RU2686134C1 - Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method - Google Patents
Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686134C1 RU2686134C1 RU2018115789A RU2018115789A RU2686134C1 RU 2686134 C1 RU2686134 C1 RU 2686134C1 RU 2018115789 A RU2018115789 A RU 2018115789A RU 2018115789 A RU2018115789 A RU 2018115789A RU 2686134 C1 RU2686134 C1 RU 2686134C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- heat exchange
- section
- heat
- rings
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 10
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 60
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 36
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 7
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/02—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the heat-exchange media travelling at an angle to one another
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например, в качестве рекуператора.The invention relates to heat engineering and can be used in the technique for heating liquid or gaseous media, for example, as a recuperator.
Известен пластинчатый рекуператор (Патент РФ №125321, МПК F28D 9/00, Пластинчатый рекуператор с поверхностями теплообмена типа Френкеля. Опубликован 27.02.2013) с многозаходным трактом, по холодному, и однозаходным трактом, по горячему теплоносителям, содержащий корпус, подводящие и отводящие каналы для обоих теплоносителей, матрицу, с поверхностями теплообмена типа Френкеля, представляющими собой попарно соединенные металлические пластины с копланарным направлением гофр, расположенных на верхней и нижней пластинах каждой пары. При этом, холодный и горячий теплоносители текут в поперечных потоках и холодный теплоноситель имеет больше четырех пересекающихся потоков с горячим теплоносителем, что обеспечивает высокую эффективность теплообмена, приближающуюся к наиболее эффективному теплообмену при противоточном течении потоков теплоносителей.Known plate heat exchanger (RF Patent No. 125321, IPC F28D 9/00, Plate heat exchanger with Frenkel-type heat exchange surfaces. Published on February 27, 2013) with multiple-path, cold and single-pass path, hot heat carrier, comprising a housing, supply and discharge channels for both coolants, the matrix, with Frenkel-type heat transfer surfaces, which are pairwise connected metal plates with the coplanar direction of the corrugations located on the upper and lower plates of each pair. At the same time, cold and hot coolants flow in transverse flows and the cold coolant has more than four intersecting flows with a hot coolant, which ensures high heat exchange efficiency, approaching the most efficient heat transfer with countercurrent flow of coolants.
Такая конструкция не обладает достаточной надежностью из-за необходимости герметизации многих мест подвода и отвода теплоносителя с высоким давлением.This design does not have sufficient reliability due to the need to seal many places of the supply and removal of heat carrier with high pressure.
Известен также пластинчатый теплообменник и способ изготовления пластинчатого теплообменника (Патент РФ №2100733, МПК F28D 9/00, B21D 53/04, Пластинчатый теплообменник и способ изготовления пластинчатого теплообменника. Опубликован 27.12.1997.). Теплообменник содержит корпус с устройствами для подвода и отвода одного теплоносителя, а также пакеты попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и патрубки подвода и отвода второго теплоносителя, сообщенные с коллекторами, образованными выполненными в пластинах окнами с отбортовками, соединенные стяжными элементами прижимные плиты, между которыми установлен вышеописанный пакет пластин. На пластинах могут быть выполнены дополнительные выштамповки, образующие прямолинейные или зигзагообразные каналы. При изготовлении пластинчатого теплообменника путем штамповки изготавливают идентичные гофрированные пластины с периферийными кромками и окнами с отбортовками, затем пластины попарно жестко соединяют по периферийным кромкам, а образованные при этом теплообменные элементы соединяют между собой отбортовок окон пластин в смежных элементах, присоединяют подводящие и отводящие патрубки и помещают в корпус. Отбортовки окон выполняют с выступающими на 0,3-0,6 мм участками над поверхностью гофр пластин с образованием между периферийными кромками и отбортовками окон наклонной поверхности с углом у основания, равным от 45° до 75°. Пакет пластин стягивают с помощью прижимных плит и стяжных элементов. Периферийные кромки пластин заданной ширины соединяют посредством роликовой контактной сварки или путем аргонно-дуговой сварки, или соединяют пайкой.Also known is a plate heat exchanger and a method of manufacturing a plate heat exchanger (Patent RF №2100733, IPC F28D 9/00, B21D 53/04, Plate heat exchanger and a method of manufacturing a plate heat exchanger. Published 12/27/1997.). The heat exchanger includes a housing with devices for supplying and discharging one coolant, as well as packages of corrugated plates connected in pairs along the peripheral edges and branch pipes for supplying and discharging the second coolant, communicating with collectors formed by the flanged windows made in the plates, connecting plates with clamping elements between which The plate pack described above is installed. On the plates can be performed additional stamping, forming a straight or zigzag channels. In the manufacture of a plate heat exchanger by stamping, identical corrugated plates with peripheral edges and flanged windows are made, then the plates are rigidly connected in pairs along the peripheral edges, and the heat exchange elements formed during this process interconnect the flanges of the window plates in the adjacent elements, attach the supply and discharge pipes and place in the case. The flanging of the windows is performed with protruding 0.3-0.6 mm sections above the surface of the corrugation plates with the formation of an inclined surface between the peripheral edges and flanging of the windows with an angle at the base equal to 45 ° to 75 °. The plate pack is clamped using clamping plates and clamping elements. The peripheral edges of the plates of a given width are connected by means of roller contact welding or by argon-arc welding, or they are joined by soldering.
К недостаткам данного известного теплообменника и способа его изготовления следует отнести большую металлоемкость и низкую эффективность конструкции. Кроме того, подобные теплообменники обладают повышенными напряжениями, возникающими в пластинах, примыкающих к стяжным плитам из-за большой разницы температур, а также увеличение расходов теплоносителей здесь сопряжено с увеличением двух параметров габарита теплообменника, что не всегда приемлемо.The disadvantages of this known heat exchanger and method of its manufacture should be attributed to the high intensity and low design efficiency. In addition, these heat exchangers have increased stresses in the plates adjacent to the clamping plates due to the large temperature difference, and the increase in the flow of heat transfer fluids here is associated with an increase in the two parameters of the heat exchanger, which is not always acceptable.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является известный пластинчатый теплообменник рекуператора газотурбинной установки (Патент США №7,065,873 опубликованный 27.06.2006 - прототип), содержащий цилиндрический наружный корпус, внутренние разделительные кольца, размещенные между ними и опирающиеся на центральное внутреннее разделительное кольцо, идентичные теплообменные элементы в виде конвертов, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам оребренных пластин. Патрубки подвода и отвода внутреннего теплоносителя с большим давлением здесь формируются набором конструктивных элементов, включающим планки, опирающиеся на разделительные кольца. Известен также способ изготовления данного пластинчатого теплообменника, включающий поэтапную вырезку и сборку элементов конструкции, с указанием мест сварки, включающий приварку планок.Closest to the proposed invention to the technical essence is a known plate heat exchanger of the heat exchanger of a gas turbine unit (US Patent No. 7,065,873 published 06/27/2006 - prototype) containing a cylindrical outer case, internal separating rings placed between them and resting on the central internal separating ring, identical heat exchangers elements in the form of envelopes made of pairs of ribbed plates connected in pairs along the peripheral edges of the ribbed plates. The high-pressure internal coolant supply and discharge connections are formed here by a set of structural elements including strips supported on the separating rings. There is also known a method of manufacturing this plate heat exchanger, which includes the gradual cutting and assembly of structural elements, with an indication of the places of welding, including the welding of the strips.
К недостаткам данной конструкции и способа ее изготовления можно отнести большое количество конструктивных элементов и сварных швов, что негативно сказывается на герметичности и прочности теплообменника. Кроме того, использование в районе патрубков подвода и отвода теплоносителя планок с приваркой их аргонно-дуговой сваркой увеличивает металлоемкость и стоимость изделия, а также снижает его эффективность вследствие загромождения проходных сечений окон патрубков. Увеличение расхода горячего (внешнего) теплоносителя здесь сопряжено с увеличением диаметра теплообменника, а увеличение внутреннего, холодного теплоносителя - с длиной теплообменника, что не всегда приемлемо в конструкциях газотурбинных установок. При попытке сохранения длины теплообменника, в таких случаях, сокращается количество поперечных потоков, что приводит к снижению эффективности теплообменника. Фотография вида на патрубок подвода теплоносителя рекуператора Capstone С-30 (по прототипу) представлен на фиг. 1.The disadvantages of this design and method of its manufacture include a large number of structural elements and welds, which adversely affects the tightness and strength of the heat exchanger. In addition, the use in the area of the pipes for supplying and discharging the coolant of the strips with their argon-arc welding increases the metal consumption and the cost of the product, as well as reduces its effectiveness due to blocking of the nozzle window bores. An increase in the flow rate of the hot (external) coolant here is associated with an increase in the diameter of the heat exchanger, and an increase in the internal, cold coolant — with the length of the heat exchanger, which is not always acceptable in gas turbine structures. In an attempt to preserve the length of the heat exchanger, in such cases, the number of transverse flows is reduced, which leads to a decrease in the efficiency of the heat exchanger. A photo of a view of the heat transfer fluid inlet of the Capstone C-30 heat exchanger (as in the prototype) is shown in FIG. one.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа. Кроме этого, заявляемое изобретение решает задачи уменьшения стоимости и оптимизации массо-габаритной характеристики газотурбинной установки, при использовании стандартного (отработанного, имеющегося) конверта рекуператора.The problem to which the claimed invention is directed, is the elimination of the above disadvantages of the prototype. In addition, the claimed invention solves the problem of reducing the cost and optimizing the mass-dimensional characteristics of a gas turbine installation, using a standard (spent, existing) envelope of the heat exchanger.
Технический результат заключается в реализации высокоэффективного теплообменника повышенного расхода теплоносителей при ограничениях габарита, в уменьшении массы теплообменника, его стоимости, при одновременном увеличении его эффективности и надежности за счет обеспечения герметичности и прочности теплообменника, а также увеличение производительности за счет увеличения расхода воздуха (теплоносителя) через теплообменник.The technical result consists in the implementation of a highly efficient heat exchanger increased flow of coolants with limitations of size, reducing the mass of the heat exchanger, its cost, while increasing its efficiency and reliability by providing tightness and strength of the heat exchanger, as well as increasing performance by increasing air flow (coolant) through heat exchanger.
Технический результат достигается за счет того, что пластинчатый теплообменник содержит первую секцию теплообменника, которая включает цилиндрический наружный корпус, одно центральное и два периферийный разделительных кольца, размещенные между корпусом и кольцами и опирающиеся на центральное разделительное кольцо теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин, при этом теплообменные элементы имеют выступающие за периферийную кромку отбортовки, образующие впускные и выпускные коллекторные окна, соединены без зазора с окнами соседних теплообменных элементов и охватываемые разделительными кольцами, причем отбортовки, центральное и периферийные кольца формируют коллекторы подвода и отвода внутреннего теплоносителя, а торцевые части теплообменника выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения между теплообменными элементами внешнего теплоносителя, кроме того, теплообменник содержит дополнительную секцию теплообменника, выполненную аналогично первой секции, причем секции теплообменника расположены в теплообменнике таким образом, чтобы обеспечить параллельное поступление внутреннего теплоносителя в первую и дополнительную секции теплообменника, а также обеспечить к ним параллельную подачу внешнего теплоносителя.The technical result is achieved due to the fact that the plate heat exchanger contains the first section of the heat exchanger, which includes a cylindrical outer casing, one central and two peripheral separating rings placed between the casing and the rings and heat exchanger elements made from pairs connected along peripheral edges corrugated plates, while the heat exchange elements have flanges protruding beyond the peripheral edge, forming inlet and outlet The collector windows are connected without gap with the windows of adjacent heat exchange elements and covered by separating rings, and the flanges, the central and peripheral rings form the collectors for supplying and discharging the internal heat carrier, and the end parts of the heat exchanger are designed to allow the external heat carrier to pass between the heat exchange elements, in addition, the heat exchanger contains an additional section of the heat exchanger, made similar to the first section, and the section of the heat exchanger CENI disposed in the heat exchanger so as to provide parallel internal coolant flow to the first and further heat exchanger section, and also provide them parallel external coolant supply.
Теплообменные элементы примыкают друг к другу по огибающим поверхностям гофр и имеют линейчатую поверхность с эвольвентой направляющей.The heat exchange elements are adjacent to each other along the enveloping surfaces of the corrugations and have a ruled surface with an involute guide.
Гофрированные пластины состоят из по меньшей мере двух вихревых матриц, соединенных продольным гладким каналом и разделенных с помощью внутренних перегородок.Corrugated plates consist of at least two vortex matrices connected by a longitudinal smooth channel and separated by internal partitions.
Перегородки каждого теплообменного элемента выполнены методом штамповки пластин и соединены между собой.Partitions of each heat exchange element are made by stamping plates and interconnected.
При количестве матриц равному больше двух, перегородки и продольные гладкие каналы расположены в шахматном порядке.With the number of matrices equal to more than two, the partitions and longitudinal smooth channels are arranged in a checkerboard pattern.
Соседние гофры матриц каждой пластины теплообменного элемента расположены под углом 20°-90° друг к другу.The adjacent corrugations of the matrices of each plate of the heat exchange element are located at an angle of 20 ° -90 ° to each other.
Ширина кромки и перегородки в местах соединения составляет от 20 толщин пластины.The width of the edges and partitions at the joints is from 20 plate thickness.
Ширина кромки и перегородки в местах соединения составляет предпочтительно от 20 до 40 толщин пластины.The width of the edge and the partition at the joints is preferably from 20 to 40 plate thicknesses.
Вдоль периферийных кромок вблизи гладких каналов установлены соединенные с теплообменными элементами перегородки.Along the peripheral edges near the smooth channels, partitions connected to the heat exchange elements are installed.
Эвольвентные направляющие линейчатых поверхностей теплообменных элементов первой и дополнительной секций имеют разное направление.Involute guides of the ruled surfaces of the heat exchange elements of the first and additional sections have different directions.
Соединение элементов выполнено с помощью сварки или пайки.The elements are connected by welding or soldering.
Дополнительная секция теплообменника расположена коаксиально первой секции с ее внешней стороны, а центральное и оба периферийных разделительных кольца дополнительной секции выполнены за одно целое с цилиндрическим внешним корпусом первой секции теплообменника, причем внешний корпус первой секции внутреннего теплообменника имеет каналы, выполненные с возможностью обеспечения подачи и отвода внутреннего теплоносителя к впускным и выпускным коллекторам дополнительной секции.The additional section of the heat exchanger is located coaxially with the first section from its outer side, and the central and both peripheral separation rings of the additional section are made in one piece with the cylindrical outer case of the first section of the heat exchanger, and the outer case of the first section of the internal heat exchanger has channels configured to provide supply and discharge internal coolant to the intake and exhaust manifolds of the additional section.
Соединение элементов выполнено с помощью сварки или пайки.The elements are connected by welding or soldering.
Технический результат также достигается за счет способа изготовления пластинчатого теплообменника, который заключается в том, что наружные и внутренние гофрированные пластины секции теплообменника изготавливают методом штамповки, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам, а образованные при этом теплообменные элементы соединяют друг с другом с помощью наружного цилиндрического корпуса, двух периферийных и одного центрального разделительных колец, при этом в каждом теплообменном элементе выполняют отбортовки, образующие впускные и выпускные окна, таким образом, что они выступают за периферийную кромку пластин по внутреннему диаметру теплообменника, и торцы центрального кольца, а также по одному торцу периферийных колец выполняют с профилем, повторяющим внешний профиль выпускных окон, в который вставляют поочередно теплообменные элементы, а затем теплообменные элементы соединяют между собой и с кольцами, при этом в теплообменник устанавливают дополнительную секцию теплообменника таким образом, чтобы обеспечить параллельное поступление нагреваемого теплоносителя в первую и дополнительную секции теплообменника, а также параллельную подачу внешнего теплоносителя к первой и дополнительной секции теплообменника.The technical result is also achieved due to the method of manufacturing a plate heat exchanger, which consists in the fact that the outer and inner corrugated plates of the heat exchanger section are made by stamping, and then connected in pairs along peripheral edges, and the heat exchange elements formed during this are connected to each other using an outer cylindrical body, two peripheral and one central separating rings, with flanging in each heat exchanger element forming accelerating and outgoing windows, in such a way that they protrude beyond the peripheral edge of the plates along the internal diameter of the heat exchanger, and the ends of the central ring, as well as one end of the peripheral rings, are performed with a profile that repeats the external profile of the outlet windows into which the heat exchange elements are alternately inserted, and then the heat exchange elements are interconnected and with the rings; in this case, an additional section of the heat exchanger is installed in the heat exchanger in such a way as to ensure parallel supply of the heated heat the carrier in the first and additional sections of the heat exchanger, as well as parallel supply of external heat carrier to the first and additional sections of the heat exchanger.
Разница наружного и внутреннего диаметров разделительных колец в местах соединения с впускными и выпускными окнами составляет от 2,0 до 2,2 мм.The difference between the outer and inner diameters of the separating rings at the joints with the inlet and outlet windows is from 2.0 to 2.2 mm.
Отбортовки выступают за периферийную кромку на величину, составляющую 0,95-1,05 от разницы наружного и внутреннего диаметров разделительных колец в местах соединения с впускными и выпускными окнами.The flanges protrude beyond the peripheral edge by an amount of 0.95-1.05 times the difference between the outer and inner diameters of the separating rings at the junction points with the inlet and outlet ports.
Каждый теплообменный элемент устанавливают на центральном разделительном кольце таким образом, что периферийная кромка соприкасается с цилиндрической поверхностью разделительного кольца.Each heat exchange element is mounted on the central separation ring in such a way that the peripheral edge touches the cylindrical surface of the separation ring.
Гофрированные пластины выполняют имеющими по меньшей мере две вихревые матрицы, соединенные продольным гладким каналом и разделенные с помощью внутренних перегородок.Corrugated plates perform having at least two vortex matrices connected by a longitudinal smooth channel and separated by internal partitions.
Вдоль периферийных кромок вблизи гладких каналов устанавливают соединенные с теплообменными элементами внешние перегородки.External partitions connected to heat exchange elements are installed along the peripheral edges near the smooth channels.
Внешние перегородки изготавливаются с помощью штамповки металлического листа.External partitions are made by stamping a metal sheet.
Внутренние перегородки каждого теплообменного элемента изготавливают методом штамповки и соединяют между собой.The internal partitions of each heat exchange element are made by stamping and interconnected.
По меньше мере одно из соединений осуществляют с помощью сварки.At least one of the compounds is carried out by welding.
Соединение гофрированных пластин по меньшей мере одного теплообменного элемента осуществляют с помощью контактной роликовой сварки.The connection of the corrugated plates of at least one heat exchange element is carried out using the contact roller welding.
Дополнительную секцию теплообменника устанавливают коаксиально первой секции с ее внешней стороны, причем центральное и оба периферийные разделительные кольца дополнительной секции, а также цилиндрический внешний корпус первой секции теплообменника изготавливают в виде одной детали, имеющей каналы, выполненные с возможностью обеспечения подачи и отвода внутреннего теплоносителя к впускным и выпускным коллекторам дополнительной секции.An additional section of the heat exchanger is installed coaxially with the first section from its outer side, and the central and both peripheral separating rings of the additional section, as well as the cylindrical outer case of the first section of the heat exchanger are made as one piece having channels adapted to ensure the supply and removal of the internal heat carrier to the inlet and exhaust manifolds additional section.
Изобретение иллюстрируется фигурами, на которых:The invention is illustrated in the figures, in which:
на фиг. 1 показан вид на патрубок подвода теплоносителя рекуператора Capstone С-30;in fig. 1 shows a view of the coolant supply pipe for the Capstone C-30 heat exchanger;
на фиг. 2 показан общий вид первой секции теплообменника, с частично вскрытым наружным цилиндрическим корпусом;in fig. 2 shows a general view of the first section of the heat exchanger, with a partially opened outer cylindrical body;
на фиг. 3 показаны внутренние разделительные кольца с частично установленными теплообменными элементами - конвертами;in fig. 3 shows internal separating rings with partially installed heat exchange elements - envelopes;
на фиг. 4 показан теплообменный элемент - конверт;in fig. 4 shows a heat exchange element - an envelope;
на фиг. 5 показаны внешние перегородки;in fig. 5 shows external partitions;
на фиг. 6 показан теплообменный элемент со схемами движения теплоносителей;in fig. 6 shows a heat exchange element with coolant flow patterns;
на фиг. 7 показан угол при вершине скрещивания гофр;in fig. 7 shows the angle at the top of the crossing of the corrugations;
на фиг. 8 показан элемент В фиг. 6;in fig. 8 shows element B of FIG. 6;
на фиг. 9 показан элемент А фиг. 3;in fig. 9 shows element A of FIG. 3;
на фиг. 10 показан элемент Б фиг. 4;in fig. 10 shows item B of FIG. four;
на фиг. 11 показан поперечный разрез ГТД с дополнительной секцией теплообменика;in fig. 11 shows a cross-section of a gas turbine engine with an additional heat exchanger section;
на фиг. 12 показан общий вид секций теплообменника, с разным направлением эвольвентных направляющих линейчатых поверхностей теплообменных элементов первой и дополнительной секций.in fig. 12 shows a general view of the heat exchanger sections, with different directions of involute guides of the ruled surfaces of the heat exchange elements of the first and additional sections.
Теплообменник (фиг. 2) состоит из двух секций: первой и дополнительной. При этом, каждая секция состоит из цилиндрического наружного корпуса 1, теплообменных элементов 2, центрального 3 и периферийных 4, 5 разделительных колец (фиг. 3). Теплообменные элементы 2 выполнены из нижней 6 и верхней 7 гофрированных пластин (фиг. 4). Линейчатая поверхность с эвольвентной направляющей пластин 6, 7 имеет штампованный рельеф и состоит из периферийной кромки 8, гофр 9, 10 вихревой матрицы, поперечных перемычек 11 внутренних перегородок, продольных гладких каналов 12 и отбортовок 13, 14, а также коллекторных окон 15, 16.The heat exchanger (Fig. 2) consists of two sections: the first and additional. In this case, each section consists of a cylindrical
Разделительные кольца 3, 4, 5 имеют пазы 17, 18, 19 и 20 (фиг. 3). Имеются также коллекторы подвода 21 и отвода внутреннего и наружного 24 теплоносителей теплообменного элемента 2 (фиг. 2), внешние перегородки 25, 26 (фиг. 5) и бандажные кольца 27 (фиг. 2). Показаны направления течения теплоносителей (фиг. 6) и угол скрещивания гофр 9, 10 нижней 6 и верхней 7 пластины (фиг. 7), показаны внешние перегородки 25, 26 (фиг. 5), их места установки 28, 29 (фиг. 3 и 6) и определяющие размеры (фиг. 6, 7, 8, 9). Эвольвентные направляющие линейчатых поверхностей теплообменных элементов 2, 34 первой и дополнительной секций могут иметь одинаковое или разное (фиг. 12) направление, что обуславливается обеспечением направления потока выхлопных газов.Separating rings 3, 4, 5 have
Нижняя 6 и верхняя 7 гофрированные пластины примыкают друг к другу по огибающим поверхностям гофр 9, 10 (фиг. 4, 7) и жестко скреплены между собой, например, сваркой или пайкой по периферийным кромкам 8 и перемычкам внутренних перегородок 11. При этом, в собираемом теплообменном элементе 2 отбортовки 13, 14 формируют коллекторные окна входа 15 и выхода 16 внутреннего теплоносителя (фиг. 4, 10), а внутри теплообменного элемента 2 вместе с гофрами 9, 10 и продольными гладкими каналами 12 сформированы каналы для протекания внутреннего теплоносителя. Теплообменные элементы 2 располагаются между наружным корпусом 1 и разделительными кольцами 3, 4 и 5 (фиг. 2, 3). При этом, теплообменные элементы 2 торцами периферийных кромок 8 опираются на центральное разделительное кольцо 3, примыкают друг к другу по отбортовкам 13, 14 коллекторных окон 15, 16, которые вместе с примыкающими к ним пазами 17, 18, 19 и 20, периферийными 4, 5 и центральным 3 разделительными кольцами формируют коллекторы подвода 21 и отвода внутреннего теплоносителя (фиг. 2, 3, 4). Между теплообменными элементами 2, в районе периферийных кромок 8 со стороны наружного корпуса 1 и центрального разделительного кольца 3 в местах 28, 29 сформированных продольных гладких каналов 12 установлены внешние перегородки 25, 26. Внутренний теплоноситель подводят к коллектору подвода 21, откуда он через коллекторные окна входа 15 проходит внутрь теплообменного элемента 2, где движется, как показано на фиг. 6, по вихревой матрице, сформированной гофрами 9, 10 нижней 6 и верхней 7 пластин. Для равномерного перетекания внутреннего теплоносителя из одной к другой вихревой матрице, которые сформированы между располагаемыми в шахматном порядке внутренними перегородками 11, в районе перепускных окон, выполненных в виде разрывов между перегородками 11 и периферийной кромкой 8, сформированы штамповкой продольные гладкие каналы 12. Угол α при вершине скрещивания гофр 9, 10 пластин 6, 7, как показано на фиг. 6, составляет от 20° до 90°. После вихревых матриц внутренний теплоноситель, по ходу течения, проходит через коллекторное окно выхода 16 к коллектору отвода внутреннего теплоносителя. Для наружного теплоносителя формируется канал вихревой матрицы между соседними теплообменными элементами 2. При этом коллекторы подвода (не показан) и отвода 24 наружного теплоносителя сформированы наружным корпусом 1 и периферийными разделительными кольцами 5 и 4, соответственно. Для устранения перетекания наружного теплоносителя вдоль периферийных кромок 8 в местах 28 и 29 установлены наружные перегородки 25, 26.The lower 6 and upper 7 corrugated plates adjoin each other along the circumflex surfaces of the
С целью повышения производительности теплообменника, его секции расположены таким образом, чтобы обеспечить возможность параллельного подвода внешнего теплоносителя. В частности, это может быть достигнуто путем расположения дополнительной секции коаксиально первой секции с ее внешней стороны. Для снижения массы теплообменника центральное 3 и периферийные 4, 5 разделительные кольца дополнительной секции могут быть выполнены за одно целое с цилиндрическим внешним корпусом 1 первой секции теплообменника. При этом, внешний корпус 1 первой секции теплообменника выполняется таким образом, чтобы обеспечить возможность подачи и отвода внутреннего теплоносителя к коллекторам подвода 35 и отвода 36 внутреннего теплоносителя дополнительной секции. В частности, возможно выполнение во внешнем корпусе 1 первой секции каналов, которые соединены с помощью трубок 33 и направляющих поток внутреннего теплоносителя окон 32. При изготовлении каждой секции такого пластинчатого теплообменника вначале вырезаются и штампуются пластины 6, 7 с гофрами 9, 10 и периферийными кромками 8, перемычками внутренних перегородок 11 и отбортовками 13, 14 коллекторных окон 15, 16. Изготавливаются цилиндрический наружный корпус 1 с разделительными кольцами 3, 4 и 5. При этом, разделительные кольца 3, 4 и 5 изготавливают с разницей наружного и внутреннего диаметра в местах соединения с отбортовкой 13, 14 коллекторных окон 15, 16 δк равной от 2 мм до 2,2 мм (фиг. 9), а торцы отбортовок 13, 14 в пластинах 6, 7 выполняют с выступанием за торец периферийной кромки на величину Δ равную 0,95-1.05 от величины δк (фиг. 8). Сами стыкуемые торцы центрального разделительного кольца 3 и периферийных разделительных колец 4, 5 выполняют фигурными с пазами 17, 18, 19 и 20 (фиг. 3, 9), которые зеркально повторяют профиль периферийной кромки 8 и отбортовок 13, 14, коллекторных окон 15, 16 (фиг. 7).In order to improve the performance of the heat exchanger, its sections are located in such a way as to ensure the possibility of parallel supply of external coolant. In particular, this can be achieved by locating the additional section coaxially of the first section from its outside. To reduce the mass of the heat exchanger, the central 3 and peripheral 4, 5 separation rings of the additional section can be made in one piece with the cylindrical
В процессе изготовления каждой секции теплообменника путем штамповки изготавливают нижние 6 и верхние 7 гофрированные пластины, которые различаются направлением гофр 9, 10 и линейчатой поверхностью с эвольвентной направляющей.In the process of manufacturing each section of the heat exchanger by stamping, the lower 6 and upper 7 corrugated plates are made, which differ in the direction of the
Нижнюю 6 и верхнюю 7 пластины жестко скрепляют между собой, например, сваркой или пайкой с помощью роликовой контактной сварки по периферийным кромкам 8 и перемычкам внутренних перегородок 11. При этом, так как при использовании роликовой контактной сварки ширина сварного шва составит не менее 6 толщин пластины, то ширина Θ периферийной кромки 8 и перемычки внутренней перегородки 11 должна составлять 20-40 толщин пластины σ. Это делается с целью экономии материала и обеспечения герметичности и прочности секций теплообменника в частности и теплообменника в целом. Так, в случае использования листа толщиной 0,2 мм, ширина периферийной кромки 8 и перемычки 11 должна быть от 4 до 8 мм.The
На верхней пластине 7 теплообменного элемента 2 в районе периферийных кромок 8 со стороны наружного корпуса 1 и центрального разделительного кольца 3, в местах 28, 29 сформированных продольных гладких каналов 12 закрепляются внешние перегородки 25 и 26, по высоте, ширине и толщине равные высоте периферийной кромки, ширине двух высот выштамповки и толщине гофрированной пластины соответственно.On the
Перегородки 25, 26 изготавливаются с помощью штамповки в заданную форму и размер металлического листа, и жестко закрепляются на верхней 7 пластине теплообменного элемента 2, например, с помощью сварки.
Образованные теплообменные элементы 2 располагаются между кольцами 3, 4 и 5, вставляются пазы 17, 18, 19 и 20. При этом, теплообменные элементы 2 торцами периферийных кромок 8 опираются на центральное разделительное кольцо 3, а отбортовки 13, 14 с периферийными кромками 8 соединяют с кольцами 3, 4, 5 пазам 17, 18, 19 и 20. Данное соединение также может осуществляться с помощью сварки. Кроме того, сваркой могут соединяться торцы отбортовок 13, 14 соседних теплообменных элементов 2 коллекторных окон 15, 16. После завершения полного набора теплообменных элементов 2 с внешними перегородками 25, 26, на собранный набор надевается цилиндрический наружный корпус 1. Для удобства, перед установкой наружного корпуса 1, снаружи теплообменные элементы 2 охватывается бандажными кольцами 27 (фиг. 2), препятствующими разъединению верхней 7 и нижней 6 пластин.Formed
Теплообменник работает следующим образом. Для примера рассмотрим его в качестве рекуператора газотурбинного двигателя (ГТД), используемого для утилизации тепла выхлопных газов. Нагреваемый теплоноситель, например, воздух из компрессора 30 ГТД, подводится к коллектору 21 подвода внутреннего теплоносителя первой секции и через направляющие поток воздуха окна 32 по трубкам 33 к коллектору 35 подвода дополнительной секции и через соответствующие коллекторные окна 15 поступает внутрь теплообменных элементов 2, 34 каждой секции, где воздух, двигаясь по вихревой матрице, сформированной штампованными гофрами 9, 10 пластин 6, 7 нагревается теплом, передаваемым через пластины 6, 7 выхлопных газов двигателя, которые поступают из турбины 31 к коллекторам подвода внешнего теплоносителя и перемещаются к коллекторам отвода 24 внешнего теплоносителя по вихревой матрице, сформированной гофрами 9, 10 смежных теплообменных элементов 2.The heat exchanger operates as follows. For example, consider it as a heat exchanger for a gas turbine engine (GTE) used to recover exhaust heat. The heated coolant, for example, air from the
Взаимное течение нагреваемого внутреннего теплоносителя - воздуха и отдающих тепло выхлопных газов - перекрестное, как показано на фиг. 4. Причем, направление поперечного перемещение воздуха также чередуется встречным (обратным) течением с разворотом на 180 градусов. Перетекание воздуха из одной вихревой матрицы в другую - обратного течения, происходит через коллекторные окна с примыкающими к ним продольными гладкими каналами 12, сформированными штамповками. Выход воздуха из теплообменного элемента 2 осуществляется через коллекторные окна 16. В дальнейшем, нагретый воздух из теплообменника, через коллектор отвода внутреннего теплоносителя (не показан) подводится к камере сгорания ГТД для дальнейшего нагрева при сжигании топлива.The mutual flow of the heated internal coolant — air and heat exhaust gases — is cross-flow, as shown in FIG. 4. Moreover, the direction of transverse movement of air also alternates with a counter (reverse) current with a turn of 180 degrees. The flow of air from one vortex matrix to another - reverse flow occurs through the collector window with adjacent longitudinal
Применение вихревой матрицы, формируемой гофрами 9, 10 пластин 6, 7 и смежными теплообменными элементами 2 с углами α от 20°до 90° при вершине скрещивания гофр 9, 10, как показано на фиг.6, позволяет перекачивать в вихревой матрице выхлопные газы и воздух с низкими гидравлическими сопротивлениями и высокой эффективностью теплоотдачи. При этом, формирование между вихревыми матрицами внутреннего теплоносителя перепускных каналов с примыкающими продольными гладкими каналами 12 обеспечивает максимально равномерное заполнение внутренним теплоносителем вихревых матриц, при протекании теплоносителя по схеме «перекрестного противотока». Способ формирования теплообменных элементов 2, их фиксация пазах 17, 18, 19 и 20 центрального 3 и периферийных 4, 5 внутренних разделительных колец и соединение отбортовок 13, 14 соседних теплообменных элементов 2 коллекторных окон 15, 16 между собой сваркой позволяют обеспечить достаточную жесткость конструкции и использовать внутренний теплоноситель с большим давлением. Применение двух отдельных секций, расположение которых обеспечивает возможность параллельной подачи в них внешнего теплоносителя позволяет повысить производительность теплообменника за счет увеличения расхода воздуха, проходящего через него при сохранении его прочности. В случае применения только одной секции большего размера, повышение производительности возможно, однако это неизбежно приводит к снижению прочности и надежности теплообменника. Кроме того, применение двух отдельных секций, установленных коаксиально, позволяет уменьшить диаметр теплообменника приблизительно в два раза по сравнению с теплообменником, имеющим одну секцию, рассчитанную на такую же производительность, как и теплообменник, имеющий две секции. Таким образом, применение двух отдельных секций позволяет уменьшить массу теплообменника и установки, содержащий такой теплообменник, в целом. При этом, соотношение потока нагреваемого теплоносителя, проходящего в первой секции и в дополнительной секции, может находиться в соотношении 3 к 7.The use of the vortex matrix formed by the
Укладка теплообменных элементов 2 по эвольвенте, совместно с внешними перегородками 25, 26 обеспечивают сохранение течения наружного теплоносителя вдоль теплопередающей поверхности при различных тепловых расширениях элементов конструкции, исключая паразитное течение теплоносителя вдоль периферийных кромок 8.Laying of
Указанные диапазоны значений обусловлены тем, что при выходе за минимальное значение надежность соединений снижается, а выход за максимальное значение - не оправдан с точки зрения увеличения габаритов.The specified ranges of values are due to the fact that when going beyond the minimum value, the reliability of connections decreases, and going beyond the maximum value is not justified in terms of increasing dimensions.
Размеры внутри диапазонов выбирают, например, исходя из необходимого запаса прочности соединений в зависимости от давлений теплоносителей.Dimensions within the ranges are chosen, for example, on the basis of the required safety factor of the joints, depending on the pressure of the heat transfer media.
Claims (24)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018115789A RU2686134C1 (en) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018115789A RU2686134C1 (en) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2686134C1 true RU2686134C1 (en) | 2019-04-24 |
Family
ID=66314777
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018115789A RU2686134C1 (en) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2686134C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU201866U1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Акционерной Компании "Электросевкавмонтаж" | WELDED PLATE HEAT EXCHANGER PLATE |
RU2770347C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-04-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Recuperative heat exchanger and method for its manufacture |
RU2819325C1 (en) * | 2024-01-10 | 2024-05-17 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Plate heat exchanger with header for separation of hot and cold heat carrier |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3001568A1 (en) * | 1980-01-17 | 1981-07-23 | Wilhelm Gebhardt Gmbh, 7112 Waldenburg | Plate type chamber heat exchanger - has C=shaped plate with two opposite edges bent to same side, while abutting edges are bent to opposite sides |
RU2100733C1 (en) * | 1996-03-29 | 1997-12-27 | Алексей Иванович Худяков | Plate-type heat exchanger and method for its manufacture |
US7065873B2 (en) * | 2003-10-28 | 2006-06-27 | Capstone Turbine Corporation | Recuperator assembly and procedures |
RU125321U1 (en) * | 2012-09-05 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | PLATE RECOVERATOR WITH SURFACES OF FRENKEL TYPE EXCHANGE TRANSFER |
CN102562308B (en) * | 2011-12-15 | 2015-09-23 | 西安远航真空钎焊技术有限公司 | A kind of small efficient heat regenerator and manufacture method thereof |
-
2018
- 2018-04-27 RU RU2018115789A patent/RU2686134C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3001568A1 (en) * | 1980-01-17 | 1981-07-23 | Wilhelm Gebhardt Gmbh, 7112 Waldenburg | Plate type chamber heat exchanger - has C=shaped plate with two opposite edges bent to same side, while abutting edges are bent to opposite sides |
RU2100733C1 (en) * | 1996-03-29 | 1997-12-27 | Алексей Иванович Худяков | Plate-type heat exchanger and method for its manufacture |
US7065873B2 (en) * | 2003-10-28 | 2006-06-27 | Capstone Turbine Corporation | Recuperator assembly and procedures |
CN102562308B (en) * | 2011-12-15 | 2015-09-23 | 西安远航真空钎焊技术有限公司 | A kind of small efficient heat regenerator and manufacture method thereof |
RU125321U1 (en) * | 2012-09-05 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | PLATE RECOVERATOR WITH SURFACES OF FRENKEL TYPE EXCHANGE TRANSFER |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU201866U1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Акционерной Компании "Электросевкавмонтаж" | WELDED PLATE HEAT EXCHANGER PLATE |
RU2770347C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-04-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Recuperative heat exchanger and method for its manufacture |
RU2819325C1 (en) * | 2024-01-10 | 2024-05-17 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Plate heat exchanger with header for separation of hot and cold heat carrier |
RU2819324C1 (en) * | 2024-01-10 | 2024-05-17 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Plate heat exchanger with helical turbulators for gas turbine plant |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8028410B2 (en) | Gas turbine regenerator apparatus and method of manufacture | |
EP2767788B1 (en) | Multi-fluid heat exchanger | |
US4343355A (en) | Low stress heat exchanger and method of making the same | |
US20100025024A1 (en) | Heat exchanger and method | |
KR102299274B1 (en) | Plate heat exchanger and method for manufacturing a plate heat exchanger | |
EP0530181A1 (en) | Circular heat exchanger. | |
RU2100733C1 (en) | Plate-type heat exchanger and method for its manufacture | |
EP0530188A1 (en) | Circular heat exchanger having uniform cross-sectional area throughout the passages therein. | |
CN1844827A (en) | Seal-free stainless steel plate fin type heat exchanger | |
US20200011614A1 (en) | Air fin for a heat exchanger | |
RU2686134C1 (en) | Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method | |
RU2659677C1 (en) | Plate heat exchanger and the plate heat exchanger manufacturing method | |
RU2700213C1 (en) | Plate heat exchanger and method of plate heat exchanger manufacturing | |
WO1981002060A1 (en) | Low stress heat exchanger and method of making the same | |
US20070235174A1 (en) | Heat exchanger | |
CN110230935B (en) | Strong heat adaptability plate-fin heat exchanger core body with flexible structure | |
WO2001035042A1 (en) | A coiled heat exchanger and a method for making a coiled heat exchanger | |
EP1938037A1 (en) | Plate heat exchanger and method for constructing pressure-proof plate heat exchanger | |
US11340027B2 (en) | Tube for a heat exchanger, and method of making the same | |
US20100180834A1 (en) | Heat exchanger | |
KR101897927B1 (en) | The plate heat exchanger of welding type for high pressure condition | |
JP4284727B2 (en) | Heat exchanger | |
CN113624040B (en) | Spiral plate type heat exchanger and manufacturing process | |
US20060060335A1 (en) | Heat exchanger with compound plates | |
RU2181186C1 (en) | Counter-current plate heat exchanger |