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 указанной профильной поверхностью отличаются высокими показателями теплоэнергетической эффективности. Это связано с активным механизмом вихревой интенсификации процессов теплообмена в профилированных каналах в условиях развитого отрывного характера потока теплоносителя при обтекании контактирующих сфероидальных выступов и впадин пластинчатой поверхности с различными схемами их расположения относительно вектора течения [Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок. - М.: Машгиз, 1963. - 240 с., 3. Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.].
В теплообменных аппаратах с профильной поверхностью с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами наряду с известными традиционными компоновками пластин с взаимно контактирующими вершинами выступов и одинаковыми проходными сечениями каналов для смежных теплоносителей могут найти возможное применение другие новые рациональные компоновочные варианты. Это компоновки с различными комбинациями и схемами расположения плоских гладких и профильных пластин, позволяющие существенно расширить область практического использования пластинчатой поверхности при разработке и производстве теплообменных аппаратов с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными параметрами.
Одним из таких технических вариантов компоновки является матрица пластинчатого теплообменника с внешней цилиндрической формой с системой продольных концентрических кольцевых каналов с комбинациями чередующихся в радиальном направлении гладких и профильных пластин со сфероидальными выштамповками [Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2620886 // БИ. - 2017. - № 16].
Другим «нестандартным» вариантом компоновки профильных пластин является матрица теплообменника цилиндрической формы в виде соосных теплообменных элементов из плоских круговых кольцевых взаимно контактирующих профильных пластин со сфероидальными выступами и впадинами [Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2744394 // БИ. - 2021. - № 7]. Результаты экспериментальных исследований [Берман С.С. Поверхность теплообмена // Авторское свидетельство СССР №122567 // БИ. - 1959. - №18.; 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. Теплоэнергетическая эффективность поверхности каналов, образованных различными комбинациями плоских и профильных пластин со сфероидальными элементами рельефа // Тепловые процессы в технике. 2013. - Т. 5. - №11. - С. 492-500] и анализ конструктивных решений каждого из вариантов матрицы, представленных в [Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2620886 // БИ. - 2017. - № 16; Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2744394 // БИ. - 2021. - № 7] и принятых в качестве прототипа, дают основания для возможного применения нового варианта матрицы пластинчатого теплообменника, сочетающего индивидуальные особенности [Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2620886 // БИ. - 2017. - № 16; Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент на изобретение РФ № 2744394 // БИ. - 2021. - № 7] компоновочных схем гладких и профильных тонкостенных пластин, в виде матрицы цилиндрической формы с чередующимися вдоль ее оси соосными круговыми кольцевыми теплообменными элементами из гладких пластин и контактирующих с ними с внутренней стороны теплообменных элементов и внешней между ними кольцевых профильных пластин-турбулизаторов со сфероидальными выступами и впадинами.
Задачами полезной модели являются интенсификация теплоотдачи комбинированной пластинчатой поверхности в условиях нового варианта компоновки гладких и профильных пластин с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами и улучшение энергетических и массогабаритных характеристик теплообменников.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника с внешней цилиндрической формой и поверхностью в виде гладких и профильных пластин сетчато-поточного типа с равновеликими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с квадратной схемой разбивки осей, образующих при взаимном контакте изолированные каналы с теплопередающими плоскими гладкими стенками для смежных греющего и нагреваемого теплоносителей, отличающейся тем, что она представляет собой набор соосных кольцевых теплообменных элементов, образованных круговыми кольцевыми гладкими пластинами, и размещенными между ними с обеспеченным плотным термическим контактом промежуточными дистанционирующими кольцевыми пластинами-турбулизаторами с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами; вместе с тем между внешними сторонами теплообменных элементов соосно с ними размещены с плотным термическим контактом промежуточные дистанционирующие кольцевые пластины-турбулизаторы со сфероидальными выступами и впадинами, формирующие смежные каналы матрицы, при этом один из теплоносителей проходит в окружном направлении внутри каналов теплообменных элементов, другой теплоноситель проходит в радиальном направлении в смежных каналах между внешними сторонами теплообменных элементов.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности путем дополнительной турбулизации потоков теплоносителей и за счет механизма контактной теплопроводности в кольцевых каналах с профильными пластинами турбулизаторами.
2. Снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообменника.
На фиг. 1 представлена схема внешнего вида и геометрия круговой кольцевой гладкой модельной пластины; на фиг. 2 - схема внешнего вида и геометрия круговой кольцевой профильной модельной пластины с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами; на фиг. 3 - схема сечения кольцевой профильной пластины (сечение А-А на фиг 2) и её геометрия (D - наружный диаметр пластины, d - внутренний диаметр пластины, δ - толщина пластины, h - глубина штамповки, tш - шаг шахматного расположения осей сфероидальных выштамповок); на фиг. 4 - схема внешнего вида матрицы с компоновкой соосных теплообменных элементов и промежуточных между ними пластин-турбулизаторов; на фиг. 5 - схема сечения каналов матрицы (сечение Б-Б на фиг. 4).
При работе пластинчатого теплообменника с предложенным вариантом матрицы (фиг. 4, 5) теплота от греющего теплоносителя, проходящего в окружном направлении внутри каналов 1 кольцевых теплообменных элементов с плоскими гладкими стенками 2 и внутренними контактирующими с ними профильными пластинами-турбулизаторами 3, через стенки передается омывающему их нагреваемому теплоносителю, проходящему в радиальном направлении в смежном пространстве каналов 4, и одновременно путем контактной теплопроводности промежуточным пластинам-турбулизаторам 5, распололоженным между внешними сторонами теплообменных элементов и реализующим дополнительно «эффект оребрения» при обтекании их потоком нагреваемого теплоносителя.
Таким образом, тепловая эффективность комбинированной поверхности матрицы определяется турбулизацией потока теплоносителей сфероидальными выштамповками пластин-турбулизаторов, контактирующих с гладкой поверхностью теплообменных элементов, и дополнительной интенсификацией процесса теплопередачи за счет механизма контактной теплопроводности по обеим сторонам гладких стенок.
При этом конструктивная сторона матрицы и механизм теплообмена могут быть усилены при использовании пластин-турбулизаторов с плоскими участками на поверхности сфероидальных выступов, обеспечивающими увеличение площади и плотности контактирования с теплопередающими гладкими стенками каналов.