ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
PLATE HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR MANUFACTURING PLATE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например, в качестве рекуператора.
Известен пластинчатый теплообменник рекуператора газотурбинной установки (Патент США №7,065,873 опубликованный 27.05006), содержащий цилиндрический наружный корпус, внутренние разделительные кольца, размещенные между ними и опирающиеся на центральное внутреннее разделительное кольцо, идентичные теплообменные элементы в виде конвертов, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам оребренных пластин. Патрубки подвода и отвода внутреннего теплоносителя с большим давлением здесь формируются набором конструктивных элементов, включающим планки, опирающиеся на разделительные кольца. Известен также способ изготовления данного пластинчатого теплообменника, включающий поэтапную вырезку и сборку элементов конструкции, с указанием мест сварки, включающий приварку планок.
К недостаткам данной конструкции и способа ее изготовления можно отнести большое количество конструктивных элементов и сварных швов, что негативно сказывается на герметичности, прочности и сложности изготовления теплообменника. Кроме того, использование в районе патрубков подвода и отвода теплоносителя планок с приваркой их аргонно-дуговой сваркой увеличивает металлоемкость и стоимость изделия, а также снижает его эффективность вследствие загромождения проходных сечений окон патрубков.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник и способ его изготовления (патент РФ №2700213, опубл. 13.09.2019), содержащий цилиндрический наружный корпус, одно центральное и два периферийных разделительных кольца, размещенные между корпусом и разделительными кольцами и опирающиеся на центральное разделительное кольцо теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и имеющие выступающие за периферийную кромку отбортовки, которые образуют впускные и выпускные коллекторные окна, причем коллекторные окна охвачены разделительными кольцами, отбортовки, центральное и периферийные кольца формируют коллекторы подвода и отвода внутреннего теплоносителя, торцевые части теплообменника выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения между теплообменными элементами внешнего теплоносителя, при этом теплообменник состоит из по меньшей мере двух секций, каждая из которых состоит из теплообменных элементов, соединенных со сторон подвода и отвода внутреннего теплоносителя с помощью соединительных элементов, причем в каждой секции коллекторные окна соединены без зазора с окнами соседних тепловых элементов одной секции, а соединительные элементы образуют периферийные кольца. При этом, способ изготовления пластинчатого теплообменника заключается в том, что наружные и внутренние гофрированные пластины изготавливают методом штамповки, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам, а образованные при этом теплообменные элементы соединяют друг с другом с помощью наружного цилиндрического корпуса, двух периферийных и одного центрального разделительных колец, в каждом теплообменном элементе выполняют отбортовки, образующие впускные и выпускные коллекторные окна, таким образом, что они выступают за периферийную кромку пластин по внутреннему диаметру теплообменника, при этом периферийные кольца изготавливают соединением по меньшей мере двух соединительных элементов таким образом, чтобы они образовывали замкнутую линию, при этом в каждый соединительный элемент устанавливают по меньшей мере два теплообменных элемента.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести низкую прочность теплообменника, а также относительную сложность изготовления теплообменника.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении жесткости и прочности теплообменника, а также упрощении изготовления теплообменника.
Технический результат достигается пластинчатым теплообменником, содержащим цилиндрический кожух (2), теплообменные элементы (3), выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и имеющие выступающие за периферийную кромку отбортовки, которые образуют впускные (7) и выпускные (8) коллекторные окна, зафиксированные в соединительных элементах (12), при этом содержит корпус (9) теплообменника, дополнительно содержит внешний кожух (1) и цилиндрический кожух (2) теплообменника, который с одной стороны имеет фланец для соединения теплообменника с камерой сгорания газотурбинной установки, при этом фланец выполнен с выступами (14), образующими с внутренней поверхностью корпуса газотурбинной установки перепускные окна, выполненные с возможностью пропускания через себя воздуха в теплообменник от компрессора газотурбинной установки, кроме того цилиндрический кожух (2) теплообменника выполнен с возможностью разделения потоков воздуха, а именно потока воздуха, поступающего во впускные (7) коллекторные окна теплообменных элементов (3) от компрессора газотурбинной установки и потока воздуха, поступающего в камеру сгорания из выпускных (8) коллекторных окон теплообменных элементов (3), при этом впускные (7) коллекторные окна теплообменных элементов (3) расположены на противоположной стороне от камеры сгорания газотурбинной установки между фланцем (10) корпуса теплообменника для соединения с внешним кожухом (1) теплообменника и цилиндрическим кожухом (2) теплообменника, при этом внешний кожух (1) теплообменника установлен с образованием кольцевого канала (6) для подачи воздуха от компрессора газотурбинной установки к впускным (7) коллекторным окнам теплообменных элементов (3).
Корпус (9) теплообменника со стороны камеры сгорания газотурбинной установки включает по меньшей мере один диффузор (4), широкая часть которого направлена в сторону теплообменных элементов (3), а также корпус (9) теплообменника выполнен с по меньшей мере одним кольцевым опорным поясом (11), расположенным между впускными (7) и выпускными (8) коллекторными окнами теплообменных элементов (3), при этом внешний диаметр по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11) равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха (2).
Теплообменник состоит из по меньшей мере трех секций (13), каждая из которых включает в себя по меньшей мере один теплообменный элемент (3) и по меньшей мере два соединительных элемента (12).
Теплообменник дополнительно содержит трубку (15), выполненную с возможностью установки чувствительного элемента датчика температуры выхлопных газов, поступающих от турбины газотурбинной установки, перед теплообменными элементами (3), при этом трубка расположена соосно цилиндрическому кожуху (2).
Технический результат также достигается способом изготовления пластинчатого теплообменника, заключающимся в том, что теплообменные элементы (3) изготавливают из гофрированных пластин, которые получают методом штамповки, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам, изготавливают корпус (9) теплообменника, при этом корпус (9) теплообменника изготавливают с фланцем (10) для соединения с внешним кожухом (1) теплообменника, теплообменные элементы (3) устанавливают внутрь корпуса (9) теплообменника таким образом, чтобы впускные (7) и выпускные (8) коллекторные окна теплообменных элементов (3) были расположены снаружи относительно внешней поверхности корпуса (9) теплообменника, и далее соединяют их герметично с соединительными элементами (12), закрепляют цилиндрический кожух (2) на корпусе теплообменника, а внешний кожух (1) теплообменника устанавливают с образованием кольцевого канала (6) для подачи воздуха от компрессора газотурбинной установки к впускным (7) коллекторным окнам теплообменных элементов (3).
Дополнительно корпус (9) теплообменника со стороны камеры сгорания газотурбинной установки изготавливают с по меньшей мере одним диффузором, широкая часть которого направлена в сторону теплообменных элементов (3), а также корпус (9) теплообменника выполняют с по меньшей мере одним кольцевым опорным поясом (11), расположенным между впускных (7) и выпускных (8) коллекторных окон теплообменных элементов, при этом внешний диаметр по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11) равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха (2).
Дополнительно соосно цилиндрическому кожуху (2) устанавливают трубку (15), выполненную с возможностью установки чувствительного элемента датчика температуры выхлопных газов, поступающих от турбины газотурбинной установки, перед теплообменными элементами (3).
По меньшей мере один из корпуса (9) теплообменника, цилиндрический кожух (2) или внешний кожух (1) теплообменника изготавливают с помощью аддитивных технологий.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:
на фиг. 1 - газотурбинный двигатель и пластинчатый теплообменник с вырезом четверти;
на фиг. 2 - корпус теплообменника с установленными теплообменными элементами;
на фиг. 3 - корпус теплообменника с установленным цилиндрическим кожухом (2);
на фиг. 4 - вид со стороны системы выпуска;
на фиг. 5 - теплообменный элемент
на фиг. 6 - секция с теплообменными элементами (3);
1 - внешний кожух теплообменника;
2 - цилиндрический кожух;
3 - теплообменный элемент;
4 - диффузор;
5 - камера сгорания газотурбинной установки;
6 - канал кольцевой;
7 - окна впускные коллекторные;
8 - окна выпускные коллекторные;
9 - корпус теплообменника;
10 - фланец корпуса теплообменника;
11 - пояс опорный кольцевой;
12 - соединительные элементы;
13 - секция теплообменных элементов (3);
14 - выступы на фланце цилиндрического кожуха (2);
15 - трубка для установки чувствительного элемента датчика температуры горячих газов.
Пластинчатый теплообменник содержит цилиндрический кожух (2), теплообменные элементы (3), выполненные известным способом в соответствии с наиболее близким аналогом, а именно из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин. То есть каждый теплообменный элемент (3) выполняют из нижней и верхней гофрированных пластин. Поверхность, например, линейчатая поверхность с эвольвентой направляющей, гофрированных пластин имеет штампованный рельеф и состоит из периферийной кромки, гофр вихревой матрицы, поперечных перемычек внутренних перегородок, продольных гладких каналов и отбортовок, а также коллекторных окон (7), (8). Нижняя и верхняя гофрированные пластины примыкают друг к другу по поверхностям гофр и жестко скреплены между собой, например, сваркой или пайкой по периферийным кромкам и перемычкам внутренних перегородок. При этом, в собираемом теплообменном элементе (3) отбортовки формируют впускные (7) и выпускные (8) коллекторные окна для входа и выхода воздуха, а внутри теплообменного элемента (3) вместе с гофрами и продольными гладкими каналами сформированы каналы для протекания воздуха, поступающего от компрессора газотурбинной установки. Таким образом, теплообменные элементы (3) имеют выступающие за периферийную кромку отбортовки, которые образуют впускные (7) и выпускные (8) коллекторные окна, зафиксированные в соединительных элементах (12).
Теплообменник содержит корпус (9) теплообменника и дополнительно содержит внешний кожух (1) и цилиндрический кожух (2) теплообменника, при этом наличие указанных элементов (9, 1 и 2) позволяет повысить жесткость и прочность конструкции теплообменника, а также упростить изготовление теплообменника вследствие того, что корпус (9) и кожухи (1 и 2) изготавливают отдельно с последующей сборкой. Цилиндрический кожух (2) с одной стороны имеет фланец для соединения теплообменника с камерой сгорания газотурбинной установки, что позволяет повысить прочность теплообменника. При этом фланец выполнен с выступами (14), образующими с внутренней поверхностью корпуса газотурбинной установки перепускные окна, выполненные с возможностью пропускания через себя воздуха в теплообменник от компрессора газотурбинной установки, что обеспечивает повышение жесткости и прочности теплообменника в целом за счет дополнительного контакта выступов (14) фланца цилиндрического кожуха (2) с внутренней поверхностью корпуса газотурбинной установки. Кроме того цилиндрический кожух (2) теплообменника выполнен с возможностью разделения потоков воздуха, а именно потока воздуха, поступающего во впускные (7) коллекторные окна теплообменных элементов (3) от компрессора газотурбинной установки и потока воздуха, поступающего в камеру сгорания из выпускных (8) коллекторных окон теплообменных элементов (3), что дополнительно позволяет повысить КПД теплообменника за счет дополнительного контакта через кожух (2) относительно более теплого и холодного воздуха, а также упрощает изготовление теплообменника в целом. При этом впускные (7) коллекторные окна теплообменных элементов (3) расположены на противоположной стороне от камеры сгорания газотурбинной установки между фланцем (10) корпуса теплообменника для соединения с внешним кожухом (1) теплообменника и цилиндрическим кожухом (2) теплообменника, что также повышает жесткость и прочность теплообменника, а также упрощает изготовление теплообменника в целом.
Внешний кожух (1) теплообменника установлен с образованием кольцевого канала (6) для подачи воздуха от компрессора газотурбинной установки к впускным (7) коллекторным окнам теплообменных элементов (3), что позволяет упростить изготовление теплообменника в целом с обеспечением высокой прочности.
Корпус (9) теплообменника со стороны камеры сгорания газотурбинной установки включает по меньшей мере один диффузор (4), широкая часть которого направлена в сторону теплообменных элементов (3), что позволяет дополнительно повысить жесткость и прочность теплообменника при относительной простоте изготовления теплообменника, а также наличие по меньшей мере одного диффузора обеспечивает лучшее распределение выпускного газа из камеры сгорания внутри теплообменника, что в свою очередь улучшает теплообмен. Также корпус (9) теплообменника выполнен с по меньшей мере одним кольцевым опорным поясом (11), расположенным между впускными (7) и выпускными (8) коллекторными окнами теплообменных элементов (3), при этом внешний диаметр по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11) равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха (2), что дополнительно упрощает изготовление теплообменника и повышает жесткость и прочность конструкции за счет того, что цилиндрический кожух (2) имеет дополнительную опору в виде по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11).
Теплообменник состоит из по меньшей мере трех секций (13), каждая из которых включает в себя по меньшей мере один теплообменный элемент (3) и по меньшей мере два соединительных элемента (12). При установке в секцию (13) по меньшей мере двух теплообменных элементов (3), они примыкают друг к другу по огибающим поверхностям гофр (8) и имеют линейчатую поверхность с эвольвентой направляющей.
Теплообменник он дополнительно содержит трубку (15), выполненную с возможностью установки чувствительного элемента датчика температуры выхлопных газов, поступающих от турбины газотурбинной установки, перед теплообменными элементами (3), при этом трубка расположена соосно цилиндрическому кожуху (2).
Пластинчатый теплообменник изготавливают следующим способом.
Теплообменные элементы (3) изготавливают из гофрированных пластин, которые получают методом штамповки аналогично указанному выше, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам. Корпус (9) теплообменника изготавливают с фланцем (10) для соединения с внешним кожухом (1) теплообменника, например, методом литья или с помощью аддитивных технологий, что дополнительно позволяет обеспечить повышение жесткости и прочности теплообменника, а также упрощение изготовления теплообменника в целом.
Теплообменные элементы (3) устанавливают внутрь корпуса (9) теплообменника таким образом, чтобы впускные (7) и выпускные (8) коллекторные окна теплообменных элементов (3) были расположены снаружи относительно внешней поверхности корпуса (9) теплообменника, и далее соединяют их герметично с соединительными элементами (12) закрепляют цилиндрический кожух (2) на корпусе теплообменника, что обеспечивает повышение жесткости и прочности теплообменника, а также упрощает изготовление теплообменника.
Внешний кожух (1) теплообменника устанавливают с образованием кольцевого канала (6) для подачи воздуха от компрессора газотурбинной установки к впускным (7) коллекторным окнам теплообменных элементов (3), что позволяет за счет установки кожуха (1) повысить жесткость и прочность конструкции, а также упрощает изготовлении теплообменника.
Дополнительно корпус (9) теплообменника со стороны камеры сгорания газотурбинной установки изготавливают с по меньшей мере одним диффузором, широкая часть которого направлена в сторону теплообменных элементов (3), что позволяет дополнительно повысить жесткость и прочность теплообменника при относительной простоте изготовления теплообменника, а также наличие по меньшей мере одного диффузора обеспечивает лучшее распределение выпускного газа из камеры сгорания внутри теплообменника, что в свою очередь улучшает теплообмен. Также корпус (9) теплообменника выполняют с по меньшей мере одним кольцевым опорным поясом (11), расположенным между впускных (7) и выпускных (8) коллекторных окон теплообменных элементов, при этом внешний диаметр по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11) равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха (2), что дополнительно упрощает изготовление теплообменника и повышает жесткость и прочность конструкции за счет того, что цилиндрический кожух (2) имеет дополнительную опору в виде по меньшей мере одного кольцевого опорного пояса (11).
Дополнительно соосно цилиндрическому кожуху (2) устанавливают трубку (15), выполненную с возможностью установки чувствительного элемента датчика температуры выхлопных газов, поступающих от турбины газотурбинной установки, перед теплообменными элементами (3).
Также, цилиндрический кожух (2) и/или внешний кожух (1) теплообменника изготавливают с помощью аддитивных технологий, что дополнительно позволяет упростить изготовление теплообменника с обеспечением высокой жесткости и прочности теплообменника.
Пластинчатый теплообменник работает следующим образом.
Горячий газ из камеры сгорания (5), которая может быть кольцевой камерой сгорания, газотурбинной установки поступает на турбину, которая соединена с компрессором и электрогенератором, и далее направляется через по меньшей мере один диффузор (4) пластинчатого теплообменника, который обеспечивает равномерное распределение горячего газа во внутренней полости теплообменника. Распределенные горячие газы проходят чувствительный элемент датчика температуры выхлопных газов, установленного в трубке (15), и, контактируя с внешней поверхностью теплообменных элементов (3), передают свое тепло воздуху, проходящему внутри теплообменных элементов (3). Далее газы выводятся в выхлопную систему газотурбинной установки. Воздух, подаваемый в камеру сгорания газотурбинной установки компрессором, через перепускные окна подается в кольцевую полость (6), образованную внешней поверхностью цилиндрического кожуха (2) и внутренней поверхностью внешнего кожуха (1), где за счет контакта со с цилиндрическим кожухом (2) происходит нагрев воздуха, и направляется к впускным (7) коллекторным окнам теплообменных элементов (3), направляясь во внутреннюю полость теплообменных элементов (3), в которых горячие газы из камеры сгорания нагревают воздух. Через выпускные (8) коллекторные окна теплообменных элементов (3) воздух выходит в полость, образованную внешней поверхностью корпуса (9) теплообменника и внутренней поверхностью цилиндрического кожуха (2), где воздух через поверхность корпуса (9) нагревают от горячих газов, проходящих внутри корпуса теплообменника, и далее подогретый воздух направляется в камеру сгорания газотурбинной установки.
Таким образом, обеспечивается повышение жесткости и прочности теплообменника, а также упрощение изготовления теплообменника.