RU2142107C1 - Heat exchanger - Google Patents

Abstract

FIELD: heat exchange equipment, applicable in production of heat exchangers of atmospheric air liquefiers of hydrogen-burning engines, aircraft, and ground gas-turbine sets, in cryogenics. SUBSTANCE: the heat exchanger uses sections with inlet and outlet connections, tubular heat exchange elements, whose ends are installed in the bottoms placed in manifolds; through ducts are made in the bottoms between the ends of the heat exchange elements. The heat exchanger bottom has the shape of a hexahedron, that is a component of a cellular matrix, which ensures the most tight packing. Use is made of tubular heat-exchange elements with screw ducts made on the outer surface at a slope of 45 deg. to the axis, which form equidistant protrusions on the tube inner surface. The inlet and outlet connections are located perpendicularly to the longitudinal axis of the tubular heat exchange elements; they have the shape of a wing in cross-section, which at a passage of flow of working medium (for example, air) allows them to participate in creation of lift. The inlet and outlet connections have a ribbed surface, which facilitates intensification of heat exchange and provides for strength characteristics. EFFECT: reduced mass of heat exchanger with provision of flow-counterflow principle at wide variation of power. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменной технике, а именно к теплообменникам. The invention relates to heat transfer technology, namely to heat exchangers.

В настоящее время одной из основных проблем при создании теплообменников является улучшение его массовых характеристик. Currently, one of the main problems in creating heat exchangers is to improve its mass characteristics.

Известен блочный теплообменник с индивидуальным подводом одного теплоносителя и общим поперечным подводом другого теплоносителя, содержащий две цилиндрические пластины, расположенные параллельно друг другу, в которых выполнено заданное количество сквозных отверстий, внутрь которых введены теплообменные трубы, принадлежащие теплообменным ячейкам. Головки установлены по окружности боковых участков пластин и закрывают эти участки. Под давлением, направленным к центру от боковой стороны головок по боковым участкам пластин, происходит формирование единой конструкции, состоящей из труб пластин и головок. При этом по сторонам труб проходит камера горячего дутья. Процесс теплообмена осуществляется между средой в камере и вторичным носителем тепла (заявка Японии N 54-13010, МКИ F 28 D 7/00, B 21 D 53/2 - прототип). Known block heat exchanger with an individual supply of one coolant and a common transverse supply of another coolant, containing two cylindrical plates located parallel to each other, in which a given number of through holes are made, into which heat-exchange tubes belonging to the heat-exchange cells are inserted. The heads are installed around the circumference of the side sections of the plates and cover these sections. Under pressure directed to the center from the lateral side of the heads along the lateral sections of the plates, a single structure is formed consisting of pipes of plates and heads. At the same time, a hot blast chamber passes along the sides of the pipes. The heat transfer process is carried out between the medium in the chamber and the secondary heat carrier (Japanese application N 54-13010, MKI F 28 D 7/00, B 21 D 53/2 - prototype).

Данный теплообменник не обеспечивает равномерного теплообмена и плотного расположения теплообменных элементов по всему сечению теплообменника, а также движения компонентов, участвующих в теплообмене по схеме "ток - противоток", которая является наиболее эффективной при ограничении возможных потерь давления в тракте. Это приводит к снижению эффективности теплообмена и обеспечивает сравнительно низкие массовые характеристики. This heat exchanger does not provide uniform heat transfer and a dense arrangement of heat exchanger elements over the entire cross section of the heat exchanger, as well as the movement of components involved in heat transfer according to the "current-counterflow" scheme, which is most effective in limiting possible pressure losses in the path. This leads to a decrease in the efficiency of heat transfer and provides a relatively low mass characteristics.

Целью настоящего изобретения является снижение массы теплообменника с возможностью обеспечения схемы "ток - противоток" при широком варьировании мощностей. The aim of the present invention is to reduce the mass of the heat exchanger with the possibility of providing a current-countercurrent circuit with a wide variation of capacities.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном теплообменнике, выполненном в виде секции, содержащей подводящий и отводящий патрубки, трубчатые теплообменные элементы, концы которых установлены в днищах, помещенных в коллекторы, в днищах между концами теплообменных элементов выполнены сквозные каналы с гидравлическими характеристиками, близкими к характеристикам основного рабочего трубчатого участка, днище теплообменника имеет форму шестигранника, который является составной частью сотовой матрицы, обеспечивающей наиболее плотную упаковку, подводящий и отводящий патрубки, расположенные перпендикулярно к продольной оси трубчатых теплообменных элементов, имеют в поперечном сечении форму крыла, что позволяет при прохождении потока рабочего тела (например, воздуха) патрубкам участвовать в создании подъемной силы. This goal is achieved by the fact that in the proposed heat exchanger, made in the form of a section containing inlet and outlet pipes, tubular heat-exchange elements, the ends of which are installed in the bottoms placed in the collectors, in the bottoms between the ends of the heat-exchange elements there are through channels with hydraulic characteristics close to the characteristics of the main working tubular section, the bottom of the heat exchanger has the shape of a hexagon, which is an integral part of the honeycomb matrix, providing the most otnuyu packing, inlet and outlet pipes arranged perpendicularly to the longitudinal axis of tubular heat exchange elements have a cross-sectional shape of the wing, which allows the passage of the working fluid flow (e.g., air) nozzles participate in creating lift.

Для максимального использования всей поверхности теплообменника в процессе теплопередачи подводящий и отводящий патрубки имеют развитую (оребренную) поверхность, что способствует интенсификации теплообмена и обеспечивает им улучшенные прочностные характеристики. To maximize the use of the entire surface of the heat exchanger in the process of heat transfer, the inlet and outlet pipes have a developed (finned) surface, which contributes to the intensification of heat transfer and provides them with improved strength characteristics.

На наружной поверхности трубчатых теплообменных элементов выполнены винтовые каналы под углом наклона ≤ 45^o к оси, которые образуют на внутренней поверхности трубки эквидистантные выступы, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена не только на поверхности, но и внутри теплообменных элементов. Следует отметить, что при увеличении угла наклона винтовых каналов > 45^o растет гидравлическое сопротивление потока, что приведет к "запиранию" теплообменных каналов, при уменьшении угла наклона до 0^o интенсивность теплообмена в каналах снижается в 1,5 - 2 раза.On the outer surface of the tubular heat-exchange elements, helical channels are made at an angle of inclination ≤ 45 ^° to the axis, which form equidistant protrusions on the inner surface of the tube, which makes it possible to intensify the heat transfer process not only on the surface, but also inside the heat-exchange elements. It should be noted that with an increase in the angle of inclination of the screw channels> 45 ^o , the hydraulic resistance of the flow increases, which will lead to a "blocking" of the heat exchange channels, with a decrease in the angle of inclination to 0 ^o , the heat transfer intensity in the channels decreases by 1.5 - 2 times.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом и другими известными техническими решениями в данной области техники показало, что данная совокупность признаков в предложенном сочетании применена впервые и ранее не использовалась. Comparison of the proposed technical solution with the prototype and other known technical solutions in the art showed that this combination of features in the proposed combination was applied for the first time and has not been used before.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the proposed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Предложенный теплообменник представлен на:
фиг. 1 - продольный разрез теплообменника,
фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1,
фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2,
фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2,
фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 1,
фиг. 6 - элемент Д на фиг. 1,
фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 6,
фиг. 8 - вид Ж , где
1 - трубчатые теплообменные элементы,
2 - подводящее днище,
3 - отводящее днище,
4 - сквозные каналы в днище,
5 - внутренние коллекторы днищ,
6 - подводящий патрубок,
7 - отводящий патрубок,
8 - ребра,
9 - лучевые каналы,
10 - подводящие каналы.The proposed heat exchanger is presented on:
FIG. 1 is a longitudinal section through a heat exchanger,
FIG. 2 is a section AA in FIG. 1,
FIG. 3 - section BB in FIG. 2
FIG. 4 is a section BB of FIG. 2
FIG. 5 is a section GG in FIG. 1,
FIG. 6 - element D in FIG. 1,
FIG. 7 is a section EE in FIG. 6
FIG. 8 - view W, where
1 - tubular heat exchange elements,
2 - inlet bottom
3 - outlet bottom,
4 - through channels in the bottom,
5 - internal collectors of the bottoms,
6 - inlet pipe
7 - outlet pipe,
8 - ribs
9 - beam channels,
10 - supply channels.

Предложенный теплообменник содержит трубчатые теплообменные элементы - 1, которые соединяются с днищами, подводящим 2 и отводящим 3, имеющими форму шестигранника, в которых выполнены сквозные каналы 4 с гидравлическими характеристиками, близкими к основному рабочему трубчатому участку сборки, внутренние коллекторы днищ 5 являются промежуточным соединением между патрубками для подвода 6 и отвода 7 рабочих тел и трубчатыми теплообменными элементами 1. Патрубки 6, 7 расположены перпендикулярно к трубчатым элементам 1 и имеют ребра 8, причем поток рабочего тела из подводящих патрубков распределяются по трем лучевым каналам 9, подводящим каналам 10 и далее в теплообменные элементы 1. The proposed heat exchanger contains tubular heat exchange elements - 1, which are connected to the bottoms, inlet 2 and outlet 3, having a hexagon shape, in which through channels 4 are made with hydraulic characteristics close to the main working tubular section of the assembly, the internal collectors of the bottoms 5 are an intermediate connection between nozzles for supplying 6 and outlet 7 of the working fluid and tubular heat exchange elements 1. The nozzles 6, 7 are perpendicular to the tubular elements 1 and have ribs 8, and sweat approx. the working fluid from the inlet pipes is distributed along three radial channels 9, inlet channels 10 and further into the heat exchange elements 1.

Предложенный теплообменник работает следующим образом. The proposed heat exchanger operates as follows.

I рабочее тело (например, хладагент) подводится к днищу 2 по подводящему патрубку 6, распределяется по внутреннему коллектору днища 5, который обеспечивает подвод рабочего тела непосредственно к трубчатым теплообменным элементам 1. Пройдя через трубчатые теплообменные элементы 1, отводящее днище 3 и внутренний коллектор днища 5, I рабочее тело попадает в отводящий патрубок 7. Винтовая закрутка трубок 1 способствует турбулизации потока, что интенсифицирует теплообмен. I the working fluid (for example, refrigerant) is supplied to the bottom 2 through the inlet pipe 6, distributed along the internal collector of the bottom 5, which provides the supply of the working fluid directly to the tubular heat exchange elements 1. Passing through the tubular heat exchange elements 1, the outlet bottom 3 and the internal collector of the bottom 5, I, the working fluid enters the outlet pipe 7. The screw twist of the tubes 1 promotes turbulence in the flow, which intensifies heat transfer.

Набегающий поток II рабочего тела (например, воздуха) обтекает отводящий патрубок 7, далее через сквозные каналы 4 в отводящем днище 3 поступает на основной теплообменный участок, омывая трубки 1, проходит через сквозные каналы 4 подводящих днищ 2 и, обтекая подводящий патрубок 6, поступает на выход. The incoming flow II of the working fluid (for example, air) flows around the outlet pipe 7, then through the through channels 4 in the outlet bottom 3 it enters the main heat exchange section, washing the tubes 1, passes through the through channels 4 of the inlet bottoms 2 and flows around the inlet pipe 6 to the exit.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано при создании теплообменников ожижителей атмосферного воздуха двигателей ЖВРД, авиационных и наземных газотурбинных установок, криогенной техники. Most effectively, the present invention can be used to create heat exchangers for atmospheric air liquefiers of liquid-propellant rocket engines, aircraft and ground gas turbine units, and cryogenic equipment.

Claims (6)

1. Теплообменник, выполненный в виде секции, содержащий подводящий и отводящий патрубки, трубчатые теплообменные элементы, концы которых установлены в днищах, помещенных в коллекторы, отличающийся тем, что в днищах между концами трубчатых теплообменных элементов выполнены сквозные каналы. 1. A heat exchanger made in the form of a section containing inlet and outlet pipes, tubular heat exchange elements, the ends of which are installed in the bottoms placed in the collectors, characterized in that through channels are made in the bottoms between the ends of the tubular heat exchange elements. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что днище теплообменника выполнено в виде шестигранника. 2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the bottom of the heat exchanger is made in the form of a hexagon. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности трубчатых теплообменных элементов выполнены винтовые каналы под углом наклона ≤ 45^o, образующие на внутренней поверхности трубчатых теплообменных элементов эквидистантные выступы.3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that on the outer surface of the tubular heat exchange elements helical channels are made at an angle of inclination ≤ 45 ^° , forming equidistant protrusions on the inner surface of the tubular heat exchange elements. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что подводящий и отводящий патрубки расположены перпендикулярно продольным осям трубчатых теплообменных элементов. 4. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet pipes are perpendicular to the longitudinal axes of the tubular heat exchange elements. 5. Теплообменник по пп.1 и 4, отличающийся тем, что подводящий и отводящий патрубки имеют в поперечном сечении форму крыла. 5. The heat exchanger according to claims 1 and 4, characterized in that the inlet and outlet pipes have a wing shape in cross section. 6. Теплообменник по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что на поверхности подводящего и отводящего патрубков выполнены ребра. 6. The heat exchanger according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the ribs are made on the surface of the inlet and outlet pipes.

Images