Матрица пластинчатого теплообменника
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER MATRIX

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано 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 [1].
Известные конструкции пластинчатых теплообменников на основе «традиционной» компоновки указанной профильной поверхности отличаются высокими показателями теплоэнергетической эффективности [2,3]. Это обусловлено активным отрывным механизмом взаимодействия потока теплоносителя с поверхностью профилированных каналов со сложной геометрией и дополнительной его турбулизацией при обтекании контактирующих сфероидальных выступов и впадин с различными схемами расположения, шахматной, коридорной или промежуточными между ними, определяемыми изменением угла их ориентации относительно направления потока.
Матрица теплообменника с «традиционной» компоновкой пластинчатой поверхности представляет собой набор плоских прямых теплообменных элементов, каждый из которых состоит из двух одинаковых профильных пластин с контактирующими сфероидальными выступами, образующими при этом внутренний изолированный канал для одного из теплоносителей. При взаимном контакте выступов внешних профильных стенок теплообменных элементов образуются промежуточные профилированные каналы для другого теплоносителя, что в совокупности и определяет интенсифицирующие особенности рельефа поверхности с поперечно обтекаемыми выштамповками в компоновочном варианте матрицы со смежными каналами одинакового сечения для разных теплоносителей (внутреннего и внешнего) и ее высокую теплоэнергетическую эффективность.
Результаты экспериментальных исследований [1-4] и анализ возможности конструктивного изменения матрицы с «традиционной» компоновкой из плоских прямых профильных теплообменных элементов, принятой в качестве прототипа ([2], с. 28, фиг. 6а; с. 60, фиг. 28), дают основания для применения варианта компоновки профильных пластин с двухсторонними сфероидальными выштамповками в виде матрицы пластинчатого теплообменника цилиндрической формы, представляющей собой набор соосных контактирующих плоских кольцевых теплообменных элементов, что позволит расширить область применения пластинчатой поверхности при создании теплообменных аппаратов с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными параметрами.
Задачами изобретения являются интенсификация теплоотдачи пластинчатой поверхности с двухсторонними равновеликими сфероидальными выступами и впадинами в условиях нового варианта компоновки профильных пластин и повышение энергетических, массогабаритных и компоновочных характеристик теплообменников.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника с поверхностью в виде пластин сетчато-поточного типа с равновеликими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с квадратной схемой разбивки осей, образующих при взаимном контакте изолированные каналы с теплопередающими профильными стенками для смежных греющего и нагреваемого теплоносителей, отличающейся тем, что она имеет цилиндрическую форму и представляет собой набор соосных кольцевых теплообменных элементов, образованных круговыми кольцевыми профильными пластинами с взаимно контактирующими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами; при этом один из теплоносителей проходит в окружном направлении внутри профилированных каналов контактирующих между собой кольцевых теплообменных элементов, соединенных с боковыми стенками подводящего и отводящего коллекторов, выполненных в виде центрального кольцевого цилиндрического сектора матрицы с разделяющей их перегородкой; другой теплоноситель проходит между внешними сторонами теплообменных элементов в радиальном направлении, перемещаясь из центрального осевого коллектора матрицы, образованного периодически чередующимися вдоль ее оси короткими круговыми плоскими концевыми участками с внутренним диаметром кольцевых элементов, во внешнюю область матрицы с наружным диаметром кольцевых элементов, или наоборот, перемещаясь от периферии матрицы с наружным диаметров кольцевых элементов к центральному коллектору матрицы с внутренним диаметром кольцевых элементов.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности путем дополнительной турбулизациии потоков смежных теплоносителей в кольцевых профилированных каналах цилиндрической матрицы.
2. Снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообмена.
ш
к
На фиг. 1 представлена схема внешнего вида и геометрия круговой кольцевой профильной модельной пластины с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами; на фиг. 2 - схема сечения теплообменного элемента из контактирующих профильных кольцевых пластин (фиг. 1) и его геометрия (t - шаг шахматного расположения осей сфероидальных выштамповок, t - шаг коридорного расположения осей сфероидальных выштамповок, h - глубина штамповки, δ - толщина пластины, D - наружный диаметр элемента, d - внутренний диаметр элемента); на фиг. 3 - схема внешнего вида матрицы с компоновкой контактирующих кольцевых тепло-обменных элементов, соединенных с коллекторами 1 и 2 для внутреннего и с осевым коллектором 3 для внешнего теплоносителей; на фиг. 4 - схема сечения внутренних 4 и внешних 5 профилированных каналов фрагмента матрицы, сечение Б-Б на фиг. 3.
i
ш
При работе пластинчатого теплообменника с предложенным вариантом матрицы (фиг. 3) теплота от греющего теплоносителя, поступающего из центрального осевого раздающего коллектора 3 и проходящего в радиальном направлении от центра к периферии матрицы в пространстве каналов 5 между кольцевыми теплообменными элементами с контактирующими выступами, передается нагреваемому теплоносителю, проходящему в окружном направлении в смежных профилированных каналах 4 кольцевых элементов, что позволяет реализовать сложную перекрестноточную схему движения двух теплоносителей. При этом одновременно во внутренних 4 и внешних 5 профилированных каналах матрицы обеспечивается наиболее благоприятное взаимодействие потоков теплоносителей со сфероидальными элементами рельефа с квадратной разбивкой осей в условиях изменения угла их ориентации  относительно радиального направления потока в пределах всей площади кольцевой поверхности внешних каналов и при смешанном обтекании сфероидальных элементов внутренних каналов. Как было установлено в [3, 4], наибольшая эффективность теплообмена профильной поверхности определяется промежуточными углами ориентации ϕ выштамповок относительно вектора течения между их шахматным расположением с ϕ=0° и коридорным с ) (фиг. 1), что в полной мере обеспечивается на поверхности каналов теплообменных элементов предлагаемого варианта матрицы.
При этом внутренние концевые участки кольцевых элементов образуют периодически чередующиеся вдоль оси матрицы короткие кольцевые диафрагмы, также способствующие интенсификации теплообмена в области осевого коллекторного канала матрицы.
Источники информации, использованные при составлении заявки
1. Берман С.С. Поверхность теплообмена // Авторское свидетельство СССР №122567 // БИ. - 1959. - №18.
2. 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: Из-во БГТУ, 2008. -152 с.
4. Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника. //Патент на полезную модель РФ №126444 // БИ - 2013. - №9.