RU2347996C1

RU2347996C1 - Counter-flow plate-type heat exchanger

Info

Publication number: RU2347996C1
Application number: RU2007132886/06A
Authority: RU
Inventors: ков Алексей Иванович Худ (RU); Алексей Иванович Худяков
Original assignee: Алексей Иванович Худяков
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-02-27

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: present invention is meant for use in heat engineering, and particularly in any field for heating or cooling gaseous media with high thermodynamic parameters and high input of heat carrier. The counter-flow plate-type heat exchanger has heat exchange elements, made in pairs of combined plates. Each plate has at least, two heat-transfer and four collector parts for transmitting and distributing heat carrier. The collector part of the high pressure heat carrier is between the heat transfer parts. The collector part of the low pressure heat carrier lies on the whole width of the plates, on the side of its input and output. The collector parts of the plates of the high pressure heat carrier are partitioned off by a pimple, into a distributing collector and receiver. On the length of the section of counter-flow of heat carrier, collector parts are separated from heat transfer parts by longitudinal pimples, bordered on the length by the section of input of heat carrier from the distributing collector into heat transfer parts and the output section of the heat carrier into the receiver. On heat transfer parts of the plates, there are corrugations at an inclination angle to the sides of the sides of the plates not equal to 90 degrees. Along the perimeter of the plates there are raised edges which prevent leakage of low pressure heat carrier when welding (soldering). On the outer side of each heat transfer part, there are more raised edges, preventing leakage of high pressure heat carrier when welding (soldering).

EFFECT: increased efficiency of heat exchange and reduced the number of collectors and pipes.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения газообразных сред с высокими термодинамическими параметрами, в том числе для подогрева воздуха газотурбинной установки (ГТУ) большой мощности, использующей закрытую систему циркуляции теплоносителей.The invention relates to heat engineering and can be used in any technical field for heating or cooling gaseous media with high thermodynamic parameters, including heating air of a gas turbine unit (GTU) of high power, using a closed coolant circulation system.

Существуют противоточные пластинчатые теплообменники, содержащие корпус и пакет гофрированных теплопередающих пластин, стянутых с помощью стяжных элементов [Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 973]. Теплообменный элемент таких теплообменников состоит из отдельных пластин, которые уплотняются прокладками. Пластины имеют форму прямоугольника и четыре отверстия для подвода и отвода теплоносителей. Эти теплообменники имеют ограниченную размерами пластины площадь фронта и применяются для жидких сред при невысоких параметров сред (Р≤25 бар, Т≤140°С).There are counter-flow plate heat exchangers containing a housing and a package of corrugated heat transfer plates pulled together with clamping elements [Baranovsky N.V., Kovalenko L.M., Yastrebenetsky A.R. Plate and spiral heat exchangers. M .: Engineering, 973]. The heat exchange element of such heat exchangers consists of individual plates that are sealed with gaskets. The plates have the shape of a rectangle and four holes for supplying and discharging coolants. These heat exchangers have a frontal area limited by the plate size and are used for liquid media at low medium parameters (P≤25 bar, T≤140 ° С).

Существуют аналогичные теплообменники без прокладок, в которых пластины соединены пайкой или сваркой [Проспекты фирм “Альфа Ловаль”, “SWEP"]. Они позволяют повысить параметры сред, но размеры отверстий и их расположение по углам пластины ограничивают пропускную способность и, следовательно, мощность теплообменника.There are similar heat exchangers without gaskets, in which the plates are connected by soldering or welding [Prospectuses of Alfa Loval, SWEP companies]. They allow increasing the parameters of the media, but the size of the holes and their location at the corners of the plate limit the throughput and, therefore, the capacity of the heat exchanger .

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменник [Патент РФ№2100733], в котором теплоносители подаются в пакет гофрированных теплопередающих пластин различными способами. Один теплоноситель подается в пакет через отверстия в пластинах, а второй теплоноситель подается в корпус с размещенным в нем пакетом, а из корпуса - непосредственно в пакет. Такое решение позволяет значительно увеличить расход второго теплоносителя или использовать среду с меньшей плотностью (например, воздух).Closest to the proposed invention is a heat exchanger [RF Patent No. 2100733], in which heat carriers are fed into a package of corrugated heat transfer plates in various ways. One coolant is supplied to the package through holes in the plates, and the second coolant is supplied to the housing with the package located in it, and directly from the housing to the package. This solution can significantly increase the flow rate of the second coolant or use a medium with a lower density (for example, air).

Недостаток такого теплообменника состоит в ограниченном расходе теплоносителя через отверстия в пластинах и наличие дополнительного элемента - корпуса, увеличивающего габариты и массу всего теплообменника. Рациональная область их применения - газожидкостные теплообменники.The disadvantage of such a heat exchanger is the limited flow of coolant through the holes in the plates and the presence of an additional element - a housing that increases the size and weight of the entire heat exchanger. A rational area of their application is gas-liquid heat exchangers.

Предлагаемый теплообменник отличается от прототипа тем, что каждая пластина имеет, по крайней мере, две теплопередающие части и четыре коллекторные части для подвода и распределения теплоносителей, коллекторная часть теплоносителя большего давления располагается между теплопередающими частями, а коллекторная часть теплоносителя меньшего давления - по всей ширине пластины со сторон его входа и выхода.The proposed heat exchanger differs from the prototype in that each plate has at least two heat transfer parts and four collector parts for supplying and distributing heat carriers, the collector part of the heat carrier of higher pressure is located between the heat transfer parts, and the collector part of the heat carrier is lower than the entire width of the plate from the sides of its entrance and exit.

Теплообменник также отличается тем, что коллекторные части пластины теплоносителя большего давления перегорожены поперечной выштамповкой на раздающий коллектор и сборный коллектор, на длине участка противоточного движения теплоносителей коллекторные части отделены от теплопередающих частей продольными выштамповками, ограниченными по длине участком входа теплоносителя из раздающего коллектора в теплопередающие части и участком выхода теплоносителя в сборный коллектор.The heat exchanger is also characterized in that the collector parts of the higher-pressure medium plate are blocked by transverse stamping to the distributing collector and the collecting manifold, along the length of the countercurrent flow section of the heat transfer medium, the collector parts are separated from the heat transfer parts by longitudinal extrusions, which are limited by the length of the heat transfer inlet part from the distributing collector section of the coolant outlet to the prefabricated collector.

Теплообменник также отличается тем, что на теплопередающих частях пластины выполнены гофры под углом наклона к сторонам пластины, отличным от 90 градусов, по периметру пластины выполнены отбортовки, закрывающие при сварке (пайке) от утечек теплоноситель меньшего давления, а по внешней стороне каждой из теплоотдающих частей выполнены дополнительные отбортовки, препятствующие при сварке (пайке) утечкам теплоносителя большего давления.The heat exchanger is also characterized in that corrugations are made on the heat-transferring parts of the plate at an angle of inclination to the sides of the plate other than 90 degrees, flanges are made along the perimeter of the plate, closing the welder (soldering) from leaks of a lower pressure coolant, and on the outside of each of the heat-releasing parts Additional flanges were made that prevented welding (soldering) leaks of the coolant of higher pressure.

Технической задачей, которую решает предложенное устройство, является повышение эффективности теплообменника, упрощение обвязки теплообменника и уменьшение массы трубопроводов.The technical problem that the proposed device solves is to increase the efficiency of the heat exchanger, simplifying the binding of the heat exchanger and reducing the weight of the pipelines.

Техническим результатом, который обеспечивает решение поставленной задачи, является применение наиболее эффективной противоточной схемы движения теплоносителей и уменьшение числа коллекторов и трубопроводов путем использования одного коллектора для подвода и одного коллектора для отвода теплоносителя высокого давления к (от) двум(х) теплопередающим(х) частям(ей) теплообменника и по одному коллектору для подвода и отвода теплоносителя низкого давления, по крайней мере, к (от) двум(х) и более теплопередающим(х) частям(ей) теплообменника.The technical result, which provides a solution to the problem, is the use of the most effective countercurrent flow diagram of the coolant and the reduction in the number of collectors and pipelines by using one collector for supply and one collector to divert the high pressure coolant to (from) two (x) heat transfer (x) parts (s) a heat exchanger and one collector each for supplying and discharging a low pressure coolant to at least (from) two (x) and more heat transfer (x) parts (s) of the heat exchanger.

Технический результат обеспечивается тем, что противоточный пластинчатый теплообменник содержит теплообменные элементы, выполненные из попарно сложенных пластин, причем каждая пластина имеет, не крайней мере, две теплопередающие части и четыре коллекторные части для подвода и распределения теплоносителей, коллекторная часть теплоносителя большего давления располагается между теплопередающими частями, а коллекторная часть теплоносителя меньшего давления - по всей ширине пластины со стороны входа и выхода теплоносителя.The technical result is ensured by the fact that the counterflow plate heat exchanger contains heat exchange elements made of pairwise folded plates, each plate having at least two heat transfer parts and four collector parts for supplying and distributing heat carriers, the collector part of the higher pressure heat carrier is located between the heat transfer parts and the collector part of the coolant of lower pressure is across the entire width of the plate from the side of the inlet and outlet of the coolant.

Технический результат также обеспечивается тем, что коллекторные части пластины теплоносителя большего давления перегорожены поперечной выштамповкой на раздающий коллектор и сборный коллектор, на длине участка противоточного движения теплоносителей коллекторные части отделены от теплопередающих частей продольными выштамповками, ограниченными по длине участком входа теплоносителя из раздающего коллектора в теплопередающие части и участком выхода теплоносителя в сборный коллектор.The technical result is also ensured by the fact that the collector parts of the heat carrier plate of greater pressure are cross-stamped onto the distributing collector and the collecting manifold, along the length of the countercurrent flow section of the heat carriers, the collector parts are separated from the heat transfer parts by longitudinal stampings limited by the length of the heat transfer medium inlet from the distributing part to the distributing part and a portion of the coolant exit to the prefabricated collector.

Технический результат также обеспечивается тем, что на теплопередающих частях пластины выполнены гофры под углом наклона к сторонам пластины, отличным от 90 градусов, по периметру пластины выполнены отбортовки, закрывающие при сварке (пайке) от утечек теплоноситель меньшего давления, а по внешней стороне каждой из теплопередающих частей выполнены дополнительные отбортовки, препятствующие при сварке (пайке) утечкам теплоносителя большего давления.The technical result is also ensured by the fact that corrugations are made on the heat-transferring parts of the plate at an angle of inclination to the sides of the plate other than 90 degrees, flanges are made along the perimeter of the plate, closing the welder (soldering) from leaks of a lower pressure coolant, and on the outside of each heat-transfer parts, additional flanges were made that prevented welding (soldering) leaks of the coolant of higher pressure.

На фиг.1 показан вид спереди на пластину теплообменника; на фиг.2 - сечения по АА, Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д, Е-Е, Ж-Ж фиг 1; на фиг; 3 - схема расположения гофр теплообменника при повороте соседней пластины на 180 градусов; на фиг.4, 5 - пластины с уменьшенным числом коллекторов при увеличенной площади теплопередающей поверхности.Figure 1 shows a front view of a plate of a heat exchanger; figure 2 - cross-section along AA, BB, BB, GG, D-D, EE, FJ of Fig 1; on fig; 3 - layout of the corrugations of the heat exchanger when the adjacent plate is rotated 180 degrees; figure 4, 5 - plate with a reduced number of collectors with an increased heat transfer surface area.

Противоточный пластинчатый теплообменник содержит теплообменные элементы, выполненные из попарно сложенных пластин 1 (фиг.1, 2, 3). Каждая пластина 1 имеет, по крайней мере, две теплопередающие части 2, 3 и четыре коллекторные части 4, 5, 6, 7 для подвода и распределения теплоносителей. Коллекторная часть теплоносителя большего давления 4, 5 располагается между теплопередающими частями 2, 3, а коллекторная часть теплоносителя меньшего давления 6, 7 - по всей ширине пластины 1 со сторон его входа и выхода. Такое расположение позволяет объединить коллекторы теплоносителя меньшего давления двух и более теплопередающих поверхностей в один коллектор 6 входа и один коллектор 7 выхода и сократить число коллекторов и число трубопроводов (фиг.4, 5). Общее число коллекторов и, следовательно, трубопроводов рассчитывается по зависимостиThe counterflow plate heat exchanger contains heat exchange elements made of pairwise folded plates 1 (Figs. 1, 2, 3). Each plate 1 has at least two heat transfer parts 2, 3 and four collector parts 4, 5, 6, 7 for the supply and distribution of coolants. The collector part of the coolant of higher pressure 4, 5 is located between the heat transfer parts 2, 3, and the collector part of the coolant of lower pressure 6, 7 is located over the entire width of the plate 1 from the sides of its inlet and outlet. This arrangement allows you to combine the collectors of the lower pressure fluid of two or more heat transfer surfaces into one inlet manifold 6 and one outlet manifold 7 and reduce the number of collectors and the number of pipelines (Figs. 4, 5). The total number of collectors and, therefore, pipelines is calculated according to

N_КОЛ(ТР)=N_ТПП+2·Z_СТ-(Z_СТ-1),N _{NUMBER (TP)} = N _TPP + 2 · Z _ST - (Z _ST -1),

где N_ТПП - число теплопередающих поверхностей,where N _CCI is the number of heat transfer surfaces,

Z_СТ - число столбцов расположения теплопередающих поверхностей (на фиг.4 расположен один столбец, а на фиг.5 - два).Z _ST - the number of columns of the arrangement of heat transfer surfaces (in figure 4 there is one column, and in figure 5 - two).

Коллекторные части 4, 5 пластины 1 для теплоносителя большего давления разделены поперечной выштамповкой 8 на раздающий 4 и выборный 5 коллекторы (фиг.1, 2). На длине участка противоточного движения теплоносителей 9 коллекторные части 4, 5 теплоносителя большего давления отделены от теплопередающих частей 2, 3 продольными выштамповками 10, ограниченными по длине участками входа 11 теплоносителя из раздающего коллектора 4 в теплопередающие части 2, 3 и участками выхода 12 теплоносителя в сборный коллектор 5.The collector parts 4, 5 of the plate 1 for a higher-pressure coolant are separated by a transverse stamping 8 into distributing 4 and elective 5 collectors (Figs. 1, 2). On the length of the countercurrent flow section of the heat transfer medium 9, the collector parts 4, 5 of the larger pressure medium are separated from the heat transfer parts 2, 3 by longitudinal stampings 10, limited by the length of the sections of the heat transfer medium inlet 11 from the distribution manifold 4 to the heat transfer parts 2, 3 and the heat transfer port 12 of the heat transfer outlet collector 5.

На теплопередающих частях 2, 3 пластины 1 выполнены гофры 13 под углом 14 наклона к сторонам пластины 1, отличным от 90 градусов, а по периметру пластины 1 - отбортовки 15, закрывающие при сварке (пайке) от утечек теплоноситель меньшего давления. По внешней стороне на каждой из теплопередающих частей 2, 3 выполнены дополнительные отбортовки 16, препятствующие при сварке (пайке) утечкам теплоносителя большего давления. Теплообменник работает следующим образом.Corrugations 13 are made on the heat-transmitting parts 2, 3 of plate 1 at an angle 14 of inclination to the sides of the plate 1, other than 90 degrees, and along the perimeter of the plate 1 there are flanges 15, which close when welding (soldering) less leakage coolant. On the outside, on each of the heat transfer parts 2, 3, additional flanges 16 are made, which prevent leakage of a larger pressure coolant during welding (soldering). The heat exchanger operates as follows.

Теплоноситель низкого давления и более высокой температуры (например, газ после турбины газотурбинной установки) поступает через отверстия 17 в коллекторную часть подвода 6 теплоносителя низкого давления и распределяется по каналам, образованным попарно сложенными пластинами 1. Для увеличения поверхности теплообмена, жесткости пластины и изменения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления пластины имеют гофры 13, расположенные под углом 14. Теплота через стенку пластины 1 передается теплоносителю высокого давления с меньшей температурой. Отбортовки 15, расположенные по периферии пластины 1, препятствуют утечке теплоносителя низкого давления в окружающую среду и направляют его в коллекторную часть отвода 7 теплоносителя низкого давления и затем через отверстия 18 в следующий элемент системы.The coolant of low pressure and higher temperature (for example, gas after the turbine of the gas turbine installation) enters through the openings 17 into the collector part of the supply 6 of the coolant of low pressure and is distributed along the channels formed by pairwise folded plates 1. To increase the heat transfer surface, the stiffness of the plate and changes in the heat transfer coefficients and the resistance of the plate have corrugations 13 located at an angle of 14. Heat through the wall of the plate 1 is transferred to a high-pressure coolant with a lower temperature th. Flanging 15 located on the periphery of the plate 1, prevent leakage of the low-pressure coolant into the environment and direct it to the collector part of the outlet 7 of the low-pressure coolant and then through the holes 18 to the next element of the system.

Теплоноситель высокого давления с низкой температурой (например, газ после компрессора) поступает в коллекторную часть подвода 4 теплоносителя высокого давления и затем через участок входа 11 распределяется по каналам обеих теплопередающих частей 2 и 3. Воспринимая тепло, переданное через стенку от теплоносителя с более высокой температурой, теплоноситель высокого давления поступает через участок выхода 12 в коллектор 5 и далее в трубопроводы (на фиг. не показаны). Коллекторные части 4 и 5 разделены перегородкой 8 между собой, а перегородкой 10 - от теплопередающих частей 2 и 3. Для предотвращения утечки в наружную среду пластина 1 имеет по контуру дополнительную отбортовку 16.The high-pressure coolant with a low temperature (for example, gas after the compressor) enters the collector part of the inlet 4 of the high-pressure coolant and is then distributed through the inlet 11 through the channels of both heat-transfer parts 2 and 3. Sensing the heat transferred through the wall from the coolant with a higher temperature , the high pressure coolant enters through the outlet 12 to the manifold 5 and then to the pipelines (not shown in Fig.). The collector parts 4 and 5 are separated by a partition 8 from each other, and the partition 10 from the heat transfer parts 2 and 3. To prevent leakage into the external environment, the plate 1 has an additional flange 16 along the contour.

Claims

1. A counterflow plate heat exchanger containing heat exchange elements made of pairwise folded plates, characterized in that each plate has at least two heat transfer and four collector parts for supplying and distributing heat carriers, the collector part of the heat carrier of greater pressure is located between the heat transfer parts, and the collector part of the coolant of lower pressure - across the entire width of the plate from the sides of its inlet and outlet.

2. The counter-flow plate heat exchanger according to claim 1, characterized in that the collector parts of the higher-pressure carrier plate are blocked by transverse stamping to the distributing collector and the collection manifold, along the length of the countercurrent movement of the heat carriers, the collector parts are separated from the heat transfer parts by longitudinal extrusions limited by the length of the inlet section coolant from the distributing collector to the heat transferring parts and a portion of the coolant exit to the collection manifold.

3. A counter-flow plate heat exchanger according to any one of claims 1 and 2, characterized in that corrugations are made on the heat transfer parts of the plate at an angle of inclination to the sides of the plate other than 90 °, flanges are made around the perimeter of the plate to cover leakages during welding (soldering) heat transfer fluid of lower pressure, and on the outside of each heat transferring part, additional flanges are made to prevent leakage of the heat transfer fluid of greater pressure during welding (soldering).