RU2001374C1 - Пористокомпактный теплообменник - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к теплотехнике, а. более конкретно к теплообменникам с интенсификацией теплообмена, малой массой , и малыми габаритами. Предлагаемый пори- стокомпактный теплообменик (ПКТО)  вл етс  высокоэффективным и компактным теплопередающим устройством дл  теплотехнических и энергетических систем, использующих газы в качестве теплоносителей, этим определ етс  возможность его применени  в теплотехнике, системах кондиционировани , криогенной технике, энергетике, двигателестроении и т.п.

Предлагаемый пористокомпактный теплообменник может работать в широком диапазоне давлений, максимальна  рабоча  температура зависит от типа теплоносител  и материала пористого наполнител . Так, дл  медного наполнител  имеем: дл  инертных газов Тмакс 1000 К, дл  воздуха Тмакс 430 К.

Известно теплообменное устройство, в котором пористые наполнители размещены как во внутренней, так и во внешней трубе. Эти наполнители имеют одинаковую толщину и расположены в одной плоскости. Пористые наполнители вставл ютс  ,в трубы с нат гом, который обеспечиваетс  их пористой структурой, и за счет его удерживаютс  в установленном положении.

Однако указанное теплообменное устройство обладает существенными недостатками , с одной стороны, не позвол ющими в устройстве рационально использовать всю теплопе едающую поверхность пористых наполнителей, что приводит к увеличению массы и габаритов конструкции, а с другой - привод щими к значительным гидравлическим потер м в трактах устройства, что в свою очередь приводит к недопустимым затратам мощности на прокачку по ним теплоносителей .

Известно также теплообменное устройство , в котором пористый наполнитель заполн ет пространство между двум  оболочками. Продольные подвод щие и отвод щие теплоноситель каналы расположены равномерно поокружности и примыкают к стенкам оболочек. Поперечное течение теплоносител  сквозь пористый наполнитель осуществл етс  в радиальном направлении .

В этом устройстве наиболее рационально используетс  интенсификатор теплообмена в св зи с прокачкой по нему теплоносител  в направлении наименьшей его толщины. Это приводит к минимальным затратам мощности на прокачку теплоносител  по пористому наполнителю. Однако гидравлические потери по псему устройству , по-видимому, здесь будет все же большими из-за потерь в щелевых продольных подвод щих и отвод щих теплоноситель каналах длиной, соизмеримой с длиной устройства .

Целью изобретени   вл етс  уменьшение массы и габаритов, сокращение материалоемкости и повышение прочности конструкции предлагаемого пористокомпактного теплообменника, а также обеспечение минимальных потерь на прокачку по устройству его теплоносителей,

Цель достигаетс  за счет того, что его корпус, разделительные непроницаемые

перегородки (мембраны), дистанционирую- щие штыри между ними и пористые наполнители выполн ютс  как одно целое, т.е. монолитно, причем дистанционирующие штыри в щелевых каналах расположены соосно друг другу, образу  ст жки между мем- бранами и днищами корпуса теплообменника, которые от крайних пористых наполнителей отделены зазором через штыревые отростки днищ, а

пористость наполнителей выбрана в соответствии с соотношением 0, 0,85 при изменении структурной относительной толщины пористого материала от д 1 до д 10, при этом корпус теплообменника выполней цилиндрическим, круглой или овальной формы, к которому к соответствующим входным и выходным гор чим и холодным щеле.вым окнам на корпусе подсоединены подвод щие и отвод щие коллекторы

теплоносителей теплообменника, образующие с его соответствующими каналами гор чий и холодный тракты,

В предлагаемом ПКТО принцип его действи  основан на интенсификации процессов теплообмена в теплообменнике путем введени  в каналы трактов пористого наполнител  из материалов с высокой теплопроводностью . В конструкционном смысле он представл ет собой монолитный корпус,

состо щий из обечайки с днищами, разделенный внутри непроницаемыми мембранами (перегородкаами) на изолированные друг от друга щелевые каналы. Щелевые каналы заполнены пористым материалом. К

монолитному корпусу приварены четыре коллектора, образующих совместно с соответствующими щелевыми каналами тракты теплообменника. Все нечетные щелевые каналы , соединенные отверсти ми с соответствующими коллекторами, образуют тракт, условно называемый холодным Аналогично осе четные щелевые каналы и соответствующие им коллекторы образуют тракт, условно называемый гор чим Число щелевых каналов в ПКТО всегда нечетно, чтобы каналы холодного тракта были крайними.

При обычной кубической компоновке теплообменника, в частности ПКТО. его основные конструкционные размеры характеризуютс  длиной L, шириной В и высотой h единичного щелевого канала, причем при неизменных L и В каналы разных трактов теплообменника могут иметь различи  лишь по высоте h. Обща  высота Н теплообменника определ етс  набором некоторого количества его щелевых каналов, величина которого зависит от уровн  передаваемой ПКТО тепловой мощности Q.

Работа теплообменника любого типа, в том числе и предлагаемого ПКТО, описываетс  математической системой из четырех уравнений:

-уравнением теплопередачи;

-уравнением баланса передаваемой тепловой мощности;

-двум  гидравлическими уравнени ми Дарси дл  двух трактов теплообменика, по котторым вычисл ютс  потери давлени  в каждом их них при прокачке по ним соответствующих теплоносителей.

Реша  совместно указанную систему уравнений, можно получить р д соотношений , необходимых дл  расчета теплообмен- ников по ТЗ. В частности, дл  предлагаемого ПКТО можно получить выражение дл  отношени  удельных расходов его теплоносителей:

Gy G7T

Cpi ДТт п hi

Ср2 Д Т2 EZ Г12

выполнение которого обеспечизет его конструкционную зав зку, т.е. обеспечивает

выполнение Li L. Здесь

G

Г Ь П П

где G - массовый расход теплоносител . Ј- пористость пористого наполнител ;

п -число щелевых каналов о соответст- р/ющем тракте теплообменника.

При заданных в ТЗ теплоносител х и, следовательно, заданных их теплоемкост х Cm и Ср2, а также заданных температурных г .- рспадах ATi и АТ2, первый множитель ч выражении  вл етс  заданным и тогда гсличина отношени  Gy2/Gyi может регули- i зватьс  только за счет второго множител , параметрами которого обычно задаютс  из 1 оистр-у тивных соображений.

Из записанного выше выражени  еле- / vO , чо г редлагаемый ПКТО может иметь Л Ч .орПгЗнтл работы

Первый нетривиальный вариант имеет место , когда множитель Cpi ДТ1/(Ср2 ДТг) 1, что соответствует использованию в тепло- обменике разных и неоднотипных теплоносителей с сильно отличающимис  свойствами.

Второй тривиальный вариант имеет место , когда множитель Cpi ДТ1/(Ср2Д Т2) - Cihi/fejta)- 1. т.е. здесь Gy2 Gyi, что при

0 Е Ј2 и hi - h2 соответствует использованию в обоих трактах устройства однотипного (одного и того же) теплоносител .

Дл  общего нетривиального варианта функционировани  предлагаемого ПКТО из

уравнени  теплопередачи и определени  коэффициента теплопередачи получим уравнение

20

рДтл

2 . .2. 1 ,Ъ , Ь2ч ,)м

aiaiM 7p1 02Э2Ь2 7р2 2 МЙ Ј2 fa

-f(Re).

где Q - передаваема  ПКТО теплова  мощность;

0

0

5

0

Д1л - среднелогарифмический напор ее передачи;

F - обща  теплопередающа  поверхность всех мембран ПКТО;

К -коэффициент теплопередачи;

Re- критерий Рейнольдса.

Кроме того, здесь в знаменателе дроби первые два члена представл ют собой термосопротивление теплопередачи от теплоносител  к пористому каркасу наполнител  в гор чем тракте ПКТО и термосопротивление теплопередачи от пористого каркаса к теплоноситлю в холодном его тракте. Эти термосопротивлени  имеют аналоги в классических выражени х дл  К, справедливых дл  гладкоканальных теплообменников. Третий член в знаменателе дроби представл ет собой дополнительное и специфичное термосопротивление теплопередачи в ПКТО, возникающее при передаче тепловой мощности по каркасам их перистых наполнителей . Четвертый член в знаменателе дроби  вл етс  обычным и представл ет собой тер- мосопротиаление теплопередачи при прохождении теплового потока через разделительные теплопередачи мембраны ПКТО.

Цифры 2 о выражении дл  коэффициента теплопередачи обусловлены прин той 6rqi расчетной схемой, характеризующейс  одной разделительной мембраной и прит

тающими к ней полуканалами (h/2) соответствующих трактов теплообменника.

В записанном уравнении а Nu А / dr - соответствующие коэффициенты теплопередачи от гор чего теплоносител  к каркасу пористого наполнител  и, наоборот, от каркаса наполнител  к холодному теплоносителю , где Nu - критерий Нуссельта: А- теплопроводность соответствующих теплоносителей;

dr „j - гидравлический ди (1 U Е)+ 2h

аметр соответствующего щелевого канала, dn - диаметр проволоки МР-структур пористых наполнителей; е- пористость соответствующих наполнителей;

4(1 -е) а -i-j dn

-удельные поверхности соответствующих пористых наполнителей; 5м-теплопроводность каркасов соответствующих пористых наполнителей; h - толщина разделительной теплопередающей мембраны; Ам теплопроводность ее материала; JJP th(m)/m - так называемые коэффициенты ребра. формирующие температурный профиль в пористых наполнител х соответствующих щелевых каналов ПКТО; m Va h2/(4 A dn) параметр соответствующего коэффициента ребра.

Дл  тривиального варианта функционировани  предлагаемого ПКТО написанные выше уравнени  упрощаютс  и принимают вид

Q

К

F Atnaahrjp

дл  критери  Нуссельта Nu A Re Pr1/3, где Рг-критерий Прандтл . Показатель степени 1/3 при критерии Прандтл  - общеприн тый дл  пористых систем.

Помимо тепловых характеристик пористых систем, по экспериментальным результатам продувок образцов и ПКТО получили также данные дл  вычислени  коэффициента гидравлических потерь в этих системах

Ј f(Re). использу  дл  его вычислени  уравнение Дарси.

В результате проведенных экспериментальных исследований пористых МР-структур из меди с dn 0,1 и 0,2 мм были, в первом

приближении, определены следующие эмпирические соотношени :

-дл  вычислени  коэффициента А в критерии Nu

ОДЮ0749-Е4 29

в диапазоне е0 .97-6й 935 -0.6..Д95;

-дл  вычислени  коэффициента п в критерии Nu n - 1,59(1- Ј l9) в диапазоне .6...0,95;

-дл  вычислени  теплопроводности А каркаса пористого наполнител  на основе меди

, 380(1 -е0 269)

Ј0.586

0,55...0,95;

-дл  вычислени  коэффициента гидравлических потерь в пористом наполнителе

t 1,88,1,8,82 ,

Ј(R§ + )в диапазоне Е

где критерий Рейнольдса дл  пористых систем (наполнителей) вычисл етс  по соотношению Re Gy dr/// . Здесь р- динамическа  в зкость теплоносител .

Этот вариант функционировани  ПКТО и описывающие его уравнени  оказались удобными дл  постановки экспериментальных исследований процессов теплопередачи и теплообмена в пористых системах ПКТО. Пористокомпактные теплообменники и двухканальные теплопередающие образцы на их основе, выполненные в тривиальном исполнении (ei Ј5 и hi - ha), продуваемые в газодинамической стендовой установке гор чим и холодным воздухом ,позволилиполучить экспериментальные данные, обработка которых по вышеприведенным уравнени м позволила сначала получать зависимости сг- cf(Re). з по ним и эмпирические зависимости

На основании выполненных систематических экспериментальных исследований пористых МР-структур, примен емых в предлагаемом ПКТО в качестве интенсифицирующих процесс теплопередачи в теплообменниках пористых наполнителей, приведенные выше эмпирические соотношени  представл ют собой исходную базу начальных данных дл  их итерационно-оптимизационного расчета с целью оптимизации конструкции теплообменника по массе и габаритам при допустимых относительных гидравлических потер х в трактах устройств , не превышающих -р- 1%. Последнее требование очень жесткое требование, которое чрезвычайно трудно удовлетворить особенно при низких пористост х пористых наполнителей, поскольку коэффициент гидравлических потерь обратно пропорционален пористости F.

С лру( ои стороны, другие не менее важные параметры МР-структур. также завис щие от их пористости, с. ее повышением начинают резко тер ть свои интенсифицирующие теплопередачу свойства.

Из сказанного следует существенный отличительный признак предлагаемогоо ПКТО, 8 именно: пористость их пористых наполнителей на основе МР-структур должна находитьс  в пределах от с 0,75 до Е 0,85, причем нижний предел пористости здесь менее ограничен, если будет возможД Р но допустить -р- 1%.

Использу  имеющуюс  базу исходных данных, были выполнены расчеты предлагаемых ПКТО в двух вариантах их функционировани : в нетривиальном и тривиальном, по примерному ТЗ, представленному здесь в виде табл.1 с примечани ми.

При расчетах, из конструкционно-прочностных соображений, в цел х удовлетворе- ни  минимизационных требований к конструкции ПКТО по ее массе, его монолитный корпус целесообразно выполн ть цилиндрическим или овально-цилиндрическим, что позволит иметь надежную радиальную прочность конструкции при минимальных живых сечени х ее корпуса пор дка 1...3 мм, под крепленного к тому же разделительными мембранами теплообменника.

И это также  вл етс  существенным отличительным признаком предлагаемого ПКТО.

Если пористые наполнители будут не полностью заполн ть цилиндрические или овально-цилиндрические щелевые каналы ПКТО, с образованием при этом внутренних ресиверных коллекторов в каждом щелевом канале, то можно считать при этом, что теплообменник собран примерно по кубической компоновке. Но здесь будет тер тьс  часть ( 30%) теплопередающей поверхности мембран, что, естественно, не желательно .

Если же пористые наполнители будут полностью заполн ть щелевые каналы цилиндрического корпуса ПКТО, то его компоновка при этом будет цилиндрической.

Возможны оба варианта компоновки предлагаемого ПКТО, решени  по которым, однако, принимаютс  по требовани м конкретных ТЗ.

В результате расчета ПКТО по ТЗ определ ютс  длины пористых наполнителей LI и 1-2. а также одна из их толщин h (одна из высот щелевых каналов) при заданной дру- гой По технологическим Соображени м меньша  высота не должна быть меньше ;:. -1 мм.

При расчете ПКТО добиваютс  его зав зки , т.е. соблюдени  услови 

Далее по компоновочному соотношению определ ют ширину щелевых ка- 5 налов ПКТО. Дл  кубической компоновки теплообменника обычно коэффициент , Осева  прочность ПКТО обеспечиваетс  внутрикорпусной ст жкой штыр ми всех его мембран и днищ, а также жидкофазной 0 приваркой к его корпусу внешних подвод щих и отвод щих коллекторов,

Выполненные здесь расчеты ПКТО проводились в. предположении, что они имеют цилиндрическую компоновку и полное за- 5 полнение пористым наполнителем щелевых каналов. При этом принимали, что , т.е. .

Некоторые результаты выполненных расчетов предлагаемого ПКТО по имеющей- 0 с  базе исходных данных дл  МР-структур на медной основе и примерным ТЗ представлены в табл.2.

Из данных табл.2 видно, что в нетривиальном варианте ПКТО, когда в нем исполь- 5 зуютс  теплоносители с сильно различающимис  теплофизическими свойствами , особенно по их теплоемкост м (см.табл.1), при допустимых потер х в тракДР

0 тах теплообменника -р 1 % реализуетс 

не очень большой коэффициент теплопередачи Вт/(м2 К). Тогда как в тривиальном варианте ПКТО, использующем теплоноситель со средними теплофизиче5 скими свойствами, этот коэффициент в три раза выше, и равен 1231 Вт/(м2К) при тех же гидравлических потер х в трактах.

В соответствии с этим удельна  масса нетривиального ПКТО ( у 2,7 кг/кВт) при0 мерно в 3 раза превышает удельную массу тривиального ПКТО ( у 0,974 кг/кВт).

Удельна  масса предлагаемого устройства в 2,7 кг/кВт, хот  и допустима еще 6, но не желательна. Желательный же ее уровень

5 упкг 1 кг/кВт.

По той же причине и радиальный габарит нетривиального ПКТО примерно в 6 раз больше, чем у тривиального теплообменника .

0 Следует заметить, что при расчете нетривиального ПКТО его зав зка при заданных dni dn2 - 0,2 мм; Ei 0,8; Ј5 0,85, hi - 4 мм осуществл лась лишь при h 18 мм и при этом гидравлическое условие по его трактам

5 ДР

S1%, как видно из табл.2, выполн лось.

Р

Именно необходимость повышени  высоты холодного канала нетривиачьнпго ПКТО до 18 мм с целью его зав зки и прппола к тем результатам, которые отражены в табл.2. Причем эта необходимость диктоваДР .... лэсь выполнением услови  - 1% Дл 

Р холодного канала.

Обращают на себ  внимание и факт низких удельных расходов теплоносителей, при которых реализуетс  зав зка теплообменника у нетривиального варианта ПКТО против тривиального.

Вместе с тем, поскольку критерий Рей- нольдса пр мо пропорционален удельному расходу теплоносител , это означает, что зав зка нетривиального ПКТО реализовалась при низких значени х параметров: Re, Nu, аи при повышенных значени х Ј , что и привело к низкому значению коэффициента теплопередачи К дл  этого варианта теплообменника и к трудност м в преодолении в нем гидравлических потерь по щ§левым каналам его трактов.

Обращает на себ  внимание и тот факт, что общим дл  обоих рассчитанных вариантов ПКТО  вл етьс  диаметр проволоки в их пористых наполнител х из МР-структур, равный dn 0,2 мм.

Сам по себе этот факт вынужденный, поскольку базы исходных данных по МР- структурам, сформированным из проволок большого диаметра, пока нет. Разумеетс  ее нужно создавать, но дл  этого неободимо выполнить дополнительные экспериментальные исследовани .

Как видно из табл.2, этот диаметр проволоки пористых наполнителей отлично удовлетворил тривиальный вариант ПКТО и, по-видимому, плохо удовлетвор ет нетривиальный его вариант.

Результаты анализа расчетных данных нетривиального варианта ПКТО показывают , что, действительно, при использовании в пористокомпэктных теплообменниках теплоносителей с сильно различающимис  теплофизическими свойствами, дл  более целесообразной его зав зки, необходимо в его щелевых каналах использовать пористые наполнители на базе МР-структур с разными диаметрами проволок, в том числе значительно превышающими dn 0,2 мм.

Анализ показывает, что при этом здесь возможно существенное повышение коэффициента теплопередачи К при выполнении

требовани  1%, в частности, из-за поР

 вл ющейс  возможности увеличени  гидравлических диаметров щелевых каналов в

обоих трактах теплообменника, даже при минимальных их высотах.

Реализаци  указанных возможностей позволит и на нетривиальных вариантах

ПКТО получать характеристики, не уступающие характеристикам, полученным у тривиальных теплообменников, а может быть и улучшить характеристики-последних.

Из вышеизложенного и рассмотренного

следует еще один существенный отличительный признак предлагаемого ПКТО. а именно: структурна  толщина пористого материала его пористых наполнителей, например диаметра проволоки МР, должна

находитс  в пределах OTdn 0,1 до dn 1,0 мм. Причем здесь нижний предел ограничиваетс  чисто технологическими соображени ми возможности изготовлени  таких МР-структур, а плавающий верхний предел

в первую очередь ограничен только соображени ми целесообразности, а также и тех- но/югическими возможност ми их изготовлени , учитыва , что МР-структуры формируютс  из навиваемых проволочных

спиралей различных диаметров.

Если здесь прин ть первый нижний предел ограничени  dn 0,1 мм за базовый, поскольку он серьезно ограничиваетс  технологией , то тогда рассмотренный выше существенный отличительный признак можно сформулировать в относительных величинах , а именно: структурна  относительна  толщина пористого материала наполнител  должна находитьс  в пределах от д 1 до

д 10.

Следует заметить, что тепловые и гидравлические характеристики МР-структур в  вном виде определ етс  такими ее параметрами: пористостью Ј. диаметром проволоки dn и отношением диаметра навивки (диаметра керна дл  навивки спиралей) к диаметру проволоки dK/dn, а также в не вном виде, возможно степенью усадки при их формировании прессованием и их толщиной

Таким образом, степеней свободы у МР- структур много и дл  вы влени  характера их вли ни  на тепловые и гидравлические характеристики этих структур потребуютс  весьма объемные эеспериментальные исследовани , но это же автоматически расширит начальную базу исходных данных дл  расчетных поисков оптимальных вариантов конструкции предлагаемого устройства на любые случаи их функционировани  в рамках задаваемых ТЗ.

Следует также заметить, что по выполнении указанных объемных экспериментальных исследований и анализа их результатов могут по витьс  обсто тельстоа . которые позвол т написать отдельную за вку на МР-структуру, как на объект, используемый в предлагаемом здесь ПКТО.

Выполненные расчеты предлагаемого ПКТО по имеющейс  мизерной базе исходных данных, тем не менее, также показали, что примерно 60...70% его массы приходитс  на массу пористых теплопередающих наполнителей , хот  они и обладают высокой пористостью пор дка ,8.

На фиг.1 показан предлагаемый теплообменник (продольное сечение В-В на фиг.2 и 3); на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - графики функционировани  опытного натурного пористокомпактного теплообменника .

Предлагаемый пористокомпактный теплообменник имеет монолитный корпус 1 с днищами 2. Корпус набран из колец 3, между которыми вставлены непроницаемые разделительные перегородки (мембраны) 4, образующие проточные щелевые каналы 5 теплообменника. Щелевые каналы частично или полностью заполнены пористопроница- емыми наполнител ми б, например, из МР- структур,интенсифицирующих

теплопередачу в устройстве, с дистанциони- рующими штыр ми 7, равномерно расположенными в наполнител х. При неполном заполнении щелевых каналов 5 пористыми наполнител ми 6 в них образуютс  внутренние ресиверные коллекторы 8, которые при полном заполнении каналов наполнителем отсутствуют. В кольцах 3 монолитного корпуса 1 прорезаны щелевые окна 9 дл  протока гор чего теплоносител  и щелевые окна 10 дл  протока холодного теплоносител . Сна ружи монолитного корпуса 1, над соответствующими щелевыми окнами 9 и 10 расположены входные и выходные внешние коллекторы 11 и 12 соответственно дл  гор чего и холодного теплоносителей с подвод щими штуцерами (патрубками) 13 и 14 соответственно дл  гор чего и холодного теплоносителей.

Предложенный пористокомпактный теплообменник, например, в режиме противотока теплоносителей работает следующим образом.

Допустим, к примеру, что холодный теплоноситель поступает в теплообменник через нижний входной патрубок 14 и нижний внешний коллектор 12, а также через нижние щелевые окна 10 корпуса 1 и попадает в щелевые каналы 5, заполненные пористым наполнителем б частично или полностью, соответственно через ресиверные внутренние коллекторы 8 или, при их отсутствии, н прчмую При этом холодный теплоноситель поступает только в холодный канал 5 теплообменника. Далее холодный теплоноситель течет по этим щелевым каналам вверх через соответству- 5 ющие пористые наполнители 6, контактирующие с разделительными Мембранами 4, через которые он воспринимает тепловой поток от гор чего теплоносител , протекающего при противотоке, сверху вниз анало- 10 гичным пор дком, но уже по гор чим каналам 5 теплообменника через их гор чие пористые наполнители 6. Естественно, что холодный теплоноситель вводитс  в теплообменник и выводитс  из него через 5 холодные внешние коллекторы 12 и пат рубки 14, а гор чий -соответственно через гор чие внешние коллекторы 11 и патрубки 13.

Разумеетс , что предложенный ПКТО 0 может работать и в пр моточном варианте ,но как и любой другой тип теплообменника , менее эффективно.

Из приведенного примера описани  работы предложенного ПКТО вытекает следу- 5 ющий механизм его функционировани . Гор чий теплоноститель, протека  по гор чему пористому наполнителю, отдает тепло его каркасу. Этот каркас подводит тепло через разделительную мембрану к 0 холодному каркасу, с которого это тепло снимаемс  холодным теплоносителем. При таком функционировании реализуетс  эффект интенсификации процеса теплопередачи за счет пористых наполнителей 5 предложенного теплообменника.

Указанный эффект интенсификации процесса теплопередачи подтвержден экспериментально результатами продувок как опытных ПКТО, так и их двухканальных экс- 0 периментальных моделей (образцов) и выражаетс  тем обсто тельством, что в этом сложном процессе теплопередачи процесс теплоотдачи между каркасами пористых наполнителей и теплоносител ми, описывае- 5 мый критериальными степенными зависимост ми, имеет степень при критерии Рейнольдса .

В процессе проведени  исследований по предложенному пористокомпактному 0 теплообменнику была изготовлена небольша  их опытна  сери  из 4 единиц. В основном это 15-канальные ПКТО, в которых 7 каналов гор чих и 8 каналов холодных. Эти теплообменники выполены в тривиаль- 5 ном исполнении с высотой каналов h-5 мм, пористостью пористых наполнителей и МР-структур на медной осноое f - 0,8, с диаметром проволоки dn 0,2 мм и внутренним диаметром их корпуса 98.5 мм. Некоторые из них имели неполное з пглне

ние каналов, т.е. примерно кубическую компоновку г, мм. Часть конструкции этих flKTO - корпус с днищами, дистанциониру- ющие шгыри, мембраны и колу екторы с подвод щими теплоносители патрубками были выполнены из нелегированной конструкционной стали Ст20, а часть - из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Дис- танционирующие штыри из соответствующей стали имели диаметр 5 мм, а их количество в щелевых каналах было при неполном их заполнении пористым наполнителем 17 и при полном - 19. Мембраны примен лись двух толщин: из Ст-20 (5м 0,5 мм и из 12Х18Н9Г (,25мм.

Реальна  теплопередающа  поверхность мембраны, определ ема  наполнителем без торцевой поверхности штырей, соответственно была при неполном запол- ЦРЦИИ 55 см , а при полном заполнении 2 см2, т.е. b первом случае обща  ..тепло- передающа  поверхность 14 мембран 15- канального ПКТО будет 770 см2 0,077 м2, а DO втором 1008 см2 - 0,1008 м2, т.е. эти поверхности отличаютс  на 31 %.

Масса конструкции 15-канального ПКТО вместе с внешними коллекторами и подвод щими теплоносители патрубками составл ет 3,4 кг,

Габариты цилиндрической части этих теплообменников: внешний диаметр по корпусу 102 мм, высота по корпусу 105 мм, пнсота без фланцев (высота теплопередаю- щей части устройства) 80 мм.

Топ пинэ корпуса 1 75 мм, толщина кол- ла тороо1,5мм которые здесь следует признать завышенными.

Использу  имеющуюс  базу исходных дчмннх (гм qfcinjp), дл  описанных здесь по- рнглокомпактных теплообменников были at HcntMui на ПЭВМ зависимости, пред- гслпленные на фиг 4, в предположении неполного заполнени  их щелевых каналов пористыми наполнител ми из МР-структур на медной основе при различных их пори- стост ч с использованием проволоки с d - 0,2 им. При вычислени х, кроме этого, оыпо прим то: среднее давление теплоно- t что пей по трактам ПКТО 2 МПа (20 атм), средн   их температура дл  инертных газов Г а дл  воздуха 00 К. Относительные

потери давлени  в трактах были прин ты 1%.

Из данных фиг.4 дл  рассмотренных ПКТО с фиксированной пористостью их по- ристых наполнителей g О будем иметь результаты, представленные в табл 3.

Если среднелогарифмический температурный напор теплопередачи в рассмотренных ПКТО понизить в 2 раза, т.е. прин ть его Atn 10 К, то удельные массовые характеристики этих теплообменников при их физической неизменности по массе и габаритам ухудшатс , т.е. возрастут в 2 раза. Но, сле

дует заметить, что Д 1п 10 К- чрезвычайно

мала  величина, хот  дл  некоторых условий эксплуатации предлагаемого ПКТО возможно потребуетс , но даже при таких

услови х эти теплообменники будут эффективно функционировать.

Основное достоинство предлагаемого пористокомпактного теплообменника при работе с газовыми теплоносител ми по

крайней мере в его тривиальном исполнении , как видно из данных табл.3, состоит в низких массовых и габаритных характеристиках (0,5...1,5 кг/кВт при среднелогариф- мическом температурном напоре 10...20

градусов дл  теплоносителей р да водород, ксенон, соответственно при среднем давлении в трактах 2 МПа и при очень низких относительных потер х давлени  по их трактам 1%).

При экспериментальном расширении

базы исходных данных, дл  расчетных поисков все более оптимальных вариантов конструкции предлагаемых ПКТО, по витс  также возможность находить конструкции и

Дл  их нетривиального исполнени , при ипользовании в них неоднотипных теплоносителей с сильно различающимис  теплофи- зическими свойствами, обеспечивающие таким теплообменникам массогабаритные

характеристики,не уступающие характеристикам теплообменников при тририальном исполнении.

(56) Патент США N 3433299. кл , опублик. 1969.

Авторское свидетельство СССР №486205. кл. 3/02. опуРпик :Q73.

Примечание. 1. Предполагаетс  противоточна  схема подачи теплоносителей в теплообменнике

2.Теплофизические свойства теплоносителей вз ты из справочной литературы при их средней температуре по трактам теплообменника Т и при их среднем давлении в них Р - 10 -105Па(10атм).

АР

3.Относительные допустимые потери давлени  по трактам теплообменника 1%.

Р т.е. ,1 -105Па(0,1 атм).

Т а б л и ц а 1

Продолжение табл.1

сТаблица2

Примечание. 1. Материал корпуса, мембран, штырей, днищ и коллекторов - нержавеюща  сталь 12Х18Н9Т.

2 Прин та  компоновка ПКТО - цилиндрическа  при полном заполнении щелевых каналов пористым наполнителем.

3.Нетривиальный вариант ПКТО рассчитывалс  по ТЗ табл.1,

4.Тривиальный вариант ПКТО рассчитывалс  по части ТЗ табл.1, но с корректировкой ее исходных данных. Так при этих расчетах было прин то: TI Т2 600 К; Тч Тг 214 К и в соответствии с занижением средних температур теплоносителей на 97 К его теплофизические свойства здесь были соответственно скорректированы.

5 В табл. 2 у пкто - удельна  масса предлагаемого устройства.

k

НПЗ - неполное заполнение щелевых каналов

ПКТО пористым наполнителем; ПЗ - их полное заполнение.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   ПОРИСТОКОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, СОдержащий размещенные в корпусе, включающем обечайку с днищами, непроницаемые разделительные мембраны , образующие щелевые проточные каналы дл  прокачки теплоносителей и расположенные в них пористые наполнители с дистанционирующими штыр ми, и коллекторы, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  массы и габаритов, сокращени  материалоемкости и повышени  прочности конструкции, а также обеспечени  минимальных потерь на прокачку теплоносителей корпус с разделительными мембранами, дистанционирующие штыри и nopnctbie наполнители выполнены заодПродолжение т бл 2

   ТаблицаЗ

   но, причем дистанционирующие штыри в щелевых каналах расположены соосно друг с другом с образованием ст жек между мембранами и днищами корпуса, отделенные от крайних пористых наполнителей зазорами, в которых также размещены штыри, пористость наполнителей выбрана в соответствии с соотношением 0,75 е 0,85, при изменении структурной относительной толщины пористого материала от 6 1 до б 10, а корпус выполнен цилиндрическим, круглым или овальным в сечении и его поверхность снабжена щелевыми входными и выходными окнами дл  теплоносителей сообщенными с соответствующими коллекторами

   Фиг. 2

   j-j

   /4

   ik

   В-6

   ь

   Фиг.З

   QS o,sr 0,6 0,tS е QiS 0,8 0,8f Q9 Ot9f Ц) Дианетр проволоки наполнителей - о,2.мм 4--водород

   2 гелий

   3 - toadyx -ксенон

   Фиг. Ь