Матрица пластинчатого теплообменника
MATRIX OF PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании и модернизации теплообменных аппаратов и устройств энергетического, транспортного и промышленного назначения, основу которых составляют различные компоновочные варианты интенсифицированной пластинчатой поверхности повышенной турбулентности сетчато-поточного типа с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами [1].
Известные конструкции пластинчатых теплообменников с указанной профильной поверхностью отличаются высокими показателями теплоэнергетической эффективности [2, 3]. Это связано с активным отрывным механизмом взаимодействия потока теплоносителя с поверхностью профилированных каналов и дополнительной турбулизацией при обтекании контактирующих сфероидальных выступов и впадин.
В теплообменных аппаратах с профильной поверхностью с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с различными схемами их расположения: шахматной, коридорной или промежуточными между ними, обусловленными изменением угла их ориентации относительно направления потока теплоносителя, наряду с традиционной компоновкой пластин в виде набора теплообменных элементов с взаимно контактирующими вершинами выступов и одинаковыми проходными сечениями каналов для смежных теплоносителей могут быть также применены другие "нестандартные" компоновочные варианты. Это различные комбинации плоских гладких и профильных пластин, позволяющие существенно расширить область возможного использования пластинчатой поверхности при разработке и создании теплообменных аппаратов с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными параметрами [3].
Одним из таких конструктивных решений, принятым в качестве прототипа, является плоская матрица с компоновкой теплообменных элементов, состоящих из контактирующих гладкой и профильной со сфероидальными выштамповками пластин, в наборе которой в прямых каналах между смежными гладкими теплопередающими стенками размещаются с плотным термическим контактом однотипные профильные дистанционирующие пластины-турбулизаторы [4].
Как показывают результаты экспериментальных исследований, представленные в работе [5, Теплоэнергетическая эффективность поверхности каналов, образованных различными комбинациями плоских и профильных пластин со сфероидальными элементами рельефа // Тепловые процессы в технике. 2013. - Т. 5. - №11. - С. 492-500], использование пластин с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами в качестве турбулизирующих вставок в гладких прямых воздушных каналах с теплопередающими стенками обеспечивает повышение теплоэнергетической эффективности поверхности в среднем на 30-40%.
Вместе с тем, как было установлено в работе [6, Теплоотдача и сопротивление трубчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными элементами шероховатости // Изв. вузов СССР. - Энергетика. - 1983. - №3. - С. 93-96], рельеф пластинчатой поверхности теплообмена с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с различной геометрией и шахматной схемой расположения осей разбивки в условиях существенно выраженной переменной кривизны при ее трансформации в трубчатую круглую цилиндрическую форму сохраняет одинаковую с исходной профильной пластиной последовательность чередования участков сопряжения выступов и впадин и их конфигурацию [7].
В этой связи наблюдается возможность реализации варианта компоновки гладких и профильных тонкостенных пластин в виде матрицы пластинчатого теплообменника цилиндрической формы с системой чередующихся в радиальном направлении продольных концентрических кольцевых каналов с комбинированной поверхностью.
Задачами изобретения являются интенсификация теплоотдачи пластинчатой комбинированной поверхности в условиях нового варианта компоновки гладких и профильных пластин и улучшение энергетических и массогабаритных характеристик теплообменников.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника с поверхностью в виде гладких и профильных пластин сетчато-поточного типа с равновеликими двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с шахматной схемой расположения, образующих при взаимном контакте изолированные каналы для смежных греющего и нагреваемого теплоносителей с теплопередающими гладкими стенками, отличающейся тем, что она имеет цилиндрическую форму и представляет собой систему продольных концентрических кольцевых каналов прямоугольного сечения, образованных последовательно чередующимися в радиальном направлении гладкими пластинами и размещенными между ними с обеспеченным плотным термическим контактом дистанционирующими пластинами-турбулизаторами с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами, поочередно с торцевых сторон матрицы открытых для проходящего в осевом направлении одного из теплоносителей и закрытых для другого теплоносителя, проходящего таким образом в окружном направлении в смежных замкнутых кольцевых каналах; при этом подводящие и отводящие коллекторы для теплоносителя в замкнутых кольцевых каналах выполнены в виде центрального углового цилиндрического сектора с разделяющей перегородкой и боковыми стенками с прямоугольными окнами сечением, одинаковым с сечением связанных с ними кольцевых каналов на подводящей и отводящей сторонах.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности путем дополнительной турбулизации потоков теплоносителей и за счет механизма контактной теплопроводности в кольцевых каналах с профильными пластинами-вставками.
2. Снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообменника.
На фиг. 1 изображен фрагмент пластинчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами; на фиг. 2 - схема сечения профильной пластины (t - шаг разбивки осей, h - глубина штамповки, δ - толщина пластины); на фиг. 3 - фрагмент пластинчатой поверхности при ее трансформации в круглую цилиндрическую форму; на фиг. 4 - схема матрицы с компоновкой гладких и профильных пластин со сфероидальными выштамповками в виде концентрических продольных кольцевых каналов для греющего 1 и нагреваемого 2 с коллекторами 3 и 4 теплоносителей; на фиг. 5 - схема сечений каналов матрицы, сечение А-А на фиг. 4.
Гладкие пластины 5 разделяют горячие и холодные потоки теплоносителей, а профильные пластины-турбулизаторы 6 дополнительно играют роль оребрения, увеличивая площадь поверхности теплообмена в единице объема.
При работе пластинчатого теплообменника с предложенным вариантом матрицы (фиг. 4, 5) теплота от греющего теплоносителя, проходящего в осевом направлении в каналах 1 с дистанционирующими профильными пластинами-турбулизаторами 6, через гладкие стенки 5 передается нагреваемому теплоносителю, проходящему в окружном направлении в смежных каналах 2 с однотипными профильными пластинами-турбулизаторами, связанных с входным 3 и выходным 4 коллекторами, что позволяет реализовать сложную перекрестноточную схему движения двух теплоносителей. В каждом из каналов дистанционирующие пластины-вставки обеспечивают надлежащую жесткость матрицы и способствуют интенсификации теплообмена путем дополнительной турбулизации потоков теплоносителей и за счет механизма контактной теплопроводности и эффекта оребрения при передаче теплоты контактирующими с гладкими теплопередающими стенками сфероидальными выступами пластины. При этом конструктивная сторона и механизм теплообмена могут быть усилены при использовании пластин-турбулизаторов с плоскими участками на поверхности сфероидальных выступов, обеспечивающими увеличенную площадь и плотность их контактирования с теплопередающими гладкими стенками каналов [8].
Источники информации
1. Берман С.С. Поверхность теплообмена // Авторское свидетельство СССР №122567 // БИ. - 1959. - №18.
2. Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок. - М.: Машгиз, 1963. - 240 с.
3. Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.
4. Анисин А.А., Анисин А.К. Матрица пластинчатого теплообменника // Патент на полезную модель РФ №139130 // БИ. - 2014. - №10.
5. Анисин А.А., Анисин А.К. Теплоэнергетическая эффективность поверхности каналов, образованных различными комбинациями плоских и профильных пластин со сфероидальными элементами рельефа // Тепловые процессы в технике. 2013. - Т. 5. - №11. - С. 492-500.
6. Анисин А.К. Теплоотдача и сопротивление трубчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными элементами шероховатости // Изв. вузов СССР. - Энергетика. - 1983. - №3. - С. 93-96.
7. Анисин А.А., Анисин А.К. Шероховатая трубчатая поверхность теплообмена // Патент на полезную модель РФ №146152 // БИ. - 2014. - №28.
8. Анисин А.А. Матрица пластинчатого теплообменника // Патент на изобретение РФ №2462677 // БИ. - 2012. - №12.