RU2395775C1

RU2395775C1 - Header plate-type heat exchanger

Info

Publication number: RU2395775C1
Application number: RU2009114316/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Худяков (RU); Алексей Иванович Худяков
Original assignee: Алексей Иванович Худяков
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-07-27

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: there is proposed header plate-type heat exchanger containing heat exchange matrix in the form of a pack of corrugated plates with flanged external edges, headers and pressure plates. Matrix and headers are made in the form of separate assemblies. Front surfaces of inlet and outlet and heat carriers of matrix are located along the perimetre of the plate. Flanges close valves of the appropriate heat carrier except channels in heat carrier supply and discharge sections. Pressure plates are added with front plates to which headers are attached. One of heat carries (for example of high density) is supplied and discharged from matrix via holes made in front plates. One of header walls is located parallel and attached to front plate, and the second wall is parallel to it or at an angle during arrangement of annular heat exchanger.

EFFECT: increasing efficiency of heat exchanger, use of individual heat exchanger or block of heat exchangers in the form of a ring.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, в том числе для газотурбинных установок.The invention relates to heat engineering and can be used in any technical field for heating or cooling liquid or gaseous media, including gas turbine units.

Существует пластинчатый теплообменник [Патент РФ №2100733], в котором теплоносители подаются в пакет гофрированных теплопередающих пластин (матрицу) различными способами. Один теплоноситель подается в матрицу через отверстия в пластинах, а второй теплоноситель подается в корпус с размещенной в нем матрицей, а из корпуса - непосредственно в матрицу. Такое решение позволяет значительно увеличить расход второго теплоносителя или использовать среду с меньшей плотностью (например, воздух).There is a plate heat exchanger [RF Patent No. 2100733], in which heat carriers are supplied to a package of corrugated heat transfer plates (matrix) in various ways. One coolant is supplied to the matrix through the holes in the plates, and the second coolant is fed into the housing with the matrix located in it, and from the housing directly into the matrix. 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.

Существует пластинчатый теплообменник [Патент РФ №2238502], в котором теплоносители подаются в матрице по коллекторам, являющимися одним целом с матрицей. Это достигается конструированием пластины с чередованием гофрированных участков с отверстиями, при сборке пластин образуются теплообменные поверхности и коллектора подвода и отвода теплоносителей.There is a plate heat exchanger [RF Patent No. 2238502], in which the heat carriers are supplied in the matrix by collectors, which are one with the matrix. This is achieved by designing the plate with alternating corrugated sections with holes, when assembling the plates, heat-exchange surfaces and collectors for supplying and removing heat carriers are formed.

Недостаток такого теплообменника заключается в необходимости проектирования и изготовления новой оснастки для теплообменника другой размерности. Особенно дорогостоящей является оснастка для кольцевого теплообменника, предназначенного для газотурбинных установок большой мощности.The disadvantage of such a heat exchanger is the need to design and manufacture new equipment for a heat exchanger of a different dimension. Especially expensive is the equipment for a ring heat exchanger designed for high power gas turbine plants.

При изготовлении кольцевого теплообменника каждая часть пластины штампуется в виде части кольца с припуском под сварку. Припуски в виде местных утолщений подвергаются сварке дважды: первоначально при сварке кольцевой пластины и затем при сварке пластин в матрицу. Двойной шов снижает качество пластины.In the manufacture of an annular heat exchanger, each part of the plate is stamped as part of the ring with welding allowance. Allowances in the form of local thickenings are welded twice: initially when welding an annular plate and then when welding plates in a matrix. Double seam reduces plate quality.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменник [патент РФ №2347996], в котором теплоносители подаются в матрицу, состоящую из набора пластин. Каждая пластина имеет, по крайней мере, две теплопередающиеся части и четыре коллекторных 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.Closest to the proposed invention is a heat exchanger [RF patent No. 2347996], in which coolants are fed into a matrix consisting of a set of plates. 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 of lower pressure is located over the entire width of the plate from the sides of its inlet and outlet.

Недостаток такого теплообменника заключается в том, что площади коллекторов теплоносителя высокого давления ограничены размером пластины, так как коллектор теплоносителя высокого давления выполнен в пластине. Для уменьшения потерь давления в коллекторе теплоносителя высокого давления необходимо увеличивать размер пластины, что приводит к увеличению массы и стоимости теплообменникаThe disadvantage of such a heat exchanger is that the area of the collectors of the high pressure coolant is limited by the size of the plate, since the collector of the high pressure coolant is made in the plate. To reduce pressure losses in the collector of the high-pressure coolant, it is necessary to increase the size of the plate, which leads to an increase in the mass and cost of the heat exchanger

Предлагаемый теплообменник отличается от прототипа тем, что матрица и коллекторы выполнены в виде отдельных узлов, фронтальные поверхности входа и выхода теплоносителей матрицы расположены по периметру пластины, отбортовки закрывают каналы соответствующего теплоносителя кроме каналов на участках подвода и отвода теплоносителей, нажимные плиты дополнены фронтальными плитами, к которым прикреплены коллекторы, по отверстиям во фронтальных плитах один из теплоносителей (например, большей плотности) подводится (отводится) к (от) матрице (ы).The proposed heat exchanger differs from the prototype in that the matrix and collectors are made in the form of separate units, the front surfaces of the inlet and outlet of the coolant matrix are located around the perimeter of the plate, the flanges close the channels of the corresponding coolant except the channels in the areas of supply and removal of coolant, the pressure plates are supplemented with front plates, to which the collectors are attached, through the holes in the front plates one of the coolants (for example, of higher density) is supplied (removed) to (from) the matrix ( s).

Предлагаемый теплообменник отличается от прототипа и тем, что одна из стенок коллектора расположена параллельно и прикреплена к фронтальной плите, а вторая стенка - параллельно ей при линейной компоновке теплообменника или под углом при компоновке кольцевого теплообменника.The proposed heat exchanger differs from the prototype in that one of the walls of the collector is parallel and attached to the front plate, and the second wall is parallel to it with a linear arrangement of the heat exchanger or at an angle with the layout of the ring heat exchanger.

Предлагаемый теплообменник отличается от прототипа и тем, что фронтальная плита имеет полку, к которой прикреплен элемент для крепления выходного коллектора (для кольцевого теплообменника в виде обечайки).The proposed heat exchanger differs from the prototype in that the front plate has a shelf to which an element for attaching the output manifold is attached (for an annular heat exchanger in the form of a shell).

Предлагаемый теплообменник отличается от прототипа и тем, что каждая фронтальная плита имеет поперечный разрез, со вставкой которой регулируется положение отверстий коллекторов относительно отверстий фронтальных поверхностей входа и выхода теплоносителя большей плотности.The proposed heat exchanger differs from the prototype in that each front plate has a transverse section, with the insert of which the position of the holes of the collectors relative to the openings of the front surfaces of the inlet and outlet of the heat carrier of higher density is regulated.

Технической задачей, которую решает предложенное устройство, является повышение эффективности теплообменника, создание универсальной конструкции, позволяющей компоновку в виде отдельного теплообменника или блоков теплообменников.The technical problem that the proposed device solves is to increase the efficiency of the heat exchanger, creating a universal design that allows layout in the form of a separate heat exchanger or heat exchanger blocks.

Техническим результатом, который обеспечивает решение поставленной задачи, является применение наиболее эффективной противоточной схемы движения теплоносителей, уменьшение стоимости изготовления при различных компоновках, снижение массы коллекторов и упрощение процесса изготовления теплообменника.The technical result, which provides a solution to the problem, is the use of the most effective countercurrent flow diagrams of coolants, reducing the cost of manufacture for various layouts, reducing the mass of the collectors and simplifying the manufacturing process of the heat exchanger.

Технический результат обеспечивается тем, что матрица и коллекторы выполнены в виде отдельных узлов, фронтальные поверхности входа и выхода теплоносителей матрицы расположены по периметру пластины, отбортовки закрывают каналы соответствующего теплоносителя кроме каналов на участках подвода и отвода теплоносителей, нажимные плиты дополнены фронтальными плитами, к которым прикреплены коллекторы, по отверстию во фронтальных плитах один из теплоносителей (например, большей плотности) подводится к матрице, а по другому отверстию отводится от нее.The technical result is ensured by the fact that the matrix and collectors are made in the form of separate nodes, the front surfaces of the inlet and outlet of the coolant matrix are located around the perimeter of the plate, the flanges close the channels of the corresponding coolant except channels in the areas of supply and removal of coolant, the pressure plates are supplemented with front plates to which are attached collectors, through the hole in the front plates one of the coolants (for example, of higher density) is supplied to the matrix, and through the other hole from her.

Технический результат обеспечивается и тем, что одна из стенок коллектора расположена параллельно и прикреплена к фронтальной плите, а вторая стенка - параллельно ей при линейной компоновке теплообменника или под углом при компоновке кольцевого теплообменника.The technical result is ensured by the fact that one of the walls of the collector is parallel and attached to the front plate, and the second wall is parallel to it with a linear arrangement of the heat exchanger or at an angle with the layout of the ring heat exchanger.

Технический результат обеспечивается и тем, что фронтальная плита имеет полку, к которой присоединен элемент для крепления выходного коллектора (для кольцевого теплообменника в виде обечайки),The technical result is ensured by the fact that the front plate has a shelf, to which an element for attaching the output manifold is attached (for an annular heat exchanger in the form of a shell),

Технический результат обеспечивается и тем, что каждая фронтальная плита имеет поперечный разрез со вставкой, которой регулируется положение отверстий коллекторов относительно фронтальных поверхностей входа и выхода теплоносителя большей плотности.The technical result is ensured by the fact that each front plate has a transverse section with an insert, which controls the position of the collector holes relative to the front surfaces of the inlet and outlet of a higher density coolant.

На фиг.1 представлен продольный разрез коллекторного пластинчатого теплообменника, на фиг.2 - вид сверху фиг.1, на фиг.3 - вид сбоку фиг.1, на фиг.4 - компоновка кольцевого теплообменника.Figure 1 shows a longitudinal section of a collector plate heat exchanger, figure 2 is a top view of figure 1, figure 3 is a side view of figure 1, figure 4 is a layout of the ring heat exchanger.

Коллекторный пластинчатый теплообменник (фиг.1, 2, 3), содержит матрицу 1 в виде пакета гофрированных пластин 2 с отбортовками 3, 4 наружных кромок, коллекторы 5, 6, 7, 8 и нажимные плиты 9. Матрица 1 и коллекторы 5, 6, 7, 8 выполнены в виде отдельных самостоятельных узлов. Коллекторы 5, 6 могут быть объединены в один узел (фиг.1) или быть самостоятельными. Коллектором 7 может быть газосборник кольцевого теплообменника (рис.4) или выхлопной патрубок. Коллектор 8 может быть выполнен аналогично коллектору 7.The collector plate heat exchanger (figure 1, 2, 3), contains a matrix 1 in the form of a package of corrugated plates 2 with flanges 3, 4 of the outer edges, manifolds 5, 6, 7, 8 and pressure plates 9. Matrix 1 and collectors 5, 6 , 7, 8 are made in the form of separate independent nodes. Collectors 5, 6 can be combined into one node (figure 1) or be independent. The collector 7 may be a gas collector of the annular heat exchanger (Fig. 4) or an exhaust pipe. The collector 8 can be performed similarly to the collector 7.

Вся матрица 1 является теплопередающей поверхностью, так как все коллекторы расположены вне пластины. Фронтальные поверхности входа и выхода одного теплоносителя (большей плотности) матрицы 1 расположены с каждой боковой стороны пластины 2. Фронтальные поверхности входа и выхода другого теплоносителя (меньшей плотности) матрицы 1 расположены на двух противоположных сторонах пластины 2. Отбортовки 3 наружных кромок закрывают каналы 10 теплоносителя большей плотности, а отбортовки 4 закрывают каналы 11 теплоносителя меньшей плотности. На участках подвода 12, 13 и отвода 14, 15 каналы соответствующего теплоносителя открыты. Нажимные плиты 9 дополнены фронтальными плитами 16, к которым прикреплены коллекторы.The entire matrix 1 is a heat transfer surface, since all the collectors are located outside the plate. The front surfaces of the inlet and outlet of one coolant (higher density) of the matrix 1 are located on each side of the plate 2. The front surfaces of the inlet and outlet of another coolant (higher density) of the matrix 1 are located on two opposite sides of the plate 2. Flanging 3 of the outer edges close the channels 10 of the coolant higher density, and flanging 4 close the channels 11 of the coolant of lower density. In the inlet 12, 13 and outlet 14, 15, the channels of the corresponding coolant are open. The pressure plates 9 are supplemented by front plates 16 to which the manifolds are attached.

Одна из стенок 19 коллекторов 5, 6 расположена параллельно и прикреплена к фронтальной плите 16, а вторая стенка 20, 21 - параллельно ей при линейной компоновке теплообменника или под углом при компоновке кольцевого теплообменника (фиг.4).One of the walls 19 of the collectors 5, 6 is located in parallel and attached to the front plate 16, and the second wall 20, 21 is parallel to it with a linear layout of the heat exchanger or at an angle with the layout of the ring heat exchanger (figure 4).

Фронтальная плита 16 имеет полку 22, к которой прикреплен элемент 23 для крепления выходного коллектора (для кольцевого теплообменника в виде обечайки 24).The front plate 16 has a shelf 22 to which an element 23 is attached for fastening the output manifold (for an annular heat exchanger in the form of a shell 24).

Каждая фронтальная плита 16 имеет поперечный разрез со вставкой 25, которой регулируется положение отверстий 17, 18 коллекторов теплоносителя большей плотности относительно отверстий 26, 27 фронтальных поверхностей входа 12 и выхода 14 матрицы 1.Each front plate 16 has a transverse section with an insert 25, which controls the position of the holes 17, 18 of the higher-density coolant collectors relative to the holes 26, 27 of the front surfaces of the inlet 12 and the output 14 of the matrix 1.

Слой изоляционного материала примыкает непосредственно к матрице, заключен в жаростойкую фольгу и прижимается фронтальными плитами 16. Наряду с теплоизолирующими свойствами он служит герметиком, препятствуя протечкам теплоносителя высокого давления вне матрицы.A layer of insulating material adjoins directly to the matrix, is enclosed in a heat-resistant foil and is pressed by the front plates 16. Along with the heat-insulating properties, it serves as a sealant, preventing the leakage of the high-pressure coolant outside the matrix.

Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger operates as follows.

Один из теплоносителей (большей плотности) по патрубкам 28, расположенным симметрично относительно оси симметрии теплообменника, подводится в коллекторы 5 и через отверстия 17 в стенках коллекторов 5 и отверстия 26 во фронтальных плитах 16 с двух сторон поступает на вход 12 матрицы. Матрица 1 может иметь или не иметь продольную перегородку, разделяющую пополам каналы теплоносителя большей плотности. На участках входа и выхода теплоносителя под действием градиента давления направление течения изменяется на 90 градусов. Схема течения изменяется с перекрестноточной на участке входа на противоточную в средней части и с противоточной на перекрестноточную на участке выхода. Через отверстия 18, 27 теплоноситель поступает в выходные коллекторы 6 и патрубки 29.One of the heat carriers (higher density) through the nozzles 28 located symmetrically with respect to the axis of symmetry of the heat exchanger is supplied to the collectors 5 and through the holes 17 in the walls of the collectors 5 and holes 26 in the front plates 16 from the two sides enters the matrix input 12. Matrix 1 may or may not have a longitudinal partition that bisects the channels of a larger heat carrier in half. In the areas of the coolant inlet and outlet, under the influence of a pressure gradient, the flow direction changes by 90 degrees. The flow pattern changes from cross-flow at the entrance to countercurrent in the middle part and from counter-flow to cross-flow at the exit. Through holes 18, 27, the coolant enters the output manifolds 6 and nozzles 29.

Другой теплоноситель (меньшей плотности и более высокой температуры) поступает из выхлопного коллектора или из газосборника 7 (фиг.4) на вход 13 матрицы 1 и распределяется по фронту по каналам 10. Теплота теплоносителя с большей температурой передается через стенки канала теплоносителю с меньшей температурой.Another heat carrier (of lower density and higher temperature) comes from the exhaust manifold or from the gas collector 7 (Fig. 4) to the input 13 of matrix 1 and is distributed along the front along the channels 10. The heat of the heat carrier with a higher temperature is transferred through the walls of the channel to the heat carrier with a lower temperature.

Выход 15 этого теплоносителя соединен со вставкой 23. Обечайка 24 направляет поток в атмосферу или в следующую ступень установки.The outlet 15 of this coolant is connected to the insert 23. The shell 24 directs the flow to the atmosphere or to the next stage of the installation.

Claims

1. A collector plate heat exchanger containing a matrix in the form of a package of corrugated plates with flanging of the outer edges, collectors and pressure plates, characterized in that the matrix and collectors are made in the form of separate nodes, the front surfaces of the inlet and outlet of the coolant matrix are located around the perimeter of the plate, the flanges are closed channels of the corresponding coolant, except for channels in the areas of supply and removal of coolants, pressure plates are supplemented with front plates to which collectors are attached, by holes in the front plates one of the coolants (for example, of higher density) is supplied (removed) to (from) the matrix (s).

2. The collector plate heat exchanger according to claim 1, characterized in that one of the walls of the collector is parallel and attached to the front plate, and the second wall is parallel to it with a linear arrangement of the heat exchanger or at an angle with the layout of the ring heat exchanger.

3. The collector plate heat exchanger according to claim 2, characterized in that the front plate has a shelf to which an element for attaching the output manifold is attached (for an annular heat exchanger in the form of a shell).

4. The collector plate heat exchanger according to claim 1, characterized in that each front plate has a transverse section with an insert, which controls the position of the holes of the collectors relative to the front surfaces of the inlet and outlet of a higher density coolant.