ТЕПЛООБМЕННИК С ПРОКЛАДКАМИ, ИМЕЮЩИЙ ДВУСТОРОННИЙ РИСУНОК УГЛУБЛЕНИЙ
HEAT EXCHANGER WITH INSERTS HAVING TWO-SIDE PATTERN OF CAVITIES

Изобретение относится к теплообменнику с прокладками, содержащему множество пластин теплообменника, причем каждая из пластин теплообменника содержит множество углублений, при этом указанные углубления содержат вершины и основания, при этом вершины, по меньшей мере, одной пластины теплообменника соединены с основаниями другой соседней пластины теплообменника.
Пластинчатые теплообменники - это хорошо известные устройства, предназначенные для теплопередачи между двумя различными средами, в частности жидкостями. Пластинчатые теплообменники обычно содержат множество пластин теплообменника, при этом каждая пластина теплообменника содержит рисунок вдавливаний, а также впускные и выпускные отверстия для двух сред. Каждая пара соседних пластин объединена таким образом, что создаются каналы для переноса указанных изолированных сред. Две указанные среды затем имеют возможность свободно циркулировать между чередующимися парами пластин, что делает возможным теплопередачу через пластины теплообменника. Рисунок вдавливаний одной пластины будет находиться в контакте с рисунками вдавливаний двух соседних пластин. Таким образом, пластины разнесены на небольшое расстояние и форму путей жидкости можно корректировать для повышения эффективности теплообмена.
В уровне техники обычно используют рисунок выполненных в виде так называемой «елочки» вдавливаний, при этом указанные вдавливания содержат гребни и впадины, вынуждающие поток указанных сред неоднократно ускоряться и замедляться в плоскости теплообменника. Это обычно приводит к большому изменению расхода потока жидкостей, что уменьшает эффективность теплопередачи. Таким образом, был бы полезным рисунок вдавливаний, который делает возможным более однородный поток жидкостей.
Помимо прочего, существуют два важных типа теплообменников, известных из уровня техники, а именно паяные теплообменники и теплообменники с прокладками. Поскольку жидкости в теплообменнике, как правило, поддерживаются под большим давлением, необходимо гарантировать, чтобы пластины теплообменника прочно удерживались вместе. В паяном теплообменнике каждые две соседние пластины теплообменника спаяны вместе там, где соприкасаются рисунки вдавливаний. С другой стороны, в теплообменнике с прокладками пластины находятся под напряжением, вызванном внешними силами, например, возникающими при введении болтов через отверстия пластин. Поэтому в теплообменнике с прокладками указанные пластины теплообменника находятся под предварительным напряжением.
В целях повышения эффективности теплообмена были сделаны попытки уменьшить зону поверхности, которая используется в качестве контактной поверхности соседних теплообменных пластин, или уменьшить толщину пластин теплообменника.
В патенте США US 8,091,619 В2 раскрыт теплообменник упомянутого выше типа. В нем указанный рисунок выполненных в виде «елочки» вдавливаний заменен на множество углублений, которые содержат вершины и основания. Плоские вершины одной пластины спаяны вместе с плоским основаниями соседней пластины Тем самым может быть повышена прочность такого паяного теплообменника, что дает возможность уменьшить толщину указанных пластин теплообменника. Одновременно, оптимизируется зона поверхности, на которой соприкасаются каждые две соседние пластины. Тем самым, повышается эффективность такого паяного теплообменника.
В случае теплообменника с прокладками, такая конструкция может быть проблематичной. Теплообменник с прокладками имеет дополнительную проблему, состоящую в неупругой деформации в зоне контакта пластин теплообменника. Такая деформации возникает частично вследствие того, что пластины теплообменника поддерживаются под предварительным напряжением, частично  вследствие относительной разницы давлений жидкостей. Это может привести к неупругой деформации в зоне контакта пластин теплообменника, где такие неупругие деформации могут формировать обходной путь для жидкостей, особенно если изменяются относительные давления жидкостей, что приводит к снижению производительности теплообменника.
Таким образом, задачей изобретения является создание теплообменника с прокладками, который имеет увеличенную эффективность теплообмена и при этом является более устойчивым к силам, обусловленным предварительным напряжением, а также внутренним давлением жидкости.
Настоящее изобретение решает упомянутую задачу тем, что углубления являются упруго деформируемыми (или, говоря по-другому, упруго сжимаемыми), в рассматриваемом контексте это означает, что они могут слегка изменить форму из-за изгиба материала стенки, но это обратимо.
Таким образом, углубления могут обратимо деформироваться. Можно избежать постоянных деформаций пластин теплообменника на их контактных поверхностях, что может привести к снижению производительности. Силы, действующие на контактные поверхности вершин и оснований указанных углублений, сильно изменятся в теплообменнике с прокладками. С одной стороны, силы, сжимающие вместе контактные поверхности вершин и оснований, являются постоянными и обусловлены предварительным напряжением. С другой стороны, силы, действующие на пластины теплообменника и приводящие к их разделению, могут сильно варьировать в связи с различными внутренними давлениями двух сред. Таким образом, равнодействующая сила, действующая на контактные поверхности вершин и оснований, может сильно изменяться. При применении упруго деформируемых углублений углубления могут деформироваться под предварительным напряжением, что приведет к возникновению дополнительной упругой силы, которая может противодействовать силам предварительного напряжения. Таким образом, можно избежать неупругой деформации контактных поверхностей пластин теплообменника. В то же время эффективность теплообменника может быть повышена путем уменьшения общей площади контактных поверхностей и/или толщины пластин теплообменника.
В противоположность этому в паяном теплообменнике в соответствии с уровнем техники контактные поверхности вершин и оснований спаяны вместе, что обусловливает жесткое соединение углублений.
Предпочтительно, если вершины и основания являются упруго деформируемыми. В частности, вершины и основания должны быть упруго деформируемыми в направлении, перпендикулярном плоскости пластин теплообменника. Таким образом, даже в случае асимметрии сил, действующих на контактные поверхности вершин и оснований, постоянная деформация не произойдет.
Кроме того, предпочтительно, чтобы углубления содержали упруго деформируемые боковые поверхности. Следовательно, контактные поверхности двух соединенных углублений могут смещаться за счет упругих деформаций боковой поверхности углублений. Таким образом, могут быть созданы дополнительные упругие силы, если изменяются внешние силы, в частности, вызванные давлением текучей среды,
Также предпочтительно, если боковые поверхности, являются по существу, прямолинейными между смежными вершинами и основаниями. Тем гарантируется, что указанные углубления являются достаточно прочными, чтобы выдерживать действующие на них механические силы, и в то же время способны упруго деформироваться в случае слишком больших равнодействующих сил, которые действуют на них.
Также предпочтительно, если боковые поверхности являются, по существу, тангенсообразными между смежными вершинами и основаниями. Альтернативные прямым боковым поверхностям тангенсообразные боковые поверхности могут быть менее прочными, но при этом их легче упруго деформировать. Какое из воплощений может быть предпочтительным, зависит от области применения, а также от выбранного материала и толщины пластин теплообменника.
В другом предпочтительном воплощении углубления, содержащие вершины, расположены в первых рядах, а углубления, содержащие основания, расположены во вторых рядах. Этим можно организовать углубления в такой рисунок, который в отношении потока жидкости между каждыми двумя пластинами теплообменника является особенно выигрышным. В частности, имеется возможность принудить поток жидкости добираться до всех частей пластин теплообменника, что приводит к более высокой эффективности теплообменника.
В другом предпочтительном воплощении, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых рядов расположены параллельно кромке пластины теплообменника. Тем самым можно, например, гарантировать, что жидкости будут протекать также в направлении кромок пластин теплообменника, что ведет к более однородному потоку жидкости через всю зону пластин теплообменника.
Предпочтительно, кроме того, если, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых рядов расположены под углом к кромке пластин теплообменника. В частности, несколько первых и вторых рядов могут быть расположены под углом от 20° до менее 45° к кромке пластины теплообменника. Этим гарантируется, что поток жидкости может быть эффективно направлен во все части пластин теплообменника без слишком резких изменений направления потока жидкости.
Предпочтительно, кроме того, чтобы первые и вторые ряды изменяли направление в плоскости пластины теплообменника. В результате не должно быть никаких прямых путей для потока жидкости от впускного отверстия к выпускному отверстию через пластины теплообменника.
В другом предпочтительном воплощении, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых рядов образуют клинья в плоскости пластины теплообменника. Этим гарантируется, что рисунок углублений может эффективно направлять поток жидкости.
В другом предпочтительном воплощении указанный теплообменник с прокладками содержит верхнюю пластину и нижние пластины, при этом указанное множество пластин теплообменника расположено между верхней и нижней пластинами, и при этом указанные пластины теплообменника удерживаются вместе под действием предварительного напряжения от верхней и нижней пластин. Таким образом, в указанном воплощении вышеупомянутое предварительное напряжение будет получено посредством сжимания верхней пластины и нижней пластины навстречу друг другу, например путем введения болтов через отверстия в верхней и нижней пластине, а также в пластинах теплообменника.
Изобретение далее будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на Фиг. 1 в соответствии с изобретением представлен вид в разрезе теплообменника,
на Фиг. 2а, 2b, 3 в соответствии с уровнем техники представлена неупругая деформация зоны контакта двух пластин теплообменника,
на Фиг. 4 в соответствии с изобретением представлено поперечное сечение через пластину теплообменника,
на Фиг. 5 в соответствии с изобретением представлен вид сверху пластины теплообменника, а также рисунок углублений на указанной пластине теплообменника,
на Фиг. 6а представлено поперечное сечение через две соседние пластины теплообменника,
на Фиг. 6b представлены два различных поперечных сечения двух соседних пластин теплообменника,
на Фиг. 7 представлена упругая деформация пары углублений, находящихся в контакте друг с другом,
на Фиг. 8а, 8b, 8с представлены три различных вида первого и второго рядов рисунков углублений на пластине теплообменника.
На Фиг. 1 представлен вид в разрезе теплообменника 1, содержащего множество пластин 2 теплообменника. Пластины 2 теплообменника уложены друг на друга, в результате между ними создается множество путей для жидкости. Пластины 2 теплообменника расположены между верхней и нижней пластинами 3 силами 4. Поэтому пластины 2 теплообменника находятся под напряжением, создаваемым внешним давлением. Силы 4 могут быть введены, например, за счет соединения верхней и нижней пластины 4 путем введения болтов через отверстия в верхней и нижней пластине 3, а также в пластине 2 теплообменника.
Между каждой парой пластин 2 теплообменника расположена прокладка 5 для герметизации двух жидкостей относительно наружной стороны, а также изоляции двух указанных жидкостей друг от друга. Указанный теплообменник, как правило, снабжается парой отверстий, впускным и выпускным.
На Фиг. 2а, 2b и 3 в соответствии с уровнем техники раскрыта задача указанного теплообменника. На Фиг. 2а представлена зона 7а контакта двух пластин 2 теплообменника. В этом случае в соответствии с уровнем техники зона контакта формируется впадиной верхней пластины, которая соприкасается с гребнем нижней пластины 2. В целях улучшения теплообмена зона контакта двух соседних пластин теплообменника выбирается так, чтобы быть очень малой.
В соответствии с Фиг. 2b силы 4, как упоминалось ранее, теперь сжимают две соседние пластины 2 теплообменника вместе, что может привести к неупругой деформации очень малой зоны 7b контакта. На Фиг. 3 снова показана зона 7 с контакта после того, как силы 4 или полностью исчезли, или были снижены, например, из-за изменения внутренних давлений жидкости. В этом случае две соседние пластины 2 теплообменника постоянно деформируются и не находятся более в состоянии контакта в зоне 7с. Это может привести к обходному пути для потока жидкости. Это, в свою очередь, обычно снижает эффективность теплообменника, так как могут открыться более прямые пути жидкости от впускного отверстия к выпускным отверстиям. Это приведет к тому, что поток жидкости между двумя пластинами теплообменника более не будет распределен равномерно.
На Фиг. 4 в соответствии с изобретением представлен вид в разрезе пластины теплообменника. Здесь пластина теплообменника 2 содержит углубления 8, 9, которые выступают в направлении, перпендикулярном плоскости пластины теплообменника 2. В этом случае углубление 8 содержит вершину 10, а углубление 9 содержит основание 11. В частном случае настоящего воплощения вершина 10, так же как и основание 11, представляют собой плоские поверхности на концах соответствующих углублений 8, 9. В нижней части Фиг. 4 показан вид сверху вершин 10 и оснований 11, которые в данном случае имеют круглую форму. Также, конечно, возможны различные формы вершин 10 и оснований 11, например овальная или прямоугольная форма. Кроме того, вершины 10 и основания 11 не обязательно должны быть плоскими, надо только гарантировать, что вершины 10 и основания 11 соседних пластин 2 теплообменника совмещаются друг с другом.
Углубления 8, 9, кроме того, содержат боковые поверхности 12. На данном виде в разрезе показаны боковые поверхности 12, которые непосредственно соединяют углубление 8, содержащее вершину 10, с углублением 9, содержащим основание 11. Здесь представлены два различных воплощения. Сплошными линиями обозначены углубления 8, 9, имеющие, по существу, прямолинейные боковые поверхности 12, в то время как пунктирными линиями обозначены углубления 8, 9, имеющие, по существу, тангенсообразные боковые поверхности 12. В любом случае гарантируется, что углубления 8, 9 являются упруго деформируемыми. Как показано в дальнейшем, боковые поверхности 12 между соседними вершинами 10 и основаниями 11 могут иметь одну из этих форм, а по периферии углублений 8, 9 форма боковых поверхностей 12 может быть различной.
На Фиг. 5 представлен вид сверху пластины 2 теплообменника. На этой Фиг. показано, как посредством прокладок 5 достигается разделение двух жидкостей в теплообменнике 1. В этом случае сначала жидкость может попасть в пути распространения жидкости, смежные с верхней частью пластины 2, через впускное отверстие I1 и протекать через множество путей распространения жидкости в направлении выпускного отверстия O1. В то же время вторая жидкость не может попасть в область, смежную с верхней частью пластины 2, теплообменника, поскольку впускное отверстие I2, а также выпускное отверстие O2 отделены от этих путей распространения жидкости прокладкой 5. В верхней части следующей пластины 2 теплообменника ситуация будет обратной, и вторая жидкость может протекать от впускного отверстия I2 в направлении выпускного отверстия O2, в то время как первая жидкость, а также соответствующее первое впускное отверстие I1 и первое выпускное отверстие O1 будут отделены от путей распространения жидкости в верхней части пластины 2 теплообменника другой прокладкой 5.
Справа на Фиг. 5, кроме того, представлен увеличенный вид рисунка углублений в пластине 2 теплообменника. Аналогично Фиг. 4 углубления 8, содержащие вершины 10, представлены в виде пустых кружков, в то время как углубления 9, содержащие основания 11, представлены в виде заполненных кружков. Кроме того, виды в разрезе по трем различным направлениям 13, 14а и 14b показаны сплошными или пунктирными линиями. Соответствующие виды в разрезе представлены на Фиг. 6а и 6b.
На Фиг. 6а представлен вид в разрезе 13 через две соседние пластины теплообменника 2а, 2b. Вдоль вида в разрезе 13 углубления 8, содержащие вершины 10, чередуются с углублениями 9, содержащими основания 11. На виде в разрезе 13 боковые поверхности 12 опять, по существу, прямолинейны, однако альтернативно могут быть использованы существенно тангенсообразные боковые поверхности.
Формируя такие упруго деформируемые углубления 8, 9, содержащие вершины 10 и основания 11, в качестве контактных площадок для пластин 2 теплообменника, неупругой деформации пластин 2 теплообменника можно будет избежать. В то же время толщина пластин 2 теплообменника может быть значительно снижена без риска повреждения, вроде объясненных на Фиг. 2а, 2b и 3. Следовательно, уменьшением толщины пластин 2 теплообменника можно улучшить передачу тепла от одной жидкости в другой, что позволяет достичь большей эффективности теплообменника 1.
На Фиг. 6b представлены две соседние пластины 2а, 2b теплообменника вдоль видов в разрезе 14а и 14b. В данном случае сплошными линиями обозначен вид в разрезе 14а, в то время как пунктирными линиями обозначен вид в разрезе 14b. На виде в разрезе 14а верхняя пластина 2b теплообменника имеет только углубления 9, содержащие основания 11, в то время как нижняя пластина 2а теплообменника имеет только углубления 8, содержащие вершины 10. Опять основания 11 верхней пластины 2b теплообменника находятся в контакте с вершинами 10 нижней пластины 2а теплообменника. С другой стороны, на виде в разрезе 14b верхняя пластина 2b теплообменника имеет только углубления 8, содержащие вершины 10, в то время как нижняя пластина 2а теплообменника имеет только углубления 9, содержащие основания 11. Таким образом, на виде в разрезе 14b пластины 2а и 2b теплообменника не имеет зон контакта.
На Фиг. 6b, кроме того, показано, что боковые поверхности 12 углублений 8, 9 на видах в разрезе 14а, 14b могут быть по существу эллипсообразной формы между смежными вершинами 10 и между смежными основаниями 11. Таким образом, форма боковых поверхностей 12 может, например, плавно меняться от, по существу, линейной или, по существу, тангенсообразной формы до, по существу, эллипсообразной формы при движении по периферии углублений 8, 9.
На Фиг. 7 представлена упругая деформация пары углублений 8, 9, которые находятся в контакте друг с другом посредством вершины 10 и основания 11. На Фиг. 7 представлена ситуация, при которой силы 4, сжимающие вместе пластины 2а, 2b теплообменника, имеют близкую или равную величину. Это обычно имеет место, так как силы 4, возникающие частично в результате разности первого давления Р1 первой среды и второго давления Р2 второй среды, будут одинаково большими как в направлении "вверх", так и в направлении "вниз".
Боковая поверхность 12 будут упруго деформироваться от формы 12а, существовавшей до деформации (показана сплошными линиями), до формы 12b, имеющейся после упругой деформации (показана пунктирными линиями). Упругая деформация боковых поверхностей 12, также как вершин 10 и оснований 11, приводит к возникновению упругих сил, противодействующих внешним силам 4. При уменьшении внешних сил 4 упруго деформированные углубления 8, 9 восстановят формы, существовавшие до деформации. Как показано на Фиг. 2а, 2b и 3, тем самым, путем выполнения углублений упруго деформируемыми предотвращаются постоянные деформации зон контакта пластин 2 теплообменника,
На Фиг. 8а, 8b и 8с в соответствии с изобретением представлены различные возможные рисунки углублений 8, 9, расположенных на пластине 2 теплообменника. На Фиг. 8а представлены первые ряды 16, вдоль которых расположены углубления 8, содержащие вершины 10. В то же время представлены вторые ряды 17, вдоль которых расположены углубления 9, содержащие основания 11. В соответствии с воплощением на Фиг. 8а, по меньшей мере, некоторые из первых рядов 16, так же как и вторых рядов 17, расположены параллельно к кромке 18 пластины 2 теплообменника.
В соответствии с воплощением, представленном на Фиг. 8b, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых рядов 16, 17 расположены под углом к кромке 18 пластины 2 теплообменника. В этом случае угол выбирается из примерного диапазона от 20° до менее 45°. В зависимости от длины и ширины пластин 2 теплообменника, таким образом, можно убедиться, что поток жидкости должен распространяться по всей плоскости пластин теплообменника, что повышает эффективность теплообмена. В частности, таким образом может быть предотвращено распространение жидкости по прямым путям от первого впускного отверстия I1 до первого выпускного отверстия O1.
В соответствии с воплощением, представленным на Фиг. 8с, некоторые из первых и вторых рядов 16, 17 образуют клинья 19 в плоскости пластины теплообменника. Следовательно, первые и вторые ряды 16, 17 изменяют направление в плоскости пластины 2 теплообменника. Первые и вторые ряды могут также несколько раз изменять направление в плоскости пластины 2 теплообменника, формируя зигзагообразные линии. Этим гарантируется, что жидкость должна, по меньшей мере, несколько раз изменить направление, протекая от первого впускного отверстия I1 до первого выпускного отверстия O1.