УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ СТЕНКОЙ И ПОТОКОМ СРЕДЫ
DEVICE FOR HEAT EXCHANGE BETWEEN WALL AND MEDIUM FLOW

Область техники
Техническое решение относится к теплообменным устройствам с пористыми проницаемыми деталями, в которых подвод (или отвод) тепла в эту деталь осуществляется теплопроводностью от непроницаемой теплообменной (нагреваемой или охлаждаемой) стенки. Контакт стенки с пористой деталью имеет минимальное тепловое сопротивление. Поток среды, проходя по пористой структуре, нагревается, охлаждая стенку, или охлаждается, нагревая ее. Такое решение пригодно к использованию в системах охлаждения теплонапряженных конструкций. Это могут быть, например, лопатка газовой турбины или сверхзвуковое газовое сопло. Возможно применение в теплообменных аппаратах, парогенераторах, в криогенном оборудовании и других агрегатах, где имеет место теплообмен между потоком среды и непроницаемой стенкой.
Уровень техники
В теплообменной стенке ее поверхность покрыта слоем пористого проницаемого материала, имеющего каналы для теплоносителя, которым является поток газа или жидкости (Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов/ В.М.Поляев, В.А.Майоров, Л.Л.Васильев. - М.: Машиностроение, 1988).
Теплообменный элемент выполнен в виде трубы с пористыми насадками, расположенными внутри и с внешней стороны. Насадки имеют продольные отверстия, открытые с одного конца и закрытые с другого (А.с. СССР №1193429, F28F 1/42).
Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком этого технического решения является большая масса пористых насадок.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой предложенным устройством, является снижение массы конструкции.
Устройство для теплообмена между стенкой и потоком среды состоит из теплообменной непроницаемой стенки и соединенной с ней детали, выполненной из пористого проницаемого материала. В этой детали есть отверстия, которые ориентированы вдоль потока и сообщаются с элементом для подвода или отвода среды. Отверстия открыты с одной стороны и закрыты с противоположного торца.
По изобретению пористая проницаемая деталь выполнена в виде складчатой или волнистой (гофрированной) проставки, состоящей из контактных площадок и теплообменных ребер. Контактные площадки соединены со стенкой. Отверстия образованы ребрами проставки и стенкой. В поперечном сечении они являются фигурными. Проставка в зоне контактной площадки имеет диаметр пор меньший, чем в области ребра.
Устройство снабжено дополнительной непроницаемой стенкой, которая соединена с проставкой через дополнительные контактные площадки. Они выполнены на противоположной стороне ребер. Проставка и дополнительная стенка формируют каналы, которые открыты с одной стороны, сообщаются с элементом (коллектором) для отвода или подвода среды и закрыты с противоположного конца. Проставка в зоне дополнительной контактной площадки имеет диаметр пор меньший, чем в области ребра.
Проставка в зоне контактной площадки имеет переменный по толщине диаметр пор. Этот параметр уменьшается по направлению к стенке, соединенной с проставкой.
Проставка в зоне контактной площадки имеет меньшую пористость, чем в области ребра.
Проставка в зоне контактной площадки имеет меньшую толщину, чем в области ребра.
Проставка в зоне контактной площадки имеет переменную толщину, которая уменьшается по направлению к центру этой площадки.
Торец проставки наклонен к теплообменной стенке под острым углом.
Проставка имеет переменное расстояние между соседними контактными площадками в плоскости, перпендикулярной оси фигурного отверстия или канала. Переменным является расстояние между соседними, связанными с одним ребром, контактными площадками в направлении, перпендикулярном теплообменной стенке. Это эквивалентно переменной высоте ребра. Расстояние между соседними контактными площадками в направлении вдоль теплообменной стенки по образующей (расстояние между гребнями или впадинами волны, или шаг гофр) также может быть переменным.
Контактная площадка проставки имеет переменную ширину, то есть - переменный размер в плоскости, перпендикулярной оси фигурного отверстия или канала, в направлении вдоль теплообменной стенки по образующей.
Толщина ребра проставки является переменной в направлении продольной оси фигурного отверстия или канала.
Диаметр пор ребра является переменным в направлении продольной оси фигурного отверстия или канала.
Пористость ребра является переменной в направлении продольной оси фигурного отверстия или канала.
Ребро проставки имеет переменную по толщине пористость.
Ребро проставки имеет переменный по толщине диаметр пор.
Теплообменная стенка соединена с несколькими проставками, которые имеют различные толщину, длину, количество контактных площадок, диаметр пор и пористость.
Контактная площадка соединена со стенкой посредством сварки.
Контактная площадка соединена со стенкой посредством соприкасающегося паяного соединения.
На одном из торцов фигурного отверстия установлена крышка.
На одном из торцов канала установлена крышка. Одна из крышек, закрывающих торец фигурного отверстия или канала, расположена со стороны элемента для подвода потока среды, а другая - со стороны элемента для отвода потока среды.
Крышка, закрывающая торец фигурного отверстия, является проницаемой. При этом ее гидравлическое сопротивление превышает входное или выходное гидравлическое сопротивление противоположного торца этого отверстия. Это значит, что в крышке, например, может быть небольшое по площади (в сравнении с площадью поперечного сечения фигурного отверстия) дросселирующее отверстие. Кроме того, крышка может быть выполнена, например, из проницаемого пористого материала.
Крышка, закрывающая торец канала, является проницаемой. При этом ее гидравлическое сопротивление превышает гидравлическое сопротивление противоположного торца этого канала, выходное или входное. Это значит, что в крышке, например, может быть небольшое по площади (в сравнении с площадью поперечного сечения канала) дросселирующее отверстие. Кроме того, крышка может быть выполнена, например, из проницаемого пористого материала.
Проставка выполнена в виде спрессованного и спеченного пакета, составленного из пористых проницаемых листов.
Проставка выполнена в виде пакета, который составлен из пористых проницаемых листов, имеющих различные размеры, то есть - толщину, длину и ширину.
Проставка выполнена в виде пакета, который составлен из пористых проницаемых листов, имеющих различную пористость.
Проставка выполнена в виде пакета, который составлен из пористых проницаемых листов, имеющих различный диаметр пор.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение будет подробно рассмотрено на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает продольный разрез электрического нагревателя газа;
фиг.2 изображает сечение по А-А фиг.1;
фиг.3 изображает разрез по В-В фиг.1 в уменьшенном масштабе (фланец поз.3 не показан);
фиг.4 изображает разрез по С-С фиг.1 в уменьшенном масштабе (фланец поз.2 не показан);
фиг.5 изображает разрез по F-F фиг.2;
фиг.6 изображает выноску I фиг.2 в увеличенном масштабе;
фиг.7 изображает вариант выноски I фиг.2 в увеличенном масштабе;
фиг.8 изображает поперечный разрез теплообменника;
фиг.9 изображает разрез по G-G фиг.8;
фиг.10 изображает разрез по Н-Н фиг.8;
фиг.11 изображает продольный разрез цилиндрического теплообменника;
фиг.12 изображает разрез по J-J фиг.11;
фиг.13 изображает продольный разрез охлаждаемого сверхзвукового сопла;
фиг.14 изображает вид по стрелке К фиг.13 в увеличенном масштабе;
1
1
фиг.15 изображает сечение по К-К фиг.13 в увеличенном масштабе;
2
2
фиг.16 изображает разрез по K-K фиг.13 в увеличенном масштабе;
3
3
фиг.17 изображает сечение по К-К фиг.13;
4
4
фиг.18 изображает разрез по К-К фиг.13;
5
5
фиг.19 изображает сечение по K-K фиг.13;
фиг.20 изображает поперечное сечение охлаждаемой лопатки газовой турбины;
фиг.21 изображает разрез по М-М фиг.20;
фиг.22 изображает разрез по L-L фиг.20;
фиг.23 схематически изображает поперечное сечение проставки.
Осуществление изобретения
На фиг.1-23 представлены лучшие варианты осуществления изобретения.
Электрический нагреватель газа (фиг.1-7) состоит из цилиндрической непроницаемой теплообменной стенки 1, которая соединена с фланцами 2, 3, предназначенными для крепления нагревателя в более крупный узел (этот узел на фиг. 1-7 не показан). Нагреватель 4 расположен внутри стенки 1. Подключение нагревателя к источнику электрического тока на фиг.1-7 не показано. Проставка 5 установлена на внешней стороне стенки 1. Она выполнена из листового проницаемого пористого материала и состоит из волн (складок или гофр), каждая из которых содержит контактную площадку 6 и ребро 7 (фиг.2). Контактные площадки 6 соединены со стенкой 1. С противоположной стороны ребер 7 имеются дополнительные контактные площадки 8. Ребра 7, площадки 8 и стенка 1 образуют серию фигурных отверстий 12 (фиг.1-3), предназначенных для потока газа, обозначенного стрелками 13. Отверстия 12 открыты со стороны входа 14 потока 13. Противоположные торцы отверстий 12 закрыты крышкой 15 (фиг.1, 4). Входы 14 сообщаются с коллектором 17 для подвода газа.
С наружной стороны проставки 5 (фиг.1-5) имеется непроницаемая стенка 21, которая соединена с дополнительными контактными площадками 8. Стенка 21 и проставка 5 образуют каналы 22 (фиг.2-5). Они открыты для выхода потока 13 (со стороны крышки 15) и закрыты для входа потока крышкой 23 (со стороны входа 14 отверстий 12). Выходы 24 (фиг.5) сообщаются с коллектором 25, предназначенным для отвода нагретого газа.
P
P
P1
P
Контактные площадки 6, 8 (фиг.7, 6) частично размещены в продольных пазах, которые имеются в стенках 1, 21, и соединены с этими стенками посредством соприкасающегося паяного соединения. При изготовлении нагревателя расплавленный припой 26 под действием капиллярных сил перемещается в участки с меньшим диаметром пор и сосредотачивается в зазорах между контактными площадками и соответствующими стенками, а также - в зонах 27, где материал проставки 5 имеет меньший диаметр пор D, чем в области ребер. При этом ребра 7 остаются проницаемыми для потока газа. Возможны варианты изменения структурных характеристик пористого материала в зонах 27. На диаграмме 32 (фиг.6) показано, что в сравнении с ребрами 7 контактные площадки 6, 8 имеют меньший средний диаметр пор D и меньшую среднюю пористость Р. Диаметр пор D меняется по толщине в зоне 27 контактной площадки 8, что иллюстрирует диаграмма 33. Он уменьшается по направлению к стенке 21. При пайке припой 26 движется в этом направлении. Это позволяет уменьшить пропитанный припоем объем зон 27. Аналогично изменяется диаметр пор по толщине проставки 5 в зонах 27 контактных площадок 6. Уменьшение диаметра пор D (и пористости Р) в зонах 27 можно реализовать путем уменьшения толщины Н проставки 5 в этих зонах с помощью, например, дополнительной деформации. Величина Н уменьшается по направлению к центру 34 контактной площадки, как показано на диаграмме 35 (фиг.7).
Теплообменник (фиг.8-10) состоит из непроницаемой теплообменной стенки 40 и приваренной к ней пористой проницаемой проставки 41. Контактная сварка осуществлена в зонах 42. Толщина, пористость и диаметр пор проставки в этих зонах в результате деформации минимальны. С противоположной стороны стенка 40 соединена со складчатой проставкой 43, имеющей пористую проницаемую структуру. При этом применена пайка. Припой заполняет зоны 44, что определено минимальным диаметром пор в них, и соединяет проставку 43 со стенкой 40. Ребра проставки 43 имеют переменные по толщине диаметр пор и пористость. В центральной части листа расположен слой 45 с меньшими в сравнении со слоями 46, 47 пористостью и диаметром пор. Это определяет большее гидравлическое сопротивление слоя 45. Проставки 41, 43 размещены в корпусе 48, который разделен стенкой 40 на две герметичные полости. Патрубки 51, 52 предназначены для подвода и отвода охлаждаемого газа соответственно. Патрубок 53 служит для подвода нагреваемой жидкости, а патрубок 54 - для отвода ее пара.
Проставка 41 образует со стенкой 40 фигурные отверстия 61, а совместно с корпусом 48 - каналы 62. С торцов проставка 41 закрыта крышками 63 и 64, которые имеют окна 65 со стороны входа в фигурные отверстия 61 и окна 66 со стороны выхода из каналов 62. Выходы отверстий 61 и входы каналов 62 закрыты.
Проставка 43 образует со стенкой 40 фигурные отверстия 71, а совместно с корпусом 48 - каналы 72. С торцов проставка 43 закрыта крышками 73 и 74, которые имеют окна 75 со стороны входа в каналы 72 и окна 76 со стороны выхода из отверстий 71. Входы отверстий 71 и выходы каналов 72 закрыты. Площадь окна мало отличается от площади поперечного сечения соответствующего фигурного отверстия или канала.
1
Цилиндрический теплообменник (фиг.11, 12) содержит непроницаемую теплообменную стенку 81, соединенную с волнистыми проставками 82, 83. Их торцы наклонены к стенке 81 под острыми углами α, β, γ, φ и закрыты крышками 84 - 87. Корпус теплообменника состоит из обечайки 88 и фланцев 91, 92. Проставки припаяны к стенке 81 и обечайке 88 в зонах контактных площадок 77-79. Толщина H проставки 82 в зонах площадок 77, 78 минимальна. Это достигнуто дополнительной деформацией проставки 82, что обуславливает минимальный диаметр пор (и пористость) и определяет расположение припоя в зонах контактных площадок. На участках контактных площадок 79 минимум диаметра пор обеспечен изготовлением проставки 83 из пакета листов, имеющих различные размеры и структурные характеристики. Коллекторы 93, 94 служат для отвода и подвода нагреваемого газа. Коллектор 95 и патрубки 96, 97 предназначены для подвода и отвода охлаждаемого газа. Крышка 84 имеет окна на выходе из каналов 101 и дросселирующие отверстия 102 на выходе из фигурных отверстий 103. Крышка 85 имеет окна 104 на входе в фигурные отверстия 103 и дросселирующие отверстия 105 на входе в каналы 101. Крышка 86 имеет окна 107 на входе в фигурные отверстия 108. Крышка 87 выполнена из пористого проницаемого материала. Проходное сечение окна совладает с проходным сечением соответствующего канала или фигурного отверстия. Площадь дросселирующих отверстий 102, 105 на крышках 84, 85 меньше площади окон на входе в фигурные отверстия 103 и выходе из каналов 101 или меньше площади поперечных сечений отверстий 103 и каналов 101 соответственно. Гидравлическое сопротивление отверстий 102,105 сильно превышает гидравлическое сопротивление входа в фигурные отверстия 103 и выхода из каналов 101 соответственно.
r
p
r
Si
S1
S2
Si
S1
S2
1
3
Охлаждаемое сверхзвуковое сопло (фиг.13-19) состоит из теплообменной 121 и наружной 122 стенок. Волнистые пористые проницаемые проставки 123-126 размещены в зазоре между этими стенками. Проставки соединены со стенками в зонах контактных площадок. Для этого используется пайка высокотемпературным припоем. Проставки 123, 124, 126 имеют различную толщину d, а для проставки 125 этот параметр уменьшается вдоль продольной оси фигурного отверстия или канала, которые предназначены для охлаждающего потока, показанного на фиг.13, 15, 16 стрелками 128. Диметр пор проставок 123-126 и их пористость различны. Фигурные отверстия 129 и каналы 130 образованы проставкой 123 со стенками 121, 122 соответственно. В плоскости, перпендикулярной оси фигурных отверстий 129 или каналов 130 (в плоскости сечения или разреза, показанных на фиг.15, 16), проставка 123 имеет переменные размеры: высоту ребра 127 H и длину контактной площадки 132 L. Высота ребер 127 H увеличивается по направлению продольной оси фигурных отверстий 129, по стрелке 128. Это компенсирует изменение тепловых потоков от текущего горячего газа, который показан стрелками 129, к стенке 121. Расстояние между контактными площадками t проставок 123 -125 также меняется вдоль продольной оси фигурных отверстий, образованных соответствующими проставками. Проставки 123, 124, 126 имеют различное число контактных площадок, что определяется переменным диаметром сопла D (на фиг.13 показаны два значения этого диаметра D и D). Целесообразно, чтобы отношение диаметров сопла D (D/D) для одной проставки не было намного больше двух. Длины L-L проставок 123-125 различны.
Крышки 137-143 закрывают наклонные торцы проставок 123-126. Коллекторы для подвода и отвода охладителя расположены со стороны крышек 137 и 144 (на фиг.13-19 не показаны). Крышка 137 (фиг.14) имеет окна 151, контур и площадь которых практически совпадают с контуром и площадью поперечного сечения фигурных отверстий 129, и дросселирующие отверстия 153, площадь которых намного меньше площади каналов 130. В крышке 138 (фиг.16) имеются дросселирующие отверстия 145, которые сильно уменьшают площадь выходного сечения фигурных отверстий 129, и окна 146, контур и площадь которых практически совпадают с контуром и площадью поперечного сечения каналов 130. Аналогично выполнены окна на входе в фигурные отверстия, образованные проставками 124-126 и дросселирующие отверстия на выходе, а также - дросселирующие отверстия на входе в соответствующие каналы и окна на выходе из них. В крышке 144 выполнены только окна.
1
2
3
4
5
r
r1
r2
r
P
Лопатка газовой турбины (фиг.20-22) состоит из стенки 160 и внутреннего силового каркаса 161. Стенка 160 соединена с каркасом 161 через гофрированную проницаемую пористую проставку 162, которая состоит из контактных площадок 163,164 и ребер 165. Фигурные отверстия 167 и каналы 168 образованы проставкой 162, стенкой 160 и каркасом 161 соответственно. Проставка 162 имеет переменное расстояние t между контактными площадками 163 или 164 (t<t<t; t<t). Высота ребер 165 H (H<H) также переменна. Это обусловлено различными тепловыми потоками со стороны текущего газа, который показан стрелками 171. Размеры t и H определены в плоскости, перпендикулярной продольной оси фигурных отверстий 167 или каналов 168, то есть - в плоскости поперечного сечения лопатки (фиг.20). Фигурные отверстия 167 служат для входа охлаждающего газа, который на фиг.20-22 обозначен стрелками 172, а каналы 168 - для выхода. Узлы для подвода и отвода газа 172 на фиг.20-22 не показаны. Толщина проставки d изменяется вдоль продольной оси фигурного отверстия 167 (по стрелке 172). В том же направлении меняется диаметр пор D и пористость Р, что показано на диаграмме 175. В итоге, гидравлическое сопротивление ребра 165, которое зависит от толщины, пористости и диаметра пор, меняется таким образом, чтобы расход газа 172 через него соответствовал тепловым потокам от газа 171.
1
3
Проставка (фиг.23) выполнена в виде спрессованного и спеченного пакета пористых проницаемых листов 181-183. Они изготовлены из тканой металлической сетки, имеют различную толщину H-Н, а также - различные структурные параметры (пористость и диаметр пор). Ширина листов 183 Q меньше ширины листов 181, 182. Листы 183 расположены в зонах контактных площадок. После прессования деформация в зонах расположения листов 183 будет больше, что обусловит меньший диаметр пор. Этот фактор необходим и достаточен для образования паяного соединения контактных площадок с соответствующими стенками.
Работа устройства
Нагреватель 4 (фиг.1-7) выделяет тепло при прохождении электрического тока. Тепло передается контактным площадкам 6 через стенку 1 и припой 26. Затем нагреваются ребра 7. Газ 13 поступает через коллектор 17. Так как выходы фигурных отверстий 12 закрыты крышкой 15, то газ проходит через проницаемые ребра 7, нагревается, поступает в каналы 22 и выходит через коллектор 25.
В теплообменнике (фиг.8-10) нагревающий газ, который показан стрелками 67, поступает в фигурные отверстия 61 через патрубок 51 и окна 65. Пройдя через ребра проставки 41, он охлаждается и по каналам 62 через окна 66 выходит из патрубка 52. Нагреваемая жидкость (показана стрелками 68) поступает через патрубок 53 и окна 75 в каналы 72 и далее - в ребра проницаемой проставки 43. Жидкость нагревается в слое 46 и испаряется в слое 45. Далее пар нагревается в слое 47, поступает в фигурные отверстия 71 и через окна 76 и патрубок 54 выходит.
В цилиндрическом теплообменнике (фиг.11-12) охлаждаемый газ поступает в фигурные отверстия 108 через патрубок 96, коллектор 95 и окна 107. Пройдя через поры проставки 83 и крышки 87, газ отдает тепловую энергию и выходит через патрубок 97. За счет теплопроводности это тепло передается стенке 81, контактным площадкам 78 и проставке 82. Нагреваемый газ поступает через коллектор 94, проходит по фигурным отверстиям 103. Часть газа нагревается от стенки 81 и проставки 82 за счет конвективного теплообмена и выходит в коллектор 93 через дросселирующие отверстия 102. Другая часть нагревается, проходя через поры ребер проставки 82, и выходит в коллектор 93 по каналам 101. Часть газа поступает в каналы 101 через дросселирующие отверстия 105, нагревается от стенки 81 и проставки 82 за счет конвективного теплообмена и выходит в коллектор 93 по каналам 101 через окна в крышке 84.
Сверхзвуковое сопло (фиг.13-19) охлаждается потоком жидкости 128, которая течет в зазоре между стенками 121, 122. На участке, где установлена проставка 123, части потока двигаются по каналам 130 и фигурным отверстиям 129. Расходы определяются площадью дросселирующих отверстий 153 и 145. Жидкость охлаждает стенку 121 и проставку 123 за счет конвективного теплообмена. Другая часть жидкости поступает в фигурные отверстия 129, проходит по порам проставки 123 и выходит через каналы 130 и окна 146. Жидкость охлаждает проставку за счет теплообмена в порах. В зазоре между крышками 138, 139 температура выходящей из дросселирующих отверстий 145 и окон 146 жидкости выравнивается за счет перемешивания. Далее она поступает в участки, где расположены проставки 124, 125. Охлаждение этих участков происходит аналогично охлаждению на участке 123. На участке проставки 126 весь расход жидкости перетекает из фигурных отверстий в каналы и выходит в зазоре 136 между стенками 121, 122.
Лопатка турбины (фиг.20-22) охлаждается газом 172. Он подается в фигурные отверстия 167. Двигаясь по фигурным отверстиям 167, порам проставки 162 и по каналам 168, газ охлаждает стенку 160, проставку 162, силовой элемент 161 и выходит.