Pierwszenstwo: 26.11.1973 (P. 166805) Zgloszenie ogloszono: 02.11.1974 Opis patentowy opublikowano: 25.11.1975 813! KI. 36c,9/22^ MKP* F28d 9/00 Twórcawynalazku: Tadeusz Drozd Uprawniony z patentu tymczasowego: Instytut Lotnictwa, Warszawa (Polska) Przeponowy wymiennik ciepla z wymuszonymi przeplywami czynników Przedmiotem wynalazku jest przeponowy wymiennik ciepla z wymuszonymi przeplywami czynników, zawierajacy rdzen wykonany ze splaszczonych rurek ozebrowanych zewnetrznie.W znanych dotychczas wymiennikach przeponowych rdzenie zawieraja splaszczone rurki, ustawione plaska scianka równolegle do kierunku przeplywu czynnika omywajacego rurki z zewnatrz. Rurki te w kolejnych równoleglych rzedach sa ustawione jedna za druga lub sa przestawione wzgledem kierunku przeplywu o czesc podzialki rozmieszczenia rurek w jednym rzedzie. W rozwiazaniach tych w celu zmniejszenia oporu cieplnego od strony zewnetrznej rurek stosuje sie ozebrowanie typu plytkowego lub tasmowego. Na ozebrowaniu wykonuje sie róznego rodzaju sfalowania i naciecia w celu zrywania warstwy przysciennej, co powoduje intensyfikacje przenikania ciepla pomiedzy obu czynnikami. Róznego rodzaju konstrukcje rdzeni wymienników typu woda-powietrze zostaly podane w ksiazce A. Fraasa i H Oziska pt. „Heat Exchanger Design", John Wiley, New Jork 1965 r. Roz. XI.Sfalowania i napiecia na powierzchniach ozebrowania w znanych konstrukcjach powoduja efekt zrywania warstwy przysciennej przede wszystkim na tych powierzchniach. Wiry indykowane przez takie turbulizatory maja charakter lokalny, przyscienny. Zwiekszenie wymiarów turbulizatorów jest ograniczone wzrostem oporów przeplywu czynnika omywajacego ozebrowanie i rurki. Przestawne uklady rurek w rdzeniach plytkowych wymienników ciepla powoduja powstawanie duzych oporów czolowych dla przeplywu omywajacego czynnika.Uklady z przestawnymi rurkami stosuje sie w celu zwiekszenia wspólczynnika przejmowanie ciepla na powierzchni zewnetrznej rurek, poniewaz w ukladach nieprzestawnych powierzchnie zewnetrzne kolejnych rurek pozostaja w cieniach aerodynamicznych rurek poprzednich. Charakterystyka cieplno-przeplywowa wy¬ mienników ciepla z rurkami nieprzestawnymi, stosowanymi najczesciej w wymiennikach typu tasmowego, w porównaniu z charakterystyka ukladów z rurkami przestawnymi ma gorsze wskazniki oceny jakosci. Z kolei wymienniki z ukladami rurek przestawnymi sprzyjaja powstawaniu akustycznych fal stojacych, co juz przy stosunkowo niewielkich predkosciach przeplywu np. rzedu 18 m/s, powoduja powstawanie gwizdów. Przyklado¬ wo, przy predkosci przeplywu powietrza, naplywajacego na chlodnice plytkowa typu woda-powietrze, rzedu 30/m/s natepzenie halasu osiaga wartosc 120 db, a glówna czestosc emitowanych fal akustycznych wynosi 3500 Hz.2 81395 Celem wynalazku bylo zwiekszenie wydajnosci cieplnej wymiennika o niezmienionej gabarytowo objetos¬ ci rdzenia.W wymienniku wedlug wynalazku rurki rzedów wewnetrznych sa odchylone od dlugiej osi przekroju poprzecznego kazdej z rurek rzedu pierwszego o kat ostry, zas odchylenia te wystepuja przemiennie w kolejnych rzedach. Rzad pierwszy i ostatni maja rurki ustawione dlugimi osiami przekroju równolegle do kierunku przeplywu omywajacego je czynnika. Ponadto rzad ostatni jest przesuniety w stosunku do pierwszego o odcinek nie wiekszy niz pól podzialki rozmieszczenia rurek w rzedach.Istotna cecha konstrukcyjna przedmiotu wynalazku jest konstrukcja rdzeni, oparta na skosnie przemien¬ nym ukladzie rurek plaskich. Uklad taki moze byc zastosowany w rdzeniach o dowolnej liczbie rzedów poczynajac od trzech. W kazdym jednakze ukladzie rurki rzedu pierwszego i ostatniego sa ustawione dlugimi osiami równolegle do kierunku przeplywu omywajacego je czynnika. W zwiazku z powyzszym przy rdzeniu o minimalnej liczbie rzedów wystepuje jedynie jeden rzad ze skosnie ustawionymi rurkami. Uklad skosnie ustawionych rurek moze wspólpracowac z plytowym ozebrowaniem wykonanym w postaci trójkatnie pofalowa¬ nej tasmy, poprzecznie do kierunku przeplywu powietrza. Moze takze wspólpracowac z ozebrowaniem tasmowym. Dobre parametry pracy wymiennika osiagnieto dzieki zmniejszeniu oporu cieplnego od strony powierzchni ozebrowanej poprzez odpowiedni dobór geometrii rdzenia i ozebrowania.Zasada dzialania rdzenia ze skosnie przemiennym ukladem rurek plaskich, polega na wytworzeniu cyrkulacyjnego przeplywu wokól rurek i pomiedzy rurkami. Osiaga sie to przez przyhamowywanie z przeciw¬ nych stron w kolejnych rzedach predkosci przeplywu strumienia powietrza. Powstajace w zwiazku z tym wiry powoduja zrywanie warstwy przysciennej na powierzeniach zewnetrznych rurek i powierzchniach ozebrowania, które równiez wykonane w postaci sfalowanej lub z nacieciami indukuja drobne wiry w plaszczyznach prosto¬ padlych do wirów cyrkulacyjnyeh. Powst?ja wiec wiry przestrzenne, podwyzsza sie poziom turbulencji, zmniejsza sie grubosc warstwy przysciennej, warstwa przyscienna jest lokalnie zrywana, zmniejszaja sie opory cieplne dla przenikania ciepla przez powierzchnie ozebrowana (powierzchnie nieoslonieta rurek i powierzchnie ozebrowania). Prowadzi to do zwiekszenia wspólczynnika przenikania ciepla pomiedzy woda goraca, plynaca wewnatrz rurek i powietrzem, omywajacym powierzchnie ozebrowana. Zwieksza sie przez to wydajnosc ciepla chlodnicy. Z zalozenia, odbywa sie to w warunkach stalego oporu statycznego rdzenia chlodnicy np. okolo 50 mm H20 dla strumienia powietrza, przy zachowaniu takiej samej maksymalnej róznicy temperatur obu czynników na wlocie np. 50°C i przy takiej samej predkosci przeplywu wody w rurkach np. 0,4 m/s tj. w umownie znormalizowanych warunkach. Zwiekszony poziom turbulencji wirowej pozwala zmniejszyc nateze¬ nie przeplywu powietrza tak azeby w zwiazku ze wzrostem oporów aerodynamicznych spowodowanych recyrkulacyjnym przeplywem wokól rurek spadek cisnienia statycznego w strumieniu powietrza przeplywajace¬ go przez rdzen utrzymac na niezmienionym poziomie tzn. okolo 50 mm H20. Ograniczenie oporu aerodyna¬ micznego rdzenia chlodnicy do rzedu 50 mm H2O wynika ze stosowania w ukladach chlodzacych wentylatorów osiowych jednostopniowych. Z drugiej jednak strony lepsze uksztaltowanie kanalów przeplywu powietrza w rdzeniu ze skosnym ukladem rurek w porównaniu z przestawnym równoleglym ukladem plaskich rurek spowoduje zmniejszenie sie oporów przeplywu. W wyniku moze wystapic niewielka zmiana w spadku cisnienia statycznego w rdzeniu ze skosnym ukladem rurek w porównaniu z równoleglym przestawnym przy takim samym natezeniu przeplywu powietrza. Druga zaleta skosnego ukladu jest wytworzenie przeplywów wirowych recyrkulacyjnych uniemozliwiajacych tworzenie sie fal stojacych w drgajacych slupach powietrza pomiedzy rurkami. Zapobiega to powstawaniu silnego natezenia halasu dzwieków o duzej czestotliwosci.Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykladowym rozwiazaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schematycznie rdzen w widoku z góry, fig. 2 — ten sam rdzen w widoku w kierunku prostopadlym do kierunku naplywu powietrza, fig. 3 — plytke ozebrowania w widoku z góry, fig. 4 — rdzen z ozebrowaniem tas¬ mowym w widoku z góry, a fig. 5 przedstawia ten sam rdzen w widoku od strony naplywu powietrza.Konstrukcja rdzenia ze skosnie przemiennym ukladem rurek plaskich powstaje w ten sposób, ze srodek Oi luku 1 przedniej krawedzi rurek rzedu drugiego 2 jest przesuniety w stosunku do glównej osi 3 rurek rzedu pierwszego 4 na odleglosc e. Odleglosc ta w stosunku do podzialki t! rzedu pierwszego 4 spelnia warunek 0 drugiego 2 znajduje sie na osi glównej 3 rzedu pierwszego 4. Rzad trzeci rurek 6 ma rurki odchylone o kat a w strone przeciwna w porównaniu z rzedem drugim rurek 2. Jest to równoznaczne z przesunieciem srodka 03 luku przedniej krawedzi 7 rurek 6 na odleglosc e od osi glównej 3 rzedu pierwszego 4 w strone przeciwna niz w rzedzie drugim 2. Srodek O4 luku 8 tylnej krawedzi rurek 6 jest umieszczony znów na osi glównej 3 rurek rzedu pierwszego 4. Nastepne rzedy wewnetrzne powstaja w sposób analogiczny. Odchylenia o kat a wystepuja przemiennie w stosunku do osi glównej 3 rurek z rzedu pierwszego 4. Rzad ostatni rurek 9 powstaje w tym samym rytmie, jak kolejne rzedy wewnetrzne rurek, jezeli chodzi o przemiennosc przesuniecia e. W odróznieniu jednak od rzedów wewnetrznych 2 i 6 rzad ten ma osie glówne rurek równolegle do osi glównych 3 rurek rzedu81395 3 pierwszego 4. Po przesunieciu srodka 05 luku 10 przedniej krawedzi rurek na odleglosc e — w strone wynikajaca z cyklu przemiennosci przesuniec w rzedach wewnetrznych rdzenia —os glówna tej rurki przecho¬ dzaca przez srodek 05 pozostaje nieodchylona o kat a. W zwiazku z tym osrodek 06 luku 11 tylnej krawedzi rurki lezy w tej samej odleglosci e od osi glównej 3 rurki z rzedu pierwszego 4 co i srodek 05. Osie krótkie 12 np. rurek z rzedu 2 w przecieciu z osiami dlugimi rurek wyznaczaja srodek ciezkosci 07 przekroju poprzecznego rurek. Osie przechodzace przez srodki ciezkosci rurek w jednym rzedzie wyznaczaja os wspólna dla calego rzedu 2, 4, 6 lub 9. Odleglosci pomiedzy tymi osiami tworza podzialke rzedów t2. Podzialka ta jest dla wszystkich rzedów jednakowa. Podzialka t2 w odniesieniu do szerokosci rurki sr spelnia warunek 1,2 Odleglosci pomiedzy srodkami ciezkosci 07 rurek w jednym rzedzie tworza podzialke Xlt która w odniesieniu do grubosci rurek gr spelnia warunek 2,5 < tx /gr < 4.Hs rurki splaszczone, rozmieszczone zgodnie z powyzszym opisem nakladane jest nastepnie ozebrowanie.Ozebrowanie moze byc wykonane jako plytkowe lub tasmowe. Plytki 14 sa wykonane z tasmy i maja szerokosci równe grubosci rdzenia L Plytki maja powierzchnie sfalowana o wysokosci garbów netto h i dlugosci fali tg.Sfalowanie i nastepnie przebijanie otworów w plytkach wykonuje sie w specjalnym oprzyrzadowaniu: dzielo¬ nych matrycach z ukladem nozy na miejscu rurek i powierzchnia podzialu matryc w postaci sfalowanej. Otwory w plytkach sa wykonane po scisnieciu matrycy i wytloczeniu sfaIowa n przez naciecia zespolem nozy przede wszystkim po osiach glównych rurek i nastepnie odgiecie krawedzi. Plytki naklada sie na rurki w odleglosciach tp. Wysokosc garbów h w odniesieniu do podzialki tp spelnia warunek O w odniesieniu do 1,5 < tg /tp<5. Podzialka plytek tp w odniesieniu do grubosci rurek gr spelnia warunek 0,6 dziach styku. Uzyskuje sie to przez wstepne pobielanie cyna powierzchni rurek i plytek i nastepnie po nalozeniu plytek na rurki przez zgrzewanie w odpowiedniej temperaturze lub metoda zanurzeniowa calego rdzenia w odpowiedniej kapieli cynowej. Rdzen po wyjeciu z kapieli otrzasa sie z nadmiaru cyny.Ozebarowanie moze byc równiez wykonane w postaci ozebrowania tasmowego 15. Ozebrowanie takie wykonuje sie na specjalnych walcach, z których tasma wychodzi sfalowana w postaci harmonijki a na swojej powierzchni ma od razu wykonane odpowiednie naciecia. Harmonijki takie z tasm wklada sie w przestrzenie miedzy rurkami stycznie do kierunku glównych osi w splaszczonych rurkach. W przypadku ozebrowania tasmowego 15 mozliwa jest modyfikacja rdzenia ze skosnym ukladem rurek w rzedach wewnetrznych w taki sposób, azeby srodki krzywizn luków sasiadujacych ze soba rzedów lezaly na osi równoleglej do osi glównej rurek z rzedów skrajnych. Wówczas przesuniecie e srodka Oi jest równe zeru, srodek 02 jest przesuniety o e (np. wprawo), podobnie srodek 03. Srodek 04 jest znów umieszczony na osi glównej 3 itd. Srodek 05 rzedu ostatniego 9 jest przesuniety o wielkosc + e odpowiednio od srodka luku krawedzi tylnej ostatniego wewnetrz¬ nego rzedu z rurkami skosnie ulozonymi. PL PL