МАТРИЦА ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании и модернизации теплообменных аппаратов и устройств энергетического и промышленного назначения, основу которых составляют различные компоновочные варианты профильной пластинчатой поверхности.
Известны конструкции пластинчатых теплообменников на основе "традиционных" компоновок профильной пластинчатой поверхности сетчато-поточного типа с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами с шахматным или коридорным расположением, которые обеспечивают высокие показатели теплоэнергетической эффективности [1, 2]. Это обусловлено активным механизмом взаимодействия потока теплоносителя с поверхностью профилированных каналов и генерированием в отрывном течении сложных вихревых структур, интенсифицирующих теплообмен.
Матрица теплообменника с "традиционной" компоновкой пластинчатой поверхности представляет набор теплообменных элементов, каждый из которых состоит из двух одинаковых профильных пластин со взаимно контактирующими сфероидальными выступами, образующих при этом внутренние каналы для одного из теплоносителей. При взаимном контактировании внешних профильных стенок теплообменных элементов образуются промежуточные профилированные каналы для другого теплоносителя.
При этом ощутимым недостатком теплообменных аппаратов с указанными компоновками является одинаковая величина проходных сечений каналов для разных по физическим свойствам и рабочим параметрам теплоносителей по обеим сторонам профильного листа. Особенно остро этот недостаток проявляется в теплообменниках с большими расходами и различной плотностью газообразных теплоносителей в условиях массогабаритных ограничений, предъявляемых к аппаратам энергетических установок. Возможность создания пластинчатых теплообменников с разными по величине проходными сечениями для смежных теплоносителей может быть достигнута при использовании вариантов компоновки пластин с промежуточными, между теплопередающими поверхностями, однотипными профильными пластинами-турбулизаторами.
Как было показано в техническом решении [3], принятом в качестве прототипа, использование матрицы теплообменника с компоновкой пластин с одной промежуточной между теплопередающими профильными поверхностями однотипной дистанционирующей пластиной-турбулизатором позволяет существенно (до двух раз) увеличить соотношение проходных сечений каналов для смежных теплоносителей при сохранении характерной для "традиционной" компоновки пластин с одинаковыми проходными сечениями каналов высокой теплоэнергетической эффективности поверхности.
Вместе с тем результаты экспериментальных исследований пластинчатой поверхности теплообмена дают основание для возможного использования компоновки пластин с двумя спаренными промежуточными между теплопередающими стенками дистанционирующими пластинами-турбулизаторами, обеспечивающими соотношение проходных сечений каналов для смежных теплоносителей до трех раз, сохраняя при этом высокие теплоэнергетические показатели профильной поверхности [4, с.20, рис.1.3в; §3.2, 3.3].
Задачами предложенной полезной модели являются интенсификация теплоотдачи пластинчатой поверхности и снижение металлоемкости матрицы теплообменника при реализации нового варианта компоновки пластин с дистанционирующими пластинами-турбулизаторами, обеспечивающего существенное увеличение проходных сечений каналов для смежных теплоносителей.
Поставленные задачи решаются при использовании матрицы пластинчатого теплообменника, выполненной с поверхностью сетчато-поточного типа, образованной пластинами с двухсторонними равновеликими сфероидальными выступами и впадинами, образующими при взаимном контакте сфероидальных выступов изолированные каналы для смежных горячего и холодного теплоносителей с теплопередающими профильными пластинчатыми поверхностями, отличающейся тем, что она снабжена установленными в каналах для одного из теплоносителей промежуточными дистанционирующими спаренными профильными пластинами-турбулизаторами со взаимно контактирующими сфероидальными выступами, имеющими рельеф, одинаковый для обеих пластин-турбулизаторов и сфероидальных выступов, находящихся с ними в контакте с обеих сторон теплопередающих профильных пластинчатых поверхностей.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Интенсификация теплоотдачи поверхности профилированных каналов путем дополнительной турбулизации потоков при их взаимодействии с элементами рельефа сложной формы, а также за счет эффекта оребрения дистанционирующих спаренных профильных пластин-турбулизаторов, обусловленного механизмом контактной теплопроводности.
2. Снижение металлоемкости матрицы теплообменника при использовании компоновки с пластинами-турбулизаторами.
1
2
1
2
1
2
На фиг.1 изображена схема "традиционной" компоновки пластин с контактирующими сфероидальными выступами, образующих равнопроходные сечения каналов для смежных теплоносителей (S/S=1); на фиг.2 - схема компоновки пластин с одной промежуточной между теплопередающими поверхностями дистанционирующей пластиной-турбулизатором, образующих разнопроходные сечения для смежных теплоносителей (S/S≤2); на фиг.3 - схема новой предлагаемой компоновки пластин с промежуточными между теплоотдающими поверхностями парами пластин-турбулизаторов, реализующей разнопроходные сечения каналов для смежных теплоносителей (S/S≤3); на фиг.4 - схема компоновки пластин (фиг.3) с контактирующими плоскими вершинами сфероидальных выступов; на фиг.5 - схема компоновки пластин (фиг.3) с контактирующими сфероидальными выступами теплопередающих пластин и выступами со сферическими выемками на вершинах промежуточных пластин-турбулизаторов.
При работе пластинчатого теплообменника с предложенной матрицей тепло от горячего теплоносителя, проходящего внутри каналов профильных теплоотдающих элементов, через стенки передается омывающему их холодному смежному теплоносителю и одновременно за счет контактной теплопроводности каждой из пары промежуточной профильной пластине-турбулизатору, в свою очередь реализующей эффект оребрения при обтекании ее потоком. Таким образом, тепловая эффективность поверхности профилированных каналов матрицы определяется турбулизацией потока теплоносителей сфероидальными выштамповками контактирующих пластин и дополнительной интенсификацией процесса теплоотдачи за счет механизма контактной теплопроводности по стороне теплоносителя с увеличенным проходным сечением каналов, в частности усиленного большей площадью и плотностью взаимного контактирования набора смежных пластин со сфероидальными выступами с плоской вершиной в одном варианте компоновки (фиг.4) или контактирования сфероидальных выступов теплопередающих пластин со сфероидальными выступами пластин-турбулизаторов со сферическими углублениями на их вершинах в другом (фиг.5).
Использование компоновок пластинчатой поверхности с промежуточными парами пластин-турбулизаторов с шахматным или коридорным расположением контактирующих элементов рельефа позволяет при существенном (до трех раз) увеличении соотношения проходных сечений каналов для смежных теплоносителей варьировать их массовыми расходами, обеспечивая при этом высокие показатели теплоэнергетической эффективности профилированных каналов и сохраняя жесткость, прочность и другие эксплуатационные параметры матрицы пластинчатого теплообменника.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. Берман С.С. Авторское свидетельство №122567.
2. Андреев М.М., Берман С.С.и др. Теплообменная аппаратура энергетических установок, - М.: Машгиз, 1963. - 240 с.
3. Анисин А.А. Матрица пластинчатого теплообменника / Патент РФ на изобретение №2462677 // БИ. - 2012. - №12.
4. Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в профилированных каналах пластинчатых теплообменников: монография. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - 152 с.