Пластинчатый теплообменник

Пластинчатый теплообменник

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике и касается способа повышения теплопередающей способности пластинчатых теплообменников путем увеличения, главным образом, относительной площади поверхности теплообмена.

Изобретение может быть применено в различных энергетических системах - в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования и др.

Известен пластинчатый теплообменник, содержащий каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей. Каналы образованы пластинами с непрерывными гофрами треугольного профиля в поперечном сечении [1].

Недостатком теплообменника является недостаточно развитая поверхность теплообмена, выражающаяся малым значением относительной площади поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник, в котором каналы для прохода теплоносителей образованы пластинами Off-Set с гофрами специального рельефа [2].

Недостатком теплообменника является слаборазвитая поверхность теплообмена, выражающаяся недостаточным значением относительной площади поверхности.

Цель изобретения - увеличение относительной площади поверхности теплообмена.

Цель достигается тем, что на всей поверхности пластин на равном удалении друг от друга формуются углубления и выступы, называемые элементами дискретной шероховатости, в виде полусферических элементов разного диаметра. Причем в плане элементы меньшего размера располагаются вокруг большого элемента в вершинах правильного восьмиугольника, а вершины малых и больших элементов направлены в противоположные стороны от плоскости пластины. В теплообменнике пластины собираются так, чтобы смежные пластины соприкасались друг с другом вершинами элементов одинакового размера, благодаря чему смежные каналы, предназначенные для прохода горячего и холодного теплоносителей, имеют разные значения эквивалентного гидравлического диаметра.

На фиг.1 показан общий вид одной пластины; на фиг.2 представлено расположение в плане выступов и углублений в увеличенном виде; на фиг.3 - поперечный разрез пластин и образованных между ними каналов; на фиг.4 - поперечный разрез соседних элементов дискретной шероховатости; на фиг.5 - график зависимости от относительной толщины пластины оптимальных относительных геометрических характеристик элементов дискретной шероховатости и поверхности предлагаемых пластин при наиболее плотной компоновке элементов дискретной шероховатости на пластине.

Пластины 1 (фиг.1) теплообменника имеют отверстия 2 и 3 для прохода теплоносителей. На пластинах 1 с шагами t (фиг.2) отформованы полусферические элементы 4 дискретной шероховатости радиуса R₁. Вокруг одного элемента 4 отформованы восемь равноудаленных друг от друга полусфер 5 с радиусом сферы R₂<R₁ (фиг.3) так, что вершины больших и малых элементов дискретной шероховатости направлены в разные стороны от плоскости пластины. Глубина (высота) больших и малых элементов дискретной шероховатости составляет h₁=R₁ и h₂=R₂, соответственно.

Пластины 1, имеющие толщину δ, устанавливаются в теплообменнике так, чтобы у смежных пластин соприкасались вершины элементов одинакового размера, т.е. или только больших, или только малых элементов. Благодаря такой компоновке между пластинами, соприкасающимися вершинами больших выступов, образуются каналы 6 (фиг.3) высотой 2h₁ с эквивалентным гидравлическим диаметром d_э,1, а между пластинами, соприкасающимися вершинами малых элементов, - каналы 7 высотой 2h₂, с эквивалентным гидравлическим диаметром d_э,2.

Работает пластинчатый теплообменник следующим образом. Горячий 8 и холодный 9 теплоносители, поступающие через отверстия 2 и 3, проходят через межпластинчатые каналы 6 и 7, разделенные поверхностями пластин 1. Тепловой поток, передаваемый от горячего теплоносителя холодному, определяется известной формулой:

где k=(1/α₁+1/α₂+δ/λ+R_загр)^-1 - коэффициент теплопередачи, ; α₁ и α₂ - коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей, соответственно,; - коэффициент теплопроводности стенки, ; R_загр - тепловое сопротивление загрязняющих отложений на поверхностях пластин, м²·К/Вт; - средний температурный напор между теплоносителями, К; F_TO - площадь поверхности теплообмена, равная площади всех пластин в теплообменнике, м².

Благодаря большей по сравнению с прототипом относительной площади поверхности отдельных пластин в предлагаемом теплообменнике сокращается количество пластин при заданной тепловой нагрузке, т.е. сокращается масса и габариты теплообменника, или повышается тепловая нагрузка Q при тех же массогабаритных показателях аппарата.

Использование в теплообменном аппарате поверхности с элементами дискретной шероховатости способствует не только увеличению площади теплообмена, но также интенсифицирует теплоотдачу, т.е. значительно повышает значения коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂, при умеренном росте гидравлического сопротивления межпластинных каналов [3]. Кроме того, турбулизация потоков теплоносителей элементами дискретной шероховатости препятствует интенсивным отложениям загрязнений на поверхностях пластин [4], понижая тем самым тепловое сопротивление загрязнений R_загр. Эти обстоятельства способствуют дополнительному повышению теплопередающей способности предлагаемого пластинчатого теплообменника.

Относительная площадь поверхности пластин, которая во многом определяет теплопередающую способность теплообменника, зависит от относительных геометрических размеров элементов дискретной шероховатости и их расположения (компоновки) на поверхности пластины. Здесь F - площадь поверхности пластины со сферическими элементами; F₀ - площадь плоской пластины, имеющей те же размеры в плане. Относительные геометрические размеры подобраны так, чтобы относительная площадь поверхности была максимальной. На величину , помимо , , , , влияют также относительная толщина пластин и относительный минимальный зазор между сферическими поверхностями смежных элементов (фиг.4).

Для достижения максимального положительного эффекта за счет получения наибольших возможных значений относительной площади произведена оптимизация относительных геометрических размеров , , и для ряда значений относительной толщины пластин и минимального зазора между сферическими поверхностями смежных элементов .

Относительная площадь поверхности выделенного пунктирной линией прямоугольника (фиг.2) составляет¹(¹Приведенные формулы выведены для общего случая, когда элементы шероховатости могут быть меньше полусферы, т.е. для и без учета радиусов закруглений в местах перехода от выступов и углублений к плоскости пластины, влияние которых на площади поверхности и объемы элементов незначительно).

,

где F₀=t² - площадь прямоугольника размером t×t в плане, м²; F - площадь всей поверхности прямоугольника, включая поверхность элементов дискретной шероховатости, находящихся в его пределах:

;

N₁, и N₂ - количество больших и малых элементов дискретной шероховатости в пределах выделенного многоугольника; F_э,1=2πh₁R₁ и F_э,2=2πh₂R₂ - площади поверхностей больших и малых элементов дискретной шероховатости в пределах выделенного многоугольника, м²; d₁, и d₂ - внутренние диаметры элементов на поверхности пластины (фиг.4), м; β₁ и β₂ - центральные углы (фиг.4):

;

Минимально допустимое расстояние между соседними большими и малыми элементами шероховатости (фиг.3 и 4):

,

где α - угол наклона линии центров соседних сфер к плоскости пластины (фиг.4).

Эквивалентные гидравлические диаметры каналов 6 высотой 2h₂, и 7 высотой 2h₂ (фиг.3):

где V₁, и V₂ - объемы полостей каналов высотой 2h₁, и 2h₂, имеющих площадь поверхности пластин 2F,м³:

и

V_э,1 и V_э,2 - объемы полостей элементов дискретной шероховатости, м³:

и ;

δ·F_э,1 и δ·F_э,2 - объемы стенок поверхностей элементов дискретной шероховатости, м.

Значения относительной площади поверхности пластин и эквивалентных гидравлических каналов , от которых в значительной мере зависит интенсивность теплоотдачи теплоносителей, определяются выбором величин, а также N₁ и N₂. Значения N₁ и N₂ определяются компоновкой элементов дискретной шероховатости, т.е. их расположением на пластине. Наибольшую поверхность обеспечивает компоновка элементов дискретной шероховатости, при которой малые элементы шероховатости расположены в вершинах правильного восьмиугольника вокруг большого элемента, как показано на фиг.2. При такой компоновке N₁=1 и N₂=4.

Оптимальные значения относительного радиуса соответствуют экстремуму функции , и поэтому найдены из условия ; оптимумы значений , при задаваемых значениях и определялись из условия .

Расчеты в диапазоне и показали, что наибольших значений площадь пластин с элементами дискретной шероховатости достигает при , т.е. при полусферической форме элементов шероховатости. Зависимость оптимальных значений геометрических размеров элементов дискретной шероховатости от толщины пластины при , т.е. при наиболее плотной компоновке элементов дискретной шероховатости на пластине, показана на фиг.5. Здесь линии 10-14 определяют , , и , соответственно.

В диапазонах и оптимальные геометрические параметры дискретной шероховатости в виде полусферических элементов могут быть оценены с погрешностью, не превышающей 5%, по уравнениям регрессии:

;

;

;

;

;

Из последнего уравнения следует, что у предлагаемого пластинчатого теплообменника относительная площадь поверхности теплообмена в указанных диапазонах и находится в пределах , что превышает эту величину у известных пластинчатых теплообменников, у которых находится в пределах от 1,03...1,05 [1] до 1,1...1,15 [2]. Таким образом, при одинаковых габаритах пластинчатых теплообменников площадь поверхности теплообмена у предлагаемого теплообменника на (24...66)% превышает аналогичную величину у прототипа [2].

Сопоставительный анализ с прототипом [2] показал, что заявляемый пластинчатый теплообменник отличается от известного устройства тем, что на всей поверхности пластин на равном удалении друг от друга формуются углубления и выступы в виде полусферических элементов разного диаметра. Причем в плане элементы меньшего размера располагаются вокруг большого элемента в вершинах правильного восьмиугольника, а вершины малых и больших элементов направлены в противоположные стороны от плоскости пластины. В теплообменнике пластины собираются так, чтобы смежные пластины соприкасались друг с другом вершинами элементов одинакового размера, благодаря чему смежные каналы, предназначенные для прохода горячего и холодного теплоносителей, имеют разные значения эквивалентного гидравлического диаметра.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на теплопередающую способность пластинчатого теплообменника, а их совокупность позволяет получить требуемый технический результат.

Таким образом, заявляемое устройство соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Использование предлагаемого пластинчатого теплообменника позволит по сравнению с прототипом [2] повысить теплопередающую способность за счет увеличения площади поверхности теплообмена, интенсификации теплоотдачи и сокращения интенсивности отложения загрязняющих отложений на поверхностях пластины.

Источники информации

1. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.

2. Теплообменники пластинчатые FUNKE // www.funke-rus.ru.

3. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А.Быстров, С.А.Исаев, Н.А.Кудрявцев, А.И.Леонтьев. - СПб.: Судостроение, 2005. - 392 с.

4. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1972. - 220 с.

1. Пластинчатый теплообменник, включающий пластины с отверстиями и межпластинчатые каналы для прохода теплоносителей, отличающийся тем, что на пластинах отформованы располагающиеся с равным шагом по всей поверхности пластины элементы дискретной шероховатости полусферической формы двух видов, отличающихся радиусами сфер так, что вокруг одного большого элемента находятся восемь равноудаленных друг от друга малых элементов, а вершины больших и малых элементов дискретной шероховатости направлены в разные стороны от плоскости пластины.

2. Пластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пластины устанавливаются в теплообменнике так, чтобы у смежных пластин соприкасались вершины элементов одинакового размера, т.е. или только больших, или только малых элементов, благодаря чему образующиеся между пластинами смежные каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей имеют разные эквивалентные гидравлические диаметры.