ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
CYLINDRICAL PLATE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред.
Известен теплообменник, состоящий из набора гофрированных пластин, собранных в матрицу с помощью специальных эластичных прокладок и стянутых нажимными плитами и шпильками (проспект фирмы "Альфа Ловаль"). Пластина такого теплообменника имеет четыре отверстия, расположенных в углах прямоугольной пластины.
Недостатком такого теплообменника является ограничение применяемых сред теплоносителей (жидкость-жидкость) и невысокий уровень параметров теплоносителей (давление до Р=1,6 МПа и температура до t=160°C).
Расширение диапазона параметров до Р=2,5 МПа и t=300°С достигнуто в паяных теплообменниках (проспекты фирмы "Альфа Ловаль и Swep), однако их применение также ограничено пропускной способностью четырех отверстий пластины, высокой жесткостью конструкции и низкой температурой плавления припоя.
Известен теплообменник, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором помещена теплообменная матрица, представляющая пакет сваренных между собой пластин круглой формы, в который подается теплоноситель. Второй теплоноситель подается в пакет через патрубок, приваренный к корпусу [проспект фирмы " G-MAR+" и статья в информационном журнале " ПРОМЫШЛЕННЫЙ ВЕСТНИК" №9/2004, стр.62].
Недостатками такого теплообменника являются: наличие корпуса с патрубками, неравномерность распределения расходов теплоносителей по круглой пластине из-за различных длин линий тока, уменьшение из-за этого степени регенерации тепла, а также наличие дополнительного специального эластичного корсета для закрепления матрицы в корпусе и направления потока в матрицу.
Наиболее близким решением к предлагаемому устройству и принятым за прототип является теплообменник, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками одного теплоносителя и пакет попарно соединенных между собой по периферийным кромкам гофрированных пластин с коллекторами для второго теплоносителя, причем коллекторы образованы выполненными в пластинах окнами с отбортовками, скрепленными попарно, при этом на пластинах выполнены поперечные выштамповки, образующие зигзагообразные каналы [RU, патент 2052757, Кл. F28D 9/02, F28F 3/00, 1994].
Недостатком этого теплообменника является наличие корпуса с патрубками подвода и отвода одного из теплоносителей, увеличивающего габариты и массу теплообменника и усложняющего его изготовление. При работе с теплоносителями, имеющими большой перепад давлений при высокой температуре, корпус вследствие разности температур может деформироваться, что снижает надежность и эффективность теплообменника из-за утечек теплоносителя между корпусом и пакетом. При потере герметичности корпуса теплоносители могут попасть в окружающую среду, что недопустимо при токсичных веществах.
Технической задачей, которую решает предложенное устройство, является уменьшение массы, упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности теплообменника.
Техническим результатом, который обеспечивает решение поставленной задачи, является создание равномерного поля скоростей и поля температуры и герметичность конструкции относительно окружающей среды.
Технический результат обеспечивается тем, что цилиндрический пластинчатый теплообменник содержит теплообменную матрицу из гофрированных пластин с отбортовкой наружных кромок и отбортовками коллекторов, причем каждая пластина имеет форму круга, в центральной части которого выполнены гофры и отверстия коллекторов одного из теплоносителей (например, теплоносителя большей плотности), а в остальных частях круга (в сегментах) - отверстия и коллекторы с отбортовками коллекторов другого теплоносителя (меньшей плотности), гофрированные участки пластины имеют дополнительную отбортовку наружных кромок, одноименные отбортовки наружных кромок соединены сваркой (пайкой) и закрывают от утечек каналы теплоносителя большей плотности и каналы теплоносителя меньшей плотности.
Технический результат обеспечивается и тем, что теплообменная матрица заключена в герметичный корпус, снабженный датчиком контроля утечек теплоносителей из теплообменной матрицы.
Технический результат обеспечивается и тем, что отверстия коллекторов центральной части матрицы располагаются на оси симметрии матрицы, а канал теплоносителя большей плотности имеет ограниченные продольные отбортовки, направляющие поток к периферии и к центру пластины.
Теплообменник также отличается от прототипа и тем, что отверстия коллекторов центральной части матрицы располагаются в углах матрицы.
На фиг.1 представлен продольный разрез цилиндрического пластинчатого теплообменника, на фиг.2 - поперечный разрез по матрице фиг.1, на фиг.3 - различные схемы компоновки матрицы с вариантами расположения коллекторов подвода и отвода теплоносителя при перекрестно точной и противоточной схемах движения.
Цилиндрический пластинчатый теплообменник (фиг.1) содержит теплообменную матрицу 1 из гофрированных пластин 2 (фиг.2) с отбортовками 3 наружных кромок 4. Каждая пластина 2 имеет форму круга, в центральной части которого выполнены гофры 5 и отверстия 6 с отбортовками 7 коллекторов 8 одного из теплоносителей (например, теплоносителя большей плотности), а в остальных частях круга (в сегментах) - отверстия 9 с отбортовками 10 коллекторов 11 другого теплоносителя (например, меньшей плотности). Соединение нескольких гофрированных пластин 2 с помощью отбортовок 7 отверстий 6 образуют коллектор 8. Аналогично соединение отбортовок 10 отверстий 9 образуют коллектор 11.
Гофрированный участок пластины (2) имеет дополнительную наружную отбортовку 12. Обе одноименные наружные отбортовки соединены сваркой (пайкой) и закрывают от утечек каналы 13 теплоносителя большей плотности и каналы 14 теплоносителя меньшей плотности.
Отверстия 6 могут быть расположены посредине (фиг.2) или в углах центральной части (фиг 3). Центральная часть пластины имеет перемычки 15 с разрывами в местах поворота теплоносителя. При схеме рис 3"а" разрывы расположены поочередно у каждой боковой стороны, при схеме рис 3"б" - симметрично с разрывом вблизи оси. При схеме 3"в" равномерное распределение теплоносителя достигается при отношении диаметра D к ширине В матрицы равным или большим трем. В этой схеме целесообразно применение шевронных каналов. Выбор схем расположения отверстий определяется требуемой длиной теплообменного канала и конструкцией штампа.
При симметричном расположении отверстий относительно продольной или поперечной оси требуется один штамп (фиг.2 и фиг.3"а"), при несимметричном расположении - два штампа (фиг.3"б" и фиг.3"в").
Теплообменная матрица (1) (фиг.1) заключена в герметичный кожух 16, а для контроля утечек теплоносителей из теплообменника служит датчик 17 контроля утечек по изменению давления в корпусе. Кроме того, корпус 16 является дополнительной силовой защитой от внешних воздействий и от утечек теплоносителей из теплообменника.
Теплообменник работает следующим образом.
Нагреваемый теплоноситель, например воздух, поступает в одно из отверстий 6, распределяется с помощью коллектора 8 по поверхности теплообменной матрицы 1 и направляется в каналы 13, где нагревается теплом второго теплоносителя, например газа. Второй теплоноситель подается в одно из отверстий 9 и коллектор 11, которое позволяет теплоносителям течь в общем противотоке. Теплоносители выходят из теплообменной матрицы 1 через другие отверстия 6 и 9 соответственно для нагреваемого и греющего теплоносителя. При необходимости для входа и выхода нагреваемого теплоносителя можно использовать отверстия 9, а для греющего теплоносителя - отверстия 6. По периметру матрицы каналы одного теплоносителя меньшей плотности закрыты отбортовками 3, другого теплоносителя большей плотности - отбортовками 12. Отверстия 6 закрыты для потока большей плотности отбортовками 7. Отбортовки 10 перекрывают поток теплоносителя в отверстия 9. Соответственные отбортовки попарно герметично соединены.