ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплоэнергетике и касается способа повышения теплопередающей способности пластинчатых теплообменников путем увеличения интенсивности теплоотдачи и площади поверхности теплообмена (Основной индекс МПК F28D 9/00).
Изобретение может быть применено в различных энергетических системах - в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования и др.
Известен пластинчатый теплообменник, содержащий плоские листы, чередующиеся с гофрированными вставками и образующие каналы для холодной и горячей рабочих сред, и распорные элементы с отбортовками, примыкающие к листам [1].
Недостатком теплообменника является недостаточно развитая поверхность теплообмена и недостаточная интенсивность теплообмена.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник, содержащий каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей. Каналы образованы пластинами с непрерывными гофрами треугольного профиля в поперечном сечении, стянутые при помощи базовой и нажимной плит и нажимных винтов [2].
Недостатком теплообменника является недостаточно развитая поверхность теплообмена и недостаточная интенсивность теплообмена, обусловленная большим эквивалентным гидравлическим диаметром этих каналов.
Цель изобретения - увеличение площади поверхности теплообмена и интенсификация внутреннего теплообмена.
Цель достигается тем, что в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса, представляющей собой комбинацию коротких каналов и перемычек каркаса, и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред.
На фиг.1 показан продольный разрез теплообменника; на фиг.2 представлен поперечный разрез по тракту горячей рабочей среды; на фиг.3 - поперечный разрез по тракту холодной рабочей среды.
Пористые вставки 1 (фиг.1) горячего тракта и смежные с ними пористые вставки 2 холодного тракта размещены между плоскими пластинами 3 с отверстиями 4 и 5 (фиг.1-3) для прохода рабочих сред и отбортовками для уплотнений 6. Длина пористых вставок обоих трактов, как и их ширина, одинаковы. Пакет пластин с пористыми вставками и пластинами с уплотнениями размещены между базовой 7 и нажимной 8 плитами и стягиваются нажимными винтами 9. Штуцеры 10 и 11 служат для подвода и отвода горячей рабочей среды, а штуцеры 12 и 13 - для холодной рабочей среды.
Работает пластинчатый теплообменник следующим образом. Горячий теплоноситель поступает через входной штуцер 10 и верхние отверстия 4 (фиг.2) в межпластинчатые каналы горячего тракта, где размещены пористые вставки 1. В пористых вставках 1 горячая рабочая среда охлаждается, нагревая вставки 1. Вставки 1 совместно с горячей средой передают теплоту через плоские пластины 3 вставкам 2 и холодной рабочей среде, подаваемой через входной штуцер 12 и нижние отверстия 5 в пластинах 3 в межпластинчатые каналы холодного тракта. Охлажденная горячая среда отводится через нижние отверстия 4 в пластинах 3 и штуцер 11, а нагретая холодная рабочая среда отводится из теплообменника через верхние отверстия 5 в пластинах 3 и штуцер 13.
Благодаря большей по сравнению с прототипом площади поверхности контакта рабочих сред с каркасом пористых вставок, а также более интенсивным теплообменом, обусловленным, с одной стороны, малым размером эквивалентных гидравлических каналов в пористых вставках и комбинированным механизмом теплообмена, сочетающим теплообмен в коротких каналах с теплообменом при поперечном обтекании перемычек каркаса, в предлагаемом теплообменнике сокращаются масса и габариты, или повышается тепловая нагрузка Q при тех же массогабаритных показателях аппарата.
1
2
Для подтверждения преимуществ предлагаемого пластинчатого теплообменника перед прототипом проведены теплогидравлические расчеты предлагаемого теплообменника в качестве водяного калорифера, предназначенного для подогрева атмосферного воздуха горячей водой. Температуры рабочих сред на входе приняты: воды
, воздуха
. Расходы рабочих сред G=G=0,25 кг/с. Воздух должен быть подогрет до температуры не ниже 45°C при потерях его давления в аппарате не более 1100 Па.
Прототипом является разборный теплообменник с пластинами типа 0,2р по ГОСТ 15518-87 [3], обладающими следующими характеристиками:
2
- площадь поверхности теплообмена одной пластины: 0,2 м;
- размер пластины (длина×ширина×высота гофр) в мм: 960×460×4,5;
пл
- масса пластины из стали 12Х18Н10Т толщиной δ=1 мм: 2,5 кг;
- коэффициент теплоотдачи определяется критериальным уравнением
0,73
0,43
1/4
cт
Nu=0,065RePr(Pr/Pr), (1)
э
э
э
-3
2
2
где Nu=α·d/λ - число Нуссельта; d=8,8·10 м - эквивалентный гидравлический диаметр каналов, м; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К); Re=w·d/v - число Рейнольдса; w - среднерасходная скорость теплоносителя, м/с; v - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м/с; Pr=v/а - число Прандтля; а - коэффициент температуропроводности теплоносителя, м/с;
- уравнение для коэффициента гидравлического сопротивления:
0,25
ξ=19,6/Re;
- термические сопротивления загрязнений поверхностей пластины со стороны горячей и холодной рабочих сред отсутствуют.
2
-3
Расчеты по методике [3] показали, что для удовлетворения заданным требованиям пластинчатый теплообменник разборного типа по ГОСТ 15518- 87 с пластинами 0,2р должен состоять из 27 последовательных пакетов по 1 каналу в каждом - для воды и 3 пакетов по 9 параллельных каналов в каждом - воздуха. С учетом пластин, прилегающих к базовой и нажимной плитам, аппарат содержит 53 пластины общей массой 53×2,5=132,5 кг и общей площадью теплопередающих поверхностей 10,6 м. Общая высота всех пластин составляет 53×4,5·10=0,2385 м.
Параметры рабочих сред в аппарате составляют:
- скорости: воды - 0,145 м/с; воздуха - 9,92 м/с;
2
2
- коэффициенты теплоотдачи: воды - 2702 Вт/(мК); воздуха - 25,0 Вт/(мК);
- температуры на выходе: воды - 73,6°C; воздуха - 46,3°C;
- потери давления: воды - 0,041 МПа; воздуха - 891 Па.
3
Таким образом, массогабаритные показатели теплопередающих поверхностей прототипа таковы: масса -132,5 кг; габариты (длина×ширина×высота) - 0,96×0,46×0,2385 м; объем пакета пластин составляет примерно 0,1053 м.
cк
В качестве пористой вставки предлагаемого пластинчатого теплообменника применяется высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ) [4]. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника с пористыми вставками производится с помощью оригинального решения сопряженной задачи теплообмена рабочей среды с каркасом, боковая поверхность которого, прилегающая к пластине, нагрета до температуры t(h, y), где h - полутолщина пористой вставки, м; у - продольная координата от входа рабочего тела в пористую вставку, м. Решение сопряженной задачи аналогично приведенному в статье [5].
Тепловой расчет пластинчатого теплообменника с пористыми вставками произведен при допущениях: (Методика теплового расчета пластинчатого теплообменника с пористыми вставками в полном объеме будет направлена для публикации в один из ведущих научно-технических журналов России после регистрации данной заявки):
- структура пористости, скорость фильтрации и коэффициент теплообмена между каркасом и теплоносителем однородны по всему объему каждой из пористых вставок;
- перенос внутренней энергии теплоносителями в продольном направлении за счет молекулярной теплопроводности пренебрежимо мал по сравнению с конвективным переносом;
- плотность теплового потока однородна по поверхности разделительных пластин;
- массовые расходы теплоносителей равномерно распределены по параллельным каналам;
- температурные поля в отдельных каналах одного и того же тракта, как и параметры (температура, давление) теплоносителя на входе и выходе каналов, совпадают;
- температурные перепады (скачки) по толщине пластин и в зазорах постоянны по длине пористой вставки.
кан
сум
пл
Расчеты выполнены для двух вариантов, различающихся материалом вставок, при количестве параллельных каналов N и фиксированной общей (суммарной) толщине вставок H. Материалом пластин, как и в прототипе, является нержавеющая сталь 12Х18Н10Т толщиной δ=1 мм.
v
cк
cк
сф
э
-3
-3
Геометрические параметры пористой структуры вставок обоих трактов взяты одинаковыми. Характеристики пористости: объемная пористость ε=0,9538; относительная площадь поперечного сечения каркаса ε=0,0158; удельная площадь поверхности каркаса f=1558 1/м; диаметр сферических пор d=3,49·10 м; эквивалентный диаметр внутренних каналов d=2,46·10 [6].
кан
вс
cум
кaн
2
Ширина каналов принята В=0,34 м; длина l=0,12 м; суммарные толщины вставок обоих трактов одинаковы и равны Н=0,125 м. Количество пакетов в каждом тракте - 1; количество параллельных каналов в пакете - N=50; общее количество пластин - 99. Общая площадь теплообмена обоих трактов составляет 2×7,99=15,98 м. Общая толщина пакета пористых вставок с пластинами
то
cум
кан
пл
-3
Н=2×Н+(2×N-1)×δ=2×0,125+99×10≈0,35 м.
пл
кан
Принимая ширину отбортовок для уплотнений 6 равной, примерно, 0,02 м, получим ширину пластин: В=В+2×0,02=0,34+2×0,02=0,38 м. Длина пластин превышает длину пористых вставок также на ширину отбортовок для уплотнений и, примерно, на 2 диаметра штуцера, имеющего наибольшее значение 0,15 м:
пл
вс
L=l+2×0,02+2×0,15=0,12+0,04+0,3=0,46 м.
3
3
3
Таким образом, общие габариты пакетов пластин со вставками составляют: 0,46×0,38×0,35 м; объем всего пакета, примерно, 0,0612 м. При плотности меди 8890 кг/м и плотности стали 12Х18Н10Т 7900 кг/м общая масса вставок в обоих пакетах составит:
вставок
v
вс
кан
сум
меди
М=2×(1-ε)×1×В×H×ρ=
2×(1-0,9538)×0,12×0,34×0,125×8890≈4,2 кг.
Масса 1 пластины равна 1,38 кг; масса 99 пластин ~136,7 кг. Общая масса пакетов пластин с пористыми вставками равна ~141 кг.
Теплогидродинамические характеристики пористых вставок, полученные экспериментальным путем по описанной в работе [5] методике:
где
Результаты расчетов показаны в табл.1.
Потери давления рабочих сред во всех вариантах не превысили 991 Па для воздуха и менее 3,0 Па для воды.
Таблица 1
Результаты расчетов водяного калорифера с пористыми вставками
Параметры
Размерность
Материал вставок
Материал вставок
-
Нихром
Медь
Число параллельных каналов в пакете N<sub>кан</sub>
-
50
50
Скорость воды
м/с
0,0062
0,0062
Коэффициент теплоотдачи воды
Вт/(м<sup>2</sup>К)
81,2
79,2
Температура воды на выходе
°С
74,2
72,3
Скорость воздуха
м/с
5,31
5,38
Коэффициент теплоотдачи воздуха
Вт/(м<sup>2</sup>К)
72,1
72,0
Температура воздуха на выходе
°С
45,6
53,2
Из таблицы видно, что даже самый неблагоприятный вариант (вариант 1), характеризуемый низкой теплопроводностью материала каркаса (15 Вт/(м·К)), обеспечивает выполнение требуемых условий. Применение пористых вставок из высокотеплопроводного материала (меди) позволяет улучшить характеристики теплообменника.
Таким образом, предлагаемый вариант пластинчатого теплообменника в конкретном случае применения в качестве водяного калорифера имеет в 1,5 раза большую площадь поверхности теплообмена, почти в 3 раза более интенсивную теплоотдачу со стороны воздуха, существенно меньшие габариты и в 1,72 раза меньший объем, при примерно одинаковой с прототипом массе.
Сопоставительный анализ с прототипом [2] показал, что заявляемый пластинчатый теплообменник отличается от известного устройства тем, что в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса, представляющей собой комбинацию коротких каналов и перемычек каркаса, и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред.
Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на теплопередающую способность пластинчатого теплообменника, а их совокупность позволяет получить требуемый технический результат. Таким образом, заявляемое устройство соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Использование предлагаемого пластинчатого теплообменника позволяет по сравнению с прототипом [2] повысить теплопередающую способность за счет увеличения площади поверхности теплообмена и интенсификации теплоотдачи.
Источники информации
1. Патент №1259760. Пакет пластинчатого перекрестно-точного теплообменника / Тарасов B.C., Рыжик М.С., Салтайс Э.А.
2. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.
3. Кирсанов Ю.А. / Теплообменные аппараты ТЭС: справочник: в 2 кн. Кн. 1 / Даминов А.З., Кирсанов Ю.А., Ковальногов Н.Н., Молочников В.М., Назмеев Ю.Г., Николаев А.Н. / под общ. ред. чл.-корр. РАН Ю.Г.Назмеева и проф. В.Н. Шлянникова. - М.: Издат. дом МЭИ, 2010. 491 с.
4. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д. Способы получения и свойства высокопористых ячеистых металлов и сплавов. // Перспективные материалы. 2000. №5. С.56-60.
5. Кирсанов Ю.А. / Теплообмен пористого тела с однофазным потоком теплоносителя / Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А. // Теплофизика высоких температур. 2011. Том 49, №2. С.235-242.
6. Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Башкирцев Г.В. Теплообмен и сопротивление при течении однофазного теплоносителя в высокопористой вставке // Труды V Российской национальной конференции по теплообмену: В 8 томах. Т.5. Секция 7. Дисперсные потоки и пористые среды. - М.: Изд. дом МЭИ, 2010. 258 c./ С.176-180.