CS214352B1

CS214352B1 - Heat exchanger

Info

Publication number: CS214352B1
Application number: CS652080A
Authority: CS
Inventors: Zdenko Stanicek; Oldrich Oslejsek; Jiri Gazda
Original assignee: Zdenko Stanicek; Oldrich Oslejsek; Jiri Gazda
Priority date: 1980-09-29
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1982-04-09

Description

Vynález se týká výměníku tepla s křížovým prouděním prostředí prvního okruhu a prostředí druhého okruhu, sestávajícího z přepážek z-tepelně vodivého materiálu.The present invention relates to a cross-flow heat exchanger of a first circuit environment and a second circuit environment consisting of baffles of thermally conductive material.

Stávající řešení výměníků tepla s křížovým prouděním prostředí prvního okruhu a od něj prostřednictvím přepážek prostorově odděleného prostředí druhého okruhu se s ohledem na trvale náročnější požadavky dalšího zvyšování intenzifikace odvodu tepla vyznačují stále náročnějším technologicky pracnějším konstrukčním uspořádáním. V mnoha případech už dokonce ani kombinací současných známých řešení konstrukcí trubkových, lamelových či deskových výměníků tepla není možné navrhnout takové uspořádání výměníku tepla, které by mohlo optimálně vyhovovat požadavkům na parametry odváděného tepelného výkonu v poměru k jeho zastávovacím rozměrům.Existing cross-flow heat exchanger solutions of the first circuit environment and from it through the bulkheads of the spatially separated environment of the second circuit, are characterized by an increasingly sophisticated, technologically labor intensive design in view of the increasingly demanding requirements for further intensification of heat dissipation. In many cases, even by combining the currently known solutions of tubular, vane or plate heat exchanger designs, it is no longer possible to design a heat exchanger arrangement that can optimally meet the requirements of the dissipated heat output in relation to its stop dimensions.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny u výměníku tepla podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že přepážky jsou tvořeny rovnoběžně uspořádanými deskami opatřenými alespoň jedním prolisem s lichoběžníkovým sklonem bočních hran, přičemž vější stěny bočních hran u dna prolisu jedné desky jsou v mechanicky těsném a tepelně vodivém styku s vnitřními stěnami bočních hran u otevření prolisu sousední desky, a dna prolisů jsou opatřena alespoň jedním otvorem.The above-mentioned drawbacks are eliminated in the heat exchanger according to the invention, which consists in that the baffles consist of parallel-arranged plates provided with at least one indentation with a trapezoidal inclination of the lateral edges, the lateral side walls at the bottom of the indentation of one plate being mechanically tight and thermally conductive contact with the inner walls of the side edges at the opening of the indentation of the adjacent plate, and the bottom of the indentations are provided with at least one opening.

U řešení výměníku tepla s křížovým prouděním prostředí prvního okruhu a prostředí druhé214 352In the cross-flow heat exchanger solution of the first circuit environment and the second environment environment, 214 352

214 352 ho okruhu podle vynálezu lze mezi hlavní výhody v prvá řadě uvažovat jednoduché, technologicky nenáročné zhotovení a vzájemné konstrukční uspořádání desek, umožňující docílení vysokých hodnot odváděného měrného tepelného výkonu. Tyto desky jsou opatřeny alespoň jedním prolisem lichoběžníkového profilu, což umožňuje sestavování desek v řadě za sebou tak, aby vnějěí stěny bočních hran u dna prolisu byly v mechanicky těsném a dobře.tepelně vodivém styku. Pro průchod prostředí prvního okruhu ve směru sestavení desek, například horkého prostředí, představovaného horkým plynem, horkou vzdušinou, kapalinou a pddobně, je každé dno prolisu opatřeno alespoň jedním otvorem. Křížový průchod prostředí druhého oktuhu ve směru uspořádání každé z desek, například studeného prostředí, je uskutečňován přes dílčí prostory vymezené plnými rovnými částmi desek a s nimi sousedícími bočními hranami prolisů. Vytvořením styku sousedních desek se jednoduše docílí těsného oddělení prostředí prvního okruhu a vůči němu křížově proudícího prostředí druhého okruhu. Stálost a jakost styku dvou sousedních desek výměníku tepla podle vynálezu lze zabezpečit mnoha technologicky jednoduchými způsoby, jako například lepením, pájením, svárem a podobně. Pro zajištění trvalé kompaktnosti celého bloku soustavy desek výměníku tepla podle vynálezu je možné desky navzájem stáhnout prostřednictvím svorníků uspořádaných v obvodových otvorech desek.214 352 according to the invention, one of the main advantages is, first of all, a simple, technologically undemanding construction and mutual structural arrangement of the plates, allowing to achieve high values of dissipated heat output. These plates are provided with at least one indentation of the trapezoidal profile, allowing the plates to be assembled in a row so that the outer walls of the side edges at the bottom of the indentation are in a mechanically tight and well-conductive contact. For passing the environment of the first circuit in the direction of assembly of the plates, for example a hot environment represented by hot gas, hot air, liquid and the like, each crimp bottom is provided with at least one opening. The cross-passage of the environment of the second circuit in the direction of the arrangement of each of the plates, for example the cold environment, is effected through partial spaces delimited by the solid planar portions of the plates and adjacent side edges of the indentations. By establishing contact of adjacent plates, a simple separation of the environment of the first circuit and the cross-flowing environment of the second circuit is simply achieved. The stability and contact quality of the two adjacent heat exchanger plates according to the invention can be ensured in many technologically simple ways, such as by gluing, soldering, welding and the like. In order to ensure a permanent compactness of the whole block of the heat exchanger plate assembly according to the invention, the plates can be pulled together by bolts arranged in the peripheral holes of the plates.

Podle specifických potřeb lze u tohoto řešení výměníku tepla podle vynálezu navíc hodnotu odváděného tepelného výkonu několika jednoduchými konstrukčními způsoby upravovat. Intenzifikaci přestupu tepla lze zejména ovlivnit velikostí, tvarem a počtem prolisů, vytvořených v deskách výměníku tepla a v návaznosti na to i velikostí, tvarem a počtem otvorů, vytvořených ve dnu každého prolisu pro průchod prostředí prvního okruhu. Velikostí a tvarem prolisů se současně ovlivňuje velikost odstupu dvou sousedních desek, kde mezi jejich plnými rovnými částmi, ohraničenými bočními hranami prolisů jedné desky, jsou vytvořeny dílčí prostory pro křížový průchod prostředí druhého okruhu ve směru uspořádání každé z desek výměníku tepla podle vynálezu.In addition, the heat dissipation value of the heat exchanger according to the invention can be adjusted according to the specific needs in several simple construction methods. In particular, the heat transfer intensification can be influenced by the size, shape and number of indentations formed in the heat exchanger plates and, consequently, by the size, shape and number of apertures formed in the bottom of each indent for the passage of the first circuit environment. The size and shape of the indentations also affect the spacing of two adjacent plates, where between their full straight portions, bounded by the side edges of the indentations of one plate, partial spaces are formed to cross the environment of the second circuit in the direction of each heat exchanger plate.

Při optimalizaci návrhu uspořádání desek výměníku tepla za účelem docílení maximální hodnoty předávaného měrného tepelného výkonu ve výměníku je třeba řídit se základním, požadavkem zařazení co nejkratší dráhy vedení tepla mezi proudy horkého prostředí a studeného prostředí, při zabezpečení nejnižší možné hodnoty tepelného odporu vedení tepla. Odtud vyplývá s ním související následná podmínka na vytvoření a uspořádání prolisů a otvorů v deskách výměníku, kdy pro rovnoměrné tepelné zatížení výměníku tepla, odpovídající přibližně stejným hodnotám součinitelů přestupu tepla ve vodech horkého prostředí a vodech studeného prostředí, je třeba navrhovat výměník tepla podle vynálezu tak, aby velikost průřezu dílčího prostoru v oblasti prolisů pro průchod prostředí prvního okruhu a velikost průřezu dílčího prostoru v oblasti plných rovných částí sousedních desek pro průchod prostředí druhého okruhu byly přibližně stejné. Při uvažování těchto základníbh podmínek lze vhodně navrhnout jak velikost, tvar a počet prolisu, tak i velikost , tvar, počet a rozmístění otvorů ve dnu každého prolisu. Velikost přenášeného tepelného výkonu je pak při předpokladu takto předem určených zastávovacíbh rozměrů jedné desky v podstatě odvislá na počtu za sebou řazených desek. Při návrhu celkového uspořádání soustavy desek výměníku tepla podle vynálezu je nutnéWhen optimizing the design of the heat exchanger plates in order to achieve the maximum value of the specific heat output transferred in the exchanger, the basic requirement is to include the shortest possible heat transfer path between the hot and cold streams, while ensuring the lowest possible thermal resistance. Hence the consequent subsequent condition for the formation and arrangement of the embossments and holes in the exchanger plates, whereby for a uniform heat load of the heat exchanger corresponding approximately to the same values of the heat transfer coefficients in hot and cold water, so that the cross-sectional area of the sub-area in the area of the first circuit environment punches and the cross-sectional area of the sub-area in the area of the full straight portions of adjacent second-pass environment plates are approximately equal. Considering these basic conditions, both the size, shape, and number of punches, as well as the size, shape, number, and spacing of the holes in the bottom of each punch can be appropriately designed. The magnitude of the transferred heat output is then, depending on the predetermined stopping dimensions of one plate, essentially dependent on the number of plates arranged in series. It is necessary to design the overall arrangement of the heat exchanger plate assembly according to the invention

214 352 v pfjpadt?, že přes otvory, vytvořené ve dnu prolisů desek je veden okruh horkého prostředí, zabezpečit předem stanovenou hodnotu hydraulického odporu, tj. hodnotu tlakového úbytku při požadovaném objemovém průtoku horkého prostředí. Má-li okruh horkého prostředí cirkulovat pouze s malou hodnotou tlakového úbytku, je výhodné navzájem obě prostředí zaměnit a přes otvory ve dnu prolisů vést okruh studeného prostředí a okruh horkého prostředí vést přes dílčí prostory vymezené plnými rovnými částmi desek a bočmíni hranami prolisů. Při použití výkonnějšího ventilátoru, instalovaného v okruhu studeného prostředí, je možné dále docílit zvětšení hodnoty přenášeného měrného tepelného výkonu a tím i zmenšit celkové zastavovací rozměry výměníku tepla podle vynálezu.214 352 in the case that a hot medium circuit is guided through the openings formed in the bottom of the plates of the plates, to provide a predetermined value of the hydraulic resistance, i.e. a pressure drop value at the desired volumetric flow rate of the hot medium. If the hot medium circuit is to circulate with only a small amount of pressure drop, it is advantageous to swap the two mediums together and guide the cold medium circuit through the holes in the embossing bottom and to pass the hot medium circuit through partial spaces delimited by solid planar portions and sidewalls. By using a more efficient fan installed in a cold circuit, it is possible to further increase the value of the specific heat output transmitted and thereby reduce the overall stop dimensions of the heat exchanger according to the invention.

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady provedení výměníku tepla podle vynálezu, kde představuje obr. 1 celkové uspořádání bloku soustavy desek výměníku tepla v axonometrickém pohledu, obr. 2 uspořádání desek části výměníku v příčeném řezu, obr. 3 jedno z možných vytvoření desky opatřené dvěma řadami prolisů s kruhovými otvory v čelním pohledu, část desky s prolisem ve tvaru oválu opatřeném skupinou kruhových otvorů, a obr. 5 část desky s prolísy kruhového půdorysu, opatřených po jednom kruhovém otvoru pro průchod prvního prostředí.1 shows the overall arrangement of the heat exchanger plate assembly in an axonometric view, FIG. 2 shows a cross-sectional view of the heat exchanger plate plates, FIG. 3 shows one possible embodiment of a plate having two rows 5 shows a portion of an oval-shaped embossment plate provided with a plurality of circular openings; and FIG. 5 shows a portion of a circular plan embossment plate provided with one circular opening for the passage of the first environment.

Výměník tepla s křížovým prouděním prostředí prvního okruhu a prostředí druhého okruhu podle vynálezu sestává z planparalelně uspořádaných desek 1 z tenkého tepelne vodivého materiálu, které jsou opatřeny alespoň jedním prolisem 2 s lichoběžníkovým sklonem bočních hran 3. Jak je patrno zejména na obr. 1 a 2. Křížové proudění prostředí prvního okruhu a od něj prostorově odděleného prostředí druhého okruhu je vytvořeno tak, že vnější stěny bočních hran 3 u dna 4 prolisů 2 jedné desky 1 jsou v mechanicky těsném a tepelně vodivém styku s vnitřními stěnami bočních hran 3 u otevření 5 prolisů 2 sousední desky 1, jak je dobro patrno na obr. 2. Pro průchod prostředí prvního okruhu ve směru sestavení desek 1 jsou dna 4 prolisů 2 opatřena alespoň jedním otvorem 6. Velikost a tvar prolisů 2, které vymezují svým stykem stěn bočních hran 3 prolisů 2 dvou sousedních desek 1 odstup uspořádání plných rovných částí desek 1, současně fakticky stanovují velikost průřezu dílčího prostoru pro křížové proudění prostředí druhého okruhu ve směru uspořádání každé z desek 1 výměníku. Jak je patrno podle obr. 2, jsou tyto dílčí prostory pro průchod prostředí druhého okruhu vymezeny plnými rovnými částmi sousedních desek las nimi sousedícími bočními hranami 3 prolisů 2. Směr průtoku prostředí prvního okruhu ve směru sestavení bloku desek 1 výměníku tepla podle vynálezu je na obr. 1 naznačen šipkou se symbolem I, -přičemž vůči němu křížové proudění prostředí druhého okruhu přes dílčí prostory ohraničené plnými rovnými částmi desek 1 a s nimi sousedícími bočními hranami 3 prolisů 2 je na obr. 1 naznačen šipkou se symbolem II.The cross-flow heat exchanger of the first circuit environment and the second circuit environment according to the invention consists of planar parallel plates 1 of thin thermally conductive material, which are provided with at least one indentation 2 with a trapezoidal inclination of the side edges 3. As can be seen in particular in FIGS. The cross-flow of the environment of the first circuit and the spatially separated environment of the second circuit is formed such that the outer walls of the side edges 3 at the bottom 4 of the recesses 2 of one plate 1 are in mechanically tight and thermally conductive contact with the inner walls of the side edges 3 at the opening of 5 recesses 2. For the passage of the environment of the first circuit in the direction of the assembly of the plates 1, the bottom 4 of the embossments 2 are provided with at least one opening 6. The size and shape of the embossments 2 which define by their contact the walls of the side edges 3 of the embossments. 2 of two adjacent plates 1 spacing of the arrangement of full planes at the same time, de facto determine the cross-sectional area of the partial flow space of the second circuit environment in the direction of the arrangement of each of the exchanger plates 1. As can be seen from FIG. 2, these sub-spaces for the passage of the second circuit environment are delimited by solid straight portions of adjacent plates and adjacent side edges 3 of the indentations 2. The flow direction of the first circuit environment in the assembly 1 is indicated by an arrow with the symbol I, wherein the cross flow of the second circuit environment over the partial spaces bounded by the full straight parts of the plates 1 and adjacent side edges 3 of the indentations 2 is indicated in Fig. 1 by an arrow with the symbol II.

Aby při provozování výměníku tepla podle vynálezu nemohlo dojít k poruchám míšení prostředí prvního a druhého okruhu, zapříčiněných oddálením bočních hran 3 prolisů 2 dvou sousedních desek 1 v místě jejich styku, je účelné stálost a jakost styku zabezpečit, například lepením, pájením, svárem a podobně. Při předpokladu zabudování výměníku tepla podle vynálezu v určitém technologickém celku je nutné zajistit kompaktnost bloku sestavení desek 1,například pomocí stahovacích svorníků umístěných v obvodových otvorech 7 desek 1.In order to prevent disturbances in the mixing of the first and second circuit environments caused by the separation of the side edges 3 of the indentations 2 of the two adjacent plates 1 at the point of contact thereof, it is expedient to ensure stability and contact quality, for example by gluing, soldering, welding and the like. . Assuming the installation of the heat exchanger according to the invention in a certain technological unit, it is necessary to ensure the compactness of the plate assembly 1, for example by means of clamping bolts located in the peripheral holes 7 of the plates 1.

214 352214 352

Podle stanovené hodnoty předávaného tepelného výkonu ve výměníku tepla podle vynálezu a daných zastavovacíoh rozměrů výměníku lze úpravou velikosti a tvaru prolisů 2 a rovněž tak úpravou velikosti a tvaru otvorů 6 ve dnu 4 prolisů 2 lze měnit hodnotu odváděného měrného tepelného výkonu jedné desky l v poměru k jejím vnějším rozměrům. Navíc lze velikost celkového přenášeného tepelného výkonu výměníku uzpůsobovat pomocí různého vzájemného prostorového uspořádání otvorů 6 u dvou sousedních desek 1, čímž je dále možné měnit turbulizaci proudu prostředí prvního okruhu vedeného přes tyto otvory 6 ve dnu 4 prolisů 2 desek 1. Je jisté, že turbulizace proudu prostředí prvního okruhu bude jiná pro případ, kdy je otvor 6 ve dnu 4 prolisů 2 jedné desky 1 s otvorem 6 ve dnu 4 prolisů 2 sousední desky 1 v zákrytu, než v případě, kdy je otvor 6 ve dnu 4 prolisů 2 jedné desky 1 vůči otvoru 6 ve dnu 4 prolisu 2 sousední desky 1 přesazen. Kombinací uvedených možností desek 1 výměníku lze vždy nalézt nejvhodnější řešení vyhovující daným specifickým podmínkám. Jedno z nej jednodušších uspořádání prolisů 2, vytvořených v deskách 1 výměníku tepla podle vynálezu, představuje provedení naznačené na obr. 1, kde desky 1 jsou opatřeny dvěma nad sebou uspořádanými stějně tělesně vytvořenými prolisy 2 oválného půdorysného průmětu, opatřenými pěti kruhovými otvory 6, rozmístěnými v pravidelných odstupech v řadě vedle sebe. Na obr. 2 je potom naznačen příčný řez tohoto uspořádání výměníku. Pro změnu turbuliaace proudu prostředí prvního okruhu a v návaznosti na to i změnu proudu prostředí druhého okruhu mohou být desky 1 výměníku opatřeny různě tvarovanými prolisy 2 s otvory 6, jak je například patrno na obr. 3, kde desky 1 výměníku jsou opatřeny dvěma řadami spojitě na sebe navazujících prolisů 2 kruhového půdorysného průmětu, opatřených kruhovými otvory 6. Jiné z možných vytvoření prolisů 2 pro změnu turbulizace prostředí prvního i druhého okruhu je naznačeno na obr. 4, kde desky 1 výměníku jsou opatřeny prolisy 2 oválného půdorysného průmětu opatřenými soustavou ekvidistantníčh otvorů 6. Další z možných provedení desek 1 výměníku tepla podle vynálezu s jinou hodnotou turbulizace proudů prostředí prvního a druhého okruhu je pak naznačeno na obr. 5, kde každá z desek 1 je opatřena soustavou ekvidistantníčh prolisů 2 kruhového půdorysného průmětu, opatřených po jednom kruhovém otvoru 6 pro průchod prostředí prvního okruhu.Depending on the value of the transferred heat output in the heat exchanger according to the invention and given dimensions of the heat exchanger, the size and shape of the embossments 2 can be adjusted as well as the size and shape of the holes 6 in the bottom 4 of the embossments 2. external dimensions. In addition, the total transferred heat output of the exchanger can be adjusted by varying the spatial arrangement of the openings 6 of the two adjacent plates 1, thereby further altering the turbulence of the current of the first circuit through these openings 6 in the bottom 4 of the plates 2 of the plates. the current of the environment of the first circuit will be different in case the opening 6 in the bottom 4 of the embossments 2 of one plate 1 with the opening 6 in the bottom 4 of the embossments 2 of the adjacent plate 1 is in alignment than 1 is offset from the opening 6 in the bottom 4 of the indentation 2 of the adjacent plate 1. By combining the above options of the heat exchanger plates 1, the most suitable solution can always be found to meet the specific conditions. One of the simplest arrangements of the embossments 2 formed in the heat exchanger plates 1 according to the invention is the embodiment shown in Fig. 1, wherein the plates 1 are provided with two superimposed side-by-side embossments 2 of oval plan view provided with five circular openings 6 spaced at regular intervals in a row side by side. FIG. 2 then shows a cross-section of this exchanger arrangement. In order to change the turbulence of the current of the first circuit and consequently the change of the current of the second circuit, the heat exchanger plates 1 can be provided with differently shaped recesses 2 with holes 6, as shown in Fig. 3, where the heat exchanger plates 1 are provided with two rows Another possible embodiment of embossments 2 for changing the turbulence of the environment of the first and second circuit is shown in Fig. 4, where the heat exchanger plates 1 are provided with oval projection 2 embossments provided with a set of equidistant holes. 6. Another possible embodiment of the heat exchanger plates 1 according to the invention with different turbulence values of the currents of the first and second circuit currents is then indicated in FIG. oru 6 for the passage of the first circuit environment.

Uspořádání výměníku tepla podle vynálezu umožňuje použít různá chladicí media jak pro cirkulaci prostředí prvního okruhu, tak i pro cirkulaci prostředí druhého okruhu. Jejich aplikace je odvislá jednak na velikosti průřezu dílčího prostoru pro průtok prostředí prvního okruhu, vymezeného rozměry jednoho prolisů 2 a tvarem a uspořádáním v něm vytvořených .otvorů 6, jednak na velikosti průřezu dílčího prostoru pro průtok prostředí druhého okruhu, vymezeného plnými rovnými částmi sousedních desek las nimi sousedícími bočními hranami 3 prolisů 2. Uzpůsobením rozměrů v návaznosti na požadovaný přenášený tepelný výkon výměníku tepla podle vynálezu je možné užívat jak různá plynná chladicí média, tak i kapalná chladicí média. Rovněž je možné u výměníku tepla podle vynálezu s výhodou využívat kombinace plynného a kapalného média.The heat exchanger arrangement according to the invention makes it possible to use different coolants both for circulating the environment of the first circuit and for circulating the environment of the second circuit. Their application depends on the size of the cross-sectional area of the partial circuit for the flow of the environment of the first circuit defined by the dimensions of one indentation 2 and the shape and arrangement of the holes 6 formed therein. With the adjacent side edges 3 of the indentations 2, the various dimensions of the gaseous coolants and the liquid coolants can be used by adapting the dimensions to the desired heat transfer capacity of the heat exchanger according to the invention. It is also possible to advantageously employ a combination of a gaseous and a liquid medium in the heat exchanger according to the invention.

Pro velkou variabilitu možností konstrukčního vytvoření desek 1 s prolisy 2 opatřenými otvory 6 a v návaznosti na to i pro značnou přizpůsobitelnost celkových zastavovacích rozměrů bloku desek 1 výměníku jako celku, je možné výměník tepla podle vynálezu využívat v růz5Due to the great variability of the possibilities of construction of plates 1 with embossments 2 provided with openings 6 and consequently also to great adaptability of the overall stop dimensions of the block of plates 1 of the exchanger as a whole, the heat exchanger according to the invention can be used in various

214 352 ných oblastech techniky, zvláště pak je výhodné jeho užití v oblasti chlazeni elektrických strojů točivých.214 352 in particular, it is particularly advantageous to use it in the field of cooling of rotating electrical machines.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Cross-flow heat exchanger of a first circuit environment and a second circuit environment consisting of baffles of thermally conductive material, characterized in that the baffles consist of parallel-arranged plates (1) provided with at least one indentation (2) with a trapezoidal inclination of the side edges / 3), wherein the outer walls of the side edges (3) at the bottom (4) of the indentation (2) of one plate (1) are in mechanically tight and thermally conductive contact with the inner walls of the side edges (3) at the opening (5) of the indentation (2) adjacent plates (1), and the bottom (4) of the indentations (2) are provided with at least one opening (6).

Exchanger according to claim 1, characterized in that the opening (6) in the bottom (4) of the indentation (2) of one plate (1) is with the opening (6) in the bottom (4) of the indentation (2) of the adjacent plate (1). in alignment.

Exchanger according to claim 1, characterized in that the opening (6) in the bottom (4) of the indentation (2) of one plate (1) is relative to the opening (6) in the bottom (4) of the indentation (2) of the adjacent plate (1). offset.