КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ УМЕНЬШЕНИЕ СКОПЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ЗАМОРАЖИВАНИЯ
HEAT EXCHANGER STRUCTURE FOR REDUCING ACCUMULATION OF LIQUID AND FREEZING

Область техники
Настоящее изобретение относится к пластинчатому противоточному теплообменнику, выполненному с возможностью уменьшения скопления жидкости, например, воды, и замораживания. Указанный теплообменник содержит пакет теплопередающих пластин, образующих первичные проточные каналы для первого потока теплообменного газа и вторичные проточные каналы для второго потока теплообменного газа; первый участок входа-выхода для приема первого потока теплообменного газа и для выведения второго потока теплообменного газа; и второй участок входа-выхода для выведения первого потока теплообменного газа и для приема второго потока теплообменного газа. Настоящее изобретение также относится к способу уменьшения скопления жидкости и замораживания в пластинчатом противоточном теплообменнике, содержащем пакет теплопередающих пластин для передачи тепловой энергии от первого потока теплообменного газа второму потоку теплообменного газа, причем указанный способ предусматривает введение первого потока теплообменного газа в первичные проточные каналы; введение второго потока теплообменного газа во вторичные проточные каналы; выведение первого потока теплообменного газа из первичных проточных каналов; и выведение второго потока теплообменного газа из вторичных проточных каналов.
Уровень техники
Из уровня техники известны пластинчатые противоточные теплообменники, в которых пакет пластин выполнен так, что между двумя соседними пластинами образуются параллельные проточные каналы. Первичное теплообменное вещество протекает в каждом параллельном проточном канале, при этом вторичное теплообменное вещество протекает в каждом параллельном проточном канале, но в противоположном направлении. Пластины таких теплообменников, как правило, имеют выступы и углубления, причем пластины уложены друг на друга так, что верхушки выступов одной пластины совпадают с углублениями соседней пластины и между пластинами образуются продольные каналы. Это значит, что поток в каналах может быть неравномерным в поперечном сечении каналов, при этом поток в середине каналов может быть сильнее, чем рядом с кромками каналов. Таким образом, теплообменник не может быть таким же эффективным, как в случае, если бы потоки теплообменного вещества более равномерно распределялись по всему поперечному сечению каналов.
Сущность изобретения
Одна из задач настоящего изобретения заключается в повышении эффективности пластинчатых противоточных теплообменников. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предложен пластинчатый противоточный теплообменник, в котором теплообменные пластины выполнены так, что в них образуются каналы, имеющие, по существу, постоянную высоту, при этом они не являются плоскими в направлении потока. Другими словами, поперечное сечение каналов в продольном направлении напоминает рисунок, имеющий выступы или скосы или другие подобные направленности вверх и вниз (то есть, подъемы и спуски). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, указанные скосы выполнены симметрично в каналах и могут иметь, например, форму синусоидальных волн, пилообразный рисунок, форму треугольников и т.д. Указанные скосы образуют как бы гребни и канавки.
Согласно первому аспекту в настоящем изобретении предложен пластинчатый противоточный теплообменник, содержащий:
пакет теплопередающих пластин, образующих первичные проточные каналы для первого потока теплообменного газа и вторичные проточные каналы для второго потока теплообменного газа, причем указанный пакет теплопередающих пластин содержит канальный участок, в котором расположены первичные проточные каналы и вторичные проточные каналы;
причем указанный канальный участок теплопередающих пластин имеет профилированные элементы, образующие гребни и канавки, которые направлены под углом относительно направления потоков теплообменных газов в первичных проточных каналах и во вторичных проточных каналах;
отличающийся тем, что пластины содержат другие профилированные элементы в канальном участке для того, чтобы поддерживать соседние пластины отделенными друг от друга, причем эти профилированные элементы отличаются от профилированных элементов пластин, образующих гребни и канавки;
причем теплообменник выполнен с возможностью уменьшения скопления конденсированной жидкости на поверхностях теплопередающих пластин (102) за счет обеспечения возможности течения конденсированной жидкости в первичных и вторичных проточных каналах в направлении, отличном от направления потоков теплообменного газа.
Согласно второму аспекту в настоящем изобретении предложен способ уменьшения скопления жидкости и замораживания в пластинчатом противоточном теплообменнике, содержащем пакет теплопередающих пластин для передачи тепловой энергии от первого потока теплообменного газа второму потоку теплообменного газа, причем указанный пакет теплопередающих пластин образует первичные проточные каналы для первого потока и вторичные проточные каналы для второго потока теплообменного газа, причем указанный способ содержит следующее:
вводят первый поток теплообменного газа в первичные проточные каналы;
вводят второй поток теплообменного газа во вторичные проточные каналы;
выводят первый поток теплообменного газа из первичных проточных каналов; и
выводят второй поток теплообменного газа из вторичных проточных каналов;
указанный способ отличается тем, что дополнительно содержит следующее:
удерживают соседние пластины отдельно друг от друга посредством профилированных элементов в канальном участке пластин, отличных от профилированных элементов пластин, образующих гребни и канавки, которые направлены под углом относительно направления потоков теплообменных газов в первичных проточных каналах и вторичных проточных каналах, и
обеспечивают возможность течения первого потока теплообменного газа и второго потока теплообменного газа в каналы, образованные пластинами, содержащими гребни и канавки, причем согласно указанному способу жидкость удаляют из теплообменника через каналы между пластинами в направлении, отличном от направления указанных потоков.
Согласно третьему аспекту в настоящем изобретении предложено применение пластинчатого противоточного теплообменника между пластинами для уменьшения скопления жидкости и замораживания в пластинчатом противоточном теплообменнике.
В зависимых пунктах формулы раскрыты некоторые из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Конструкция теплообменных пластин согласно настоящему изобретению снижает риск скопления жидкости внутри теплообменника и, тем самым, снижает риск образования льда на поверхностях теплообменных пластин. Таким образом, течение газов (например, воздуха) внутри теплообменника также улучшается.
Краткое описание чертежей
Далее приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг. 1а показан теплообменник согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 1b показан пакет пластин теплообменника с фиг. 1а;
на фиг. 2а-2е показаны примеры поперечного сечения пластины теплообменника согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 в поперечном сечении показан теплообменник согласно одному из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4а на виде сверху показан пример пакета пластин теплообменника согласно одному из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения.
на фиг. 4b на виде сбоку показан пример пакета пластин с фиг. 4а;
на фиг. 4с в аксонометрии показан пример пакета пластин с фиг. 4а;
на фиг. 5 показан пример вентиляционной системы, в которой может быть использовано настоящее изобретение.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1а показан пример, в котором теплообменник 100 согласно одному из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения вставлен в корпус 120, а на фиг. 1b показан пакет пластин 102 теплообменника 100 с фиг. 1а. Теплообменник 100 представляет собой так называемый пластинчатый противоточный теплообменник, в котором первичное теплообменное вещество (первый теплообменный газ) и вторичное теплообменное вещество (второй теплообменный газ) протекают в противоположных направлениях. Теплообменник 100 содержит пакет пластин 102, выполненных таким образом, что между пластинами в пакете образуются соответствующие каналы. Теплообменник 100 также содержит первый участок 104 входа-выхода и второй участок 106 входа-выхода. Первый участок 104 входа-выхода имеет первый вход 108 для приема первого потока 116 теплообменного газа и первый выход 110 для выведения второго потока 118 теплообменного газа. Второй участок 106 входа-выхода имеет второй вход 112 для приема второго потока 118 теплообменного газа и второй выход 114 для выведения первого потока 116 теплообменного газа.
Теплообменник 100 может также содержать корпус 120, в который может быть установлен пакет пластин 102. Корпус 120 имеет первое впускное отверстие 122, соединяющее внешний трубопровод с первым входом 108 так, что первый поток 116 может протекать из внешнего трубопровода в теплообменник 100. Корпус 120 также имеет первое выпускное отверстие 124, соединяющее внешний трубопровод с первым выходом 110 так, что первый поток 116 может протекать из теплообменника 100 во внешний трубопровод. Соответственно, корпус 120 имеет второе впускное отверстие 126 и второе выпускное отверстие 128 для соединения внешнего трубопровода со вторым входом 112 и со вторым выходом 114, соответственно. Таким образом, второй поток 118 теплообменного газа может быть подан 108 в теплообменник, а нагретый вторичный теплообменный газ может быть выведен из теплообменника 100.
В теплообменнике 100 согласно некоторым примерным вариантам осуществления настоящего изобретения пластины выполнены так, что при укладке пластин друг на друга образуются соответствующие каналы для первого теплообменного газа и второго теплообменного газа. Поперечное сечение пластин в продольном направлении, то есть, в направлении потоков теплообменных веществ, меняется таким образом, что высота канала, по существу, является постоянной, но не является плоской. Другими словами, пластины имеют искривленную форму, например, форму синусоидальной (косинусоидальной) волны, форму треугольников (набора треугольников), пилообразной формы, параболической (набора парабол), или другой соответствующей формы, имеющей поднимающиеся и нисходящие скосы. Эти поднимающиеся и нисходящие скосы образуют как бы гребни (вершины) или канавки, направление которых, по существу, перпендикулярно направлению потока теплообменных газов или может быть немного отклонено от перпендикулярного направления. Например, направление профилированных элементов может образовывать угол с направлением потока теплообменных газов, который находится внутри диапазона ±45° от перпендикулярного направления. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный диапазон составляет ±20°. Указанный диапазон угла может быть ±30°. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения указанный угол составляет приблизительно 5°. Следует отметить, что форма изменений не должна обязательно оставаться одной и той же по длине каналов, то есть, форма может меняться. Например, «длина волны» синусоидальной волны может быть короче рядом с началом и концом каналов и может быть длиннее в середине. Кроме того, крутизна поднимающихся скосов не обязательно должна быть такой же, как крутизна нисходящих скосов, то есть, формы могут быть несимметричными.
На практике, осуществление расположения каждой соседней пластины так, чтобы элементы занимали точно такое же положение, что и в соседней пластине, может оказаться затруднительным. Таким образом, могут быть предусмотрены заданные допуски. Например, местоположение вершин может отклоняться на 20% от расстояния между двумя соседними гребнями/канавками одной и той же пластины в направлении первого потока 116.
Пластины имеют области, в которых форма канала не сохраняется, но при этом в них возможно наличие других профилированных элементов, которые могут быть необходимы для того, чтобы удерживать соседние пластины отделенными друг от друга. Например, пластины могут иметь выемки 130 и выступы 132, как показано на фиг. 4а.
На фиг. 2а-2е показаны некоторые примеры возможных поперечных сечений пластин теплообменника 100 согласно настоящему изобретению. В примере с фиг. 2а пластины выполнены так, что они образуют синусоидальные каналы при укладке пластин друг на друга. В примере с фиг. 2b пластины выполнены так, что они образуют каналы, которые при укладке пластин друг на друга имеют форму закругленных треугольников. На фиг. 2с представлен синусоидальный рисунок, в котором длина волны не является постоянной, на фиг. 2d показан пример пилообразного рисунка, а на фиг. 2е представлен другой вариант пилообразного рисунка.
На фиг. 3 показан пример поперечного сечения пакета пластин 102 согласно настоящему изобретению. Количество пластин 102 в пакете может меняться в зависимости, например, от эффективности теплообменника, которую должен иметь теплообменник 100. Кроме того, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, расстояние между двумя соседними пластинами, то есть, высота канала, также может быть различной. На фиг. 3 видно, что между пластинами 102 образуются параллельные каналы так, что высота каналов, по существу, является постоянной на всей длине каналов. Первый участок 104 входа-выхода и второй участок 106 входа-выхода с фиг. 1b расположены так, что первый поток 116 теплообменного газа протекает в каждый второй канал, а второй поток 118 теплообменного газа протекает в каналы, которые находятся между первыми потоками теплообменного газа. Таким образом, в большинстве каналов второй поток 118 теплообменного газа имеет две теплопередающие поверхности с первым потоком теплообменного газа. Очевидно, что самый верхний и самый нижний каналы могут иметь только одну поверхность, а все другие каналы имеют две такие поверхности.
По существу постоянная высота каналов приводит к уменьшению сопротивления потокам теплообменного газа по сравнению с конструкциями каналов таких теплообменников, в которых высота каналов не является постоянной в направлении потоков теплообменного газа. Новая и оригинальная конструкция каналов также обладает преимуществом, которое заключается в более легком удалении возможной конденсированной жидкости или другого вещества из указанного теплообменника по сравнению с теплообменниками, в которых высота каналов не является постоянной, и в которых каналы могут иметь точки, в которых две параллельные пластины находятся напротив друг друга. Кроме того, из-за уменьшения риска скопления жидкости теплообменник менее подвержен замораживанию. Это уменьшает период размораживания и слива жидкости, а также уменьшает скопление грязи и увеличивает периоды технического обслуживания.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, конструкция каналов может быть такой, что высота каналов не является постоянной и может отличаться в различных частях каналов. Например, некоторые или все из каналов могут иметь одно или несколько мест, в которых высота каналов меньше, чем в других местах, или наоборот, то есть, в одном или нескольких из мест высота каналов может быть больше, чем в других частях каналов.
Далее будет раскрыто, каким образом формируется пакет пластин 102. Пластины могут быть выполнены из листового материала, например, металла, такого как алюминий, медь или сталь. Пластины могут также быть выполнены из полимеров или целлюлозных или синтетических волокнистых материалов. Пластины должны быть изготовлены такой формы, чтобы обеспечить канальную конструкцию. Например, их можно изготовить путем прессования или горячего формования листов в пресс-форме. Другой способ заключается в использовании технологии формовки или литья, при которой расплавленный или вязкий материал помещают или впрыскивают в пресс-форму, где материал отвердевает и сохраняет требуемую форму. Отвержденные пластины можно затем извлечь из пресс-формы.
Толщина пластин может быть различной в разных вариантах осуществления настоящего изобретения. Кроме того, отношение между высотой канала и толщиной пластин может отличаться в разных вариантах осуществления настоящего изобретения. В некоторых примерных вариантах толщина пластины может составлять, например, 0,1 мм, 0,2 мм, 0,4 мм, 0,5 мм, 0,6 мм, 0,8 мм и 1,0 мм, однако настоящее изобретение не ограничивается данными значениями толщины. Например, толщина может находиться в диапазоне от 0,05 мм до 5 мм. Отношение между высотой канала и толщиной пластин может быть 100:1 или менее. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения высота канала может быть в диапазоне от 0,1 мм до 50 мм. В некоторых местах соседние пластины могут контактировать друг с другом.
Пластины в пакете соединены друг с другом в определенных местах, что будет раскрыто далее со ссылкой на фиг. 1b, 4а и 4с. В данном примере допускается, что пластины имеют центральный участок 138, на котором будут образованы каналы, и участки 104, 106 входа-выхода. Указанный центральный участок также можно назвать канальным участком. Также можно допустить, что пластины имеют первый край 140 и второй край 142 у первого участка 104 входа-выхода, а также третий край 144 и четвертый край 146 у второго участка 106 входа-выхода, как показано на фиг. 1b и 4а. Без потери обобщенности, пластины в пакете могут быть последовательно пронумерованы от 1 до N, где N представляет собой положительное целое число, превышающее 3. Во многих вариантах осуществления настоящего изобретения, N может быть больше 100, но также может быть меньше 100. Первый участок 104 входа-выхода имеет первый вход 108 и первый выход 110. Первый вход 108 может быть выполнен так, что первый край первой пластины 1 прикреплен к первому краю второй пластины 2, первый край третьей пластины 3 прикреплен к первому краю четвертой пластины 4, первый край пятой пластины 5 прикреплен к первому краю шестой пластины 2, и т.д. Соответственно, первый выход 110 может быть выполнен так, что второй край второй пластины 2 прикреплен ко второму краю третьей пластины 3, второй край четвертой пластины 4 прикреплен ко второму краю пятой пластины 5, второй край шестой пластины 6 прикреплен ко второму краю седьмой пластины 7, и т.д. Крепление осуществляют так, что оно по существу является газонепроницаемым, то есть, газ не может протекать между краями, которые скреплены друг с другом. Если пластины изготовлены из металла, то край одной пластины может быть загнут вокруг края другой пластины. Для обеспечения крепления также возможно использование клеящего вещества, сварки или других средств. Таким образом, теплообменный газ может протекать между первой пластиной 1 и второй пластиной 2, между третьей пластиной 3 и четвертой пластиной 4, между пятой пластиной 5 и шестой пластиной 6, и т.д., в теплообменник 100, и соответственно, теплообменный газ может протекать между второй пластиной 2 и третьей пластиной 3, между четвертой пластиной 4 и пятой пластиной 5, между шестой пластиной 6 и седьмой пластиной 7, и т.д., из теплообменника 100.
Второй участок 106 входа-выхода может быть выполнен таким же образом, но при этом следует иметь в виду, что на втором выходе 114 кромки тех же пластин, что и на первом входе скреплены друг с другом. Это значит, что четвертая кромка первой пластины 1 прикреплена к четвертой кромке второй пластины 2, четвертая кромка третьей пластины 3 прикреплена к четвертой кромке четвертой пластины 4, четвертая кромка пятой пластины 5 прикреплена к четвертой кромке шестой пластины 2 и т.д. Соответственно, на втором входе 112 кромки тех же пластин скреплены друг с другом иначе, чем на первом выходе. Это значит, что третья кромка второй пластины 2 прикреплена к третьей кромке третьей пластины 3, третья кромка четвертой пластины 4 прикреплена к третьей кромке пятой пластины 5, третья кромка шестой пластины 6 прикреплена к третьей кромке седьмой пластины 7, и т.д.
Стороны 148, 150 пакета пластин 102 могут быть уплотнены с образованием газообразного уплотнения с помощью соответствующих средств, для уменьшения утечки теплообменных газов из каналов.
На фиг. 4b показан участок входа-выхода, в котором кромки соседних пластин прикреплены друг к другу, как раскрыто выше.
На фиг. 5 показан пример вентиляционной системы, в которой может быть использовано настоящее изобретение. Система может быть реализована в зданиях 160 для обеспечения замены воздуха в здании. Свежий воздух может протекать снаружи здания и попадать в воздухозаборное отверстие, соединенное с трубопроводной системой, направляющей свежий воздух к первому входу 108 теплообменника 100. Свежий воздух протекает в теплообменник из первого входа 108 ко второму выходу 114 и далее в трубопроводную систему. Трубопроводная система содержит вентиляционные отверстия, обеспечивающие течение свежего воздуха в помещения здания. Аналогично, здание имеет вентиляционные отверстия в помещениях для вытягивания использованного воздуха из помещений в трубопроводную систему. Трубопроводная система 112 направляет использованный воздух ко второму входу 112. Из второго входа 112 использованный воздух протекает в теплообменнике 100 к первому выходу 110. Первый выход 110 соединен с трубопроводом, направляющим использованный воздух наружу, за пределы здания. Если использованный воздух теплее свежего воздуха, то использованный воздух нагревает свежий воздух в теплообменнике, благодаря чему возможно сохранение энергии использованного воздуха перед его выходом наружу из здания. Канальная конструкция согласно настоящему изобретению может улучшить сохранение энергии по сравнению с известными из уровня техники теплообменниками.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения пакет пластин 102 теплообменника 100 отделен от первого участка 104 входа-выхода и второго участка 106 входа-выхода, причем пакет пластин 102, главным образом, содержит канальный участок. Таким образом, один конец пакета пластин 102 должен быть соединен с соответствующими элементами, которые направляют первый поток 116 теплообменного газа к первому входу 108 и второй поток 118 к первому выходу 110, а противоположный конец пакета пластин 102 должен быть соединен с соответствующими элементами, направляющими второй поток теплообменного газа ко второму входу 112 и первый поток 116 ко второму выходу 114.
Положение пакета пластин 102 в теплообменнике 100 можно выбрать так, чтобы профилированные элементы пластин 102 (то есть, гребни и канавки пластин) проходили не в горизонтальном направлении. Это значит, что в ситуациях, когда некоторое вещество (например, вода) конденсируется на поверхности пластин в каналах, оно может стекать вниз по поверхности пластин 102. Таким образом, конденсированное вещество не влияет значительно на поток теплообменных газов. Конденсация может стать проблемой особенно во влажном и холодном климате, при этом заявленный теплообменник 100 способен функционировать в таких условиях.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения все пластины 102 в пакете пластин могут быть, по существу, одинаковыми, причем и высота первичных проточных каналов, и высота вторичных проточных каналов, по существу, одинакова. В других вариантах осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрено два разных набора пластин, уложенных так, что каждая вторая пластина выбрана из одного набора, а каждая чередующаяся пластина выбрана из другого набора. Это позволяет изготавливать пакет пластин, в котором высота первичных проточных каналов отличается от высоты вторичных проточных каналов. Однако, в последнем варианте высота каналов является, по существу, постоянной.