ПЛАСТИНЧАТЫЙ МНОГОХОДОВОЙ ПЕРЕКРЕСТНО-ТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
MULTI-PASS CROSS-FLOW HEAT EXCHANGER PLATE

Изобретение относится к теплотехнике, преимущественно к малой теплоэнергетике, и может быть использовано, например, в качестве теплообменника для утилизации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и микротурбин.
Опыт эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей, показал снижение эффективности применяемых теплообменников при утилизации тепла выхлопных газов. Связано это с большим количеством сажи, которая образуется во время рабочего процесса дизеля и частично оседает на теплопередающей поверхности теплообменников, формируя теплоизоляционный слой. В результате эффективность теплообменников падает по мере роста толщины слоя сажи. К тому же в них увеличивается гидравлическое сопротивление по тракту выхлопных газов, что при достижении критического значения может негативно повлиять на рабочий процесс дизеля. Поэтому данная проблема является актуальной, а предлагаемое изобретение направлено на ее решение.
Известна теплообменная труба некруглого сечения (SU 1210050 А; МПК F28F 1/40; опубл. 04.01.1984), содержащая V-образные выступы, вершины которых направлены навстречу потоку теплоносителя.
Данная теплообменная труба не представляет собой конструкцию теплообменника, поэтому она не рассматривается как полноценный аналог предлагаемому изобретению пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника.
Известен водотрубный котел-утилизатор тепла отработавших газов (RU 136532 U1; МПК F22B 1/18; опубл. 10.01.2014), содержащий цилиндрический корпус с водяными коллекторами, связанными с трубной системой из прямых труб, которая закреплена в кольцевых трубных решетках. Цилиндрический корпус также снабжен устройствами подвода и отвода второго теплоносителя, омывающего во внутреннем пространстве трубную систему.
Предложенная полезная модель имеет ряд недостатков: большие масса-габаритные размеры, загрязнение теплопередающей поверхности трубной системы, возможность очистки этой поверхности только при условии демонтажа водотрубного котла-утилизатора.
Известен пластинчатый теплообменник (SU 513234 А1; МПК F28F 3/08; опубл. 05.05.1976), содержащий стопку из попарно соединенных по боковым окнам гофрированных пластин, образующих трубчатые теплообменные каналы, которые представляют собой трубки с цилиндрическими участками, чередующимися со спиральными сегментами по длине.
Недостатком представленного пластинчатого теплообменника являются отложения на цилиндрических участках в теплообменных каналах при протекании загрязненного теплоносителя, а также отсутствие многоходовой схемы течения обоих теплоносителей.
Известен пластинчатый теплообменник (RU 2435123 С2; МПК F28F 3/08; опубл. 27.11.2011), содержащий стопку гофрированных пластин, соединенных по отверстиям, которые формируют проходы и сообщаются с полостью для первого теплоносителя. Полость для второго теплоносителя образована гофрами соприкасающихся пластин в виде прямолинейных выступов, направленных под углом относительно протекающего теплоносителя.
Однако, в данном изобретении отсутствует многоходовая схема движения второго теплоносителя. Кроме того, у изобретения низкая эффективность работы с загрязненными теплоносителями.
Известен пластинчатый теплообменник (RU 2206851 С1; МПК F28D 9/00; опубл. 20.06.2003), содержащий стопку попарно соединенных по боковым окнам гофрированных пластин с образованием трубчатых теплообменных каналов, соединенную по периферийным бортикам в единый теплообменный пакет с секционным перекрытием боковых окон для многоходового потока первого теплоносителя, который вставлен в корпус с разделенными полостями для входа и выхода второго теплоносителя и зажат торцевыми плитами с патрубками подвода в боковые окна теплообменного пакета первого теплоносителя. Теплообменный пакет зажат между торцевыми плитами с уплотнениями посредством стяжных элементов.
Недостатком представленного пластинчатого теплообменника являются существенные отложения в теплообменных каналах при протекании загрязненного теплоносителя. Наличие стяжных элементов в конструкции пластинчатого теплообменника требует использования высококачественных уплотнений. Область применения такого теплообменника ограничена устойчивостью используемых уплотнений к давлению и температуре.
Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является пластинчатый теплообменник (Фавстов B.C. Пластинчатый теплообменный аппарат для утилизации теплоты отработанных газов дизельного двигателя / B.C. Фавстов, В.А. Мухачев, А.А. Павлов, А.В. Жаров // 3-я Всероссийская научно-практическая конференция «История и перспективы развития транспорта на севере России»: сб. ст. / Ярославский филиал МИИТ - Ярославль, 2014. - С. 121-124), содержащий корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя.
В данном прототипе не предусмотрена многоходовая схема течения второго теплоносителя.
Задачей изобретения является создание пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника с улучшенными эксплуатационными свойствами при работе с загрязненными теплоносителями по сравнению с представленными аналогами и прототипом.
Решение задачи достигается тем, что пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник содержит корпус, в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода и отвода, а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя, при этом гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна, а для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.
Использование трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами для прохождения загрязненного (второго) теплоносителя основано на эффекте самоочищения теплопередающей поверхности за счет возникающих возле стенок в потоке загрязненного теплоносителя строго-ориентированных вихрей. Они препятствуют оседанию частиц на теплопередающей поверхности и стаскивают их с периферии к центральному ядру потока. Оттуда частицы выдуваются за счет высокой скорости потока из трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами. Данное явление происходит благодаря направлению потока загрязненного теплоносителя навстречу вершинам V-образных выступов по патенту РФ №1210050. Поскольку основная масса частиц загрязненного теплоносителя откладывается на начальном ходу в пластинчатом многоходовом перекрестно-точном теплообменнике, то на последующих ходах направление потока относительно вершин V-образных выступов не имеет существенного значения. При переходе от первого хода ко второму при повороте на 180° в пластинчатом многоходовом перекрестно-точном теплообменнике частицы будут оседать на поверхности, не участвующей в процессе теплопередачи, что не приведет к ухудшению его работы.
Благодаря развитой теплопередающей поверхности трубчатых теплообменных каналов с V-образными выступами и перекрестно-точной системе движения теплоносителей их протекание организовано с высокими скоростями. Во-первых, это уменьшает загрязнение теплопередающей поверхности, т.к. маловероятно появление застойных зон с низкими скоростями потока теплоносителей, а во-вторых, интенсифицирует процесс теплообмена.
Единый теплообменный пакет из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.
Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.
Многоходовое течение второго теплоносителя реализуется за счет перегородки, соединяющей без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, которая выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.
В случае течения второго теплоносителя через количество ходов более двух одна перегородка без жестких связей соединена только с устройством подвода и единым теплообменным пакетом, а дополнительная перегородка с противоположной стороны относительно устройства подвода также без жестких связей соединена с единым теплообменным пакетом и устройством отвода.
Для обеспечения дополнительной герметичности боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами.
Устройства подвода и отвода первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами корпуса с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.
Единый теплообменный пакет по бокам опирается на уголки, которые поддерживают его от провисания, закрепленные на стенках корпуса. Таким образом, единый теплообменный пакет зажат в корпусе без жестких связей, что позволяет избежать негативных последствий термического удара.
Существенные отличия предлагаемого пластинчатого многоходового перекрестно-точного теплообменника от выбранного прототипа состоят в том, что гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода и отвода первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна. Для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.
Единый теплообменный пакет из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.
Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.
Для многоходового течения второго теплоносителя перегородка, соединяющая без жестких связей устройства подвода и отвода с единым теплообменным пакетом, выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.
Для многоходового течения второго теплоносителя с количеством ходов более двух одна перегородка без жестких связей соединена только с устройством подвода и единым теплообменным пакетом, а дополнительная перегородка с противоположной стороны относительно устройства подвода также без жестких связей соединена с единым теплообменным пакетом и устройством отвода.
Боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами.
Устройства подвода и отвода первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами корпуса с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.
Единый теплообменный пакет по бокам опирается на уголки, закрепленные на стенках корпуса.
На фиг. 1 изображен пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник, содержащий корпус (1), в котором установлены гофрированные пластины, образующие полость для первого теплоносителя с устройствами подвода (3) и отвода (4), а также трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами для второго теплоносителя, при этом гофрированные пластины попарно сварены между собой по периферийным кромкам двух пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца в единый теплообменный пакет (2) с коллекторами, образованными за счет примыкающих друг к другу пропускных окон гофрированных пластин и сообщенными с устройствами подвода (3) и отвода (4) первого теплоносителя, для которого предусмотрено многоходовое течение с минимум одним перекрытием пропускного окна, а для реализации многоходового течения второго теплоносителя установлена минимум одна перегородка (7), соединяющая без жестких связей устройства подвода (5) и отвода (6) с единым теплообменным пакетом (2), разделяя второй теплоноситель по ходам так, что на начальном ходу V-образные выступы трубчатых теплообменных каналов направлены вершинами навстречу потоку второго теплоносителя, а в последующих ходах их положения произвольны.
Единый теплообменный пакет (2) из попарно сваренных по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированных пластин набирается с поворотом каждой последующей пары гофрированных пластин относительно предыдущей на 180° параллельно трубчатым теплообменным каналам.
Для многоходового течения первого теплоносителя в единый теплообменный пакет (2) вставляются попарно сваренные по периферийным кромкам пропускных окон и посадочных поверхностей противоположного торца гофрированные пластины с одним пропускным окном.
Для многоходового течения второго теплоносителя перегородка (7), соединяющая устройства подвода (5) и отвода (6) с единым теплообменным пакетом (2) выполнена подвижной посредством вильчатого соединения с лабиринтными канавками.
Боковые технологические каналы вдоль единого теплообменного пакета (2) перекрыты на всю ширину пропускных окон гофрированными лентами (8).
Устройства подвода (3) и отвода (4) первого теплоносителя выполнены в виде тонкостенных патрубков и соединены со штуцерами (9) корпуса (1) с радиальным деформационным зазором до зоны приварки.
Единый теплообменный пакет (2) по бокам опирается на уголки (10), закрепленные на стенках корпуса (1).
Пластинчатый многоходовой перекрестно-точный теплообменник работает следующим образом.
Первый теплоноситель поступает в единый теплообменный пакет (2) через устройство подвода (3). Далее по полости, образованной гофрированными пластинами первый теплоноситель течет минимум по двум ходам и выходит через устройство отвода (4), попутно контактируя через теплопередающие поверхности со вторым теплоносителем. Второй теплоноситель поступает через устройство подвода (5), проходит через трубчатые теплообменные каналы с V-образными выступами, направленными вершинами навстречу потоку на первом ходу. Затем второй теплоноситель разворачивается на 180° и идет по трубчатым теплообменным каналам с V-образными выступами, направленными вершинами по потоку на втором ходу и выходит через устройство отвода (6). Устройства подвода (5) и отвода (6) соединены с единым теплообменным пакетом (2) без жестких связей посредством перегородки (7), образуя вместе с корпусом (2) полость второго теплоносителя с двумя ходами.