Пористокомпактный теплообменник

Пористокомпактный теплообменник

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4934817/06 (22) 07.05.91 (46) 15.10.93 Бюл. Na 37-38 (75) Горда В.П.; Кострубов С.В. (73) Горда Владйслав Павлович (54) ПОРИСТОКОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК (57) Использование: для теплотехнических и энергетических с стем, использующих газы в качестве теплоносителей Сущность изобретения: корпус 1 теппообменника набран из колец 3. Между ними вставлены непроницаемые разделительные мембраны 4. Они образуют проточные щепевые каналы

5 теплообменника Последние частично или полно<191 Rll (и1 2001374 С1 (11) 5 Н О 9100 стью заполнены пористопроницаемыми наголнителями 6 с равномерно расположенными в них дистанционирующими штырями 7. Они расположены в щелевых каналах соосно друг друга с образованием стяжек между мембранами и днищами корпуса

Пористость напопнителей выбрана в соответствии с соотношением 0.75 с 0.85. Структурная относительная толщина пористого материала изменяется от о=1 до Ь 10. Корпус выполнен цилиндрическим круглым или овальным в сечении. На поверхности корпуса выполнены щелевые входные и выходные окна К последним подсоединены соответствующие коллекторы. 4 ил.

2001374

Ф

30

40

Изобретение относится к теплотехнике, э более конкретно к теплообменникам с интенсификацией теплообмена, малой массой и малыми габаритами. Предлагаемый пористокомпактный теплообменик (ПКТО) является высокоэффективным и компактным теплопередающим устройством для теплотехнических и энергетических систем, использующих газы в качестве теплоносителей, этим определяется. возможность его применения в теплотехнике, системах кондиционирования, криогенной технике, энергетике, двигателестроении и т.п.

Предлагаемый пористокомпактный теплообменник может работать в широком диапазоне давлений, максимальная рабочая температура зависит от типа теплоносителя и материала пористого наполнителя. Так, для медного наполнителя имеем: для инертных газов Тмакс = 1000 К, для воздуха Тмйкс

=430 К. а

Известно теплообменное устройство, в котором пористые наполнители размещены как во внутренней, так и во внешней трубе.

Эти наполнители имеют одинаковую толщину и расположены в одной плоскости. Пористые наполнители вставляются,в трубы с натягом, который обеспечивается их пористой структурой, и за счет его удерживаются в установленном положении, Однако указанное теплообменное устройство обладает существенными недостатками, с одной стороны, не позволяющими в устройстве рационально использовать всю теплопе . едающую поверхность пористых наполнителей, что приводит к увеличению массы и габаритов конструкции, а с другой — приводящими к значительным гидравлическим потерям в трактах устройства, что в сво|о очередь приводит к недопустимым затратам мощности на прокачку по ним теплоносителей.

Известно также теплообменное устройство, в котором пористый наполнитель заполняет пространство между двумя оболочками. Продольные подводящие и отводящие теплоноситель каналы расположены равномерно по окружности и примыкают к стенкам оболочек. Поперечное течение теплоносителя сквозь пористый нэполнитель осуществляется в радиальном направлении.

В этом устройстве наиболее рационально используется интенсификатор теплообмена в связи с прокачкой по нему теплоносителя в направлении наименьшей его толщины. Это приводит к минимальным затратам мощности на прокачку теплоносителя по пористому наполнителю, Однако гидравлические потери по всему устройству, по-видимому, здесь будет все же большими из-за потерь в щелевых продольных подводящих и отводящих теплоноситель каналах длиной, соизмеримой с длиной устройства.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов, сокращение материалоемкости и повышение прочности конструкции предлагаемого пористокомпактного теплообменника, а также обеспечение минимальных потерь на прокачку по устройству его теплоносителей, Цель достигается за счет того, что его корпус, разделительные непроницаемые перегородки (мембраны), дистанционирующие штыри между ними и пористые наполнители выполняются как одно целое, т.е, монолитно, причем дистанционирующие штыри в щелевых каналах расположены соосно друг другу, образуя стяжки между мембранами и днищами корпуса теплообменника, которые от крайних пористых наполнителей отделены зазором через штыревые отростки днищ, а пористость наполнителей выбрана в соответствии с соотношением 0,75 e 0,85 при изменении структурной относительной толщины пористого материала от д = 1 до д >10, при этом корпус теплообменника выполнен цилиндрическим, круглой или овальной формы, к которому к соответствующим входным и выходным "горячим" и "холодным" щелевым окнам на корпусе подсоединены подводящие и отводящие коллекторы теплоносителей теплообменника, образующие с его соответствующими каналами "горячий" и "холодный" тракты, В предлагаемом ПКТО принцип его действия основан нэ интенсификации процессов теплообмена в теплообменнике путем введения в каналы трактов пористого наполнителя из материалов с высокой теплопроводностью. В конструкционном смысле он представляет собой монолитный корпус, 3 состоящий из обечайки с днищами, разделенный внутри непроницаемыми мембранами (перегородкаами) на изолированные друг от друга щелевые каналы. Щелевые каналы заполнены пористым материалом. К монолитному корпусу приварены четыре коллектора, образующих совместно с соответствующими щелевыми каналами тракты теплообменника. Все нечетные щелевые каналы, соединенные отверстиями с соответствующими коллекторами, образуют тракт, условно называемый "холодным". Аналогично все четные щелевые каналы и соответствующие им коллекторы образуют тракт, условно называемый "гсра <им Число ще2001374 левых каналов в ПК ТО всегда нечетно, чтобы каналы холодного" тракта были крайними.

При обычной кубической компоновке теплообменника, в частности ПКТО, его основные конструкционные размеры характеризуются длиной L, шириной В и высотой h единичного щелевого канала, причем при неизменных L и В каналы разных трактов теплообменника могут иметь различия лишь по высоте h. Общая высота Н теплообменника определяется набором некоторого количества его щелевых каналов, величина которого зависит от уровня передаваемой

ПКТО тепловой мощности Q, Работа теплообменника любого типа, в том числе и предлагаемого ПКТО. описывается математической системой из четырех уравнений: — уравнением теплопередачи; — уравнением баланса передаваемой тепловой мощности; — двумя гидравлическими уравнениями

Дарси для двух трактов теплообменика, по котторым вычисляются потери давления в каждом их них при прокачке по ним соответствующих теплоносителей.

Решая совместно указанную систему уравнений, можно получить ряд соотношений, необходимых для расчета теплообменников по Т3. В частности, для предлагаемого ПКТО можно получить выражение для отношения удельных расходов его теплоносителей:

Gy Ср ATi ri h>

< У! <-Р2ЛT2 < гП2 выполнение которого обеспечиает его конструкционную завязку, т,е, обеспечивает выполнение L1 =- L2 = L. Здесь

Gy=

G где G — массовый расход теплоносителя. е- пористость пористого наполнителя; и -число щелевых каналов в соответствующем тракте теплообменника.

При заданных в ТЗ теплоносителях и, следовательно, заданных их теплоемкостях ;n-, и Ср2, а также заданных температурных .репадах АТ> и ЛТг, первый множитель иь,рлжении является заданным и тогда г лгчина отношения Суг/Су может регули гваться только за счет второго множителя, параметрами которого обычно задаются из ..nHQT pугтивных соображений.

Из зап;,санного выше выражения сле, < е-, о предлагаемый ПКТО может иметь

< pv ati r

Первый нетривиальный вариант имеет место, когда множитель Cpi 6Т1/(Срг Мг) 1, что соответствует использованию в теплообменике разных и неоднотипных теплоно5 сителей с сильно отличающимися свойствами.

Второй тривиальный вариант имеет места, когда множитель Ср1 ЬТ1/(СргЛ Тг)-a hi/(егЬг) - 1, т.е. здесь Оуг - Gy1, что при

10 r> = и h> - пг соответствует использованию в обоих трактах устройства однотипного (одного и того же) теплоносителя.

Для общего нетривиального варианта функф онирования предлагаемого ПКТО иэ

15 уравнения теплопередачи и определения коэффициента теплопередачи получим уравнение а — =К=

F h > г + г +l(t + г)+ м

Q1a1h1gp1 а2 гьг г»й ч г Хм

=f (Re), где Q — передаваемая ПКТО тепловая мощность;

Л 4 — среднелогарифмический напор ее передачи;

F — общая теплопередающая поверхность всех мембран ПКТО;

К -коэффициент теплопередачи;

Re- критерий Рейнольдса.

Кроме того, здесь в знаменателе дроби первые два члена представляют собой термосопротивление теплопередачи от теплоносителя к пористому каркасу наполнителя в "горячем" тракте ПКТО и термосопротивление теплопередачи от пористого каркаса к теплоноситлю в "холодном" его тракте.

Эти термосопротивления имеют аналоги в классических выражениях для К, справедливых для гладкоканальных теплообменников.

Третий член в знаменателе дроби представляет собой дополнительное и специфичное термосопротивление теплопередачи в

ПКТО, возникающее при передаче тепловой мощности по каркасам их пористых наполнителей. Четвертый член в знаменателе дроби является обычным и представляет собой термосопротивление теплопередачи при прохождении Теплового потока через разделительные теплопередачи мембраны П КТО.

Цифры 2 в выражении для коэффициента теплопередачи -обусловлены принятой бган расчетной схемой, характеризующейся одной разделительной мембраной и прил

2001374

10 в диапазоне е.

0 — =К—

f(Re), аа h тур Л»

F Лти

40 На основании выполненных систематических экспериментальных исследований пористых MP-структур, применяемых в предлагаемом ПКТО в качестве интенсифицирующих процесс теплопередачи в теплообменниках пористых наполнителей, приведенные выше эмпирические соотношения представляют собой исходную базу начальных данных для их итерационно-оптимизационного расчета с целью оптимизации конструкции теплообменника по массе и габаритам при допустимых относительных гидравлических потерях в трактах устAP ройств, не превышающих — г= 1 . Последнее требование очень жесткое требование, которое черезвычайно трудно удовлетворить особенно при низких пористостях пористых наполнителей, поскольку коэффициент гидравлических потерь обратно пропорционален пористости f... гасящими к ней полуканалами (h/2) соответствующих трактов теплообменника.

В записанномуравнении а- NuА/4г— соответствующие коэффициенты теплопередачи от "горячего" теплоносителя к каркасу пористого наполнителя и, наоборот, от каркаса наполнителя к "холодному" теплоносителю, где Nu — критерий Нуссельта: Атеплопроводность соответствующих теплоносителей;

< п а

1 — е +— и

2h аметр соответствующего щелевого канала, dn — диаметр проволоки MP — структур пористых наполнителей; e — пористость соответствующих наполнителей;

41 — е а= -удельные поверхности codn ответствующих пористых наполнителей; д — теплопроводность каркасов соответствующих пористых наполнителей; h - толщина разделительной теплопередающей мембраны; А — теплопроводность ее материала: gp = th(m)/m — так называемые коэффициенты ребра, формирующие температурный профиль в пористых наполнителях соответств lo их щелевых каналов

ПКТО; m = д h>y 4 g d„)- параметр соответствующего коэффициента ребра.

Для тривиального варианта функционирования предлагаемого ПКТО написанные выше уравнения упрощаются и принимают вид где критерий Рейнольдса для пористых систем (наполнителей) вычисляется по соотношению Re - Gy бгlр . Здесь / — динамическая вязкость теплоносителя.

Этот вариант функционирования ПКТО и описывающие его уравнения оказались удобными для постановки экспериментальных исследований процессов теплопередачи и теплообмена в пористых системах

ПКТО. Пористокомпактные теплообменники и двухканальные тенлопередающие образцы на их основе. выполненные в тривиальном исполнении (A = E2 и Ь! - h2), продуваемые в газодинамической стендовой установке "горячим" и "холодным" воздухом, позволили получить экспериментальные данные, обработка которых по вышеприведенным уравнениям позво-.èëà сначала получать зависимости и

"f(Re). а по ним и эмпирические зависимости

30 для критерия Нуссельта Nu- А Re" Рг, где

Рг — критерий Прандтля. Показатель степени

1/3 при критерии Прандтля — общепринятый для пористых систем.

Помимо тепловых характеристик пористых систем, по экспериментальным результатам продувок образцов и ПКТО получили также данные для вычисления коэффициента гидравлических потерь в этих системах

P f(Re). используя для его вычисленная уравнение Дарси.

В результате проведенных экспериментальных исследований пористых MP-структур из меди с бл -0,1 и 0,2 мм были, в первом приближении, опредглены следующие эмпирические соотношения:

-для вычисления коэффициента А в критерии Nu

0,000749 e4 29

"935

p gy — " 9з5

-0.6...0,95;

-для вычисления коэ фициента и в критерии Nu n - 1,59(1- е 9) в диапазоне

e=0.6...0,95; — для вычисления теплопроводности 4 каркаса пористого наполнителя на основе меди

-0,55...0,95; — для вычисления коэффициента гидравлических потерь в пористом наполнителе ф = — (+ — — 3,5).

«1 88,1 8,82

2001374

C ЛРУ r.ге(Пн», ЛРУ ИЕ НЕ МЕНЕЕ Важные параметры MP-структур, также зависящие QT их пористости, с.ее повышением начинают резко терять свои интенсифицирующие теплопередачу свойства.

Из сказанного следует существенный отличительный признак предлагаемогоо

ПКТО, а именно: пористость их пористых наполнителей на основе MP-структур должна находиться в пределах от c 0,75 до

f: 5 0,85, причем нижний предел RopHGTocTH здесь менее ограничен, если будет возможЛР но допустить -р — > 1 .

Используя имеющуюся базу исходных данных, были выполнены расчеты предлагаемых ПКТО в двух вариантах их функционирования: в нетривиальном и тривиальном, по примерному Т3, представленному здесь в виде табл.1 с примечаниями. 2

При расчетах, из конструкционно-прочностных соображений, в целях удовлетворения минимизационных требований к конструкции ПКТО по ее массе, его монолитный корпус целесообразно выполнять цилин- 2 дрическим или овально-цилиндрическим, что позволит иметь надежную радиальную прочность конструкции при минимальных живых сечениях ее корпуса порядка 1...3 мм, подкрепленного к тому же разделительными 3 мембранами теплообменника.

И это также является существенным отличительным признаком предлагаемого

П КТО.

Если пористые наполнители будут не 3 полностью эапслнять цилиндрические или овально-цилиндрические щелевые каналы

ПКТО, с образованием при этом внутренних ресиверных коллекторов в каждом щелевом канале, то можно считать при этом, что теплообменник собран примерно по кубической ко лпоновке. Но здесь будет теряться часть (30 ) теплопередающей поверхности мембран, что, естественно, не желательно.

Если же пористые наполнители будут полностью заполнять щелевые каналы цилиндрического корпуса ПКТО, та его компоновка при этом будет цилиндрической.

Возможны оба варианта компоновки предлагаемого ПКТО, решения по которым, однако, принимаются по требования л конкретных Т3.

В результате расчета ПКТО по ТЗ определяются длины пористых íàfloëнителей Lf и Lz а также одна из их толщин h (одна из высот щепевых каналов) при заданной друой. По технологическим соображениям леньшая е 1colп не лопжнп быть меньше

1мл

При расчете ПКТО добиваются его завязки. т.е. соблюдения условия Li=-L-1

Далее по компоновочному соотношению В=Ь1 определяют ширину щелевых ка5 налов ПКТО. Для кубической компоновки теплообменника обычно коэффициент b>1, Осевая прочность ПКТО обеспечивается внутрикорпусной стяжкой штырями всех его мембран и днищ, а также жидкофазной

10 приваркой к его корпусу внешних подводящих и отводящих коллекторов, Выполненные здесь расчеты ПКТО проводились q предположении, что они имеют цилиндрическую компоновку и полное эа15 полнение пористым наполнителем щелевых каналов, При этом принимали, что b=1, т.е.

0=1.

Некоторые результаты выполненных расчетов предлагаемого ПКТО по имеющей0 ся базе исходных данных для MP-структур на медной основе и примерным ТЗ представлены в табл.2.

Иэ данных табл.2 видно, что в нетривиальном варианте ПКТО, когда в нем исполь5 зуются теплоносители с сильно различающимися теплофизическими свойствами, особенно по их теплоемкостям (см.табл.1), при допустимых потерях в тракЛР

0 тах теплообменника — г = 1;(, реализуется не очень большой коэффициент теплопередачи К=382 Вт/(м К). Тогда как в тривиальном варианте ПКТО. использующем теплоноситель со средними теплофиаиче5 скими свойствами, этот коэффициент в три раза выше, и равен 1231 Вт/(м К) при тех же

2 гидравлических потерях в трактах, В соответствии с этим удельная масса нетривиального ПКТО (y= 2,7 кг/кВт) при40 мерно в 3 раза превышает удельную массу тривиального,ПКТО (0,974 кг/кВт).

Удельная масса предлагаемого устройства в 2,7 кг/кВт, хотя и допустима еще б, но не желательна. Желательный же ее уровень

45 упкг < 1 кг/кВт.

По той же причине и радиальный габарит нетривиального ПКТО примерно в б раз больше, чем у тривиального теплообменника, 50 Следует заметить, что при расчете нетривиального ПКТО его завязка при заданных сап)-бпг-02 мм; р -08; ay=085; hi = 4 мм осуществлялась лишь при h = 18 мм и при этом гидравлическое условие по его трактам

55 ДР 1 (,, как видно из табл.2, выполнялось, Р

Именно необходимость повышен пысоты холодного канала нетриви п,нго

ПКТО до 18 мм с целью его завязки и прнп.2001374

12 ла к тем результагам, которые отражены в табл.2. Причем эта необходимость диктоваЛР лась выполнением условия <1 для

"холодного" канала, Обращают на себя внимание и факт низких удельных расходов теплоносителей, при которых реализуется завязка теплообменника у нетривиального варианта ПКТО против тривиального.

Вместе с тем, поскольку критерий Рейнольдса прямо пропорционален удельному расходу теплоносителя, это означает, что завязка нетривиального ПКТО реализовалась при низких значениях параметров; Re, Nu, а и при повышенных значениях (, что и привело к низкому значению коэффициента теплопередачи К для этого варианта теплообменника и к трудностям в преодолении в нем гидравлических потерь по щелевым каналам его трактов.

Обращает на себя внимание и тот факт, что общим для обоих рассчитанных вариантов ПКТО являеться диаметр проволоки в их пористых наполнителях из MP-структур, равный d> - 0,2 мм, Сам по себе этот факт вынужденный, поскольку базы исходных данных по MPструктурам, сформированным из проволок большого диаметра, пока нет. Разумеется ее нужно создавать, но для этого неободимо выполнить дополнительные экспериментальные исследования.

Как видно иэ табл.2, этот диамето проволоки пористых наполнителей отлично удовлетворил тривиальный вариант ПКТО и, по-видимому, плохо удовлетворяет нетривиальный его вариант.

Результаты анализа расчетных данных нетривиального варианта ПКТО показывают, что, действительно, при использовании в пористокомпактных теплообменниках теплоносителей с сильно различающимися теплофизическими свойствами, для более целесообразной его завязки, необходимо в его щелевых каналах использовать пористые наполнители на базе МР-структур с разными диаметрами проволок, в том числе значительно превышающими dn = 0,2 мм.

Анализ показывает, что при этом здесь возможно существенное повешение коэффициента теплопередачи К при выполнении . ЬР требования <1, в частности, из-за поP являющейся возможности увеличения гидравлических диаметров щелевых каналов в

Ф

55 обоих трактах теплообменника, даже при минимальных их высотах.

Реализация указанных возможностей позволит и на нетривиальных вариантах

ПКТО получать характеристики, не уступающие характеристикам, полученным у тривиальных теплообменников, а может быть и улучшить характеристики- последних.

Из вышеизложенного и рассмотренного следует еще один существенный отличительный признак предлагаемого ПКТО. а именно; структурная толщина пористого материала его пористых наполнителей, например диаметра проволоки МР, должна находится в пределах от dn 0,1 до dn 1,0 мм, Причем здесь нижний предел ограничивается чисто технологическими соображениями возможности изготовления таких

MP-структур, а плавающий верхний предел в первую очередь ограничен только соображениями целесообразности, а также и техноЛогическими возможностями их изготовления, учитывая, что MP-структуры формируются из навиваемых проволочных спиралей различных диаметров.

Если здесь принять первый нижний предел ограничения dt 0,1 мм за базовый, поскольку он серьезно ограничивается технологией, то тогда рассмотренный выше существенный отличительный признак можно сформулировать в относительных величинах, а именно: структурная относительная толщина пористого материала наполнителя должна находиться в пределах от д = 1 до д 10, Следует заметить, что тепловые и гидравлические характеристики MP-структур в явном виде определяется такими ее параметрами: пористостью е, диаметром проволоки d> и отношением диаметра навивки (диаметра керна для навивки спиралей) к диаметру проволоки dg/dn а также в неявном виде, возможно степенью усадки при их формировании прессованием и их толщиной

Таким образом, степеней свободы у МРструктур много и для выявления характера их влияния на тепловые и гидравлические характеристики этих структур потребуются весьма объемные эеспериментальные исследования, но это же автоматически расширит начальную базу исходных данных для расчетных поисков оптимальных вариантов конструкции предлагаемого устройства на любые случаи их функционирования в рамках задаваемых Т3.

Следует также заметить. что по выполнении укаэанных объемных экспериментальных исследований и анализа их результатов могут появитьсч обстоятельст13

2001374

14 ва, которые позволят написать отдельную ный" теплоноситель поступает только в "хозаявку на MP-структуру, как на объект, ис- лодный" канал 5 теплообменника. Далее пользуемый в предлагаемом здесь ПКТО, "холодный" теплоноситель течет по этим

Выполненные расчеты предлагаемого щелевым каналам вверх через соответствуПКТО по имеющейся мизерной базе исход- 5 ющие пористые наполнители 6, контактируных данных, тем не менее, также показали, ющие с разделительными м лбранами 4, что примерно 60...70 его массы приходит- через которые он воспринимает тепловой ся на массу пористых теплопередающих на- поток or "горячего" теплоносителя, протекаполнителей, хотя они и обладают высокой ющего при противотоке, сверху вниз аналопористостью порядка e = 0,8, 10 гичным порядком, но уже по "горячим"

На фиг.1 показан предлагаемый тепло- каналам 5 теплообменника через их "горяобменник (продольное сечение В-В на чие" пористые наполнители 6. Естественно, фиг.2 и 3); на фиг.2 — сечение А-А нэ фиг,1; что "холодный" теплоноситель вводится в на фиг.3 — сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 — теплообменник и выводится из него через графики функционирования опытного на- 15 "холодные" внешние коллекторы 12 и па-» турного пористокомпактного теплообмен- рубки 14, а "горячий" — соответственно через

"горячие" внешние коллекторы 11 и патрубПредлагаемый пористокомпактный теп- ки 13. лообменник имеет монолитный корпус 1 с Разумеется, что предложенный ПКТО днищами 2. Корпус набран из колец 3, меж- 20 может работать и в прямоточном варианду которыми вставлены непроницаемые те,но как и любой другой тип теплообменниразделительные перегородки (мембраны) 4, ка, менее эффективно. образующие проточные щелевые каналы 5 Из приведенного примера описания ратеплообменника. Щелевые каналы частично боты предложенного ПКТО вытекает следуилиполностьюзаполнены пористопроница- 25 ющий механизм его функционирования. емыми наполнителями 6, например, из MP- "Горячий" теплоноститель, протекая по "гоструктур, интенсифицирующих рячему" пористому наполнителю, отдае-. теплопередачувустройстве,сдистанциони- тепло его каркасу. Этот каркас подводит рующими штырями 7, равномерно располо- тепло через разделительную мембрану к женными в наполнителях. При неполном 30 "холодному" каркасу, с которого это тепло заполнении щелевых каналов 5 пористыми снимается "холодным" теплоносителем. наполнителями 6 в них образуются внутрен- При таком функционировании реализуется ние ресиверные коллекторы 8, которые при . эффект интенсификации процеса теплопеполном заполнении каналов наполнителем редачи за счет пористых наполнителей отсутствуют. В кольцах 3 монолитного кор- 35 предложенного теплообменника. пуса 1 прорезаны щелевые окна 9 для про- Указанный эффект интенсификации тока "горячего" теплоносителя и щелевые процесса теплопередачи подтвержден эксокна 10 для протока "холодного" теплоноси- псриглентально результатами продувок как теля. Снаружи монолитного корпуса 1, над опытных ПКТО, так и их двухканальных экссоответствующими щелевыми окнами 9 и 10 40 периментальных моделей (образцов) и вырасположены входные и вь ходные внешние ражается тем обстоятельством, что в этом коллекторы 11 и 12 соответственно для "го- сложном процессе теплопередачи процесс рячего" l1 "холодного" теплоносителей с теплоотпачи между каркасами пористых нэподводящими штуцерами (патрубками) 13 и полнителей и теплоносителями, описывае14 соответственно для "горячего" и "холод- 45 мый критериэльными степенными ного" теп 1онасителсй. зависимостягли, имеет степень при критеПредложенный пористокомпактный рии Рейнольдса п>1. теплообменник, например, в режиме проти- В процессе проведения исследований вотока теплоносителей работает следую- по предложенному пористокомпактному щим образом. 50 теплообменнику была изготовлена небольДопустим, к примеру, что "холодный" шая их опытная серия из4единиц. В основтеплоноситель поступает в теплооб ленник ном это 15-канальные ПКТО, в которых 7 через нижний входной патрубок 14 и ниж- каналов "горячих" и 8 каналов "холодных". ний внешний коллектор 12. а также через Эти теплообменники выполены в тривиальнижние щелевые окна 10 корпуса 1 и попа- 55 ном исполнении с высотой каналов h-5 мм, дает в щелевые каналы 5, заполненные по- пористостью пористых наполнителей и.". ристым наполнителем 6 частично или MP-структур на медной основе r, = О,В, с полностью, соответственно через ресивер- диаметром проволоки d =0,2 мм и внутренные внутргл ние коллекторы 8 или, при их ним диаметром их корпуса D=l= 98.5 мм. отсутствии, напрямую. При этом "холод- Некоторые из HI1x имели неполное злпглне2001374

50 ние ка«а <ов, т.е. примерно кубическую компоновку с 1-68 мм. Часть конструкции этих

П КТΠ— корпус с днищами, дистанционируощие ш-ыри, мембраны и коллекторы с подводящими теплоносители патрубками были выполнены из нелегированной конструкционной стали Ст20, а часть—

-.з нержавеющей стали 12Х18Н10Т, Дистанционирующие штыри из соответствующей стали имели диаметр 5 мм, а их количество в щелевых каналах было при неполном их заполнении пористым наполнителем 17 и при полном — 19. Мембраны применялись двух толщин; из Ст-20 дм= 0,5 м.,< и из 12Х18Н9Г дл<=-0,25 мм.

Реальная теплопередающая поверх«ость мембраны, определяемая наполнителем без торцевой поверхности штырей, соответственно была: при неполном заполпе«ии "55 см, а при полном заполнении

° «2 см, т.е. Ь первом случае общая. теплопередающая поверхность 14 мембран 15канальногo ПКТО будет 770 cM = 0,077 M . а

2= г во втором 1008 см =- 0,1008 м, т.е. эти

2 г поверхности отличаются на 31 .

Масса 15-канального

ПКТО вместе с внешними коллекторами и ф подводящими теплоносители патрубками составляет 3,4 кг, Габариты цилиндрической части этих теплообменников: внешний диаметр по корт<усу 102 мм, высота по корпусу 105 мм, г<ь сота без фланцев (высота теплопередаюц<е.< части чстройгтва) 80 мм.

Толп«на корпуса 1 75 мм, толщина колле: торов 1,5 мм, которые алесь следует при.":нять завышенными.

Используя имеющуюся базу исходных дан«ь<х (см вь«<<е), для описанных здесь пор Ic o<

«=:.ис .е«,t на ПЭВМ зависимости, предста«ле<«-<ь<е на фиг,4, в предположении неполного заполнения их щелевых каналов пористыми наполнителями иэ MP-структур

«а медной основе при различных их пориCT OCTË Х C VC OOJlh3003» WPM ПРОВОЛОКИ C

d - 0,2 <1<.<. При вычислениях, кроме этого, было принято: среднее давление теплоно«;теле<< по трактам ПКТО 2 МПа (сО атм), среднлл их температура длл инертных газов . а длл воздуха,:ОП К. Относительные

45 потери давления в трактах были приняты

1 <)ь.

Из дайных фиг,4 для рассмотренных

ПКТО с фиксированной пористостью их пористых наполнителей < = 0 будем иметь результаты, представленные в табл.3.

Если среднелогарифмический температурный напор теплопередачи в рассмотренных ПКТО понизить в 2 раза, т.е. принять его

Ab = 10 К, то удельные массовые характеристики этих теплообменников при их физической неизменности по массе и габаритам ухудшатся, т,е. возрастут в 2 раза. Но, следует заметить, что At, = 10 К вЂ” черезвычайно малая величина, хотя для некоторых условий эксплуатации предлагаемого ПКТО возможно потребуется, но даже при таких условиях эти теплообменники будут эффективно функционировать.

-Основное достоинство предлагаемого пористокомпактного теплообменника при работе с газовыми теплоносителями по крайней мере в его тривиальном исполнении, как видно из данных табл,3, состоит в низких массовых и габаритных характеристиках (0,5...1,5 кг/кВт при среднелогарифмическом температурном напоре 10...20 градусов для теплоносителей ряда водород, ксенон, соответственно при среднем давлении в трактах 2 МПа и при очень низких относительных потерях давления по их трактам 1 ).

При экспериментальном расширении базы исходных данных, для расчетнь:х поисков все более оптимальных вариантов конструкции предлагаемых ПКТО, появится также воэможность находить конструкции и для их нетривиального исполнения, при ипользовании в них неоднотипных теплоносителей с сильно различающимисл теплофизическими свойствами, обеспечива<ощие таким теплообменникам массогабаритнь<е характеристики,не уступающие характе йстикам теплообменников при тривиальном исполнении. (56) Патент США ¹ 3433299, кл. 65-135, опубл и к. 1969.

Авторское свидетельство СССР № 486205, кл. F 28 F 3/О?, с пубп«к 197„ .

2001374

Табл ица1

Продолжение табл.1

П р и м е ч а н и е. 1. Предполагается противоточная схема подачи теплоносителей в теплообмен нике

2. Теплофиэические свойства теплоносителей вэяты иэ справочной литературы при их средней температуре по трактам теплообменника Т и при их среднем давлении в них Р-10 .10 Па(10 атм).

ЬР

3. Относительные допустимые потери давления по трактам теплообменника 1 (.

P т.е. Л P 0,1 10 Па (0,1 атм). сТаблица2

2001314

20

Продолжение 1абл, "

П р и м е ч а н и е, 1, Материал корпуса, мембран, штырей, днищ и коллекторов— нержавеющая сталь 12Х18Н9Т.

2, Принятая компоновка ПКТΠ— цилиндрическая при полном заполнении щелевых каналов пористым наполнителем, 3, Нетривиальный вариант ПКТО рассчитывался по ТЗ табл,1, 4. Тривиальный вариант ПКТО рассчитывался по части ТЗ табл.1, но с корректировкой ее исходных данных. Так при этих расчетах было принято: Т1 = Tz = 600 К; Т1 = Т2 =- 214 К и в соответствии с занижением средних температур теплоносителей на 97 К его теплофизические свойства здесь были соответственно скорректированы, 5. B табл. 2 у пкто удельная масса предлагаембго устройства.

Таблица3

НПЗ вЂ” неполное заполнение щелевых каналов

ПКТО пористым наполнителем;

ПЗ - их полное заполнение.

Формула изобретения

Г1ОРИСТОКОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, СОдержащий размещенные в корпусе, включающем обечайку с днищами, непроницаемые разделительные мембрайы, образующие щелевые проточные каналы для прокачки теплоносителей и расположенные в,них пористые наполнители с дистанционирующими штырями, и коллекторы, отличающийся тем, что, с цельс уменьшения массы и габаритов, сокращения материалоемкости и повышения прочности конструкции, а также обеспече11ия минимальных потерь на прокачку, теплоносителей, корпус с разделительными мембрэнами, дистанционирующие штыри и порис1ые наполнители выполнены заодно. причем дистанционирующие штыри в щелевых каналах расположены соосно друг с другом с образованием стяжек между мембранами и днищами корпуса, отделенные от крайних пористых наполнителей зазорами, в которых также размещены штыри, пористость наполнителей выбрана в соответствии с соотношением

0,75 < г 0,85, при изменении структурной относительной толщины пористого материала от д = 1 до д 10, а корпус выполнен цилиндрическим, круглым или овальным в сечении и его поверхность снабжена щелевыми входными и выходными окнами для теплоносителей, сообщенными с соответствующими коллеKãoðàìè.

2001374

2001374

44

Фиг.5

° / ° / к

° C

° Ф I

° Ф Ф °

В ° Ф ° °

° I Ф °

° I Ф

Э ° °

° I

1 °

Ф ° ° Я

° °

° ° Ф °