Недостатком известной конструкции является сложность технологии изготовления, требующей большого объема операций сверления продольных и поперечных каналов. Кроме того, наличие пробок для «глушения» продольных каналов снижает надежность конструкции.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому в качестве изобретения теплообменнику с жидким теплоносителем, используемому для съема тепла с поверхности охлаждаемого объекта, является теплообменник, содержащий закрепленные теплообменные трубы, связанные с подводящим и отводящим патрубками и установленные в трубных стенках, закрытых крышками с отверстиями для соединения с подводящим и отводящим патрубками соответственно, при этом между каждой трубной стенкой и крышкой установлены дополнительные плоские матрицы со сквозными отверстиями, образующими внутренние каналы, связывающие, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также с отверстиями, совпадающими с отверстиями в крышках (полезная модель RU №118412, опубликовано 20.07.2012). По одному из вариантов исполнения каждая матрица с одной или с двух сторон закрыта герметичными прокладками, внутренняя из которых снабжена отверстиями, идентичными отверстиями трубной стенки, а наружная снабжена отверстиями, совпадающими с отверстиями крышки. При этом форма и размеры отверстий в матрице могут выбираться исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды, матрица выполнена из металла, сплава или неметаллического материала. С каждой из сторон теплообменника может быть послойно установлено более одной матрицы. Матрица и крышка могут быть неразъемно соединены друг с другом. Матрица и трубная стенка также могут быть неразъемно соединены друг с другом.
Недостатком известной конструкции является работа на охлаждение только трубного пучка, что обусловлено вспомогательным назначением и низкой теплопроводностью элементов, прилегающих к трубной стенке, в частности матрицы и прилегающих к ней герметичных прокладок. Кроме того, выполнение конструкции разборной, решающее проблемы очистки внутренней поверхности теплообменника, снижает надежность конструкции, определяемой эксплуатационной стойкостью используемых материалов. Даже возможность выполнения неразъемного соединения матрицы и крышки требует наличия герметичных прокладок, что в целом ослабляет конструкцию. При этом использование нескольких элементов, прилегающих к трубной стенке, усложняют конструкцию теплообменника.
Технической задачей усовершенствования конструкции является повышение эффективности теплообмена и повышение надежности конструкции теплообменника.
Техническим результатом усовершенствования конструкции теплообменника является повышение теплопроводности его трубных стенок и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменнике с жидким теплоносителем, включающем трубную систему, закрепленную в трубных стенках с каналами, соединяющими трубы трубной системы, крышки и подводящие и отводящие патрубки для жидкого теплоносителя, согласно изобретению каналы, соединяющие трубы трубной системы, выполнены непосредственно в плоскости каждой трубной стенки, выполненной из теплопроводящего материала, а трубы закреплены в крышках, которые установлены на внутренних относительно трубной системы сторонах трубных стенок, либо закреплены непосредственно в трубных стенках (при расположении крышек на внешних относительно трубной системы сторонах трубных стенок), при этом каналам в трубных стенках придана зигзагообразная форма с, например, V-образным или U-образным внутренним участком и С-образными краевыми участками, или спиралевидная или иная криволинейная форма. Поверхности каналов могут быть выполнены рельефными, например, с канавками, иглами, насечками, при этом продольные оси зигзагообразных или спиралевидных каналов в трубных стенках расположены параллельно и/или под углом друг к другу. Трубные стенки могут быть дополнительно жестко дистанционированы стержневыми элементами. Кроме того, хотя бы одно из отверстий каждой крышки или трубной стенки использовано для подвода или отвода теплоносителя.
В варианте выполнения теплообменника с жидким теплоносителем, включающем трубную систему, закрепленную в трубных стенках с каналами, соединяющими трубы трубной системы, крышки и подводящие и отводящие патрубки для жидкого теплоносителя, согласно изобретению трубные стенки размещены по боковым сторонам треугольной или многогранной призмы, каналы, соединяющие трубы трубной системы, выполнены непосредственно в плоскости каждой трубной стенки, выполненной из теплопроводящего материала, при этом каналам в трубных стенках придана зигзагообразная форма с, например, V-образным или U-образным внутренним участком и С-образными краевыми участками, или спиралевидная форма, трубы трубной системы выполнены прямолинейными или криволинейными, закреплены в крышках, которые установлены на внутренних относительно трубной системы сторонах трубных стенок, либо закреплены непосредственно в трубных стенках (при расположении крышек на внешних относительно трубной системы сторонах трубных стенок).
Выполнение каналов, соединяющих трубы трубной системы теплообменника непосредственно в трубных стенках, выполненных из теплопроводящего материала, и размещение крышек на трубных стенках позволяют включить трубные стенки в процесс теплообмена, снимая или отдавая тепло во внешнюю среду, а придание каналам зигзагообразной с внутренним, например V- или U-образным участком и С-образными концевыми участками или спиралевидной формы, или любой другой криволинейной формы, обеспечивают возможность максимально увеличить внутреннюю поверхность каналов, площадь поверхности которых превышает площадь наружной поверхности трубной стенки, в которой они выполнены, что значительно увеличивает эффективность теплообмена. Кроме того, указанная форма каналов и выполнение их внутренней поверхности рельефной способствует турбулизации потока теплоносителя, что также интенсифицирует теплообмен.
Размещение крышек на внутренних или наружных поверхностях трубных стенок обеспечивает упрощение конструкции теплообменника, увеличивает его жесткость за счет жесткого крепления труб в отверстиях крышек или трубных стенок, что, при наличии дистанционирующих стержневых элементов, повышает надежность конструкции.
Выполнение теплообменника по варианту с размещением трубных стенок по боковым сторонам треугольной или многогранной призмы позволяет увеличить эффективность теплообменника за счет включения в процесс теплообмена нескольких трубных стенок, размещенных по боковым сторонам призмы.
Сущность изобретения поясняется чертежами и схемами.
На фиг. 1 представлен общий вид теплообменника с вариантами исполнения: а) вариант с внутренними относительно трубной системы крышками, б) вариант с наружными относительно трубной системы крышками.
На фиг. 2 приведены виды сверху теплообменников с трубными стенками, расположенными по боковым сторонам призмы: в) и г) - варианты с расположением трубных стенок по боковым сторонам треугольной призмы, д) и е) - варианты с расположением трубных стенок по боковым сторонам четырехугольной призмы.
На фиг. 3 показан пример выполнения спиралевидных каналов.
На фиг 4 - каналы с рифленой игольчатой поверхностью.
Представленные на фиг. 1 изображениями а) и б) варианты выполнения теплообменника включают трубную систему с трубами 1, закрепленными в отверстиях 2 установленных с внутренних сторон крышек 3 и 4, (изображение а), либо закрепленных непосредственно в трубных стенках 5 и 6 (изображение б), выполненных из теплопроводящего материала. Крышки (вариант а) или трубные стенки (вариант б) могут быть жестко дистанционированы стержневыми элементами 7 (показаны условно). К двум отверстиям крышек (вариант а), либо трубных стенок (вариант б) подсоединены патрубки 8 для ввода и 9 для вывода теплоносителя. В плоскости трубных стенок выполнены зигзагообразные каналы 10 с U-образными внутренними участками 11 и концевыми С-образными участками 12, при этом продольные оси 13 зигзагообразных каналов могут быть расположены параллельно или под углом друг к другу. Зигзагообразные или спиралевидные каналы 10 могут быть выполнены фрезерованием, формованием или иным способом, в том числе (но не обязательно) с рельефной поверхностью в виде игл, насечек, канавок, выступов (на фиг. 4). Площадь поперечного сечения зигзагообразных или спиралевидных каналов может быть соотнесена (но не обязательно) с площадью поперечного сечения труб трубной системы.
Представленный вариант в) исполнения теплообменника (на фиг. 2) включает трубные стенки 14, при их расположении по боковым граням треугольной призмы и прямые трубы 15.
Вариант г) исполнения теплообменника (на фиг. 2) включает трубные стенки 16, при их расположении по боковым граням треугольной призмы и U- или V-образные трубы 17.
В теплообменнике, изображенном на варианте д) на фиг. 2, трубные стенки 18 расположены по боковым граням четырехугольной призмы и прямые трубы 19.
В теплообменнике, изображенном на варианте е) на фиг. 2, трубные стенки 20 расположены по боковым граням четырехугольной призмы и трубам 21 придана U- или Г-образная форма.
На фиг. 1 теплоноситель, вводимый через патрубок 8, подсоединенный к отверстию 2 в крышке 3 трубной стенки 5, (на изображении а), или к отверстию 2 в трубной стенке 5 (на изображении б), поступает последовательно в зигзагообразные каналы 10 и в трубы 1 трубной системы. Проходя через трубы 1 трубной системы и соединяющие их зигзагообразные (или спиралевидные) каналы 10, теплоноситель производит нагрев (или охлаждение) трубных стенок 3 и 4 теплообменника, и выводится через патрубок 9, подсоединенный к отверстию 2 на крышке 4 трубной стенки 6 (или непосредственно на трубной стенке 6 на изображении б). При этом трубные стенки и трубная система совместно участвуют в теплообмене с окружающей средой, нагревая или охлаждая воздух, проходящий через теплообменник при естественной конвекции или при принудительном вентилировании.
Таким образом, благодаря выполнению непосредственно в плоскости трубных стенок зигзагообразных каналов с внутренним V- или U-образным участком и краевыми С-образными участками или спиралевидными, закрытых с внутренней относительно трубной системы или с наружной стороны крышками, сами крышки и трубные стенки активно включаются в процесс теплообмена, при этом значительно увеличивается внутренняя поверхность теплообмена последних, и благодаря выполнению трубных стенок из теплопроводящего материала (например, меди или алюминия) повышается эффективность теплообменника. Установкой крышек с внутренней или наружной стороны трубных стенок обеспечивается упрощение конструкции теплообменника и повышается его надежность.
При этом, заявляемые в качестве изобретения варианты исполнения теплообменника обеспечивают возможность создания теплообменных систем с теплообменниками, содержащими различное количество труб и трубных стенок, с различным размещением крышек на трубных стенках, с различным расположением отверстий, определяемым различными схемами движения жидкости, с различной формой труб, трубных стенок и каналов трубных стенках. А использование различных интенсификаторов теплообмена (рельефные внутренние поверхности труб и каналов, турбулизаторы потока, внешнее оребрение и т.п.) позволяет дополнительно повысить эффективность теплообменника.
За счет наличия плоской внешней контактной поверхности большой площади создается возможность построения модульных систем с несколькими контурами охлаждения, в случае присоединения к внешней поверхности трубных стенок (для варианта а) или крышек (для варианта б) дополнительных охлаждающих устройств (внешних радиаторов, тепловых трубок, термоэлектрических элементов, внешних водоблоков и т.п.).
Выполняемый по другому варианту теплообменник с размещенными по боковым граням призмы трубными стенками дает возможность использовать его в качестве интенсивного нагревателя или охладителя, увеличивая число контактных поверхностей для съема/отдачи тепла.