RU2078295C1 - Bank for plate heat exchanger - Google Patents

Abstract

FIELD: power mechanical engineering. SUBSTANCE: bank has corrugated plates provided with openings and turbulizing projections that are in contact with the tops of the corrugations having separating plates to define passageways for fluid. The corrugated plates are made of a cellular material of high porosity. The porosity of the material is 84-96% and the diameter of a cell is 1/5 mm. EFFECT: improved design. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов, преимущественно к пакетам компактных пластинчатых теплообменников, и может быть использовано в энергетическом машиностроении, химической промышленности. The invention relates to the field of heat exchangers, mainly to packages of compact plate heat exchangers, and can be used in power engineering, chemical industry.

Для компактных пластинчатых теплообменников характерно большое геометрическое разнообразие внутренних поверхностей составляющих их пакетов, однако при этом многообразии эти поверхности должны обладать высоким отношением площади теплоотдачи к единице объема и иметь по возможности низкое гидравлическое сопротивление. Compact plate heat exchangers are characterized by a large geometric variety of the inner surfaces of the packages that make them, however, with this variety, these surfaces must have a high ratio of heat transfer area to unit volume and have as low a hydraulic resistance as possible.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий плоские листы с размещенными между ними гофрированными вставками, образующими каналы, в которых установлены поперечные перегородки с прорезями, снабженные турбулизаторами, размещенными по длине канала с постоянным шагом (А.с. СССР N 661229; кл. F 28 F 3/02, 1979, БИ N 17). A package of a plate heat exchanger is known, containing flat sheets with corrugated inserts placed between them, forming channels, in which transverse partitions with slots are installed, equipped with turbulators placed along the channel length with a constant step (A.S. USSR N 661229; class F 28 F 3/02, 1979, BI N 17).

Недостатком указанного пакета является его невысокая интенсивность теплообмена. The disadvantage of this package is its low heat transfer rate.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины, установленные в контакте по вершинам гофр с образованием каналов для рабочих сред, причем одна часть пластин имеет на боковых сторонах гофр ряды отверстий, расположенных на смежных сторонах со смещением, а другая - турбулизирующие выступы, и пластины с выступами сгруппированы в секции, разделенные пластинами, имеющими отверстия (А.с. СССР N 1322068, кл. F 28 F 3/02, 1987, БИ N 25). Недостатком пакета является его невысокая технологичность, значительное гидравлическое сопротивление и невысокая интенсивность теплообмена. A known plate heat exchanger package containing corrugated plates installed in contact along the corrugation tops with the formation of channels for working media, one part of the plates having rows of openings on the sides of the corrugations located on adjacent sides, and the other having turbulent protrusions and plates with protrusions are grouped into sections separated by plates having openings (A.S. USSR N 1322068, class F 28 F 3/02, 1987, BI N 25). The disadvantage of the package is its low manufacturability, significant hydraulic resistance and low heat transfer intensity.

Цель изобретения интенсификация теплообмена, повышение компактности и снижение гидравлического сопротивления и расширение технологических возможностей. The purpose of the invention is the intensification of heat transfer, increasing compactness and reducing hydraulic resistance and expanding technological capabilities.

Заявляемый пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины, снабженные отверстиями и турбулизирующими выступами и установленные в контакте по вершинам гофр, отличается тем, что гофрированные пластины выполнены из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), например из меди с диаметром пор d_п 1 5 мм и пористостью П 84 96%
ВПЯМ представляет из себя трехмерный сетчато-ячеистый каркас, составленный из плотноупакованных многогранных ячеек с проницаемыми гранями (фиг. 1). Ребра граней в виде трехгранных микростержней имеют длину ≈ 0,4 0,5 d_п, которая не зависит от пористости ВПЯМ; пористость ВПЯМ пористость ВПЯМ определяет размеры поперечного сечения ребра для каждого диаметра пор. Диаметр пор ВПЯМ определяется типом используемой при его получении проницаемой полимерной подложки, например пенополиуретана. Технология получения ВПЯМ с матрицей из меди основана на осаждении меди из раствора ее солей химическим или электрохимическим восстановлением с последующим удалением полимера при спекании. Пористость наиболее существенно сказывается на теплофизических и механических свойствах ВПЯМ и слабо влияет на величину его деталей поверхности и коэффициент проницаемости, определяющий гидравлические свойства ВПЯМ. Последние две характеристики определяются главным образом диаметром пор ВПЯМ. В таблице приведены характеристики ВПЯМ из меди. Выбор диаметра пор ВПЯМ гофрированных пластин в заявляемой конструкции обусловлен необходимостью обеспечения с одной стороны высокой удельной поверхности каркаса, с другой низкого гидравлического сопротивления при значительных расходах теплоносителя, что будет способствовать более интенсивному обмену теплом между теплоносителем и высокоразвитой сетчато-ячеистой поверхностью гофрированной пластины.The inventive plate heat exchanger package containing corrugated plates equipped with holes and turbulent protrusions and installed in contact along the corrugation tops, is characterized in that the corrugated plates are made of highly porous permeable cellular material (HPMP), for example, copper with a pore diameter d _{p of} 1 5 mm and porosity P 84 96%
HPLC is a three-dimensional mesh-cellular frame made up of close-packed polyhedral cells with permeable faces (Fig. 1). The edges of the faces in the form of trihedral micro rods have a length of ≈ 0.4 0.5 d _p , which does not depend on the porosity of the HPMP; VPNM porosity VPNM porosity determines the cross-sectional dimensions of the rib for each pore diameter. The VPYAM pore diameter is determined by the type of permeable polymer substrate used, for example, polyurethane foam. The technology for producing HPLM with a matrix of copper is based on the deposition of copper from a solution of its salts by chemical or electrochemical reduction, followed by removal of the polymer during sintering. Porosity most significantly affects the thermophysical and mechanical properties of HPMP and weakly affects the magnitude of its surface details and the permeability coefficient, which determines the hydraulic properties of HPMP. The last two characteristics are determined mainly by the pore diameter of the HPMP. The table shows the characteristics of HPMP from copper. The choice of the pore diameter of the HPLM of the corrugated plates in the claimed design is due to the need to provide, on the one hand, a high specific surface of the frame and, on the other hand, low hydraulic resistance at significant coolant flow rates, which will contribute to a more intense heat exchange between the coolant and the highly developed mesh-cellular surface of the corrugated plate.

Использование ВПЯМ с диаметром пор менее 1 мм неприемлемо по двум причинам во-первых, это уменьшает проницаемость ВПЯМ настолько, что теплоноситель начинает течь преимущественно по каналам, практически не проникая в пористые гофрированные пластины, и тем самым уменьшается интенсивность теплообмена из-за частичного исключения из него кондуктивного переноса тепла по каркасу ВПЯМ; во-вторых, ребра становятся достаточно малого размера, чтобы эффективно выполнять роль турбулизаторов потока теплоносителя, протекающего по каналам. Применение ВПЯМ с диаметром пор более 5 мм нецелесообразно, поскольку при этом уменьшается удельная поверхность каркаса, что приводит к снижению локального коэффициента теплоотдачи, а также из-за значительных технологических проблем получения исходной полимерной подложки для изготовления ВПЯМ. The use of HPLC with a pore diameter of less than 1 mm is unacceptable for two reasons, firstly, it reduces the permeability of HPLC so that the coolant begins to flow mainly through the channels, practically not penetrating into the porous corrugated plates, and thereby the heat transfer rate decreases due to partial exclusion from conductive heat transfer along the HPLC framework; secondly, the ribs become small enough to effectively act as turbulators of the coolant flow flowing through the channels. The use of VPNM with a pore diameter of more than 5 mm is impractical, since the specific surface of the skeleton is reduced, which leads to a decrease in the local heat transfer coefficient, and also due to significant technological problems in obtaining the initial polymer substrate for the manufacture of VPNM.

Выбор пористости ВПЯМ гофрированной пластины обусловлен необходимостью обеспечения высокого уровня прочности коэффициента теплопроводности, а также проницаемости. The choice of the porosity of the HPLM of the corrugated plate is due to the need to ensure a high level of strength of the coefficient of thermal conductivity, as well as permeability.

Использование ВПЯМ с пористостью более 96% нецелесообразно, т.к. при этом сетчато-ячеистый каркас обладает низким уровнем механических свойств и неудовлетворительной несущей способностью, а также низкой теплопроводностью, что ухудшает кондуктивный перенос тепла по каркасу. Применение гофрированных пластин из ВПЯМ с пористостью менее 84% нерационально как из-за значительных материальных затрат при его изготовлении в процессе металлизации, так и с точки зрения одной из наиболее важных его характеристик проницаемости, которая уменьшается настолько, что приводит к перераспределению потоков теплоносителя, движущихся по каналам и по гофрированным пластинам в сторону первых и соответственно к снижению интенсивности теплообмена. The use of HPLC with a porosity of more than 96% is impractical because while the mesh-cellular frame has a low level of mechanical properties and poor bearing capacity, as well as low thermal conductivity, which affects the conductive heat transfer along the frame. The use of corrugated HPLC plates with a porosity of less than 84% is irrational both because of the significant material costs in its manufacture in the metallization process, and from the point of view of one of its most important permeability characteristics, which decreases so much that leads to the redistribution of heat carrier flows moving along the channels and along the corrugated plates towards the first and, accordingly, to a decrease in the heat transfer intensity.

Диаметр пор и пористость ВПЯМ гофрированных пластин выбираются, исходя из необходимости обеспечения оптимального соотношения между теплообменными характеристиками заявляемого пакета пластинчатого теплообменника, трудоемкостью и себестоимостью его изготовления. The pore diameter and the porosity of the HPLM of the corrugated plates are selected based on the need to ensure the optimal ratio between the heat transfer characteristics of the inventive package of the plate heat exchanger, the complexity and cost of its manufacture.

На фиг. 2 схематично изображен предложенный пакет пластинчатого теплообменника с гофрированной пластиной из ВПЯМ. In FIG. 2 schematically shows the proposed package plate heat exchanger with a corrugated plate made of HPLM.

Пакет содержит разделительные пластины 1, между которыми помещена гофрированная пластина 2 из ВПЯМ. Пакет уплотнен с помощью проставок 3, размещенных между пластинами. Между гофрированными и разделительными пластинами образуются каналы 4. Пакет работает следующим образом. При протекании теплоносителя между пластинами 1 последний движется как вдоль каналов 4, так и через проницаемую сетчато-ячеистую гофрированную пластину 2. Ребра ВПЯМ выполняют функцию турбулизаторов: теплоноситель, обтекая ребра, образует за ними трехмерные отрывные течения, приводящие к возникновению поперечных циркуляций, что заставляет теплоноситель перетекать сквозь поры из гофрированной пластины в каналы и обратно. Учитывая статистическую распределенность расположения ребер в гофре без какого-либо преимущественного направления, перестроение профиля скоростей потока теплоносителя происходит постоянно. Постоянное перераспределение потока сопровождается его активным перемешиванием с одновременным взаимодействием с высокоразвитой поверхностью гофра, что приводит к достижению наибольшей интенсивности теплообмена в турбулентном режиме течения теплоносителя. При работе пакета кондуктивный перенос тепла к пластинам 1 осуществляется не только по объему теплоносителя, но и по сетчато-ячеистой гофрированной пластине из ВПЯМ, которая по своим вершинам контактирует с пластинами 1. The package contains dividing plates 1, between which a corrugated plate 2 of HPLM is placed. The package is sealed with spacers 3 placed between the plates. Between the corrugated and dividing plates are formed channels 4. The package works as follows. When the coolant flows between the plates 1, the latter moves both along the channels 4 and through the permeable mesh-cellular corrugated plate 2. The HPM ribs function as turbulators: the coolant flowing around the ribs forms three-dimensional separated flows behind them, which lead to the appearance of transverse circulations, which causes the coolant flows through the pores from the corrugated plate into the channels and back. Given the statistical distribution of the location of the ribs in the corrugation without any predominant direction, the rebuilding of the profile of the flow rates of the coolant occurs constantly. The constant redistribution of the flow is accompanied by its active mixing with simultaneous interaction with the highly developed surface of the corrugation, which leads to the achievement of the highest intensity of heat transfer in the turbulent mode of flow of the coolant. During the operation of the package, the conductive heat transfer to the plates 1 is carried out not only in terms of the coolant volume, but also along the mesh-cellular corrugated HPLM plate, which in its vertices is in contact with the plates 1.

Пример конкретной реализации предлагаемого технического решения. An example of a specific implementation of the proposed technical solution.

Изготовлен перекрестноточный теплообменник размером 140х140х140х мм, состоящий из 14 пакетов, показанных на фиг. 2, которые последовательно установлены друг на друге таким образом, чтобы оси каналов в соседних пакетах были перпендикулярны. В качестве материала разделительных пластин, проставок и гофрированных пластин из ВПЯМ использована медь. Гофрированные пластины толщиной 4 мм с высотой и шагом гофров соответственно 9,7 и 8 мм изготовлены из ВПЯМ с пористостью 92% и диаметром ячейки 4 мм и соединены с разделительными пластинами (толщиной 0,25 мм) методом совместной химической металлизации с последующим спеканием. Проставки установлены и закреплены пайкой твердым припоем ПМ-17. A cross-flow heat exchanger with a size of 140x140x140x mm was manufactured, consisting of 14 packages, shown in FIG. 2, which are sequentially mounted on each other so that the axis of the channels in adjacent packets are perpendicular. Copper was used as the material for the separation plates, spacers and corrugated plates made of HPMP. Corrugated plates 4 mm thick with a height and a step of corrugations of 9.7 and 8 mm, respectively, are made of VPNM with a porosity of 92% and a cell diameter of 4 mm and connected to separation plates (0.25 mm thick) by the method of joint chemical metallization followed by sintering. Spacers are installed and fixed by soldering with PM-17 brazing alloy.

Проведены теплогидравлические исследования теплообменника на экспериментальном стенде при продувке горячим и холодным воздухом. Thermohydraulic studies of the heat exchanger on an experimental bench were carried out during purging with hot and cold air.

В ходе проведения экспериментов параметры потоков воздуха изменялись в следующих диапазонах:
для охлаждаемого (нагретого) воздуха: расход 4,7 11 г/с, давление на входе 0,2 МПа, температура на входе 373 и 423 К.During the experiments, the parameters of the air flow varied in the following ranges:
for cooled (heated) air: flow rate 4.7 11 g / s, inlet pressure 0.2 MPa, inlet temperature 373 and 423 K.

для охлаждающего (холодного) воздуха: расход 70 г/с, давление на входе 0,1 МПа, температура на входе 290,1 294,9 К. for cooling (cold) air: flow rate 70 g / s, inlet pressure 0.1 MPa, inlet temperature 290.1 294.9 K.

Гидравлическое сопротивление в магистрали охлаждаемого воздуха теплообменника составило 250 270 Па, а в магистрали охлаждающего воздуха 1960 2200 Па. The hydraulic resistance in the cooled air line of the heat exchanger was 250,270 Pa, and in the cooling air line 1960 2,200 Pa.

В зависимости от расхода нагретого воздуха (4,7 11,1 г/с) и его температуры на входе 373 и 423 K удалось достичь тепловых потоков соответственно 365 944 Вт и 609 1425 Вт, при этом воздух охладился до температур 294,3 296,9 K и 295,4 297,2 K, т.е. на 76,1 78,7 и 125,8 - 127,6 градусов. Depending on the flow rate of heated air (4.7 11.1 g / s) and its inlet temperature of 373 and 423 K, heat fluxes of 365 944 W and 609 1425 W were achieved, respectively, while the air cooled to temperatures of 294.3 296, 9 K and 295.4 297.2 K, i.e. 76.1 78.7 and 125.8 - 127.6 degrees.

Проведенные теплогидравлические исследования теплообменника показали, что применение ВПЯМ позволяет создавать высокоэффективные и компактные теплообменные аппараты. Conducted thermohydraulic studies of the heat exchanger showed that the use of HPLM allows the creation of highly efficient and compact heat exchangers.

Claims (1)

Пакет пластинчатого теплообменника, содержащий гофрированные пластины с отверстиями и турбулизирующими выступами, установленные в контакте по вершинам гофр с разделительными пластинами с образованием каналов для рабочих сред, отличающийся тем, что гофрированные пластины выполнены из высокопористого проницаемого ячеистого материала с пористостью 84 96% и диаметром ячейки 1 5 мм. A plate heat exchanger package containing corrugated plates with holes and turbulent protrusions installed in contact along the corrugation tops with dividing plates to form channels for working media, characterized in that the corrugated plates are made of highly porous permeable cellular material with 84 96% porosity and cell diameter 1 5 mm.

Images