Пакет пластинчастого теплообмінника

Винахід стосується теплотехніки, зокрема теплообмінних поверхонь, які можуть бути використані в теплообмінниках різного призначення, а також в інших галузях те хніки для проведення теплообмінних процесів між двома рідкими або газоподібними середовищами через стінку, де потрібно інтенсифікувати теплообмін при обмеженому зростанні гідравлічного опору. Відомі теплообмінні пластини з полусферичними заглибинами (ямками) для інтенсифікації теплообміну між потоком теплоносія і пластиною. Заглибини (ямки) здійснюють генерацію вихорів, що веде до збільшення коефіцієнта тепловіддачі при меншому відносному зростанні гідродинамічного опору [Афанасьев В.Н., Леонтьев А.И., Роганов П.С., Чудновская Я.П. Теплообмен и трение на поверхностях с регулярным рельефом сферических вогнутостей. // ИФЖ, 1992, Т.63. T.1. с.23-27]. У відомих технічних рішеннях, спрямованих на вдосконалення пластинчастих теплообмінників з метою інтенсифікації теплообмінних процесів, підвищення теплоенергетичної ефективності, а також зменшення розмірів теплообмінників та їх металоємності, теплообмінні пластини виконуються із заглибинами або виступами різного профілю (циліндру, ямки, сфери, хвилі, краплі, конусу, овалу то що), які можуть бути розміщені у шаховому або у коридорному порядку з утворенням каналів для проходження теплоносіїв [див. патенти України №13888 А, кл. F28F1/10, 1997; №30701 А, кл. F28F1/10, 2000; №28454А, кл. F28D9/04, 1997; авт. свид. НРБ 37343, кл.Р28D9/00, 1964; патенти РФ №2225581 С2, кл. F28D9/00, 2001; №2188376 C2, кл. F28F3/02, 2002; №2000534 C2, кл. F28D3/02, 1993; авт.свид. СССР №1638536, кл. F28F1/10, 1991; №1839227А1, кл. F28F3/02, 1993; патента США №5755280, кл. F28D9/00, 1996; №5494100, кл. F28F3/14, 1996; №4690211, кл. F28F3/10, 1987 та інші]. Однак, прагнення підвищення рівня інтенсифікації теплообміну і максимальної компактності пластинчатих теплообмінників призводить до необхідності використання каналів з малим еквівалентним діаметром та встановлення в цих каналах компенсуючих елементів для фіксації висоти каналів та, при необхідності, стримування тиску зі сторони суміжних каналів, що наряду із дотриманням вимог по ефективності теплообміну і опору, неминуче знижує параметр аналогії Рейнольдса, що призводить до зниження швидкості теплоносіїв в каналах, а, отже, і коефіцієнту телепередачі. Найбільш близьким технічним рішенням до винаходу, що заявляється, і яке обране за прототип, є пакет пластинчастого теплообмінника, якій зібрано зі штампованих теплообмінних пластин із сферичними заглибинами на одному боці пластини і відповідними до них сферичними виступами на другому боці пластини. Пластини попарно зварені в короба, які зафіксовано по торцям в розподільних плитах із зазором, і які мають канали для входу та виходу теплоносіїв. Крім того, виступи взаємо прилеглих пластин розташовані у ша ховому порядку із зміщенням виступів одної пластини таким чином, що кожен виступ др угої пластини лежить на перетині діагоналей квадрата, утвореного ближніми вершинами виступів першої пластини [Патент РФ№2211423 С2, кл. F28D9/00, 2003]. Це дає можливість більш рівномірно розподілити потоки теплоносія, підвищити ефективність роботи теплообмінника а також підвищити жорсткість у поперечному напрямку і міцність пакету пластинчастого теплообмінника при підвищеному перепаді тиску. Однак таке виконання пристрою-прототипу має ряд суттєви х недоліків, одним з яких є те, що при ша ховому розташуванні виступів (заглибин) на теплообмінній пластині виступ сусідньої пластини іде безпосередньо за заглибиною, що порушує регулярну ви хрову структур у, яка характерна для поверхні без загромадження каналів, і Nu / Nu0 в результаті цього знижується параметр аналогії Рейнольда kRe = , що призводить до зниження f / f0 швидкості потоку і, як результат, зниження коефіцієнту тепловіддачі та збільшення необхідної поверхні теплообміну. Крім того, канали, що утворені поверхнями із шаховим розташуванням заглибин (виступів) мають, у порівнянні з каналами з більш високим параметром аналогії Рейнольдса, меншу довжину, що, при протиточній схемі течій теплоносіїв з боковим підводом та відводом одного з теплоносіїв, підвищує відносну довжину вхідних та вихідних перехресноточних зон, а також призводить до більшої нерівномірності розподілення теплоносіїв по ширині каналів, що, в підсумку, призводить до зменшення середнього по всій поверхні коефіцієнту теплопередачі та збільшення металоємності теплообмінника. В основу винаходу поставлена задача підвищити коефіцієнт теплопередачі за рахунок підвищення швидкості потоку при заданому гідравлічному опорі і тим самим мінімізувати теплообмінну поверхню, а отже, і матеріалоємність пластинчастого теплообмінника. Поставлена задача вирішується тим, що у пакеті пластинчатого теплообмінника, який утворено штампованими теплообмінними пластинами із сферичними заглибинами на одному боці пластини і відповідними до них виступами на іншому боці пластини, які укладені одна на другу з утворенням каналів для проходження теплоносіїв, згідно з винаходом сферичні заглибини (виступи) на теплообмінних пластинах розташовані в коридорному порядку, теплообмінні пластини попарно накладені одна на одну із зміщенням на півкроку у поздовжньому і поперечному напрямках, при цьому висота каналів фіксується виступами, які у своїй верхній точці контактують із плоскою частиною суміжної теплообмінної пластини посередині між чотирма заглибинами, щільність розміщення сферичних заглибин (виступів) на теплообмінній пластині дорівнює 25...40% її загальної площі, а глибина сферичних заглибин залежить від діаметра проекції заглибин на плоскість пластини і відповідає відношенню h/D=0,15... 0,3, де h - глибина сферичної заглибини; D - діаметр сферичної заглибини. Крім того, довжина поздовжнього кроку сферичних заглибин (виступів) теплообмінних пластин дорівнює співвідношенню SZ=(l,5...2,0)D, а поперечного –SX=(l,3...1,5)D, де SZ і SX - відповідно поздовжній та поперечний кроки між сферичними заглибинами (виступами) теплообмінних пластин. Технічний результат винаходу, що заявляється, досягається за рахунок наступного. При протіканні потоку теплоносія по каналам, утвореним теплообмінними пластинами із заглибинами з коридорним розташуванням із зміщенням на півкроку у поздовжньому і поперечному напрямках на теплообмінних пластинах утворюються вільні "доріжки", які не загромаджені виступами протилежної пластини. В результаті, частково зберігається регулярна вихрова структура, яка характерна для течії зі сферичними заглибинами, і в 2 рази, у порівнянні з шаховим розташуванням, підвищується параметр аналогії Рейнольдса. Таким чином, при заданих ефективності теплообміну та гідравлічному опорі, з'являється можливість роботи теплообмінника при більш високих швидкостях теплоносіїв, що призводить до підвищення коефіцієнту теплопередачі, і, як висновок, зменшується теплообмінна поверхня, габарити та вага теплообмінного пакету. Відносний поздовжній крок розташування заглибин (виступів) приймається рівним: SZ/D=l,5...2,0 (1) Таке значення SZ/D вибране виходячи з того, що основний теплообмін в каналах із заглибинами зосереджений на плоских ділянках відразу за заглибинами. Зменшення відносного поздовжнього кроку менш 1,5 призводить до недостатнього використання зони найбільш ефективного теплообміну, а підвищення SZ/D більш ніж 2,0 недоцільно, оскільки при підвищенні протяжності плоскої ділянки за заглибиною більше одного діаметра заглибини, внаслідок зростання пограничного шару, перенос теплоти значно знижується, і зменшується середній теплообмін [Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика около поверхностных углублений (лунок). Киев, ИТТФ НАН Украины. - 2005. - 76с.]. Щільність розміщення сферичних заглибин (виступів) на поверхні теплообмінних пластин складає 25-40% загальної площі пластин. При зменшенні щільності