ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может найти применение при конструировании панельных теплообменных устройств рекуперативного типа, предназначенных для работы с различными средами в широком диапазоне температур. Например, предлагаемое решение может использоваться в рекуператорах, подогревателях, холодильниках и других энергетических установках.
В настоящее время известны различные виды трубчатых теплообменников, например, по патенту РФ №2282122: теплообменник, содержащий пучок теплообменных труб с шестигранными высадками на торцах, образующими при сборке трубные и межтрубные пространства, представляет собой видом сверху форму кольца с внутренним окном для прохода продуктов сгорания топлива, торцы высадных концов труб соединены между собой сваркой, а межтрубные пространства по наружным контурам пучка теплообменных труб теплообменника перекрыты отдельными пластинами в форме вытянутых шестигранников, примыкающими к попарно расположенным трубам, и соединены сваркой, и с двух сторон относительно вертикальной оси теплообменника изъято по одной теплообменной трубе и к образовавшимся свободным шестигранным ячейкам приварены патрубки входа и выхода межтрубного теплоносителя, а ячейки с противоположных сторон патрубков закрыты заглушками. Однако эффективность теплопередачи таких теплообменников достаточно низкая из-за громоздкости и большой металлоемкости подобных устройств.
Известны также различные пластинчатые теплообменники в основном представляющие собой набор плоских параллельных пластин, определяющих количество проходов для теплоносителей, проходы ограничены относительно друг друга таким образом, что происходит чередование циркулирующего в смежных проходах теплоносителя. Такие теплообменники отличаются от других видов теплообменников большей компактностью поверхности теплообмена в единице объема, меньшими массогабаритными размерами и стоимостью (см., Н.В. Барановски и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973, с.45-46).
В настоящее время после внедрения современных способов высокочастотной сварки появилась возможность изготавливать оребренные панели даже из материалов с низкой теплопроводностью (например, из коррозионно-стойких сталей). Благодаря этому появились теплообменники, включающие пакеты панелей в виде оребренных с одной или обеих сторон пластин или листов (оребренных панелей), собранных с образованием каналов между поверхностями пластин и ребер. Такие теплообменники могут собираться в виде модулей, в которых каналы теплоносителя (нагревающей среды) и каналы нагреваемой среды расположены под углом друг другу, в большинстве случаев 90°. Модульное исполнение дает возможность упростить процессы монтажа, обслуживания и ремонта теплообменника.
Кроме того, малая металлоемкость таких теплообменников позволяет получить существенный, до нескольких раз выигрыш в массогабаритных показателях и стоимости по сравнению с другими конструкциями теплообменников того же назначения при равных технических характеристиках. Эти обстоятельства наиболее существенны в случаях, когда теплообменники, предназначенные для работы при высоких температурах, изготавливаются из дорогостоящих жаропрочных сталей. Эффективность работы таких теплообменников в числе прочего обуславливается полнотой использования тепловой энергии входящего потока нагревающей среды и полнотой использования потока нагреваемой среды. Так, например, известен двухходовой рекуператор ОПТ (оребренный панельный теплообменник) (Злотин В.Е., Злотин Д.В., Калинин Н.М. Эффективные рекуператоры тепла нового поколения. - «Новости теплоснабжения» №1, 2011, фиг.1).
Один вариант этого рекуператора, принятый за ближайший аналог, состоит из двух панельных перекрестноточных теплообменных модулей. Каждый из модулей состоит из трубообразного кожуха круглого сечения.. Фланцы на концах кожуха служат для соединения с каналом прохождения нагревающей среды. Каналами для прохождения нагреваемой среды внутрь кожуха служат патрубки, приваренные к боковой поверхности кожуха, в которой выполнены соответствующие окна. Внутри кожуха расположен пакет параллельных друг другу теплообменных оребренных панелей. Пакет имеет форму прямой правильной призмы с основанием в форме прямоугольника. Направления соответствующих каналов в пакете совпадают с направлениями потоков рабочих сред. Размеры призмы таковы, что обеспечивается наибольшее при данной геометрии пакета заполнение по сечению внутренней полости кожуха. Стыковку модулей осуществляют через фланцы и патрубки. Для обеспечения требуемой мощности теплообменника набирают необходимое количество модулей и компонуют их в соответствии с условиями эксплуатации.
Недостаток такого рекуператора - это неполное использование тепловой энергии входящего потока нагреваемой среды и тем самым ограничение эффективности теплопередачи теплообменника.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - это создание высокоэффективного теплообменника простой конструкции.
Достигаемый технический результат - обеспечение практически полного использования потока нагреваемой среды, что обуславливает повышение эффективности теплообменника и его КПД.
Указанный технический результат достигается в техническом решении пластинчатого теплообменника, выполненного в виде коробчатого пакета, содержащего множество параллельных друг другу оребренных панелей, образующих расположенные под прямым углом друг к другу чередующиеся каналы для прохода нагревающей и нагреваемой сред, и установленный в цилиндрический кожух, расположенный соосно каналам для прохождения нагревающей среды, а на концах которого имеются фланцы, а на корпусе кожуха имеются две камеры для подвода и отвода нагреваемой среды.
Кроме того, указанный коробчатый пакет выполнен в виде шестигранной призмы, оребренные панели расположены параллельно плоскости, проходящей через одну из диагоналей основания призмы и ось кожуха, а в основания кожуха вставлены внутренние фланцы с шестиугольными отверстиями, совмещаемыми с основаниями пакета. При этом камеры для подвода и отвода нагреваемой среды установлены на диаметрально противоположных сторонах кожуха и примыкают к различным фланцам, а вдоль внешних граней пакета на соседние в каждом ряду каналы для прохода нагреваемой среды установлены перегородки, образующие нечетное количество зигзагообразных каналов перемещения среды вдоль пакета.
В частном случае заявляемого теплообменника предлагается выполнить в каждом фланце отверстие, совмещенное с соответствующей камерой для подвода и отвода нагреваемой среды. В этом случае, когда каналы для входа и выхода нагреваемой среды образованы переходными камерами, соединяющими окна во фланце с соответствующими окнами в стенке кожуха, упрощается стыковка модулей друг с другом.
В другом частном случае предлагается использовать в качестве перегородок трубку из материала, обладающего упругой деформацией. Выполнение перегородок в виде трубки из материала с упругой деформацией практически исключает утечки нагревающей среды при изменениях тепловых условий или давления среды в процессе работы.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется с помощью фигуры, на которой в трех проекциях представлен заявляемый пластинчатый теплообменник, где использованы следующие обозначения: 1 - трубообразный кожух; 2 - фланцы на концах кожуха; 3 - пакет оребренных панелей, в форме прямой шестигранной призмы; 4 - каналы между поверхностями пластин и ребер; 5 - окна во фланце; 6 - окна в боковой стенке кожуха; 7 -переходная камера для подвода нагреваемой среды; 8 - переходная камера для отвода нагреваемой среды; 9 - перегородка.
Предлагаемый теплообменник состоит из трубообразного кожуха 1 с фланцами 2 на концах; размещенного внутри кожуха 1 пакета 3 оребренных панелей. Пакет панелей 3 имеет форму прямой шестигранной призмы. Оребренные панели расположены параллельно плоскости симметрии призмы с образованием между поверхностями пластин и ребер каналов 4. Выходы всех каналов, через которые проходит нагревающая среда, расположены на основаниях пакета 3. Входы всех каналов, через которые проходит нагреваемая среда, расположены на гранях пакета 3. Направления движения сред показаны на фигуре стрелками. Переходные камеры 7, 8 образующие каналы для, соответственно, подвода и отвода нагреваемой среды присоединены к соответствующим окнам 5 и 6.
Нагревающая среда поступает в теплообменник через внутреннее отверстие во фланце, совпадающее с основанием пакета 3, и весь входящий поток попадает в соответствующие каналы пакета. Нагреваемая среда через камеру 7 поступает внутрь кожуха через соответствующее окно 6 в стенке кожуха и весь ее поток попадает в каналы пакета, выходящие на две грани пакета. Перегородка 9 исключает потери нагреваемой среды вследствие перетекания на сторону выхода, обеспечивая практически полное использование входящего потока,
Повышение эффективности достигается за счет того, что число каналов, проводящих нагреваемую среду, пропорциональное суммарной площади граней на которые они выходят, в заявляемой конструкции, при одном и том же диаметре внутренней полости кожуха, на 30% больше, чем у четырехгранной призмы (прототип). Таким образом, при прочих равных условиях, увеличивается эффективность теплообмена. Увеличение площади за счет увеличения количества граней призмы выше шести, не приводит к дальнейшему повышению использования входящего потока. Во-первых, потому, что при этом не происходит существенного увеличения суммарной площади: увеличение количества граней до 8 приводит к дополнительному увеличению площади всего на 7%.
Для максимального заполнения площади поперечного сечения внутренней полости кожуха, диагональ основания пакета (призмы) должна соответствовать внутреннему диаметру кожуха. То есть, сумма: диагональ основания призмы плюс необходимый технологический зазор, должна быть равна диаметру поперечного сечения внутренней полости кожуха. Даже через малые зазоры между ребром пакета и кожухом возможно перетекание нагреваемой среды в полость между гранью призмы, параллельной плоскости симметрии, и стенкой кожуха, минуя проводящие каналы панелей, и далее - к выходу, что приводит к непроизводительным потерям. Наличие перегородок исключает это.
Работает предлагаемый теплообменник так же, как и другие теплообменники подобного назначения. Поток нагревающей среды через входной фланец 2 подается внутрь кожуха 1, проходит через соответствующие каналы пакета 3, отдавая свое тепло стенкам каналов, и через второй фланец 2 выходит из кожуха. Нагреваемая среда входит через окно 5 во входном фланце 2, проходит переходную камеру для подвода нагреваемой среды 7 и через окно 6 в прилежащей к этому фланцу боковой стенке кожуха попадает в соответствующие каналы пакета 3, отбирая тепло от нагретых стенок каналов, и выходит через переходную камеру для отвода нагреваемой среды 8. Входящие потоки нагревающей и нагреваемой сред практически полностью, без потерь попадают и проходят соответствующие каналы панелей пакета оребренных панелей.
2
Примером конкретной реализации предлагаемой полезной модели может служить опытный образец панельного теплообменного аппарата ПТА для судовой энергетической установки с дизелем 8ЧН26/26 мощностью 1250 квт, предназначенный для утилизации тепла выхлопных газов двигателя. ПТА выполнен из трех последовательно соединенных между собой модулей, изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, имеет габариты 650×650×1700 мм, массу 682 кг, площадь теплообмена 22 м. Направление движения сред - встречно перекрестное, количество ходов по нагревающей среде (газу) - 1, количество ходов нагреваемой среде (воде) - 9.
Температура газа на входе в ПТА - 500°С; вода подогревается на 15°С; производительность (количество подогреваемой воды) - 2,5 т/час.
2
Используемые сегодня для тех же целей судовые теплообменники ПРОДЕКС-УТ(ВГ-500) с аналогичными параметрами имеют габариты 600×600×2200 мм, массу порядка 1000 кг, площадь теплообмена 14,8 м (производитель ЗАО «ПРОДЕКС», Санкт-Петербург).