пластинчатый теплообменник

Формула изобретения

1. Пластинчатый теплообменник, содержащий пакет пластин, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий с отбортовками, входящими в соответствующее отверстие смежных пластин с формированием канала для пропуска через теплообменник одной из сред, при этом продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками между пластинами сужающихся и расширяющихся каналов для прохода второй среды через теплообменник, в каждой из пластин между смежными рядами плоскоовальных отверстий вдоль их продольной оси выполнены ряды просечек с отогнутыми в ту же сторону, что и отбортовки, лепестками, причем последние выполнены в соседних в ряду просечках на противоположных сторонах образованного просечкой отверстия, лепестки отогнуты вдоль плоскоовальных отверстий и лепестки соседних в ряду просечек наклонены к поверхности пластины с противоположным наклоном, отличающийся тем, что высота отбортовки плоскоовальных отверстий составляет от 5 до 15 толщин пластины, отбортовки вставлены в плоскоовальные отверстия смежных пластин на глубину, составляющую не более 0,3 высоты отбортовки, ширина лепестков в месте их отгиба от пластины составляет от 0,1 до 0,2 длины продольной оси плоскоовального отверстия, а высота лепестка, соответствующая длине отверстия, образованного в пластине при ее просечке, составляет от 0,3 до 0,7 расстояния между смежными, установленными в пакете пластинами.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что лепестки отогнуты от поверхности пластины на угол, составляющий от 45 до 85°.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что просечки в смежных пластинах выполнены относительно друг друга в шахматном порядке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к пластинчатым теплообменным аппаратам беструбного типа из тонколистового материала.

Известен пластинчатый теплообменник, содержащий пакет пластин, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий с отбортовками, входящими в соответствующее отверстие смежных пластин с формированием канала для пропуска через теплообменник одной из сред, при этом продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками между пластинами сужающихся и расширяющихся каналов для прохода второй среды через теплообменник (см. авторское свидетельство СССР 983431, кл. F 28 F 1/32, опубл. 23.12.1982).

Выполнение теплообменника из пакета пластин, в которых выполнены отверстия с отбортовками, позволяет повысить технологичность изготовления и эксплуатационную надежность теплообменника. Однако эффективность изготовления пластинчатого теплообменника может быть повышена за счет оптимизации режима протекания среды между смежными пластинами теплообменника.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является пластинчато-трубный теплообменник, содержащий пакет пластин, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий с отбортовками, входящими в соответствующее отверстие смежных пластин с формированием канала для пропуска через теплообменник одной из сред, при этом продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками между пластинами сужающихся и расширяющихся каналов для прохода второй среды через теплообменник, в каждой из пластин между смежными рядами плоскоовальных отверстий вдоль их продольной оси выполнены ряды просечек с отогнутыми в ту же сторону, что и отбортовки, лепестками, причем последние выполнены в соседних в ряду просечках на противоположных сторонах образованного просечкой отверстия, лепестки отогнуты вдоль плоскоовальных отверстий, и лепестки соседних в ряду просечек наклонены к поверхности пластины с противоположным наклоном (см. авторское свидетельство СССР 1372178 А2, кл. F 28 F 1/32, опубл. 07.02.1988).

Данный теплообменник позволяет изменить режим течения среды, преимущественно газообразной, между смежными пластинами. Однако в данном теплообменнике не в полной мере использованы возможности, которые заложены в его конструкцию. Эффективность теплообменника может быть повышена за счет оптимизации размеров пластин, из которых изготавливают и собирают пластинчатый теплообменник, и оптимизации размеров и расположения просечек в пластинах.

Задачей, на решение которой направлена настоящее изобретение, является повышение эффективности теплообменника за счет оптимизации размеров пластин, а именно относительных размеров отверстий с отбортовками, которые выполнены в пластинах теплообменника, а также размеров и расположения просечек, которые выполняют в пластинах между смежными рядами плоскоовальных отверстий.

Указанная задача решается за счет того, что пластинчатый теплообменник содержит пакет пластин, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий с отбортовками, входящими в соответствующее отверстие смежных пластин с формированием канала для пропуска через теплообменник одной из сред, при этом продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками между пластинами сужающихся и расширяющихся каналов для прохода второй среды через теплообменник, в каждой из пластин между смежными рядами плоскоовальных отверстий вдоль их продольной оси выполнены ряды просечек с отогнутыми в ту же сторону, что и отбортовки, лепестками, причем последние выполнены в соседних в ряду просечках на противоположных сторонах образованного просечкой отверстия, лепестки отогнуты вдоль плоскоовальных отверстий и лепестки соседних в ряду просечек наклонены к поверхности пластины с противоположным наклоном, при этом высота отбортовки плоскоовальных отверстий составляет от 5 до 15 толщин пластины, отбортовки вставлены в плоскоовальные отверстия смежных пластин на глубину, составляющую не более 0,3 высоты отбортовки, ширина лепестков в месте их отгиба от пластины составляет от 0,1 до 0,2 длины продольной оси плоскоовального отверстия, а высота лепестка, соответствующая длине отверстия, образованного в пластине при ее просечке, составляет от 0,3 до 0,7 расстояния между смежными установленными в пакете пластинами.

Кроме того, целесообразно, чтобы лепестки были отогнуты от поверхности пластины на угол, составляющий от 45° до 85°, а просечки в смежных пластинах были выполнены относительно друг друга в шахматном порядке.

Исследование работы описываемого теплообменника показало, что оптимальной является высота отбортовки плоскоовальных отверстий, которая составляет от 5 до 15 толщин пластины. В этом случае удается создать достаточную высоту отбортовки для организации эффективного теплообмена между средой, которую подают по трубам, образованным вставленными друг в друга отбортовками и средой, которая протекает между собранными в пакет пластинами. При этом герметичного соединения между собой отбортовок удалось добиться, когда отбортовки вставлены в плоскоовальные отверстия смежных пластин на глубину, составляющую не более 0,3 высоты отбортовки. В результате сравнительно небольшой глубины, на которую одна отбортовка вставлена в другую, удалось добиться снижения материалоемкости теплообменника и в тоже время интенсифицировать теплообмен в результате снижения толщины трубы, которая образована отбортовками. Известно, что режим течения среды в области около стенки оказывает существенное влияние на интенсивность теплообмена. В данном случае речь идет о толщине пограничного слоя и ламинарном режиме течения среды вдоль стенки. Путем выполнения просечек с образованием отверстий в пластинах и формированием отогнутыми лепестками каналов между отбортовками удалось добиться разрушения «толстого» пограничного слоя на каждом из лепестков. При этом путем выполнения ширины лепестков в месте их отгиба от пластины, составляющей от 0,1 до 0,2 длины продольной оси плоскоовального отверстия, высоты лепестка, соответствующей длине отверстия, образованного в пластине при ее просечке, составляющей от 0,3 до 0,7 расстояния между смежными установленными в пакете пластинами, а также за счет того, что лепестки были отогнуты от поверхности пластины на угол, составляющий от 45° до 85°, а просечки в смежных пластинах были выполнены относительно друг друга в шахматном порядке удалось добиться интенсификации процесса теплообмена при уменьшении общего аэродинамического сопротивления течения среды между пластинами.

В результате достигнуто выполнение поставленной в изобретении задачи - повышение эффективности теплообменника за счет оптимизации размеров пластин, из которых собран теплообменник.

На фиг.1 представлен общий вид описываемого теплообменника, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - вид В на фиг.2, на фиг.5 - вид Г на фиг.2 и на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.5.

Теплообменник содержит пакет пластин 1, в каждой из которых выполнен, по меньшей мере, один ряд плоскоовальных отверстий 2 с отбортовками 3, входящими в соответствующее отверстие 2 смежных пластин 1 с формированием канала 4 для пропуска через теплообменник одной из сред. Продольные оси соседних в ряду плоскоовальных отверстий 2 расположены под углом относительно друг друга с формированием отбортовками 3 между пластинами 1 сужающихся 5 и расширяющихся 6 каналов для прохода второй среды через теплообменник. В каждой из пластин 1 между смежными рядами плоскоовальных отверстий 2 вдоль их продольной оси выполнены ряды просечек 7 с отогнутыми в ту же сторону, что и отбортовки 3, лепестками 8, причем последние выполнены в соседних в ряду просечках 7 на противоположных сторонах образованного просечкой 7 отверстия. Лепестки 8 отогнуты вдоль плоскоовальных отверстий 2 и лепестки 8 соседних в ряду просечек 7 наклонены к поверхности пластины 1 с противоположным наклоном. Высота h отбортовки 3 плоскоовальных отверстий 2 составляет от 5 до 15 толщин s пластины 1. Отбортовки 3 вставлены в плоскоовальные отверстия 2 смежных пластин 1 на глубину h₁, составляющую не более 0,3 высоты h отбортовки 3. Ширина b лепестков 8 в месте их отгиба от пластины 1 составляет от 0,1 до 0,2 длины l продольной оси плоскоовального отверстия 2, а высота h₂ лепестка 8, соответствующая длине l₁ отверстия, образованного в пластине 1 при ее просечке, составляет от 0,3 до 0,7 расстояния l₂ между смежными установленными в пакете пластинами 1. Лепестки 8 отогнуты от поверхности пластины 1 на угол , составляющий от 45° до 85°. Просечки 7 в смежных пластинах 1 выполнены относительно друг друга в шахматном порядке.

Поток, например воздуха, попадая в пространство между пластинами 1, проходит чередующиеся сужающиеся 5 и расширяющиеся 6 каналы. При протекании воздуха через каналы 5 и 6 в потоке возникает знакопеременный градиент давления, что способствует разрушению пограничного слоя и более полному смыванию каналов 4, которые образованы отбортовками 3, для подачи через них, например, хладагента.

Наталкиваясь на ряд лепестков 8, основной поток воздуха разделяется на несколько частей, протекающих через отдельные каналы, образованные лепестками 8.

Изменение направления угла их отгиба в каждой паре лепестков 8 позволяет добиться разрушения пограничного слоя на каждом лепестке 8, причем каждое ребро атаки отогнутого под углом лепестка 8 находится вне струи предыдущего, что уменьшает общее аэродинамическое сопротивление, так как возмущающее воздействие не передается в ядро потока.

Близлежащие к отбортовкам 3 ряды лепестков 8, преимущественно параллельные продольным осям плоскоовальных отверстий 2, ограничивают распространение отрывных течений пристенной зоны отбортовок 3 в основной поток, что также способствует снижению аэродинамического сопротивления.

В пространстве между смежными пластинами 1 благодаря сдвигу лепестков 8 по обе стороны каждой пластины 1 создается разная гидродинамическая обстановка, так как в каждом элементарном сужающемся 5 и расширяющемся 6 каналах создаются условия для падения или повышения статического давления, что приводит к стабильному поперечному перетеканию части потока воздуха через просечки 7 (движение воздуха показано стрелками на фиг.2, 4 и 5). Расположение близлежащих к отбортовкам 3 рядов лепестков 8 с углом, приблизительно равным углу раскрытия каналов 5 и 6, также усиливает эффект поперечного перетекания воздуха, так как на поверхности каждого лепестка 8 образуется динамический напор от набегания потока воздуха.

Таким образом, на поверхности пластин 1 происходит дискретное разрушение пограничного слоя, что способствует росту теплоотдачи со стороны воздуха хладоагенту, который течет через каналы 4, образованные отбортовками 3, при этом организация такого движения не приводит к значительному росту аэродинамических сопротивлений.

Настоящее изобретение может быть использовано везде, где возможно использование теплообменников, изготовленных из тонколистового материала, например, используемых в качестве автотракторных радиаторов, водомасляных охладителей, теплообменников холодильных машин и т.д.