ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к теплообменнику такого типа, в котором множество пластин сложены, при этом они образуют, благодаря их поверхностным конструкциям, тракты потока между соседними пластинами.
В частности, изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, в котором пластины образуют первый набор углублений и второй набор углублений в противоположных направлениях. Углубления первого набора углублений образуют первый набор контактных поверхностей, каждая из которых расположена напротив контактной поверхности смежной пластины, а углубления второго набора углублений образуют второй набор контактных поверхностей, каждая из которых расположена напротив контактной поверхности смежной пластины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В пластинчатом теплообменнике используются пластины для передачи тепла между двумя средами, в типичном случае между текучими средами, проходящими в разделенных первом и втором трактах потока. По сравнению с обычным теплообменником данные текучие среды открыты для большой площади поверхности, образованной поверхностями пластин. Это увеличивает обмен тепловой энергией между текучими средами.
Обычно пластинчатые теплообменники используются для водогрейных котлов и, в частности, для обеспечения быстрого приготовления горячей воды коммунально-бытового назначения и т.д.
К важным учитываемым факторам относятся теплообмен, гидравлическое сопротивление, стоимость, габариты и длительный срок эксплуатации.
Каждый из трактов потока соединен либо с первичным, либо с вторичным соединением для текучей среды, например, для подачи нагревающей текучей среды или горячей воды коммунально-бытового назначения. Первый и второй тракты потока расположены на противоположных сторонах пластин, при этом пластины содержат множество различных структур, таких как гофры, выполненные по елочному типу или по типу рыбьего скелета. Например, при сложении пластин теплообменника по елочному типу пластины располагают так, что они соединяются в точках пересечения гофров и поскольку гофры образуют относительно заостренные верхние части, то контактная площадь между верхними частями смежных пластин становится малой и не хорошо определенной.
Малая контактная площадь является желательной, так как на этих контактных площадях не происходит непосредственной передачи тепла. С другой стороны, контактные площади поглощают нагрузки со стороны пластин и таким образом противодействуют давлению текучих сред, проходящих в первом и втором трактах потока.
Если контактные площади слишком малы, то уменьшенная прочность должна компенсироваться увеличенной толщиной пластины для предотвращения ее деформирования. В типичном случае пластины имеют толщину, равную 0,4 мм или более. Как правило, с увеличением толщины пластины теплопередача снижается.
Концепция использования структуры из углублений обеспечивает возможность для создания контактных площадей с хорошо определенными поверхностями и, соответственно, хорошо определенных и оптимизированных характеристик прочности и гидравлических характеристик.
Вследствие уменьшенного изменения скорости среды при ее прохождении через профиль теплообменника можно уменьшить высоту профиля структуры из углублений в типичном случае на 30% по сравнению с обычной структурой по типу рыбьего скелета, с сохранением того же самого падения давления. Уменьшенная высота профиля в результате приводит приблизительно к двойному количеству точек пайки с увеличением таким образом прочности. Как вариант, возможно использование более тонких пластин.
Кроме того, уменьшенное изменение скорости среды при ее прохождении через профиль теплообменника приводит к более высокому коэффициенту конвективной теплопередачи при данной потере давления, что обеспечивает возможность конструкции хорошо определенной паяной площади без уменьшения общих рабочих характеристик теплообменника на основе структуры из углублений.
Преимущество овальных углублений заключается в увеличенной окружности углублений, что приводит к более высокой прочности и одновременно к уменьшенной контактной площади, а также к увеличенной площади теплопередачи и, таким образом, к улучшенной общей эффективности.
Другой недостаток гофров по типу рыбьего скелета, заключается в том, что они приводят к образованию зигзагообразного тракта для текучих сред с возникновением при этом нежелательного сопротивления и падения давления.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является создание пластинчатого теплообменника с хорошей теплопроводностью, хорошим соотношением прочности к весу, а также создание пластинчатого теплообменника, который прост для изготовления и обладает длительным сроком эксплуатации.
В первом аспекте данное изобретение обеспечивает пластинчатый теплообменник с углублениями, расположенными в виде матричной структуры с расстоянием Х1 между центрами углублений в смежных рядах и с расстоянием Х2 между центрами углублений в смежных столбцах, при этом углубления имеют окружность С и С/Х1 находится в диапазоне от 1,03 до 2,3, например в диапазоне от 1,1 до 2,27. Соответственно, С/Х2 предпочтительно также может находиться в диапазоне от 1,1 до 4,32, например в диапазоне от 1,2 до 4,0.
При заявленном диапазоне данным изобретением неожиданно обеспечивается пластина теплообменника с большой прочностью и, в частности, с высоким показателем прочности относительно веса и стоимости.
Данное изобретение, главным образом, относится к теплообменникам с прокладкой, в которых внешнее усилие удерживает вместе пакет пластин теплообменника, например, при сжимании между верхней и нижней пластинами, которые закреплены болтами. При этом в основу данного изобретения положено открытие, заключающееся в том, что существенным в создании прочного теплообменника является не площадь поверхности верхних частей, соответственно, нижних частей углублений, а в значительной степени является длина их окружности. Однако данное изобретение также может быть применено в том случае, когда пластины соединены адгезивным способом. Теплообменник может, в частности, содержать пластины с толщиной менее 0,30 мм. В этом случае прочность по окружности углубления в типичном случае становится критичной по сравнению с прочностью плоских площадей углублений.
В данном документе матричная структура является двухмерной структурой наподобие таблицы, состоящей из рядов и столбцов, в частности, в ней могут быть параллельные ряды и параллельные столбцы, и, в частности, ряды могут быть перпендикулярны столбцам.
По существу, каждое углубление может формировать расстояние r1 от его центра к краю его контактной поверхности в наикратчайшем направлении к центру углубления в смежном ряду. В варианте осуществления, в котором ряды перпендикулярны столбцам, наикратчайшим направлением будет прямолинейное направление от центра углубления с номером n в одном ряду к центру углубления с номером n в непосредственно смежном ряду.
По существу, каждое углубление образует расстояние r2 от его центра к краю его контактной поверхности в наикратчайшем направлении к центру углубления в смежном столбце. В варианте осуществления, в котором ряды перпендикулярны столбцам, наикратчайшим направлением будет прямолинейное направление от центра углубления с номером n в одном столбце к центру углубления с номером n в непосредственно смежном столбце.
В частности было установлено, что С/х1 предпочтительно может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, где верхняя граница определена функцией -0,2*(r1/r2)+2,4, а нижняя граница определена функцией -0,03*(r1/r2)+1,23.
Таблица 1 показывает различные диапазоны прочности, причем все они являются применимыми в соответствии с изобретением (см. в конце описания).
В другом варианте осуществления С/х2 может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, где верхняя граница определена функцией 0,9*(r1/r2)+1,36, а нижняя граница определена функцией 0,27*(r1/r2)+0,95.
Каждая контактная поверхность первого набора контактных поверхностей может образовывать по меньшей мере первую и вторую перпендикулярную ось симметрии с образованием, таким образом, углублений, например с круговой или эллиптической формой. В частности, оси симметрии могут иметь различную длину, например в диапазоне вплоть до 1:4, например 1:3 или 1:2 с образованием, таким образом, например, эллиптической формы.
Контактные поверхности первого набора контактных поверхностей могут быть расположены напротив контактных поверхностей второго набора контактных поверхностей смежной пластины, при этом все пластин могут быть идентичными.
Во втором аспекте данным изобретением обеспечивается пластина для пластинчатого теплообменника, причем пластина образует первый набор углублений и второй набор углублений в противоположных направлениях, причем каждое углубление первого набора углублений образует первую контактную поверхность, расположенную напротив контактной поверхности смежной пластины, и каждое углубление второго набора углублений образует вторую контактную поверхность, расположенную напротив контактной поверхности смежной пластины, при этом углубления расположены в матричной структуры с расстоянием Х1 между центрами углублений в смежных рядах и с расстоянием Х2 между центрами углублений в смежных столбцах, причем углубления имеют окружность С и С/Х1 находится в диапазоне от 1,1 до 2,3.
В случае определений, приведенных для теплообменника в соответствии с первым аспектом данного изобретения, С/х1 предпочтительно может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, причем верхняя граница определена функцией - 0,2*(r1/r2)+2,4, а нижняя граница определена функцией -0,03*(r1/r2)+1,23. С/х2 может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, причем верхняя граница определена функцией 0,9*(r1/r2)+1,36, а нижняя граница определена функцией 0,27*(r1/r2)+0,95.
В третьем аспекте данным изобретением обеспечивается способ конструирования пластинчатого теплообменника, содержащего множество пластин, каждая из которых образует первый набор углублений и второй набор углублений в противоположных направлениях, причем каждое углубление первого набора углублений образует первую контактную поверхность, расположенную напротив контактной поверхности смежной пластины, и каждое углубление второго набора углублений образует вторую контактную поверхность, расположенную напротив контактной поверхности смежной пластины, при этом способ отличается тем, что углубления расположены в виде матричной структуры с расстоянием Х1 между центрами углублений в смежных рядах и с расстоянием Х2 между центрами углублений в смежных столбцах, причем углубления имеют окружность С и С/Х1 находится в диапазоне от 1,1 до 2, 3.
Как и в случае определений, приведенных для теплообменника в соответствии с первым аспектом данного изобретения, С/х1 предпочтительно может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, причем верхняя граница определена функцией - 0,2*(r1/r2)+2,4, а нижняя граница определена функцией -0,03*(r1/r2)+1,23. С/х2 может быть выбрано так, чтобы находиться между верхней и нижней границей, причем верхняя граница определена функцией 0,9*(r1/r2)+1,36, а нижняя граница определена функцией -0,27*(r1/r2)+0,95.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает вид в аксонометрии теплообменника в соответствии с изобретением.
Фиг.2 показывает вид сверху пластинчатого теплообменника в соответствии с изобретением.
Фиг. 3 показывает пластину для теплообменника.
Фиг. 4 показывает пакет пластин в виде сбоку.
Фиг. 5 и 6 показывают четырехугольные участки одной пластины.
Фиг. 7-9 показывают расчеты для трех различных отношений r1/r2.
Фиг. 10-12 показывают расчеты для значений окружность/х1 и окружность/х2.
Фиг. 13 показывает верхний и нижний пределы значений r1/а, где:
А: нижний предел r1/а;
В: верхний предел r1/а;
С: максимальная прочность;
D: линия (нижний предел r1/а);
Е: линия (верхний предел r1/а);
F: линия (максимальная прочность).
Фиг. 14 показывает верхний и нижний пределы значений окружность/а, где:
А: нижний предел окружность/а;
В: верхний предел окружность/а;
С: максимальная прочность окружность/а;
D: линия (нижний предел окружность/а);
Е: линия (верхний предел окружность/а);
F: линия (максимальная прочность окружность/а).
Фиг. 15-20 показывают, соответственно, значения окружность/х1 и окружность/х2 для различных диапазонов прочности, при этом
на фиг. 15:
А: нижний предел окружность/х1;
В: верхний предел окружность/х1;
С: максимальная прочность окружность/х1;
D: линия (нижний предел окружность/х1);
Е: линия (верхний предел окружность/х1);
F: линия (максимальная прочность окружность/х1);
на фиг. 16:
А: нижний предел окружность/х2;
В: верхний предел окружность/х2;
С: максимальная прочность окружность/х2;
D: линия (нижний предел окружность/х2);
Е: линия (верхний предел окружность/х2);
F: линия (максимальная прочность окружность/х2);
на фиг. 17:
А: нижний предел окружность/х1;
В: верхний предел окружность/х1;
С: максимальная прочность окружность/х1;
D: линия (нижний предел окружность/х1);
Е: линия (верхний предел окружность/х1);
F: линия (максимальная прочность окружность/х1);
на фиг. 18:
А: нижний предел окружность/х2;
В: верхний предел окружность/х2;
С: максимальная прочность окружность/х2;
D: линия (нижний предел окружность/х2);
Е: линия (верхний предел окружность/х2);
F: линия (максимальная прочность окружность/х2);
на фиг. 19:
А: нижний предел окружность/х1;
В: верхний предел окружность/х1;
С: максимальная прочность окружность/х1;
D: линия (нижний предел окружность/х1);
Е: линия (верхний предел окружность/х1);
F: линия (максимальная прочность окружность/х1);
на фиг. 20:
А: нижний предел окружность/х2;
В: верхний предел окружность/х2;
С: максимальная прочность окружность/х2;
D: линия (нижний предел окружность/х2);
Е: линия (верхний предел окружность/х2);
F: линия (максимальная прочность окружность/х2).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, отображающие варианты осуществления изобретения, приведены только в качестве иллюстрации, при этом специалистам в данной области техники из подробного описания могут быть очевидны различные изменения и модификации в пределах сущности и объема правовой охраны данного изобретения.
Фиг.1 показывает пластинчатый теплообменник 1, содержащий множество пластин 2, сложенных в направлении сложения, показанном стрелкой 3. Теплообменные пластины сложены верхними частями напротив нижних частей.
Фиг. 2 показывает теплообменник в виде сверху. Пластина теплообменника имеет четыре угловых отверстия 4, 5, 6, 7 для присоединения к соединениям для текучей среды так, что два отверстия 4, 7 подсоединяют первый источник текучей среды к верхней стороне пластины посредством входного отверстия и выходного отверстия, при этом общее направление потока от входного отверстия к выходному отверстию показано сплошной стрелкой. Второй источник соединен с двумя отверстиями 6, 5, расположенными на нижней стороне пластины. Общее направление потока от входного отверстия к выходному отверстию показано пунктирной стрелкой. Данный поток является встречно-перекрестным потоком. Кроме того, встречным поток является опциональным при соединении отверстий 4+6 и 7+5.
Конструкция из углублений с верхними и нижними частями углублений показана белыми и черными овальными метками 9, 10. Углубления проходят в противоположных направлениях. Пластины могут быть выполнены, например, из плоской пластины, деформированной штамповкой для образования углублений, проходящих в противоположных направлениях относительно центральной плоскости исходной плоской пластины.
Фиг. 3 показывает одну пластину. Воображаемая плоскость, отмеченная номером позиции 11, показывает центральную плоскость, образованную каждой из пластин. Пластина образует первый набор углублений 12 и второй набор углублений 13. Первый и второй наборы углублений проходят от воображаемой центральной плоскости в противоположных от центральной плоскости направлениях. Пластины и, соответственно, углубления могут быть выполнены прессованием тонкой пластины из металла, например из нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни или цинка, или пластика с получением заданной формы, например в штампе. Пластины также могут быть выполнены формованием, например формованием под давлением из пластика в пресс-форме или в штампе.
Фиг. 3 показывает вид сбоку, при этом углубления могут иметь верхние поверхности любой формы, например эллиптической формы в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения. Возможно использование других форм, например, формы с большой эллиптичностью, прямоугольной формы и т.д., при условии, что они имеют хорошо определенную протяженность в первом направлении и хорошо определенную протяженность во втором направлении, перпендикулярном первому направлению.
Фиг. 4 показывает 4 пластины 14, 15, 16, 17, иллюстрируя размещение верхних частей 18 углублений напротив нижних частей 19 углублений верхней соседней пластины и, таким же образом, соединение нижних частей 20 углублений с верхними частями 21 нижней соседней пластины.
Фиг. 4 также показывает расположение боковых стенок приблизительно под 45°, см. обозначение угла. Таким образом, верхние и нижние углубления расположены по возможности ближе друг к другу. Это приводит к большему количеству углублений и к большей прочности. Угол в 45° ограничивается, например, максимальным удлинением материала из нержавеющей стали. По практическим причинам, например, вследствие допустимых отклонений от стандарта штамповочного инструмента часто используют меньший угол. Стенки выполнены ровными за счет свободного перемещения материала без острых краев и плоских секций пластины, за исключением секций, имеющихся на верхних и нижних частях углублений, т.е. в месте контакта смежных пластин.
Любая такая дополнительная плоская секция может создавать слабые секции и может приводить к разности давлений между текучими средами в первом и втором трактах с деформацией пластины, т.е. потенциально могут возникать выпячивание и растрескивание пластин на краях. В соединенных верхних и нижних частях отсутствует градиент давления, так как на противоположных сторонах соединений проходят одинаковые текучие среды с одинаковыми давлениями.
Конструкция, показанная на фиг. 4, обеспечивает возможность уменьшить толщину пластины. Отсутствие краев и плоских секций между верхними и нижними частями углублений обеспечивает направление давлений в стенки углублений с их поглощением по существу без возникновения пластической деформации. Кроме того, все соединения имеют увеличенные контактные площади по сравнению с конструкциями, выполненными по елочному типу, соответственно, силы давления распределяются по большей площади.
Однако один недостаток этого решения заключается в том, что относительно большие контактные площади уменьшают тепловое распределение от одного тракта к другому тракту. Этот недостаток устраняется за счет повышенной конвективной передачи тепла при данной потере давления и возможности уменьшать толщину пластины, что вновь содействует увеличенной передаче тепла.
В пластинчатом теплообменнике, показанном на фиг. 4, каждая из пластин типа, показанного на фиг. 3, расположена так, что углубления первого набора углублений образуют первую контактную поверхность, расположенную напротив контактных поверхностей смежной пластины, а углубления второго набора углублений образуют вторую контактную поверхность, расположенную напротив контактной поверхности смежной пластины.
Фиг. 5а показывает четырехугольный участок одной пластины. Четырехугольный участок, отмеченный белой линией 22, изображает площадь под давлением, которая должна быть выполнена посредством углублений из 4-х четвертей. В этом участке контактные поверхности углублений первого набора углублений состоят из 4-х четвертей площади контактной площади, образованной одним единственным углублением, т.е. общей площади одного полного углубления, но разделенной на четыре равные большие секции контактной поверхности.
Контактные поверхности смежных пластин как правило соединены адгезивным способом или сваркой, или пластины могут быть просто прижаты друг к другу, например, рамкой, проходящей по краю пластин и т.д.
Фиг. 5b показывает матричную структуру внутри четырехугольного участка, отмеченного линией 23.
На фиг. 6 показаны расстояния Х1 и Х2 между центрами углублений в смежных рядах и между центрами углублений в смежных столбцах. Зачерненные углубления проходят вверх, а обозначенные белым цветом углубления проходят вниз в противоположном направлении.
Фиг. 6 дополнительно показывает параметр 'а', являющийся расстоянием между краями двух соседних углублений (соседние углубления являются, соответственно, верхней частью углубления и нижней частью углубления) в первом или втором направлении. Параметры 'r1' и 'r2' являются протяженностью верхней/нижней поверхностей от их центра до края, видимого, соответственно, в первом и втором направлениях. В показанном примере с эллиптическими верхней/нижней поверхностями это соответствует двум радиусам, первому и второму радиусам, соответствующим наибольшей и наименьшей протяженности, соответственно. В большинстве вариантов осуществления эти параметры определяют первое и второе направления. Значение параметра 'а' может быть различной для расстояния между рядами и столбцами углублений.
Линии, соединяющие четыре зачерненных эллипса, образуют прямоугольник или ромб в случае отличия отношения r1/r2 от 1. Площадь этого прямоугольника можно рассматривать как 'теплопередающую ячейку', при этом эта теплопередающая ячейка содержит тогда верхнюю часть углубления и состоящие из четырех четвертей нижние части углублений, не способствующие передаче тепла.
При условии, что в качестве формы для расчета максимального давления, которое может выдержать данная ячейка, приняты верхние/нижние площади с эллиптической формой, расчеты выполняются по нижеследующим формулам.
Площадь эллипса:
А=πr1r2,
окружность эллипса по формуле Рамануджана в первом приближении:
прочность по окружности:
s=tCσ,
где t - толщина пластины, С - окружность углубления и σ - прочность материала пластины.
Площадь под давлением для одной ячейки:
р
1
2
1
2
А=2XX-πrr.
При этом максимальное давление, которое может выдерживать ячейка, принимает вид:
Для конкретного случая, когда величина а имеет одинаковое значение для ориентации рядов и столбцов:
1
1
2
2
Х=2r+а и Х=2r+а.
На фиг. 7-9 эти расчеты показаны для трех различных отношений r1/r2 (r1/r2=1, 2 и 3) в зависимости от величины r1/а, и как можно видеть все они имеют максимальное значение при конкретных значениях r1/а. Однако не всегда является предпочтительным выполнять конструирование в соответствии с максимальными значениями. Допустимый диапазон в окрестности максимума установлен для диапазона r1/а, находящегося в пределах 90%-100% максимального значения, причем каждый дает верхний и нижний предел r1/а и r2/а.
На фиг. 10-12 показана сходная зависимость, но в данном случае полученную для величины окружность/х1.
При наличии достаточного расстояния, необходимого для выдерживания воздействия сил, на окончательную конструкцию также влияют другие аспекты, например, эффективность теплопередачи пластин, ограничивающая увеличение площадей верхней/нижней поверхностей углублений. Поэтому следующим этапом является определение допустимого диапазона в окрестности максимума, который установлен для диапазона И/а, находящегося в пределах 90%-100% максимального значения, причем каждый дает верхний и нижний предел r1/а и r2/а.
На фиг. 13 показаны верхний и нижний пределы значений r1/а, и кроме того, не явным образом, r2/a, а также геометрию для максимальной прочности конструкций с различными r1/r2. На фиг. 14 показано то же самое, но для зависимости отношения окружность/а от r1/r2.
На фиг. 15-20 показаны значения, соответственно, отношений окружность/х1 и окружность/х2 для различных диапазонов прочности.
вepx
верх
верх
нижн
нижн
нижн
верх
нижн
Каждую из этих зависимостей затем аппроксимируют прямой Y=A(r1/r2)+B, так что верхняя предельная линия определяется как Y = А(r1/r2) + В, а нижняя предельная линия определяется как Y = А(r1/r2) + В. Затем конструируют пластины теплообменника с углублениями, рассчитанными так, что они подпадают под пределы Y и Y.