Теплообменный аппарат
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к рекуперативным теплообменным аппаратам.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве аналога, содержащий патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными теплообменными трубами зигзагообразной формы, и двух концевых участков. Зигзагообразная форма труб обеспечивается одновременным сдвигом центра масс поперечного сечения труб относительно центра масс поперечного сечения труб в их начальной точке (патент RU №2384802).
Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная колебаниями труб в пучке при движении сред, и повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное наличием пакетов дистанционирующих гофрированных пластин межтрубного пространства.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного участка, сформированного продольно ориентированными, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред и имеющими общие стенки каналов, и двух концевых участков (патент RU №2701971).
В данном техническом решении обеспечивается повышенная надежность, т.к. теплопередающий блок сформирован не склонными к колебательным движениям трубками, а имеющими общие стенки каналами, и не подвержен колебательным движениям. Поскольку теплопередающий блок сформирован имеющими общие стенки каналами, а не требующими опор трубками, в данном техническом решении обеспечивается пониженное, по сравнению с аналогом, гидравлическое сопротивление.
Однако отсутствие мер по интенсификации теплообмена обуславливает низкую тепловую эффективность теплообменного аппарата, выбранного в качестве прототипа.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности теплообменного аппарата без опережающего увеличения его гидравлического сопротивления.
Поставленная задача решается тем, что форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, причем площадь поперечного сечения каждого канала остается неизменной по всей длине основного участка теплопередающего блока, а величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечных сечений основного участка теплопередающего блока находятся в пределах от 1 до 15. Центры масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока могут быть смещены относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке. Поперечные сечения основного участка теплопередающего блока могут быть повернуты вокруг продольной оси блока. Площадь поперечного сечения каждого канала на концевых участках может оставаться Неизменной по всей длине концевых участков. Поперечные сечения каналов основного участка теплопередающего блока в его начальной точке могут иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.
То, что форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, обеспечивает растяжение и сжатие каждого его канала, т.е. изменение формы поперечного сечения каждого канала, что обеспечивает турбулизацию пристенных слоев обеих теплообменивающихся сред в каналах за счет возникновения микровихревых структур в пристенных областях, что повышает тепловую эффективность. Однако ввиду отклонения формы поперечного сечения каналов от начальной формы, изменяется их эквивалентный гидравлический диаметр, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления на участках с уменьшенным эквивалентным гидравлическим диаметром. Для обеспечения повышения тепловой эффективности без опережающего увеличения гидравлического сопротивления величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечных сечений основного участка теплопередающего блока находятся в пределах от 1 до 15. Сохранение неизменной площади поперечного сечения каждого канала в любой точке основного участка теплопередающего блока достигается за счет изменения периметра поперечного сечения каждого канала. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении основного участка теплопередающего блока, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.
Смещение центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке обеспечивает дополнительные усилия по отрыву пристенного слоя теплоносителя, что способствует росту тепловой эффективности.
Поворот поперечных сечений основного участка теплопередающего блока вокруг продольной оси блока обеспечивает спиральное закручивание периферийных каналов, что способствует турбулизации потоков теплоносителей в этих каналах и ведет к повышению тепловой эффективности.
Сохранение неизменной площади поперечного сечения каждого канала на концевых участках теплопередающего блока по всей длине концевых участков также достигается за счет изменения периметра поперечного сечения каждого канала. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении концевого участка теплопередающего блока, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.
Поперечные сечения каналов основного участка теплопередающего блока в его начальной точке могут иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).
На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, а центры масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока смещены относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке. Также на рисунке 1 представлены поперечные сечения основного участка теплопередающего блока.
Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, поз. 2 и поз. 3 - концевые участки теплопередающего блока, поз. 4 - патрубок подвода первой теплообменивающейся среды, поз. 5 - патрубок отвода первой теплообменивающейся среды, поз. 6 - патрубок подвода второй теплообменивающейся среды, поз. 7 - патрубок отвода второй теплообменивающейся среды.
На рисунке 2 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, а поперечные сечения основного участка теплопередающего блока повернуты вокруг продольной оси блока. Также на рисунке 2 представлены поперечные сечения основного участка теплопередающего блока.
На рисунке 3 представлен основной участок теплопередающего блока теплообменного аппарата, представленного на рисунке 1 и его поперечные сечения.
На рисунках 4 и 5 представлены взаимно перпендикулярные продольные сечения основного участка теплопередающего блока теплообменного аппарата, представленного на рисунке 1. Знаком Δ обозначено смещение центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра массы поперечного сечения основного участка в его начальной точке.
Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.
Первая среда через патрубок 4 подается в концевой участок 3 теплопередающего блока, где распределяется по предназначенным для нее каналам, расположенным в шахматном порядке и имеющим общие стенки с каналами второй среды. Первая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока, попадает в концевой участок 2 и отводится из аппарата через патрубок 5.
Вторая среда через патрубок 6 подается в концевой участок 2 теплопередающего блока, где распределяется по предназначенным для нее каналам, расположенным в шахматном порядке и имеющим общие стенки с каналами первой среды. Вторая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока, попадает в концевой участок 3 и отводится из аппарата через патрубок 7.
При движении теплообменивающихся сред на основном участке теплопередающего блока по каналам с изменяющейся (благодаря растяжению и сжатию) формой поперечного сечения происходит турбулизация пристенных слоев. Поскольку при этом площадь поперечного сечения каналов (благодаря изменению периметров поперечных сечений каналов) остается неизменной по всей длине теплопередающего блока, средняя скорость движения сред на всем протяжений каналов остается неизменной, что исключает повышение гидравлического сопротивления из-за изменения скоростей. Благодаря смещению центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке происходит изменение направления вектора средней скорости рабочих сред, движущихся в каналах, что способствует общей турбулизации потока. Благодаря повороту поперечных сечений основного участка теплопередающего блока вокруг продольной оси блока происходит спиралеобразная закрутка потока рабочих сред, что способствует общей турбулизации потока.
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность теплообменного аппарата без опережающего увеличения его гидравлического сопротивления, что обеспечивает уменьшение веса и габаритов теплообменного аппарата.
Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками за счет идентичности каналов обеих сред, а также за счет обеспечения чистого противотока на всем протяжении каналов.