ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменным устройствам, в которых теплоносители не вступают в непосредственный контакт друг с другом, и может быть применена для использования части теплоты выхлопного газа в регенеративном цикле газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель имеет температуру выхлопных газов до 500°С при минимальном избыточном давлении (не более 10 кПа). Эффективная утилизация тепла снижает абсолютную температуру газа в два раза с почти пропорциональным уменьшением объемного расхода горячего теплоносителя. В тоже время задача повышения топливной экономичности регенеративного газотурбинного двигателя требует разрешения компромисса между тепловой эффективностью теплообменника, гидравлическими потерями для обоих теплоносителей по отдельности (наиболее важны гидравлические потери по газу) и размерами теплообменника.
В пластинчатых противоточных теплообменниках, как правило, для повышения эффективности теплообмена рабочая (теплообменная) поверхность пластины выполнена с выштамповками в виде сфер, конусов или гофров. При этом выштамповки, кроме турбулизации потока, увеличивающей удельную (на единицу площади) теплопередачу, обеспечивают повышение плотности упаковки теплопередающей поверхности на единицу объема теплообменника.
Известен теплообменник, содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками, распределительной и сборной камерами, ограниченными плоскими торцевыми и цилиндрическими боковыми стенками и установленную в корпусе теплообменную матрицу. Матрица состоит из пластин со штампованными гофрами. Пластины соединены между собой попарно по периферийным кромкам с образованием каналов для обеих сред, ограниченных поверхностями из взаимоперекрещивающихся гофр (патент США №4293033, НКИ 165/166, опублик. 1986). Теплообменник позволяет утилизировать тепло выхлопных газов энергетической установки. Однако эффективность теплообмена в такой конструкции невелика в связи с неравномерным распределением скоростей теплоносителей по каналам матрицы.
Известен пластинчатый теплообменник, состоящий из пластин с выштамповками окон и гофр, образующих в сборе теплообменные каналы, входные и выходные коллекторы для обеих сред (патент США №4432415, НКИ 165/166, опубл. 1984). Теплообменник позволяет уменьшить потери тепла, но имеет теплообменные каналы значительных габаритов.
В качестве наиболее близкого аналога выбран пластинчатый противоточный теплообменник (Авторское свидетельство СССР №1829559, МПК F28F 3/08, опубл. 1996). Теплообменник содержит скрепленный пакет из соединенных попарно с образованием теплообменных комплектов параллельных пластин, снабженных опорными выступами и разграничительными выштамповками, расположенными на среднем и концевом участках под разным углом с образованием каналов. Гофры пластин в комплекте контактируют вершинами между собой и образуют канал одного теплоносителя с входом и выходом. Гофры смежных пластин соседних комплектов образуют противоточный канал другого теплоносителя с входом и выходом. Теплообменник обладает высокой теплопередающей способностью в начале канала горячего теплоносителя, которая снижается по ходу канала из-за охлаждения обоих теплоносителей, что приводит к снижению объемного расхода и, в конечном счете, к снижению скорости в канале постоянного сечения.
В основу полезной модели положено решение задачи уменьшения габаритов теплообменника за счет выравнивания скорости потоков горячего и холодного теплоносителей при изменении объемных расходов теплоносителей по длине каналов.
Поставленная задача решается тем, что пластинчатый теплообменник содержит скрепленный пакет параллельных пластин, снабженных выштамповками гофр. Смежные пластины контактируют друг с другом вершинами гофр и формируют попеременно противоточные каналы холодного и горячего теплоносителей.
Новым в полезной модели является то, что каналы холодного и горячего теплоносителей расположены под углом друг к другу. Каждый гофр имеет вид волны переменного шага. Причем для горячего теплоносителя шаг волны уменьшается от входа к выходу канала.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, а именно:
- расположение каналов холодного и горячего теплоносителей под углом друг к другу снижает остывание пристеночного слоя теплоносителей, что обеспечивает сохранение высокой интенсивности теплопередачи между теплоносителями и уменьшает длину каналов;
- выполнение каждого гофра в виде волны переменного шага позволяет подобрать заданный режим течения теплоносителей по длине каналов и обеспечить наибольшую теплопередачу между теплоносителями в смежных каналах, что позволяет уменьшить длину каналов;
- уменьшение шага волны позволяет увеличить плотность упаковки части теплообменной поверхности и уменьшить габариты теплообменника.
Развитие совокупности существенных признаков полезной модели для частного случая се выполнения заключается в том, что шаг волны гофр для каждого канала горячего теплоносителя может изменяться по длине пропорционально квадрату отношения объемного расхода газа в данной точке к объемному расходу на входе в канал. Это позволяет выровнять скорость потока горячего теплоносителя. В прототипе (авторское свидет. СССР №1829559) при постоянном сечении каналов скорость потока горячего теплоносителя на выходе в два раза ниже скорости на входе, что приводит к значительному снижению теплопередачи. В предлагаемом решении скорость потока постоянна по ходу канала теплоносителя, что позволяет уменьшить длину теплообменника более чем на 25 процентов.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы пластинчатого теплообменника со ссылкой на фиг.1-3, где:
на фиг.1 схематично изображен продольный разрез пластинчатого теплообменника;
на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - выносной элемент Б на фиг.2.
Пластинчатый теплообменник содержит скрепленный пакет металлических параллельных пластин 1 и 2 (см. фиг.1-3), снабженных соответственно выштамповками гофр. Смежные пластины 1 и 2 контактируют друг с другом вершинами гофр и формируют попеременно противоточные каналы 3 холодного и 4 горячего теплоносителей (каналы 3 холодного теплоносителя на фиг.3 заштрихованы). Канал 3 холодного и канал 4 горячего теплоносителей расположены под углом друг к другу. Каждый гофр имеет вид волны переменного шага от входа к выходу каналов 3 и 4. Для горячего теплоносителя шаг волны уменьшается от входа к выходу каналов 4. Соответственно для холодного теплоносителя шаг волны увеличивается от входа к выходу каналов 3.
Работа теплообменника заключается в том, что холодный теплоноситель, например воздух, протекает в волнообразных каналах 3. Горячий теплоноситель, например, в виде нагретых до 500°С продуктов сгорания газотурбинного двигателя, протекает в противоположном направлении в волнообразных каналах 4. Разный шаг волны гофра на разных участках теплообменника задает требуемую по условиям теплообмена скорость теплоносителя, обеспечивая оптимальную эффективность теплообменника.
Уменьшение габаритов пластинчатого теплообменника при сохранении эффективности подтверждается расчетом его гидравлических потерь при работе в сравнении с гидравлическими потерями прототипа.