ТЕПЛООБМЕННИК ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИНЫ ТЕЛООБМЕННИКА
LAMINAR HEAT EXCHANGER AND PRODUCTION OF HEAT EXCHANGER PLATES

Область техники
Настоящее изобретение относится к пластине теплообменника, корпусу теплообменника и теплообменному блоку. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления пластины теплообменника.
Уровень техники
Обычный теплообменник пластинчатого типа в основном состоит из множества пластин теплообменника, между которыми обеспечена возможность пространственно обособленного протекания потоков текучей среды, имеющих разную температуру. Это позволяет извлекать тепловую энергию за счет теплообмена между текучими средами.
Из европейского патентного документа ЕР 1842616 известен способ изготовления теплообменника пластинчатого типа. Получаемый в результате теплообменник содержит множество наложенных друг на друга пластин теплообменника, созданных из элементов в виде прямоугольных пластин. Каждая пластина теплообменника имеет фланцы, созданные по ее периферии. Фланцы содержат плоские части, расположенные на двух противоположных краях пластины, которые изогнуты в направлении одной стороны пластины, и приподнятые части на оставшихся противоположных краях пластины, которые изогнуты в направлении другой стороны пластины. Две пластины теплообменника соединяют, располагая их друг против друга, при этом одну пластину переворачивают верхней стороной вниз. При чередовании плоские части или приподнятые части соседних пластин образуют контактные поверхности. При этом между пластинами возникают проходы с отверстиями, что позволяет текучим средам обмениваться теплом при протекании через эти проходы. Как можно видеть, при объединении пластин теплообменника в ЕР 1842616 получают первый проход или канал для текучей среды, имеющий первые отверстия канала для текучей среды шестиугольной формы. Аналогичная конфигурация теплообменника с шестиугольными отверстиями каналов для текучей среды описана в патентном документе US 2004/0080060.
Недостатком известных теплообменников является то, что углы каналов для текучей среды, имеющих неправильную форму, в таком теплообменнике создают нежелательные препятствия для протекающей текучей среды на углах с боковых сторон этих каналов, что является источником турбулентности и увеличенного сопротивления потоку. Кроме того, геометрия углов является сложной, что требует дополнительных герметизирующих элементов и приводит к росту стоимости производства.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложить такую пластину теплообменника, пары которых можно было бы объединять в корпус теплообменника с получением отверстия канала для текучей среды, которое обеспечивает более высокие возможности соединения и вызывает меньшую турбулентность.
Согласно одному из аспектов, предлагается пластина теплообменника, созданная из четырехугольной пластины, имеющей пару противоположных первых краев и пару противоположных вторых краев, причем пластина теплообменника имеет первые поверхностные части, каждая из которых расположена вдоль средней части первого края пластины и содержит первую контактную область, пластина теплообменника имеет вторые поверхностные части, каждая из которых расположена вдоль средней части второго края пластины и содержит вторую контактную область, при этом первые поверхностные части изогнуты в направлении первой стороны четырехугольной пластины с получением первого неполного канала для текучей среды, а вторые поверхностные части изогнуты в направлении второй стороны четырехугольной пластины с получением второго неполного канала для текучей среды, первые контактные области копланарны и определяют плоскость, и пластина теплообменника содержит угловые поверхностные части, содержащие угловую часть первого края и угловую часть второго края, причем по меньшей мере две угловых поверхностных части изогнуты внутрь относительно первого неполного канала для текучей среды таким образом, чтобы соответствующие угловые части первого края лежали в упомянутой плоскости, и в то же время соответствующие угловые части второго края были по существу перпендикулярны упомянутой плоскости.
В дополнение и в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ изготовления такой пластины теплообменника.
"По существу перпендикулярность" соответствующих угловых частей второго края означает, что такая угловая часть второго края ориентирована под углом, по существу 90° относительно плоскости, определенной копланарными первыми контактными областями.
В предпочтительном случае, при соединении двух таких пластин теплообменника, имеющих согнутые угловые поверхностные части, в корпус теплообменника, где одна пластина перевернута верхней стороной вниз, и пластины расположены друг против друга, формируется первый канал для текучей среды, имеющий отверстия первого канала для текучей среды с правильной четырехугольной или даже прямоугольной формой. Наложение друг на друга таких корпусов теплообменника дает теплообменный блок с первым и вторым каналами для текучей среды, в котором отверстия первого канала для текучей среды имеют правильную форму, представляя собой вход для подающегося потока текучей среды, который не имеет препятствий и который легко может быть связан с подающими и выпускными каналами для текучей среды.
Согласно одному варианту выполнения, пластина теплообменника создана из прямоугольной пластины с получением второго неполного канала для текучей среды, по существу, перпендикулярного первому неполному каналу для текучей среды.
Получаемые в результате пластина теплообменника, корпус теплообменника и теплообменный блок имеют высокую степень симметрии, и поэтому их легко изготовить.
Согласно другому варианту выполнения по меньшей мере одна из первых поверхностных частей содержит первый фланец рядом с соответствующей средней частью первого края. Этот первый фланец включает первую контактную область.
Согласно еще одному варианту выполнения по меньшей мере одна вторая поверхностная часть содержит второй фланец рядом с соответствующей средней частью второго края. Этот второй фланец включает вторую контактную область.
Эти первая и вторая контактные области первого и второго фланцев обеспечивают контактные поверхности по существу большей площади для соединения соседних пластин теплообменника.
Согласно другому варианту выполнения, часть первого фланца изогнута относительно плоскости S.
Наличие отклоняющихся частей у фланца приводит к получению раскрытия между контактирующими первыми поверхностями пластин теплообменника, расположенными вдоль этих частей фланца, представляющего собой доступную область для соединения и/или герметизации пластин теплообменника, например, путем пайки или сварки.
В еще одном варианте выполнения поперечное сечение по меньшей мере одного из первого и второго неполных каналов для текучей среды изменяется по длине этих каналов.
За счет изменения поперечных сечений каналов по их длине можно регулировать распределение температуры внутри теплообменника таким образом, чтобы повысить эффективность теплопереноса между текучими средами, обменивающимися теплом, которые протекают через эти каналы.
Согласно другим аспектам настоящего изобретения, предлагаются корпус теплообменника пластинчатого типа и теплообменный блок пластинчатого типа. Корпус теплообменника содержит пару описанных выше пластин теплообменника, которые соединены по первым контактным областям, причем первые неполные каналы соответствующих пластин теплообменника создают первый канал для текучей среды. Предлагаемый теплообменный блок пластинчатого типа содержит множество описанных выше корпусов теплообменников, которые соединены по вторым контактным областям таким образом, что один из вторых неполных каналов для текучей среды, созданный в первом корпусе теплообменника, объединен с одним из вторых неполных каналов для текучей среды, созданным во втором корпусе теплообменника, с получением второго канала для текучей среды.
Краткое описание чертежей
Далее будут описаны варианты выполнения только в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичными ссылочными обозначениями указаны аналогичные элементы, и из которых:
на Фиг.1 приведен схематичный общий вид теплообменного блока.
На Фиг.2а приведен схематичный общий вид прямоугольной пластины, используемой для создания пластины теплообменника, соответствующей одному из вариантов выполнения.
На Фиг.2b приведен общий вид одного из вариантов выполнения пластины теплообменника с изогнутыми угловыми и краевыми поверхностными частями.
На Фиг.3a приведен схематичный общий вид прямоугольной пластины, используемой для создания пластины теплообменника, соответствующей другому варианту выполнения, которая имеет фланцы.
На Фиг.3b приведен общий вид другого варианта выполнения пластины теплообменника с изогнутыми угловыми поверхностными частями и фланцами.
На Фиг.4 приведен общий вид условно разрезанной пары наложенных друг на друга корпусов теплообменников, соответствующих одному из вариантов выполнения.
На Фиг.5a-Фиг.5j приведены варианты выполнения пластин теплообменника с разной кривизной первой поверхностной части и разными первыми фланцами.
На Фиг.6 приведен общий вид пары наложенных друг на друга корпусов теплообменников, соответствующих одному из вариантов выполнения, которые имеют фланцы.
На Фиг.7a приведен схематичный общий вид четырехугольной пластины, используемой для создания асимметричной пластины теплообменника, соответствующей еще одному варианту выполнения.
На Фиг.7b приведен общий вид асимметричной пластины теплообменника, соответствующей еще одному варианту выполнения.
Чертежи предназначены только для иллюстрации и не предполагают ограничение объема или защиты, определенных пунктами приложенной Формулы изобретения.
Подробное описание изобретения
Данное изобретение относится к теплообменникам и к способу изготовления пластин теплообменника, образующих корпус теплообменника или теплообменный блок. Теплообменники пластинчатого типа могут быть созданы из множества пластин теплообменника, имеющих изогнутые или согнутые поверхностные части. Термин "изгибание" или "сгибание" поверхностей должен здесь пониматься в широком смысле, обозначая не только отчетливый сгиб по линии на этой поверхности, но также и поверхностную область, имеющую более плавное искривление.
Теперь дается более подробное рассмотрение чертежей.
На Фиг.1 приведен схематичный общий вид теплообменного блока 102, состоящего из множества пластин 106 теплообменника. Теплообменный блок 102, показанный на чертеже, имеет очевидную прямоугольную симметрию. Отдельные пластины 106 теплообменника, которые могут быть сформированы из плоских прямоугольных заготовок, дополнительно рассмотрены со ссылкой на Фиг.2 - Фиг.3. Пластина 106 теплообменника на Фиг.1 имеет прямоугольную симметрию, если смотреть сверху. В общем случае это не является обязательным, так как пластина 106 теплообменника может быть изготовлена из прямоугольной пластины или из непрямоугольной четырехугольной пластины.
В качестве альтернативы, теплообменный блок 102 можно рассматривать как состоящий из корпусов 104 теплообменников, которые созданы из пар соседних пластин 106 теплообменника. Пластины 106 теплообменника расположены примыкающими друг к другу, при этом одна из пластин перевернута верхней стороной вниз относительно другой пластины. Корпус 104 теплообменника может представлять собой отдельное изделие и дополнительно рассмотрен со ссылкой на Фиг.4.
Теплообменный блок 102, показанный на Фиг.1, называется теплообменником пластинчатого типа с перекрестным потоком. Отверстия 112, 114 каналов для текучей среды, созданных в теплообменнике, с перекрестным потоком образуют впуски и выпуски для потоков текучей среды и с чередованием расположены на соседних поверхностях теплообменного блока 102. Внутри теплообменный блок 102 имеет каналы 108, 110, через которые могут протекать текучие среды, обменивающиеся теплом. В данном случае эти каналы 108, 110 для текучей среды имеют перекрестное расположение. В конфигурации, показанной на Фиг.1, первые каналы 108 для текучей среды, созданные в теплообменном блоке, перпендикулярны вторым каналам 110 для текучей среды, хотя возможны и другие конфигурации каналов.
В варианте выполнения, показанном на Фиг.1, отверстия 112 первых каналов для текучей среды имеют прямоугольную форму. Технология получения созданных в данном случае прямоугольных отверстий 112 первых каналов для текучей среды может одинаково хорошо быть применена к другим известным базовым типам теплообменника, который может быть основан на принципе прямотока или противотока. В конструкции U-образного типа с прямотоком или противотоком расположенные на расстоянии друг от друга впуски и выпуски, относящиеся к одному и тому же каналу для текучей среды, находятся на одной и той же поверхности теплообменного блока. В качестве альтернативы, в теплообменнике Z-образного типа с прямотоком или противотоком впуски и выпуски, относящиеся к одному и тому же каналу для текучей среды, находятся в расположенных на расстоянии друг от друга частях противоположных поверхностей теплообменного блока. Описание этих типов теплообменника, как таковых, можно найти, например, в патентных документах WO 92/09859 и WO 96/19708.
На Фиг.2а приведен схематичный общий вид прямоугольной пластины 204, из которой может быть создан один из вариантов выполнения пластины 106 теплообменника. Две противоположных поверхности прямоугольной пластины 204 образуют первую сторону 206 и вторую сторону 208 пластины. По периметру прямоугольной пластины 204 находятся пара противоположных первых краев 220 пластины и пара противоположных вторых краев 222 пластины. Вытянутые участки поверхности, находящиеся рядом со средними частями 221, 223 первого и второго краев прямоугольной пластины 204, образуют первые поверхностные части 210 и вторые поверхностные части 212.
На Фиг.2a показана только одна вторая поверхностная часть 212 и соответствующий второй край 222 пластины, что согласуется с Фиг.2b, на которой показана изогнутая пластина 106 теплообменника. Понятно, что вторая поверхностная часть 212 и второй край 222 пластины могут также иметься на заднем конце прямоугольной пластины 204 и пластины 106 теплообменника, показанных на Фиг.2a и 2b, соответственно.
В оставшихся областях вдоль первого и второго краев 220, 222 пластины находятся угловые поверхностные части 224, которые располагаются рядом с первой и второй поверхностными частями 210, 212. Части краев пластины, которые граничат с угловой поверхностной частью, называются угловой частью 226 первого края и угловой частью 228 второго края, при этом обе они являются продолжениями средних частей 221, 223 первого и второго краев, соответственно.
Оставшаяся область прямоугольной пластины, не занятая поверхностными и/или угловыми частями 210, 212, 224, называется основной поверхностной частью 218.
Пластины 106 теплообменника могут быть изготовлены из материалов для получения металлического листа, например углеродистой стали или легированной стали, имеющих достаточную пластичность, чтобы сделать возможным описанное выше создание. Чтобы иметь некоторую свободу при формообразовании пластин 106 теплообменника, будет предпочтительным, если конструкционный материал также допускает определенный уровень необратимой деформации во время процесса создания. Материалы, обычно используемые при изготовлении пластин, могут позволить пластическую деформацию до 10% - 30%.
На Фиг.2b показана пластина 106 теплообменника, полученная в результате изгибания нескольких поверхностных частей прямоугольной пластины 204. Пластина 106 теплообменника сформирована путем изгибания первых поверхностных частей в направлении первой стороны 206 прямоугольной пластины 204. Это изгибание даст первый желоб или первый неполный канал 230 для текучей среды на первой стороне 206 прямоугольной пластины 204. Этот первый неполный канал 230 для текучей среды ограничен основной поверхностной частью 218 и изогнутыми первыми поверхностными частями 210.
В дополнение к этому, вторые поверхностные части 212 изгибают ко второй стороне 208 прямоугольной пластины 204, что дает второй желоб или второй неполный канал 232 для текучей среды на второй стороне 208. Этот второй неполный канал 232 для текучей среды ограничен основной поверхностной частью 218 и изогнутыми вторыми поверхностными частями 212.
Каждая из первой и второй поверхностных частей 210, 212 пластины 106 теплообменника имеет соответствующую первую или вторую контактную область 214, 216, представляющую собой линию или участок поверхности, подходящие для соединения с аналогичной контактной областью второй пластины теплообменника. В примере, показанном на Фиг.2b, пластина 106 теплообменника имеет первые контактные области 214, совпадающие с соответствующими средними частями 221 первого края.
Полученная в итоге пластина 106 теплообменника имеет первые контактные области 214, которые копланарны и определяют плоскость S. Эта плоскость S задает эталон, относительно которого могут быть четко определены меры для получения отверстий 112 первых каналов для текучей среды, имеющих правильную форму.
Угловые поверхностные части 224 полученной в итоге пластины 106 теплообменника изогнуты внутрь относительно первого неполного канала 230 для текучей среды, в результате чего угловые части 226 первого края находятся, главным образом, в плоскости S. Угловые части 228 второго края в полученной в итоге пластине 106 теплообменника по существу перпендикулярны плоскости S.
"По существу перпендикулярность" соответствующих угловых частей 228 второго края означает, что такая часть 228 ориентирована под углом δ расположения углового края приблизительно 90° относительно плоскости S, определенной копланарными первыми контактными областями 214, т.е. что угловая часть 228 второго края параллельна вектору нормали к плоскости S. Прямой угол δ расположения углового края показан на Фиг.2b.
На эту перпендикулярность влияют допуски изготовления, которые могут находиться в диапазоне 5-10%, но предпочтительно составляют менее 5%.
Отклонение dδ от перпендикулярности выбранной угловой части края выбранной пластины теплообменника потребует изготовления примыкающей пластины теплообменника, имеющей присоединяемую угловую часть края, с дополняющим отклонением от нормали, чтобы обеспечить расположение выбранной угловой части края и присоединяемой угловой части края на одной линии, и чтобы отверстие 112 первого канала для текучей среды оставалось правильной четырехугольной формы. Другими словами, если отклонение dδ для выбранной угловой части края приводит к углу расположения углового края δ=90°+dδ, то угол для присоединяемого углового края должен быть равен 90°-dδ. Если эта дополняемость не соблюдается, то отверстие 112 первого канала для текучей среды в корпусе 104 теплообменника, созданное путем смыкания пластин 106 теплообменника, примет нежелательную форму, отличающуюся от четырехугольной (т.е. шестиугольную). В предпочтительном случае отклонение dδ равно 0°.
В варианте выполнения, показанном на Фиг.2В, угловая часть 226 первого края наклонена под первым углом 0°<α<90° относительно средней части 221 первого края. Величина этого угла α зависит от выбранных размеров и ориентации различных поверхностных областей. Чтобы угловая часть 228 второго края была по существу перпендикулярна плоскости S, первый угол α должен превышать 0°. Конечные размеры первой и второй поверхностных частей 210, 212 требуют, чтобы первый угол был меньше 90°. В предпочтительном случае, первый угол α находится в диапазоне 5°<α≤30°, чтобы достичь плавного распределения потока на входе в соответствующие первые каналы 108 для текучей среды и выходе из них.
Кроме того, в этом варианте выполнения изогнутые первая и вторая поверхностные части 210, 212 сформированы путем сгибания вдоль соответствующих первой и второй линий 229, 231 сгибания, расположенных в плоскости прямоугольной пластины 204. Первая линия 229 сгибания находится между первой поверхностной частью 210 и основной поверхностной частью 218, а вторая линия 231 сгибания находится между второй поверхностной частью 212 и основной поверхностной частью 218.
Геометрия получаемой в результате согнутой пластины теплообменника, показанной на Фиг.2b, кроме того, предполагает, что необходима дополнительная линия 233 сгибания, соединяющая точку на втором крае 222 пластины с точкой пересечения первой линии 229 сгибания и второй линии 231 сгибания. В этой конфигурации угловые поверхностные части 224 пластины 106 теплообменника также сгибают вдоль диагональной линии 234 сгибания, соединяющей точку пересечения дополнительной линии 233 сгибания и второго края 222 пластины с точкой пересечения второй линии 231 сгибания и первого края 220 пластины.
Согласно альтернативным вариантам выполнения, первые поверхностные части 210 могут представлять собой согнутые плоские участки поверхности, перпендикулярные плоскости S, либо могут представлять собой области, изогнутые по кривой. В последнем случае дополнительная линия 233 сгибания и диагональная линия 234 сгибания не требуются.
Пластина 106 теплообменника может иметь второй неполный канал 232 для текучей среды, который по существу перпендикулярен первому неполному каналу 230 для текучей среды. Эта перпендикулярность может иметься вне зависимости от геометрии, при которой могут присутствовать сгибы и многоугольная форма, как показано на Фиг.2b, либо изгиб по кривой.
Как уже было упомянуто, пластины 106 теплообменника также могут быть получены из пластин, имеющих непрямоугольную четырехугольную форму. В этом случае не требуется, чтобы первый и второй неполные каналы 230, 232 для текучей среды были перпендикулярными. На асимметричную конфигурацию четырехугольной пластины накладывается только ограничение, заключающееся в том, чтобы первые контактные области 214 по-прежнему находились в плоскости S.
На Фиг.3a приведен схематичный общий вид прямоугольной пластины 204, используемой для создания пластины 302 теплообменника с фланцами, соответствующей Фиг.3b. Как и ранее, вторая поверхностная часть 212 и второй край 222 пластины, находящиеся с задней стороны пластины, не показаны. По меньшей мере одна из первых поверхностных частей 210 пластины 302 теплообменника с фланцами может содержать первый фланец 304 рядом с соответствующим первым краем 220 пластины.
Первый фланец 304 может проходить вдоль всего первого края 220 пластины, то есть как вдоль средней части 221 первого края, так и вдоль угловых частей 226 первого края, как показано на Фиг.3b. В качестве альтернативы, по меньшей мере одна первая поверхностная часть 210 может содержать первый фланец 304, проходящий, главным образом, вдоль средней части 221 первого края и постепенно переходящий в угловую поверхностную часть 224. В этом случае первый фланец 304 сливается с бесфланцевой угловой частью 226 первого края. Такие переходы в пластинах 302 теплообменника с фланцами можно получать при изготовлении из заготовок в виде пластины, обладающих способностью к пластической деформации, как описано ранее.
В качестве альтернативы или в дополнение к первому фланцу 304, по меньшей мере одна из вторых поверхностных частей 212 пластины 302 теплообменника с фланцами может иметь второй фланец 306 рядом с соответствующей средней частью 223 второго края. На Фиг.3b показан вариант выполнения пластины 302 теплообменника с фланцами, включающей первый и второй фланцы 304, 306. Создание первого и второго неполных каналов 230, 232 для текучей среды аналогично варианту выполнения, показанному ранее на Фиг.2b. Первый фланец 304 включает первую контактную область 214 и вместе с оставшейся первой контактной областью пластины 302 теплообменника с фланцами определяет плоскость S. На Фиг.3b весь первый фланец 304 лежит в плоскости S и полностью совпадает с первой контактной областью 214. В качестве альтернативы, первый фланец 304 может иметь часть 310 первого фланца, которая изогнута таким образом, что наклонена относительно плоскости S, что дополнительно рассмотрено со ссылкой на несколько чертежей Фиг.5.
На Фиг.4 приведен общий вид условно разрезанной пары наложенных друг на друга корпусов 104 теплообменников, соответствующих одному из вариантов выполнения. Один корпус 104 теплообменника содержит пластины 106, 106', которые соединены по их соответствующим первым контактным областям 214, 214'. В целом, эти первые контактные области 214, 214' могут содержать один или более элементов, выбранных из следующих: средние части 221 первого края, угловые части 226 первого края и/или первые фланцы 304, возможно, не включая наклонные части 310 первого фланца. Эти элементы были показаны на предыдущих чертежах. Чтобы уменьшить или исключить утечку текучей среды в окружающую среду, предпочтительно, чтобы первые контактные области 214, 214' пластин 106, 106' теплообменника были герметизированы. Первые контактные области 214, 214' могут быть герметизированы частично или полностью при помощи первых герметизирующих соединений 402 между пластинами 106, 106' теплообменника. Аналогичным образом, вторые контактные области 216, 216' могут быть соединены при помощи вторых герметизирующих соединений 404. Эти герметизирующие соединения 402, 404 могут быть обеспечены, например, путем сварки, пайки пластин теплообменника или установки на них зажимов вдоль их соответствующих первых и/или вторых контактных областей. Способы соединения пластин дополнительно рассмотрены со ссылкой на Фиг.5.
Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения, пластина 106 теплообменника может иметь по существу плоскую первую поверхностную часть 210, которая наклонена под вторым углом β относительно плоскости S. Этот второй угол β может находиться в диапазоне 0°<β≤135°. Случай β=90° представляет собой первую поверхностную часть 210, которая перпендикулярна плоскости S. Нереалистичная величина β=0° представляет собой асимптотический предел, приводящий к получению первого канала 108 с исчезающей высотой и отсутствию пространства между основными поверхностными частями 218, 218' соседних пластин 106, 106' теплообменника. Для случаев β<90°, показанных на Фиг.4, первые поверхностные части 210, 210' наклонены относительно плоскости S, что приводит к получению первого канала 108 для текучей среды с правильной шестиугольной формой. Диапазон 90°<β≤135° аналогичным образом дает шестиугольную форму с первыми поверхностными частями, которые согнуты внутрь относительно первого канала 108 для текучей среды. В обеих таких конфигурациях угловые поверхностные части 224 пластины теплообменника могут быть согнуты вдоль дополнительных линий 233 сгибания. Этот второй угол β в предпочтительном случае может находиться в диапазоне 30°≤β≤135°, чтобы сохранить первые поверхностные части 210 корпуса 104 теплообменника не слишком выступающими или острыми рядом с краями.
В качестве альтернативы, пластина 106 теплообменника может иметь первые и/или вторые поверхностные части 210, 212, изогнутые по кривой, как рассмотрено со ссылкой на Фиг.5a-Фиг.5e. В таких случаях первая поверхностная часть 210 не является согнутой плоской областью, что делает концепцию второго угла β менее применимой. В данном случае более подходящим является отношение между высотой Н первого неполного канала для текучей среды и шириной W первой поверхностной части, проецированной на плоскость S. По той же причине, что приведена выше, отношение H/W для выступающих наружу первых поверхностных частей 210 в предпочтительном случае больше 1/√3. Верхнюю границу для H/W задать нельзя, но она соответствует такой конфигурации криволинейной первой поверхностной части 210, которая стремится к перпендикулярной конфигурации, показанной на Фиг.5a.
На Фиг.5a-Фиг.5j приведены частичные поперечные сечения первого канала 108 для текучей среды в различных вариантах корпуса теплообменника. На Фиг.5a-Фиг.5e основное внимание уделено форме первых поверхностных частей 210, 210' двух примыкающих пластин 106, 106' теплообменника. Согласно принятому значению терминов "изгибание" или "сгибание", объясненному ранее, первые поверхностные части 210, 210' могут быть изогнуты различными путями, что приводит к получению разных форм. Показанными формами для первых поверхностных частей 210, 210' являются плоская и перпендикулярная (Фиг.5a), плоская и наклонная (Фиг.5b), выпуклая (Фиг.5c), вогнутая (Фиг.5d) и синусоидальная (Фиг.5e). Кроме того, Фиг.5a-Фиг.5j иллюстрируют разные формы контактных областей 214, 214' соседних пластин 106, 106', 302, 302' теплообменника, а также способы скрепления соседних пластин. Эти первые контактные области 214, 214' могут быть сформированы первыми краями 220, 220' пластин (Фиг.5a-Фиг.5e), первыми фланцами 304, 304' в целом (Фиг.5f), либо областями первых фланцев 304, 304', которые не включают части 310, 310' первых фланцев (Фиг.5g-Фиг.5i).
Как показано на Фиг.5G - Фиг.5I, первый фланец 304 может иметь часть 310 первого фланца, которая изогнута таким образом, чтобы она была наклонена относительно плоскости S. Наклонная часть 310 первого фланца не будет лежать в плоскости S, и, таким образом, не совпадает с первой контактной областью 214. Наклон между плоскостью S и частью 310 первого фланца может быть указан третьим углом γ. Третий угол γ ограничен диапазоном 0°<γ<180°. Верхнее значение этого диапазона может быть дополнительно ограничено возможностью физического контакта между частью 310 первого фланца и первой поверхностной частью 210.
Выбранная форма первой поверхностной части 210 диктует геометрический переход от этой первой поверхностной части 210 к согнутой угловой поверхностной части 224 пластины 106, 302 теплообменника. Переход может быть постепенным по кривой, или он может быть больше похож на полигональную конфигурацию пластины теплообменника, показанную на Фиг.2b и 3b.
Помимо этого, возможно, чтобы две примыкающих пластины теплообменника имели разную форму.
Соединение и герметизация первой и второй контактных областей 214, 216 могут быть обеспечены при помощи обычных способов, например, сварки и пайки. Известные способы сварки, которые здесь показаны, позволяют получить угловой сварной шов 502, сварной шов 504, изготовленный при помощи плазменной сварки или контактной сварки сопротивлением (Фиг.5a), сварной шов 506 с разделкой кромок (Фиг.5b и 5c), торцевой сварной шов 508 (Фиг.5d и 5e) или стыковой сварной шов (не показан).
Кроме того, известно, что качество сварки может быть улучшено путем удаления некоторой части материала пластины из контактных областей 214, 216 таким образом, чтобы получить разделку кромок под сварку вдоль этих контактных областей. Как изображено на Фиг.5f-Фиг.5h, наличие фланцев 304 увеличивает площадь контактных областей 214, обеспечивая доступный выступ для создания торцевого сварного шва 508. Может быть применено значительно больше известных технологий герметизации краев, как будет очевидно специалисту в области сварки.
Пара соседних пластин 106, 302 теплообменника может быть снабжена краевым зажимом 512 или элементом 514, направляющим поток, как показано на Фиг.5i и Фиг.5j, соответственно. Краевой зажим 512 или элемент 514, направляющий поток, могут находиться на соединяемой паре первых поверхностных частей 210, 210' двух соседних пластин 106, 106', 302, 302' теплообменника.
Для пластин 106, 302 теплообменника, которые сварены вместе, не обязательно, чтобы элемент 514, направляющий поток, имел высокую механическую жесткость, так как основным назначением этого элемента будет направление потока в каналы 108, 110 для текучей среды.
Для несварных пластин 106, 302 теплообменника может потребоваться установка краевых зажимов 512 или более жестких элементов 514, направляющих поток. В последнем случае дополнительной функцией элемента 514, направляющего поток, является удерживание пластин вместе и предотвращение утечки из каналов 108, 110 для текучей среды и в эти каналы. Это показано на Фиг.5i. Вдоль первых поверхностных частей 210, 210' закреплен краевой зажим 512, также служащий в качестве элемента 514, направляющего поток, который может состоять из упругого материала, например пружинной стали. Закрепленный краевой зажим 512 сжимает пластины теплообменника вдоль первых контактных областей 214, 214'. Между первыми контактными областями в направлении по их длине может быть установлена прокладка 516, чтобы улучшить герметизацию первого канала 108 для текучей среды. Кроме того, вдоль первых контактных областей с их боковой стороны может быть нанесен герметизирующий материал 518, который в предпочтительном случае закрыт снаружи краевым зажимом 512. Так как геометрия корпуса теплообменника изменяется рядом с угловыми поверхностными частями 224, то здесь, по сравнению с краевыми зажимами 512 или элементами 514, направляющими поток, более предпочтительным может оказаться постоянное скрепление (например, сварка или пайка) первых контактных областей 214.
Хотя на чертежах это не изображено, вторые поверхностные части 212 могут также быть криволинейными, аналогично показанному на нескольких чертежах Фиг.5. Кроме того, описанные выше меры, примененные для соединения пластин теплообменника по их соответствующим первым контактным областям 214, также могут быть применены и ко вторым контактным областям 216 двух пластин или корпусов теплообменника. Соединение может быть создано вдоль любых контактных областей 214, 216, при этом способы соединения используются в любой требуемой комбинации этих способов.
На Фиг.6 приведен общий вид пары наложенных друг на друга корпусов 602 теплообменника с фланцами. Один из показанных корпусов 602 теплообменника с фланцами снабжен элементом 514, направляющим поток, который расположен на соединяемой паре первых поверхностных частей 210, 210' двух примыкающих друг к другу пластин 302, 302' теплообменника с фланцами.
Таким образом, на имеющихся первых поверхностных частях 210 может быть установлено множество элементов 514, направляющих поток. В качестве альтернативы или в дополнение, один или более элементов 514, направляющих поток, могут быть обеспечены на соединяемой паре вторых поверхностных частей 212', 212" двух соседних пластин 320', 302" теплообменника с фланцами.
Элемент 514, направляющий поток, может представлять собой обычную направляющую потока, которая направляет поток текучей среды в каналы 108, 110 или из этих каналов, одновременно осуществляя разделение потока.
В качестве альтернативы, элемент 514, направляющий поток, может представлять собой скобу 606, являющуюся тонкой криволинейной пластиной, закрывающей снаружи пару соседних поверхностных частей 210, 210' или 212', 212", которая в предпочтительном случае установлена на впускных отверстиях 112, 114 первых или вторых каналов для текучей среды. Эта скоба 606, расположенная у впускных отверстий 112, 114 каналов для текучей среды, проходит на определенное расстояние внутрь этих отверстий. Между скобой 606 и основными поверхностными частями 218 пластин 302 теплообменника с фланцами может быть обеспечен термоизолирующий зазор, заполненный неподвижной текучей средой, идентичной находящейся в соответствующем канале для текучей среды, чтобы защитить основные поверхностные части и отверстия каналов для текучей среды от прямого контакта с текучей средой, поступающей в каналы для текучей среды. В дополнение к этому данный термоизолирующий зазор может быть заполнен изолирующим материалом 610, например, фиброй из керамики, чтобы повысить эффективность изоляции. Это предотвращает чрезмерные охлаждение или нагрев поверхностей и краев поступающим потоком текучей среды.
Кроме того, элемент 514, направляющий поток, может представлять собой сходящееся сопло (не показано), которое также можно закрепить у впускных отверстий каналов для текучей среды и которое проходит на определенное расстояние внутрь этих каналов. Помимо этого стенки сопла, сходящиеся внутрь канала для текучей среды, также могут создавать струю из поступающего потока текучей среды.
Итак, любой из этих элементов 514, направляющих поток, может быть обеспечен по меньшей мере на одном из следующего: соединяемой паре первых поверхностных частей 210, 210' и соединяемой паре вторых поверхностных частей 212', 212" двух соседних пластин теплообменника.
На Фиг.7b показан вариант корпуса 104 теплообменника, состоящего из асимметричных пластин 702, каждая из которых имеет наклонную основную поверхностную часть 704. Как следствие, корпус 104 теплообменника имеет первый канал 710 для текучей среды неправильной формы с шестиугольным поперечным сечением и высотой, изменяющейся в направлении по ширине этого канала. Наклон наклонной основной поверхностной части 704 может быть достигнут за счет создания широкой первой поверхностной части 706 и небольшой первой поверхностной части 707, отличающихся по ширине, как можно видеть на Фиг.7a и 7b. Показанный вариант имеет четырехугольную вторую поверхностную часть 708, размер которой меняется по ширине непрямоугольной четырехугольной пластины 202, используемой для создания асимметричной пластины 702 теплообменника. Как и ранее, четырехугольная вторая поверхностная область 708, находящаяся с задней стороны пластины, не показана. Как следствие, уменьшение высоты первого канала 710 для текучей среды, имеющего неправильную форму, компенсируется изменением размера четырехугольных вторых поверхностных частей 708, в результате чего получаемое отверстие 712 первого канала для текучей среды, естественно, является прямоугольным.
На Фиг.7b фактическая перпендикулярность соответствующих угловых частей 228 второго края, как и ранее, указана углом δ расположения углового края, составляющим 90° относительно плоскости S.
Плоскость, определенная прямоугольным отверстием 712 первого канала для текучей среды, наклонена относительно первого канала 710 для текучей среды, имеющего неправильную форму, вместо того, чтобы быть перпендикулярной, как показано на Фиг.1.
В качестве альтернативы или в дополнение, первый канал 710 для текучей среды, имеющий неправильную форму, может быть аналогичным образом выполнен с поперечным сечением, изменяющимся по его длине. Более того, размеры поперечного сечения второго канала 714 для текучей среды, имеющего неправильную форму, могут изменяться по его длине. Такое изменение размеров в направлении вдоль каналов 710, 714 для текучей среды, имеющих неправильную форму, может быть использовано для коррекции нежелательных распределений температуры в текучих средах, обменивающихся теплом.
Кроме изменения размеров поверхностных частей 704-708 вдоль соответствующих неполных каналов для текучей среды, изменение размеров поперечного сечения каналов также может быть обеспечено путем изменения кривизны первой и/или второй поверхностных частей 706-708 вдоль тех же каналов для текучей среды. В целом, каналы для текучей среды могут быть созданы со сходящимся, расходящимся или иным образом неравномерным поперечным сечением по их длине.
Согласно одному из аспектов предлагается способ изготовления пластины 106 теплообменника. В целом, пластину теплообменника изготавливают из четырехугольной пластины 202, имеющей пару противоположных первых краев 220 и пару противоположных вторых краев 222. Способ включает изгибание первых поверхностных частей 210, каждая из которых расположена вдоль средней части 221 первого края 220 пластины, в направлении первой стороны четырехугольной пластины 202. Это дает первый желоб или первый неполный канал 230 для текучей среды. Как следствие, каждая из первых поверхностных частей 210 будет иметь первую контактную область 214. Способ далее включает изгибание вторых поверхностных частей 212, каждая из которых расположена вдоль средней части 223 второго края 222 пластины, в направлении второй стороны четырехугольной пластины 202. Это приведет к созданию второго желоба или второго неполного канала 232 для текучей среды и получению в каждой из вторых поверхностных частей 212 второй контактной области 216. После этих операций изгибания первые контактные области являются копланарными и вместе определяют плоскость S. Пластина 106 теплообменника имеет четыре угловых поверхностных части 224, каждая из которых содержит угловую часть 226 первого края и угловую часть 228 второго края. Способ отличается тем, что по меньшей мере две угловых поверхностных части 224 изгибают внутрь относительно первого неполного канала 230 для текучей среды таким образом, чтобы соответствующая угловая часть 226 первого края заканчивалась в плоскости S, а соответствующие угловые части 228 второго края заканчивались по существу перпендикулярно плоскости S.
Согласно одному из вариантов, изгибание по меньшей мере одной из первых поверхностных частей 210 дополнительно приведет к ее наклону под углом β относительно плоскости S. Этот угол может находиться в диапазоне 0°<β≤135°. В дополнение к этому по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух угловых поверхностных частей 224 может быть изогнута вдоль дополнительной линии 234 сгибания, соединяющей соответствующие угловую часть 226 первого края и угловую часть 228 второго края.
Согласно одному из вариантов, по меньшей мере одну среднюю часть 221 первого края четырехугольной пластины 202 изгибают в направлении первой стороны 206 пластины 106 теплообменника, в результате чего по меньшей мере одна первая контактная область 214 будет совпадать с соответствующей средней частью 221 первого края.
Согласно еще одному варианту, по меньшей мере одна первая поверхностная часть 210 четырехугольной пластины 202 содержит первый фланец 304 рядом с соответствующей средней частью 221 первого края. После изгибания первой поверхностной части 210 в направлении первой стороны 206 пластины 106 теплообменника, первый фланец 304 также изгибают. По меньшей мере часть первого фланца 304 будет лежать в плоскости S и будет включать первую контактную область 214.
Согласно следующему варианту, по меньшей мере, одна вторая поверхностная часть 212 четырехугольной пластины 202 содержит второй фланец 306 рядом с соответствующей средней частью 223 второго края. После изгибания второй поверхностной части 212 в направлении второй стороны 208 пластины 106 теплообменника второй фланец 306 также изгибают. По меньшей мере часть второго фланца 306 будет включать вторую контактную область 216.
Приведенное выше описание, как предполагается, является иллюстративным и не накладывает ограничений. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны и осуществимы на практике альтернативные и эквивалентные варианты реализации настоящего изобретения, без выхода за пределы объема, определенного пунктами приложенной Формулы изобретения.
Список ссылочных обозначений
102 - Теплообменный блок
104 - Корпус теплообменника
106 - Пластина теплообменника
108 - Первый канал для текучей среды
110 - Второй канал для текучей среды
112 - Отверстие первого канала для текучей среды
114 - Отверстие второго канала для текучей среды
202 - Четырехугольная пластина
204 - Прямоугольная пластина
206 - Первая сторона
208 - Вторая сторона
210 - Первая поверхностная часть
212 - Вторая поверхностная часть
214 - Первая контактная область
216 - Вторая контактная область
218 - Основная поверхностная часть
220 - Первый край пластины
221 - Средняя часть первого края
222 - Второй край пластины
223 - Средняя часть второго края
224 - Угловая поверхностная часть
226 - Угловая часть первого края
228 - Угловая часть второго края
229 - Первая линия сгибания
230 - Первый неполный канал для текучей среды
231 - Вторая линия сгибания
232 - Второй неполный канал для текучей среды
233 - Дополнительная линия сгибания
234 - Диагональная линия сгибания
S - Плоскость
δ - Угол расположения углового края
α - Первый угол
302 - Пластина теплообменника с фланцами
304 - Первый фланец
306 - Второй фланец
308 - Угловая часть фланца
310 - Часть первого фланца
312 - Часть второго фланца
402 - Первое герметизирующее соединение
404 - Второе герметизирующее соединение
β - Второй угол
502 - Угловой сварной шов
504 - Шов плазменной сварки
506 - Сварной шов с разделкой кромок
508 - Торцевой сварной шов
510 - Стыковой сварной шов
512 - Краевой зажим
514 - Элемент, направляющий поток
516 - Прокладка
518 - Герметизирующий материал
H - Высота
W - Проецированная ширина
γ - Третий угол
602 - Корпус теплообменника с фланцами
606 - Скоба
608 - Сходящееся сопло
610 - Изолирующий материал
702 - Асимметричная пластина теплообменника
704 - Наклонная основная поверхностная часть
706 - Широкая первая поверхностная часть
707 - Небольшая первая поверхностная часть
708 - Четырехугольная вторая поверхностная часть
710 - Первый канал для текучей среды неправильной формы
712 - Прямоугольное отверстие первого канала для текучей среды
714 - Второй канал для текучей среды неправильной формы.