RU2535187C1 - Plate heat exchanger with staggered arrangement of channels - Google Patents

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat exchanger is manufactured using the technology of three-dimensional printing, at that it has characteristic parts, in which the channels are distributed throughout the volume of the heat exchanger, the part of redirection of the channels of hot and cold coolants, in which conversion of the arrangement of channels of hot and cold coolants is carried out relative to each other to staggered arrangement using the auxiliary dividing partition, and a part of intensive heat exchange with the channels of hot and cold coolants located in staggered arrangement, when the channel walls of each of the coolants are in contact with the walls of the channels of another coolant throughout the cross-section of the channels.

EFFECT: absence of assembly operations, increase in the surface area of heat exchanging and efficiency of heat exchanging.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при производстве теплообменных аппаратов для бытовых и производственных целей (как пример вентиляция, рекуперация тепла, кондиционирование, утилизация тепла, коммунальная сфера, отопление зданий и сооружений, охлаждение различных машин и механизмов, двигателей, системы охлаждения и обогрева).The invention relates to the field of heat engineering and can be used in the manufacture of heat exchangers for domestic and industrial purposes (as an example, ventilation, heat recovery, air conditioning, heat recovery, utilities, heating of buildings and structures, cooling of various machines and engines, engines, cooling systems and heating).

Задача изобретения - создать эффективные теплообменники, не требующие трудоемких сборочных операций при производстве.The objective of the invention is to create efficient heat exchangers that do not require laborious assembly operations in production.

Из текущего уровня техники известны матричные теплообменники, которые изготавливаются методом соединения перфорированных пластин так, чтобы отверстия в пластинах при соединении образовывали каналы сложной формы, по которым течет теплоноситель. Недостатком таких теплообменников является высокая сложность изготовления (так как требуется изготовление большого количества деталей, далее их сборка), а также высокая материалоемкость и стоимость материалов, что приводит к высокой стоимости таких теплообменников, что экономически нецелесообразно.Matrix heat exchangers are known from the state of the art, which are made by joining perforated plates so that the holes in the plates, when connected, form channels of complex shape through which the coolant flows. The disadvantage of such heat exchangers is the high complexity of manufacturing (since it requires the manufacture of a large number of parts, then their assembly), as well as the high material consumption and cost of materials, which leads to the high cost of such heat exchangers, which is not economically feasible.

Также из текущего уровня техники известны пластинчатые теплообменники. Они изготовляются из плоских или рельефных пластин определенной формы с целью интенсификации теплообмена. При сборке между пластинами образуются каналы, по которым течет теплоноситель. Недостатком таких теплообменников является большая трудоемкость и стоимость производства, так как необходимо изготовить большое количество деталей и собрать их воедино.Plate heat exchangers are also known in the art. They are made of flat or embossed plates of a certain shape in order to intensify heat transfer. When assembling between the plates, channels are formed through which the coolant flows. The disadvantage of such heat exchangers is the high complexity and cost of production, since it is necessary to manufacture a large number of parts and assemble them together.

Технический результат предлагаемого изобретения - это отсутствие сборочных операций при производстве теплообменника и достижение высокой интенсивности теплообмена за счет увеличения площади поверхностей теплообмена без увеличения размеров теплообменника и без увеличения потерь давления при прокачке теплоносителей.The technical result of the invention is the lack of assembly operations in the production of the heat exchanger and the achievement of a high heat transfer rate by increasing the surface area of the heat transfer without increasing the size of the heat exchanger and without increasing pressure loss during pumping of the coolant.

Поставленная задача решается тем, что теплообменник изготовлен методом трехмерной печати на SD-принтере, имеет участок разведения каналов от патрубков по объему теплообменника, участок перенаправления каналов горячего и холодного теплоносителей, в котором происходит преобразование расположения каналов горячего и холодного теплоносителей относительно друг друга в шахматный порядок с помощью вспомогательной разделяющей перегородки, и участок интенсивного теплообмена с каналами горячего и холодного теплоносителей, расположенными в шахматном порядке, при котором стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению каналов, а стенки каналов горячего теплоносителя контактируют со стенками каналов холодного теплоносителя по всему поперечному сечению каналов.The problem is solved in that the heat exchanger is made by three-dimensional printing on an SD printer, has a channel separation section from the nozzles in the volume of the heat exchanger, a channel for redirecting the hot and cold coolant channels, in which the arrangement of the hot and cold coolant channels relative to each other is staggered with the help of an auxiliary dividing wall, and a section of intense heat exchange with channels of hot and cold coolants located in in an Ahmatic order, in which the walls of the channels of the cold coolant are in contact with the walls of the channels of the hot coolant throughout the cross-section of the channels, and the walls of the channels of the hot coolant are in contact with the walls of the channels of the coolant throughout the cross-section of the channels.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

а) отсутствие сборочных операций достигается за счет производства методом трехмерной печати на 3D-принтерах.a) the lack of assembly operations is achieved through the production of three-dimensional printing on 3D printers.

Используются следующие технологии печати:The following printing technologies are used:

- Моделирование методом наплавления (английское наименование Fused Deposition Modeling, FDM) Данная технология является наиболее перспективной с точки зрения экономической целесообразности.- Deposition Modeling (English name Fused Deposition Modeling, FDM) This technology is the most promising from the point of view of economic feasibility.

- Лазерная стереолитография (английское наименование Laser Stereolithography, SLA)- Laser stereolithography (English name Laser Stereolithography, SLA)

- Селективное лазерное спекание (английское наименование Selective Laser Sintering, SLS)- Selective laser sintering (English name Selective Laser Sintering, SLS)

- Электронно-лучевая плавка (английское наименование Electron Beam Melting, EBM)- Electron beam melting (English name Electron Beam Melting, EBM)

б) высокая компактность и эффективность теплообмена достигается за счет новой схемы взаимного расположения каналов горячего и холодного теплоносителей. Они расположены в шахматном порядке, при этом стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению канала, а стенки каналов горячего теплоносителя контактируют со стенками каналов холодного теплоносителя по всему поперечному сечению канала, благодаря чему достигается более высокая компактность теплообменника по сравнению с классическим пластинчатым теплообменником. Наиболее эффективной формой поперечного сечения канала является квадрат, так как при этом обеспечивается максимальная площадь поверхности теплообмена.b) high compactness and heat exchange efficiency is achieved due to the new scheme of mutual arrangement of channels of hot and cold coolants. They are staggered, with the walls of the channels of the cold coolant in contact with the walls of the channels of the hot coolant over the entire cross-section of the channel, and the walls of the channels of the hot coolant in contact with the walls of the channels of the coolant throughout the cross-section of the channel, thereby achieving a higher compactness of the heat exchanger compared to with classic plate heat exchanger. The most effective form of the cross section of the channel is a square, since this ensures the maximum heat exchange surface area.

Теплообменник может быть создан из пластика, металла или иного материала, пригодного для трехмерной печати. При этом даже если материал печати имеет достаточно низкий коэффициент теплопроводности (как например у пластика), это не сказывается на итоговом коэффициенте теплопередачи, так как современные 3D-принтеры могут создавать стенки толщиной 0.2-0.4 мм. При такой толщине стенки в широком диапазоне скоростей теплоносителей коэффициент теплопередачи самой стенки вносит небольшой вклад в общий коэффициент теплопередачи по сравнению с коэффициентами теплоотдачи между теплоносителем и стенкой.The heat exchanger can be made of plastic, metal or other material suitable for three-dimensional printing. Moreover, even if the printing material has a sufficiently low coefficient of thermal conductivity (such as plastic), this does not affect the final heat transfer coefficient, as modern 3D printers can create walls with a thickness of 0.2-0.4 mm. With such a wall thickness in a wide range of coolant speeds, the heat transfer coefficient of the wall itself makes a small contribution to the overall heat transfer coefficient compared to the heat transfer coefficients between the coolant and the wall.

Описание устройства теплообменника.Description of the heat exchanger device.

Теплообменник можно условно разделить на следующие функциональные участки.The heat exchanger can be divided into the following functional areas.

1. Присоединительные патрубки. К ним подсоединяются подводящие и отводящие каналы теплоносителей. Они могут иметь любую геометрическую форму.1. Connecting branch pipes. The inlet and outlet channels of the coolant are connected to them. They can have any geometric shape.

2. Участок разведения каналов теплоносителей. На этом участке происходит разветвление каналов теплоносителей с целью распределить каналы по всему объему теплообменника.2. Plot breeding channels of coolants. In this area, the channels of the coolant are branched to distribute the channels throughout the volume of the heat exchanger.

3. Участок перенаправления каналов, на котором происходит перенаправление каналов горячего и холодного теплоносителей таким образом, чтобы к концу этого участка каналы с холодным и горячим теплоносителем располагались в шахматном порядке относительно друг друга.3. The channel redirection section where the hot and cold coolant channels are redirected so that by the end of this section the cold and hot coolant channels are staggered relative to each other.

4. Участок интенсивного теплообмена. На этом участке каналы горячего и холодного теплоносителей располагаются в шахматном порядке таким образом, что стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению каналов, а стенки каналов горячего теплоносителя контактируют со стенками каналов холодного теплоносителя по всему поперечному сечению каналов. На этом участке происходит наиболее интенсивный теплообмен, так как в теплообмене участвуют не только верхняя и нижняя грань каждого канала, но еще и две боковые стенки. Таким образом, один и тот же канал при прочих равных условиях (занимаемый объем, гидродинамическое сопротивление) отдает или принимает больше тепловой энергии, чем, к примеру, аналогичный по размерам у классического пластинчатого теплообменника с плоскими пластинами.4. The area of intense heat transfer. In this section, the channels of hot and cold coolant are staggered in such a way that the walls of the channels of the cold coolant are in contact with the walls of the channels of the hot coolant throughout the cross-section of the channels, and the walls of the channels of the hot coolant are in contact with the walls of the coolant channels throughout the entire cross-section of the channels. The most intense heat exchange occurs on this site, since not only the upper and lower faces of each channel, but also two side walls are involved in heat transfer. Thus, the same channel, ceteris paribus (occupied volume, hydrodynamic resistance) gives off or receives more thermal energy than, for example, similar in size to a classic plate heat exchanger with flat plates.

Изобретение сопровождается чертежами, которые не охватывают весь спектр притязаний данного решения, а только являются частными случаями конкретного изготовления теплообменника.The invention is accompanied by drawings, which do not cover the entire spectrum of claims of this solution, but are only special cases of a particular manufacture of a heat exchanger.

На фиг.1 показан общий вид одного из вариантов изготовления теплообменника. По высоте теплообменник состоит из повторяющихся двойных рядов. Каждый двойной ряд состоит из нижнего и верхнего уровней. При этом 1 - входной патрубок горячего теплоносителя, 2 - выходной патрубок горячего теплоносителя, 3 - входной патрубок холодного теплоносителя, 4 - выходной патрубок холодного теплоносителя. Горячий теплоноситель попадает в патрубок 1 с верхнего уровня двойного ряда, а на выходе из теплообменника оказывается на нижнем уровне, а холодный теплоноситель, попадая в патрубок 3 также с верхнего уровня, в процессе прохождения через теплообменник попадает на нижний уровень патрубка 4.Figure 1 shows a General view of one of the options for manufacturing a heat exchanger. The height of the heat exchanger consists of repeating double rows. Each double row consists of lower and upper levels. In this case, 1 is the inlet pipe of the hot fluid, 2 is the outlet pipe of the hot fluid, 3 is the inlet pipe of the cold fluid, 4 is the outlet pipe of the cold fluid. The hot heat carrier enters pipe 1 from the upper level of the double row, and at the outlet of the heat exchanger it is at the lower level, and the cold heat carrier, entering the pipe 3 also from the upper level, enters the lower level of pipe 4 during passage through the heat exchanger.

На фиг.2 показан продольный разрез теплообменника вдоль одного из двойных рядов, демонстрирующий схему расположения каналов внутри одного двойного ряда. В патрубок 6 в нижний уровень поступает холодный теплоноситель (на этом же уровне со стороны патрубка горячего теплоносителя напечатана заглушка 5, так как горячий теплоноситель поступает со второго уровня). Далее с помощью ребер жесткости 7 теплоноситель распределяется по всему объему нижнего уровня. Далее начинается участок, в котором происходит переплетение каналов нижнего и верхнего уровней таким образом, чтобы они расположились относительно друг друга в шахматном порядке. Для этого каждый четный ряд первого и второго уровней делится разделяющей перегородкой на две половины, причем по мере движения теплоносителя одна половина закрыта перегородкой 8, а вторая половина с помощью перегородки 9 плавно перенаправляет холодный теплоноситель на верхний уровень. Таким образом, на выходе из этого участка четные ряды холодного теплоносителя оказываются на верхнем уровне, а нечетные остаются на нижнем уровне. Аналогично происходит и с горячим теплоносителем, но только наоборот, четные каналы горячего теплоносителя с помощью перегородки 8 с верхнего уровня опускаются на нижний уровень.Figure 2 shows a longitudinal section of a heat exchanger along one of the double rows, showing the layout of the channels inside one double row. In the pipe 6, the coolant enters the lower level (at the same level, a plug 5 is printed from the side of the hot coolant pipe, since the hot coolant comes from the second level). Then, using stiffeners 7, the coolant is distributed throughout the entire volume of the lower level. Then begins the section in which the entanglement of the channels of the lower and upper levels takes place so that they are staggered relative to each other. To do this, each even row of the first and second levels is divided by a dividing partition into two halves, moreover, as the coolant moves, one half is closed by a partition 8, and the second half, using the partition 9, smoothly redirects the coolant to the upper level. Thus, at the exit from this section, even rows of cold coolant are at the upper level, and odd rows remain at the lower level. It happens similarly with hot heat carrier, but only on the contrary, even channels of hot heat carrier with the help of partition 8 from the upper level are lowered to the lower level.

Далее имеется участок интенсивного теплообмена 10, вдоль которого каналы горячего и холодного теплоносителей располагаются в шахматном порядке. После того, как этот участок заканчивается, с помощью перегородок 11 и 12 происходит перенаправление нечетных рядов на верхний уровень, в результате чего и в четных, и в нечетных рядах верхнего уровня течет один и тот же холодный теплоноситель, который направляется с помощью ребер жесткости в один выходной патрубок холодного теплоносителя. Горячий теплоноситель при этом оказывается на нижнем уровне и течет через ребра жесткости 13 и патрубок 14. Направление движения теплоносителей в общем случае может быть как противоточным, так и однонаправленным.Next, there is a section of intense heat transfer 10, along which the channels of hot and cold coolants are staggered. After this section ends, using the baffles 11 and 12, the odd rows are redirected to the upper level, as a result of which the same coolant flows in the even and odd rows of the upper level, which is sent using stiffeners to one outlet pipe of cold coolant. In this case, the hot heat carrier turns out to be at the lower level and flows through the stiffening ribs 13 and the nozzle 14. The direction of the heat carrier motion in the general case can be either countercurrent or unidirectional.

Фиг.3 демонстрирует, каким образом происходит перенаправление каналов с нижнего на верхний уровень, и наоборот, с нижнего на верхний. Разделяющая перегородка 15 разделяет каналы горячего и холодного теплоносителей при их течении с одного уровня на другой, а перегородки 16 и 17 направляют теплоноситель на соответствующий необходимый уровень.Figure 3 shows how channels are redirected from the lower to the upper level, and vice versa, from the lower to the upper. The dividing partition 15 separates the channels of hot and cold coolants as they flow from one level to another, and partitions 16 and 17 direct the coolant to the appropriate required level.

Claims (1)

Теплообменник, характеризующийся тем, что изготовлен методом трехмерной печати на 3D-принтере, имеющий участок разведения каналов от патрубков по объему теплообменника, участок перенаправления каналов горячего и холодного теплоносителей, в котором происходит преобразование расположения каналов горячего и холодного теплоносителей относительно друг друга в шахматный порядок с помощью вспомогательной разделяющей перегородки, и участок интенсивного теплообмена с каналами горячего и холодного теплоносителей, расположенными в шахматном порядке, при котором стенки каналов холодного теплоносителя контактируют со стенками каналов горячего теплоносителя по всему поперечному сечению каналов, а стенки каналов горячего теплоносителя контактируют со стенками каналов холодного теплоносителя по всему поперечному сечению каналов.  A heat exchanger, characterized in that it is made by three-dimensional printing on a 3D printer, having a channel dilution section from the nozzles by the heat exchanger volume, a channel for redirecting hot and cold coolant channels, in which the arrangement of the hot and cold coolant channels relative to each other in a checkerboard pattern is performed with using an auxiliary separating partition, and an intensive heat exchange section with hot and cold coolant channels located in a staggered the order in which the walls of the cold coolant channels in contact with the walls of the hot coolant channels over the entire cross section of channels, and the hot coolant channel wall in contact with the walls of the cold coolant channels over the entire cross section of the channel.

Images