ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к опоре прокладки в пластинчатом теплообменнике, имеющем бесконтактный распределительный канал. Изобретение далее относится к теплообменнику, имеющему множество теплообменных кассет, имеющих опору прокладки.
Предшествующий уровень техники
Производство пищевых продуктов обычно характеризуется необходимостью перерабатывать и обрабатывать продукты, имеющие высокую вязкость, например концентраты для газированных напитков, соков, супов, молочных и других продуктов, имеющих текучую консистенцию. По естественным причинам требования и ожидания в отношении гигиены в этом случае чрезвычайно высоки, чтобы выполнить требования различных органов власти. Жидкости высокой вязкости, содержащие частицы или волокна, также используются и в других отраслях промышленности, например в различных перерабатывающих отраслях.
Пластинчатые теплообменники применяются в промышленности для решения множества различных задач. Одна из проблем применения пластинчатых теплообменников, например, в пищевой промышленности, заключается в том, что некоторые продукты содержат волокна и другие твердые материалы, смешанные в текучей среде. В большинстве пластинчатых теплообменников теплообменник содержит пластину одного типа, которая скреплена с другими пластинами, развернутыми на 180° для формирования двух разных каналов для текучих сред, один из которых предназначен для охлаждающей среды, а другой - для охлаждаемого продукта. Между пластинами установлено уплотнение. Такая конструкция экономически эффективна и работает во многих технологических процессах, но в применении к прохладительным напиткам и другим продуктам, содержащим волокна и другие твердые материалы, обладает некоторыми недостатками, поскольку пластины опираются друг на друга в нескольких точках контакта. Каждая пластина снабжена ребрами и впадинами, чтобы, с одной стороны, придать ей механическую жесткость, а с другой стороны, улучшить теплообмен с текучей средой. Пластины опираются друг на друга в местах, где рисунок на пластинах соответствует друг другу, что повышает механическую жесткость пакета пластин. Это особенно важно там, где текучие среды имеют разные давления. Недостатком решения, при котором пластины опираются друг на друга, является то, что каждая опорная точка создает сопротивление потоку, и материал, содержащийся в жидкости, может захватываться и накапливаться. Это в какой-то степени напоминает формирование дельты реки, где небольшая разница в потоке наносит некоторое количество материала, который, в свою очередь, приводит к отложению еще большего количества материала.
Одним из решений проблемы забивания пластинчатого теплообменника материалом является использование теплообменника, в котором канал для продукта является бесконтактным. В теплообменнике такого типа уменьшается накопление материала в канале для продукта. Однако важно проектировать области, расположенные рядом с уплотняющей прокладкой так, чтобы в них не накапливался материал, и так, чтобы в то же время они обладали механической жесткостью. Одной такой конкретной областью является область вокруг так называемой диагональной прокладки.
В US 4781248 описан теплообменник с вафельным рисунком структуры решетки в зонах между впускной и выпускной областями и областью теплообмена. Такой вафельный рисунок используется для улучшения распределения потока в теплообменнике.
В US 4403652 описан теплообменник с бесконтактным каналом. Теплообменник содержит специфичные экструдированные теплообменные панели, имеющие две стороны, соединенные перемычками, и специфичные напорные литые секции. Поскольку напорные секции выполнены литыми, область вокруг прокладок можно спроектировать без слабых участков. Такое решение довольно дорого и сложно, но в некоторых случаях является работоспособным.
Для того, чтобы получить достаточную жесткость при использовании традиционных пластин теплообменника для бесконтактного пластинчатого теплообменника, пластины постоянно соединены друг с другом попарно, например сваркой или пайкой твердым припоем. Таким способом две пластины образуют кассету с множеством контактных точек между двумя пластинами, где контактные точки соединены друг с другом, как и обода пластин. Такая кассета будет достаточно жесткой, чтобы выдерживать некоторую разницу в давлениях между двумя текучими средами, что позволяет создать бесконтактный канал для продукта. Один пластинчатый теплообменник с бесконтактным каналом известен из JP 2001272194. В этом теплообменнике две пластины одного типа с продольными канавками постоянно соединены друг с другом, образуя кассету, в которой сформированы продольные каналы для осуществляющей теплообмен текучей среды. Такие кассеты уложены друг на друга через прокладки, образуя бесконтактный канал для продукта между двумя кассетами.
Другой теплообменник с бесконтактным каналом для продукта раскрыт в WO 2006/080874. В описанном теплообменнике используется складчатый волнистый рисунок, проходящий поперек направления потока, придающий жесткость пластинам и, кроме того, улучшающий теплообмен между двумя текучими средами.
Поскольку область вокруг канавки для диагональной прокладки наклонена относительно рисунка пластин теплообменника, впадины и углубления в области этой канавки под прокладку будут асимметричными. Из-за этой асимметрии расстояние между опорными точками в канавке под диагональную прокладку будут расположены неравномерно, что приведет к образованию в канавке под прокладку ослабленных участков, имеющих неравномерную механическую жесткость. Эти ослабленные участки, т.е. где расстояние между опорными точками велико, могут недостаточно поддерживать прокладку, что может привести к вытеснению прокладки из канавки, когда давление превысит определенную величину. Это может привести к утечке в канале для продукта и привести к существенным деформациям пластин теплообменника.
Теплообменник, раскрытый в WO 2006/080874, является так называемым "полусварным" пластинчатым теплообменником, т.е. теплообменником, состоящим из множества кассет, сформированных сваркой или пайкой пластин теплообменника попарно. Сварной шов обычно проходит вдоль боковых кромок кассет и вокруг отверстий. Прокладка расположена между соответствующими кассетами и обычно выполнена из материала резины и находится в канавке пластины теплообменника. Одна текучая среда течет внутри кассет, а другая текучая среда течет между кассетами. Проточный канал внутри кассет используется для нагревающей/охлаждающей текучей среды, а проточный канал между кассетами используется для волокнистой текучей среды. Полусварные пластинчатые теплообменники выдерживают довольно высокое давление и позволяют вскрывать пакет пластин и очищать пространство между парами сваренных пластин теплообменника. Сварка, заменившая прокладки в каждом втором пространстве между пластинами вокруг теплообменной поверхности пластин теплообменника, сократила необходимость в замене прокладок и повысила безопасность.
Описанные решения работоспособны в некоторых вариантах применения, но все же имеют некоторые недостатки, оставляя пространство для усовершенствований.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной опоры диагональной прокладки для пластинчатого теплообменника, имеющего бесконтактный проточный канал.
Решение этой проблемы по настоящему изобретению описано в отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Пункты 2-7 формулы изобретения описывают преимущественные варианты опоры диагональной прокладки. Пункт 9 формулы изобретения описывает преимущественный теплообменник, а пункты 10-15 описывают преимущественные варианты выполнения теплообменника.
Опора диагональной прокладки в кассете теплообменника, адаптированной для теплообменника, имеющего бесконтактный проточный канал, где кассета содержит две пластины одного типа, и каждая пластина снабжена рифленым рисунком, имеющим гребни и впадины, позволяет достичь цели настоящего изобретения благодаря тому, что опора диагональной прокладки содержит множество углублений, расположенных рядом друг с другом вдоль канавки для диагональной прокладки.
Этот первый вариант выполнения опоры диагональной прокладки позволяет получить механически жесткую опору для уплотнительной прокладки и одновременно позволяет создать бесконтактный канал для продукта в области, расположенной рядом с диагональной уплотняющей прокладкой. Это позволяет надежно уплотнить всю кассету.
В преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению углубления двух пластин опираются друг на друга. Это позволяет создать жесткую и неэластичную канавку для диагональной прокладки.
В преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению углубления двух пластин постоянно соединены друг с другом. Это позволяет создать жесткую и неэластичную канавку для прокладки, которая может выдерживать высокое давление в обоих направлениях, т.е. повышенное давление и отрицательное давление в канале для продукта.
В другом преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению опора диагональной прокладки расположена между канавкой для диагональной прокладки и поверхностью теплопереноса. Преимущество такого решения заключается в том, что в канале нагревающей/охлаждающей среды возникает опора, не нарушающая бесконтактный канал для продукта. Это также улучшает опору для диагональной уплотняющей прокладки.
В еще одном преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению опора диагональной прокладки содержит обводной канал. Это дает преимущество, заключающееся в том, что улучшает свойства потока текучей среды, поскольку текучая среда может течь по обводному каналу, не встречая помех со стороны опорных точек.
В еще одном преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению углубления и выступы выполнены прямоугольными. Это позволяет добиться хорошей жесткости уплотняющей канавки и получить большую площадь контакта в опорных точках.
В еще одном преимущественном варианте выполнения опоры диагональной прокладки по настоящему изобретению углубления и выступы выполнены круглыми. Это также позволяет добиться хорошей жесткости уплотняющей канавки и большой площади контакта для опорных точек.
В теплообменнике по настоящему изобретению имеется множество теплообменных кассет, имеющих опору диагональной прокладки. Это позволяет улучшить теплообменник, повысить его надежность и придать ему способность выдерживать более высокую разницу давлений между двумя каналами.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению наименьшее расстояние между двумя опорами диагональной прокладки в бесконтактном канале между двумя кассетами по меньшей мере равно наименьшему расстоянию между теплообменными поверхностями двух кассет. Преимуществом такого решения является то, что улучшаются свойства потока, поскольку на опоре диагональной прокладки отсутствуют области, ограничивающие поток.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению теплообменник содержит кассеты одного типа. Это позволяет снизить производственные издержки.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению наименьшее расстояние между двумя опорами диагональной прокладки в бесконтактном канале между двумя кассетами равно расстоянию между двумя выступами. Когда в теплообменнике используются кассеты одного типа, выступы соседних кассет расположены рядом друг с другом. Для теплообменника такого типа важно, чтобы это расстояние не ограничивало поток, что может привести к забиванию канала материалом, содержащимся в текучей среде.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению теплообменник содержит кассеты двух разных типов. Это позволяет оптимизировать рисунок потока и, следовательно, характеристики теплообменника.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению наименьшее расстояние между двумя опорами диагональной прокладки в бесконтактном канале между двумя кассетами равно расстоянию b между боковыми стенками двух выступов. Когда в теплообменнике используются кассеты разных типов, выступ одной кассеты совмещается с углублением следующей кассеты. Для теплообменника такого типа важно, чтобы это расстояние не ограничивало поток, что может привести к забиванию канала материалом, содержащимся в жидкости.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению кассеты теплообменника покрыты поверхностным покрытием. Преимуществом такого решения является то, что поскольку две соседние кассеты теплообменника не касаются друг друга в бесконтактном канале, в этом бесконтактном канале нет точек, подверженных износу. Поэтому можно нанести покрытие на поверхности бесконтактных каналов, без риска износа такого покрытия. Поскольку покрытие не изнашивается, сокращаются потребности в техническом обслуживании, и покрытие является надежным.
В еще одном преимущественном варианте выполнения теплообменника по настоящему изобретению покрытие нанесено на поверхность, окруженную уплотнительной прокладкой. Это позволяет наносить покрытие только на активную поверхность бесконтактного канала, что сокращает потребность в материале покрытия и, следовательно, стоимость покрытия.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - опора диагональной прокладки согласно предшествующему уровню техники в пластинчатом теплообменнике, имеющем бесконтактный проточный канал.
Фиг.2 - вид спереди пластины для использования в теплообменнике, содержащем опору диагональной прокладки согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 - деталь первого варианта опоры диагональной прокладки согласно настоящему изобретению.
Фиг.4 - уплотняющая прокладка и опора диагональной прокладки согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 - сечение по линии А-А опоры прокладки, используемой в кассете теплообменника первого типа.
Фиг.6 - сечение по линии А-А опоры прокладки, используемой в кассете теплообменника второго типа.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Описываемые ниже варианты осуществления настоящего изобретения являются лишь примерами и не ограничивают объем защиты, определяемый формулой изобретения.
На фиг.1 показана часть бесконтактной кассеты теплообменника, раскрытого в WO 2006/080874. Кассета 1 теплообменника содержит два отверстия, образующие впускной и выпускной порты 5, 6 и теплообменную поверхность 2 с ребрами 3 и впадинами 4. Пластина далее содержит уплотнительные прокладки, выполненные с возможностью герметизировать проточные каналы в теплообменнике. Прокладка 7 герметизирует бесконтактный канал, по которому течет продукт, а кольцевая прокладка 8 герметизирует порт для охлаждающей/нагревающей текучей среды. Прокладка 7 содержит участок 9 диагональной прокладки, который определяет границу канала для продукта в распределительных участках входного и выходного портов. Участок 9 диагональной прокладки расположен в канавке для диагональной прокладки. Поскольку канавка для диагональной прокладки наклонена относительно продольной оси кассеты, и рисунок теплообменника также содержит наклонные участки, рисунок рядом с канавкой для диагональной прокладки будет асимметричным, и ширина гребней и впадин будет разной. Поскольку рисунок рядом с канавкой для диагональной прокладки образует опору для диагональной прокладки в собранной кассете, то механические свойства канавки для диагональной прокладки вдоль ее длины будут разными. Сама канавка для диагональной прокладки не опирается на другую пластину в кассете, что означает, что диагональная прокладка поддерживается только элементами рисунка, расположенными рядом с канавкой для диагональной прокладки. Поскольку кассета предназначена для использования в теплообменнике, имеющем бесконтактный проточный канал для продукта, элементы рисунка, расположенные рядом с канавкой для диагональной прокладки, не могут опираться на соседнюю пластину другой кассеты. Поэтому жесткость опоры для диагональной прокладки определяется элементами рисунка, расположенными рядом с канавкой для диагональной прокладки. Следовательно, максимальное допустимое давление на диагональной прокладке ограничено из-за меняющейся жесткости канавки для диагональной прокладки вдоль ее длины.
Кассета выполнена из двух пластин одного типа. Одна пластина, перед соединением с другой пластиной, повернута на 180° вокруг горизонтальной оси. Таким образом, рисунок взаимодействует так, что рисунок одной пластины опирается на рисунок второй пластины, создавая множество чередующихся контактных точек. Когда все или некоторые из этих контактных точек соединены друг с другом, можно получить жесткую кассету, которая будет выдерживать определенное повышенное давление в кассетах, а также между кассетами.
На фиг.2 показан вид спереди кассеты 11 по настоящему изобретению для использования в теплообменнике, имеющем бесконтактный проточный канал. Кассета 11 содержит две пластины 12 теплообменника, постоянно соединенные друг с другом. Пластины имеют по меньшей мере четыре отверстия, образующие впускные и выпускные порты 14, 15, 16, 17 и теплообменную поверхность 18 с ребрами 19 и впадинами 20. Кассета 11 может быть изготовлена, например, сваркой, пайкой твердым припоем, или склеиванием пластин друг с другом, благодаря чему две пластины 12 постоянно соединены друг с другом известным способом так, что внутри кассеты образован проточный канал. Предпочтительно, пластины также соединены в области поверхности теплопереноса, где рисунок одной пластины опирается на рисунок второй пластины. Это дает преимущество, поскольку кассеты будут использоваться в теплообменнике, имеющем бесконтактный проточный канал. Поэтому поддержка поверхности теплопереноса будет осуществляться только другой пластиной в кассете. Пластины можно соединять, например, по нескольким продольным линиям, проходящим от одной стороны впуска/выпуска к другой стороне впуска/выпуска. Кассета далее содержит канавку 21 для диагональной прокладки, в которой установлена уплотняющая прокладка, когда кассета собрана для образования теплообменника.
На фиг.3 показана деталь области вокруг канавки 21 для диагональной прокладки. Кассета далее содержит опору 22 для диагональной прокладки по настоящему изобретению, имеющую множество углублений 23 и выступов 24, расположенных рядом друг с другом вдоль главной части канавки 21 для диагональной прокладки. Углубления и выступы в этом примере являются прямоугольными, но они могут иметь и другую форму, например круглую или полукруглую. Канавка 21 для диагональной прокладки расположена, непосредственно примыкая к канавке 21 для диагональной прокладки так, что когда кассета установлена в теплообменнике, уплотнительная прокладка опирается на боковые стороны выступов 24. Опора 22 диагональной прокладки расположена между канавкой 21 для диагональной прокладки и поверхностью 18 теплопереноса. Когда две пластины собраны в кассету, углубления и выступы образуют контактные точки, на которые опираются эти две пластины. По меньшей мере часть этих контактных точек предпочтительно соединены друг с другом, например, тем же способом, который используется для сборки кассеты.
На фиг.4 представлен вид области опоры диагональной прокладки на участке 25 диагональной прокладки. Между элементами рисунка поверхности теплопереноса пластины теплообменника и опорой диагональной прокладки выполнен узкий обводной канал 26. Этот обводной канал способствует распределению текучей среды по поверхности теплопереноса.
В первом варианте теплообменник содержит один тип кассеты 11, выполненной из двух пластин одного типа. Перед соединением пластин одну пластину поворачивают на 180° вокруг центральной оси. Таким образом, рисунки будут взаимодействовать так, что рисунок одной пластины будет опираться на рисунок другой пластины, создавая множество промежуточных контактных точек внутри кассеты. Когда все или по меньшей мере часть из этих контактных точек постоянно соединены друг с другом, получается жесткая кассета, которая выдерживает определенное повышенное давление. Поскольку одна из пластин в кассете перевернута, опора 22 диагональной прокладки включает области, в которых два углубления 23 соединены друг с другом, и области, в которых два выступа 24 образуют пустое пространство.
Когда кассеты одного типа укладывают в стопку для формирования теплообменника, бесконтактный канал 27 будет иметь сечение А-А, показанное на фиг.5. В этом варианте выступ 24 первой кассеты будет расположен рядом с выступом 24 второй кассеты. Таким же образом, углубление 23 первой кассеты будет расположено рядом с углублением 23 второй кассеты. В этом варианте объем между выступами 24 ограничивает поток жидкости. Расстояние между выступами определяет величину ограничения потока. Предпочтительно, расстояние между выступами равно или превышает наименьшее расстояние между любыми поверхностями в бесконтактном проточном канале. Таким способом можно получить равномерный поток без точек, ограничивающих поток так, чтобы в бесконтактном проточном канале не было точек, в которых начинает накапливаться материал.
Во втором варианте теплообменник содержит кассету 11 первого типа, выполненную из двух пластин первого типа, и кассету 29 второго типа, выполненную из двух пластин второго типа. В такой кассете, перед тем как соединять пластины для формирования кассеты, одну пластину поворачивают на 180° вокруг центральной оси. Таким образом, рисунок будет взаимодействовать так, что рисунок одной пластины опирается на рисунок другой пластины, создавая множество промежуточных контактных точек внутри кассеты. Когда все контактные точки, или по меньшей мере часть из этих контактных точек, постоянно соединены друг с другом, получается жесткая кассета, которая может выдерживать определенное повышенное давление. Поскольку одна из пластин в кассете перевернута, опора диагональной прокладки содержит участки, на которых два углубления 23 соединены и участки, в которых два выступа 24 образуют пустое пространство. Пластины для второй кассеты имеют такой же рисунок, что и пластины первой кассеты, но перевернутый или смещенный относительно пластин первой кассеты.
Когда для формирования теплообменника складывают кассеты первого и второго типа, бесконтактный канал 28 будет иметь сечение А-А, показанное на фиг.6. В этом варианте выступ 24 первой кассеты будет расположен рядом с углублением 23 второй кассеты. Таким же образом, углубление 23 первой кассеты будет расположено рядом с выступом 24 второй кассеты. В этом варианте объем между боковыми стенками выступов будет ограничивать поток жидкости. Расстояние b между боковыми стенками выступов будет определять величину ограничения потока. Предпочтительно расстояние между боковыми стенками выступов равно или превышает наименьшее расстояние между любыми поверхностями в бесконтактном проточном канале. Таким образом, возникает равномерный поток без точек, ограничивающих поток, так, что в бесконтактном канале отсутствуют точки в которых начинает накапливаться материал. Форма выступов, таким образом, адаптирована к размерам уплотняющей прокладки и рисунку пластин теплообменника.
Рисунки на первой и второй пластинах имеют такую конфигурацию, чтобы, когда теплообменник собран, отсутствовали контактные точки между кассетами на поверхности теплопереноса, т.е. внутри уплотняющей прокладки в бесконтактном проточном канале. Кассеты установлены друг на друге через уплотняющую прокладку. Прокладка, предпочтительно выполненная из эластичного материала, например резинового материала, расположена в канавке, которая проходит по периферии пластин, образующих кассету. Прокладка герметизирует пространство между двумя кассетами, тем самым определяя бесконтактный проточный канал, который является каналом для потока продукта. Пластины теплообменника сконструированы так, что контактные точки для необходимой механической поддержки имеются только внутри кассеты между двумя пластинами, которые соединяются друг с другом для формирования кассеты, или снаружи от уплотняющей прокладки.
Преимущество бесконтактного проточного канала для продукта, в котором отсутствуют контактные точки между кассетами, заключается в том, что поверхность теплопереноса может быть покрыта специфическим покрытием. В существующих бесконтактных теплообменниках центральная поверхность теплопереноса не имеет контактных точек, но в канале для продукта, во впускном отверстии и в выпускном отверстии имеются контактные точки.
Если обрабатывать поверхность известного бесконтактного пластинчатого теплообменника, покрытие, в конце концов, износится или будет повреждено из-за механического истирания между контактными точками. Когда в кассете повреждается, например, покрытие, защищающее от коррозии, покрытие всей кассеты становится бесполезным, поскольку в поврежденных точках начнется развитие коррозии и кассету нужно будет заменить. Используя кассеты, содержащие опору для прокладки по настоящему изобретению, можно создавать теплообменники без контактных точек внутри канала для продукта. Следовательно, на такие кассеты теплообменника можно наносить различные покрытия, которые не подвержены износу из-за истирания между контактными точками между кассетами. Используя разные покрытия, канал для продукта можно оптимизировать для решения разных задач. Одним примером поверхностного покрытия является фрикционное покрытия для повышения или понижения поверхностного трения. Другим примером является покрытие, повышающее или понижающее чистоту поверхности или ингибитор коррозии, повышающий коррозионную стойкость материала, используемого для изготовления кассет. Еще одним примером поверхностного покрытия является покрытие, снижающее риск прилипания определенного вещества к поверхности. При использовании кассет с опорой диагональной прокладки по настоящему изобретению можно также применять и другие покрытия.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и в рамках приложенной формулы возможны различные другие варианты и модификации. Например, для кассет теплообменника может применяться другой рисунок опоры прокладки.
Позиции на чертежах
Уровень техники:
1 - кассета
2 - поверхность теплопереноса
3 - гребень
4 - впадина
5 - порт
6 - порт
7 - прокладка
8 - кольцевая прокладка
9 - диагональный участок прокладки
11 - кассета
12 - пластина
13 - центральная ось
14 - порт
15 - порт
16 - порт
17 - порт
18 - поверхность теплопереноса
19 - гребень
20 - впадина
21 - канавка для диагональной прокладки
22 - опора для диагональной прокладки
23 - углубления
24 - выступ
25 - диагональный участок прокладки
26 - обводной канал
27 - бесконтактный канал
28 - бесконтактный канал
29 - вторая кассета