Теплообмінний пакет

Запропонований винахід відноситься до холодильної техніки, зокрема до трубчастих теплообмінних апаратів, застосовуваних у системах кондиціювання повітря, і може знайти застосування в інших областях енергетичного машинобудування. Теплообмінні апарати систем кондиціювання повітря і холодильних машин (випарники, конденсатори, повітроохолоджувачі) відрізняються від апаратів, які використовують у різноманітних теплотехнічних установках, як діапазоном робочих температур і тисків, так і значно меншими температурними напорами і питомими тепловими навантаженнями. Внаслідок цього, інтенсивність процесів теплообміну в апаратах холодильних установок порівняно невелика, особливо в малих холодильних машинах, де переважають повітряні конденсатори і випарники. До того ж функціонування всіх елементів холодильної установки тісно взаємозалежне і для її нормальної роботи необхідно забезпечити на виході з теплообмінного апарата повне википання або конденсацію холодоагенту, не допускаючи в той же час перепаду тиску в ньому більш 0,03 МПа. Це досягається збільшенням протяжності каналів теплообмінника, що забезпечує подовження шляху проходження потоку холодильного агента. У теплообмінних апаратах холодильних машин для цього використовують канали у вигляді багатоходови х змієвикових елементів, утворених різноманітними засобами [1]. Ці особливості процесу теплообміну, що відбувається до того ж при зміні агрегатного стана теплоносія, не припускають використання в апаратах холодильних установок конструкцій, які дозволяють значно інтенсифікувати процеси теплообміну, наприклад, таких як апарати пластинчато-ребристою типу. Апарати пластинчато-ребристого типу, завдяки високій тепловій ефективності, компактності і малої масі знайшли широке застосування в різноманітних областях техніки - авіаційної, криогенної, транспортної та ін. Високий коефіцієнт тепловіддачі в пластинчато-ребристих апаратах досягається застосуванням розвитої поверхні теплообміну, виконаної у виді єдиної гофрованої пластини з ребрами різноманітної конфігурації, постачених просечками і перфорацією. Велике число ребер жорсткості і технологія з'єднання цієї пластини з поверхнями каналів забезпечує одержання монолітного, нерозбірного блока. У якості матеріалу пластинчато-ребристих теплообмінних апарат в звичайно використовують сплави алюмінію, які мають малу щільність і високу теплопровідність, що дозволяє максимально реалізувати переваги пластинчато-ребристих поверхонь [1]. Проте в холодильній техніці пластинчато-ребристі апарати не знайшли застосування тому, що в них неможливо утворення каналів, які мають протяжність, необхідну для забезпечення нормальної роботи всіх елементів холодильної машини. У теплообмінних апаратах холодильних установок у даний час використовують ребристо-трубні конструкції з круглих мідних труб із закріпленими на них алюмінієвими пластинчастими ребрами. Ребра для турбулізації повітряного потоку виконують із різноманітного виду просечками і мають різні геометричні характеристики. Фіксацію ребер здійснюють методом гідророздачі або протяганням кульки, діаметром декілька більшим, ніж внутрішній діаметр труб. Послідовне з'єднання труб у бага тоходові змійовики з каналами необхідної протяжності здійснюють за допомогою U-образних елементів (так званих калачів) із наступним паянням їх стиків [2]. Відома також конструкція теплообмінного апарата [3], що містить багатоходові змійовики, виконані із суцільних відрізків круглих труб , що мають на прямолінійних відрізках поперечні перерізи обтічного профілю. Ребра для забезпечення механічного контакту з поверхнею тр уб мають відбортовані відрізки з розтинами, що утворюють свого роду замок. Це дозволяє фіксувати ребра на прямолінійних відрізках тр уб змійовика. Основним недоліком такої конструкції є ненадійність механічного, отже, і теплового контакту оребрення з трубами, що істотно знижує ефективність процесу теплопередачі. Конструкція складна у виготовленні, має недостатню механічну тривкість і жорсткість. У патенті США [4], прийнятому за прототип, надана секція теплообмінного апарата, що містить багатоходові змійовики з U-образними і прямолінійними ділянками, вигнуті з цільнотягнутої труби з плоскоовальним поперечним перерізом. Кожний змійовик вигнутий таким чином, що великі осі поперечних перерізів прямолінійних ділянок змійовика перпендикулярні площини розташування поздовжньої осьової лінії труби змійовика (площини вигину змійовика). Оребрення у вигляді гофрованих пластин розміщено в просторі між ходами кожного зі змійовиків на плоских поверхнях їхні х прямолінійних ділянок. Теплообмінний пакет для одержання необхідної поверхні теплообміну складається з відповідної кількості виготовлених таким чином окремих секцій, що не забезпечує одержання конструкції з необхідною жорсткістю і тривкістю. Недоліком конструкції є також складність одержання незмінної відстані між ходами змійовика по всієї довжині їх прямолінійних ділянок, яка необхідна для забезпечення механічного, отже, і теплового контакту оребрення з плоскими поверхнями плоскоовальних труб змійовика. Це істотно ускладнює як технологію виготовлення багатоходових змійовиків, так і процес складання і взаємної фіксації елементів конструкції теплообмінного пакета. Основний же недолік конструкції прототипу - це неможливість виконання з плоскоовальної труби багатоходового змійовика, який має на U-образних ділянках радіус кривизни, що забезпечував би необхідну відстань між прямолінійними ділянками змійовика. Ця відстань, що визначає висоту розміщуваного між ходами змійовика оребрення, навіть при мінімальному технологічно можливому значенні радіуса вигину плоскоовальної труби, надається набагато більшим, ніж це необхідно з умов теплообміну. Як слідство, різко знижується коефіцієнт ефективності ребра, значно зменшується теплоз'їм з одиниці об'єму теплообмінного пакета і погіршуються його масогабаритні характеристики. Завданням, на розв'язання якого запропонований винахід, є створення конструкції теплообмінного апарата, що забезпечує інтенсифікацію процесів зовнішнього і внутрішнього теплообміну, спрощення технології виготовлення і складання теплообмінного пакета, підвищення тривкості і жорсткості його конструкції. Поставлене завдання вирішується виконанням багатоходових змійовиків із круглих цільнотягнутих тр уб з утворенням каналів плоскоовального поперечного перерізу тільки на їх прямолінійних ділянках і розміщенням поперечного оребрення між суміжними змійовиками теплообмінного пакета. При цьому оребрення є загальним для всіх плоских поверхонь двох сусідніх змійовиків, які після їх взаємної фіксації, дозволяє одержати нероз'ємний (монолітний) блок - жорсткий і тривкий. У запропонованому винаході багатоходовий змійовик із U-образними ділянками вигину і з прямолінійними відрізками необхідної протяжності виконаний із круглої цільнотягнутої труби і деформований тільки на прямолінійних відрізках змійовика з утворенням каналів, що мають плоскоовальні поперечні перерізи, великі осі яких розміщені (сорієнтовані) в одній площині - площині розташування подовжньої осьової лінії труби вигн утої у вигляді змійовика. Таким чином багатоходовий змійовик теплообмінного пакета має U-образні канали круглого перерізу та на його прямолінійних відрізках - канали плоскоовального поперечного перерізу. Висота всіх каналів змійовика однакова (ідентична) і їх плоскі сторони взаємно рівнобіжні. Поперечне оребрення у вигляді суцільних гофрованих пластин шириною, рівній глибині пакета по ходу повітря, розміщують між змійовиками на плоских поверхнях їх прямолінійних відрізок, і воно є загальним для суміжних змійовиків. Складання теплообмінного пакета запропонованої конструкції здійснюють послідовним чергуванням необхідної кількості змійовиків і гофрованих пластин із висотою ребра, що відповідає конкретним умовам теплообміну. Це забезпечує надійний механічний і тепловий контакт оребрення з усіма плоскими поверхнями прямолінійних ділянок суміжних змійовиків теплообмінного пакета, що послідовно прямують у процесі складання друг за др угом за схемою: оребрення-змійовик-оребрення-змійовик і т.д. З'єднання всіх елементів конструкції в монолітний нероз'ємний блок здійснюють, наприклад паянням у ванні із розплавленим флюсом або за допомогою теплопровідного клею. У прототипі оребрення розміщене на прямолінійних відрізках між ходами того ж самого багатоходового змійовика. Це не дозволяє здійснити надійний механічний, отже, і тепловий контакт між всіма елементами конструкції, що погіршує умови тепловідведення не забезпечує необхідну монолітність, тривкість і жорсткість теплообмінного пакета. При цьому висота оребрення визначається не конкретними умовами теплообміну, а радіусом вигину плоскоовальної труби при виготовленні змійовика, тобто те хнологічними можливостями. У запропонованої ж конструкції оребрення розміщують між суміжними змійовиками теплообмінного пакета, і висота оребрення не залежить від технологічних обмежень при виготовленні змійовика. Це дозволяє вибрати параметри і тип оребрення (матеріал, висоту і товщин у ребра, геометричні форми і вид просечки) відповідно до умов теплообміну, що забезпечує максимальне тепловідведення з одиниці об'єму теплообмінного апарата. Оребрення у вигляді єдиної гофрованої пластини виконано з листа шириною, що відповідає глибині теплообмінного пакета (у напрямку прямування повітря) і знаходиться в контакті з усіма плоскими поверхнями прямолінійних відрізків тільки двох суміжних змійовиків. Це гарантує надійний механічний контакт, спрощує технологію складання, а також тривкість і жорсткість конструкції. У запропонованій конструкції теплообмінного пакета багатоходові змійовики мають прямолінійні відрізки плоскоовального поперечного перерізу, які чергуються з U-образними відрізками вигину, що мають круглий переріз. Це сприяє інтенсифікації внутрішнього теплообміну за рахунок додаткової турбулізації двофазного потоку холодоагенту в змійовиках із перемінними по їх довжині поперечними перерізами. Причому, найбільше значна інтенсифікація процесів теплообміну в цьому випадку відбувається при низьких температурах кипіння і невисоких щільностях теплового потоку, що відповідає умовам роботи теплообмінних апаратів у складі холодильних машин і установок [1]. Запропонована конструкція дозволяє спростити технологію виготовлення змієвикових елементів, процес складання теплообмінного пакета, а також виконати його з алюмінієвих сплавів, що істотно знижує масу і вартість апарата. Сполучення високоефективного зовнішнього оребрення і багатоходових змійовиків із плоскоовальними каналами на прямолінійних відрізках, що мають необхідну протяжність, дозволяє максимально інтенсифікувати умови зовнішнього і внутрішнього теплообміну. Це дає можливість створити конструкцію, що володіє всіма гідностями і перевагами теплообмінних апаратів пластинчато-ребристого типу й у той же час спроможної ефективно працювати в умовах, характерних для холодильних машин. На Фіг.1 зображений теплообмінний пакет. Пакет містить багатоходові змійовики 1 із каналами 2 плоскоовального поперечного перерізу, між якими на їх прямолінійних відрізках розміщають поперечне оребрення 3 у вигляді гофрованих пластин із перфорацією. Оребрення виконане у вигляді єдиної на всю глибину теплообмінного пакета в напрямку прямування повітря гофрованої пластини. Для рівномірної роздачі теплоносія використовують розподільники або колектора, конструктивне виконання яких може бути різним і на Фіг.1 не показано. Складання теплообмінного пакета здійснюють послідовним чергуванням необхідної кількості багатоходових змійовиків і гофрованих пластин. При цьому оребрення контактує з усіма плоскими поверхнями плоскоовальних каналів тільки двох суміжних змійовиків, що прямують у процесі складання друг за другом. З'єднання всіх елементів конструкції в монолітний нероз'ємний блок здійснюють, наприклад паянням у ванні із розплавленим флюсом або за допомогою теплопровідного клею. Виконані розрахунки показали, що тепловідведення з одиниці об'єму теплообмінного апарата вище, а масогабаритні характеристики запропонованої конструкції нижче в 1,5-2 рази, чим в апараті, узятому за прототип. Проведені іспити дослідного зразка теплообмінного апарата запропонованої конструкції показали, що його теплові й аеродинамічні характеристики значно краще, чим у найбільш широко застосовуваних у даний час пластинчато-ребристих апаратів із мідними трубами та алюмінієвими ребрами з просечками. Так, тепловідведення з одиниці об'єму апарата запропонованої конструкції в 2-2,5 рази більше, маса в 1,5-2 рази менше, аеродинамічний опір проходу повітря знижується на 20-25%. Дослідний зразок теплообмінного апарата цілком виконаний з алюмінієвих сплавів, що дозволило спростити технологію його виготовлення та істотно знизити масу і загальну вартість апарата. Використання запропонованої конструкції дозволяє вирішити актуальну і важливу проблему холодильної техніки, що виникла через дисбаланс, який сформувався між швидкохідними малогабаритними компресорами і великогабаритною теплообмінною апаратурою, яка складає до трьох чвертей маси всієї холодильної машини. Джерела інформації: 1. Данилова Γ.Η. Богданов С.Н., Иванов О.П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. - Л.: Машиностроение. 1986. – 303 с. 2. Гопин С.Р., Шавра В.М. Воздушные конденсаторы малых холодильных машин. - М.: ВО « Агропромиздат», 1987. - 151 с. 3. Патент США № 2.427.336 4. Патент США № 2.883.165