RU2100732C1

RU2100732C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2100732C1
Application number: RU95104917A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Худяков; Юрий Степанович Марков
Original assignee: Алексей Иванович Худяков; Юрий Степанович Марков
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1997-12-27
Also published as: RU95104917A

Abstract

FIELD: heating and cooling liquid and gaseous media. SUBSTANCE: heat exchanger includes working elements 1 made from two plates provided with corrugated heat exchanger surfaces and connected over outer edges 4, tube sheets with holes for elements 1 and end shields adjoining the tube sheets forming headers for supply and discharge of first heat-transfer agent. These headers are brought in communication with chamber 2 of working elements. Header edges are provided over periphery of plates; these edges are located at distance equal to 0.3-1 of corrugation height from plane of outer edges 4. EFFECT: enhanced efficiency. 12 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в любых областях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред. The invention relates to heat exchangers and can be used in any technical field for heating or cooling liquid or gaseous media.

Известны теплообменные аппараты, содержащие рабочие элементы, выполненные из двух пластин с гофрированной теплообменной поверхностью, соединенных по наружным кромкам, расположенным в одной плоскости, трубные доски с отверстиями под элементы и торцевые крышки, образующие с трубными досками коллекторы для подвода и отвода первого теплоносителя, сообщенные с полостью рабочих элементов [1]
Недостатки этого теплообменника, принятого в качестве прототипа, заключаются в том, что при увеличении компактности возрастают гидравлические потери по теплоносителю, обтекающему рабочие элементы снаружи, усложняется конструкция трубных досок, что увеличивает трудоемкость их изготовления и монтажа рабочих элементов в трубных досках.Known heat exchangers containing working elements made of two plates with a corrugated heat exchange surface connected along the outer edges located in the same plane, tube boards with holes for elements and end caps, forming collectors for supply and removal of the first heat carrier with tube boards, communicated with working element cavity [1]
The disadvantages of this heat exchanger, adopted as a prototype, are that with an increase in compactness, hydraulic losses increase along the coolant flowing around the working elements from the outside, the design of the tube plates is complicated, which increases the complexity of their manufacture and installation of the working elements in tube plates.

В данном изобретении эти недостатки устраняются тем, что коллекторные кромки пластин отстоят от плоскости наружных кромок на расстоянии 0,3 1,0 высоты гофра, причем коллекторные кромки расположены симметрично относительно плоскости симметрии пластины, а суммарная длина коллекторных кромок меньше или равна ширине пластины. При этом рабочие элементы соединены в трубной доске с образованием зазора между ними по второму теплоносителю от 0,5 до 6,0 высот гофра. Наружные кромки пластин каждого рабочего элемента со стороны подвода и отвода первого теплоносителя выполнены удлиненными, отогнуты к соседним рабочим элементам и соединены между собой. К наружным кромкам крайних пластин рабочих элементов со стороны подвода и отвода первого теплоносителя прикреплена пластина, а на пластинах рабочих элементов выполнены штамповки, контактирующие между собой в сборе с образованием ребер, расположенных в проточной части первого теплоносителя. При этом в коллекторах установлены дефлекторы с образованием камер поворота для последовательного и/или параллельного соединения рабочих элементов. Кроме того, наружные кромки и выштамповки пластин соединены с образованием зигзагообразного канала в рабочих элементах, а трубные доски выполнены c прокладками из эластичного материала, прилегающими к коллекторным кромкам. Между коллекторными кромками установлены проницаемые прокладки, а прокладки из эластичного материала прижаты к трубной доске нажимной пластиной, нажимными элементами, имеющими отверстия, и торцевой крышкой. In the present invention, these disadvantages are eliminated by the fact that the collector edges of the plates are separated from the plane of the outer edges by a distance of 0.3 to 1.0 of the height of the corrugation, the collector edges being symmetrically relative to the plane of symmetry of the plate, and the total length of the collector edges is less than or equal to the width of the plate. In this case, the working elements are connected in a tube plate with the formation of a gap between them along the second coolant from 0.5 to 6.0 corrugation heights. The outer edges of the plates of each working element from the inlet and outlet of the first coolant are elongated, bent to adjacent working elements and interconnected. A plate is attached to the outer edges of the extreme plates of the working elements from the inlet and outlet of the first coolant, and stampings are made on the plates of the working elements in contact with each other with the formation of ribs located in the flow part of the first coolant. At the same time, deflectors are installed in the collectors with the formation of rotation chambers for serial and / or parallel connection of working elements. In addition, the outer edges and stampings of the plates are connected with the formation of a zigzag channel in the working elements, and the tube boards are made with gaskets made of elastic material adjacent to the collector edges. Permeable gaskets are installed between the collector edges, and gaskets made of elastic material are pressed against the tube plate by a pressure plate, pressure elements having holes, and an end cap.

На фиг. 1 показан теплообменник, вид сверху; на фиг. 2 продольный разрез теплообменника; на фиг. 3 поперечное сечение рабочего элемента; на фиг. 4 вид пластины рабочего элемента; на фиг. 5 сечение А-А фиг. 2; на фиг. 6 теплообменник с дефлекторами в коллекторах; на фиг. 7 общий вид и поперечное сечение рабочего элемента с продольными ребрами и поворотом теплоносителя в трубной доске; на фиг. 8 сечение А-А фиг. 7; на фиг. 9 - общий вид и поперечное сечение рабочего элемента с зигзагообразным каналом и поворотом теплоносителя в полости рабочего элемента; на фиг. 10 сечение А-А фиг. 9; на фиг. 11 соединение рабочего элемента с трубной доской. In FIG. 1 shows a heat exchanger, top view; in FIG. 2 longitudinal section of the heat exchanger; in FIG. 3 cross section of the working element; in FIG. 4 view of the plate of the working element; in FIG. 5 section AA of FIG. 2; in FIG. 6 heat exchanger with deflectors in the collectors; in FIG. 7 is a general view and a cross section of a working element with longitudinal ribs and a rotation of the coolant in the tube plate; in FIG. 8 section AA of FIG. 7; in FIG. 9 is a general view and a cross section of a working element with a zigzag channel and a rotation of the coolant in the cavity of the working element; in FIG. 10 section AA of FIG. 9; in FIG. 11 connection of the working element with the tube plate.

Теплообменник имеет рабочие элементы 1, внутренняя полость 2 которых включена в проточную часть первого теплоносителя. Элементы 1 имеют гофрированные теплообменные поверхности 3, наружные отбортовки 4, коллекторные кромки 5 и установлены в отверстия 6 трубных досок 7. Теплообменник снабжен торцевыми крышками 8, которые с трубными досками 7 образуют коллекторы 9, 10 для подвода и отвода первого теплоносителя и дополнительные коллекторы 11, 12 для очистки и стравливания воздуха (фиг. 2). На торцевых крышках 8 закреплены подводящий 13 и отводящий 14 патрубки и дополнительные патрубки 15, 16. На подводящем патрубке 13 установлен штуцер 17. Наружные кромки 4 рабочих элементов 1 со стороны коллекторов 9 12 закрыты дополнительной пластиной 18. Два крайних рабочих элемента 1 имеют удлиненные наружные кромки 4 со стороны подвода и отвода второго теплоносителя. Каждый рабочий элемент 1 состоит из двух гофрированных пластин 19, 20, которые соединены по наружным кромкам 4, расположенным в одной плоскости (фиг. 3). Кромки 4 могут быть скреплены пайкой, сваркой или вальцеванием. На гофрированных пластинах 19, 20 могут быть выполнены выштамповки 21, контактирующие между собой в сборе и образующие ребра 22, расположенные в проточной части первого теплоносителя. Вместо дополнительной пластины 18 наружные кромки 4 гофрированных пластин 19, 20 со стороны коллекторов 9 12 выполнены удлиненными, отогнуты к соседним рабочим элементам и соединены между собой. В коллекторах 9, 10 могут быть установлены дефлекторы 23 с образованием камер поворота 24 для параллельного и/или последовательного соединения рабочих элементов 1, как показано на фиг. 6 8. Наружные кромки 4 и выштамповки 21, как показано на фиг. 9, могут быть соединены между собой для образования зигзагообразного канала в рабочих элементах 1. Подача первого теплоносителя осуществляется через канал, образованный коллекторными кромками 5 (фиг. 10). The heat exchanger has working elements 1, the inner cavity 2 of which is included in the flow part of the first coolant. Elements 1 have corrugated heat exchange surfaces 3, outer flanges 4, collector edges 5 and are installed in holes 6 of tube plates 7. The heat exchanger is equipped with end caps 8, which, with tube plates 7, form manifolds 9, 10 for supplying and discharging the first heat carrier and additional collectors 11 12 for cleaning and bleeding air (Fig. 2). The inlet 13 and the outlet 14 nozzles and additional nozzles 15, 16 are fixed on the end caps 8. A fitting 17 is installed on the inlet nozzle 13. The outer edges 4 of the working elements 1 from the collector side 9 12 are closed by an additional plate 18. The two extreme working elements 1 have elongated outer edges 4 from the side of the inlet and outlet of the second coolant. Each working element 1 consists of two corrugated plates 19, 20, which are connected along the outer edges 4 located in one plane (Fig. 3). The edges 4 can be fastened by soldering, welding or rolling. On the corrugated plates 19, 20, stampings 21 can be made that contact each other together and form ribs 22 located in the flow part of the first coolant. Instead of an additional plate 18, the outer edges 4 of the corrugated plates 19, 20 from the side of the collectors 9 12 are elongated, bent to adjacent working elements and interconnected. Deflectors 23 can be installed in the collectors 9, 10 with the formation of rotation chambers 24 for parallel and / or serial connection of the working elements 1, as shown in FIG. 6 8. Outer edges 4 and punchings 21, as shown in FIG. 9, can be interconnected to form a zigzag channel in the working elements 1. The first coolant is supplied through the channel formed by the collector edges 5 (Fig. 10).

Соединение трубных досок 7 с рабочими элементами 1, как показано на фиг. 11, может быть выполнено с эластичной прокладкой 25, причем между коллекторными кромками 5 в этом случае целесообразно устанавливать проницаемую прокладку 26. Эластичная прокладка 25 посредством нажимной пластины 27 и торцевой крышки 8 с нажимными элементами 28 герметизирует рабочий элемент 1 в трубной доске 7. Через отверстие 29 первый теплоноситель перетекает в другие рабочие элементы. Размер отверстий 29 выбирается из условия равномерной раздачи теплоносителя по фронту. The connection of the tube sheets 7 with the working elements 1, as shown in FIG. 11, can be made with an elastic gasket 25, and between the collector edges 5 in this case it is advisable to install a permeable gasket 26. The elastic gasket 25 by means of a pressure plate 27 and an end cap 8 with pressure elements 28 seals the working element 1 in the tube plate 7. Through the hole 29, the first coolant flows into other working elements. The size of the holes 29 is selected from the condition of uniform distribution of the coolant along the front.

Во время работы первый теплоноситель, например вода, подается через патрубок 13 в коллектор 9, а затем через канал, образованный коллекторными кромками 5, во внутреннюю полость 2 рабочих элементов 1 и распределяется по полостям между поперечными ребрами 22. В связи с увеличенным гидравлическим сопротивлением канала по длине рабочего элемента первый теплоноситель распределяется по фронту достаточно равномерно. Выход первого теплоносителя из теплообменника осуществляется через коллектор 10 и патрубок 14, расположенные диаметрально противоположно входу. Два других дополнительных коллектора 11, 12 и патрубки 15, 16 служат для проведения очистки рабочих элементов 1 от внутренних отложений без демонтажа с объекта, причем перед очисткой первый теплоноситель сливается через штуцер 17, а также для стравливания воздуха при заполнении теплообменника первым теплоносителем. Кроме того, дополнительные коллектора 11, 12 дистанционируют рабочие элементы и повышают жесткость конструкции теплообменника. Использование симметричной, в частности изображенной на фиг. 2 четырехколлекторной схеме (два коллектора подвод и два отвода) позволяет изготавливать гофрированные пластины 19 и 20 на одном штампе. При серийном производстве, когда стоимость штампа компенсируется объемом производства, теплообменник может быть выполнен с одной парой коллекторов при использовании двух штампов. During operation, the first heat carrier, for example water, is supplied through the pipe 13 to the collector 9, and then through the channel formed by the collector edges 5, into the internal cavity 2 of the working elements 1 and is distributed among the cavities between the transverse ribs 22. Due to the increased hydraulic resistance of the channel along the length of the working element, the first coolant is distributed along the front quite evenly. The output of the first heat carrier from the heat exchanger is carried out through the collector 10 and the pipe 14, located diametrically opposite to the entrance. Two other additional collectors 11, 12 and nozzles 15, 16 are used to clean the working elements 1 from internal deposits without dismantling from the object, and before cleaning the first heat carrier is drained through the nozzle 17, as well as to bleed air when filling the heat exchanger with the first heat carrier. In addition, additional collectors 11, 12 distance the working elements and increase the rigidity of the heat exchanger. The use of symmetrical, in particular the one shown in FIG. 2 four-collector circuit (two inlet collectors and two outlets) allows to produce corrugated plates 19 and 20 on one stamp. In mass production, when the cost of the stamp is offset by the volume of production, the heat exchanger can be made with one pair of collectors using two stamps.

При коллекторных кромках, занимающих всю фронтальную поверхность первого теплоносителя, а также при симметричном расположении коллекторных кромок, занимающих часть фронтальной поверхности (например, при четырехколлекторной схеме), гофрированные пластины можно изготавливать одним штампом. With collector edges occupying the entire frontal surface of the first coolant, as well as with a symmetrical arrangement of collector edges occupying part of the frontal surface (for example, with a four-collector circuit), corrugated plates can be made with one die.

Особенностью данного теплообменника является то, что он может устанавливаться в корпусе, заполненном вторым теплоносителем, который обтекает рабочие элементы 1 за счет энергии низконапорного компрессора (вентилятора) или самотягой. Поэтому сопротивление по второму теплоносителю должно быть минимальным. A feature of this heat exchanger is that it can be installed in a housing filled with a second coolant, which flows around the working elements 1 due to the energy of a low-pressure compressor (fan) or self-traction. Therefore, the resistance to the second coolant should be minimal.

Высокая эффективность поверхности с перекрещивающимися гофрами связана с интенсификацией теплообмена вследствие пространственного движения теплоносителей по каналам со сложной траекторией. При этом существенному увеличению коэффициента теплоотдачи соответствует еще более значительный рост коэффициента сопротивления. При увеличении расстояния между гофрами соседних рабочих элементов (размера Z на фиг. 1 и 6) пристеночная турбулентность сохраняется, но ее влияние на ядро потока ослабевает. Так как основное термическое сопротивление теплоотдаче составляет пограничный слой, а гидравлическое сопротивление определяется скоростью в ядре потока, то, увеличивая зазор между вершинами гофр смежных рабочих элементов (размер Z), можно при некотором снижении или даже сохранении коэффициента теплоотдачи существенно уменьшить потери давления. В зависимости от зазора между рабочими элементами 1 соотношение между коэффициентами теплоотдачи и сопротивления меняется. Наибольший эффект интенсификации теплообмена находится при соотношениях величины зазора к высоте гофра Z/h гофра от 0,5 до 6,0. The high efficiency of the surface with intersecting corrugations is associated with the intensification of heat transfer due to the spatial movement of coolants along channels with a complex path. Moreover, a significant increase in the coefficient of heat transfer corresponds to an even more significant increase in the coefficient of resistance. With an increase in the distance between the corrugations of adjacent working elements (size Z in Figs. 1 and 6), wall turbulence persists, but its effect on the flow core weakens. Since the main thermal resistance to heat transfer is the boundary layer, and the hydraulic resistance is determined by the velocity in the flow core, increasing the gap between the corrugation vertices of the adjacent working elements (size Z), it is possible to significantly reduce the pressure loss with some reduction or even maintaining the heat transfer coefficient. Depending on the gap between the working elements 1, the ratio between the coefficients of heat transfer and resistance varies. The greatest effect of heat transfer intensification is found when the ratio of the gap to the height of the corrugation Z / h of the corrugation is from 0.5 to 6.0.

В данном предложении это соотношение выдерживается путем изготовления трубной доски 7 с различным шагом между отверстиями 6. Рабочий элемент 1 теплообменника является универсальным и может использоваться в теплообменниках с различной тепловой мощностью и гидравлическим сопротивлением. In this proposal, this ratio is maintained by manufacturing a tube plate 7 with a different pitch between the openings 6. The working element 1 of the heat exchanger is universal and can be used in heat exchangers with different thermal power and hydraulic resistance.

Для интенсификации теплообмена со стороны первого теплоносителя и повышения тепловой эффективности схемы в коллекторах 9, 10 устанавливаются дефлекторы 23 с образованием камер поворота 24 для последовательного и/или параллельного соединения рабочих элементов 1 по многоходовой схеме. При соединении наружных кромок 4 и выштамповок 21 рабочих элементов 1 между собой подробную схему можно выполнить при коллекторных кромках, занимающих часть фронтальной поверхности. To intensify heat transfer from the side of the first heat carrier and increase the thermal efficiency of the circuit, collectors 9, 10 are equipped with deflectors 23 with the formation of rotation chambers 24 for serial and / or parallel connection of working elements 1 according to a multi-pass scheme. When connecting the outer edges 4 and punchings 21 of the working elements 1 to each other, a detailed diagram can be performed with collector edges occupying part of the front surface.

В зависимости от температуры теплоносителей соединение рабочих элементов 1 с трубными досками 7 осуществляется сваркой, пайкой, склеиванием или с помощью прокладок 25 из эластичного материала, как показано на фиг. 11. Конструкция (фиг. 11) представляет собой полуразборный теплообменник, в котором рабочие элементы 1 в процессе эксплуатации могут быть заменены. Depending on the temperature of the coolants, the connection of the working elements 1 with the tube boards 7 is carried out by welding, soldering, gluing or using gaskets 25 of elastic material, as shown in FIG. 11. The design (Fig. 11) is a semi-folding heat exchanger in which the working elements 1 during operation can be replaced.

Для предотвращения утечек второго теплоносителя через боковые поверхности теплообменника наружные кромки 4 гофрированных пластин 19, 20 рабочих элементов 1 со стороны коллекторов имеют увеличенный размер, отогнуты относительно соседних рабочих элементов и соединены между собой. Тем самым наружные кромки 4, соединенные между собой вблизи коллекторных кромок 5 гофрированных пластин 19, 20, герметизируют первый теплоноситель в рабочем элементе 1, а соединенные пружинными кромками 4 с соседним рабочим элементом герметизируют боковую поверхность от утечек второго теплоносителя. Подобная герметизация по второму теплоносителю может осуществляться за счет дополнительных пластин 18, соединенных с трубными досками 7. Два крайних рабочих элемента 1 имеют удлиненные наружные кромки 4 со стороны подвода и отвода второго теплоносителя для герметизации. To prevent leakage of the second heat carrier through the lateral surfaces of the heat exchanger, the outer edges 4 of the corrugated plates 19, 20 of the working elements 1 on the collector side are enlarged, bent relative to adjacent working elements and interconnected. Thus, the outer edges 4, interconnected near the collector edges 5 of the corrugated plates 19, 20, seal the first coolant in the working element 1, and connected by the spring edges 4 with the adjacent working element, seal the side surface from leaks of the second coolant. Such sealing on the second coolant can be carried out by additional plates 18 connected to the tube plates 7. The two extreme working elements 1 have elongated outer edges 4 on the inlet and outlet sides of the second coolant for sealing.

Преимущества данного предложения состоят в существенном увеличении эффективности теплообмена при малых потерях давления, снижения массы конструкции теплообменника, повышении технологичности изготовления. Использование рабочего элемента одного типоразмера позволяет изготавливать теплообменники различной тепловой мощности. The advantages of this proposal are a significant increase in heat transfer efficiency with small pressure losses, a decrease in the mass of the heat exchanger structure, and an increase in manufacturability. The use of a working element of one standard size makes it possible to produce heat exchangers of various thermal capacities.

Claims

1. A heat exchanger containing working elements made of two plates with a corrugated heat-exchange surface, connected along the outer edges located in the same plane, tube boards with openings for work elements and end caps, forming manifolds with tubes for supplying and discharging the first heat carrier, communicated with the cavity of the working elements, characterized in that the collector edges are spaced from the plane of the outer edges at a distance of 0.3 1 height of the corrugation.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the collector edges are located symmetrically relative to the plane of symmetry of the plate.

3. The heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the total length of the collector edges is less than or equal to the width of the plate.

4. The heat exchanger according to claims 1 to 3, characterized in that the working elements are connected in a tube plate with the formation of a gap between them along the second heat carrier 0.5 to 6.0 corrugation heights.

5. The heat exchanger according to claims 1, 2 and 4, characterized in that the outer edges of the plates of each working element from the inlet and outlet of the first coolant are elongated, bent to adjacent working elements and interconnected.

6. The heat exchanger according to claims 1, 2 and 4, characterized in that a plate is attached to the outer edges of the extreme plates of the working elements on the supply and exhaust side of the first heat carrier.

7. The heat exchanger according to claims 1 to 6, characterized in that the plates of the working elements are made of stamping, contacting each other together with the formation of fins located in the flow part of the first coolant.

8. The heat exchanger according to claims 1 to 7, characterized in that deflectors are installed in the collectors with the formation of rotation chambers for series and / or parallel connection of working elements.

9. The heat exchanger according to claims 1 to 7, characterized in that the outer edges and stampings of the plates are connected with the formation of a zag-shaped channel in the working elements.

10. The heat exchanger according to paragraphs. 1 to 9, characterized in that the tube boards are made with gaskets made of elastic material adjacent to the collector edges.

11. The heat exchanger according to claim 10, characterized in that permeable gaskets are installed between the collector edges.

12. The heat exchanger according to claims 10 and 11, characterized in that the gaskets of elastic material are pressed against the tube plate by a pressure plate, pressure elements having holes, and an end cap.