Противоточный пластинчатый теплообменник

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, в том числе для подогрева воздуха газотурбинной установки теплотой выхлопных газов. Сущность изобретения заключается в том, что пластинчатый противоточный теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных теплопередающих пластин, попарно соединенных по периферийным кромкам и отбортовкам отверстий для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, образующих раздающий и сборный коллекторы, и стянутых с помощью стяжных элементов, причем пакет помещен в обечайку, обеспечивающую герметизацию греющего теплоносителя, в том числе его подвод и отвод, а нагрузку от разности давлений теплоносителей воспринимает корпус, в котором расположена обечайка, при этом корпус выполнен из двух силовых плит, в одной или в каждой плите расположены коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемого теплоносителя, и двух крышек корпуса, силовые плиты имеют ребра жесткости, в плитах размещена теплоизоляция, которая закрыта кожухом, крышки с теплоизоляцией прикреплены к силовым плитам корпуса с возможностью разъема или неразъемно и выполняют роль стяжных элементов, обечайка выполнена в виде двух плоских листов с отверстиями, соединенных с пакетом гофрированных пластин по отбортовкам, и двух боковых листов, отогнутые кромки листов соединены с плоскими листами с образованием компенсатора, увеличение жесткости компенсатора достигается дополнительным элементом, закрепленном на фланцах плит. Изобретение направлено на обеспечение длительного ресурса и высокой эффективности. 13 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения газообразных сред, в том числе в качестве рекуператоров для газотурбинных установок.

Существуют пластинчатые противоточные теплообменники [1], теплопередающие пластины, в которых подвешиваются на несущих балках, уплотняются прокладками и прижимаются к фиксированной боковой крышке рамы подвижной боковой крышкой. Таким образом, пакет пластин стягивается шпильками между крышками. Такие теплообменники не имеют корпуса, так как теплоносители подаются непосредственно в теплопередающие пластины. Применение их ограничено теплоносителями жидкость - жидкость при рабочем давлении 2 МПа и температуре ниже 150°С.

Существуют теплообменники [2], в которых теплоносители подаются в корпус и в пакет теплопередающих пластин, соединенных пайкой или сваркой. Теплообменники предназначены для теплоносителей жидкость - газ, температура газа достигает 600°С, а давление до 40 МПа.

Для теплообменников с теплоносителями газ - газ при параметрах, характерных для газотурбинных установок, требуется развитая поверхность теплообмена. Высокие значения тепловой эффективности и герметичности требуют применения специальных способов их достижения.

Известны теплообменники [3], образованные набором гладких и гофрированных пластин, которые имеют специально сформированные противоточный и перекрестно-точный участки с различными углами наклона гофр. Перекрестно-точный участок пластины предназначен для подвода и отвода теплоносителя при равномерном распределении его по фронту противоточного участка. Вследствие меньшей эффективности перекрестной схемы течения по сравнению с противоточной площадь перекрестно-точного участка пластины необходимо выполнить минимальной. Недостатком этого устройства является снижение эффективности теплообменника из-за наличия специально выполненного перекрестно-точного участка, или необходимость увеличения поверхности теплообмена для получения заданной эффективности, а также необходимость создания подводящих и отводящих коллекторов.

Известны теплообменники, каналы которых образованы гофрами, перекрещивающимися под углом, а коллекторы создаются отверстиями в пластинах [4]. В таких теплообменниках направление течения теплоносителей не зависит от направления гофр, а определяется градиентом давления. Такое техническое решение является близким по технической сути к предлагаемому устройству. Недостатком этого устройства является неравномерное распределение теплоносителя по фронту.

Существует теплообменник [5], состоящий из парных спаянных (сваренных) по краям пластин. Парные пластины с отверстиями набраны в пакет с разделением С-образными элементами, которые направляют теплоноситель в определенную зону пластины для равномерного распределения по поверхности - прототип. Недостатком этого теплообменника является усложнение конструкции и технологии изготовления при наличии дополнительного С-образного элемента.

Задачей данного изобретения является обеспечение высокой надежности и герметичности, увеличение эффективности теплообменника за счет уменьшения площади перекрестно-точного участка и равномерного распределения теплоносителя по теплопередающей поверхности при упрощении технологии изготовления и снижения стоимости.

Решение задачи достигается тем, что пластинчатый противоточный теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных теплопередающих пластин, попарно соединенных по периферийным кромкам и отбортовкам отверстий для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, образующих раздающий и сборный коллектора, и стянутых с помощью стяжных элементов, согласно изобретению пакет помещен в обечайку, обеспечивающую герметизацию греющего теплоносителя, в том числе его подвод и отвод, а нагрузку от разности давлений теплоносителей воспринимает корпус, в котором расположена обечайка; теплообменник может быть выполнен так, что корпус теплообменника выполнен из двух силовых плит, в одной или в каждой плите расположены коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемого теплоносителя, и двух крышек корпуса, силовые плиты имеют ребра жесткости, в плитах размещена теплоизоляция, которая закрыта кожухом, крышки с теплоизоляцией прикреплены к силовым плитам корпуса с возможностью разъема или неразъемно и выполняют роль стяжных элементов; теплообменник может быть выполнен так, что обечайка выполнена в виде двух плоских листов с отверстиями, соединенных с пакетом гофрированных пластин по отбортовкам и двух боковых листов, отогнутые кромки которых соединены с плоскими листами с образованием компенсатора, увеличение жесткости компенсатора достигается дополнительным элементом, закрепленном на фланцах плит; теплообменник может быть выполнен так, что гофры пластин, расположенные под углом к фронтальной плоскости, перекрещиваются и образуют каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, при этом течение теплоносителей по каналам происходит по схеме противотока на участке с двумя перекрестно-точными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов, часть каналов нагреваемого теплоносителя, имеющих минимальную длину для увеличения длины противоточного участка, заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор (а) сплошными или дискретными отбортовками шириной, равной 1-3 высотам гофра и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, которые препятствуют непосредственному поступлению нагреваемого теплоносителя в (из) коллектор(а), при этом поток оттесняется к периферии коллекторов; теплообменник может быть выполнен так, что высота гофр пластин со стороны нагреваемого теплоносителя уменьшена на 10...50% с образованием зазора между соседними пластинами на перекрестно-точных участках или в зоне расположения коллекторов пластины; теплообменник может быть выполнен так, что в зоне расположения коллекторов пластин угол перекрещивания гофр уменьшен относительно угла перекрещивания гофр основного противоточного участка; теплообменник может быть выполнен так, что стяжные элементы расположены в потоке нагреваемого теплоносителя, проходят через отверстия коллекторов пакета и закреплены на стенках коллекторов или на втулке, передающей усилие на плиты; теплообменник может быть выполнен так, что стяжные элементы проходят через пакет гофрированных пластин, имеющих дополнительные отверстия с отбортовками в той же плоскости, что и отбортовки отверстий.

На фиг.1 показан описываемый теплообменник, вид сверху; на фиг.2 - сечение А-В-С-D-E-F фиг.1; на фиг.3 - сечение М-М фиг.1; на фиг.4 - узел Н фиг.2; на фиг.5 - узел К фиг.2; на фиг.6 - гофрированная пластина пакета теплообменника; на фиг.7 - схема течения теплоносителей по каналам пакета теплообменника; на фиг.8 - сечение А-А фиг.7; на фиг.9 - сечение В-В фиг.7; на фиг.10 - сечение С-С фиг.7; на фиг.11 - сечение Д-Д фиг.7; на фиг.12 - изменение угла перекрещивания гофр в зоне расположения коллекторов; на фиг.13 - углы перекрещивания гофр в противоточной (AL противот.) и перекрестно - точной (АLперек.) части пластин пакета теплообменника.

Пластинчатый противоточный теплообменник содержит корпус 1 и пакет 2 гофрированных теплопередающих пластин 3, соединенных по периферийным кромкам 4 и отбортовкам 5,6 отверстий 7,8 для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя (фиг.1-4, 6), образующих раздающий и сборный коллекторы 9, 10 (фиг.3, 7), и стянутых с помощью стяжных элементов 11. Пакет 2 помещен в обечайку 12 (фиг.3), обеспечивающую герметизацию греющего теплоносителя, в том числе его подвод и отвод, а нагрузку от разности давлений теплоносителей воспринимает корпус 1, в котором расположена обечайка 12.

Корпус 1 теплообменника состоит из двух силовых плит 13, 14 (фиг.2, 3), в одной или в каждой плите расположены коллектор 15 подвода и коллектор 16 отвода нагреваемого теплоносителя (фиг.3.), и двух крышек 17 (фиг.2.) корпуса 1. Силовые плиты 13, 14 имеют ребра 18 жесткости, в плитах 13, 14 размещена теплоизоляция 19, которая закрыта кожухом 20 (фиг.3.). Крышки 17 с теплоизоляцией 21 прикреплены к силовым плитам 13, 14 корпуса 1 с возможностью разъема или неразъемно и могут выполнять роль стяжных элементов 11 (фиг.2.).

Обечайка 12 (фиг.3) выполнена в виде двух плоских листов 22 с отверстиями 23 (фиг.2, 5), соединенных с пакетом 2 гофрированных пластин 3 по отбортовкам 5, 6 и двух боковых листов 24. Отогнутые кромки 25 листов 24 (фиг.4) соединены с плоскими листами 22 с образованием компенсатора 26. Увеличение жесткости компенсатора достигается дополнительным элементом 27, закрепленным на фланцах плит 13, 14. Гофры 28 (фиг.6, 10) пластин 3, расположенные под углом к фронтальной плоскости 29 (фиг.7), перекрещиваются и образуют каналы 30, 31 для греющего и нагреваемого теплоносителей (фиг.7, 10). Течение теплоносителей по каналам происходит по схеме противотока на основном участке 32 с двумя перекрестно-точными участками 33 в зоне 37 раздающих 9 и сборных 10 коллекторов (фиг.7). Часть каналов 31а минимальной длины для увеличения их протяженности заглушены со стороны входа и выхода в (из) коллектор (а) сплошными или дискретными отбортовками 34, 35 шириной, равной 1-3 высотам гофра и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора (фиг.6, 7). Отбортовки 34, 35 соседних парных пластин 3 соприкасаются между собой (фиг.8, 9) и препятствуют непосредственному поступлению нагреваемого теплоносителя в (из) коллектор(а). При этом нагреваемый теплоноситель оттесняется к периферии коллекторов 9, 10 и длина противоточного участка увеличивается (фиг.6, 7). Для уменьшения сопротивления высота гофр 28 пластин 3 со стороны нагреваемого теплоносителя уменьшена на 10...50% с образованием зазора 36 (фиг.11) между соседними пластинами на перекрестно-точных участках 33 или в зоне 37 (фиг.7) расположения коллекторов 9, 10 пластин. Уменьшение сопротивления греющего теплоносителя в зоне 37 между коллекторами 9,10 пластин достигается при меньшем угле перекрещивания гофр в зоне 37 расположения коллекторов относительно угла перекрещивания гофр основного противоточного участка 32 (фиг.12, 13). Стяжные элементы 11 (фиг.3.) расположены в потоке нагреваемого теплоносителя, проходят через отверстия 7, 8 коллекторов 9, 10 пакета 2 и закреплены на стенках коллекторов 15, 16 или на втулке 38, передающей усилие на плиты 13, 14. Для уменьшения нагрузки от действия сил давления на силовые плиты 13, 14 и равномерного сжатия пластин стяжные элементы 11 проходят через пакет 2 гофрированных пластин 3, имеющих дополнительные отверстия 39 с отбортовками 40 (фиг.6) в той же плоскости, что и отбортовки 5, 6 отверстий 7, 8.

Теплообменник работает следующим образом. Нагревающий теплоноситель, например отработавший в турбине газ, поступает в корпус 1 через обечайку 12 и затем в пакет 2 (фиг.1-3). При течении по каналам 30, образованным перекрещивающимися гофрами 28 пластин 3 (фиг.6, 7, 10), он передает теплоту через стенку нагреваемому теплоносителю, например воздуху после компрессора газотурбинного двигателя (установки), и затем удаляется. Нагреваемый теплоноситель по одному или по двум патрубкам через коллектор подвода 15, отверстия в силовой плите 13 и отверстия 23 плоского листа 22 обечайки 12 поступает в пакет 2 (фиг.2, 3, 5). Сквозь отверстия 7 в пластинах 3, образующих раздающие коллектора 9, он поступает в каналы 31 между пластинами 3 (фиг.6, 7, 10), движется по направлению линий тока и нагревается. Отвод его из пакета 2 осуществляется аналогично подводу: через сборные коллектора 10, образованные отверстиями 8 пластины 3, через отверстия в обечайке 12 и в силовой плите 13 в коллектор отвода 16 и патрубок (фиг.2, 3, 5). Течение обоих теплоносителей происходит по обе стороны пластины 3 по противоточной, а на участках подвода и отвода нагреваемого теплоносителя - по перекрестно-точной схеме. Попарное соединение сваркой (пайкой) гофрированных теплопередающих пластин 3 по периферийным кромкам 4 и отбортовкам 5, 6 отверстий 7, 8 для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя препятствует перетеканию теплоносителей из одной полости в другую (фиг.6-9).

Расположение отверстий 7, 8 (и соответственно коллекторов 9, 10) непосредственно на пластине 3 (фиг.6, 7) приводит к уменьшению проходного сечения по греющему теплоносителю, увеличению скорости и росту потерь давления. Поэтому отверстия 7, 8 целесообразно выполнить минимальной ширины. При этом для обеспечения допустимых потерь давления нагреваемого теплоносителя длина отверстий 7, 8 увеличивается. Тем самым на поверхности пластины появляются участки с различной длиной каналов 31 и 31а (фиг.7). Это приводит к неравномерному распределению теплоносителей по поверхности пластины и снижению эффективности теплообменника.

Для равномерного распределения нагреваемого теплоносителя по поверхности пластины 3 выход его из раздающего коллектора 9 и вход в сборный коллектор 10 должны находиться на максимальном удалении друг от друга. Поэтому для равномерного распределения теплоносителя по поверхности часть каналов 31а, имеющих минимальную длину, со стороны входа и выхода в коллекторы 9, 10 заглушены отбортовками 34, 35 шириной, равной 1-3 высотам гофра, препятствующими поступлению теплоносителя в (из) коллектор(а) и расположенными в зоне, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, при этом отбортовки 34, 35 выполняются сплошными или для уменьшения вихреобразования дискретными (фиг.7-10).

Нагреваемый теплоноситель течет от раздающего коллектора 9 к сборному коллектору 10 по П-образной схеме, изменяя направление течения с перекрестно-точного на противоточное и вновь на перекрестно-точное (фиг.7). Так как коэффициент сопротивления прямо пропорционален углу перекрещивания гофр, то целесообразно на перекрестно-точном участке 33 или в зоне 37 (фиг.7) увеличить гидравлический диаметр канала 31 нагреваемого теплоносителя. Это достигается возникновением зазора 36, образовавшемся при уменьшении высоты канала 30 греющего теплоносителя (фиг.11) за счет уменьшения на 10…50% высоты гофра 28 пластин 3. Зазор 36, кроме увеличения гидравлического диаметра, обеспечивает увеличение площади проходного сечения канала 31 и способствует уменьшению интенсивности вихревого течения, характерного для каналов с перекрещивающимися гофрами. В результате снижается коэффициент гидравлического сопротивления на данном участке поверхности и обеспечивается более равномерное распределение нагреваемого теплоносителя в указанных зонах. Для уменьшения потерь давления по греющему теплоносителю в зоне 37 расположения коллекторов гофры 28 перекрещиваются под углом, меньшим, чем соответствующий угол перекрещивания гофр основного противоточного участка 32 (фиг.12, 13).

Таким образом, гофрированная пластина 3 с вышеописанными элементами позволяет обойтись минимумом штамповой оснастки и исключает необходимость использования дополнительных деталей для изготовления пакета 2 теплообменника при обеспечении высокой тепловой эффективности, герметичности и надежности, поскольку используется только одна деталь - пластина. Использование высокопроизводительных способов изготовления (штамповки и сварки) обеспечивает с учетом вышеизложенных достоинств существенное удешевление стоимости изготовления пакета теплообменника.

Для обеспечения требуемой надежности теплообменника, прочности и герметичности пакета 2 теплопередающих пластин 3 пакет помещен в обечайку 12, изготовленную из листового материала толщиной, равной 2-5-кратной толщине материала теплопередающих пластин одной и той же марки. Обечайка 12 (фиг.3.) выполнена из двух плоских листов 22, соединенных с отогнутыми кромками 25 боковых листов 24 с образованием компенсаторов 26 (фиг.2, 4), что обеспечивает герметичность и компенсацию тепловых расширений. Жесткость компенсатора 26 регулируется подбором дополнительного элемента 27 (фиг.4.), кроме того, за счет соединения элемента 27 с фланцами плит 13, 14 обеспечивается герметичность полости нагреваемого теплоносителя. Такое соединение позволяет уменьшить напряжения в местах соединения пластин 3 с обечайкой 12 и обечайки 12 с плитами 13, 14 при работе на нестационарных режимах.

Нагрузку от действия сил давлений воспринимает корпус 1. В зависимости от схемы подвода нагреваемого теплоносителя он может быть выполнен с силовыми плитами 13 и 14 или с двумя плитами 13. В силовой плите 13 располагаются коллекторы подвода 15 и отвода 16 нагреваемого теплоносителя с боковыми или торцевыми патрубками (фиг.2-5). Для повышения жесткости и уменьшения массы силовые плиты 13, 14 могут быть усилены ребрами 18. Обечайка 12 с размещенным в ней пакетом 2 может стягиваться между плитами 13, 14 с помощью крышек 17, которые крепятся к ним с возможностью разъема или неразъемно. Крышки 17, кроме обеспечения стяжки пакета 2, обеспечивают повышение жесткости боковых листов 24 обечайки 12 при высоком избыточном давлении греющего теплоносителя. Для этого крышки 17 могут быть усилены ребрами или другими элементами, которые упираются в боковые листы 24 и препятствуют их прогибу для предотвращения чрезмерных перетечек греющего теплоносителя мимо теплопередающей поверхности пакета 2 (фиг.2.) и соответствующего снижения тепловой эффективности теплообменника. Для снижения нагрузки на крышки 17 плиты 13, 14 могут стягиваться стяжными элементами 11, которые для защиты от действия температуры греющего теплоносителя и обеспечения равномерности стяжки пакета 2 в нагретом состоянии размещены в коллекторах 9, 10 пакета 2. Для уменьшения массы силовых плит 13, 14 стяжной элемент 11 может проходить сквозь пакет 2, для чего пластины 3 могут иметь отверстия 39 с отбортовками 40. Соединение пластин 3 по отбортовкам 40 аналогично их соединению по отбортовкам 5, 6 отверстий 7, 8. Передача усилия от силовых плит 13, 14 к стяжным элементам 11 производится через втулки 38, которые также облегчают возможность разборки теплообменника. Для снижения теплопотерь в окружающую среду в крышках 17 размещается теплоизоляция 21, а в плитах 13, 14 размещается теплоизоляция 19, закрытая кожухом 20.

Источники информации

1. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т.2 / Пер. с англ., под ред. Б.С.Петухова, В.К.Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Патент РФ №2052757 с приоритетом от 19.12.94.

3. Патент США №5287918, Мки F 27 D 9/00.

4. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.21-26.

5. Патент Австралии №686582, F 28 F 3/00, опублик. 12.2.98.

Формула изобретения

1. Пластинчатый противоточный теплообменник, содержащий корпус и пакет гофрированных теплопередающих пластин, попарно соединенных по периферийным кромкам и отбортовкам отверстий для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, образующих раздающий и сборный коллекторы и стянутых с помощью стяжных элементов, отличающийся тем, что пакет помещен в обечайку, обеспечивающую герметизацию греющего теплоносителя, в том числе его подвод и отвод, а нагрузку от разности давлений теплоносителей воспринимает корпус, в котором расположена обечайка.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что корпус теплообменника выполнен из двух силовых плит, в одной или в каждой плите расположены коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемого теплоносителя, и двух крышек корпуса, силовые плиты имеют ребра жесткости, в плитах размещена теплоизоляция, которая закрыта кожухом, крышки с теплоизоляцией прикреплены к силовым плитам корпуса с возможностью разъема или неразъемно и выполняют роль стяжных элементов.

3. Теплообменник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обечайка выполнена в виде двух плоских листов с отверстиями, соединенных с пакетом гофрированных пластин по отбортовкам и двух боковых листов, отогнутые кромки которых соединены с плоскими листами с образованием компенсатора, увеличение жесткости компенсатора достигается дополнительным элементом, закрепленным на фланцах плит.

4. Теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что гофры пластин, расположенные под углом к фронтальной плоскости, перекрещиваются и образуют каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, при этом течение теплоносителей по каналам происходит по схеме противотока на участке с двумя перекрестно-точными участками в зоне раздающих и сборных коллекторов, часть каналов нагреваемого теплоносителя, имеющих минимальную длину для увеличения длины противоточного участка, заглушены со стороны входа и выхода в(из) коллектор(а) сплошными или дискретными отбортовками шириной, равной 1-3 высотам гофра, и длиной, составляющей 20-80% длины периметра соответствующего коллектора, которые препятствуют непосредственному поступлению нагреваемого теплоносителя в(из) коллектор(а), при этом поток оттесняется к периферии коллекторов.

5. Теплообменник по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что высота гофр пластин со стороны нагреваемого теплоносителя уменьшена на 10-50% с образованием зазора между соседними пластинами на перекрестно-точных участках или в зоне расположения коллекторов пластин.

6. Теплообменник по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в зоне расположения коллекторов пластин угол перекрещивания гофр уменьшен относительно угла перекрещивания гофр основного противоточного участка.

7. Теплообменник по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что стяжные элементы расположены в потоке нагреваемого теплоносителя, проходят через отверстия коллекторов пакета и закреплены на стенках коллекторов или на втулке, передающей усилие на плиты.

8. Теплообменник по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что стяжные элементы проходят через пакет гофрированных пластин, имеющих дополнительные отверстия с отбортовками в той же плоскости, что и отбортовки отверстий.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13