ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов, преимущественно - к газо-газовым пластинчатым теплообменникам, и может быть использовано для рекуперации тепла вторичных энергоресурсов в технологических установках и энергетическом оборудовании на промышленных предприятиях и в гражданском строительстве в системах приточно-вытяжной вентиляции.

Известен пластинчато-ребристый теплообменник, содержащий элементы, деталями которых являются две гладкие пластины, между которыми расположен гофрированный лист (Барановский И.В., Коваленко Л.М., Ястребеницкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973, с. 228, рис.133-134, 137). Поставленные один на другой такие элементы образуют пакет теплообменника с каналами для прохождения рабочих сред. После сборки необходимого количества элементов в пакет производится припайка гофров к гладкой пластине в местах касания пластин. Необходимая поверхность теплообмена компонуется путем последовательного или параллельного соединения отдельных пакетов.

Недостатком указанного теплообменника является то, что при принятой схеме коммутации и разводки потоков, требуется очень высокое качество контакта деталей элементов, достигаемое применением пайки, что, в свою очередь, требует наличия сложного технологического оборудования - печей с защитной атмосферой из инертных газов или соляных ванн. Отсюда, другим недостатком являются сложность и высокая трудоемкость изготовления, связанные с необходимостью обеспечения высокой точности формообразования гофрированных листов с учетом необходимости операции шлифовки для соединения с гладкими листами пайкой.

Известны также теплообменный элемент и пластинчатый теплообменник, по совокупности признаков принятые за прототип (Патент RU №2319095 C1. Теплообменный элемент и пластинчатый теплообменник. - МПК⁶ F28D 9/00. Опубл. 10.03.2008, Бюл. №7).

Данный теплообменник, благодаря принятой схеме коммутации потоков теплоносителей, в некоторой степени лишен недостатков описанного выше устройства. В нем, в частности, не является определяющим условие качества контакта плоского и гладкого листов в теплообменном элементе. Однако сохранение операции пайки, использованной здесь главным образом для обеспечения жесткости конструкции, определяет и присущие ему недостатки, связанные с необходимостью наличия сложного технологического оснащения при высоких трудозатратах.

Теплообменный элемент содержит соединенные между собой с помощью пайки плоский проставочный и профильный листы с образованием между ними каналов для рабочих сред, при этом каналы для подвода и отвода рабочих сред выполнены прямолинейными, а рабочий теплопередающий участок каждого канала представляет собой зигзагообразную последовательность коротких каналов, ориентированных друг к другу под углом 90°, с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника, а каналы для подвода и отвода рабочих сред выполнены в поперечном сечении прямоугольными с площадью поперечного сечения, равной площади поперечного сечения короткого теплопередающего канала, в результате чего имеют высоту, равную половине высоты этого канала.

Недостатком данного теплообменного элемента является неспособность его реализации в полной степени без учета ряда условий. Так, с уменьшением толщины и механических характеристик материала, например в случае использования для изготовления профильного и проставочного листов алюминиевой фольги толщиной менее 0,2 мм, при пайке существенно возрастают трудности производственного характера, обусловленные, в частности, малой жесткостью соединяемых деталей и относительно низкими технологическими показателями данного материала.

Недостатком принятого за прототип теплообменника, содержащего корпус с размещенными в нем теплообменными элементами, теплоизоляцию, присоединительные фланцы и заглушки, является сложность конструкции и повышенная материалоемкость корпуса, ввиду того, что теплообменные элементы, собранные в стопу, не образуют замкнутого объема теплообменника, что требует выполнения боковых и верхней стенок теплообменника двойными, имея в виду необходимость наличия в конструкции корпуса герметичных полостей для размещения теплоизоляции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в реализации изделия, отвечающего современным требованиям энергосбережения, а также технологичности его изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в пластинчатом теплообменнике теплообменный элемент выполнен содержащим профильный и гладкий проставочный листы, имеющие с боковых сторон борта равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном и прямолинейном участках. Высота борта профильного листа превышает высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке, предпочтительно, не менее чем на 5 мм, но не более чем в два раза. Борта профильного и проставочного листов имеют наклон от вертикали наружу на один и тот же угол α=arcsin S/Δ, где S - толщина материала профильного листа; Δ - превышение высоты борта над высотой поперечного сечения канала на его зигзагообразном рабочем участке. Ширина основания профильного листа равна расстоянию между бортами проставочного листа в месте их контакта. Профильный и проставочный листы, предпочтительно, изготовлены из алюминиевой фольги. Профильный и проставочный листы могут быть изготовлены из медной фольги. Профильный и проставочный листы жестко соединены между собой на участках контакта их бортов, предпочтительно, с помощью металлических скоб. Профильный и проставочный листы могут быть жестко соединены между собой на участках контакта их бортов с помощью термостойкого клея. На концах прямолинейных участков каналов профильного листа выполнены клапаны с возможностью их отгиба за счет надрезов материала листа, выполненных в кромке свода канала вплотную к его вертикальным стенкам. Положение лапок проставочного листа выбрано таким, что концевые кромки горизонтальных участков лапок располагаются в одной плоскости с линией отгиба клапанов на прямолинейных участках каналов профильного листа. Содержит элементы крепления профильного листа к проставочному листу по концам каналов для прохождения рабочей среды. Элементы крепления профильного листа к проставочному листу выполнены, предпочтительно, в виде Ω-образных скоб, предпочтительно, из листового металла с лепестковыми клеммами на горизонтальных участках скобы. На сводах каналов, на участках подвода и отвода рабочей среды, имеются,установленные под углом к торцовой кромке листа направляющие элементы потока.

А сам пластинчатый теплообменник, содержащий множество теплообменных элементов, корпус, теплоизоляцию, присоединительные фланцы и заглушки, содержит блок теплообменных элементов с герметичными боковыми стенками, образованный последовательным вложением одного в другой теплообменных элементов по пп.1-14 с жестким соединением их между собой, например, с помощью металлических скоб на участках контакта их бортов, а по концам каналов - за счет отгибания и наложения клапанов каналов профильного листа на опорную лапку проставочного листа смежного с ним теплообменного элемента. Имеется замыкающий теплообменный элемент-крышка. Стенки корпуса выполнены однослойными и снабжены изнутри подкрепляющими профилями, а сам корпус снаружи снабжен поясами жесткости из профильного материала.

Соединение теплообменных элементов между собой на участках контакта их бортов может быть выполнено в процессе сборки теплообменных элементов в единый блок одновременно с соединением предварительно не связанных между собой их профильного и проставочного листов с помощью одних и тех же металлических скоб.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении интенсификации процесса теплообмена путем снижения термического сопротивления за счет уменьшения толщины материала компонентов теплообменных элементов, а также в повышении технологичности сборки и снижении удельной металлоемкости.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

на фиг.1 общий вид теплообменного элемента в изометрическом изображении;

на фиг.2 - вид А по фиг.1;

На фиг.3 - вид Б по фиг.2;

на фиг.4 - поперечный разрез В-В по фиг.2;

на фиг.5 - общий вид пластинчатого теплообменника, вид сбоку;

на фиг.6 - вид Г по фиг.5;

на фиг.7 - местный продольный разрез Д-Д по фиг.6;

на фиг.8 - местный разрез Е-Е по фиг.4.

Теплообменный элемент 1 для пластинчатого противоточного теплообменника 2 содержит профильный лист 3 и жестко связанный с ним гладкий проставочный лист 4 с образованием каналов для прохождения рабочей среды, имеющих треугольное поперечное сечение на зигзагообразных рабочих участках L и прямоугольное сечение меньшей высоты на концевых прямолинейных участках k для подвода и отвода рабочей среды. Профильный и проставочный листы имеют с боковых сторон борта 5 и 6 равной высоты, превышающей высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке L, с двумя диагонально расположенными по концам бортов щелевидными окнами 7 для подвода и отвода рабочей среды, а снизу проставочного листа 4 с обоих концов по всей его ширине имеются отогнутые наружу опорные лапки 8, высотой, равной разности высот канала на его рабочем зигзагообразном L и прямолинейном k участках. Высота борта профильного листа 3 превышает высоту поперечного сечения канала на его рабочем участке L, предпочтительно, не менее чем на 5 мм, но не более чем в два раза. Борта профильного 3 и проставочного 4 листов имеют наклон от вертикали наружу на один и тот же угол

α=arcsinS/Δ,

где

S - толщина материала профильного листа;

Δ - превышение высоты борта над высотой поперечного сечения канала на его зигзагообразном рабочем участке.

Ширина основания профильного листа 3 равна расстоянию между бортами 6 проставочного листа 4 в месте контакта листов. Профильный и проставочный листы изготовлены, предпочтительно, из алюминиевой или медной фольги. Профильный и проставочный листы 3 и 4 жестко соединены между собой на участках контакта их бортов металлическими скобами 9. Профильный и проставочный листы могут быть жестко соединены между собой на участках контакта их бортов также с помощью термостойкого клея. На концах прямолинейных участков k каналов профильного листа 3 выполнены клапаны 10 с возможностью их отгиба за счет надрезов k, выполненных в кромке свода канала вплотную к его вертикальным стенкам. Положение опорных лапок 8 проставочного листа 4 выбрано таким, что концевые кромки горизонтальных участков лапок 8 располагаются в одной плоскости с линией отгиба клапанов 10. По концам каналов для прохождения рабочей среды установлены элементы крепления профильного листа 3 к проставочному листу 4 в виде Ω-образных скоб 11 из листового металла с лепестковыми клеммами на горизонтальных участках скобы. На сводах каналов, на участках подвода и отвода рабочей среды, имеются установленные под углом к торцовой кромке листа направляющие элементы потока 12.

А сам пластинчатый теплообменник 2 содержит множество теплообменных элементов 1, корпус 13, теплоизолирующий материал 14, присоединительные фланцы 15, 16 и заглушки 17. Теплообменные элементы 1 вложены один в другой с жестким соединением между собой: на участках контакта их бортов с помощью металлических скоб 9, а по концам каналов - за счет отгибания и наложения клапанов 10 каналов профильного листа 3 каждого теплообменного элемента на опорную лапку 8 проставочного листа, смежного с ним очередного теплообменного элемента, с образованием таким образом теплообменного блока 18 с герметичными несущими боковыми стенками. Теплообменник 2 содержит также замыкающий теплообменный элемент-крышку 19, в роли которой выступает проставочный лист 4. Контакт компонентов теплообменного блока осуществлен через слой термопасты (на чертеже не показана). Стенки корпуса 13 выполнены однослойными и снабжены изнутри подкрепляющими профилями 20, а на самом корпусе 13 снаружи установлены пояса жесткости 21 из профильного материала.

Сборка теплообменного блока может осуществляться двумя способами.

В первом случае предварительно соединяют между собой вложенные один в другой профильный 3 и проставочный 4 листы с получением единичного теплообменного элемента 1. Выполнение бортов листов с наклоном облегчает сборку и позволяет при вложении одного элемента в другой до их контакта по гребням зигзагообразного профиля получить контакт и по площади бортов. Прочностные и технологические характеристики материала позволяют скрепление листов 3 и 4 между собой по бортам 5 и 6 производить, например, металлическими канцелярскими скобками 9 с помощью степлера. Далее на вертикальные стенки концевых участков смежных каналов, устанавливают Ω-образные скобы 11. При этом клапаны 10 в своде канала предварительно отгибают вверх, по линии, определенной глубиной надрезов l. Скобы 11 устанавливают таким образом, чтобы концевая кромка проставочного листа 4 располагалась между предварительно раздвинутыми клеммами на горизонтальных участках скобы. После этого стенки скобы и клеммы смыкают известным инструментом, фиксируя скобу 11 на полученном теплообменном элементе. Собранные таким образом попарно профильный и проставочный листы с образованием единичных теплообменных элементов 1 собирают в стопу вложением элементов один в другой, последовательно соединяя их между собой. Соединение бортов производят упомянутыми выше скобками 9 внахлест за счет выполненного превышения высоты бортов листов над высотой рельефа профильного листа на его рабочем зигзагообразном участке. Соединение элементов по концам каналов производят отгибанием и наложением клапанов 10 каналов профильного листа 3 каждого теплообменного элемента на опорную лапку 8 проставочного листа смежного с ним очередного теплообменного элемента. В первом канале каждого элемента со стороны окна устанавливают заглушку 17, а на сводах каналов на участке k под углом к торцовой кромке листа устанавливают направляющие элементы потока 12 с креплением их к бортам элемента скобками 9. Так, опорные лапки 8 и заглушки 17 образуют торцовые стенки теплообменника. Таким образом, на участках подвода и отвода рабочей среды между профильными и проставочными листами теплообменных элементов формируются изолированные друг от друга полости со щелевидным окном в каждой. Последним укладывают и скрепляют с предыдущим замыкающий теплообменный элемент-крышку 19. В результате получают единый существенно жесткий теплообменный блок 18 с герметичными несущими стенками. Это позволяет разместить маты теплоизолирующего материала 14 непосредственно на поверхности блока, что, в свою очередь, дает возможность выполнить корпус 13 однослойным, существенно упростив тем самым его конструкцию и снизив массу теплообменника.

Во втором варианте сборки компоновка теплообменного блока производится без предварительного соединения между собой гладкого проставочного и профильного листов 3 и 4. Сначала последовательным вложением один в другой собирают пакет из четырех листов с установкой направляющих элементов потока 12, после чего соединяют их описанным выше образом с обеспечением контакта между компонентами по трем участкам: на рабочем теплопередающем участке - по гребням канала треугольного профиля; по всей длине элемента - по левому и правому бортам 5 и 6 и по плоским площадкам между крайними каналами и бортами; на участке подвода и отвода рабочей среды - по стенкам прямолинейных каналов и по горизонтальному участку лапки 8 профильного листа 4. Далее укладывают следующие проставочный и профильный листы и в местах перехлеста бортов одновременно соединяют их между собой и с предыдущей парой листов. В последнюю очередь на полученную стопу накладывают и соединяют с остальными замыкающий теплообменный элемент-крышку 19.

Работа пластинчатого теплообменника, содержащего блок теплообменных элементов, осуществляется следующим образом.

Горячий воздух подается в пластинчатый теплообменник через присоединительный фланец 15, а холодный - через фланец 16, чем обеспечивается противоток рабочих газовых сред. Поток поступающего горячего воздуха через торцовый фланец 15 сразу попадает под своды прямолинейных каналов на участке k и далее - в зигзагообразные каналы рабочего участка L теплообменных элементов. Поток относительно холодного воздуха через боковой фланец 16 и щелевидные окна в боковых стенках единичных теплообменных элементов блока поступает в полости между их листами на участке k и с помощью направляющих элементов 12 вводится в зигзагообразные впадины между каналами с горячим воздухом. Таким образом, осуществляется теплообмен между потоками. Короткие каналы, стыкующиеся под углом 90°, создают искусственную турбулизацию потока, чем в сочетании с малой толщиной стенок каналов за счет предлагаемого технического решения интенсифицируется теплообмен.