Матричный теплообменник

 

Использование: в энергомашиностроении, в частности в устройствах теплообмена между жидкими или газообразными носителями. Сущность изобретения: повышение интенсивности теплообмена, снижение массогабаритных характеристик и повышение прочности конструкции обеспечивается тем, что один из двух теплоносителей, например теплый, поступает в штуцер коллектора, далее по каналам он попадает в каналы матрицы. Омывая поверхность теплообмена, образованную пластинами 2 и прокладками 3, он за счет конвективного теплообмена передает тепло этой поверхности. Холодный теплоноситель подводится к входному штуцеру коллектора. Теплообмен между теплым и холодным теплоносителями осуществляется за счет их конвекции с пластинами 2. Теплый теплоноситель, охладившись, выходит через коллектор и штуцер, а холодный, нагревшись, - через другие коллектор и штуцер. Перемычки 10 прокладок 3, упрочняя конструкцию, не препятствуют течению теплоносителя. 4 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к устройствам теплообмена между жидкими или газообразными теплоносителями.

Известны конструкции матричных теплообменников, содержащие пакет перфорированных пластин из высокотеплопроводного металла, чередующихся с прокладками из низкотеплопроводного металла [1]. Эти конструкции теплообменников имеют высокую интенсивность теплообмена за счет большой компактности теплообменной поверхности, образованной перфорированными пластинами, имеющими высокую теплопроводность.

Недостатком известных конструкций теплообменников являются завышенные массогабаритные характеристики и заниженная прочность конструкций. Это объясняется прямоугольной формой теплообменника и его матрицы. Указанная форма аппарата приводит к увеличению компоновочного объема конструкции, содержащей матричный теплообменник. Плоские стенки каналов, нагруженные внутренним давлением, имеют меньшую прочность по сравнению, например, с каналами цилиндрической формы.

Отмеченные недостатки частично устранены в конструкции матричного теплообменника, взятого за прототип [2]. Элементы указанной конструкции выполнены из легких металлов типа алюминиевых сплавов, титана, что значительно снижает массу конструкции.

Данная конструкция матричного теплообменника имеет следующие недостатки: недостаточную прочность вследствие применения легких алюминиевых сплавов и снижение эффективности теплообмена из-за меньшей теплопроводности алюминиевых сплавов по сравнению, например, с медью.

Изобретение направлено на повышение интенсивности теплообмена, снижение массогабаритных характеристик и повышение прочности конструкции, что является его техническим результатом и обеспечивает улучшенные потребительские свойства.

Технический результат достигается за счет того, что в матричном теплообменнике, содержащем перфорированные пластины из высокотеплопроводного металла, например меди, размещенные между ними прокладки из низкотеплопроводного металла, коллекторы и штуцер из металла, аналогичного металлу пластин или прокладок, коллекторы, перфорированные пластины и прокладки выполнены сегментной формы, каждая прокладка имеет перемычки, расположенные по радиусу в ее плоскости, каждый коллектор содержит каналы со штуцером для подвода теплоносителя, причем один из коллекторов выполнен с консольным фланцем для крепления теплообменника; перфорированные пластины и прокладки имеют толщину в диапазоне 0,3-0,8 мм, каждый ряд отверстий смежной перфорированной пластины смещен относительно соседнего ряда по окружности или радиусу на величину, равную 1/2 шага расположения отверстий, отверстия перфорации выполнены по окружности и радиусу с шагом в 1,2 - 2,0 раза больше диаметра отверстия; диаметр отверстий перфорации в 3 - 5 раз больше толщины прокладки.

Сравнительный анализ предлагаемого матричного теплообменника с прототипом позволил выявить в первом наличие новых существенных признаков; коллекторы, перфорированные прокладки и штуцера имеют сегментную форму, что ведет к уменьшению компоновочного объема теплообменника и повышает его прочность, поскольку в этом случае стенки между каналами в матрице и в коллекторах имеют цилиндрическую форму; наличие технологических перемычек в прокладках, ориентированных по радиусу в их плоскости, ведет к увеличению жесткости прокладок, что, в свою очередь, повышает технологичность конструкции при сборке, а также увеличивает прочность матрицы при действии внутреннего давления теплоносителя в каналах; выполнение одного из коллекторов с консольным фланцем как единое целое для крепления теплообменника повышает прочность крепления последнего; указанный диапазон (0,3-0,8 мм) размеров толщин перфорированных пластин и прокладок обеспечивает высокую компактность теплообменной поверхности матрицы; выполнение отверстий смежных перфорированных пластин со смещением по радиусу или окружности на величину, равную 1/2 шага расположения отверстий, приводит к турбулизации и лучшему перемешиванию потока теплоносителя в каналах, что повышает интенсивность теплообмена; условие соблюдения шага расположения отверстий перфорации по окружности и радиусу в (1,2 - 2,0) раза больше диаметра отверстий является оптимальным для предлагаемой конструкции, поскольку при отступлении от этого условия в меньшую сторону резко уменьшается прочность перфорированных пластин и их теплопроводность, а при большем шаге уменьшается пористость перфорированных пластин, что ведет к увеличению их гидравлического сопротивления; выбранный диапазон размеров диаметра отверстия перфорации в 3 - 5 раз больше толщины прокладки и обоснован тем, что меньший размер диаметра отверстия технологически выполнять более сложно, а больший размер уменьшает теплообменную поверхность, что крайне нежелательно, и также усложняет технологию их изготовления.

Все вышеизложенное достаточно убедительно доказывает наличие причинно-следственной связи каждого отличительного признака с техническим результатом, выступающим в качестве цели, и позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения как критерию "новизна", поскольку предлагаемые признаки отсутствуют в прототипе, так и критерию "изобретательский уровень", поскольку на существующий уровень техники предложенная совокупность признаков неизвестна.

Необходимо также отметить, что предлагаемый матричный теплообменник соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку имеется принципиальная возможность использования изобретения в области энергомашиностроения, понимаемого в самом широком смысле и актуального в свете решения тех задач, которые с его помощью предлагается осуществить; материалы заявки достаточно убедительно при необходимом количестве сведений доказывают возможность реализации предлагаемого объекта в том виде и объеме, как он охарактеризован в предложенной к рассмотрению формуле изобретения; пример практической реализации, приведенный авторами ниже, неоспоримо доказывает возможность достижения усматриваемого технического результата.

На фиг. 1 представлен матричный теплообменник, на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, вид слева; на фиг. 4 - фрагмент матрицы в увеличенном виде.

Матричный теплообменник состоит из матрицы 1, набранной из высокотеплопроводных перфорированных металлических пластин 2 и размещенных между ними низкотеплопроводных металлических прокладок 3. По обоим торцам матрицы 1 расположены коллекторы 4 и 5, имеющие каналы 6. Последние связывают входные 7 и выходные 8 штуцера с каналами 9 матрицы 1. Прокладки 3 имеют технологические перемычки 10, упрочняющие конструкцию матрицы 1. Один из коллекторов 4 имеет выполненный с ним за одно целое консольный фланец 11 с крепежными отверстиями 12 для крепления теплообменника. Коллекторы 4 и 5, перфорированные пластины 2 и прокладки 3 имеют сегментную форму.

Матричный теплообменник работает следующим образом.

Один из двух теплоносителей, например теплый, поступает в штуцер 7 коллектора 4 и далее по каналам 6 попадает в соответствующие каналы 9 матрицы 1. Этот теплоноситель омывает поверхность теплообмена, образованную перфорированными пластинами 2 и прокладками 3, и за счет конвективного теплообмена передает свое тепло этой поверхности. Так как перфорированные пластины 3 одновременно расположены и в каналах 9 матрицы 1, по которым протекает холодный теплоноситель, то последний подводится к входному штуцеру 7 коллектора 5. Таким образом, теплообмен между теплым и холодным теплоносителями осуществляется за счет конвекции обоих теплоносителей с перфорированными пластинами 2, по которым тепло передается между смежными каналами 6 за счет теплопроводности этих пластин 2. Теплый теплоноситель, охладившись, покидает теплообменник через коллектор 5 и штуцер 8, а холодный, нагревшись, выходит из теплообменника через коллектор 4 и штуцер 8. Перемычки 10 прокладок 3, выполняя функцию упрочнения конструкции, не препятствуют течению теплоносителей. Крепление теплообменника посредством крепежных болтов (не показано), установленных в отверстиях 12 консольного фланца 11, выполненного заодно с коллектором 4, обеспечивает надежность и прочность его крепления.

Пример практической реализации матричного теплообменника. В условиях заводского опытного производства было изготовлено несколько опытных образцов матричного теплообменника с сечением сегментной формы. Совокупность конструктивных элементов каждого опытного образца полностью соответствовала предлагаемой в формуле изобретения совокупности существенных признаков.

Было установлено, что по сравнению с прототипом габаритные размеры теплообменника по высоте уменьшены приблизительно в 2 раза, а по ширине - в 1,25 раза.

Кроме того, заводские испытания показали неограниченный ресурс работы теплообменника в жестких условиях потребителя, что выгодно отличает его от прототипа, ресурс которого в несколько раз ниже ресурса объекта, на который он устанавливается.

Таким образом, неоспоримо доказывается достижимость технического результата, предусмотренного изобретением.

Формула изобретения

Матричный теплообменник, содержащий перфорированные пластины из высокотеплопроводного металла, размещенные между ними прокладки из низкотеплопроводного металла, коллекторы и штуцеры из металла, аналогичного металла пластин или прокладок, отличающийся тем, что коллекторы, перфорированные пластины и прокладки выполнены сегментной формы, каждая прокладка имеет технологические перемычки, расположенные по радиусу в ее плоскости, каждый коллектор содержит каналы со штуцером для подвода теплоносителя, причем один из коллекторов выполнен с консольным фланцем для крепления теплообменника, перфорированные пластины и прокладки имеют толщину в диапазоне 0,3 - 08 мм, каждый ряд отверстий смежной перфорированной пластины смещен относительно соседнего ряда по окружности или радиусу на величину, равную 1/2 шага расположения отверстий, отверстия перфорации выполнены по окружности и по радиусу с шагом в 1,2 - 2,0 раза больше диаметра отверстия, диаметр отверстий перфорации в 3 - 5 раз больше толщины прокладки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4