ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам, в частности, к пластинчатым теплообменникам, выполненным в виде пакета из пластинчатых элементов, образующих плоские каналы для теплоносителей, контактирующих между собой через разделяющие их стенки, и может быть использована для теплообмена между приточными и вытяжными газовоздушными средами в системах вентиляции и кондиционирования воздуха в производственных и жилых помещениях.
Важными условиями функционирования теплообменных аппаратов в системах вентиляции и кондиционирования, которые должны учитываться при их разработке и последующей эксплуатации, является обеспечение оптимальной эффективности теплообменного процесса (тепловая мощность, давление, температура, расход теплоносителя и энергопотребление) для заданных условий эксплуатации в сочетании с небольшими габаритными размерами, невысокой стоимостью применяемых материалов, удобством и надежностью в эксплуатации, в т.ч. при проведении обслуживания и ремонта. Данным условиям в значительной мере соответствуют пластинчатые теплообменники, позволяющие обеспечить необходимую эффективность теплообменных процессов при сравнительной простоте конструкции, удобстве и надежности в эксплуатации.
Известен пластинчатый теплообменник (Патент RU №2272979, F28F 3/08, дата публикации 27.03.2006 г.), выполненный в виде пакета, состоящего из пластинчатых элементов, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два круглых отверстия с отбортовками. Смежные поверхности пластинчатых элементов образуют чередующиеся плоские каналы для газовоздушного теплоносителя. Отбортовки круглых отверстий выполнены конической формы с выходным цилиндрическим участком и постоянной толщиной стенок. Выходные цилиндрические участки отбортовок каждого вышерасположенного пластинчатого элемента размещены в отверстиях конической формы соответствующего указанного элемента с образованием цилиндрических каналов для жидкого теплоносителя. На поверхности каждого пластинчатого элемента выполнены сферические выступы. Жидкий теплоноситель поступает в цилиндрические каналы и обменивается теплом с газовоздушным теплоносителем, нагнетаемым вентилятором через плоские каналы, после чего отводится из цилиндрических каналов за пределы теплообменника. Вентилятор расположен вне пластинчатого теплообменника. Теплообменник применяется, преимущественно, в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания.
Недостатками известного пластинчатого теплообменника являются:
сравнительно невысокая энергетическая эффективность теплообмена, обусловленная небольшой площадью теплообмена и перекрестным направлением движения теплоносителей;
- снижение энергетической эффективности теплообмена при эксплуатации в результате потерь давления в потоках теплоносителей, связанное с отдаленностью средств для их передачи от теплообменника, что вызывает необходимость существенного увеличения его массогабаритных характеристик при повышении тепловой мощности;
- сравнительно большое энергопотребление, обусловленное этой же причиной и вызывающее увеличение затрат при эксплуатации;
- повышенный уровень шума при эксплуатации, обусловленный этой же причиной, а также наличием в плоских каналах препятствий для движения газовоздушного теплоносителя, создаваемых стенками цилиндрических каналов и сферическими выступами;
сравнительно большая материалоемкость и сложность конструкции, обусловленная выполнением пластинчатых элементов со сложной формой отбортовок и сферическими выступами, что существенно увеличивает стоимость его изготовления.
Известен пластинчатый теплообменник (Патент RU №2172909, F28D 9/02, дата публикации 27.08.2001 г.), выполненный в виде пакета, состоящего из пластинчатых элементов, соединенных друг с другом с образованием между их смежными поверхностями чередующихся плоских каналов для теплоносителей с закрытыми и открытыми частями на боковых стенках пакета. Закрытые части каналов выполнены посредством уплотнительных прокладок, размещенных вдоль кромок двух противоположных сторон каждого пластинчатого элемента. Открытые части плоских каналов выполнены с возможностью соединения с воздуховодами для подвода и отвода газовоздушных теплоносителей, которые нагнетаются посредством вентиляторов, расположенных вне пластинчатого теплообменника. Пластинчатые элементы выполнены в форме выпуклого четырехугольника, имеющего в плане конфигурацию, при которой прямые линии, проведенные через середины его противолежащих сторон, не перпендикулярны друг другу, в частности, в форме ромба. При этом величина большего угла между прямыми линиями, проведенными через середины противолежащих сторон четырехугольника, составляет 115° или 130°. Пластины могут выполняться как из листового материала, например, из оцинкованной стали, так и полимерного материала, например, из поликарбонатных панелей с сотовой структурой. Пластинчатый
теплообменник используется, преимущественно, для теплообмена между приточным и вытяжным воздухом в системах вентиляции и кондиционирования.
Эффективность теплообмена указанного пластинчатого теплообменника несколько повышается за счет выполнения пластин в форме ромба, при которой направление движения теплоносителей приближается к схеме противотока.
Недостатками известного пластинчатого теплообменника являются:
- снижение энергетической эффективности теплообмена при эксплуатации в результате потерь давления в потоках теплоносителей, связанное с отдаленностью средств для их передачи от теплообменника, что вызывает необходимость существенного увеличения его массогабаритных характеристик при повышении тепловой мощности;
- сравнительно большое энергопотребление, обусловленное этой же причиной и вызывающее увеличение затрат при эксплуатации;
- повышенный уровень шума при эксплуатации, обусловленный этой же причиной, и вызывающий необходимость применения дополнительных средств для шумоизоляции или шумопоглощения;
сравнительно невысокий уровень технологичности при изготовлении, обусловленный ромбовидной формой плоских пластин;
- сравнительно высокие удельные массогабаритные параметры, что увеличивает стоимость изготовления пластинчатого теплообменника.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого пластинчатого теплообменника, в котором за счет иного конструктивного исполнения пластинчатых элементов и иного их соединения между собой обеспечиваются существенное увеличение энергетической эффективности теплообмена, снижение энергопотребления и уровня шума при эксплуатации в сочетании с простотой конструкции, невысокой стоимостью изготовления, удобством и надежностью, в т.ч. при проведении обслуживания и ремонта.
Поставленная задача решается тем, что в пластинчатом теплообменнике, выполненном в виде пакета, состоящего из пластинчатых элементов, соединенных друг с другом с образованием между их смежными поверхностями чередующихся плоских каналов для теплоносителей с закрытыми и открытыми частями на боковых стенках пакета, при этом открытые части плоских каналов расположены на разных боковых стенках пакета с возможностью отвода теплоносителей без их смешивания между собой, согласно полезной модели в каждом пластинчатом элементе выполнено, по меньшей мере, по два круглых отверстия, образующих цилиндрические каналы для подвода теплоносителей, по периметру упомянутых отверстий в плоских каналах размещены кольцевые уплотнительные прокладки, при этом закрытые части плоских каналов
выполнены, по меньшей мере, на двух смежных сторонах каждого пластинчатого элемента, кольцевые уплотнительные прокладки размещены в плоских каналах поочередно с возможностью соединения по ходу теплоносителей цилиндрических каналов с соответствующими плоскими каналами, а цилиндрические каналы выполнены с возможностью размещения в них средств для нагнетания теплоносителей.
Для повышения энергетической эффективности теплообмена за счет приближения направления движения встречных потоков теплоносителей к схеме противотока при одновременном увеличении площади теплообмена пластинчатые элементы выполнены в форме четырехугольника, а круглые отверстия расположены симметрично относительно центра вдоль одной из его диагоналей со смещением к углам.
Для повышения технологичности при изготовлении закрытые части плоских каналов выполнены посредством уплотнительных прокладок и/или посредством отогнутых кромок пластинчатых элементов.
Для обеспечения жесткости каналов пакет выполнен с распорками, установленными между смежными поверхностями пластинчатых элементов с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к поверхностям пластинчатых элементов, при этом распорки выполнены в виде кольцевых и/или цилиндрических прокладок, высота которых соответствует высоте плоских каналов.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления при одновременном обеспечении необходимых прочностных качеств пластинчатые элементы с размещенными между ними уплотнительными прокладками, кольцевыми уплотнительными прокладками и распорками соединены в пакет посредством шпилек, установленных в отверстиях пластинчатых элементов, при этом по периметру упомянутых отверстий размещены кольцевые прокладки, высота которых соответствует высоте плоских каналов.
Для повышения эффективности теплообмена, обеспечения экологической безопасности и снижения массы пластинчатого теплообменника пластинчатые элементы и уплотнительные прокладки выполнены из материала, химически не взаимодействующего с применяемыми теплоносителями.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет реализовать в теплообменнике высокую эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации при снижении энергопотребления и уровня шума за счет обеспечения возможности расположения средств для передачи теплоносителей в цилиндрических каналах внутри пакета. Указанный результат достигаются в сочетании с небольшими габаритными размерами и
массой пластинчатого теплообменника, простотой его конструкции и невысокой стоимостью, а также надежностью, удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации.
Сущность полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа, где на фиг.1 представлен общий вид пластинчатого теплообменника; на фиг.2 - схема расположения пластинчатых элементов в пакете; на фиг.3 - схема теплообменника с уплотнительными прокладками; на фиг.4 - схема теплообменника с отгибом кромок пластинчатых элементов; на фиг.5 - вид спереди пластинчатого теплообменника, соединенного в пакет посредством верхней и нижней жестких плит.
Пластинчатый теплообменник выполнен (фиг.1, 2) в виде пакета 1, состоящего из пластинчатых элементов 2 в форме четырехугольника и размещенных вдоль кромок двух смежных сторон каждого из них уплотнительных прокладок 3. Пластинчатые элементы 2 с уплотнительными прокладками 3 соединены между собой с образованием между смежными поверхностями пластинчатых элементов 2 чередующихся плоских каналов 4 и 5. Закрытые и открытые части каналов 4 и 5 расположены на противоположных парах смежных боковых стенок пакета 1, образованных торцами пластинчатых элементов 2, при этом закрытые части каналов 4 и 5 выполнены посредством уплотнительных прокладок 3 (фиг.3).
В каждом пластинчатом элементе 2 выполнено по два круглых отверстия 6 (фиг.1, 2), образующих цилиндрические каналы 7 и 8 для подвода теплоносителей. Круглые отверстия 6 расположены симметрично относительно центра пластинчатого элемента 2 вдоль одной из его диагоналей со смещением к близлежащим углам. По периметру круглых отверстий 6, размещенных вблизи открытых частей плоских каналов 4 и 5, размещены кольцевые уплотнительные прокладки 9. Такое размещение кольцевых уплотнительных прокладок 9 обеспечивает соединение по ходу теплоносителей цилиндрических каналов 7 и 8 с соответствующими чередующимися плоскими каналами 4 и 5. Цилиндрические каналы 7 и 8 выполнены с возможностью размещения в них средств для нагнетания теплоносителей, например, роторов центробежных вентиляторов (не показаны).
В каждом пластинчатом элементе 2 выполнен ряд круглых отверстий 10, по периметру которых размещены кольцевые прокладки (не показаны), высота которых соответствует высоте плоских каналов 4 и 5. В круглых отверстиях 10 и кольцевых прокладках размещены шпильки 11 (фиг.1) для соединения пластинчатого теплообменника в пакет 1, а также для его соединения с несущими элементами и/или распределительными коллекторами посредством крепежных элементов (не показаны).
Между смежными поверхностями пластинчатых элементов 2 с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к их поверхностям размещены распорки 12 (фиг.5), выполненные в виде кольцевых и/или цилиндрических прокладок. Высота распорок 12 соответствует высоте плоских каналов 4 или 5.
Закрытые части плоских каналов 4 и 5 могут быть образованы посредством отогнутых кромок 13, выполненных, по меньшей мере, на двух смежных сторонах каждого пластинчатого элемента 2 и последующей их вальцовки при сборке пакета 1 (фиг.4), а также их комбинацией с уплотнительными прокладками 3 (не показано).
Пластинчатые элементы 2 с размещенными между ними уплотнительными прокладками 3, кольцевыми уплотнительными прокладками 9 и распорками 12 могут быть соединены в пакет 1 посредством верхней 14 и нижней 15 жестких плит (фиг.5) с отверстиями (не обозначены), расположенными по их углам, и шпилек 16, установленных в упомянутых отверстиях.
Пластинчатые элементы 2 выполнены из плоского листового металла, химически не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия. Все уплотнительные прокладки выполнены из материала, химически не взаимодействующего с применяемыми теплоносителями, например, каучука с пропитанными поверхностями.
Пластинчатый теплообменник работает следующим образом.
Теплообменник посредством шпилек 11 или 16 монтируют в системе вентиляции или кондиционирования воздуха с расположением открытых и закрытых частей плоских каналов 4 и 5 на противоположных парах смежных боковых стенок пакета 1. Внутри цилиндрических каналов 7 и 8 соосно размещают роторы центробежных вентиляторов, связанные по ходу воздуха с приточным и вытяжным воздуховодами (не показаны).
Под действием роторов центробежных вентиляторов приточный А и вытяжной Б воздух из цилиндрических каналов 7 и 8 с большой скоростью поступает в чередующиеся плоские каналы 4 и 5. Теплообмен между потоками происходит через пластинчатые элементы 2, разделяющие плоские каналы 4 и 5, при этом площадь теплообмена максимально увеличивается за счет смещения каждого из цилиндрических каналов 7 и 8 к закрытым частям соответствующих плоских каналов 4 или 5. Расположение открытых и закрытых частей плоских каналов 4 и 5 на противоположных парах смежных боковых стенок пакета 1 обеспечивает движение потоков воздуха, преимущественно, по схеме противотока при одновременной интенсивной турбулентности потоков, создаваемой вращением роторов центробежных вентиляторов, и в совокупности обеспечивает повышенный температурный напор между теплоносителями. Кольцевые прокладки 9 и распорки 12 обеспечивают постоянную высоту плоских каналов 4 и 5 и практически не
создают дополнительного сопротивления движению потоков воздуха. Под напором поступающих потоков поступающего приточного А и вытяжного Б воздуха обработанные в процессе теплообмена потоки выводятся из теплообменника через открытые части каналов 4 и 5 и подаются в соответствующие воздуховоды: приточный воздух - в обслуживаемый объект, вытяжной - на утилизацию (не показано).
В результате без использования дополнительных средств теплообмена обеспечивается снижение или повышение температуры приточного атмосферного воздуха, в зависимости от сезона, на 12-15%. За счет возможности размещения средств для нагнетания теплоносителей непосредственно в цилиндрических каналах существенно снижаются потери давления в потоках приточного и вытяжного воздуха, что позволяет снизить затраты электроэнергии при эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования. При этом процесс теплообмена может быть дополнительно интенсифицирован за счет подачи в один из цилиндрических каналов третьего теплоносителя, например, воды.
Предлагаемая конструкция пластинчатого теплообменника обладает высокой эффективностью теплообмена со сравнительно низким энергопотреблением и является универсальной, т.к. может использоваться для нагрева и охлаждения газовоздушных сред как в системах вентиляции и кондиционирования, так и в холодильных системах. Теплообменник отличается простотой конструкции, имеет небольшие габаритные размеры и невысокую стоимость в сочетании с удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации.