Теплообменный аппарат
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменных аппаратов. Теплообменный аппарат, полученный с использованием аддитивных технологий (3D печати), содержит подводящие и отводящие коллекторы с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного участка, сформированного продольно ориентированными, имеющими на всей своей длине общие перегородки, каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, в которых в параллельных рядах каналов, в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов, перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов. Длина концевых участков может быть увеличена за счет удлинения образовавшихся каналов, при этом в каждой последовательно друг за другом расположенной паре этих каналов перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов. Технический результат - упрощение изготовления аппарата, повышение надежности его работы и снижение его массы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к рекуперативным теплообменным аппаратам.
Известен теплообменный аппарат, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок с каналами для теплообменивающихся сред, состоящий из основного и двух концевых участков. На основном участке теплопередающего блока продольно ориентированные каналы имеют общие стенки и расположены в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред (патент RU №2673305).
Основным недостатком известного устройства является наличие относительно протяженных (не менее 0,8 от ширины блока) концевых участков теплопередающего блока, в которых каналы расположены не в шахматном порядке, причем движение сред на части концевых участков осуществляется по не смежным каналам, а схема движение сред отличается от противотока, что ведет к снижению тепловой эффективности теплообменного аппарата.
Кроме того, для обеспечения на основном участке теплопередающего блока шахматного порядка расположения каналов двух сред необходимо изменять форму проходного сечения каналов с прямоугольной на концевых участках на ромбовидную или восьмигранную на основном участке, что усложняет изготовление теплопередающего блока.
Выполнение на концевых участках теплопередающего блока каналов одной из сред под углом к оси теплопередающего блока повышает сопротивление теплопередающего блока и осложняет механическую чистку каналов.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными, имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков (патент RU №2701971).
В данном техническом решении на всем протяжении теплопередающего блока каналы прямолинейны, расположены в шахматном порядке без необходимости изменения их формы, движение сред осуществляется по смежным каналам с соблюдением противотока.
Однако наличие выступающей над торцевыми поверхностями теплопередающего блока перегородки сложной формы, разделяющей ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллектора, усложняет изготовление аппарата, снижает надежность его работы и увеличивает его массу.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение изготовления аппарата, повышение надежности его работы и снижение его массы.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного участка, сформированного продольно ориентированными, имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, на протяжении которых в параллельных рядах каналов в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, а образовавшиеся к торцам концевых участков параллельные каналы каждой из сред открываются в соответствующие коллектора подвода и отвода сред.
Длина концевых участков может быть увеличена за счет удлинения образовавшихся каналов, причем в каждой последовательно друг за другом расположенной паре этих каналов перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, а образовавшиеся к торцам концевых участков каналы каждой из сред открываются в соответствующие коллектора подвода и отвода сред.
Выполнение на протяжении концевых участков теплопередающего блока в параллельных рядах каналов в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов перегородок между смежными каналами в форме винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, позволяет сформировать к торцам его концевых участков, открывающихся в соответствующие коллектора подвода и отвода сред, параллельные ряды каналов каждой из сред. Таким образом, на торцах концевых участков, примыкающих к основному участку теплопередающего блока, число каналов равно числу каналов основного блока и каналы сред располагаются в шахматном порядке, а на противоположных торцах концевых участков, обращенных к подводящим и отводящим коллекторам, число каналов равно числу параллельных рядов каналов основного блока и каналы сред параллельны друг другу.
Увеличение длины концевых участков за счет удлинения образовавшихся параллельных каналов и выполнение в каждой последовательно друг за другом расположенной паре этих каналов перегородки между смежными каналами в форме повернутого в одну сторону на 90 градусов винта позволяет сформировать к торцам удлиненных концевых участков, открывающихся в соответствующие коллектора подвода и отвода сред, по одному каналу для каждой из сред. Таким образом, в случае, когда концевые участки имеют удлинение, на торцах концевых участков, примыкающих к основному участку теплопередающего блока, число каналов равно числу каналов основного блока и каналы сред располагаются в шахматном порядке, а на торцах удлиненных концевых участков, обращенных к подводящим и отводящим коллекторам, есть только два канала - по одному для каждой из сред.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).
На рис. 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат. Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, сформированный продольно ориентированными, имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред. Поз. 2 и 3 - примыкающие к основному участку 1 симметричные концевые участки теплопередающего блока. Поз. 4 - перегородки между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов, имеющие форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов. Поз. 5 и 6 - патрубки подвода и отвода соответственно первой среды, поз. 7 и 8 - патрубки подвода и отвода соответственно второй среды, расположенные на симметричных коллекторах поз. 9 и 10. На рис. 1 показаны сечения: сечение А-А основного участка теплопередающего блока, сечение Б-Б концевого участка 3 теплопередающего блока в промежуточном положении перегородки 4, сечение В-В концевого участка 3 теплопередающего блока в месте поворота перегородки 4 на 90 градусов, сечение Г-Г коллектора 10.
На рис. 2 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором длина концевых участков 2 и 3 увеличена. Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, сформированный продольно ориентированными имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред. Поз. 2 и 3 - концевые участки теплопередающего блока, примыкающие к основному участку теплопередающего блока 1. Поз. 4 - перегородки между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов, имеющие форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов. Поз. 5 и 6 - патрубки подвода и отвода соответственно первой среды, поз. 7 и 8 - патрубки подвода и отвода соответственно второй среды, расположенные на коллекторах поз. 9 и 10. Поз. 11 и 12 - участки удлинения соответственно концевых участков 2 и 3 теплопередающего блока. Поз. 13 - перегородки между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре параллельных каналов, имеющие форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, на удлиненных концевых участках 11 и 12. На рис. 2 показаны сечения: сечение А-А основного участка теплопередающего блока, сечение Б-Б концевого участка 3 теплопередающего блока в промежуточном положении перегородки 4, сечение В-В концевого участка 3 теплопередающего блока в месте поворота перегородки 4 на 90 градусов, сечение Г-Г коллектора 10, сечение Д-Д концевого участка 12 теплопередающего блока в промежуточном положении перегородки 13, сечение Е-Е концевого участка 12 теплопередающего блока в месте поворота перегородки 13 на 90 градусов.
На рис. 3 представлен разрез концевого участка поз. 2 (или поз. 3) на рис. 1 с примыкающим к нему коллектором поз. 10 (или поз. 9) на рис. 1. Поз. 14 - поперечное сечение канала первой среды на торце концевого участка 2 или 3, примыкающего к основному участку 1 теплопередающего блока. Поз. 15 - поперечное сечение канала второй среды на торце концевого участка 2 или 3, примыкающего к основному участку 1 теплопередающего блока. Поз. 4 - перегородка между смежными каналами 14 и 15 в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов, имеющая форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов. Поз. 16 - поперечное сечение канала первой среды в промежуточном положении перегородки 4. Поз. 17 - поперечное сечение канала второй среды в промежуточном положении перегородки 4. Поз. 18 - поперечное сечение канала первой среды при повороте перегородки 4 на 90 градусов. Поз. 19 - поперечное сечение канала второй среды при повороте перегородки 4 на 90 градусов. Каналы 18 первой среды и каналы 19 второй среды образуют параллельные ряды каналов на торце концевого участка 2 или 3 теплопередающего блока, открывающиеся в коллектор 10 (или 9) с патрубками 6 и 7 (или 5 и 8) подвода и отвода сред.
На рис. 4 представлен разрез удлиненного концевого участка поз. 11 (или поз. 12) на рис. 2 с примыкающим к нему коллектором поз. 10 (или поз. 9) на рис. 2. Поз. 18 - поперечное сечения канала первой среды в начале удлинения концевого участка. Поз. 19 - поперечное сечения канала второй среды в начале удлинения концевого участка. Поз. 13 - перегородка между парой смежных параллельных каналов 18 и 19 теплообменивающихся сред. Поз. 20 - поперечное сечение канала первой среды в промежуточном положении перегородки 13. Поз. 21 - поперечное сечение канала второй среды в промежуточном положении перегородки 13. Поз. 22 - поперечное сечение канала первой среды при повороте перегородки 13 на 90 градусов. Поз. 23- поперечное сечение канала второй среды при повороте перегородки 13 на 90 градусов. Канал 22 первой среды и канал 23 второй среды образуют на торце удлиненного концевого участка теплопередающего блока по одному каналу для каждой теплообменивающейся среды, открывающиеся в коллектор 10 (или 9) подвода и отвода сред.
Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.
Первая среда подается в патрубок 5 коллектора 9 и попадает в концевой участок 2 (рис. 1), где каналы теплообменивающихся сред параллельны друг другу, или в участок удлинения 11 концевого участка 2 (рис. 2), где для каждой теплообменивающейся среды есть только один канал. В первом случае (рис. 1 сечение Г-Г) коллектор 9 имеет количество перегородок, соответствующее количеству параллельных каналов рабочих сред, открывающихся в этот коллектор. Во втором случае (рис. 2 сечение Г-Г) коллектор 9 имеет одну перегородку, отделяющую канал первой среды от канала второй среды.
В первом случае, пройдя концевой участок 2, в котором перегородки 4 между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, первая среда попадает в основной участок 1 теплопередающего блока, который сформирован продольно ориентированными имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке (сечение А-А) для каждой из теплообменивающихся сред.
Во втором случае, пройдя участок удлинения 11, в котором перегородки 13 между каждой последовательно друг за другом расположенной парой каналов имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, первая среда попадает в концевой участок 2, где каналы теплообменивающихся сред параллельны друг другу (сечение В-В). Пройдя концевой участок 2, в котором перегородки 4 между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, первая среда попадает в основной участок 1 теплопередающего блока, который сформирован продольно ориентированными имеющими на всей своей длине общие перегородки каналами, расположенными в шахматном порядке (сечение А-А) для каждой из теплообменивающихся сред.
Пройдя основной участок 1 теплопередающего блока, первая среда попадает в концевой участок 3, в котором перегородки 4 между смежными каналами в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов в параллельных рядах каналов имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, и в первом случае (рис. 1) выводится через торец концевого участка 3, где каналы теплообменивающихся сред параллельны друг другу, в коллектор 10 и патрубок 6 отвода первой среды или, во втором случае (рис. 2), сначала проходит удлиненный участок 12, в котором перегородки 13 между каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, после чего выводится через торец удлиненного концевого участка 12, где для каждой теплообменивающейся среды есть только один канал, в коллектор 10 и патрубок 6 отвода первой среды.
В первом случае (рис. 1 сечение Г-Г) коллектор 10 имеет количество перегородок, соответствующее количеству параллельных каналов рабочих сред, открывающихся в этот коллектор. Во втором случае (рис. 2 сечение Г-Г) коллектор 10 имеет одну перегородку, отделяющую канал первой среды от канала второй среды.
Вторая среда движется аналогично, но в противотоке первой среде. Вторая среда подается через патрубок 7 в коллектор 10, проходит концевой участок 3 в первом случае (рис. 1) или удлиненный участок 12 и концевой участок 3 во втором случае (рис. 2), и попадает в основной участок 1 из которого через концевой участок 2 в первом случае (рис. 1) или через концевой участок 2 и удлиненный участок 11 во втором случае (рис. 2) попадает в отводящий коллектор 9 и выводится через патрубок 8.
В первом случае (рис. 1 сечение Г-Г) коллектор 9 имеет количество перегородок, соответствующее количеству параллельных каналов рабочих сред, открывающихся в этот коллектор. Во втором случае (рис. 2 сечение Г-Г) коллектор 9 имеет одну перегородку, отделяющую канал первой среды от канала второй среды.
Использование предлагаемого технического решения позволяет упростить изготовление теплообменного аппарата, повысить надежность его работы и уменьшить его массу.
Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками за счет идентичности каналов обеих сред, а также за счет обеспечения чистого противотока на всем протяжении каналов.
1. Теплообменный аппарат, содержащий подводящие и отводящие коллекторы с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного участка, сформированного продольно ориентированными, имеющими на всей своей длине общие перегородки, каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, отличающийся тем, что на протяжении концевых участков в параллельных рядах каналов, в каждой последовательно друг за другом расположенной паре каналов, перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, а образовавшиеся к торцам концевых участков параллельные каналы каждой из сред открываются в соответствующие коллекторы подвода и отвода сред.
2. Теплообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что длина концевых участков увеличена за счет удлинения образовавшихся каналов, а в каждой последовательно друг за другом расположенной паре этих каналов перегородки между смежными каналами имеют форму винта, повернутого в одну сторону на 90 градусов, а образовавшиеся к торцам концевых участков каналы каждой из сред открываются в соответствующие коллекторы подвода и отвода сред.
