RU2673305C1 - Противоточный теплообменник - Google Patents
Противоточный теплообменник Download PDFInfo
- Publication number
- RU2673305C1 RU2673305C1 RU2017135622A RU2017135622A RU2673305C1 RU 2673305 C1 RU2673305 C1 RU 2673305C1 RU 2017135622 A RU2017135622 A RU 2017135622A RU 2017135622 A RU2017135622 A RU 2017135622A RU 2673305 C1 RU2673305 C1 RU 2673305C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- section
- channels
- heat
- main
- cross
- Prior art date
Links
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
- F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
- F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, авиационной и ракетной технике и может быть использовано в теплообменниках. Изобретение заключается в том, что теплообменная секция состоит из основного и двух концевых участков, на которых сечение каналов меняется от прямоугольного к ромбовидному или восьмиугольному сечению каналов основного участка, и прямоугольные каналы концевого участка одного из теплоносителей повернуты в сторону от оси теплообменника, что позволяет вывести теплоносители в разные коллекторы. Технический результат - уменьшение гидравлического сопротивления и повышение эффективности теплообмена за счет преобразования расположения каналов из рядного в шахматное без существенного изменения площади проходного сечения и длин каналов каждого теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к конструкции теплообменников, предназначенных для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, и может быть применено в авиационной и ракетной технике.
В авиационной и ракетной технике важным условием является компактность теплообменника. Для обеспечения компактности и минимальной массы на единицу передаваемой мощности необходимо обеспечить максимальную площадь теплопередающей поверхности на единицу объема теплообменника. В большинстве конструкций (патент RU №2179692, патент RU №2099663 и др.) это достигается многослойным расположением каналов теплоносителей. При этом теплопередача происходит между этими слоями и каждый канал одного теплоносителя по двум своим граням (стенкам) контактирует с каналами другого теплоносителя, а по двум (по ребрам) - с каналами того же самого теплоносителя.
Известен теплообменник (патент RU №2535187) с шахматным расположением каналов квадратного поперечного сечения, принятый в качестве прототипа, в котором стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению каналов, что повышает эффективность теплообмена.
В этом случае площадь проходного сечения обоих теплоносителей оказывается одинаковой. Однако плотность, расход, допустимый перепад теплоносителей, а, следовательно, и необходимая по расчету проходная площадь сечения может отличаться, что ограничивает область эффективного применения прототипа. Кроме того, предлагаемое в прототипе преобразование расположения каналов горячего и холодного теплоносителей относительно друг друга в шахматный порядок с помощью вспомогательной разделяющей перегородки приводит к тому, что площадь проходного сечения обоих теплоносителей в месте преобразования уменьшается более чем в два раза по сравнению с сечением участка интенсивного теплообмена. На участках разведения каналов их сечение плавно изменяется более чем в 3 раза, а суммарная длина и гидравлическое сопротивление параллельных каналов одного теплоносителя на этих участках не остается постоянной.
Изобретение направлено на уменьшение гидравлического сопротивления, расширения пределов применимости данной конструктивной схемы по соотношению площадей проходных сечений и увеличение теплопередачи между теплоносителями.
Этот технический результат достигается за счет того, что в теплообменной секции, состоящей из основного участка интенсивного теплообмена и двух концевых участков разведения каналов, каналы одного из теплоносителей имеют прямоугольное сечение на концевых участках и ромбовидное или восьмигранное на основном, а прямоугольные каналы второго теплоносителя на концевых участках выполнены под углом к оси теплообменной секции и сопряжены с расположенными вдоль той же оси каналами основного участка, а их сечение в зоне сопряжения выполнено изменяющимся от прямоугольного сечения концевого участка к ромбовидному сечению основного участка.
Уменьшение гидравлического сопротивления достигается за счет сохранения на всей длине проходной площади каналов (ее изменение не превышает 20%). Для этого преобразование расположения каналов из рядного расположения в шахматное осуществляется за счет плавного изменения сечения канала без использования вспомогательной разделяющей перегородки. В простейшем случае переход от квадратного сечения к ромбовидному соответствует повороту сечения на 45 градусов. Практически переходная поверхность строится программами трехмерного проектирования по заданному начальному и конечному сечению. При этом не происходит закручивания жидкости и связанных с этим потерь давления.
Необходимое соотношение площади сечения каналов разных теплоносителей обеспечивается на основном участке восьмиугольной формой канала большего сечения. Восьмиугольник в общем случае не равносторонний. У него четыре грани имеют туже ширину, что и у каналов другого теплоносителя, а ширина четырех дополнительных граней определяется необходимым соотношением проходных площадей. В случае равенства площадей эта ширина становится нулевой, а восьмиугольник вырождается в ромб. На концевых участках необходимое соотношение проходных площадей сечений каналов обеспечивается соответствующим соотношением толщин слоев.
При необходимости дальнейшего уменьшения площади сечения меньшего из каналов, а также для увеличения теплопередачи между теплоносителями за счет увеличения теплоотдающей поверхности на гранях ромба могут быть выполнены продольные ребра. Если ребра имеют треугольное сечение, то сечение канала приобретает крестообразную форму.
Повышению эффективности теплообмена также способствует равная суммарная длина параллельных каналов каждого из теплоносителей, а, следовательно, одинаковые гидравлические сопротивления и расходы этих каналов.
Необходимыми условиями применимости предлагаемого изобретения являются:
1. Температура теплоносителей должна находиться в пределах допустимого диапазона для материала теплообменника.
2. Расчетная длина каналов теплоносителей должна как минимум в 2 раза превышать ширину теплообменной секции. В противном случае, не останется длины для основного участка, т.к. длина каналов на начальном и конечном участке в среднем составляет от коллектора до поворота около 0,8 от ширины секции плюс длина перехода от прямоугольного сечения к ромбовидному. Как правило, уменьшить ширину при заданной длине можно увеличив высоту теплообменной секции, либо разбив ее на несколько параллельно соединенных секций.
Условиями, при которых использование предлагаемого изобретения наиболее эффективно являются:
1. Требуемая разность температур между теплоносителями на входе и выходе мала по сравнению с изменением температуры каждым из них. В этом случае противоточной схеме нет альтернативы.
2. Расчетное сечение каналов первого и второго теплоносителей отличается не более чем на порядок. В противном случае контакт по всем четырем граням ромбовидного канала не столь эффективен.
3. Располагаемый перепад давления на каналах обоих теплоносителей мал по сравнению с изменением температуры каждого из них. В противном случае целесообразны конструктивные меры по турбулизации потока, не предусмотренные в данной конструкции.
Изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлено трехмерное изображение теплообменника с разрезом, на фиг. 2 сечение основного участка теплообменника с ромбовидным сечением каналов одного из теплоносителей и продольными ребрами в каналах второго теплоносителя, на фиг. 3 сечение основного участка теплообменника с восьмиугольным сечением каналов одного из теплоносителей, а на фиг. 4 сечение основного участка теплообменника с восьмиугольным сечением каналов одного из теплоносителей и продольными ребрами в каналах второго теплоносителя.
Теплообменник состоит из подводящих 1 и отводящих коллекторов 2 с патрубками и теплообменной секции 3. Теплообменная секция состоит из основного 4 и двух концевых участков 5. На основном участке каналы двух теплоносителей расположены в шахматном порядке. Каналы одного из теплоносителей, расположенные вдоль оси теплообменника, имеют прямоугольное сечение на концевых участках 6 и ромбовидное или восьмигранное на основном 7. Прямоугольные каналы второго теплоносителя 8 на концевых участках выполнены под углом к оси теплообменной секции и сопряжены с расположенными вдоль той же оси каналами основного участка 9. Сечение каналов второго теплоносителя в зоне сопряжения 10 выполнено изменяющимся от прямоугольного сечения концевого участка к ромбовидному сечению основного участка. Сопряжение каналов обоих теплоносителей осуществляется за счет переходной поверхности без существенного изменения проходного сечения.
В частности, в каналах второго теплоносителя на основном участке выполнены продольные ребра 11 на каждой грани.
Первый теплоноситель подается через патрубок 12 в коллектор 1, проходит по каналам 6 и 7 теплообменной секции 3, собирается в коллектор 2 и отводится в патрубок 13. Второй теплоноситель подается через патрубок 14 в коллектор 1, проходит по каналам 9 и 8 теплообменной секции 3, собирается в коллектор 2 и отводится в патрубок 15. Теплообмен осуществляется на основном участке 4 между каналами 7 и 9, а на концевых участках 5 между каналами 6 и 8 через разделительную стенку.
Пережатие проходного сечения каналов у прототипа в районе с вспомогательной разделяющей перегородки в два раза приводит к увеличению скоростного напора, пропорционально которому определяются местные гидравлические потери, в четыре раза. Устранение этого пережатия и изменения площади проходного сечения на концевых участках может привести к общему уменьшению гидравлического сопротивления до двух раз по сравнению с прототипом.
Отличия в суммарной длине каналов у прототипа может привести к изменению в них расхода ~5%. Причем рядом с каналами меньшего расхода одного теплоносителя находятся каналы с большим расходом другого теплоносителя. Выравнивание длины каналов в предлагаемой конструкции приводит к выравниванию расходов и подогревов, что приводит к улучшению теплообмена.
Продольное оребрение обеспечивает уменьшение длины до 50%. При этом масса уменьшается до 40%, а гидравлическое сопротивление может даже возрасти.
Claims (2)
1. Противоточный теплообменник, состоящий из подводящих и отводящих коллекторов с патрубками и теплообменной секции, состоящей из основного и двух концевых участков, при этом каналы двух теплоносителей на основном участке расположены в шахматном порядке, отличающийся тем, что каналы одного из теплоносителей, расположенные вдоль оси теплообменника, имеют прямоугольное сечение на концевых участках и ромбовидное или восьмигранное на основном, а прямоугольные каналы второго теплоносителя на концевых участках выполнены под углом к оси теплообменной секции и сопряжены с расположенными вдоль той же оси каналами основного участка, а их сечение в зоне сопряжения выполнено изменяющимся от прямоугольного сечения концевого участка к ромбовидному сечению основного участка.
2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в каналах второго теплоносителя на основном участке выполнены продольные ребра на каждой грани.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135622A RU2673305C1 (ru) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Противоточный теплообменник |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135622A RU2673305C1 (ru) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Противоточный теплообменник |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2673305C1 true RU2673305C1 (ru) | 2018-11-23 |
Family
ID=64556528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017135622A RU2673305C1 (ru) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Противоточный теплообменник |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2673305C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2701971C1 (ru) * | 2019-05-22 | 2019-10-02 | Александр Витальевич Барон | Теплообменный аппарат |
RU2748296C1 (ru) * | 2020-08-18 | 2021-05-21 | Александр Витальевич Барон | Теплообменный аппарат |
WO2021127440A1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Johnson Controls Technology Company | Heat exchanger built with additive manufacturing |
RU2755759C1 (ru) * | 2021-02-26 | 2021-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Рекуперативный теплообменник и способ его работы |
RU2806417C1 (ru) * | 2023-05-17 | 2023-10-31 | Владислав Юрьевич Климов | Теплообменник |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099663C1 (ru) * | 1996-10-17 | 1997-12-20 | Опытное конструкторское бюро машиностроения Минатом | Теплообменник |
RU2179692C2 (ru) * | 1996-02-01 | 2002-02-20 | Нортсерн Рисетч энд Инжиниринг Корпорейшн | Конструкция элемента теплообменника с пластинчатыми ребрами |
WO2011074963A2 (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-23 | Mircea Dinulescu | Plate type heat exchanger and method of manufacturing heat exchanger plate |
RU2011146428A (ru) * | 2011-11-16 | 2013-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Керамические микродвигатели" | Матричный рекуперативный воздухоподогреватель газотурбинной установки |
RU2535187C1 (ru) * | 2013-06-03 | 2014-12-10 | Константин Владимирович Белев | Пластинчатый теплообменник с шахматным расположением каналов |
-
2017
- 2017-10-05 RU RU2017135622A patent/RU2673305C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2179692C2 (ru) * | 1996-02-01 | 2002-02-20 | Нортсерн Рисетч энд Инжиниринг Корпорейшн | Конструкция элемента теплообменника с пластинчатыми ребрами |
RU2099663C1 (ru) * | 1996-10-17 | 1997-12-20 | Опытное конструкторское бюро машиностроения Минатом | Теплообменник |
WO2011074963A2 (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-23 | Mircea Dinulescu | Plate type heat exchanger and method of manufacturing heat exchanger plate |
RU2011146428A (ru) * | 2011-11-16 | 2013-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Керамические микродвигатели" | Матричный рекуперативный воздухоподогреватель газотурбинной установки |
RU2535187C1 (ru) * | 2013-06-03 | 2014-12-10 | Константин Владимирович Белев | Пластинчатый теплообменник с шахматным расположением каналов |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2701971C1 (ru) * | 2019-05-22 | 2019-10-02 | Александр Витальевич Барон | Теплообменный аппарат |
WO2021127440A1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Johnson Controls Technology Company | Heat exchanger built with additive manufacturing |
RU2748296C1 (ru) * | 2020-08-18 | 2021-05-21 | Александр Витальевич Барон | Теплообменный аппарат |
RU2755759C1 (ru) * | 2021-02-26 | 2021-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Рекуперативный теплообменник и способ его работы |
RU2806417C1 (ru) * | 2023-05-17 | 2023-10-31 | Владислав Юрьевич Климов | Теплообменник |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2673305C1 (ru) | Противоточный теплообменник | |
US20230288143A1 (en) | Heat exchanger channels | |
US7334631B2 (en) | Heat exchanger | |
CN107255425A (zh) | 一种换热板、加工方法及换热器 | |
CN107144158B (zh) | 一种超临界二氧化碳和水换热的紧凑式换热器 | |
US20170198976A1 (en) | Heat exchangers | |
CN106839832A (zh) | 一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器 | |
US10619936B2 (en) | High pressure counterflow heat exchanger | |
CN108007244B (zh) | 一种螺旋推流通道板式换热器 | |
CN103017579A (zh) | 一种通道内流体折返流动的板翅式换热器 | |
CN204301586U (zh) | 多孔波纹翅片型板翅换热器 | |
CN103913019A (zh) | 一种用于制冷系统的高性能微通道换热器 | |
CN210036360U (zh) | 用于板翅式换热器的分配器 | |
CN105157455A (zh) | 一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法 | |
CN104534904A (zh) | 锯齿形百叶窗翅片型板翅换热器 | |
CN104390499A (zh) | 锯齿形多孔波纹翅片型板翅换热器 | |
CN204963623U (zh) | 一种可变通流面积的逆流板翅式换热器 | |
CN109661552A (zh) | 用于带热泵的设备的热交换单元,特别是用于制造和储存冰的蒸发器 | |
CN105258401A (zh) | 一种热交换器以及安装有该热交换器的热泵型空调系统 | |
CN104390508A (zh) | 多孔波纹翅片型板翅换热器 | |
CN206540444U (zh) | 一种用于超临界流体热力循环中的变流道换热器 | |
CN114623720B (zh) | 一种印刷电路板换热板片结构、换热器及换热方法 | |
CN104390506A (zh) | 锯齿形多孔型板翅换热器 | |
CN204286172U (zh) | 锯齿形多孔波纹翅片型板翅换热器 | |
CN201748831U (zh) | 孔板复叠式换热装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210309 Effective date: 20210309 |