RU2106588C1

RU2106588C1 - Matrix heat exchanger

Info

Publication number: RU2106588C1
Application number: RU94009706A
Authority: RU
Inventors: Юрий Артемьевич Шевич; Глеб Иванович Глуховский; Валентин Арсентьевич Веселов
Original assignee: Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: power-plant engineering; heat exchanger between liquid or gaseous heat-transfer agents. SUBSTANCE: one of two heat-transfer agents, for example, warm one enters pipe union of collector and then it enters passages of matrix. While flowing over exchanger surface formed by plates 2 and gaskets 3, this heat-transfer agent transfers heat to this surface due to convective heat exchange. Cold heat-transfer agent is fed to inlet pipe union of collector. Heat exchanger between warm and cold heat-transfer agents is effected due to their convection with plates 2. After cooling, warm heat-transfer agent escapes through collector and pipe union and cold heat-transfer agent (after heating) escapes through other collector and pipe union. Connectors 10 of gaskets 3 strengthening the structure do not interference with flow of heat-transfer agent. EFFECT: enhanced intensity of heat exchange, reduction of mass and overall dimensions and increased strength of structure. 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к устройствам теплообмена между жидкими или газообразными теплоносителями. The invention relates to power engineering, in particular to heat transfer devices between liquid or gaseous fluids.

Известны конструкции матричных теплообменников, содержащие пакет перфорированных пластин из высокотеплопроводного металла, чередующихся с прокладками из низкотеплопроводного металла [1]. Эти конструкции теплообменников имеют высокую интенсивность теплообмена за счет большой компактности теплообменной поверхности, образованной перфорированными пластинами, имеющими высокую теплопроводность. Known designs of matrix heat exchangers containing a package of perforated plates of highly heat-conducting metal, alternating with gaskets of low-heat metal [1]. These designs of heat exchangers have a high heat transfer rate due to the large compactness of the heat exchange surface formed by perforated plates having high thermal conductivity.

Недостатком известных конструкций теплообменников являются завышенные массогабаритные характеристики и заниженная прочность конструкций. Это объясняется прямоугольной формой теплообменника и его матрицы. Указанная форма аппарата приводит к увеличению компоновочного объема конструкции, содержащей матричный теплообменник. Плоские стенки каналов, нагруженные внутренним давлением, имеют меньшую прочность по сравнению, например, с каналами цилиндрической формы. A disadvantage of the known designs of heat exchangers are overestimated weight and size characteristics and low strength structures. This is due to the rectangular shape of the heat exchanger and its matrix. The specified form of the apparatus leads to an increase in the layout volume of the structure containing the matrix heat exchanger. Flat channel walls loaded with internal pressure have lower strength compared to, for example, cylindrical channels.

Отмеченные недостатки частично устранены в конструкции матричного теплообменника, взятого за прототип [2]. Элементы указанной конструкции выполнены из легких металлов типа алюминиевых сплавов, титана, что значительно снижает массу конструкции. The noted disadvantages are partially eliminated in the design of the matrix heat exchanger, taken as a prototype [2]. Elements of this design are made of light metals such as aluminum alloys, titanium, which significantly reduces the weight of the structure.

Данная конструкция матричного теплообменника имеет следующие недостатки: недостаточную прочность вследствие применения легких алюминиевых сплавов и снижение эффективности теплообмена из-за меньшей теплопроводности алюминиевых сплавов по сравнению, например, с медью. This design of the matrix heat exchanger has the following disadvantages: insufficient strength due to the use of light aluminum alloys and a decrease in heat transfer efficiency due to lower thermal conductivity of aluminum alloys compared, for example, with copper.

Изобретение направлено на повышение интенсивности теплообмена, снижение массогабаритных характеристик и повышение прочности конструкции, что является его техническим результатом и обеспечивает улучшенные потребительские свойства. The invention is aimed at increasing the intensity of heat transfer, reducing weight and size characteristics and increasing structural strength, which is its technical result and provides improved consumer properties.

Технический результат достигается за счет того, что в матричном теплообменнике, содержащем перфорированные пластины из высокотеплопроводного металла, например меди, размещенные между ними прокладки из низкотеплопроводного металла, коллекторы и штуцер из металла, аналогичного металлу пластин или прокладок, коллекторы, перфорированные пластины и прокладки выполнены сегментной формы, каждая прокладка имеет перемычки, расположенные по радиусу в ее плоскости, каждый коллектор содержит каналы со штуцером для подвода теплоносителя, причем один из коллекторов выполнен с консольным фланцем для крепления теплообменника; перфорированные пластины и прокладки имеют толщину в диапазоне 0,3-0,8 мм, каждый ряд отверстий смежной перфорированной пластины смещен относительно соседнего ряда по окружности или радиусу на величину, равную 1/2 шага расположения отверстий, отверстия перфорации выполнены по окружности и радиусу с шагом в 1,2 - 2,0 раза больше диаметра отверстия; диаметр отверстий перфорации в 3 - 5 раз больше толщины прокладки. The technical result is achieved due to the fact that in a matrix heat exchanger containing perforated plates of highly heat-conducting metal, for example, copper, gaskets made of low heat-conducting metal placed between them, collectors and a fitting of metal similar to the metal of plates or gaskets, collectors, perforated plates and gaskets are made segmented forms, each gasket has jumpers located radially in its plane, each collector contains channels with a fitting for supplying coolant, and one of the collectors is made with a cantilever flange for mounting the heat exchanger; perforated plates and gaskets have a thickness in the range of 0.3-0.8 mm, each row of holes of an adjacent perforated plate is offset relative to the adjacent row by a circle or radius by an amount equal to 1/2 of the hole spacing, perforation holes are made around a circle and a radius of in increments of 1.2 - 2.0 times the diameter of the hole; the diameter of the perforation holes is 3-5 times the thickness of the gasket.

Сравнительный анализ предлагаемого матричного теплообменника с прототипом позволил выявить в первом наличие новых существенных признаков;
коллекторы, перфорированные прокладки и штуцера имеют сегментную форму, что ведет к уменьшению компоновочного объема теплообменника и повышает его прочность, поскольку в этом случае стенки между каналами в матрице и в коллекторах имеют цилиндрическую форму;
наличие технологических перемычек в прокладках, ориентированных по радиусу в их плоскости, ведет к увеличению жесткости прокладок, что, в свою очередь, повышает технологичность конструкции при сборке, а также увеличивает прочность матрицы при действии внутреннего давления теплоносителя в каналах;
выполнение одного из коллекторов с консольным фланцем как единое целое для крепления теплообменника повышает прочность крепления последнего;
указанный диапазон (0,3-0,8 мм) размеров толщин перфорированных пластин и прокладок обеспечивает высокую компактность теплообменной поверхности матрицы;
выполнение отверстий смежных перфорированных пластин со смещением по радиусу или окружности на величину, равную 1/2 шага расположения отверстий, приводит к турбулизации и лучшему перемешиванию потока теплоносителя в каналах, что повышает интенсивность теплообмена;
условие соблюдения шага расположения отверстий перфорации по окружности и радиусу в (1,2 - 2,0) раза больше диаметра отверстий является оптимальным для предлагаемой конструкции, поскольку при отступлении от этого условия в меньшую сторону резко уменьшается прочность перфорированных пластин и их теплопроводность, а при большем шаге уменьшается пористость перфорированных пластин, что ведет к увеличению их гидравлического сопротивления; выбранный диапазон размеров диаметра отверстия перфорации в 3 - 5 раз больше толщины прокладки и обоснован тем, что меньший размер диаметра отверстия технологически выполнять более сложно, а больший размер уменьшает теплообменную поверхность, что крайне нежелательно, и также усложняет технологию их изготовления.A comparative analysis of the proposed matrix heat exchanger with the prototype revealed in the first the presence of new significant features;
collectors, perforated gaskets and fittings have a segmented shape, which leads to a decrease in the layout volume of the heat exchanger and increases its strength, since in this case the walls between the channels in the matrix and in the collectors are cylindrical;
the presence of technological jumpers in gaskets oriented along the radius in their plane leads to an increase in the rigidity of the gaskets, which, in turn, increases the manufacturability of the structure during assembly, and also increases the strength of the matrix under the action of the internal pressure of the coolant in the channels;
the execution of one of the collectors with a cantilever flange as a unit for mounting the heat exchanger increases the strength of the latter;
the specified range (0.3-0.8 mm) of thicknesses of the perforated plates and gaskets provides high compactness of the heat exchange surface of the matrix;
making holes of adjacent perforated plates with a shift along the radius or circumference by an amount equal to 1/2 of the hole spacing, leads to turbulization and better mixing of the coolant flow in the channels, which increases the heat transfer rate;
the condition for observing the pitch of the perforation holes around the circumference and radius (1.2 - 2.0) times the diameter of the holes is optimal for the proposed design, since when deviating from this condition in a smaller direction, the strength of the perforated plates and their thermal conductivity sharply decrease, and when a larger step decreases the porosity of the perforated plates, which leads to an increase in their hydraulic resistance; the selected size range of the diameter of the perforation hole is 3 to 5 times greater than the thickness of the gasket and is justified by the fact that a smaller hole diameter is technologically more difficult to perform, and a larger size reduces the heat transfer surface, which is extremely undesirable, and also complicates the technology for their manufacture.

Все вышеизложенное достаточно убедительно доказывает наличие причинно-следственной связи каждого отличительного признака с техническим результатом, выступающим в качестве цели, и позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения как критерию "новизна", поскольку предлагаемые признаки отсутствуют в прототипе, так и критерию "изобретательский уровень", поскольку на существующий уровень техники предложенная совокупность признаков неизвестна. All of the above sufficiently convincingly proves the existence of a causal relationship of each distinguishing feature with the technical result, acting as a goal, and allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty", since the proposed features are not in the prototype, and the criterion of "inventive step" "because the current level of technology, the proposed set of features is unknown.

Необходимо также отметить, что предлагаемый матричный теплообменник соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку
имеется принципиальная возможность использования изобретения в области энергомашиностроения, понимаемого в самом широком смысле и актуального в свете решения тех задач, которые с его помощью предлагается осуществить;
материалы заявки достаточно убедительно при необходимом количестве сведений доказывают возможность реализации предлагаемого объекта в том виде и объеме, как он охарактеризован в предложенной к рассмотрению формуле изобретения;
пример практической реализации, приведенный авторами ниже, неоспоримо доказывает возможность достижения усматриваемого технического результата.It should also be noted that the proposed matrix heat exchanger meets the condition of patentability "industrial applicability", since
there is a fundamental possibility of using the invention in the field of power engineering, understood in the broadest sense and relevant in the light of solving the problems that are proposed to be implemented with its help;
the application materials are quite convincing with the necessary amount of information prove the feasibility of the proposed object in the form and volume as described in the proposed claims for consideration;
An example of a practical implementation given by the authors below undeniably proves the possibility of achieving a perceived technical result.

На фиг. 1 представлен матричный теплообменник, на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, вид слева; на фиг. 4 - фрагмент матрицы в увеличенном виде. In FIG. 1 shows a matrix heat exchanger; FIG. 2 - the same, top view; in FIG. 3 - same, left view; in FIG. 4 is an enlarged view of a matrix fragment.

Матричный теплообменник состоит из матрицы 1, набранной из высокотеплопроводных перфорированных металлических пластин 2 и размещенных между ними низкотеплопроводных металлических прокладок 3. По обоим торцам матрицы 1 расположены коллекторы 4 и 5, имеющие каналы 6. Последние связывают входные 7 и выходные 8 штуцера с каналами 9 матрицы 1. Прокладки 3 имеют технологические перемычки 10, упрочняющие конструкцию матрицы 1. Один из коллекторов 4 имеет выполненный с ним за одно целое консольный фланец 11 с крепежными отверстиями 12 для крепления теплообменника. Коллекторы 4 и 5, перфорированные пластины 2 и прокладки 3 имеют сегментную форму. The matrix heat exchanger consists of a matrix 1 composed of high-conductivity perforated metal plates 2 and low-conductivity metal gaskets 3 placed between them. Collectors 4 and 5 having channels 6 are located at both ends of the matrix 1. The latter connect the input 7 and output 8 fittings with the channels 9 of the matrix 1. Gaskets 3 have technological jumpers 10, reinforcing the design of the matrix 1. One of the collectors 4 has a cantilever flange 11 made with it in one piece with mounting holes 12 for fixing heat exchanger. Collectors 4 and 5, perforated plates 2 and gaskets 3 have a segmented shape.

Матричный теплообменник работает следующим образом. The matrix heat exchanger operates as follows.

Один из двух теплоносителей, например теплый, поступает в штуцер 7 коллектора 4 и далее по каналам 6 попадает в соответствующие каналы 9 матрицы 1. Этот теплоноситель омывает поверхность теплообмена, образованную перфорированными пластинами 2 и прокладками 3, и за счет конвективного теплообмена передает свое тепло этой поверхности. Так как перфорированные пластины 3 одновременно расположены и в каналах 9 матрицы 1, по которым протекает холодный теплоноситель, то последний подводится к входному штуцеру 7 коллектора 5. Таким образом, теплообмен между теплым и холодным теплоносителями осуществляется за счет конвекции обоих теплоносителей с перфорированными пластинами 2, по которым тепло передается между смежными каналами 6 за счет теплопроводности этих пластин 2. Теплый теплоноситель, охладившись, покидает теплообменник через коллектор 5 и штуцер 8, а холодный, нагревшись, выходит из теплообменника через коллектор 4 и штуцер 8. Перемычки 10 прокладок 3, выполняя функцию упрочнения конструкции, не препятствуют течению теплоносителей. Крепление теплообменника посредством крепежных болтов (не показано), установленных в отверстиях 12 консольного фланца 11, выполненного заодно с коллектором 4, обеспечивает надежность и прочность его крепления. One of the two coolants, for example warm, enters the nozzle 7 of the collector 4 and then passes through the channels 6 to the corresponding channels 9 of the matrix 1. This coolant washes the heat exchange surface formed by perforated plates 2 and gaskets 3, and transfers its heat to this heat through this surface. Since the perforated plates 3 are simultaneously located in the channels 9 of the matrix 1, through which the coolant flows, the latter is supplied to the inlet fitting 7 of the collector 5. Thus, the heat exchange between the warm and cold fluids is carried out by convection of both fluids with the perforated plates 2, through which heat is transferred between adjacent channels 6 due to the heat conductivity of these plates 2. The warm coolant, having cooled, leaves the heat exchanger through the collector 5 and nozzle 8, and the cold heat b, leaves the heat exchanger through the collector 4 and the union 8. The jumpers 10 of the gaskets 3, performing the function of hardening the structure, do not impede the flow of coolants. Fastening the heat exchanger by means of fixing bolts (not shown) installed in the holes 12 of the cantilever flange 11, made integral with the collector 4, ensures the reliability and strength of its fastening.

Пример практической реализации матричного теплообменника. В условиях заводского опытного производства было изготовлено несколько опытных образцов матричного теплообменника с сечением сегментной формы. Совокупность конструктивных элементов каждого опытного образца полностью соответствовала предлагаемой в формуле изобретения совокупности существенных признаков. An example of a practical implementation of a matrix heat exchanger. In the conditions of the factory pilot production, several prototypes of a matrix heat exchanger with a cross-sectional shape were manufactured. The combination of structural elements of each prototype fully corresponded to the set of essential features proposed in the claims.

Было установлено, что по сравнению с прототипом габаритные размеры теплообменника по высоте уменьшены приблизительно в 2 раза, а по ширине - в 1,25 раза. It was found that, compared with the prototype, the overall dimensions of the heat exchanger are reduced by approximately 2 times in height and 1.25 times in width.

Кроме того, заводские испытания показали неограниченный ресурс работы теплообменника в жестких условиях потребителя, что выгодно отличает его от прототипа, ресурс которого в несколько раз ниже ресурса объекта, на который он устанавливается. In addition, factory tests showed an unlimited service life of the heat exchanger in harsh consumer conditions, which distinguishes it from the prototype, the resource of which is several times lower than the resource of the object on which it is installed.

Таким образом, неоспоримо доказывается достижимость технического результата, предусмотренного изобретением. Thus, the attainability of the technical result provided by the invention is undeniably proved.

Claims

A matrix heat exchanger containing perforated plates of highly heat-conducting metal, gaskets made of low heat-conducting metal placed between them, collectors and fittings of metal, similar to metal plates or gaskets, characterized in that the collectors, perforated plates and gaskets are made in a segmented shape, each gasket has technological jumpers, located along the radius in its plane, each collector contains channels with a fitting for supplying coolant, and one of the collectors is made with cantilever flange for fastening the heat exchanger, perforated plates and gaskets have a thickness in the range of 0.3 - 08 mm, each row of holes of an adjacent perforated plate is offset from the adjacent row by a circle or radius by an amount equal to 1/2 of the hole location step, the perforation holes are made circumferentially and radially in increments of 1.2 - 2.0 times the diameter of the hole, the diameter of the perforation holes is 3-5 times the thickness of the gasket.