Матрица пластинчатого теплообменника

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании и модернизации теплообменных аппаратов и устройств энергетического, транспортного и промышленного назначения, основу которых составляют различные компоновочные варианты интенсифицированной пластинчатой поверхности повышенной турбулентности сетчато-поточного типа с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами [Берман С.С. Поверхность теплообмена // Авторское свидетельство СССР №122567 // БИ. - 1959. - №18].
Известные конструкции пластинчатых теплообменников с матрицей на основе «традиционной» компоновки из плоских прямых профильных теплообменных элементов ([Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок - М.: Машгиз, 1963. - 240 с.], с. 28, фиг. 6а, с. 60, фиг. 28) с указанной поверхностью отличаются высокими показателями теплоэнергетической эффективности [Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок. - М.: Машгиз, 1963. - 240 с.], [Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.]. Каждый из теплообменных элементов состоит из двух одинаковых профильных пластин с взаимно контактирующими сфероидальными выступами, образующих при этом внутренние каналы для одного из теплоносителей. При взаимном контакте внешних профильных поверхностей теплообменных элементов образуются промежуточные профилированные каналы для другого теплоносителя.
Новым конструктивным вариантом компоновки профильных пластин с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами является матрица пластинчатого теплообменника цилиндрической формы с набором соосных теплообменных элементов из одинаковых плоских кольцевых профильных пластин, образующих при взаимном контакте внутренние и внешние профилированные каналы, обеспечивающие круговую и радиальную схемы перемещения смежных теплоносителей [Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ №2744394].
При этом ощутимым недостатком в теплообменных аппаратах с представленным вариантом матрицы являются ограниченные возможности реализации заданной величины соотношения проходных сечений каналов с одинаковой геометрией рельефа пластин для разных по физическим свойствам и рабочим параметрам смежных теплоносителей.
Результаты экспериментальных исследований опытной пластинчатой поверхности теплообмена и анализ различных известных конструктивных вариантов ее компоновки [Берман С.С. Поверхность теплообмена // Авторское свидетельство СССР №122567, Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок - М.: Машгиз, 1963. - 240 с., Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с., Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ №2744394, Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника /Патент на полезную модель РФ №139382] дают основания для возможного использования в компоновке матрицы цилиндрической формы с набором кольцевых теплообменных элементов [Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ №2744394], принятой в качестве прототипа, промежуточных, размещенных между их внешними сторонами, соосных дистанционирующих круговых кольцевых спаренных пластин-турбулизаторов с взаимно контактирующими сфероидальными выступами. Это позволит существенно увеличить соотношение проходных сечений каналов для смежных внешнего и внутреннего теплоносителей, расчетная величина которого может быть обеспечена при соответствующем изменении глубины штамповки сфероидальных выступов и впадин промежуточных пластин-турбулизаторов.
Задачами предложенной полезной модели являются интенсификация теплоотдачи пластинчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами в условиях нового варианта компоновки кольцевых профильных пластин и повышение энергетических, массогабаритных и компоновочных характеристик теплообменников.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника цилиндрической формы, представляющей собой набор соосных кольцевых теплообменных элементов, образованных круговыми кольцевыми профильными пластинами с взаимно контактирующими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с квадратной схемой осей разбивки, формирующих изолированные профилированные каналы между своими внешними сторонами для внешнего теплоносителя и внутренними сторонами для внутреннего теплоносителя, отличающейся тем, что она дополнительно содержит между внешними сторонами теплообменных элементов размещенные соосно с ними дистанционирующие круговые кольцевые спаренные пластины-турбулизаторы с взаимно контактирующими между собой и со смежными теплоотдающими профильными поверхностями теплообменных элементов сфероидальными выступами с одинаковой схемой их осей разбивки для каждой из пластин.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности путем дополнительной турбулизации потоков смежных теплоносителей в кольцевых профилированных каналах цилиндрической матрицы, а также за счет «эффекта оребрения» дистанционирующих пластин-турбулизаторов, обусловленного механизмом контактной теплопроводности.
2. Снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности.
ш
к
ш
На фиг. 1 представлена схема внешнего вида и геометрия круговой кольцевой профильной модельной пластины с квадратной схемой расположения осей разбивки двухсторонних сфероидальных выступов и впадин (D - наружный диаметр пластины, d - внутренний диаметр пластины, ϕ - угол, определяющий шахматную схему расположения осей разбивки сфероидальных выступов и впадин, ϕ - угол, определяющий коридорную схему расположения осей разбивки сфероидальных выступов и впадин, t - шаг шахматного расположения осей сфероидальных выступов и впадин,  - шаг коридорного расположения осей сфероидальных выступов и впадин); на фиг. 2 - схема сечения теплообменного элемента, образованного круговыми кольцевыми профильными пластинами с взаимно контактирующими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами (сечение А-А на фиг. 1) и его геометрия (D - наружный диаметр элемента, d - внутренний диаметр элемента, h - глубина штамповки сфероидальных выступов и впадин, δ - толщина пластины); на фиг. 3 - схема внешнего вида матрицы пластинчатого теплообменника, представляющей собой набор соосных кольцевых теплообменных элементов и размещенных между их внешними сторонами дистанционирующих круговых кольцевых спаренных пластин-турбулизаторов, формирующих изолированные профилированные каналы, соединенные с наружными коллекторами 1 и 2 для внутреннего теплоносителя и с осевым коллектором 3 для внешнего теплоносителя; на фиг. 4 - схема сечения внутренних 4 и внешних 5 профилированных каналов фрагмента матрицы с кольцевыми спаренными пластинами-турбулизаторами 6 с взаимно контактирующими между собой и со смежными теплоотдающими профильными поверхностями кольцевых теплообменных элементов сфероидальными выступами с одинаковой схемой их осей разбивки для каждой из пластин (сечение Б-Б на фиг. 3).
При работе пластинчатого теплообменника с предложенным вариантом матрицы (фиг. 3, 4) теплота от греющего теплоносителя, проходящего в окружном направлении внутри профилированных каналов 4 кольцевых теплообменных элементов, через стенки передается омывающему их нагреваемому теплоносителю и одновременно за счет контактной теплопроводности каждой из пары промежуточной профильной пластине-турбулизатору 6, реализующей «эффект оребрения» при обтекании ее потоком нагреваемого теплоносителя, поступающего из центрального раздающего коллектора 3 и проходящего в радиальном направлении от центра к переферии матрицы в пространстве каналов 5 между кольцевыми теплообменными элементами и промежуточными пластинами-турбулизаторами.
Использование в компоновке цилиндрической матрицы промежуточных спаренных пластин-турбулизаторов с различной заданной глубиной штамповки сфероидальных выступов позволит при соответствующем изменении соотношения проходных сечений каналов для смежных теплоносителей варьировать их массовыми расходами, обеспечивая расчетные параметры внешнего и внутреннего теплоносителей.
При этом достаточно высокий уровень тепловой эффективности поверхности профилированных каналов матрицы определяется дополнительной турбулизацией потока теплоносителей сфероидальными выступами и впадинами контактирующих пластин и влиянием механизма контактной теплопроводности по стороне внешнего теплоносителя с увеличенной поверхностью теплообмена, которое может быть усилено при большей площади и плотности взаимного контактирования сфероидальных выступов теплопередающих пластин с выступами пластин-турбулизаторов со сферическими углублениями на их вершинах.