Матричный теплообменник

Предлагаемая полезная модель относится к теплообменной технике, в частности, к теплообменникам матричного типа с перфорированными пластинами и может применяться в во всех типах низкотемпературных и криогенных систем, в которых используются теплообменные аппараты рекуперативного типа, а также в других областях техники для теплообмена потоков. Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции матричного теплообменника, обеспечивающего высокую эффективность процесса теплообмена во всем диапазоне изменения в нем температур рабочих тел при изменении их свойств. Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием матричного теплообменника, который, согласно полезной модели, снабжен внутренними коллекторами, расположенными между пакетами теплообменника, выполненного составным, по крайней мере, из двух пакетов, пластины каждого из которых имеют разные размеры, и установленных соосно относительно одной оси, при этом пакеты с теплообменивающимися рабочих средами более высоких температур расположены над пакетами с теплообменивающимися рабочих средами менее высоких температур, а внутренние коллекторы, количество которых на один меньше количества пакетов, состоят из собирающей пластины, расположенной между двумя разделяющих пластин, каналы для теплообменивающихся рабочих сред которых имеют размер и их количество соответствующие размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.

Предлагаемая полезная модель относится к теплообменной технике, в частности, к теплообменникам матричного типа с перфорированными пластинами и может применяться в во всех типах низкотемпературных и криогенных систем, в которых используются теплообменные аппараты рекуперативного типа, а также в других областях техники для теплообмена потоков.

Наиболее перспективным является применение предлагаемого матричного теплообменника в системах, в которых применяются многокомпонентные рабочие тела (смеси).

Матричные теплообменники характеризуются развитой теплообменной поверхностью и низким гидравлическим сопротивлением.

Известно, что матричные теплообменники можно разделить на два типа: сетчатые и пластинчатые.

В пластинчатых матричных теплообменниках теплообменной поверхностью является металлическая перфорированная пластина, материал которой также характеризуется высокой теплопроводностью.

При применении многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературных системах в каналах рекуперативного теплообменника происходят процесс конденсации (в канале, в котором рабочее тело охлаждается) и процесс кипения (в канале, в котором рабочее тело нагревается).

При этих процессах средняя плотность потоков (паро-жидкостных потоков) сильно изменяется с изменением температуры, чем ниже температура, тем выше плотность потоков рабочего тела. В ряде случаев, плотность рабочего тела может меняться в несколько раз. При постоянном поперечном сечении каналов теплообменника средняя скорость рабочего

тепла существенно изменяется, что отражается на эффективности теплообмена.

При понижении скорости потока также возможно расслоение потока, что может привести к резкому падению эффективности применения многокомпонентного рабочего тела.

Сказанное выше, является общим недостатком традиционных матричных теплообменников, выполненных из перфорированных пластин.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является матричный теплообменник, содержащий пакет перфорированных пластин, проставки, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов для теплообменивающихся сред, и верхний и нижний коллекторы (патент RU №2028572,по кл. F 28 F 3/00, 1995 г.)

Основным недостатком этого теплообменника является неизменность поперечного сечения каналов, по которым движутся теплообменивающиеся потоки рабочих тел.

Так как в этом случае при изменении свойств рабочих тел с понижением или повышением температуры эффективность теплообмена может существенно уменьшится, а гидравлическое сопротивление может возрасти, что резко снижает эффективность теплообменного аппарата.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции матричного теплообменника, обеспечивающего высокую эффективность процесса теплообмена во всем диапазоне изменения в нем температур рабочих тел при изменении их свойств.

Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием матричного теплообменника, содержащего пакет перфорированных пластин, проставки, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов для теплообменивающихся рабочих сред, и верхний и нижний коллекторы, который, согласно полезной модели, снабжен внутренними коллекторами, расположенными между пакетами

теплообменника, выполненного составным, по крайней мере, из двух пакетов, пластины каждого из которых имеют разные размеры, и установленных соосно относительно одной оси, при этом пакеты с теплообменивающимися рабочих средами более высоких температур расположены над пакетами с теплообменивающимися рабочих средами менее высоких температур, а внутренние коллекторы, количество которых на один меньше количества пакетов, состоят из собирающей пластины, расположенной между двумя разделяющих пластин, каналы для теплообменивающихся рабочих сред которых имеют размер и их количество соответствующее размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.

Полезная модель характеризуется также тем, что каждый пакет составного теплообменника имеет отличные от другого пакета и/или количество каналов с теплообменивающимися рабочих средами, и/или перфорацией и/или их конфигурацией.

Изменение этих параметров позволяет сделать теплообмен в каждой секции теплообменника эффективным, учитывая особенности изменения термодинамических и теплофизических свойства теплообменивающихся рабочих тел, а также особенности режимов течения рабочих тел в данной секции.

Предлагаемый матричный теплообменник компактен и позволяет сохранить высокую эффективность теплообменника по длине каналов при незначительном гидравлическом сопротивлении при течении рабочего тела, а также предотвратить расслоение рабочее тело на паровую и жидкостные фазы.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных матричных теплообменниках, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления предлагаемого изобретения.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где

На фиг.1 показан общий вид матричного теплообменника с тремя ступнями;

На фиг.2 показана конструкция внутренних коллекторов матричного теплообменника;

На фиг.3 - приведена топология пластин и проставок матричного теплообменника

На фиг 4 - приведена топология пластин и проставок с различными количество каналов с теплообменивающимися средами, перфорацией и их конфигурацией матричного теплообменника;

На фиг 5 показан внешний коллектор матричного теплообменника

Матричный теплообменник выполнен составным и содержит, по крайней мере, три пакета 1, 2, 3 перфорированных пластин 4, проставки 5, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов 6 для теплообменивающихся сред, расположенный между пакетами внутренние коллектор, верхний и нижний коллекторы.

В предлагаемом матричном теплообменнике размеры пластин пакетов по длине канала можно менять ступенчато, в случае применения многокомпонентных рабочих тел предлагается ограничиться тремя пакетами (ступенями).

Это соответствует трем режимам течения рабочего тела: газовая область, паро-жидкостная область, жидкостная область. Однако, в общем случае число ступеней может не быть любым.

Каждый пакет теплообменника собирают методом диффузионной сварки в вакууме или диффузионной сварки с использование прокладки из специального класса легкоплавких многокомпонентных оксидных систем (МОС) в воздушной атмосфере.

Состав прокладок запатентован и заявитель на их новизну не претендует (см. патент RU №2149087, по кл В 23 К 20/16, 1999 г.)

Пакеты 1, 2, 3 установлены соосно относительно одной оси, например вертикальной. При этом пакет 1 с теплообменивающимися средами более высоких температур расположен над пакетом 2 с теплообменивающимися средами менее высоких температур и над пакетом 3 с самым низкими температурами.

Каждый внутренний коллектор, количество которых на один меньше количества пакетов, состоит из собирающей пластины 7, расположенной между двумя разделяющими пластинами 8, 9 с каналами 10.

Каналы для теплообменивающихся сред 10 имеют размер и количество соответствующие размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.

В предлагаемом матричном теплообменнике в зависимости от технологических требований, каждый пакет имеет отличные от другого пакета и/или количество каналов с теплообменивающимися рабочая средами, и/или перфорацией и/или их конфигурацией.

Верхний и нижний коллекторы имеют одинаковые конструкции и состоят из двух деталей - крышки коллектора 11 и разделительной пластины 12.

В крышке 11 верхнего коллектора пакета 1 размещены входной 13 и выходной 14 патрубки, через которые рабочая среда входит и выходит из теплообменника.

Разделительная пластина 12 обеспечивает разделение потоков, обменивающихся теплом, и сбор их в патрубке 14 крышки коллектора.

Работу предлагаемого матричного теплообменника осуществляют следующим образом:

Поток теплообменивающейся среды (рабочего тела) высокого давления и имеющий высокую температуру поступает через патрубок 13 в верхний коллектор, где распределяется по каналам высокого давления.

Поток проходит через каналы 4 перфорированной пластины 6, омывает ее и отдает ей некоторое количество тепла, которое по пластине передается потоку низкого давления, который проходит через эту же пластину.

Поток низкого давления нагревается и его температура повышается. Таким образом, осуществляется теплообмен между потоками высокого и низкого давления.

Поток высокого давления пройдя через первый пакет 1 теплообменника попадает во внутренний коллектор, а затем во второй пакет 2 теплообменника, а затем и в третий пакет 3. На выходе из третьего пакета охлажденный поток высокого давления собирается в нижнем коллекторе и выходит из теплообменника

Поток низкого давления, имеющий низкую температуру, поступает через входной патрубок 13 в нижний коллектор, где распределяется по каналам 6 низкого давления.

Поток низкого давления движется по своим каналам навстречу потоку высокого давления и его температура повышается. Таким образом, в теплообменнике организовано противоточное движение рабочих тел.

Поток низкого давления, последовательно пройдя через второй и первый пакет теплообменника, через выходной патрубок 14 верхнего коллектора выходит из теплообменника. На выходе из теплообменника температура потока низкого давления максимальна, но несколько ниже температуры потока высокого давления на входе в теплообменник.

Был сделан и испытан опытный образец матричного теплообменника, состоящий из трех пакетов

Общее поперечное сечение каждого пакета имело форму прямоугольника.

Поперечные размеры первого пакета составляли 100×50 мм., второго - 80×40 мм и третьего 64×32 мм.

Каналы 6 (перфорация) пластин 4 в каждом пакете были выполнена в виде отверстий диаметром 0,8 мм. Пластины 4 с перфорацией, проставки 5 и все

коллектора (верхний, внутренний и нижний коллекторы) и были выполнены из алюминия АД-1.

Число перфорированных пластин 4 в каждом пакете было равно 50. Толщина пластин 4 с перфорацией и проставок 5 составляла 1 мм.

Сборка теплообменника осуществлялась диффузионной сваркой с использование прокладки из специального класса легкоплавких многокомпонентных оксидных систем (МОС) в воздушной атмосфере.

В каждом пакете имелось два канала для потока теплообменивающимися средами высокого давления и три канала для потока с теплообменивающимися средами низкого давления.

Поперечное сечение каждого из каналов имело прямоугольную форму. Каналы низкого давления чередовались с каналами высокого давления. Сечение одного канала низкого давления примерно в два раза больше сечения канала высокого давления.

Испытания предлагаемого теплообменника осуществляли в составе дроссельной рекуперативной системы, работающей на многокомпонентном рабочем теле.

Результаты испытаний показали устойчивую работу матричного теплообменника, повышение коэффициента теплопередачи в среднем в 1,2-1,5 раза, что заметно улучшило теплообмен между потоками, при сохранении низкого гидравлического сопротивления теплообменника (менее 0,03 МПа).

1. Матричный теплообменник, содержащий пакет перфорированных пластин, проставки, образующие в центральной части и на периферии стенки каналов для теплообменивающихся сред, и верхний и нижний коллекторы, отличающийся тем, что он снабжен внутренними коллекторами, расположенными между пакетами теплообменника, выполненного составным, по крайней мере, из трех пакетов, пластины каждого из которых имеют разные размеры, и установленных соосно относительно одной оси, при этом пакеты с теплообменивающимися средами более высоких температур расположены над пакетами с теплообменивающимися средами менее высоких температур, а внутренние коллекторы, количество которых на один меньше количества пакетов, состоят из собирающей пластины, расположенной между двумя разделяющих пластин, каналы для теплообменивающихся сред которых имеют размер и их количество соответствующие размеру и количеству каналов пакета, с которым они связаны.

2. Матричный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждый пакет составного теплообменника имеет отличные от другого пакета и/или количество каналов с теплообменивающимися средами, и/или перфорацией и/или их конфигурацией.