Пластинчато-трубчатый теплообменник
PLATE-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования.
Известен пластинчатый теплообменник (Патент РФ №2342616, МПК F28D 9/00, опубл. 27.12.2008), содержащий пластины с отверстиями и межпластинчатые каналы для прохода теплоносителей, на пластинах имеет отформованные, на равном удалении друг от друга по всей поверхности пластин элементы дискретной шероховатости полусферической формы двух видов, отличающихся радиусами сфер, так, что вокруг одного большого элемента находятся восемь равноудаленных друг от друга малых элементов, а вершины больших и малых элементов дискретной шероховатости направлены в разные стороны от плоскости пластины. Кроме того, пластины устанавливаются в теплообменнике так, чтобы у смежных пластин соприкасались вершины элементов одинакового размера, т.е. или только больших, или только малых элементов, благодаря чему образующиеся между пластинами смежные каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей имеют разные эквивалентные гидравлические диаметры.
Недостатком данного пластинчатого теплообменника является низкая теплоотдача на поверхности пластин из-за использования дискретной шероховатости, выполненной в виде полусферических впадин. В полусферических впадинах формируются застойные зоны, увеличивающие термическое сопротивление теплообменных поверхностей пластин.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является пластинчато-трубчатый теплообменник, раскрытый в патенте РФ №2355969, МПК F28D 9/00, опубл. 20.05.2009, состоящий из чередующихся, примыкающих друг к другу, пластин, перегородок, выполненных с элементами, турбулизирующими поток сред в виде чередующихся впадин и выступов в форме усеченных конусов, расположенных шахматно и противоположно друг другу на соседних перегородках с соблюдением их общей соосности, полостей для пропуска охлаждающей жидкости, образованных соседними перегородками, трубок, проходящих через пластины и объединенных трубными досками для течения охлаждаемой жидкости, причем оси трубок совпадают с осями выступов и впадин.
Недостатком данного изобретения является низкий уровень теплопередачи, обусловленный наличием застойных зон во впадинах и канальным течением по вершинам выступов.
Технической задачей является повышение эффективности теплопередачи от охлаждающей среды к охлаждаемой среде.
Технический результат заключается в повышении удельных тепловых потоков, снимаемых с перегородок.
Это достигается тем, что в пластинчато-трубчатом теплообменнике, включающем трубки, полости, образованные перегородками, выполненными с элементами, турбулизирующими поток среды в виде чередующихся впадин и выступов, расположенных шахматно и противоположно друг другу на соседних перегородках с соблюдением их общей соосности, причем трубки проходят насквозь через перегородки, согласно изобретению, трубки выполнены с возможностью течения по ним охлаждающей среды, а образованные перегородками полости выполнены с возможностью течения по ним охлаждаемой среды, выступы и впадины выполнены в виде сферических сегментов, причем вершины выступов и дно впадин соседних перегородок соединены между собой и с трубками.
Кроме того, впадины и выступы выполнены относительной глубиной 0,25≤h/D≤0,35, а их диаметр 2d≤D≤t, где d - диаметр трубок, t - шаг трубок в продольном и поперечном направлении перегородок.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение пластинчато-трубчатого теплообменника; на фиг. 2 - поперечный разрез теплообменника; на фиг. 3 - изометрия внутренней полости теплообменника; на фиг. 4 - график зависимости относительной величины теплового потока К от относительной глубины сферических сегментов h/D; на фиг. 5 - график зависимости относительной величины теплового потока K от относительного диаметра сферического сегмента D/d.
Пластинчато-трубчатый теплообменник содержит коллектор 1 для подвода и коллектор 2 для отвода охлаждающей среды. Коллектор 1 и коллектор 2 соединены трубками 3 диаметром d. Концы трубок 3 соединены сваркой или пайкой с трубными досками 4 и 5. Между трубными досками 4 и 5 расположены перегородки 6, образующие каналы 7 для течения охлаждаемой среды. Шаг трубок в продольном и поперечном направлении перегородок одинаковый и равен t. На каждой перегородке 6 выполнены в шахматном порядке чередующиеся выступы 8 и впадины 9, в форме сферических сегментов, равной глубины h и диаметром D. На соседних перегородках 6 вершины выступов 8 и дно впадин 9, расположенных навстречу друг другу на одной оси, выполнены соприкасающимися друг с другом. Трубки 3 проходят насквозь через все перегородки 6 по центру впадин 9 и выступов 8. Стенки выступов 8 и впадин 9 в местах контакта соединены со стенками трубок 3 пайкой, формируя оребрение трубок 3.
Пластинчато-трубчатый теплообменник работает следующим образом.
Охлаждающая среда, например жидкость, втекает в коллектор 1 для подвода охлаждающей среды и поступает в трубки 3. Жидкость движется по трубкам 3, отводя теплоту от охлаждаемой среды, например, горячего газа. Далее жидкость проходит через трубную доску 5, поступает в коллектор 2 и отводится из теплообменника. Горячий газ поступает в каналы 7 между перегородками 6 и движется по зигзагообразным траекториям, обтекая соединенные вершины выступов 8.
Впадины 9 в виде сферических сегментов с трубками 3 по центру генерируют спиральные вихри, разрушающие застойные зоны за трубками 3 и увеличивают теплоотдачу от газа к жидкости. Форма впадин 9 в виде сферических сегментов обеспечивает безотрывное течение газа, что исключает формирование застойных зон и снижает гидравлическое сопротивление каналов 7. Стенки контактирующих выступов 8 и впадин 9 работают как ребра, увеличивают площадь теплообмена трубок 3 и коэффициенты теплопередачи от газа к жидкости.
Интенсивность теплообмена в каналах 7 зависит от относительной глубины сферического сегмента h/D и относительного диаметра D/d.
Были проведены экспериментальные исследования вариантов пластинчато-трубчатого теплообменника. В качестве охлаждающей среды была использована вода, а в качестве охлаждаемой среды горячий воздух. При фиксированной температуре воздуха и воды на входе в теплообменник изменялась относительная глубина впадин, в диапазоне чисел Рейнольдса для воздуха от 3800 до 48500.
На фиг. 4 представлены графики зависимости К отношения суммарного количества теплоты, отведенной от воды в теплообменнике с интенсификаторами, к суммарному количеству теплоты, отведенной в теплообменнике с гладкими перегородками, установленными с зазором 2h, от относительной глубины впадин h/D для трех значений числа Рейнольдса: 3800, 29300,48500.
Как видно максимум К лежит в пределах 0,25≤h/D≤0,35 во всем исследованном диапазоне чисел Рейнольдса.
На фиг. 5 представлены графики зависимости К отношения суммарного количества теплоты, отведенной от воды в теплообменнике с интенсификаторами, к суммарному количеству теплоты, отведенной в теплообменнике с гладкими перегородками, от относительного диаметра впадин D/d для трех значений числа Рейнольдса: 3800, 29300, 48500. Результаты экспериментальных исследований показали, что после значения D/d≈2 (при h/D=0,3) дальнейшее увеличение диаметра впадины практически не влияет на интенсивность теплообмена. Верхнее ограничение D/d≤t определяется тем, что выступы и впадины не должны перекрывать друг друга, что изменит предлагаемую геометрию каналов 7.
Экспериментально установлено, что в качестве охлаждающей среды может быть использована любая жидкость: углеводородное топливо, жидкий водород, аммиак и т.д., а в качестве охлаждаемой среды нагретый воздух, любой горячий газ, например, газ на выходе из газотурбинного двигателя или энергетической газотурбинной установки, при этом технический результат достигается во всех случаях.
Использование изобретения позволяет повысить удельные тепловые потоки, снимаемые с перегородок за счет увеличения эффективности теплопередачи от охлаждающей среды к охлаждаемой среде.