RU2701971C1

RU2701971C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2701971C1
Application number: RU2019115713A
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Барон
Original assignee: Александр Витальевич Барон
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2019-10-02

Abstract

FIELD: heat exchange.

SUBSTANCE: heat exchanger made using additive technologies (3D printing) comprises heat transfer unit consisting of main and two end sections. Heat-transfer unit is formed longitudinally oriented, having common walls on all their length channels, located on the main section in staggered order for each of heat-exchange media. At the outlet of the end sections of the heat-transferring unit, the channels have a shape which can be inscribed into a non-equilateral rectangle and turned at the same angle to form rows between which the partition wall protrudes above the end surfaces of the heat-transfer unit.

EFFECT: baffle divides the rows of channels of different heat exchange media into channels opening into supply and discharge headers with heat exchange media supply and discharge branch pipes.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к рекуперативным теплообменным аппаратам.The invention relates to the field of heat engineering, in particular to regenerative heat exchangers.

Известен теплообменный аппарат, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок с каналами для теплообменивающихся сред, состоящий из основного и двух концевых участков. На основном участке теплопередающего блока продольно ориентированные каналы имеют общие стенки и расположены в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред (патент RU №2673305).Known heat exchanger containing inlet and outlet collectors with nozzles for supplying and discharging heat-exchanging media and a heat transfer unit with channels for heat-exchanging media, consisting of a main and two end sections. In the main section of the heat transfer unit, longitudinally oriented channels have common walls and are staggered for each of the heat-exchanging media (patent RU No. 2673305).

Основным недостатком известного устройства является наличие относительно протяженных (не менее 0,8 от ширины блока) концевых участков теплопередающего блока, в которых каналы расположены не в шахматном порядке, причем движение сред на части концевых участков осуществляется по не смежным каналам, а схема движение сред отличается от противотока, что ведет к снижению тепловой эффективности теплообменного аппарата.The main disadvantage of the known device is the presence of relatively long (at least 0.8 from the width of the block) end sections of the heat transfer unit, in which the channels are not staggered, and the movement of the media on the part of the end sections is carried out on non-adjacent channels, and the medium movement scheme differs from counterflow, which leads to a decrease in the thermal efficiency of the heat exchanger.

Кроме того, для обеспечения на основном участке теплопередающего блока шахматного порядка расположения каналов двух сред необходимо изменять форму проходного сечения каналов с прямоугольной на концевых участках на ромбовидную или восьмигранную на основном участке, что усложняет изготовление теплопередающего блока.In addition, in order to ensure that the channels of two media are staggered in the main section of the heat transfer unit, it is necessary to change the shape of the passage section of the channels from rectangular at the end sections to diamond-shaped or octagonal in the main section, which complicates the manufacture of the heat transfer unit.

Выполнение на концевых участках теплопередающего блока каналов одной из сред под углом к оси теплопередающего блока повышает сопротивление теплопередающего блока и осложняет механическую чистку каналов.Performing at the end sections of the heat transfer block of the channels of one of the media at an angle to the axis of the heat transfer block increases the resistance of the heat transfer block and complicates the mechanical cleaning of the channels.

Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред, теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными, имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков (патент RU №2687549 опубликован 14.05.19 Бюл. №14).Known heat exchanger, selected as a prototype, containing inlet and outlet collectors with pipes for supplying and discharging heat exchanging media, a heat transfer unit consisting of a main formed by longitudinally oriented, having common walls channels arranged in a checkerboard pattern for each of the heat exchanging media, and two end sections (patent RU No. 2687549 published 05/14/19 Bull. No. 14).

В данном техническом решении для обеспечения на основном участке теплопередающего блока шахматного порядка расположения каналов двух сред не надо изменять форму проходного сечения каналов, что упрощает изготовление теплопередающего блока. Каналы на основном участке теплопередающего блока могут быть выполнены любой формы, при этом их шахматное расположение сохраняется.In this technical solution, in order to ensure the staggered arrangement of the channels of two media on the main section of the heat transfer unit, it is not necessary to change the shape of the passage section of the channels, which simplifies the manufacture of the heat transfer unit. The channels on the main section of the heat transfer unit can be made of any shape, while their checkerboard layout is maintained.

В данном техническом решении в теплопередающем блоке отсутствуют концевые участки с каналами, расположенными под углом к продольной оси блока, а каналы на всем своем протяжении выполнены прямолинейными, что позволяет упростить изготовление теплопередающего блока, уменьшить его сопротивление и упростить механическую чистку каналов с одного из их концов.In this technical solution, there are no end sections in the heat transfer unit with channels located at an angle to the longitudinal axis of the unit, and the channels along their entire length are made linear, which simplifies the manufacture of the heat transfer unit, reduces its resistance and simplifies the mechanical cleaning of the channels from one of their ends .

Однако, и в данном устройстве теплопередающий блок имеет относительно протяженные концевые участки, на которых имеет место не противоток сред, как на основном участке, а перекрестный ток. Это снижает среднелогарифмический температурный напор на этих участках и ведет к снижению тепловой эффективности теплообменного аппарата.However, in this device, the heat transfer unit has relatively long end sections, in which there is not a countercurrent of media, as in the main section, but a cross current. This reduces the average logarithmic temperature head in these areas and leads to a decrease in the thermal efficiency of the heat exchanger.

В данном устройстве концевые участки образованы путем продолжения некоторых каналов за пределы основного участка, что создает опасность обрыва стенок этих каналов в тех местах, где упомянутые каналы продолжаются за пределы основного участка, что снижает надежность такого теплообменного аппаратаIn this device, the end sections are formed by the continuation of some channels outside the main section, which creates a risk of breakage of the walls of these channels in those places where the said channels extend beyond the main section, which reduces the reliability of such a heat exchanger

Кроме того, из-за наличия с обеих сторон основного участка концевых участков, образованных каналами только одной среды, отсутствует возможность очистки с обеих сторон всех каналов, что снижает показатели ремонтопригодности аппарата.In addition, due to the presence on both sides of the main section of the end sections formed by the channels of only one medium, it is not possible to clean all the channels on both sides, which reduces the maintainability of the apparatus.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности теплообменного аппарата за счет исключения перекрестного тока на концевых участках теплопередающего блока, повышение надежности аппарата за счет исключения возможности обрыва стенок некоторых каналов и повышение показателей ремонтопригодности аппарата благодаря обеспечению возможности очистки с обеих сторон каналов.The objective of the proposed technical solution is to increase the thermal efficiency of the heat exchanger by eliminating the cross current at the end sections of the heat transfer unit, increasing the reliability of the device by eliminating the possibility of breaking the walls of some channels and increasing the maintainability of the device due to the possibility of cleaning on both sides of the channels.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем подводящие и отводящие коллектора с патрубками подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными, имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред, и двух концевых участков, все каналы имеют общие стенки на всей своей длине. На выходе концевых участков каналы имеют форму, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол, образуя ряды, между которыми выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока перегородка, разделяющая ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллектора.The problem is solved in that in a heat exchanger containing inlet and outlet collectors with nozzles for supplying and discharging heat-exchanging media and a heat transfer unit consisting of a main channel formed by longitudinally oriented, having common walls, staggered for each of the heat-exchanging media, and two end sections, all channels have common walls along their entire length. At the exit of the end sections, the channels have a shape that can be inscribed in a non-equilateral rectangle and are rotated at the same angle, forming rows between which protrudes above the end surfaces of the heat transfer unit by a partition separating the rows of channels of different heat-exchanging media into ducts that open into the supply and exhaust manifolds .

Выполнение всех каналов с общими стенками на всей их длине, включая основной и оба концевых участка, позволяет исключить перекрестный ток на концевых участках и обеспечить на этих участках противоток, что повышает эффективность работы теплообменного аппарата, обеспечивает возможность очистки каналов с обеих их сторон, что повышает показатели ремонтопригодности аппарата, а также исключает возможность обрыва стенок некоторых каналов, что повышает надежность аппарата.The execution of all channels with common walls along their entire length, including the main and both end sections, eliminates the cross current at the end sections and provides countercurrent flow at these sections, which increases the efficiency of the heat exchanger, provides the ability to clean the channels from both sides, which increases maintainability indicators of the device, and also eliminates the possibility of breaking the walls of some channels, which increases the reliability of the device.

Выполнение на торцевых поверхностях теплопередающего блока концов каналов в форме, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, и поворот их на одинаковый угол, обеспечивают формирование рядов концов каналов для каждой из теплообменивающихся сред с перемычками между этими рядами без существенного увеличения площади поперечного сечения блока на торцевых поверхностях по сравнению с площадью поперечного сечения блока на основном участке. Достигается это благодаря тому, что за счет увеличения линейного размера одной стороны прямоугольника и пропорционального уменьшения другой его стороны создается возможность уменьшить ширину ряда каналов каждой среды. Если бы концам каналов не была придана форма, вписываемая в неравносторонний прямоугольник (концы каналов имели бы, например, форму квадрата), и они не были бы развернуты, то на торцевых поверхностях теплопередающего блока тоже можно было бы сформировать ряды концов каналов для каждой из теплообменивающихся сред, но чтобы сохранить неизменным площадь сечения каналов на всей длине теплопередающего блока, каналы пришлось бы искривить для обеспечения необходимой ширины перемычки между рядами каналов каждой среды, а площадь торцевой поверхности при этом увеличилась бы.The execution on the end surfaces of the heat-transferring block of the channel ends in a form that can be inscribed in a non-equilateral rectangle, and their rotation at the same angle, provide the formation of rows of channel ends for each of the heat-exchanging media with jumpers between these rows without significantly increasing the cross-sectional area of the block on the end surfaces compared with the cross-sectional area of the block in the main area. This is achieved due to the fact that by increasing the linear size of one side of the rectangle and proportionally reducing the other side, it is possible to reduce the width of a number of channels of each medium. If the ends of the channels were not given a shape inscribed in a non-equilateral rectangle (the ends of the channels would have, for example, a square shape) and they were not deployed, then on the end surfaces of the heat transfer unit, it would also be possible to form rows of ends of the channels for each of the heat exchanging media, but in order to maintain unchanged the cross-sectional area of the channels along the entire length of the heat transfer unit, the channels would have to be bent to provide the necessary jumper width between the rows of channels of each medium, and the end area on top spine thus be increased.

В предлагаемом техническом решении обеспечивается не только возможность сохранения неизменной площади каналов на всем их протяжении, но и имеется возможность как сохранить неизменной форму каналов, так и, при необходимости, обеспечить разную форму каналов на основном и концевых участках.The proposed technical solution provides not only the ability to maintain a constant area of the channels along their entire length, but it is also possible to keep the shape of the channels unchanged, and, if necessary, provide a different shape of the channels at the main and end sections.

Выполнение перегородки, выступающей над торцевыми поверхностями теплопередающего блока, позволяет разделить между собой ряды концов каналов различных теплообменивающихся сред и сформировать раздельные для каждой из теплообменивающихся сред протоки.The implementation of the partition, protruding above the end surfaces of the heat transfer unit, allows you to divide among themselves the rows of the ends of the channels of different heat-exchanging media and to form separate ducts for each of the heat-exchanging media.

Наличие протоков, объединяющих ряды концов каналов каждой из сред, позволяет вывести теплообменивающиеся среды в соответствующие каждой среде коллектора.The presence of ducts uniting the rows of the ends of the channels of each of the media makes it possible to remove the heat-exchanging media in the respective collector media.

Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).The claimed technical solution can be implemented, for example, using additive technologies (3D printing).

На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат. Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, сформированный продольно ориентированными имеющими общие стенки каналами, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред. Поз. 2 и 3 - концевые участки теплопередающего блока, на торцевых поверхностях которых каналы имеют форму, вписываемую в неравносторонний прямоугольник, и повернуты на одинаковый угол. Поз. 4 подводящий (или отводящий), а поз. 5 отводящий (или подводящий) коллектора для разных теплообменивающихся сред. Поз. 6 - патрубок подвода (или отвода) первой среды, поз. 7 патрубок отвода (или подвода) второй среды. Поз. 8 патрубок отвода (или подвода) первой среды, поз. 9 патрубок подвода (или отвода) второй среды. Поз. 10 перегородка, которая выступает над торцевыми поверхностями теплопередающего блока и разделяет ряды каналов разных теплообменивающихся сред на протоки, открывающиеся в подводящие и отводящие коллектора поз. 4 и поз. 5. Поз. 11 - каналы первой среды, поз 12 - каналы второй среды. Поз 13 - крышка теплообменного аппарата, с другой стороны аппарата крышка условно не показана.Figure 1 presents the inventive heat exchanger. Pos. 1 - the main section of the heat transfer unit formed by longitudinally oriented having common walls channels located in a checkerboard pattern for each of the heat-exchanging media. Pos. 2 and 3 - end sections of the heat transfer unit, on the end surfaces of which the channels have a shape that fits into a non-equilateral rectangle and are rotated at the same angle. Pos. 4 inlet (or outlet), and pos. 5 outlet (or inlet) collector for different heat exchanging media. Pos. 6 - pipe supply (or outlet) of the first medium, pos. 7 pipe branch (or supply) of the second medium. Pos. 8 pipe branch (or supply) of the first medium, pos. 9 pipe inlet (or outlet) of the second medium. Pos. 10 a partition that protrudes above the end surfaces of the heat transfer unit and divides the rows of channels of different heat-exchanging media into ducts that open in the inlet and outlet collectors pos. 4 and pos. 5. Pos. 11 - channels of the first medium, pos. 12 - channels of the second medium. Pos 13 - the cover of the heat exchanger, on the other side of the device the cover is conventionally not shown.

На рисунке 2 представлено поперечное сечение основного участка теплопередающего блока в случае, когда каналы поз. 11 и 12 на всем протяжении теплопередающего блока сохраняют свою форму.Figure 2 shows the cross section of the main section of the heat transfer unit in the case when the channels pos. 11 and 12 throughout the heat transfer unit retain their shape.

На рисунке 3 представлено поперечное сечение основного участка теплопередающего блока в случае, когда каналы поз.11 и 12 на протяжении основного участка теплопередающего блока имеют форму, отличную от формы, вписываемой в неравносторонний прямоугольник (например, квадратную).Figure 3 shows the cross section of the main section of the heat transfer unit in the case when the channels pos.11 and 12 throughout the main section of the heat transfer unit have a shape different from the shape that fits into a non-equilateral rectangle (for example, square).

На рисунке 4 представлен фрагмент концевого участка теплопередающего блока. Нижняя плоскость представляет собой сечение перехода основной части в концевую часть, а верхняя плоскость представляет собой торцевую поверхность концевой части. Рис. 4 дает возможность увидеть, как на протяжении концевой части происходит поворот сечений каналов на заданный угол, благодаря чему, при сохранении шахматного расположения каналов обеих сред на основной части, выходные сечения каналов каждой из сред на торцевой поверхности концевой части располагаются линейно в ряд и потому могут быть собраны в протоки, разделенные перегородкой, возвышающейся над перемычками, располагающимися между линейными рядами каналов.Figure 4 shows a fragment of the end portion of the heat transfer unit. The lower plane represents the cross-section of the transition of the main part to the end part, and the upper plane represents the end surface of the end part. Fig. 4 makes it possible to see how, over the end part, the cross-sections of the channels are rotated by a given angle, due to which, while maintaining the staggered arrangement of the channels of both media on the main part, the output sections of the channels of each of the media on the end surface of the end part are linearly in a row and therefore be collected in ducts, separated by a septum towering above the bridges located between the linear rows of channels.

Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.The inventive heat exchanger operates as follows.

Первая среда через патрубок 6 подается в коллектор 4, где распределяется по сборным протокам первой среды, в которые открываются концевые участки каналов 11. При этом сборные протоки первой среды отделены от таких же протоков для второй среды перегородкой 10. Пройдя концевой участок 3 теплопередающего блока, первая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока и попадает в концевой участок 2 теплопередающего блока, где каналы поворачиваются на одинаковый угол и, при необходимости, меняют свою форму на такую, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, образуя ряды, открывающиеся в коллектор, из которого удаляется из аппарата через патрубок 8.The first medium is supplied through the pipe 6 to the collector 4, where it is distributed along the collecting ducts of the first medium, into which the end sections of the channels 11 are opened. In this case, the collecting ducts of the first medium are separated from the same ducts for the second medium by a partition 10. After passing the end section 3 of the heat transfer unit, the first medium passes through the channels of the main section 1 of the heat transfer unit and enters the end section 2 of the heat transfer unit, where the channels rotate at the same angle and, if necessary, change their shape to one that can It can be inscribed in a non-equilateral rectangle, forming rows opening into the collector, from which it is removed from the apparatus through pipe 8.

Вторая среда через патрубок 9 подается в коллектор, распределяется по своим сборным протокам, в которые открываются концевые участки каналов 12, проходит концевой участок 2 теплопередающего блока, поступает в основной участок 1 теплопередающего блока, пройдя который попадает в концевой участок 3 теплопередающего блока, где каналы 12 поворачиваются на одинаковый угол и, при необходимости, меняют свою форму на такую, которая может быть вписана в неравносторонний прямоугольник, образуя на торцевой поверхности концевого участка 3 ряды, открывающиеся в коллектор 5, из которого удаляется из аппарата через патрубок 7. При этом ряды каналов 12 второй среды отделены от рядов каналов 11 первой среды выступающей над торцевой поверхностью теплопередающего блока перегородкой 10.The second medium is supplied through the pipe 9 to the collector, distributed along its collection ducts into which the end sections of the channels 12 open, the end section 2 of the heat transfer unit passes, enters the main section 1 of the heat transfer block, passing through which enters the end section 3 of the heat transfer block, where the channels 12 are rotated at the same angle and, if necessary, change their shape to one that can be inscribed in a non-equilateral rectangle, forming 3 rows on the end surface of the end section, open flowing into the collector 5, from which it is removed from the apparatus through the pipe 7. In this case, the rows of channels 12 of the second medium are separated from the rows of channels 11 of the first medium by a partition 10 protruding above the end surface of the heat transfer unit.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность теплообменного аппарата, что ведет к уменьшению его веса и габаритов, а также повышает показатели ремонтопригодности и надежности аппарата.Using the proposed technical solution allows to increase the efficiency of the heat exchanger, which leads to a decrease in its weight and dimensions, and also increases the maintainability and reliability of the device.

Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками за счет идентичности каналов обеих сред, а также обеспечения чистого противотока на всем протяжении каналов.The use of the inventive apparatus creates the most favorable conditions for the heat transfer of media with similar thermophysical characteristics due to the identity of the channels of both media, as well as providing a clean countercurrent throughout the channels.

Claims

A heat exchanger containing inlet and outlet collectors with inlets for supplying and discharging heat exchanging media, a heat transfer unit consisting of a main channel formed by longitudinally oriented, having common walls, staggered for each of the heat exchanging media, and two end sections, characterized in that all channels have common walls along their entire length, and at the output of the end sections, the channels have a shape that can be inscribed in a non-equilateral rectangle, and returned to the same angle, forming rows between which protrudes above the end surfaces of the heat transfer unit by a partition dividing the rows of channels of different heat-exchanging media into ducts that open into the inlet and outlet collectors.