ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменнику, содержащему верхнюю пластину и нижнюю пластину, а также множество структурированных пластин, расположенных между верхней пластиной и нижней пластиной, причем смежные структурированные пластины взаимодействуют друг с другом с образованием каналов для первичной текучей среды и каналов для вторичной текучей среды между соседними структурированными пластинами.
Как правило, в пластинчатом теплообменнике тепло передается между первой текучей средой, перетекающей через каналы для первичного тепла, и второй текучей средой, перетекающей через каналы для вторичной текучей среды. При этом структурированные пластины уложены сверху друг друга в набор и зафиксированы между верхней и нижней пластинами, например, болтами. Обычно, каждая структурированная пластина взаимодействует с образованием каналов для первичной текучей среды на одной из своих сторон и каналов для вторичной текучей среды на противоположной стороне структурированной пластины.
Пластинчатые теплообменники вышеуказанного вида производят с множеством различных структурированных пластин и с соответствующими каналами для первичной и вторичной текучей среды. Тип и количество структурированных пластин, используемых для теплообменника, и получаемая в результате форма каналов для текучей среды при этом определяет такие характеристики теплообменника, как эффективность теплопередачи, скорость потока, падение давления и другие подобные характеристики.
Однако только ограниченное количество стандартных типов структурированных пластин производится массово и может быть использовано для сборки теплообменников экономичным по расходам образом. Если, однако, необходим теплообменник с техническими характеристиками, которые не могут быть достигнуты при использовании только одного из типов массово производимых стандартных структурированных плит, то требуется использовать нестандартную конструкцию структурированных пластин, что в результате приводит к увеличенным расходам и времени изготовления для данного теплообменника.
Задача предлагаемого изобретения состоит, таким образом, в предложении такого теплообменника, который может быть произведен с широким диапазоном технических характеристик без увеличения расходов или времени изготовления.
Согласно настоящему изобретению, указанная задача решена посредством того, что теплообменник содержит по меньшей мере два набора структурированных пластин, причем данные структурированные пластины в по меньшей мере одном наборе из наборов структурированных пластин образуют каналы для первичной текучей среды и каналы для вторичной текучей среды, отличные от каналов для первичной текучей среды и каналов для вторичной текучей среды в по меньшей мере одном другом наборе структурированных пластин.
Это решение позволяет производить теплообменники с более широким диапазоном технических характеристик путем использования наборов различных типов структурированных пластин в одном теплообменнике. Однако при этом отдельные структурированные пластины по-прежнему могут быть выбраны из стандартных, массово производимых типов, и соответственно производственные расходы и время на изготовление не увеличены значительно по сравнению со стандартным теплообменником.
Типы используемых структурированных пластин могут быть выбраны таким образом, что обеспечена возможность взаимодействия смежных структурированных пластин там, где встречаются различные наборы, или взаимодействие данных пластин обеспечено путем отделения друг от друга смежных наборов.
В одном варианте осуществления между каждой парой смежных наборов структурированных пластин расположена неструктурированная разделительная пластина. Неструктурированная разделительная пластина может также содержать отверстия для обеспечения возможности протекания впускных и выпускных потоков для первичной и вторичной текучей среды к каналам для первичной и вторичной текучей среды или от них. Использование неструктурированной разделительной пластины позволяет использовать различные виды структурированных пластин, которые в противном случае было бы невозможно укладывать непосредственно сверху друг друга в набор. В результате использование различных видов структурированных пластин в противном случае приводило бы к поломке теплообменника вследствие деформации при сборке или эксплуатации.
В одном варианте осуществления с каждой стороны неструктурированной разделительной пластины расположена по меньшей мере одна переходная пластина. Переходные пластины могут быть выполнены для удержания в разделении друг от друга каналов для первичной текучей среды и каналов для вторичной текучей среды несмотря на наличие неструктурированной разделительной пластины. Для этого переходные пластины могут содержать впускные и выпускные структуры для обеспечения направления потока от первичного и вторичного впускного отверстия, а также от первичного и вторичного выпускного отверстия - от каналов для правильной текучей среды и к ним.
В одном варианте осуществления одна из переходных пластин расположена с плотной посадкой относительно смежной неструктурированной пластины по большей части площади неструктурированной пластины. В этом случае большая часть площади неструктурированной пластины может обозначать площадь неструктурированной пластины за исключением площади, окружающей одно из впускных отверстий и одно из выпускных отверстий, и таким образом, что первая текучая среда и вторая текучая среда могут быть по-прежнему удержаны в разделении друг от друга.
В одном варианте осуществления одна из переходных пластин расположена с плотной посадкой относительно смежной структурированной пластины из одного набора смежных наборов структурированных пластин по большей части площади смежной структурированной пластины. Как и в предыдущем варианте осуществления, данное решение позволяет удерживать в разделении друг от друга первичную текучую среду и вторичную текучую среду в области, смежной с разделительной пластиной.
В одном варианте осуществления каждая структурированная пластина содержит по меньшей мере одно первичное впускное отверстие в смежные каналы для первичной текучей среды и по меньшей мере одно первичное выпускное отверстие из смежных каналов для первичной текучей среды, причем каждая структурированная пластина содержит по меньшей мере одно вторичное впускное отверстие в смежные каналы для вторичной текучей среды и по меньшей мере одно вторичное выпускное отверстие из смежных каналов для вторичной текучей среды. Это же может быть применимо для каждой неструктурированной разделительной пластины, а также для каждой переходной пластины. Однако, структурированные пластины могут содержать впускные и выпускные структуры, отсутствующие в неструктурированных разделительных пластинах.
В одном варианте осуществления в по меньшей мере одной из структурированных пластин, смежно с по меньшей мере одним первичным впускным отверстием и/или по меньшей мере одним первичным выпускным отверстием и/или по меньшей мере одним вторичным впускным отверстием и/или по меньшей мере одним вторичным выпускным отверстием расположена разделяющая текучую среду структура. Данная разделяющая текучую среду структура может быть выполнена для разделения текучей среды, протекающей в канал для первичной текучей среды или канал для вторичной текучей среды, таким образом, что текучая среда распределяется более эффективно по всей плоскости структурированной пластины.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна разделяющая текучую среду структура образована взаимодействующими выступами двух смежных структурированных пластин. В данном варианте осуществления обеспечена дополнительная стабилизация теплообменника.
В одном варианте осуществления в по меньшей мере одном из наборов структурированных пластин структурированные пластины образуют чередуемые возвышения и впадины для улучшения теплопередачи между текучими средами и указанными структурированными пластинами. В зависимости от количества используемых наборов структурированных пластин по меньшей мере один из наборов структурированных пластин может содержать структурированные пластины с такими чередуемыми возвышениями и впадинами. Кроме того, теплообменник может содержать, например, по меньшей мере два набора структурированных пластин с чередуемыми возвышениями и впадинами, причем в отдельных наборах конструкция возвышений и впадин отличается.
В одном варианте осуществления в по меньшей мере одном из наборов структурированных пластин структурированные пластины образуют клинообразные структуры для улучшения теплопередачи между текучими средами и указанными структурированными пластинами. Аналогичным образом, в зависимости от количества наборов структурированных пластин множество наборов может содержать структурированные пластины с клинообразными структурами и/или клинообразные структуры в различных наборах могут отличаться друг от друга по конструкции.
Варианты осуществления изобретения далее описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показан, на виде снаружи, теплообменник согласно изобретению;
- на фиг. 2 показана, на упрощенном виде сверху, структурированная пластина согласно изобретению;
- на фиг. 3 показано, на упрощенном виде сбоку, множество структурированных пластин, расположенных сверху друг друга;
- на фиг. 4 показана, в изометрической проекции, структурированная пластина согласно изобретению;
- на фиг. 5А и 5В показаны взаимодействующие смежные структурированные пластины согласно изобретению;
- на фиг. 6 показан вариант осуществления теплообменника в частичном разобранном виде;
- на фиг. 7 показан вариант осуществления с фиг. 6 на виде с разрезом по впускному отверстию и выпускному отверстию;
- на фиг. 8 показан подробный вид впускного отверстия или выпускного отверстия с взаимодействующими структурированными пластинами варианта осуществления с фиг. 6 и 7;
- на фиг. 9 показаны, на виде сбоку с разрезом, смежные наборы структурированных пластин и разделительная пластина;
- на фиг. 10 показан подробный вид, для варианта осуществления с фиг. 6-9, выпускного отверстия теплообменника согласно изобретению.
На фиг. 1 показано упрощенное изображение теплообменника 1 согласно изобретению. Теплообменник 1 содержит верхнюю пластину 2, а также нижнюю пластину 3. Между верхней пластиной 2 и нижней пластиной 3 расположено множество структурированных пластин 4, 5.
На фиг. 2 показан упрощенный вид сверху структурированной пластины 4, 5. Структурированная пластина содержит первичное впускное отверстие 6, а также первичное выпускное отверстие 7. Первичная текучая среда, входящая через первичное впускное отверстие 6, протекает по верхней стороне структурированной пластины 4, 5 к первичному выпускному отверстию 7. Аналогичным образом, структурированная пластина 4, 5 содержит вторичное впускное отверстие 8, а также вторичное выпускное отверстие 9. Вторичная текучая среда, перетекающая по нижней стороне структурированной пластины 4, 5, входит через вторичное выпускное отверстие 8 и протекает к вторичному выпускному отверстию 9. Затем тепло может быть передано от первичной текучей среды вторичной текучей среде через структурированную пластину 4, 5. В качестве альтернативы, соответствующие впускные отверстия и выпускные отверстия могут быть расположены диагонально друг от друга по структурированной пластине 4, 5.
Таким образом, по верхней стороне структурированной пластины 4, 5 образованы каналы 10 для первичной текучей среды для направления первичной текучей среды от первичного впускного отверстия 6 в первичное выпускное отверстие 7. Аналогичным образом, на нижней стороне структурированной пластины 4, 5 образованы каналы 11 для вторичной текучей среды для направления вторичной текучей среды от вторичного впускного отверстия 8 во вторичное выпускное отверстие 9. Каналы 10 для первичной текучей среды и каналы 11 для вторичной текучей среды могут быть образованы микроструктурами, например, как показано на фиг. 2, узором из чередуемых возвышений 12 и впадин 13. В качестве альтернативы, структурированные пластины 4, 5 могут также содержать другие структуры, например, клинообразные структуры.
На фиг. 3 показан вид сбоку четырех структурированных пластин 4, 5, расположенных сверху друг друга. Самая верхняя структурированная пластина 4, 5 взаимодействует на своих впадинах 13 с возвышениями 12 структурированной пластины, расположенной непосредственно снизу. В результате образованы каналы 10 для первичной текучей среды, а также каналы 11 для вторичной текучей среды.
На фиг. 4 показана, в изометрической проекции, структурированная пластина, содержащая возвышения 12 и впадины 13 согласно фиг. 2 и 3.
На фиг. 5а показан участок структурированной пластины 4, взаимодействующей со смежной структурированной пластиной 5. При этом впадина 13 структурированной пластины 4 взаимодействует с возвышением 12 структурированной пластины 5. В данном примере структурированные пластины 4, 5 содержат ту же микроструктуру из возвышений 12 и впадин 13. Контактная поверхность возвышений 12 имеет ту же протяженность, что и контактная поверхность впадин 13, что, таким образом, обеспечивает хорошую устойчивость взаимодействующих смежных структурированных пластин 4, 5.
На фиг. 5b показана немного отличная ситуация, в которой микроструктура структурированных пластин 4, 5 является другой. В данном случае протяженность контактной поверхности впадин 13 структурированной пластины 4 меньше, чем контактной поверхности возвышений 12 структурированной пластины 5. В принципе, возможна ситуация, в которой структурированные пластины 4, 5 с различными микроструктурами могут взаимодействовать для образования каналов для первичной текучей среды и каналов для вторичной текучей среды, при условии, что структурированные пластины могут быть уложены в набор таким образом, что взаимодействующие структурированные пластины являются достаточно устойчивыми. В примере с фиг. 5b расстояние между соседними возвышениями и впадинами должно быть одинаковым для обеих структурированных пластин 4, 5 для обеспечения их взаимодействия для образования каналов для первичной текучей среды и каналов для вторичной текучей среды несмотря на различие по форме возвышений 12 и впадин 13.
На фиг. 6 показан другой варианте осуществления теплообменника согласно изобретению. Теплообменник 1 содержит два набора структурированных пластин 14, 15. Между наборами структурированных пластин 14, 15 расположена неструктурированная разделительная пластина 16. Неструктурированная разделительная пластина 16 позволяет комбинировать, в широком диапазоне, различные структурированные пластины 4, 5 в одном теплообменнике 1. В частности, микроструктуры структурированных пластин 4, 5, расположенных в наборе структурированных пластин 14, могут отличаться от микроструктур структурированных пластин 4, 5, расположенных в наборе структурированных пластин 15. Структурированная разделительная пластина 16 содержит, однако, отверстия, позволяющие первичной и вторичной текучей среде протекать через неструктурированную разделительную пластину 16 от одного набора структурированных пластин 14, 15 в следующий набор структурированных пластин 14, 15.
На фиг. 7 показан, в разобранном виде с разрезом, вариант осуществления теплообменника 1 согласно изобретению. В данном случае теплообменник 1 также содержит два набора структурированных пластин 14, 15. Однако теплообменник 1 может содержать большее количество наборов структурированных пластин 14, 15. Между набором структурированных пластин 14 и смежным набором структурированных пластин 15 расположена неструктурированная разделительная пластина 16. При этом с каждой стороны неструктурированной разделительной пластины 16 расположена одна переходная пластина 17, 18. Одна из переходных пластин 17 расположена с плотной посадкой относительно смежной неструктурированной пластины 16 по большей части площади неструктурированной пластины 16. С другой стороны, переходная пластина 18 расположена с плотной посадкой относительно смежной неструктурированной пластины 4 по большей части площади смежной неструктурированной пластины 4. Таким образом, переходные пластины 17, 18 гарантируют возможность удержания первичной текучей среды и вторичной текучей среды в разделении друг от друга несмотря на использование неструктурированной разделительной пластины 16 для разделения наборов структурированных пластин 14, 15. Переходные пластины 17, 18 могут выполнены неструктурированными, за исключением впускных структур 19 и/или других структур, образованных для блокирования входа первичной или вторичной текучей среды. На фиг. 7 двумя стрелками показано направление потока текучей среды через впускной патрубок 20 и выпускной патрубок 21. Впускной патрубок 20 образован множеством последовательных впускных отверстий 22 в смежных структурированных пластинах 4, 5. Аналогичным образом, выпускной патрубок 21 образован множеством выпускных отверстий 23, расположенных в смежных структурированных пластинах 4, 5. Впускной патрубок 20, а также выпускной патрубок 21 могут быть дополнительно образованы впускными отверстиями 22 и выпускными отверстиями 23, образованными в неструктурированной разделительной пластине 16 и/или в разделительных пластинах 18, 19.
На фиг. 8 показан еще один участок теплообменника 1 согласно фиг. 6 и 7. На фиг. 8 показан участок впускного патрубка 20, выполненного в соответствии с изображением на фиг. 7. Кроме того, на фиг. 8 показаны подробные виды сверху переходных пластин 17, 18, а также впускных структур 19, расположенных в переходных пластинах 17, 18. Переходные пластины 17, 18 содержат аналогичные выпускные структуры, которые могут быть расположены, например, на диагонально противоположной стороне переходных пластин 17, 18. Кроме того, на фиг. 8 показан подробный вид сверху структуры впускного отверстия 22 структурированных пластин 4, 5. В данном случае впускное отверстие 22 содержит разделяющую текучую среду структуру 24. Разделяющая текучую среду структура 24 содержит взаимодействующие выступы 25. Разделяющая текучую среду структура 24 служит для разделения потока текучей среды, исходящего из выпускного отверстия 22, в соответствующий канал для первичной текучей среды или канал для вторичной текучей среды. Использование такой разделяющей текучую среду структуры 24 повышает эффективность теплопередачи в теплообменнике 1. Вне зависимости от структур структурированных пластин 4, 5 каждая пластина из структурированных пластин 4, 5 может содержать одинаковую разделяющую текучую среду структуру 24, но различные каналы для первичной и вторичной текучей среды для каждого набора структурированных пластин 14, 15.
На фиг. 9 показан вид сбоку с разрезом, иллюстрирующий взаимодействие неструктурированной разделительной пластины 16 со смежными переходными пластинами 17, 18. В частности, на фиг. 9 показано, как впускная структура 19 посажена на неструктурированной разделительной пластине 16. Кроме того, между переходной пластиной 18 и неструктурированной разделительной пластиной 16 может быть расположен канал 10 для первичной текучей среды или канал 11 для вторичной текучей среды. С этой целью переходная пластина 18 может содержать микроструктуры (возвышения и впадины и/или клинообразные структуры) для улучшения теплопередачи, но для простоты подобные микроструктуры не показаны.
На фиг. 10 показан подробный вид выпускного патрубка 21, выполненного в соответствии с изображением на фиг. 7. Кроме того, на фиг. 10 показана подробная изометрическая проекция разделяющей текучую среду структуры 24. В данном случае смежные структурированные пластины 4 могут взаимодействовать благодаря тому, что содержат совпадающие выступы 25, как для образования разделяющей текучую среду структуры 24, так и для блокирования входа, например, вторичной текучей среды, протекающей в канал 10 для первичной текучей среды.