ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, имеющему три отдельных контура для текучей среды. Такой пластинчатый теплообменник будет иметь два независимых контура для хладагента и один контур для жидкости.
Уровень техники
Пластинчатые теплообменники, имеющие три отдельных контура для текучей среды, один контур для жидкости и два контура для хладагента, демонстрируют некоторые преимущества по сравнению с теплообменниками, имеющими два контура для текучей среды. Такой теплообменник делает возможным хорошо сбалансированное воздействие охлаждения с меньшим риском замораживания, при использовании в качестве испарителя. Он будет также работать при условиях частичной нагрузки эффективным образом, который будет уменьшать потребление энергии. Установка будет более простой и быстрой, что уменьшит стоимость установки. Кроме того, это обеспечивает более простую и, таким образом, менее дорогостоящую систему контроля.
Одно из распространенных применений трехконтурных теплообменников представляет собой испарители для испарения хладагентов, протекающих в системах охлаждения. Такая система охлаждения, как правило, содержит компрессор, конденсор, расширительный клапан и испаритель. Пластинчатый теплообменник, используемый в качестве испарителя в системе этого вида, часто имеет пластины для теплообмена, которые свариваются или спаиваются вместе, но могут использоваться также и уплотняющие манжеты для уплотнения между пластинами теплопереноса.
В EP 0765461 B показан пластинчатый теплообменник с проходами для трех различных текучих сред между пластинами. Доставка трех текучих сред в сердцевину пластин осуществляется таким образом, что проходы для текучей среды номер один присутствуют по обе стороны от каждого прохода для каждой из двух оставшихся текучих сред. Проходы создаются с использованием двух различных видов пластин. Хорошее уплотнение между соседними пластинами на отверстиях, создающих входные и выходные каналы для трех текучих сред, создается посредством конструирования участков вокруг узлов входа и выхода, определяя тем самым систему с кольцевыми планарными плато.
В EP 1062472 B показан другой пример теплообменника с тремя контурами для текучей среды. Данная заявка относится главным образом к соединению отверстий узлов входа и выхода непроницаемым для воздуха способом.
В EP 0965025 B описан пластинчатый теплообменник для трех теплообменных текучих сред. Отверстия входа и выхода теплообменника предназначены попарно для протекания через них соответствующих теплообменных текучих сред, и отверстия входа и выхода располагаются симметрично по обе стороны детали для теплопереноса таким образом, что прямая линия, проведенная между центрами отверстий входа и выхода, разделяет деталь для теплопереноса на две сходные части.
Эти теплообменники будут превосходно функционировать в некоторых применениях. Однако в имеющихся теплообменниках, по-прежнему остается место для усовершенствований.
Раскрытие изобретения
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного теплообменника, имеющего улучшенное распределение потока в каждом контуре для потока. Другой задачей настоящего изобретения является создание теплообменника, имеющего улучшенный коэффициент теплопереноса.
Решение проблемы в соответствии с настоящим изобретением описывается в отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Пункты 2-11 формулы изобретения содержат преимущественные варианты выполнения пластины теплообменника. Пункты 12-21 формулы изобретения содержат преимущественные варианты выполнения узла теплообменника. Пункт 22 формулы изобретения содержит преимущественный теплообменник.
С помощью пластины теплообменника для использования в узле трехконтурного теплообменника, где пластина содержит первую распределительную область, имеющую три отверстия портов, область теплообмена и вторую распределительную область, имеющую три отверстия портов, где пластина имеет волнистую структуру, имеющую выступы и впадины, цель настоящего изобретения достигается тем, что отверстие центрального порта первой распределительной области располагается на некотором расстоянии по вертикали от короткого края пластины, таком, что может быть получен проход для текучей среды между отверстием центрального порта и коротким краем пластины, когда две пластины пакетируются с формированием канала для текучей среды между пластинами.
С помощью этого первого варианта выполнения пластины для узла теплообменника получают пластину теплообменника, которая делает возможным улучшенное распределение потока в первом распределительном проходе для контуров для хладагента. Преимущество этого заключается в том, что большая часть пластины теплообменника, то есть область вокруг пассивного входного порта, также может использоваться в качестве эффективной поверхности для теплопереноса. Другое преимущество заключается в том, что распределение потока текучей среды в первом или нижнем распределительном проходе улучшается, что, в свою очередь, улучшает распределение потока в проходе для теплопереноса. Другое преимущество заключается в том, что поток в контуре для жидкости и в выходном порту для жидкости также улучшается. Таким образом, эффективность теплообменника будет улучшаться.
В преимущественном варианте пластины по настоящему изобретению отверстие центрального порта второй распределительной области располагается на некотором расстоянии по вертикали от короткого края пластины, так что может быть получен проход для текучих сред между отверстием центрального порта и коротким краем пластины, когда две пластины пакетируются с формированием канала для текучей среды между пластинами. Преимущество этого заключается в том, что большая часть пластины теплообменника, то есть область вокруг пассивного выходного порта, также может использоваться в качестве эффективной поверхности теплопереноса. Другое преимущество заключается в том, что распределение потока жидкости из входного порта улучшается, что, в свою очередь, улучшает распределение потока жидкости в проходе для теплопереноса. Таким образом, эффективность теплообменника будет дополнительно улучшаться.
В преимущественном варианте выполнения пластины по настоящему изобретению по меньшей мере один угол пластины снабжается плоской имеющей форму кольца обводной секцией, адаптированной для формирования обводного прохода для хладагента вокруг порта, когда две пластины пакетируются с формированием канала для текучей среды хладагента между пластинами. Это будет улучшать распределение текучей среды в каналах теплообменника для хладагента.
В преимущественном варианте выполнения пластины по настоящему изобретению по меньшей мере одна обводная секция для воды создается в углу пластины, так что может быть получен проход для воды между двумя соседними обводными секциями, когда две пластины пакетируются с формированием канала для воды между пластинами. Это будет улучшать распределение текучей среды в канале для воды теплообменника.
В других в преимущественных вариантах выполнения пластины по настоящему изобретению, предусмотрена нижняя распределительная бороздка между первой распределительной областью и областью теплообмена, где нижняя распределительная бороздка содержит по меньшей мере одну ограничительную область, и верхняя распределительная бороздка создается между областью теплообмена и верхней распределительной областью. Все эти варианты сделают возможным улучшение распределения текучей среды в теплообменнике.
В преимущественном варианте выполнения пластины по настоящему изобретению, первая распределительная область имеет шевронную форму, имеющую первый узор, вторая распределительная область имеет шевронную форму, имеющую второй узор, и при этом область теплообмена имеет шевронную форму, имеющую третий узор, при этом шевронная форма первого узора направлена в первом угловом направлении и шевронная форма второго узора направлена в противоположном угловом направлении. Это обеспечит улучшенный теплоперенос теплообменника.
С помощью узла теплообменника, содержащего четыре пластины теплообменника по настоящему изобретению, цель настоящего изобретения достигается тем, что первая пластина, вторая пластина, третья пластина и четвертая пластина являются различными.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, где создается первый канал для хладагента между первой пластиной и второй пластиной, создается канал для воды между второй пластиной и третьей пластиной и создается второй канал для хладагента между третьей пластиной и четвертой пластиной, и при этом каждый канал для текучей среды содержит первый распределительный проход, предусматриваемый между двумя соседними первыми распределительными областями, проход для теплообмена, предусматриваемый между двумя соседними областями теплообмена, и второй распределительный проход, предусматриваемый между двумя соседними вторыми распределительными областями, горизонтальный проход создается в первом распределительном проходе между центральным портом для воды и коротким краем узла. Это является преимущественным в том, что горизонтальный проход улучшит распределение потока в первом распределительном проходе, что, в свою очередь, улучшит распределение потока в проходе для теплопереноса. Это даст возможность большей части пластины теплообменника, то есть области вокруг пассивного узла входа, функционировать в качестве эффективной поверхности теплопереноса. Другое преимущество заключается в том, что поток текучей среды в контуре для жидкости улучшается, поскольку весь выходной порт для жидкости открыт. Таким образом, эффективность теплообменника будет улучшаться.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создается горизонтальный проход во вторых распределительных проходах между центральном портом для воды и соседним коротким краем узла. Преимущество этого заключается в том, что большая часть пластины теплообменника, то есть область вокруг пассивного выходного порта, может также использоваться в качестве эффективной поверхности для теплопереноса. Другое преимущество заключается в том, что распределение потока жидкости из входного порта улучшается, что, в свою очередь, улучшает распределение потока жидкости в проходе для теплопереноса. Таким образом, эффективность теплообменника будет дополнительно улучшаться.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создается обводной проход для воды в распределительном проходе для воды между портом для хладагента и углом узла. Это является преимущественным в том, что получают обход для воды, который значительно улучшит распределение потока воды в теплообменнике.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создается обводной проход для хладагента вокруг порта для хладагента в распределительном проходе для хладагента. Это является преимущественным в том, что значительно улучшается распределение потока хладагента.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создаются активные входные порты для хладагента с входными соплами, где угол наклона входных сопел находится в пределах между 0 и 180 градусов относительно вертикальной оси и где входное сопло направлено к центральной вертикальной оси узла. Таким образом, входное сопло будет направлено к центру теплообменника, что улучшит распределение текучей среды в теплообменнике.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создается нижний распределительный путь между нижним распределительным проходом и проходом для теплообмена. Это является преимущественным в том, что распределение потока в нижнем распределительном проходе может контролироваться более точным образом, так что поток в проходе для теплообмена может стать настолько однородным, насколько это возможно.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, нижний распределительный путь содержит по меньшей мере одни ограничительные средства, так что получается ограничение потока в нижнем распределительном пути. Это является преимущественным в том, что распределение потока в нижнем распределительном проходе может контролироваться более точным образом, так что поток в проходе для теплообмена может быть настолько однородным, насколько это возможно.
В преимущественном варианте выполнения узла по настоящему изобретению, создается верхний распределительный путь между проходом для теплообмена и верхним распределительным проходом. Это является преимущественным в том, что распределение потока в верхнем распределительном проходе может быть сделано еще более однородным.
В трехконтурном теплообменнике, содержащем множество узлов теплообменников по настоящему изобретению и, кроме того, содержащем по меньшей мере переднюю пластину и заднюю пластину, получают усовершенствованный теплообменник.
Краткое описание чертежей
Далее, настоящее изобретение будет описываться более подробно со ссылками на варианты выполнения, которые показаны на прилагаемых чертежах, в которых
Фиг.1 показывает узел пластинчатого теплообменника в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.2 показывает первую пластину теплообменника, которая должна использоваться в узле из пластин теплообменника в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.3 показывает вторую пластину теплообменника, которая должна использоваться в узле из пластин теплообменника в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.4 показывает третью пластину теплообменника, которая должна использоваться в узле из пластин теплообменника в соответствии с настоящим изобретением, и
Фиг.5 показывает четвертую пластину теплообменника, которая должна использоваться в узле из пластин теплообменника в соответствии с настоящим изобретением.
Варианты осуществления настоящего изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения с дополнительными вариантами, описываемыми в дальнейшем, должны рассматриваться только в качестве примеров и не должны ни в коем случае ограничивать объем защиты, обеспечиваемый формулой изобретения.
Ниже в примерах вода используется в качестве примера текучей среды, которая должна охлаждаться или нагреваться. Текучая среда, которая должна охлаждаться или нагреваться, адаптирована для использования в однофазном, исключительно жидком состоянии. Компоновка теплообменника, таким образом, адаптируется для однофазной жидкости для контура для воды. Разумеется, возможным является также использование других текучих сред, таких как различные смеси воды и других текучих сред, например, для целей защиты от замерзания или коррозии. Хладагент используется в качестве примера текучей среды, которая должна испаряться или конденсироваться. Эта текучая среда будет предпочтительно использоваться в двух фазах, в жидком состоянии и парообразном состоянии, но возможно использование текучей среды только в одном состоянии, либо в жидком состоянии, либо в парообразном состоянии, либо как смесь. Компоновка теплообменника, таким образом, адаптирована для двухфазной текучей среды для контуров для других текучих сред.
Настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, имеющему три отдельных типа каналов, делающих возможными три различных контура для потоков текучих сред. Один из каналов адаптируется для переноса однофазной жидкости, которая должна нагреваться или охлаждаться. В настоящей заявке, в качестве примера такой жидкости будет использоваться вода. Другие два канала адаптированы для переноса двухфазного хладагента, который адаптируется для испарения или конденсации в теплообменнике. Эти каналы могут либо соединяться, так что один хладагент является общим для обоих контуров, либо же каналы могут разделяться так, что может использоваться отдельный хладагент в каждом контуре. В настоящей заявке, в качестве примера хладагента, используется двухфазная насыщенная текучая среда, которая находится в состоянии под некоторым давлением, когда поступает в теплообменник, и которая будет испаряться в теплообменнике.
Кроме того, пластинчатый теплообменник в описываемом примере относится к типу с постоянным соединением, то есть пластины являются спаянными, склеенными, связанными, сплавленными или сваренными друг с другом с формированием теплообменника в целом. Пластинчатый теплообменник содержит множество узлов теплообменников, где каждый узел содержит четыре различных пластины теплообменников. Однако также возможно использование различных типов уплотнения, например манжет между пластинами, сваренных пластин или наполовину сварного узла из пластин с манжетами между каждой второй парой пластин.
Пластины теплообменника формируют с использованием двух различных инструментов для штампования, получая при этом два различных типа пластин, первый тип пластин, имеющий шевронный узор в одном направлении, и второй тип пластин, имеющий шевронный узор в противоположном направлении. Узор имеет волнистую структуру, состоящую из выступов и впадин, которые простираются по пластинам в виде шевронного узора с точками изменения углового направления, расположенными вдоль продольных линий, разделяющих ширину пластины на равные части. Волнистая структура вместе с узором шеврона выложена так, чтобы создать множество точек пересечения структуры, когда пластины пакетируются вместе, создавая тем самым прочный и жесткий теплообменник, имеющий эффективный теплоперенос. Волнистая структура и узоры этого вида хорошо известны специалистам. Возможно также использование волнистой структуры, имеющей один и тот же угол по всей поверхности, то есть такой, которая не имеет никаких точек изменения направления.
Каждый тип пластин проходит при дальнейшей отделке через одну или несколько дополнительных операций штампования/резки, при этом создаются четыре различные пластины. При дополнительных операциях, штампуют и вырезают в законченной форме области отверстий обмена пластин и формируют вырез сопла.
Полученные пластины, включающие первую пластину 101, вторую пластину 201, третью пластину 301 и четвертую пластину 40, пакетируют так, что они формируют узел пластинчатого теплообменника. Пластины пакетируют так, что каждая следующая пластина принадлежит к тому же типу пластин, если не рассматривать размер и узор области отверстия порта и сопла. Области отверстий портов будут различаться для разных пластин, как будет описано ниже. Можно также придавать первому и второму типам пластин различные углы шевронного узора. Таким образом, узор первого типа пластин может иметь чуть меньший угол и узор второго типа пластин чуть больший угол, так что среднее значение углов соответствует желаемому значению угла для узора.
Каждая пластина теплообменника содержит первую или нижнюю распределительную область, содержащую три отверстия портов, центральную область теплообмена и вторую или верхнюю распределительную область, содержащую три отверстия портов. Каждая пластина имеет продольную или вертикальную ось и латеральную или горизонтальную ось. Отверстия портов первой распределительной области располагаются симметрично по отношению к продольным осям. Отверстия портов второй распределительной области также располагаются симметрично по отношению к продольной оси. Отверстия портов первой и второй распределительных областей могут располагаться симметрично по отношению друг к другу. В преимущественном варианте осуществления, отверстия портов первой и второй распределительной областей, однако, не располагаются симметрично по отношению друг к другу, поскольку отверстия портов, адаптированные для испаренной фазы хладагента, имеют больший диаметр, чем отверстия портов, адаптированные для протекающей парожидкостной смеси хладагента, и отверстия портов располагаются приблизительно на одинаковом расстоянии от углов пластин. В этом варианте выполнения, отверстия портов во второй распределительной области адаптируются для хладагента в парообразном состоянии, а отверстия портов в первой распределительной области адаптируются для жидкого хладагента.
Теплообменник в одном из примеров предназначается для использования при испарении восходящей пленки на стороне канала для хладагента и для охлаждения на стороне воды в системе противоточного потока. Ниже, для иллюстрации настоящего изобретения, будет использоваться теплообменник, используемый для испарения восходящей пленки. Таким образом, ссылки в описании будут упоминать геометрию для положения такого вертикального, восходящего теплообменника. Можно также использовать теплообменник в других положениях, если это требуется, например расположенный под другими углами к горизонтальной оси. Двухфазная текучая среда хладагента может представлять собой смесь жидкости и пара, когда она поступает в теплообменник, и может быть полностью парообразной, и даже перегретой, когда она покидает теплообменник. Теплообменник может также использоваться вместе с водой и хладагентом, которые протекают в одинаковых направлениях, то есть в прямоточном потоке. Описываемый теплообменник адаптируется для диагонального потока хладагента, то есть хладагент будет поступать в теплообменник через входной порт в нижнем углу теплообменника и будет покидать теплообменник через выходной порт на противоположном верхнем углу. Разумеется, можно также адаптировать теплообменник для параллельного потока, где хладагент поступает в теплообменник через входной порт на нижнем углу теплообменника и покидает теплообменник через выходной порт на верхнем углу на той же стороне, с помощью соответствующего адаптирования входных или выходных портов.
Теплообменник также может использоваться для конденсации нисходящей пленки хладагента, нагревая в то же время сторону воды, в системе с противоточным потоком или прямоточным потоком. Двухфазная текучая среда хладагента может находиться в перегретом состоянии или в состоянии насыщенного пара, когда она поступает в теплообменник через верхний распределительный проход, и может частично или полностью конденсироваться и даже переохлаждаться, когда покидает теплообменник через нижний узел выхода для хладагента. Теплообменник также может использоваться в качестве пароохладителя или охладителя для газа при однофазном теплопереносе, или подогревателя для испарения, и в других сходных применениях, в зависимости от потребностей установки. Могут потребоваться небольшие модификации узора пластин, в зависимости от применения.
Первая пластина 101 теплообменника, показанная на фиг.2, содержит первую или нижнюю распределительную область 102, область 103 теплообмена и вторую или верхнюю распределительную область 104. Пластина имеет продольную или вертикальную ось 105 и латеральную или горизонтальную ось 106. Нижняя распределительная область 102 снабжена первым отверстием 107 входного порта для хладагента, отверстием 112 выходного порта для воды и вторым отверстием 109 входного порта для хладагента. Первое отверстие 107 входного порта снабжено вырезом 114 сопла.
Следует понимать, что вся поверхность пластины теплообменника, где имеется проход для текучей среды на другой стороне пластины, представляет собой область теплопереноса. Область 103 теплообмена, таким образом, упоминается как область теплообмена, поскольку главная цель представляет собой теплоперенос, даже если будет происходить некоторое распределение текучей среды также и в области теплообмена. Нижняя и верхняя распределительные области имеют двойную цель, как распределения текучей среды, так и теплопереноса.
Узор первой распределительной области 102 имеет одну шевронную форму, то есть V-образную форму, где точка изменения направления является центральной по отношению к пластине, разделяя первую распределительную область на две равные части. Угол узора для V-образного узора предпочтительно находится в пределах между 50 и 70 градусами по отношению к вертикальной оси теплообменника. Внутренний угол V-образной формы, таким образом, находится в пределах между 100 и 140 градусами. Другие углы являются возможными, но преимущественным является, чтобы внутренний угол V-образной формы был тупым. Посредством придания шевронному узору в некоторой степени малого угла по отношению к горизонтальной оси, коэффициент трения в горизонтальном направлении нижнего распределительного канала будет относительно низким, что облегчит распределение хладагента по ширине пластины.
Область 103 теплообмена снабжена волнистой структурой, имеющей шевронный узор, например W-образную форму, имеющую три точки изменения направления, разделяющих область теплообмена на четыре равные части. Внутренний угол между шевронами является очень важным для коэффициента трения канала. Для такого же внутреннего угла, одно из преимуществ использования W-образной формы вместо V-образной формы заключается в том, что средний коэффициент трения для области теплопереноса будет выше, чем при использовании V-образной формы. Таким образом, коэффициент теплопереноса будет выше, чем для обычной V-образной формы. Использование W-образной формы дает узор с тремя изменениями направления. Можно также использовать шевронный узор, имеющий два, четыре или даже больше изменений направления. В переходной области шевронов, то есть в точках изменения направления, горизонтальный, а также и вертикальный компонент скорости потока уменьшаются и могут быть близки к нулю. На показанной первой пластине узор напоминает букву W, помещенную в перевернутом положении.
Угол волнистой W-образной формы предпочтительно находится в пределах между 50 и 70 градусами по отношению к вертикальной оси теплообменника. Таким образом, внутренний угол шеврона находится в пределах между 100 и 140 градусами. Внутренний угол шевронов области теплообмена может быть таким же, как у шевронов в первой распределительной области, или он может быть несколько меньшим. Возможны другие углы, но важно, чтобы внутренний угол шевронов являлся тупым. Коэффициент трения прохода для теплообмена зависит, например, от внутреннего угла формы шеврона, вместе с количеством изменений направления.
Верхняя распределительная область 104 пластины снабжена первым отверстием 108 выходного порта для хладагента, отверстием 111 входного порта для воды и вторым отверстием 110 выходного порта для хладагента. Волнистая структура верхней распределительной области демонстрирует шевронный узор, напоминающий одну букву V, расположенную вверх ногами. Внутренний угол V-образной формы может быть таким же, как для нижней распределительной области.
Внутренние углы шевронов в нижней распределительной области, в области теплообмена и в верхней распределительной области могут быть одинаковыми, или они могут различаться. В преимущественном варианте осуществления, шевроны нижней распределительной области и области теплообмена создаются с одинаковым внутренним углом. Шевронная форма верхней распределительной области в этом варианте осуществления создается с углом, который меньше по отношению к вертикальной оси. В другом преимущественном варианте осуществления, шевроны нижней распределительной области создаются с первым углом, шевроны области теплообмена создаются со вторым, меньшим углом и шевроны верхней распределительной области создаются с еще меньшим углом. Предпочтительно, углы находятся в интервале в пределах между 50 и 70 градусами. Преимущество создания различных внутренних углов для различных областей заключается в том, что при испарении хладагента, объемный поток будет выше в верхней части теплообменника. Таким образом, различные внутренние углы дадут более низкое сопротивление потоку, когда объемный поток увеличивается с помощью направления потока в канале. Это же используется, когда поток является противоположным, и теплообменник используют для конденсации паров. Меньший внутренний угол шеврона по отношению к вертикальной оси даст меньшее сопротивление потоку в этом направлении потока.
Вторая пластина 201 теплообменника, показанная на фиг.3, содержит нижнюю распределительную область 202, область теплообмена 203 и верхнюю распределительную область 204. Пластина имеет вертикальную ось 205 и горизонтальную ось 206. Нижняя распределительная область 202 снабжена первым отверстием 207 входного порта для хладагента, отверстием 212 выходного порта для воды и вторым отверстием 209 входного порта для хладагента. Первое отверстие 207 входного порта снабжено вырезом 214 сопла.
Узор нижней распределительной области 202 имеет форму одного шеврона, то есть V-образную форму, где V-образная форма напоминает букву V, расположенную вверх ногами. Точка изменения направления является центральной для пластины, разделяя первую распределительную область на две равные части. За исключением направления формы шеврона, углы узора являются такими же, как для первой пластины.
Область 203 теплообмена снабжена волнистой структурой, имеющей шевронный узор, то есть W-образную форму, имеющую три точки изменения направления, разделяющие область теплообмена на четыре равные части. На показанной второй пластине, узор напоминает букву W. За исключением направления формы шеврона, углы узора являются такими же, как для первой пластины.
Верхняя распределительная область 204 второй пластины снабжена первым отверстием 208 выходного порта для хладагента, отверстием 211 входного порта для воды и вторым отверстием 210 выходного порта для хладагента. Волнистая поперечная структура верхней распределительной области имеет шевронный узор, напоминающий одну букву V. Внутренний угол V-образной формы может быть таким же, как и для нижней распределительной области. За исключением направления формы шеврона, углы узора являются такими же, как для первой пластины.
Третья пластина 301 теплообменника, показанная на фиг.4, содержит нижнюю распределительную область 302, область теплообмена 303 и верхнюю распределительную область 304. Пластина имеет вертикальную ось 305 и горизонтальную ось 306. Нижняя распределительная область 302 снабжена первым отверстием 307 входного порта для хладагента, отверстием 312 выходного порта для воды и вторым отверстием входного порта для хладагента 309. Верхняя распределительная область 304 пластины снабжена первым отверстием 308 выходного порта для хладагента, отверстием 311 входного порта для воды и вторым отверстием 310 выходного порта для хладагента. За исключением портов и выреза сопла, третья пластина теплообменника напоминает первую пластину теплообменника.
Четвертая пластина 401 теплообменника, показанная на фиг.5, содержит нижнюю распределительную область 402, область теплообмена 403 и верхнюю распределительную область 404. Пластина имеет вертикальную ось 405 и горизонтальную ось 406. Нижняя распределительная область 402 снабжена первым отверстием 407 входного порта для хладагента, отверстием 412 выходного порта для воды и вторым отверстием 409 входного порта для хладагента. Верхняя распределительная область 404 пластины снабжена первым отверстием 408 выходного порта для хладагента, отверстием 411 входного порта для воды и вторым отверстием 410 выходного порта для хладагента. За исключением отверстий портов и выреза сопла, четвертая пластина теплообменника напоминает вторую пластину теплообменника.
В описании, фраза активный входной порт означает, что входной порт открыт, чтобы сделать возможным протекание хладагента через этот входной порт в этот канал для хладагента. Пассивный входной порт означает, что входной порт герметизирован так, что хладагент не может протекать в канал для хладагента через пассивный входной порт. Это же относится и к фразе активный выходной порт, которая означает, что выходной порт находится в контакте с каналом для хладагента, так что хладагент вытекает из активного выходного порта. Пассивный выходной порт герметизирован так, что хладагент не может вытекать из канала для хладагента через пассивный выходной порт.
На фиг.1, показан узел 1 пластины теплообменника по настоящему изобретению, содержащий первую пластину 101, вторую пластину 201, третью пластину 301 и четвертую пластину 401. Различные пластины показаны на фиг.2-5. Пластины пакетируются друг на друге в количестве, необходимом для конкретного теплообменника. Таким образом, формируется теплообменник, содержащий множество узлов. Количество узлов может выбираться в зависимости от необходимых требований к теплообменнику. Полный теплообменник будет также содержать конкретную переднюю пластину и заднюю пластину (не показаны), имеющие бóльшую толщину, чем индивидуальные пластины теплообменников. Передняя пластина и задняя пластина будут содержать соединения и тому подобное. В полном теплообменнике, канал для жидкости, ближайший к передней и задней пластине, будет представлять собой канал для воды. Отдельная пластина теплообменника, формирующая канал для воды вместе с первой пластиной, может, таким образом, содержаться в передней пластине, и отдельная пластина теплообменника, формирующая канал для воды вместе с четвертой пластиной, может, таким образом, содержаться в задней пластине. Передняя и задняя пластины будут упрочнять теплообменник, делая его более стабильным и жестким.
Теплообменник относится к спаянному типу. Между первой и второй пластиной, формируется первый канал 2 для хладагента. Между второй и третьей пластиной, формируется канал 3 для воды. Между третьей и четвертой пластиной, формируется второй канал 4 для хладагента. Между четвертой пластиной и первой пластиной следующего узла, формируется канал для воды. Таким образом, теплообменник будет иметь чередующиеся первый и второй каналы для хладагента, которые окружены каналами для воды с каждой стороны.
Как канал для хладагента, так и канал для воды будут содержать нижний распределительный проход, проход для теплообмена и верхний распределительный проход. Вертикальная длина нижнего распределительного прохода предпочтительно меньше, чем половина ширины теплообменника, в то время как вертикальная длина верхнего распределительного прохода предпочтительно меньше, чем две трети от ширины теплообменника.
Когда первая пластина 101 и вторая пластина 201 располагаются друг за другом, формируется первый канал 2 для хладагента. Хладагент будет поступать в первый канал для хладагента через первый входной порт 21 для хладагента, который представляет собой активный входной порт, создаваемый первыми отверстиями 107, 207 входного порта для хладагента. Отверстия 107, 207 входного порта снабжены концентрическими уплотнительными секциями 113, 213, которые будут располагаться друг над другом. Вход в первый канал для хладагента снабжен входным соплом 25 в уплотнительных секциях. Входное сопло получают посредством вырезов 114, 214 сопел в одной или обеих уплотнительных секциях, штампуемых во время дополнительной операции штампования. Размер входного сопла, то есть длина и поперечное сечение, вместе с угловым положением входного сопла, являются важными для распределения хладагента в нижнем распределительном проходе 10, создаваемом между нижними распределительными областями 102 и 202. Размер входного сопла частично зависит от входного давления хладагента и выбирается для достижения равномерного распределения потока по всем каналам хладагента в полном теплообменнике. Угловое положение входного сопла выбирается так, что хладагент может равномерно распределяться по всей ширине теплообменника в каждом канале для хладагента.
Входное сопло может быть направлено под любым выбранным углом, в зависимости, например, от узора волнистой структуры в нижнем распределительном проходе и в обводной секции вокруг входного порта. Предпочтительно, угол входного сопла находится в пределах между 0 и 180 градусами относительно вертикальной оси и направлен к центральной вертикальной оси пластины, а более предпочтительно, находится в пределах между 90 и 150 градусами.
В одном из вариантов осуществления, входной порт является открытым. Это может быть преимущественным, когда теплообменник используют так, что входной порт действует как выходной порт для паров, например, в охладителе газа. Для предотвращения блокировки выхода парами, уплотнительная секция и сопло вырезаются на стадии изготовления. Вместо них получают открытый порт, напоминающий выходной порт 22. Такой порт позволит парам или смеси пара и жидкости выходить через этот порт.
Для дополнительного улучшения распределения хладагента активный входной порт снабжен активным обводным проходом 18 входного порта, вокруг входного порта, позволяющим хладагенту протекать вокруг обеих сторон входного порта. Каждая пластина содержит обводную секцию 115, 215, простирающуюся вокруг всего первого отверстия входного порта. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как и волнистость пластины. Полученный обводной проход 18, таким образом, будет иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, что означает, что падение давления трения в обводном проходе будет гораздо меньше, чем на волнистой структуре. Таким образом, обводной проход 18 будет распределять часть хладагента от входного сопла в распределительную область вокруг активного входного порта.
Часть хладагента от сопла будет также продолжать перемещаться в направлении от сопла в волнистую структуру и дальше, в направлении второго входного порта 23 для хладагента, который представляет собой пассивный входной порт. Поскольку отверстия 112, 212 выходного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от нижнего короткого края пластины, нижний горизонтальный проход 13 формируется в нижнем распределительном канале между выходным портом для воды и нижним коротким краем теплообменника. Таким образом, хладагент может протекать ниже выходного порта для воды и выше области вокруг пассивного входного порта. Хладагент, вытекающий из входного сопла, имеет в этом примере приблизительно такой же угол, как волнистая структура первой пластины, так что часть хладагента может проходить в горизонтальном, в основном, направлении ниже выходного порта для воды с относительно малым коэффициентом трения, и таким образом, при относительно высокой скорости потока. Когда хладагент достигает области вокруг пассивного входного порта, обводной проход 19 пассивного входного порта вокруг пассивного входного порта будет облегчать распределение хладагента в области вокруг пассивного входного порта. Обводной проход 19 вокруг пассивного входного порта 23 создается таким же образом, как и на активном входном порту, с помощью каждой пластины, содержащей обводную секцию 117, 217, простирающуюся вокруг всего второго отверстия входного порта. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как и волнистость пластины. Таким образом, полученный обводной проход будет иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, что означает, что трение в обводном проходе будет гораздо меньше, чем для волнистой структуры. Таким образом, обводной проход будет распределять часть хладагента в распределительную область вокруг пассивного входного порта. Отверстия 109, 209 второго входного порта снабжены концентрическими уплотнительными секциями 116, 216, которые будут располагаться друг над другом, и таким образом, будут уплотнять пассивный входной порт.
Плоские круговые секции вокруг отверстий 112, 212 входного порта для воды располагаются друг над другом, так что входной порт для воды герметизируется вместе с каналом для хладагента. Отверстия для выхода воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от нижнего короткого края каждой пластины. Отверстие для выхода воды больше в диаметре, чем отверстие входного порта для хладагента, и центр отверстия для выхода воды располагается ближе к горизонтальной оси пластины, чем центр отверстий входных портов для хладагента. Таким образом, между выходным портом для воды и нижним коротким краем теплообменника создается нижний горизонтальный проход 13 в канале для хладагента. Через этот проход, хладагент может проходить ниже выходного порта для воды в область вокруг пассивного входного порта. Это значительно улучшает распределение хладагента по ширине канала и дает более однородный поток по ширине канала и, таким образом, через проход для теплообмена. Проход ниже выходного порта для воды будет также увеличивать эффективную площадь теплопереноса теплообменника с помощью области вокруг пассивного входного порта.
Для дополнительного улучшения распределения хладагента, первый канал для хладагента снабжен нижними распределительными путями 15, 16, расположенными над активным и пассивным входными портами, между нижним распределительным проходом 10 и проходом для теплообмена 11. Нижние распределительные пути создаются с помощью плоских, в основном, распределительных бороздок 118, 119, 218, 219, штампованных в пластинах между распределительной областью V-образной формы и областью теплообмена W-образной формы, простираясь от длинной стороны пластины до отверстия узла выхода для воды. Нижние распределительные пути будут, с одной стороны, облегчать однородное распределение хладагента равномерно в проходе для теплообмена 11, а с другой стороны, действовать в качестве переходной области для распределительной области с V-образным узором и области теплообмена с W-образным узором. Высота нижних распределительных путей, а также их форма, могут выбираться для оптимизации распределения потока. Высота штампованной бороздки может в одном из примеров составлять приблизительно половину от глубины штампования пластины. Для улучшения механической прочности теплообменника нижний распределительный путь может также содержать одну или несколько точек контакта. Поскольку в канале для воды будут создаваться соответствующие распределительные пути, высота нижнего распределительного пути в канале для хладагента предпочтительно не больше, в целом, чем одна глубина штампования. Нижние распределительные пути будут иметь низкое сопротивление для потока в горизонтальном направлении канала, по сравнению с сопротивлением потоку через трубку тока с такой же длиной и шириной в волнистой структуре прохода для теплообмена.
Если требуется, нижние распределительные пути 15, 16 могут содержать одну или несколько ограничительных областей для контроля распределения потока по ширине канала в нижнем распределительном проходе. Размер и положение ограничительных областей выбираются так, чтобы поток через распределительный путь 15 или 16 был настолько равномерно распределен, насколько это возможно. Ограничения могут быть достигнуты посредством изменения глубины штампования для положения ограничительной области в пластинах, то есть посредством изменения высоты ограничительной области, и/или посредством изменения ширины ограничительной области вдоль нижнего распределительного пути. Таким образом, различные ограничения могут располагаться в нижних распределительных путях 15, 16 в различных положениях. Ограничения будут давать локальное увеличение сопротивления потоку, которое обеспечит распределение потока по ширине нижних распределительных путей. В одном из примеров, ограничения покрывают большую часть распределительных путей, создавая тем самым одно или несколько малых отверстий между распределительным проходом и проходом для теплообмена. Размер и положения ограничений могут выбираться посредством экспериментов или посредством вычислений. Таким образом, может быть улучшено распределение хладагента, протекающего в проход для теплообмена.
После поступления в активный входной порт 21 и распределения в нижнем распределительном проходе 10 хладагент будет поступать в проход 11 для теплообмена, создаваемый между областями 103, 203 теплообмена, и проходить через него. Проход для теплообмена, со всеми точками контакта между волнистыми структурами двух пластин, обеспечивает большую площадь теплообмена и относительно высокое сопротивление трения потоку, что обеспечивает эффективный теплоперенос между каналами для хладагента и воды. W-образная форма увеличивает до некоторой степени падение давления трения в проходе для теплообмена по сравнению с формой в виде одной буквы V, что улучшает общий теплоперенос для теплообменника.
Между областью теплообмена и верхней распределительной областью каждой пластины, в каждой пластине штампуется горизонтальная плоская распределительная бороздка 120, 220, создающая верхний распределительный путь 17 в первом канале для хладагента. Верхний распределительный путь даст возможность распределить поток хладагента и в то же время выровнять различия в давлении, которые могут возникнуть в проходе для теплообмена из-за изменений в испарении хладагента, перед поступлением в верхний распределительный проход, созданный между верхними распределительными областями 104, 204 пластин. Верхний распределительный путь будет иметь низкое сопротивление потоку в горизонтальном направлении теплообменника, что будет облегчать распределение хладагента перед поступлением в верхний распределительный проход 12. Испарение хладагента будет доведено до конца, главным образом, в верхнем распределительном проходе, и может происходить также перегрев паров хладагента. Высота каждой распределительной бороздки составляет приблизительно половину от глубины штампования пластины, поскольку соответствующий горизонтальный распределительный путь будет создаваться в канале для воды. Это даст общую высоту верхнего распределительного пути, примерно равную глубине штампования.
Хладагент, находясь в большой степени в испаренном состоянии, поступает в верхний распределительный проход, создаваемый с помощью верхних распределительных областей 104, 204 пластин. Первый выходной порт 22 для хладагента, представляющий собой активный выходной порт, создается между пластинами на отверстиях 108, 208 выходного порта для хладагента. Часть хладагента будет поступать в верхний распределительный проход по правую сторону от вертикальной оси 105, а часть хладагента будет поступать в верхний распределительный проход по левую сторону от вертикальной оси 105. Часть хладагента будет достигать обводного прохода 20, созданного с помощью обводных секций 121, 221, простирающихся вокруг всего второго выходного порта 24. Отверстия 110, 210 второго выходного порта для хладагента снабжены концентрическими уплотнительными секциями 122, 222, которые располагаются друг над другом и герметизируют второй выходной порт 24, представляющий собой пассивный выходной порт. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как и волнистость пластины. Полученный обводной проход 20 будет, таким образом, иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, что означает, что сопротивление потоку в обводном проходе будет гораздо меньше, чем для волнистой структуры. Обводной проход, таким образом, даст возможность значительной части хладагента, который может перегреваться, проходить по нему, в основном, горизонтально в активный выходной порт через горизонтальный проход выше входного порта для воды.
Плоские круговые секции вокруг отверстий 111, 211 входного порта для воды расположены друг над другом так, что вход для воды герметизируется от канала для хладагента. Отверстия входного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали ниже верхнего короткого края каждой пластины. Центр отверстия входа для воды располагается ближе к горизонтальной оси пластины, чем центр отверстий выходных портов для хладагента. Таким образом, предусматривается верхний горизонтальный проход 14 в канале для хладагента между входным портом для воды и верхним коротким краем теплообменника. Через этот горизонтальный проход, хладагент может протекать выше входного порта для воды из обводного прохода 20 в пассивном выходном порту 24 в активный выходной порт 22, сформированный между первыми отверстиями 108, 208 выходного порта для хладагента. Это уменьшает сопротивление потоку для пара, который может перегреваться, и значительно улучшает распределение потока в верхнем распределительном проходе. Кроме того, этот горизонтальный проход предотвращает аккумуляцию пара вокруг пассивного выходного порта, которая привела бы к изоляции области с помощью пара, застаивающегося в области вокруг пассивного выходного порта. Проход будет также увеличивать общую эффективную площадь теплопереноса теплообменника с помощью области вокруг пассивного выходного порта.
Когда вторая пластина 201 и третья пластина 301 располагаются друг за другом, создается канал 3 для воды. Вода будет поступать в канал для воды через входной порт 42 для воды, созданный с помощью отверстий 211, 311 входного порта для воды. Вода будет покидать канал для воды через выходной порт 43 для воды, созданный с помощью отверстий 212, 312 выходного порта для воды. Все порты для хладагента будут герметизированы, так что вода и хладагент не будут смешиваться. Когда вторая и третья пластины пакетируются, обводные секции 215, 315 будут располагаться друг над другом и будут, таким образом, герметизировать первый входной порт для хладагента. Это относится и к обводным секциям 217, 317, и к обводным секциям 221, 321, которые также будут располагаться друг над другом, так что герметизируются второй входной порт для хладагента и второй выходной порт для хладагента. Первый выходной порт для хладагента герметизируется с помощью плоских секций 223, 323 вокруг первых отверстий 208, 308 выходного порта для хладагента, которые находятся друг над другом.
Отверстия 211, 311 входа для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от верхнего короткого края каждого ребра пластины для каждой пластины. Центр отверстия входа для воды располагается ближе к горизонтальной оси пластины, чем центр отверстий выходного порта для хладагента. Таким образом, в канале для воды создается верхний горизонтальный проход 34 между входным портом для воды и верхним коротким краем теплообменника. Это увеличивает полезную площадь поперечного потока области входа для воды, что, в свою очередь, улучшает распределение воды в верхнем распределительном проходе и уменьшает перепад давлений в канале для воды.
Для дополнительного улучшения распределения воды, а также для уменьшения перепада давлений для воды, канал для воды снабжен верхними обводными проходами 40, 41 для воды между пассивными вторым и первым выходными портами для хладагента и верхними углами теплообменника. Верхние обводные проходы 40, 41 для воды создаются с помощью обводных секций 226, 227, 326, 327 для воды снаружи от каждого из вторых и первых отверстий выходного порта для хладагента. Эти обводные секции располагаются друг над другом, когда пластины располагаются для создания канала для хладагента, что означает, что обводной проход для воды будет иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования. Эти обводные проходы для воды будут, таким образом, иметь низкое падение давления трения и будут значительно облегчать распределение на стороне воды по всему верхнему распределительному проходу.
Когда вода распределяется в верхнем распределительном проходе 32, вода проходит через горизонтальные плоские распределительные бороздки 220, 320, штампованные в каждой пластине, создавая верхний горизонтальный распределительный путь 37 в канале для воды. Этот распределительный путь делает возможным дополнительное распределение воды, так что давление воды вдоль всего верхнего распределительного пути является по существу одинаковым. Верхний распределительный путь также действует как переходная область между верхним распределительным проходом V-образной формы и проходом для теплообмена W-образной формы. Высота каждой распределительной бороздки составляет приблизительно половину от глубины штампования пластины. Это даст полную высоту верхнего распределительного пути как равную одной глубине штампования.
После прохождения верхнего распределительного пути 37 вода будет поступать в проход для теплообмена 31, созданный между областями теплообмена 203, 303, и проходить через него. Проход для теплообмена, со всеми точками контакта между волнистыми структурами двух пластин, обеспечивает большую площадь теплообменника и относительно высокий коэффициент трения, что обеспечивает эффективный теплоперенос между каналами для воды и хладагента. W-образный узор несколько увеличивает коэффициент трения в проходе для теплообмена, по сравнению с узором в виде одной буквы V, что будет улучшать теплоперенос.
Когда вода проходит в проходе 31 для теплообмена, она поступает в нижний распределительный проход 30 через два нижних распределительных пути 35, 36, расположенных между проходом для теплообмена и нижним распределительным проходом. Эти нижние распределительные пути создаются с помощью плоских, в основном, распределительных бороздок 218, 219, 318, 319, штампованных в пластинах между распределительной областью V-образной формы и областью теплообмена W-образной формы, простирающимися от длинной стороны пластины до отверстия выходного порта для воды. Оба этих распределительных пути будут облегчать равномерное распределение воды в нижнем распределительном проходе и действовать как переходная область для прохода для теплообмена с W-образным узором и для нижнего распределительного прохода с V-образным узором. Высота нижних распределительных путей, а также их форма могут выбираться для оптимизации распределения потока. Высота штампованных бороздок в одном из примеров может составлять приблизительно половину от глубины штампования пластины. Для улучшения механической прочности теплообменника, нижний распределительный путь может также содержать одну или несколько точек контакта. Распределительные пути будут иметь низкое сопротивление потоку в горизонтальном направлении теплообменника, по сравнению с сопротивлением потоку через волнистую структуру в нижнем распределительном проходе. Это будет облегчать равномерное распределение потока воды в нижнем распределительном проходе.
Некоторое количество воды, в частности воды из центра прохода 31 для теплообмена, будет поступать в выходной порт 43 для воды, созданный с помощью отверстий 212 выходного порта для воды, 312, непосредственно из прохода для теплообмена, расположенного выше. Поскольку волнистая структура вокруг выходного порта для воды позволяет воде протекать из всех направлений в выходной порт для воды, выходной порт для воды является полностью открытым. Это даст возможность части воды, распределяемой в нижней распределительной области, поступать в выходное отверстие для воды через структуру между выходным портом для воды и входными портами для хладагентов, а также из структуры ниже выходного порта для воды.
Для дополнительного улучшения распределения воды нижний распределительный проход 30 снабжается нижними обводными проходами 38, 39 для воды между пассивными первым и вторым входными портами для хладагента и нижними углами теплообменника. Нижние обводные проходы для воды создаются с помощью обводных секций 224, 225, 324, 325 для воды в каждом из отверстий первого и второго входных портов для хладагента. Эти обводные секции располагаются друг над другом, когда пластины позиционируются для создания прохода для хладагента, это означает, что нижний обводной проход для воды будет иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования. Эти нижние обводные проходы для воды будут, таким образом, иметь низкое падение давления трения и будут вносить значительный вклад в направление потока воды в выходной порт для воды.
Для улучшения распределения воды и для увеличения эффективной площади теплопереноса теплообменника отверстия выходного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от нижнего короткого края каждой пластины. Таким образом, создается нижний горизонтальный проход 33 в канале для воды между выходным портом для воды и нижним коротким краем теплообменника. Через этот горизонтальный проход вода может протекать в узел выхода для воды также снизу от узла, улучшая эффективность теплообменника. Нижние обводные проходы, вместе со смещением вверх по вертикали выходного порта для воды, значительно улучшают распределение выходного потока воды и уменьшают выходное падение давления по всей периферии узла обмена посредством увеличения полезной площади поперечного потока воды.
Второй канал 4 для хладагента создается между третьей пластиной 301 и четвертой пластиной 401, когда они располагаются друг за другом и напоминают первый канал для хладагента. Различие между первым каналом для хладагента и вторым каналом для хладагента заключается только во входных и выходных портах и во входном сопле.
Хладагент будет поступать во второй канал для хладагента через второй входной порт 63 для хладагента, представляющий собой активный входной порт, создаваемый с помощью отверстий 309, 409 входного порта для хладагента. Отверстия 309, 409 входного порта снабжены концентрическими уплотнительными секциями 316, 416, которые располагаются друг над другом. Вход во второй канал для хладагента снабжен входным соплом 65, проходящим через уплотнительные секции. Входное сопло получают посредством выреза 314, 414 сопла в одной или обеих уплотнительных секциях. Размер входного сопла, то есть длина и поперечное сечение, вместе с угловым положением входного сопла, являются важными для распределения хладагента в нижнем распределительным проходе 50, созданном между нижними распределительными областями 302 и 402. Размер входного сопла выбирается, частично, в зависимости от падения давления контура хладагента и выбирается для получения равномерного распределения потока по всем каналам для хладагента в контуре для хладагента в полном теплообменнике. Угловое положение входного сопла выбирается так, что хладагент может распределяться однородно по всей ширине теплообменника в каждом канале для хладагента.
Входное сопло может быть направлено под любым выбранным углом, в зависимости, например, от узора волнистой структуры в нижнем распределительном проходе и от обводной секции вокруг входного порта. Предпочтительно, угол входного сопла находится в пределах между 0 и 180 градусами относительно вертикальной оси и направлен в сторону центральной вертикальной оси пластины, а более предпочтительно, в пределах между 90 и 150 градусами.
Для дополнительного улучшения распределения хладагента активный входной порт снабжен обводным проходом 59 активного входа вокруг входного порта, позволяя хладагенту протекать вокруг обеих сторон входного порта. Каждая пластина содержит обводную секцию 317, 417, простирающуюся вокруг всего отверстия входного порта. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как и волнистость пластины. Полученный обводной проход активного входа будет, таким образом, иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, что означает, что трение в обводном проходе будет гораздо меньше, чем на волнистой структуре. Обводной проход, таким образом, будет распределять часть хладагента от входного сопла в распределительную область вокруг активного входного порта.
Часть хладагента из сопла будет также распространяться в направлении от сопла в волнистую структуру, по направлению к первому входному порту 61 для хладагента, представляющему собой пассивный входной порт. Поскольку отверстия 312, 412 выходного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от нижнего короткого края каждой пластины, формируется нижний горизонтальный проход 53 в нижнем распределительном канале между выходным портом для воды и нижним коротким краем теплообменника. Таким образом, хладагент может протекать ниже выходного порта для воды в область вокруг пассивного входного порта. Поток хладагента из входного сопла в настоящем примере имеет приблизительно такой же угол, как и волнистая структура третьей пластины, так что часть хладагента может проходить в горизонтальном, в основном, направлении ниже выходного порта для воды с относительно малым коэффициентом трения, и таким образом, при относительно высокой скорости потока. Когда хладагент достигает области вокруг пассивного входного порта 61, обводной проход 58 вокруг пассивного входного порта поможет распределять хладагент в область вокруг пассивного входного порта. Обводной проход 58 создается таким же образом, как и активный входной порт, с помощью каждой из пластин, содержащей обводную секцию 315, 415, простирающуюся вокруг всего первого отверстия входного порта для хладагента. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как волнистость пластины. Полученный обводной проход будет, таким образом, иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, это означает, что трение в обводном проходе будет гораздо меньше, чем на волнистой структуре. Обводной проход, таким образом, будет распределять часть хладагента в распределительную область вокруг пассивного входного порта. Первые отверстия 307, 407 входного порта снабжены концентрическими уплотнительными секциями 313, 413, которые располагаются друг над другом и таким образом герметизируют пассивный входной порт.
Плоские круговые секции вокруг отверстий 312, 412 выходного порта для воды расположены друг над другом, так что выходной порт для воды герметизируется вместе с каналом для хладагента. Отверстия выходного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от нижнего короткого края каждой пластины. Отверстие для выхода воды больше по диаметру, чем отверстие входного порта для хладагента, и центр отверстия для выхода воды располагается ближе к горизонтальной оси пластины, чем центр отверстий входного порта для хладагента. Таким образом, нижний горизонтальный проход 53 создается в канале для хладагента между выходным портом для воды и нижним коротким краем теплообменника. Через этот горизонтальный проход, хладагент может проходить ниже выходного порта для воды в область вокруг пассивного входного порта. Это значительно улучшает распределение хладагента по ширине пластины, что дает более однородный поток через проход для теплообмена, а также увеличивает общую эффективную площадь теплопереноса теплообменника с помощью области вокруг пассивного входного порта.
Для дополнительного улучшения распределения хладагента второй канал для хладагента снабжен нижними распределительными путями 55, 56, расположенными над активным и пассивным входными портами, между нижним распределительным проходом 50 и проходом для теплообмена 51. Нижние распределительные пути создаются с помощью плоских, в основном, распределительных бороздок 318, 319, 418, 419, штампованных в пластинах между распределительной областью V-образной формы и областью теплообмена W-образной формы, простираясь от длинной стороны пластины до отверстия выходного порта для воды. Нижние распределительные пути будут, с одной стороны, облегчать равномерное распределение хладагента в проходе для теплообмена 51, а с другой стороны, действовать в качестве переходной области для распределительной области с V-образным узором и области теплообмена с W-образным узором. Высота нижних распределительных путей, а также их форма, могут выбираться для оптимизации распределения потока. Высота бороздок в одном из примеров может составлять половину от глубины штампования пластины. Для улучшения механической прочности теплообменника нижний распределительный путь может также содержать одну или несколько точек контакта. Поскольку в канале для воды будут создаваться соответствующие распределительные пути, высота нижнего распределительного пути в канале для хладагента в целом предпочтительно не больше, чем одна глубина штампования. Нижние распределительные пути будут иметь низкое сопротивление для потока в горизонтальном направлении теплообменника, по сравнению с сопротивлением потоку через трубку тока с такой же длиной и шириной в волнистой структуре прохода для теплообмена. Нижние распределительные пути 55, 56 могут также содержать одну или несколько ограничительных областей для контроля распределения потока по ширине канала в нижнем распределительном проходе. Ограничения могут быть довольно малыми, напоминая одну или несколько точек контакта, или они могут быть относительно большими, так что создаются только один или несколько малых проходов между распределительным проходом и проходом для теплообмена.
После поступления в активный входной порт 63 и при распределении в нижнем распределительном проходе 50 хладагент будет поступать в проход 51 для теплообмена и проходить через него таким же образом, как описано для первого канала для хладагента.
Между областью теплообмена и верхней распределительной областью каждой пластины находится горизонтальная плоская распределительная бороздка 320, 420, штампованная в каждой пластине, создающая верхний распределительный путь 57 во втором канале для хладагента. Верхний распределительный путь даст возможность выравнивания различий в давлении, которые могут возникнуть в проходе для теплообмена из-за изменений в испарении хладагента, до того, как хладагент поступает в верхний распределительный проход 52, созданный между верхними распределительными областями 304, 404 пластин. Хладагент на этой стадии может быть частично или полностью испаренным и может даже перегреваться. Верхний распределительный путь будет иметь низкое сопротивление потоку в горизонтальном направлении теплообменника, что облегчит распределение хладагента перед поступлением в верхний распределительный проход. Высота каждого распределительного пути составляет приблизительно половину от глубины штампования пластины, поскольку соответствующий горизонтальный распределительный путь будет создаваться в канале для воды. Это даст полную высоту распределительного пути, равную глубине штампования.
Хладагент, находящийся в этом поперечном сечении до большой степени в парообразной форме, поступает в верхний распределительный проход 52, созданный с помощью верхних распределительных областей 304, 404 пластин. Второй выходной порт 64 для хладагента, представляющий собой активный узел обмена, создается между пластинами на вторых отверстиях 310, 410 выходного порта для хладагента. Часть хладагента будет поступать в верхний распределительный проход по левую сторону от вертикальной оси 305, и часть хладагента будет поступать в верхний распределительный проход по правую сторону от вертикальной оси 305. Часть хладагента будет достигать обводного прохода 60 пассивного выходного порта, созданного с помощью обводных секций 323, 423, простирающихся вокруг всего первого выхода 62 для хладагента, представляющего собой пассивный выходной порт. Первые отверстия 308, 408 выходного порта для хладагента снабжены концентрическими уплотнительными секциями 328, 428, которые располагаются друг над другом и герметизируют первый выходной порт. Обводная секция имеет такую же глубину штампования, как и волнистость пластины. Таким образом, полученный обводной проход будет иметь высоту, в два раза превышающую глубину штампования, это означает, что трение в обводном проходе будет гораздо меньше, чем на волнистой структуре. Таким образом, обводной проход даст возможность значительной части хладагента, который может быть перегретым, проходить в активный выходной порт через поперечный проход волнистой структуры выше входного порта для воды.
Плоские круговые секции вокруг отверстий 311, 411 входного порта для воды располагаются друг над другом, так что вход для воды герметизируется от канала для хладагента. Отверстия входного порта для воды располагаются на некотором расстоянии по вертикали от верхнего короткого края каждой пластины. Центр отверстия входа для воды располагается ближе к горизонтальной оси пластины, чем центр отверстий выходного порта для хладагента. Таким образом, верхний горизонтальный проход 54 снабжен каналом для хладагента между входным портом для воды и верхним коротким краем теплообменника. Через этот горизонтальный проход хладагент может протекать выше входного порта для воды от обводного прохода 60 на пассивном выходном порту 62 в активный выходной порт 64, сформированный между вторыми отверстиями 310, 410 выходного порта для хладагента. Это значительно улучшает распределение потока хладагента в верхнем распределительном проходе и предотвращает застой тепла вокруг пассивного выходного порта. Кроме того, эффективная площадь теплопереноса теплообменника увеличивается с помощью области вокруг пассивного выходного порта.
С помощью настоящего изобретения может быть получен усовершенствованный трехконтурный пластинчатый теплообменник, который показывает значительное улучшение общих термических характеристик теплообменника. Это связано с улучшением распределения потока в теплообменнике. Настоящее изобретение не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, описанными выше, ряд дополнительных вариантов и модификаций является возможным в рамках нижеследующей формулы изобретения.
Ссылочные обозначения
1: Узел пластины
2: Первый канал для хладагента
3: Канал для воды
4: Второй канал для хладагента
10: Нижний распределительный проход
11: Проход для теплообмена
12: Верхний распределительный проход
13: Нижний горизонтальный проход
14: Верхний горизонтальный проход
15: Нижний распределительный путь
16: Нижний распределительный путь
17: Верхний распределительный путь
18: Первый обводной проход входного порта для хладагента
19: Второй обводной проход входного порта для хладагента
20: Второй обводной проход выходного порта для хладагента
21: Активный входной порт
22: Активный входной порт
23: Пассивный входной порт
24: Пассивный выходной порт
25: Входное сопло
30: Нижний распределительный проход
31: Проход для теплообмена
32: Верхний распределительный проход
33: Нижний горизонтальный проход
34: Верхний горизонтальный проход
35: Нижний распределительный путь
36: Нижний распределительный путь
37: Верхний распределительный путь
38: Обводной проход для воды
39: Обводной проход для воды
40: Обводной проход для воды
41: Обводной проход для воды
42: Входной порт для воды
43: Выходной порт для воды
50: Нижний распределительный проход
51: Проход для теплообмена
52: Верхний распределительный проход
53: Нижний горизонтальный проход
54: Верхний горизонтальный проход
55: Нижний распределительный путь
56: Нижний распределительный путь
57: Верхний распределительный путь
58: Первый обводной проход входного порта для хладагента
59: Второй обводной проход входного порта для хладагента
60: Первый обводной проход выходного порта для хладагента
61: Пассивный входной порт
62: Пассивный выходной порт
63: Активный входной порт
64: Активный выходной порт
65: Входное сопло
101: Первая пластина теплообменника
102: Нижняя распределительная область
103: Область теплообмена
104: Верхняя распределительная область
105: Вертикальная ось
106: Горизонтальная ось
107: Первое отверстие входного порта для хладагента
108: Первое отверстие выходного порта для хладагента
109: Второе отверстие входного порта для хладагента
110: Второе отверстие выходного порта для хладагента
111: Отверстие входного порта для воды
112: Отверстие выходного порта для воды
113: Уплотнительная секция
114: Вырез сопла
115: Обводная секция
116: Уплотнительная секция
117: Обводная секция
118: Нижняя распределительная бороздка
119: Нижняя распределительная бороздка
120: Верхняя распределительная бороздка
121: Обводная секция
122: Уплотнительная секция
123: Плоская секция
124: Нижняя обводная секция для воды
125: Нижняя обводная секция для воды
126: Верхняя обводная секция для воды
127: Верхняя обводная секция для воды
201: Вторая пластина теплообменника
202: Нижняя распределительная область
203: Область теплообмена
204: Верхняя распределительная область
205: Вертикальная ось
206: Горизонтальная ось
207: Первое отверстие входного порта для хладагента
208: Первое отверстие выходного порта для хладагента
209: Второе отверстие входного порта для хладагента
210: Второе отверстие выходного порта для хладагента
211: Отверстие входного порта для воды
212: Отверстие выходного порта для воды
213: Уплотнительная секция
214: Вырез сопла
215: Обводная секция
216: Уплотнительная секция
217: Обводная секция
218: Нижняя распределительная бороздка
219: Нижняя распределительная бороздка
220: Верхняя распределительная бороздка
221: Обводная секция
222: Уплотнительная секция
223: Плоская секция
224: Нижняя обводная секция для воды
225: Нижняя обводная секция для воды
226: Верхняя обводная секция для воды
227: Верхняя обводная секция для воды
301: Третья пластина теплообменника
302: Нижняя распределительная область
303: Область теплообмена
304: Верхняя распределительная область
305: Вертикальная ось
306: Горизонтальная ось
307: Первое отверстие входного порта для хладагента
308: Первое отверстие выходного порта для хладагента
309: Второе отверстие входного порта для хладагента
310: Второе отверстие выходного порта для хладагента
311: Отверстие входного порта для воды
312: Отверстие выходного порта для воды
313: Уплотнительная секция
314: Вырез сопла
315: Обводная секция
316: Уплотнительная секция
317: Обводная секция
318: Нижняя распределительная бороздка
319: Нижняя распределительная бороздка
320: Верхняя распределительная бороздка
321: Плоская секция
323: Обводная секция
324: Нижняя обводная секция для воды
325: Нижняя обводная секция для воды
326: Верхняя обводная секция для воды
327: Верхняя обводная секция для воды
328: Уплотнительная секция
401: Четвертая пластина теплообменника
402: Нижняя распределительная область
403: Область теплообмена
404: Верхняя распределительная область
405: Вертикальная ось
406: Горизонтальная ось
407: Первое отверстие входного порта для хладагента
408: Первое отверстие выходного порта для хладагента
409: Второе отверстие входного порта для хладагента
410: Второе отверстие выходного порта для хладагента
411: Отверстие входного порта для воды
412: Отверстие выходного порта для воды
413: Уплотнительная секция
414: Вырез сопла
415: Обводная секция
416: Уплотнительная секция
417: Обводная секция
418: Нижняя распределительная бороздка
419: Нижняя распределительная бороздка
420: Верхняя распределительная бороздка
421: Плоская секция
423: Обводная секция
424: Нижняя обводная секция для воды
425: Нижняя обводная секция для воды
426: Верхняя обводная секция для воды
427: Верхняя обводная секция для воды
428: Уплотнительная секция