ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ УПРОЧНЯЮЩИЕ ПЛАСТИНЫ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ СНАРУЖИ КРАЙНИХ ПЛАСТИН ТЕПЛООБМЕННИКА
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER, COMPRISING STRENGTHENING PLATES ARRANGED OUTSIDE EXTREME PLATES OF HEAT EXCHANGER

Область техники и уровень техники
Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему пакет пластин с пластинами согласно вводной части пункта 1 формулы изобретения (см. US-A-4,987,955).
Во многих областях применения для пластинчатых теплообменников с неразъемным соединением, например с помощью пайки, требуется высокая прочность. Это важно, когда рабочее давление одной или обеих сред, передаваемых через пластинчатый теплообменник, является высоким или когда рабочее давление одной или обеих сред изменяется во времени. Пластинчатые теплообменники подвергаются испытанию под давлением перед поставкой. Желательно получить такую прочность и жесткость пластинчатого теплообменника, что пластическая деформация применительно к испытанию под давлением будет настолько малой, насколько это возможно.
Для обеспечения требований по высокой прочности известно применение более толстого конца или упрочняющих пластин, т.е. двух пластин, расположенных в крайней позиции в пакете пластин. Эти упрочняющие пластины могут также называться крепежными пластинами или несущими и прижимными пластинами. Также известно применение в качестве упрочняющих пластин листов, прокладок или толстых плоских пластин. Такие листы, прокладки или толстые плоские пластины могут также располагаться снаружи несущих и/или прижимных пластин. Недостаток таких дополнительных пластин, прокладок или им подобных состоит в том, что изготовление пластинчатого теплообменника становится более сложным, так как во время изготовления пластинчатого теплообменника необходимо зафиксировать большее число компонентов, например, когда он подвергается пайке.
Другой недостаток более толстых упрочняющих пластин с большим количеством материала состоит в том, что для таких упрочняющих пластин увеличивается термическая «медлительность». Из-за этой более высокой термической медлительности упрочняющих пластин получают меньшее качество пластинчатого теплообменника по термической усталости, в частности, в пластинах теплообменника, которые располагаются наиболее близко внутри упрочняющих пластин. Так как пластины теплообменника изготавливаются из более тонкого материала, они будут более быстро приспосабливаться к температуре среды, что ведет к нежелательной температурной разнице между пластинами теплообменника и упрочняющими пластинами и, таким образом, к термически обуславливаемым напряжениям.
Кроме того, при более толстых упрочняющих пластинах увеличивается потребление материала и, таким образом, растет стоимость пластинчатого теплообменника.
US-A-4,987,955 раскрывает пластинчатый теплообменник, содержащий ряд пластин, идущих параллельно основной плоскости протяженности. Пластины содержат ряд пластин теплообменника и, по меньшей мере, одну упрочняющую пластину. Пластины теплообменника располагаются рядом друг с другом и формируют пакет пластин с первыми пластинчатыми промежутками для первой среды и вторыми пластинчатыми промежутками для второй среды. Каждая из пластин теплообменника имеет четыре сквозных отверстия, которые формируют каналы, идущие через пакет пластин. Пластины теплообменника содержат крайнюю пластину теплообменника на одной стороне пакета пластин и крайнюю пластину теплообменника на противоположной стороне пакета пластин. Два из пластинчатых промежутков в пакете пластин формируют соответствующий крайний пластинчатый промежуток на
соответствующей стороне пакета пластин, который ограничен в направлении снаружи соответствующей одной из крайних пластин теплообменника. Упрочняющая пластина располагается рядом и снаружи одной из крайних пластин теплообменника.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание пластинчатого теплообменника с высокой прочностью. Кроме того, целью изобретения является создание пластинчатого теплообменника, который может быть изготовлен с низкими затратами. В частности, целью изобретения является пластинчатый теплообменник с неразъемным соединением, обладающий высокой прочностью.
Данная задача решена с помощью пластинчатого теплообменника, который определен вначале и который отличается тем, что упрочняющая пластина имеет основную зону, которая проходит параллельно плоскости протяженности и содержит упрочняющий рисунок, который выполнен вблизи двух каналов, и содержит, по меньшей мере, одно углубление, проходящее в направлении наружу от пакета пластин, причем указанное углубление вытянуто вдоль плоскости протяженности и видимо в направлении нормали к плоскости протяженности. Одна такая упрочняющая пластина с упрочняющим рисунком может быть выполнена более тонкой, чем полностью плоская пластина, и в то же время выдерживает силы, действующие на пакет пластин. В частности, такой упрочняющий рисунок может противодействовать силе, которая из-за высокого давления любой из сред стремится к деформированию пластин теплообменника в направлении наружу. Предпочтительно, углубление проходит в плоскости, которая перпендикулярна этой силе, стремящейся к деформированию пластин теплообменника в направлении наружу. Углубление или углубления могут быть получены вместе с компрессорным прессованием упрочняющей пластины. Длина углубления больше его ширины, и оно может иметь значительную длину в указанной плоскости, перпендикулярной данной силе, стремящейся деформировать пластины теплообменника в направлении наружу.
Согласно одному варианту осуществления изобретения пластины пластинчатого теплообменника неразъемно соединены одна с другой. Предпочтительно, пластины неразъемно соединены одна с другой путем расплавления металлического материала, например путем пайки и/или сварки. Необходимо отметить, что пластины также могут быть приклеены друг к другу. Необходимо также отметить, что изобретение также применимо к пластинчатым теплообменникам, имеющим прокладки, где пластины теплообменника прижимаются друг к другу с помощью подходящих стяжных элементов, например стяжных болтов.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упрочняющий рисунок выполнен с возможностью взаимодействия с прижимным рисунком крайней пластины теплообменника, которая располагается рядом с упрочняющей пластиной, таким образом, что упрочняющая пластина располагается в фиксированном положении относительно крайней пластины теплообменника. Тем самым облегчается изготовление пластинчатого теплообменника, так как упрочняющую пластину не нужно прикреплять к крайней пластине теплообменника, например, путем сварки перед пайкой пластинчатого теплообменника. Благодаря фиксированному положению упрочняющая пластина может быть закреплена в требуемом положении относительно крайней пластины теплообменника и пакета пластин.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения углубление имеет линейное протяжение. Это линейное протяжение может, как было указано выше, проходить параллельно плоскости, перпендикулярной силе, стремящейся деформировать пластины теплообменника. Эта плоскость перпендикулярна или по существу перпендикулярна плоскости протяженности.
Согласно другому варианту осуществления изобретения углубление проходит между указанными двумя каналами. Силы, которые действуют в направлении наружу от пакета пластин по нормали относительно плоскости протяженности, присутствуют главным образом между каналами. Углубления в этой области могут эффективным образом противодействовать таким силам.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упрочняющий рисунок содержит несколько углублений, которые проходят в направлении наружу от пластин теплообменника. Предпочтительно, по меньшей мере, одно из углублений имеет по существу линейное протяжение. Все или несколько из углублений могут предпочтительно быть по существу прямыми и проходить по существу параллельно друг другу. Кроме того, по меньшей мере, одно из углублений может проходить между указанными двумя каналами.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения основная зона имеет по существу плоскостное протяжение, причем упрочняющий рисунок идет в направлении наружу от плоскости протяженности.
Согласно другому варианту осуществления изобретения основная зона имеет область, которая формирует, по меньшей мере, большую часть области упрочняющей пластины. Область упрочняющей пластины может быть немного меньше области пластин теплообменника.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упрочняющая пластина содержит, по меньшей мере, два сквозных отверстия, которые располагаются концентрично относительно соответствующего канала из указанных двух каналов. Следовательно, сквозные отверстия упрочняющей пластины могут формировать часть каналов пластинчатого теплообменника. Необходимо также отметить, что упрочняющая пластина может быть сплошной, т.е. не содержать сквозных отверстий, так как вход и/или выход для рассматриваемых каналов может быть расположен на той стороне пакета пластин, которая обращена от упрочняющей пластины.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упрочняющая пластина содержит два упрочняющих рисунка, которые располагаются вблизи соответствующей пары каналов, каждый из которых содержит, по меньшей мере, одно углубление, проходящее в направлении наружу от пластин теплообменника. Упрочняющая пластина может затем содержать, по меньшей мере, четыре сквозных отверстия, которые располагаются концентрично относительно соответствующего канала из каналов пакета пластин.
Согласно другому варианту осуществления изобретения каждая из пластин теплообменника содержит зону теплообменника и внешнюю краевую зону, которая идет вокруг зоны теплообменника, причем упрочняющая пластина имеет такой размер, что она находится внутри внешней краевой зоны. Внешняя краевая зона может содержать окружающий фланец, который проходит в направлении наружу от плоскости протяженности. Согласно этому варианту осуществления область упрочняющей пластины, таким образом, меньше, чем область пластин теплообменника, и упрочняющая пластина может затем предпочтительно быть по существу плоской в том смысле, что она не содержит какого-либо фланца, который содержат пластины теплообменника. Однако необходимо отметить, что упрочняющая пластина может в принципе иметь ту же область, что и пластины теплообменника, и иметь такой же окружающий фланец, что и пластины теплообменника.
Согласно другому варианту осуществления изобретения пластины содержат дополнительную упрочняющую пластину, которая располагается снаружи второй из крайних пластин теплообменника, причем дополнительная упрочняющая пластина имеет основную зону, которая проходит параллельно плоскости протяженности и содержит упрочняющий рисунок, располагающийся вблизи двух из каналов и содержащий, по меньшей мере, одно углубление, проходящее наружу от пластин теплообменника. Следовательно, пакет пластин может на обеих сторонах содержать упрочняющую пластину для упрочнения зоны вокруг каналов. Дополнительная упрочняющая пластина может в принципе иметь ту же конструкцию, что и вышеописанная упрочняющая пластина.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее будет пояснено более подробно с помощью описания различных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, где:
Фиг.1 - вид сбоку пластинчатого теплообменника согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 - вид спереди пластинчатого теплообменника согласно фиг.1.
Фиг.3 - вид сзади пластинчатого теплообменника согласно фиг.1.
Фиг.4 - сечение по линии IV-IV на фиг.2.
Фиг.5 - вид спереди пластины пластинчатого теплообменника согласно фиг.1.
Фиг.6 - вид сбоку пластинчатого теплообменника согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 - вид спереди пластинчатого теплообменника согласно фиг.6.
Фиг.8 - вид сзади пластинчатого теплообменника согласно фиг.6.
Фиг.9 - вид сбоку пластинчатого теплообменника согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг.10 - вид спереди пластинчатого теплообменника согласно фиг.9.
Фиг.11 - вид сзади пластинчатого теплообменника согласно фиг.9.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1-4 показан первый вариант пластинчатого теплообменника согласно изобретению. Пластинчатый теплообменник содержит ряд пластин, причем каждая идет по существу параллельно основной плоскости p протяженности. Пластины содержат в первом варианте осуществления ряд пластин 1 теплообменника и, по меньшей мере, одну упрочняющую пластину 2. В первом варианте осуществления пластинчатый теплообменник содержит четыре упрочняющих пластины 2. Дополнительно пластины содержат несущую пластину 3 и прижимную пластину 4, которые располагаются на соответствующей стороне пластин 1 теплообменника. Пластины 1 теплообменника формируют пакет пластин с первыми межпластинчатыми промежутками 5 для первой среды и вторыми межпластинчатыми промежутками 6 для второй среды. Межпластинчатые промежутки 5, 6 располагаются в попеременном порядке таким образом, что каждый второй межпластинчатый промежуток является первым межпластинчатым промежутком 5 и остальные межпластинчатые промежутки являются вторыми межпластинчатыми промежутками 6, см. фиг.4.
Каждая пластина 1 теплообменника, см. фиг.5, содержит четыре сквозных отверстия 7, которые формируют каналы 8, проходящие через пакет пластин и формирующие входы и выходы для двух сред в первых межпластинчатых промежутках 5 и вторых межпластинчатых промежутках 6 соответственно. Входы и выходы соединены с показанными схематически впускными и выпускными трубами 9. Каждая пластина 1 теплообменника содержит внутреннюю зону 10 теплообменника и внешнюю краевую зону 11, проходящую вокруг зоны 10 теплообменника. Внешняя краевая зона 11 содержит или формирует окружающий фланец, проходящий наружу от плоскости p протяженности. Несущая пластина 3 и прижимная пластина 4 также имеют такую внешнюю краевую зону 11, которая содержит или формирует фланец, проходящий наружу от плоскости p протяженности. В первом варианте осуществления каждая из упрочняющих пластин 2 имеет такой размер, что они находятся внутри зоны 11 внешнего края.
Кроме того, каждая пластина 1 теплообменника имеет выполненный известным образом в зоне 10 теплообменника прижимной рисунок 13, см. фиг.5, в форме, по меньшей мере, одного рифления из гребней и впадин. Прижимной рисунок 13, который показан на фиг.5, является только схематичным и одним из примеров такого рисунка. Необходимо отметить, что пластины 1 теплообменника могут иметь прижимной рисунок различной конфигурации.
Пластины 1 теплообменника содержат крайнюю пластину 1' теплообменника на одной стороне пакета пластин и крайнюю пластину 1" на противоположной стороне пакета пластин. Далее пластины 1, 1', 1'' теплообменника формируют два крайних межпластинчатых промежутка (15 на фиг.4) на соответствующей стороне пакета пластин. Два крайних межпластинчатых промежутка ограничены снаружи крайней пластиной 1' теплообменника и крайней пластиной 1'' теплообменника соответственно. Упрочняющие пластины 2 располагаются снаружи одной из крайних пластин 1' и 1'' теплообменника соответственно.
В первом варианте осуществления несущая пластина 3 располагается непосредственно снаружи крайней пластины 1' теплообменника, и прижимная пластина 4 располагается непосредственно снаружи крайней пластины 1'' теплообменника.
Несущая пластина 3 и прижимная пластина 4 не выполняют в первом варианте осуществления термической функции, т.е. никакая среда не передается между крайней пластиной 1' теплообменника и несущей пластиной 3 или между крайней пластиной 1'' теплообменника и прижимной пластиной 4. Несущая пластина 3 и прижимная пластина 4 могут, таким образом, быть по существу плоскими, т.е. не иметь прижимного рисунка 13, который имеется на пластинах 1 теплообменника.
Все пластины, т.е. упрочняющие пластины 2, несущая пластина 3, пластины 1, 1', 1'' теплообменника и прижимная пластина 4, неразъемно соединены одна с другой, предпочтительно путем расплавления металлического материала, например пайкой, сваркой или комбинацией пайки и сварки. Впускные и выпускные трубы 9 также могут быть припаяны к пластинам, а точнее к упрочняющим пластинам 2. Пластины могут также быть неразъемно соединены одна с другой путем приклеивания. Необходимо отметить, что пластины также могут быть соединены друг с другом с помощью разъемного соединения, при котором пластины могут прижиматься друг к другу с помощью стяжных болтов.
В первом варианте осуществления упрочняющие пластины 2 располагаются непосредственно снаружи несущих пластин 3 и непосредственно снаружи прижимных пластин 4 соответственно. Каждая упрочняющая пластина 2 имеет основную зону 20, которая идет параллельно плоскости p протяженности. Основная зона 20 содержит упрочняющий рисунок 21, который располагается вблизи двух из каналов 8 и содержит, по меньшей мере, одно вытянутое углубление, в первом варианте осуществления четыре вытянутых углубления 22, которые проходят наружу от пакета пластин, см. фиг.4, на которой схематически показана форма поперечного сечения углублений 22. В действительности, форма поперечного сечения может быть более гладкой и, например, быть близкой к полукруглой форме. Упрочняющий рисунок 21 предпочтительно может быть получен вместе с компрессионным прессованием упрочняющих пластин 2. Упрочняющие пластины 2, которые располагаются рядом с несущей пластиной 3, содержат четыре сквозных отверстия, которые располагаются концентрично относительно канала 8. Упрочняющие пластины 2, которые располагаются рядом с прижимной пластиной 4, см. фиг.4, являются сплошными, т.е. не содержат сквозных отверстий.
Необходимо отметить, что углубления не обязательно должны быть вытянуты, но могут иметь по существу круглую или квадратную форму, если смотреть в направлении нормали к плоскости p протяженности. Важно, чтобы углубления 22 имели определенное распространение в плоскости, перпендикулярной силе, которая стремится деформировать пластины 1, 1', 1'' теплообменника в направлении наружу. Углубления 22 имеют в первом варианте осуществления вытянутое, по существу линейное протяжение с длиной по существу больше ширины, если смотреть в вышеуказанном направлении нормали. Кроме того, вытянутые углубления 22 проходят по существу параллельно друг другу. По меньшей мере, три из вытянутых углублений 22 проходят между двумя из каналов 8 в первом варианте осуществления. Необходимо отметить, что одно или несколько из углублений 22 могут иметь протяжение, которое отличается от описываемой линейной формы. Например, одно или несколько из вытянутых углублений 22 могут плавно изгибаться или искривляться под углом на две или несколько секций.
Во время работы давление внутри пластинчатого теплообменника возрастает, причем это давление стремится разжать пакет пластин, в частности пластины 1, 1', 1'' теплообменника, в направлении наружу. С помощью вытянутого углубления 22 такое отгибание в направлении наружу предотвращается или уменьшается, так как вытянутые углубления 22 проходят вдоль плоскости, которая перпендикулярна, по существу перпендикулярна или проходит под относительно большим углом к отгибанию в направлении наружу, которое стремится осуществить внутренняя сила.
Упрочняющий рисунок 21 может также предпочтительно быть выполнен с возможностью взаимодействия с выступом и/или углублением прижимного рисунка пластины, которая располагается наиболее близко к упрочняющей пластине 2, т.е. в первом варианте несущей пластины 3 и прижимной пластины 4. Благодаря такому взаимодействию упрочняющая пластина 2 может быть установлена в фиксированном положении относительно указанной наиболее близко располагающейся пластины применительно к изготовлению пластинчатого теплообменника. Таким образом, нет необходимости прикреплять упрочняющие пластины, например, путем точечной сварки к указанной наиболее близко располагающейся пластине заранее, например перед пайкой пластинчатого теплообменника.
На фиг.6-8 показан второй вариант осуществления, который отличается от первого варианта осуществления тем, что он содержит две упрочняющие пластины 2 вместо четырех упрочняющих пластин 2. Необходимо отметить, что во всех вариантах осуществления элементы, имеющие по существу одинаковую функцию, обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Упрочняющие пластины 2 во втором варианте осуществления имеют больший размер, чем в первом варианте осуществления, и проходят над зоной, включающей в себя все четыре канала 8. Кроме того, во втором варианте осуществления две из впускных и выпускных труб 9 проходят от одной стороны пластинчатого теплообменника, и две из впускных и выпускных труб 9 проходят от противоположной стороны пластинчатого теплообменника. Упрочняющая пластина 2, которая располагается рядом с несущей пластиной 3, содержит четыре сквозных отверстия, которые располагаются концентрично относительно соответствующего канала 8. Упрочняющая пластина 2, которая располагается рядом с прижимной пластиной 4, см. фиг.8, является сплошной, т.е. не содержит сквозных отверстий.
На фиг.9-11 показан третий вариант осуществления, который отличается от первого и второго вариантов осуществления тем, что он содержит упрочняющую пластину 32, которая также формирует несущую пластину на одной стороне пакета пластин, и упрочняющую пластину 42, которая также формирует прижимную пластину на противоположной стороне пакета пластин. Упрочняющие пластины 32, 42 в третьем варианте осуществления немного больше, чем во втором варианте осуществления, и содержат также соответствующие краевые зоны 11, формирующие фланец, проходящий в направлении наружу от плоскости протяженности. Упрочняющие пластины 32 содержат четыре сквозных отверстия, которые располагаются концентрично относительно соответствующего канала, тогда как упрочняющая пластина 42, см. фиг.11, является сплошной, т.е. не содержит сквозных отверстий. Кроме того, одно из вытянутых углублений 22 каждого упрочняющего рисунка 21 имеет в полученном третьем варианте осуществления альтернативную конструкцию с немного наклоненными концевыми секциями.
Изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления и может изменяться и модифицироваться, не выходя за пределы объема нижеследующей формулы изобретения.