Воздухо-воздушный теплообменный аппарат
AIR-TO-AIR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано, в частности, в области авиадвигателестроения в системах охлаждения воздуха и газа газотурбинных двигателей.
Известен воздухо-воздушный теплообменный аппарат, имеющий кольцевую форму, состоящий из нескольких теплообменных модулей, установленных под углом к набегающему потоку воздуха и представляющих собой конструкцию из нескольких трубок (патент RU №2488710, опубл. 27.07.2013 г.).
Недостатком известного теплообменного аппарата является низкий коэффициент эффективности теплообмена, заключающийся в использовании пучка трубок с неравномерным коэффициентом теплопередачи к наружному (холодному) воздуху, вызывающему неэффективное использование наружной поверхности трубок, также в отсутствии интенсификации течения по внутреннему (горячему) и наружному (холодному) контуру.
Задача настоящего изобретения заключается в устранении перечисленных недостатков прототипа.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявленного изобретения, являются увеличение эффективности теплообмена с сохранением уровня гидравлических потерь во внутреннем и наружном контуре и снижение пульсации колебаний воздуха (газа) наружного контура.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном воздухо-воздушном теплообменном аппарате, имеющем кольцевую форму, состоящем из нескольких теплообменных модулей, установленных под углом к направлению потока воздуха и представляющих собой конструкцию из нескольких трубок, согласно изобретению, каждый из теплообменных модулей выполнен в виде нескольких пар концентрических U-образных трубок овальной формы, собранных зацело, большая ось овальных трубок направлена вдоль направления потока наружного воздуха, а отношение длины большой оси овала к малой оси овала выполнено в диапазоне 1:5-1:100, причем U-образные овальные трубки снабжены интенсификаторами течения воздуха в виде системы ребер наружной и внутренней поверхности овальных трубок.
Концентрические U-образные овальные трубки могут быть выполнены в виде гофрированных поверхностей.
Концентрические U-образные овальные трубки воздухо-воздушного теплообменного аппарата могут быть собраны зацело при помощи нескольких рядов шпилек с промежуточными кольцами.
Концентрические U-образные овальные трубки могут быть собраны зацело при помощи наружных ребер методом сварки или выращены совместно методом аддитивной технологии.
Концентрические U-образные трубки овальной формы позволяют компактно разместить теплообменный аппарат в конструкции с заданными габаритами, обеспечивают плавность протекания воздуха внутреннего контура, снижают пульсации колебаний воздуха наружного контура.
Большая ось овальных трубок, направленная вдоль направления потока наружного воздуха, обеспечивает плавность обтекания воздухом наружного контура, обеспечивает заданный расход воздуха внутреннего контура.
При выборе отношения длины большой оси овала к малой оси овала в диапазоне 1:5-1:100, соотношение 1:5 - минимальное эффективное при заданном расходе воздуха внутреннего контура, уменьшающее осевой габаритный размер (вдоль большой оси овальных трубок) теплообменного аппарата. Соотношение 1:100 - максимальное при заданном расходе воздуха внутреннего контура, при котором достигается наибольший коэффициент эффективности теплообмена без превышения допустимого гидравлическом сопротивлении воздуха наружного контура.
Использование интенсификаторов течения воздуха в виде системы ребер наружной и внутренней поверхности овальных трубок увеличивает коэффициент эффективности теплообмена, способствует увеличению прочности и жесткости теплообменного аппарата.
Выполнение U-образных овальных трубок в виде гофрированных поверхностей, увеличивает коэффициент эффективности теплообмена, способствует увеличению жесткости теплообменного аппарата и снижению пульсации колебаний воздуха наружного контура.
Для организации отвода охлаждаемого воздуха имеется выходной собирающий патрубок.
Для обеспечения надежной работы теплообменных модулей между теплообменниками могут быть установлены демпфирующие элементы, гасящие колебания конструкции.
На рис. 1 и 2 представлена принципиальная схема воздухо-воздушного теплообменника.
Воздухо-воздушный теплообменный аппарат состоит из нескольких пар концентрических U-образных овальных трубок 1, выполненных в виде гладкой или гофрированной (на чертеже не показано) поверхности и расположенных под острым углом α к направлению потока наружного воздуха, снабженных системой ребер 2, расположенной на наружной поверхности U-образных овальных трубок, омываемой охлаждающим воздухом, и системой ребер 3, расположенной на внутренней поверхности U-образных овальных трубок, омываемой охлаждаемым воздухом. U-образные овальные трубки собраны в пакет на фланце 4 крепления к перфорированному корпусу 5 и стянуты между собой шпилькой 6 с применением промежуточных колец 7. Между блоками теплообменного аппарата расположены демпфирующие элементы 8. Охлажденный воздух на выходе из теплообменного аппарата проходит через выходной собирающий патрубок 9.
Устройство работает следующим образом.
Горячий воздух (газ) внутреннего контура через перфорированный корпус 5 проходит внутри концентрических U-образных овальных трубок 1 теплообменного аппарата и охлажденным выходит через собирающий патрубок 9. Теплопередача от горячего воздуха (газа) внутреннего контура к металлу стенки осуществляется внутри концентрических U-образных овальных трубок 1, благодаря системе ребер 3, расположенной на внутренней поверхности U-образных овальных трубок. Теплопередача от металла стенки к холодному воздуху наружного контура осуществляется снаружи концентрических U-образных овальных трубок 1, благодаря системе ребер 2, расположенной на наружной поверхности U-образных овальных трубок. Холодный воздух (газ) наружного контура при обтекании снаружи концентрических U-образных овальных трубок 1 нагревается. Система ребер 2, расположенная на наружной поверхности U-образных овальных трубок, построена таким образом, что разрушает пульсации колебаний воздуха (газа) наружного контура.
При реализации заявленного воздухо-воздушного теплообменного аппарата увеличивается эффективность теплообмена с сохранением уровня гидравлических потерь во внутреннем и наружном контуре и снижаются пульсации колебаний воздуха (газа) наружного контура.