КОЖУХОПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE AND SHELL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в любых отраслях промышленности, в том числе космической, авиационной, химической, для охлаждения или нагрева различных текучих сред.
Из уровня техники известны различные варианты исполнения кожухопластинчатых теплообменников, содержащих корпус с установленным в нем пакетом пластин, например: RU 2181186 С1, 10.04.2002, RU 2100733 С1, 27.12.1997, RU 2206851 С1, 20.06.2003.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является раскрытый в патенте RU 2181186 С1, 10.04.2002, кожухопластинчатый теплообменник, содержащий корпус с двумя крышками, патрубки подвода и отвода теплоносителей и установленный в корпусе пакет пластин с отверстиями, образующими коллекторы первого теплоносителя, при этом между указанными коллекторами расположены каналы второго теплоносителя.
Недостатком известных решений, в том числе наиболее близкого аналога, является недостаточно интенсивный теплообмен, а также невозможность работы при высоких давлениях и при высоких перепадах давлений теплоносителей, поскольку конструкция пакета пластин, раскрытая в известных решениях, не способна выдерживать стягивающие усилия, обеспечивающие необходимую плотность контакта пластин.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении интенсивности теплообмена, а также в обеспечении возможности работы при высоких давлениях и при высоких перепадах давлений теплоносителей.
Для решения поставленной задачи и обеспечения технического результата предлагается кожухопластинчатый теплообменник, содержащий корпус с двумя крышками, патрубки подвода и отвода теплоносителей и установленный в корпусе пакет пластин с отверстиями, образующими коллекторы первого теплоносителя. При этом между указанными коллекторами расположены каналы второго теплоносителя. Пакет пластин выполнен в виде кругового цилиндра и состоит из по меньшей мере одной секции, которая содержит n одинаковых пластин сетчато-поточного типа с турбулизаторами в виде полых двусторонних выступов одинаковой высоты в форме усеченных конусов, по вершинам которых стянуты пластины, образующие между собой сетку взаимных опор с прямоугольной структурой и каналами теплоносителей между ними. При этом основания усеченных конусов выполнены в виде параллелограммов, стороны которых являются сторонами соседних оснований. Соседние выступы соединены седловидными перемычками.
В пластинах может быть выполнено от 4 до 8 отверстий. Каналы второго теплоносителя могут проходить перпендикулярно коллекторам первого теплоносителя.
Корпус может быть выполнен цилиндрическим.
В корпусе могут быть установлены гребенки. Гребенки могут быть жестко соединены с корпусом, например сваркой, или связаны с корпусом замковым соединением. Гребенки могут быть выполнены из сплющенных трубок. Гребенки могут быть выполнены из герметика.
Каждая пластина содержит плоскую периферийную кромку и выштамповки, в которых выполнены отверстия, образующие коллекторы первого теплоносителя.
Пластины могут быть соединены между собой по плоским периферийным кромкам или по выштамповкам.
Теплообменные пластины могут быть выполнены из ленты толщиной 0,07+0,30 мм. При этом лента изготовлена из материала, обладающего теплопроводностью не ниже 80,4 Вт/мг·К и поддающегося физической обработке, в частности из металла. Плоские основания выполнены из того же материала, что и теплообменные пластины, например из металла. Плоские основания могут быть выполнены из другого материала, но с возможностью соединения с материалом основных панелей.
Пластины в каждой секции могут быть размещены между двумя плоскими основаниями, в которых выполнены отверстия для входа и выхода первого теплоносителя.
Крайние пластины секции могут быть соединены с плоскими основаниями по плоским периферийным кромкам или по выштамповкам с отверстиями.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен общий вид кожухопластинчатого теплообменника.
Фиг. 2 - фрагмент пакета пластин кожухопластинчатого теплообменника.
На Фиг. 3 изображена проекция на диагональную плоскость фрагмента пакета пластин кожухопластинчатого теплообменника.
На Фиг. 4 представлен фрагмент теплообменника, в корпусе которого установлена и жестко связана с ним гребенка.
На Фиг. 5 представлен фрагмент теплообменника, в корпусе которого установлена гребенка и связана с ним посредством замкового соединения.
На Фиг. 6 представлена пластина кожухопластинчатого теплообменника (вид сверху).
На Фиг. 7 представлен вариант исполнения теплообменника с организацией противоточного течения теплоносителей.
На Фиг. 8 представлен вариант исполнения теплообменника с организацией перекрестно-точного течения теплоносителей.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1 с двумя крышками 2, 3, установленный в корпусе 1 пакет 4 пластин 5 с отверстиями, образующими коллекторы первого теплоносителя, а также патрубки подвода 6 и 6', патрубки отвода 7 и 7' соответственно первого и второго теплоносителя (Фиг. 1).
Между коллекторами первого теплоносителя расположены каналы второго теплоносителя. Пакет 4 пластин 5 выполнен в виде кругового цилиндра. Пакет состоит из по меньшей мере одной секции 8, которая содержит размещенные между двумя плоскими основаниями 9 n одинаковых пластин 5 сетчато-поточного типа с турбулизаторами в виде полых двусторонних выступов 10 одинаковой высоты в форме усеченных конусов, по вершинам которых стянуты пластины 5, образующие между собой сетку взаимных опор с прямоугольной структурой и каналами А теплоносителей между ними. Причем основания усеченных конусов выполнены в виде параллелограммов, стороны которых являются сторонами соседних оснований, соседние выступы 10 соединены седловидными перемычками 11 (Фиг. 2 и 3). В варианте, когда пакет пластин состоит из одной секции, плоские основания 9 соединены с крышками 2, 3 корпуса 1. В варианте, когда пакет пластин состоит из нескольких секций, плоские основания 9 промежуточных секций соединены с плоскими основаниями 9 соседних секций, а плоские основания крайних секций соединены с крышками 2, 3 корпуса 1. Число секций в пакете может варьироваться от 1 до 30 штук, при этом каждая секция может содержать n пластин, выбранное из диапазона 2÷50 штук. Изготовление пакета пластин из секций при обеспечении возможности работы при высоких давлениях и при высоких перепадах давлений теплоносителей позволяет повысить ремонтопригодность теплообменника.
В крышке 2 выполнены сквозные отверстия для подвода первого теплоносителя. В крышке 3 предусмотрены сквозные отверстия для отвода первого теплоносителя. С внешней стороны к крышкам подсоединены патрубки подвода и отвода теплоносителей. Патрубки служат для соединения теплообменника с элементами обвязки при эксплуатации.
Корпус 1 соединяют с крышками 2, 3 при помощи сварки.
Между корпусом 1 и пакетом 4 пластин 5 располагаются гребенки 12 (Фиг. 4 и 5), задающие направление течения теплоносителя сквозь пакет 4 пластин. Гребенки 12 вставляют в зазоры между парами пластин в ряд с двух сторон пакета 4.
На каждой пластине (Фиг. 6) выполнены коллекторные выштамповки 13 с центрально расположенными в них отверстиями 14 и технологической плоскостью, окаймляющей пластины (плоской периферийной кромкой 15). При этом часть выштамповки, в которой выполнено отверстие, является плоской, и диаметр этой части больше диаметра отверстия. Плоскость части коллекторной выштамповки и плоскость периферийной кромки 15 расположены в разных плоскостях оснований выступов 10. При наборе каждой секции пакета 4 пластин 5 плоская периферийная кромка 15 первой пластины приваривается к плоской периферийной кромке 15 второй пластины, следующая пластина приваривается к ним по коллекторным выштамповкам 13, и так далее до тех пор, пока не наберется необходимое число пластин.
Конструкция пакета пластин способна выдерживать стягивающие усилия, обеспечивающие необходимую плотность контакта пластин при высоких давлениях теплоносителей, а также при высоких перепадах давлений теплоносителей. Кроме того, она обеспечивает равномерное распределение потока, интенсивную турбулизацию теплоносителей, сокращение относительной глубины ламинарного слоя на поверхности пластин и, как следствие, интенсивный теплообмен. Пакет пластин в виде кругового цилиндра прост в изготовлении. Теплообменник с пакетом пластин в виде кругового цилиндра не содержит застойных зон, а следовательно, работает эффективнее.
Устройство работает следующим образом.
Теплообменник предназначен для переноса тепла между различными средами, причем парами рабочих сред могут служить как газ-жидкость, так и жидкость-жидкость и газ-газ.
Теплопередающей поверхностью служат тонкие пластины сетчато-поточного типа с турбулизаторами в виде полых двусторонних выступов одинаковой высоты в форме усеченных конусов. Основания выступов выполнены в виде параллелограммов, стороны которых являются сторонами соседних оснований, соседние выступы соединены седловидными перемычками, образующими ребра жесткости. Пластины стянуты по вершинам выступов и образуют между собой сетку взаимных опор с прямоугольной структурой и каналами теплоносителей между ними (щелевые каналы сложной формы). Наличие седловидных перемычек усложняет форму каналов теплоносителя (каналы имеют более сложное переменное поперечное сечение), заставляя теплоноситель равномерно перемещаться по пластине, турбулизируясь при огибании встречающихся на пути колонн взаимных опор.
Первый теплоноситель через патрубок 6 и входные отверстия 16 в крышке поступает в раздающие коллекторы 17, сформированные в пакете 4 пластин 5, из этих коллекторов 17 теплоноситель поступает в щелевые каналы А сложной формы, образованные между соседними пластинами 5, и перемещается по этим каналам к сборным коллекторам 18, далее к выходным отверстиям 19 в крышке и патрубку 7 отвода первого теплоносителя.
Второй теплоноситель через патрубок 6' поступает во входной коллектор 20 с отверстиями 21, через которые теплоноситель поступает в зазор, сформированный между стенкой корпуса 1 теплообменника, пакетом 4 пластин 5 и установленными по обеим сторонам пакета 4 пластин гребенками 12. Наличие гребенок 12 предотвращает перетекание теплоносителя между корпусом 1 и пакетом 4 пластин. Далее второй теплоноситель поступает в щелевые каналы А сложной формы, образованные между соседними пластинами 5, и перемещается по этим каналам к выходным отверстиям 22, через которые теплоноситель поступает в выходной коллектор 23, затем к патрубку 7' отвода второго теплоносителя. Давление второго теплоносителя больше давления первого теплоносителя.
Конструкция пакета пластин позволяет устанавливать его в корпусе теплообменника таким образом, что возможна организация как противоточного, так и перекрестно-точного течения теплоносителей.
При организации противоточного течения теплоносителей (см. Фиг. 7) пакет пластин расположен в корпусе таким образом, что каналы второго теплоносителя проходят между соседними раздающими коллекторами, вдоль пластин и между соседними сборными коллекторами первого теплоносителя.
При организации перекрестно-точного течения теплоносителей (см. Фиг. 8) пакет пластин расположен в корпусе таким образом, что каналы второго теплоносителя проходят между раздающими и сборными коллекторами первого теплоносителя вдоль пластин.
При этом каждая пластина в пакете с одной стороны омывается горячим теплоносителем, а с другой - холодным теплоносителем. Первый теплоноситель за счет теплопередачи отдает тепло пластине, которая в свою очередь отдает тепло второму теплоносителю.
Тонкие пластины имеют небольшое термическое сопротивление, сложная форма каналов обеспечивает турбулентность потока теплоносителя, расположенные противоположно коллекторы второго теплоносителя обеспечивают противоток, за счет чего теплообменник обладает высокой эффективностью теплопередачи.