КОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам с неподвижными трубами для двух теплоносителей, расположенными концентрично одна в другой, и может быть использована для охлаждения (нагрева) масла, воздуха, воды и других рабочих сред промышленного оборудования, транспортных машин, аппаратов химического и пищевого машиностроения, конденсации и испарения теплоносителей.
Повышение эффективности теплообменных аппаратов, снижение их массогабаритных показателей и стоимости изготовления является актуальной задачей практически для всех областей машиностроения. Существующие конструкции теплообменников имеют высокую стоимость, недостаточную эффективность и не способны выдерживать большие давления охлаждаемой и охлаждающей сред.
Из уровня техники известен теплообменник, включающий внутреннюю трубу с внутренним и наружным оребрением, снабженную осевыми подводящим и отводящим патрубками, и коаксиальную ей внешнюю трубу с коллекторами, соединенными с радиальными подводящим и отводящим патрубками (см. патент EP 2363675, кл. F28D 7/10, опубл. 07.09.2011). Основным недостатком известного устройства является недостаточная интенсивность теплообмена между теплоносителями во внешней и внутренней трубах.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы теплообменника, расширении диапазона рабочих давлений и снижении стоимости изготовления. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в теплообменнике, включающем внутреннюю трубу с внутренним и наружным оребрением, снабженную осевыми подводящим и отводящим патрубками, и коаксиальную ей внешнюю трубу с коллекторами, соединенными с радиальными подводящим и отводящим патрубками, оребрение внутренней трубы выполнено перпендикулярно продольной оси устройства, а коллекторы расположены диаметрально-противоположно относительно этой оси вдоль всего оребрения. Внутренняя труба может быть образована двумя плотно прижатыми друг к другу трубами, одна из которых имеет внутреннее оребрение, а другая - внешнее. Коллекторы внешней трубы могут быть выполнены в виде продольного паза на внутренней поверхности внешней трубы или во внешнем оребрении внутренней трубы. Оребрение может иметь периодические разрывы по своей длине с образованием структуры, похожей на штырьковую, увеличивая площадь теплообмена и турбулизируя поток.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого теплообменника;
на фиг.2 - его поперечное сечение;
на фиг.3 - укрупненный участок B на фиг.2.
Теплообменник относится к рекуперативным двухпоточным теплообменным аппаратам типа “труба в трубе” с принудительной циркуляцией, предназначенным для различных теплоносителей при сохранении работоспособности теплообменника в случае изменения их фазового состояния. Принцип повышения эффективности теплообмена между двумя теплоносителями в заявляемом теплообменнике основан на разбиении каналов каждого из теплоносителей на множество параллельных микроканалов прямоугольного сечения.
Теплообменник представляет собой внутреннюю трубу 1 с внутренним и наружным оребрением 2, расположенную в коаксиальной ей внешней трубе 3. Оребрение 2 внутренней трубы выполнено перпендикулярно продольной оси устройства. Оребрение 2 может иметь периодические разрывы по своей длине, образуя структуру, похожую на штырьковую. Внутренняя труба 1 может быть также образована двумя плотно прижатыми друг к другу трубами, одна из которых имеет внутреннее оребрение, а другая - внешнее. Труба 1 снабжена осевыми подводящим 4 и отводящим 5 патрубками. Труба 3 снабжена коллекторами 6 и 7, соединенными соответственно с радиальными подводящим 8 и отводящим 9 патрубками. Коллекторы 6 и 7 расположены диаметрально-противоположно относительно продольной оси устройства и простираются вдоль всего оребрения 2. Коллекторы 6 и 7 также могут быть выполнены в виде продольного паза на внутренней поверхности внешней трубы или во внешнем оребрении внутренней трубы.
Предлагаемый теплообменник работает следующим образом.
Один из теплоносителей поступет через подводящий патрубок 8 и попадает в продольно расположенный коллектор 6. Коллектор 6 имеет ограниченную ширину и сообщается с наружной поверхностью двусторонне-оребренной трубы 1. Теплоноситель из продольного коллектора 6 через паз ограниченной ширины попадает в межреберный зазор наружного оребрения 2 трубы 1 и двигается по частям окружности межреберных зазоров, огибая трубу в обоих направлениях до выхода в коллектор 7, откуда отводится через патрубок 9. Проходя через теплообменные каналы, теплоноситель отдает тепло боковым стенкам ребер 2, откуда тепловой поток передается внутренним ребрам 2 и отводится другим теплоносителем через боковые стенки ребер.
Контур второго теплоносителя имеет принцип организации движения, подобный движению теплоносителя в первом контуре. Через подводящий патрубок 4 второй теплоноситель попадает в продольный внутренний коллектор, который обеспечивает вход второго теплоносиеля в межреберный зазор оребрения 2 на внутрунней поверхности двусторонне-оребренной трубы 1. Коллектор также имеет ограниченную ширину и обеспечивает подвод второго телоносителя ко всем межреберным зазорам оребрения. Второй теплоноситль также проходит по межреберным зазорам внутреннего оребрения, попадая в сливной коллектор, сообщающийся с отводящим патрубком 5.
В большинстве существующих конструкций площади поверхностей теплообмена для обоих контуров не одинаковы. Это значительно снижает суммарный коэффициент теплопередачи теплообменника. Для данной конструкции этот недостаток устранен. Микроканалы между оребрением выполнены на внутренней и наружной стороне трубы 1, обеспечивая большую суммарную площадь поверхности теплообменника. Система коллекторов и обечаек обеспечивает движение теплоносителей в щелевых каналов. Вся конструкция теплообменника размещается в цилиндрическом корпусе (основой которого является труба 3) способном выдерживать большие давления охлаждаемых сред.
2
2
2
Предлагаемый теплообменник имеет площадь поверхности теплообмена не менее 0,15 м на килограмм веса (развитие площади поверхности теплообмена методом деформирующего резания до 10 раз); коэффициент теплопередачи не менее 800 Вт/(м·К) (режим ”жидкость-жидкость”, ”жидкость-газ”); производительность метода деформирующего резания не менее 0,02 м теплообменной поверхности в минуту.
2
3
Получение щелевых каналов методом деформирующего резания определяет высокую технологичность конструкции, а следовательно его низкую себестоимость, а также безотходность и экологическую чистоту процесса. Предлагаемая конструкция и технология изготовления теплообменников позволят изготавливать различные типоразмеры теплообменников из таких материалов как медь, алюминий, титан, коррозионно-стойкие стали. Конструкции теплообменников могут быть с габаритами от ϕ 20 и длины 50 мм до ϕ 80×300 мм с коэффициентом компактности не менее 500 м/м, работающие при давлениях до 6 МПа, тепловых нагрузках до 30 кВт, в температурном диапазоне - 40…+300°C.
Теплообменники обеспечивают охлаждение или нагрев сжатого газа, пара, и жидкостей при любых сочетаниях теплоносителей.
2
Данная идея проверена на теплообменнике с 400 микроканалами для каждого теплоносителя, работающих параллельно, с размером единичного канала 1,0×3,0×60 мм. Суммарная площадь поверхности теплообмена составила 0,37 м;
- диаметр корпуса теплообменника 60 мм при его длине 270 мм;
- допускаемое давление теплоносителей 1,6 МПа;
- эквивалентный проходной диаметр теплообменника для каждого контура составляет 25 мм.