ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему первую рамную пластину, вторую рамную пластину и пакет теплообменных пластин. Каждая из теплообменных пластин имеет центральный участок и периферийный участок, окружающий центральный участок. Кроме того, теплообменные пластины расположены попарно между первой и второй рамными пластинами, причем первый потоковый путь для первой текучей среды образуется между теплообменными пластинами пар и второй потоковый путь для второй текучей среды образуется между парами теплообменных пластин. Первый или второй потоковый путь является путем свободного потока, вдоль которого центральные участки теплообменных пластин полностью отделены друг от друга.
Уровень техники
Сегодня существует несколько различных типов пластинчатых теплообменников, которые, в зависимости от их типа, используются в различных применениях. Один определенный тип пластинчатого теплообменника собирается с помощью стягивания болтами верхней крышки, нижней крышки и четырех боковых панелей к набору угловых стоек для формирования коробчатого корпуса вокруг пакета теплообменных пластин. Этот определенный тип пластинчатого теплообменника часто называют блочным теплообменником. Одним из примеров коммерчески доступного блочного теплообменника является теплообменник, предлагаемый Alfa Laval AB под названием Compabloc.
Блочный теплообменник, как правило, имеет впуски для текучей среды и выпуски для текучей среды, расположенные на боковых панелях, а разделители крепятся к пакету теплообменных пластин для направления текучей среды туда и обратно через каналы, образованные между теплообменными пластинами в пакете теплообменных пластин.
Так как пакет теплообменных пластин окружен верхней крышкой, нижней крышкой и четырьмя боковыми панелями, теплообменник может выдерживать высокие уровни давления по сравнению со многими другими типами пластинчатых теплообменников. Тем не менее, блочный теплообменник является компактным, имеет хорошие свойства теплопередачи и может выдерживать тяжелые условия эксплуатации без поломки.
Пакет теплообменных пластин иногда называется пакетом пластин и имеет особую, блочную конструкцию, которая характерна для блочных теплообменников. Пакет теплообменных пластин часто является цельносварным и прокладки между теплообменными пластинами для надлежащей герметизации каналов потока, которые образуются между пластинами, не требуется. Это делает блочный теплообменник подходящим для работы с широким спектром агрессивных текучих сред при высоких температурах и при высоких давлениях.
Во время технического обслуживания блочный теплообменник, пакет теплообменных пластин может быть доступен и очищен посредством демонтажа, например, двух боковых панелей, и промывки пакета теплообменных пластин очищающим веществом. Кроме того, можно заменить пакет теплообменных пластин новым пакетом, который может быть таким же или отличаться от предыдущего пакета, лишь бы его можно было должным образом расположить внутри теплообменника.
Как правило, блочный теплообменник подходит не только в качестве обычного теплообменника, но также и как конденсатор или ребойлер. В двух последних случаях теплообменник может содержать дополнительные впуски/выпуски для конденсата, которые могут исключить необходимость в специальном блоке сепаратора.
В некоторых ситуациях требуется блочный теплообменник, содержащий каналы свободного потока для одной из текучих сред, т.е. каналы, внутри которых нет контакта между теплообменными пластинами, определяющих каналы. Например, в применениях с особенно высокими требованиями к гигиене, такими как применения в фармацевтике, часто требуется пластинчатый теплообменник с каналами свободного потока. Это обусловлено тем, что отсутствие точек соприкосновения между теплообменными пластинами делает очистку соответствующего канала свободного потока гораздо более легкой. Кроме того, канал свободного потока делает возможным визуальный осмотр всего канала для того, чтобы убедиться, что он чистый. В качестве другого примера, в связи с применениями при большом внешнем загрязнении, каналы свободного потока делают возможным управление текучими средами, содержащими волокна и твердые вещества, с относительно низким риском засорения, так как нет никаких препятствий для потока внутри каналов свободного потока. При этом здесь, легкая чистка каналов свободного потока является, конечно, преимуществом.
Существующие теплообменники, содержащие каналы свободного потока, функционируют очень хорошо при применениях, где давление внутри каналов свободного потока выше, чем давление снаружи теплообменника. Однако, при применениях, где давление снаружи теплообменника выше, чем давление внутри каналов свободного потока, существует риск деформации, более конкретно сжатия, по меньшей мере, крайнего канала для свободного потока. Естественно это может негативно влиять на производительность пластинчатого теплообменника.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в предоставлении пластинчатого теплообменника, который, по меньшей мере, частично исключает возможные ограничения предшествующего уровня техники. Основная идея изобретения заключается в упрочнении пакета теплообменных пластин для того, чтобы сделать его более стойким к внешнему относительно избыточному давлению. Пластинчатый теплообменник для достижения вышеупомянутой цели определяется в прилагаемой формуле изобретения и обсуждается ниже.
Пластинчатый теплообменник согласно настоящему изобретению содержит первую рамную пластину, вторую рамную пластину и пакет теплообменных пластин. Каждая из теплообменных пластин имеет центральный участок и периферийный участок, окружающий центральный участок. Теплообменные пластины расположены попарно между первой и второй рамными пластинами. Первый потоковый путь для первой текучей среды формируется теплообменными пластинами пар, и второй потоковый путь для второй текучей среды формируется между парами теплообменных пластин. Один из первого и второго потоковых путей является путем свободного потока, вдоль которого центральные участки теплообменных пластин полностью отделены друг от друга. Пластинчатый теплообменник отличается тем, что дополнительно содержит усиливающую пластину, которая толще, чем теплообменные пластины и имеет центральный участок, окруженный периферийным участком. Усиливающая пластина расположена между первой рамной пластиной и пакетом теплообменных пластин и первое множество каждого из неразъемных усиливающих соединений соединяет вместе усиливающую пластину и крайнюю теплообменную пластину.
В блочном теплообменнике, как описано вначале, первая и вторая рамные пластины соответствуют верхней и нижней крышке, соответственно.
Между теплообменными пластинами по всему пакету формируются каналы. Каналы образуют потоковые пути; каждый второй канал содержится в первом потоковом пути и остальные каналы содержатся во втором потоковом пути.
Поскольку первый или второй потоковый путь является путем свободного потока, каналы, формирующие этот путь свободного потока, являются каналами свободного потока, пластинчатый теплообменник согласно изобретению является, как описано во введении, подходящим для применений, связанных с управлением текучими средами, содержащими волокна и твердые вещества, и применений, где предъявляются высокие требования к гигиене.
По сравнению с «обычным» несвободным или стесненным потоковым путем, где между теплообменными пластинами присутствуют опорные точки, путь свободного потока обладает низкой прочностью и гораздо легче искривляется при определенных условиях. Посредством пластинчатого теплообменника, содержащего усиливающую пластину, которая имеет большую толщину, чем пластины теплообменника, и неразъемно соединена с крайней теплообменной пластиной, пакет теплообменных пластин и особенно крайний канал для свободного потока, упрочняется. Таким образом, искривление пути свободного потока можно предотвратить и область применения пластинчатого теплообменника может быть расширена.
Пластинчатый теплообменник может быть выполнен с возможностью поддерживать второе давление вдоль пути свободного потока, которое ниже внешнего давления, преобладающего снаружи пластинчатого теплообменника. Эта взаимосвязь давления необходима при некоторых применениях пластинчатого теплообменника, но может привести к искривлению пути свободного потока, если усиливающая пластина не присутствует. Более конкретно, такая взаимосвязь давления может привести, если смотреть из центра пластинчатого теплообменника, к выпячиванию вовнутрь одной или нескольких теплообменных пластин, в том числе крайней теплообменной пластины, приводя к суженному пути свободного потока, если пластинчатый теплообменник не был сконструирован в соответствии с настоящим изобретением. Естественно, это может поставить под угрозу производительность пластинчатого теплообменника.
Вместо того чтобы просто соединять вместе усиливающую пластину и крайнюю теплообменную пластину, каждое из усиливающих соединений может соединить вместе усиливающую пластину, крайнюю теплообменную пластину пакета и вторую крайнюю теплообменную пластину пакета. Такое соединение усиливающей пластины с двумя теплообменными пластинами повышает прочность пакета еще больше. Кроме того, если каждое из усиливающих соединений проходит через все три пластины, количество соединений может быть меньшим по сравнению с тем, когда три пластины должны быть соединены соединениями, каждое из которых соединяет только две пластины. В свою очередь, это облегчает изготовление пластинчатого теплообменника и снижает стоимость изготовления.
Неразъемные усиливающие соединения могут проходить в центральных участках соединительного усиления и теплообменных пластин. Это выгодно, так как вдоль свободного пути центральный участок теплообменных пластин является участком, наиболее подверженным деформации, такой, как выпучивание.
Как указано выше, первый или второй потоковый путь является путем свободного потока. Оставшийся из них может быть несвободным потоком или путем стесненного потока, где центральный участок каждой из теплообменных пластин, определяющих этот путь стесненного потока, содержит второе множество опорных областей. Каждая из опорных областей одной из теплообменных пластин контактирует с соответствующей одной из опорных областей соседней пластины из теплообменных пластин вдоль пути стесненного потока. Как указано выше, такие пути стесненного потока могут быть более устойчивыми к деформации, чем пути свободного потока, так как две теплообменных пластины могут действовать вместе для того, чтобы оставаться недеформированными.
Теплообменные пластины могут быть неразъемно соединены друг с другом вдоль пути стесненного потока посредством соответствующего центрального соединения между опорными областями, контактирующими друг с другом. Тем самым теплообменные пластины могут удерживаться вместе, и форма пути стесненного потока может оставаться практически неизменной даже в случае более высокого давления в пути стесненного потока, чем снаружи пути стесненного потока.
Пластинчатый теплообменник может быть сконструирован так, чтобы любые центральные соединения между крайней и второй крайней теплообменной пластинами содержались в усиливающих соединениях, т.е. центральные соединения являются частью соответствующих усиливающих соединений. Таким образом, если крайняя теплообменная пластина является одной из пластин, определяющих путь стесненного потока, т.е. если крайний канал в пакете теплообменных пластин является каналом стесненного потока, содержащим опорные точки между теплообменными пластинами, усиливающие соединения соединяют крайнюю и вторую крайнюю теплообменные пластины друг с другом и никаких отдельных соединений для этой цели не требуется. Однако если крайний канал в пакете вместо этого является каналом свободного потока, между крайней и второй крайней теплообменными пластинами нет центральных соединений, и усиливающие соединения только подсоединяют усиливающую пластину к крайней теплообменной пластине.
На каждой из теплообменных пластин может быть выдавлен (отштампован) рисунок, содержащий гофр для обеспечения эффективной передачи тепла. Кроме того, каждая из опорных областей может быть изготовлена с повышенной локальной глубиной прессования теплообменной пластины, образуя в теплообменной пластине углубление с одной стороны и выпуклость с другой стороны, верхняя часть этой выпуклости составляет опорную область. Таким образом, опорные области могут формироваться как раз при операции штампования пластины, тем самым никакой отдельной операции изготовления опорных областей не нужно.
Согласно одному из вариантов осуществления пластинчатого теплообменника согласно изобретению усиливающая пластина имеет выступы на стороне, расположенной так, чтобы быть обращенной к крайней теплообменной пластине. Каждый из этих выступов принимается в соответствующее одно из углублений крайних теплообменных пластин. Таким образом, этот вариант осуществления предлагает руководство для правильной установки усиливающей пластины на пакет теплообменных пластин. В то же время близкое расположение, и, таким образом, легкое соединение усиливающей пластины и крайней теплообменной пластины является возможным.
Пластинчатый теплообменник может дополнительно содержать третье множество первых вставок, расположенных между периферийными участками крайней и второй крайней теплообменных пластин. Первые вставки могут быть расположены вдоль двух противоположных краев теплообменных пластин, выровненных с усиливающими соединениями. Каждая из первых вставок может быть соединена с одной или обеими крайней и второй крайней теплообменными пластинами посредством несъемного первого соединения вставки. Посредством предоставления первых вставок напряжение в усиливающих соединениях может быть снижено.
Пластинчатый теплообменник может быть таким, что каждая из первых вставок образует первый зуб соответствующего усиливающего средства в форме гребня, которое дополнительно содержит второй зуб, расположенный между периферийными участками третьей и четвертой крайних теплообменных пластин, и третий зуб, расположенный между периферийными участками пятой и шестой крайними теплообменными пластинами.
Пластинчатый теплообменник может дополнительно содержать указанное третье множество вторых вставок, расположенных между периферийными участками двух теплообменных пластин, расположенных ближе всего ко второй рамной пластине, и указанное третье множество брусов, причем каждый брус соединяет соответствующий брус первых вставок с противоположным брусом вторых вставок.
Две последние конструкции делают возможным относительно недорогой и механически простой пластинчатый теплообменник.
Вышеупомянутые обсуждаемые соединения могут быть изготовлены с помощью сварки. Сварные соединения относительно прочные. Различные методы сварки, такие как лазерная сварка и дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа, могут использоваться для различных типов соединений.
Дополнительно пластинчатый теплообменник может содержать средства крепления для прикрепления с возможностью демонтажа усиливающей пластины к первой рамной пластине. Эта установка означает, что также, по меньшей мере, крайняя теплообменная пластина прикрепляется, хотя непрямо, к первой рамной пластине. Таким образом, имеется противодействие деформации или изгибу, по меньшей мере, крайней теплообменной пластины, что означает, что путь стесненного потока даже больше защищен от искривления.
Средство крепления может быть выполнено с возможностью взаимодействия с соответствующими центральными участками усиливающей пластины и первой рамной пластины. Это выгодно, так как центральный участок пластин является участком, наиболее подверженным деформации.
Краткое описание чертежей
Теперь изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых
на Фиг. 1 представлен блочный теплообменник в разобранном виде, содержащий пакет теплообменных пластин,
на Фиг. 2 представлен вид сверху части пакета теплообменных пластин,
на Фиг. 3 представлен вид в перспективе кассеты, содержащейся в пакете теплообменных пластин,
на Фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе вдоль разреза по А-А, показанного на Фиг. 2,
на Фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе вдоль разреза по B-B, показанного на Фиг. 2,
на Фиг. 6 представлен вид в перспективе усиливающей пластины, содержащейся в пластинчатом теплообменнике, показанном на Фиг. 1,
на Фиг. 7 представлен вид в перспективе усиливающей пластины, показанной на Фиг. 6, прикрепленной к кассете, показанной на Фиг. 3,
на Фиг. 8 представлен вид сверху усиливающей пластины, показанной на Фиг. 6, прикрепленной к кассете, показанной на Фиг. 3,
на Фиг. 9 представлен вид в поперечном разрезе вдоль разреза по А-А, показанного на Фиг. 8,
на Фиг. 10 представлен вид в поперечном разрезе вдоль разреза по B-B, показанного на Фиг. 8,
на Фиг. 11 представлен вид в перспективе первой вставки, содержащейся в пластинчатом теплообменнике, показанном на Фиг. 1,
на Фиг. 12 представлен вид сверху усиливающей пластины, показанной на Фиг. 6, прикрепленной к кассете, показанной на Фиг. 3, с комплементарным дополнением,
на Фиг. 13 представлен вид в поперечном разрезе вдоль разреза по B-B, показанного на Фиг. 12,
на Фиг. 14a представлен схематический вид сбоку части пластинчатого теплообменника, содержащего усиливающее средство в форме гребня,
на Фиг. 14b представлен вид в перспективе участка пластинчатого теплообменника, показанного на Фиг. 14а, и
на Фиг. 15 представлен схематический вид сбоку части пластинчатого теплообменника, содержащего усиливающие средства в форме скобы.
Подробное описание изобретения
Согласно Фиг. 1, показан пластинчатый теплообменник 2 блочного типа. Пластинчатый теплообменник 2 содержит первую рамную пластину или верхнюю крышку 4, вторую рамную пластину или нижнюю крышку 6, и четыре боковые панели 8, 10, 12 и 14, которые стянуты болтами вместе с четырьмя угловыми стойками 16, 18, 20 и 22 для того, чтобы образовать корпус в форме параллелепипеда, собранного пластинчатого теплообменника 2. Пакет 24 выровненных по существу прямоугольных теплообменных пластин 26 из нержавеющей стали и две прямоугольные усиливающие пластины 28 из нержавеющей стали (из которых только одну, обозначенную как 28а, можно увидеть на Фиг. 1) расположены внутри корпуса. Усиливающие пластины 28 выровнены с теплообменными пластинами 26 и прикреплены к соответствующему концу пакета 24. Обычные разделители 29 и 31 подсоединены к сторонам пакета 24 теплообменных пластин 26. Теплообменные пластины, усиливающие пластины и разделители будут обсуждаться ниже.
Четыре боковые футеровки 30, 32, 34 и 36, расположенные таким образом, чтобы быть обращенными к соответствующей одной из угловых стоек 16, 18, 20 и 22, расположены в соответствующем одном из углов пакета 24. Кроме того, четыре верхние футеровки выполнены с возможностью проходить между боковыми футеровками и между одной из усиливающих пластин и соответствующей одной из боковых панелей 8, 10, 12 и 14. Аналогично, четыре нижние футеровки выполнены с возможностью проходить между боковыми футеровками и между другой одной из усиливающих пластин и соответствующей одной из боковых панелей 8, 10, 12 и 14. На Фиг. 1, для ясности были представлены только нижние футеровки и только две из нижних футеровок, обозначенные 38 и 40, видны на этом изображении. Предоставляются прокладки (не показаны), с тем, чтобы уплотнить четыре пространства, определяемых боковыми панелями и футеровками для того, чтобы сделать пластинчатый теплообменник непроницаемым. Кроме того, боковая панель 8 содержит впуск 42 и выпуск 44 для первой текучей среды, в то время как боковая панель 14 имеет впуск 46 и выпуск 48 для второй текучей среды.
Теплообменные пластины 26 по существу все одинаковы и они расположены парами в пакете 24. Пара пластин теплообменника будет в дальнейшем также называться кассетой. Некоторые из теплообменных пластин далее будут описаны со ссылкой на Фиг. 2-5. Однако, данное описание точно также справедливо и для остальных теплообменных пластин. Следует подчеркнуть, что для ясности ни одна усиливающая пластина не показана на этих чертежах. На Фиг. 3 показаны две, от верха T (Фиг. 1) пакета 24, крайние теплообменные пластины 26а и 26b и на Фиг. 2, 4 и 5 показаны четыре, от верха T пакета 24, крайние теплообменные пластины 26а-26d. Эти четыре теплообменные пластины образуют две пары или кассеты теплообменных пластин; крайняя и вторая крайняя теплообменные пластины 26а и 26b, соответственно, формируют крайнюю кассету 52, а третья и четвертая крайние теплообменные пластины 26c и 26d, соответственно, формируют вторую крайнюю кассету 54. На Фиг. 2 видна только крайняя теплообменная пластина 26а кассеты 52. В дальнейшем, индекс «a» ставится после каждого цифрового обозначения, когда описывается теплообменная пластина 26а, индекс «b» ставится после каждого цифрового обозначения, когда описывается теплообменная пластина 26b, и т.д. Следует подчеркнуть, что ссылочная позиция без индекса используется только, когда речь идет о произвольной теплообменной пластине.
Теплообменная пластина 26а имеет центральный участок 56а и периферийный участок 58а, окружающий центральный участок. Граница между центром и периферийным участком показана штриховой линией на Фиг. 2. На центральном участке 56а теплообменной пластины 26a выдавлен (отштампован) рисунок, содержащий шесть серий 60а гофра 62а, разделенных семью эквидистантно расположенными бороздками 64а, бороздка также расположена на крайней стороне крайних серий гофра. Каждая из бороздок 64а проходит по всему центральному участку 56а и параллельно двум противоположным краям теплообменной пластины 26а. Гофры серий содержат впадины 66a и гребни 68a и расположены рядами, проходящими параллельно бороздкам. На бороздке 64а глубина штампования локально увеличена, чтобы сформировать относительно глубокие углубления 64'a на одной стороне теплообменной пластины 26а, или относительно высокие выпуклости 64"a на другой стороне теплообменной пластины 26а, по сравнению с впадинами 66а гофров 62а. Каждое из углублений 64a' имеет форму поперечного сечения усеченного V, если смотреть поперек направления расширения углублений, как видно из Фиг. 4. Соответственная по существу часть верха крышки выпуклостей 64а" составляет опорную область 70а теплообменной пластины 26а, которая будет обсуждаться далее в настоящем документе ниже. Периферийный участок 58а содержит первый торцевой участок 72a, второй торцевой участок 74а, третий торцевой участок 76а и четвертый торцевой участок 78а теплообменной пластины. Как видно из плоскости чертежа на Фиг. 2, два противоположных первый и третий торцевые участки 72а и 76а образуют складку вверх, в то время как два противоположных второй и четвертый торцевые участки 74а и 78а образуют складку вниз. Ориентация крайней теплообменной пластины 26a такова, что первый торцевой участок 72а проходит вдоль боковой панели 8 и рядом с ней, второй торцевой участок 74а проходит вдоль боковой панели 10 и рядом с ней, третий торцевой участок 76а проходит вдоль боковой панели 12 и рядом с ней и четвертый торцевой участок 78а проходит вдоль боковой панели 14 и рядом с ней.
Как указано выше, и также очевидно из чертежей, теплообменные пластины расположены парами или кассетами 52, 54, ј по всему протяжению пакета, количество кассет, будучи переменным, зависит от конкретного применения пластинчатого теплообменника. Каждая вторая теплообменная пластина 26b, 26d пакета повернута, по отношению к остальной части теплообменных пластин 26а, 26с, на 180° вокруг оси X, которая параллельна плоскости верхней и нижней крышек 4 и 6 соответственно, т.е. плоскости чертежа на Фиг. 2. Таким образом, в паре теплообменных пластин, такой как пара 52, вторые торцевые участки 74a и 74b теплообменных пластин 26а и 26b будут входить в соприкосновение друг с другом, в то время как четвертые торцевые участки 78а и 78b теплообменных пластин 26а и 26b будут входить в соприкосновение друг с другом. Кроме того, первый торцевой участок 72а теплообменной пластины 26а будет выровнен с третьим торцевым участком 76b теплообменной пластины 26b, эти первый и третий торцевые участки 72а и 76b в то же время проходят в противоположных направлениях. Аналогично, третий торцевой участок 76a теплообменной пластины 26а будет выровнен с первым торцевым участком 72b теплообменной пластины 26b, эти первый и третий торцевые участки 76а и 72b в то же время проходят в противоположных направлениях. Кроме того, каждая из опорных областей 70а теплообменной пластины 26а будет входить в соприкосновение с соответствующей одной из опорных областей 70b теплообменной пластины 26b. Так как каждая из теплообменных пластин содержит семь бороздок 64, имеется семь опорных областей 70 (количество во втором = 7) для каждой из теплообменных пластин.
В пакете 24, пары теплообменных пластин или кассет будут входить в соприкосновение друг с другом. Более конкретно, беря кассеты 52 и 54 в качестве примера, третий торцевой участок 76b теплообменной пластины 26b крайней кассеты 52 будет входить в соприкосновение с первым торцевым участком 72c теплообменной пластины 26c второй крайней кассеты 54. Аналогично, первый торцевой участок 72b теплообменной пластины 26b крайней кассеты 52 будет входить в соприкосновение с третьим торцевым участком 76с теплообменной пластины 26c второй крайней кассеты 54.
Пластинчатый теплообменник 2 является цельносварным, это значит, что теплообменные пластины 26 пакета 24 неразъемно соединены друг с другом с помощью сварки. Теплообменные пластины кассеты или пары неразъемно соединены друг с другом двумя противоположными торцевыми соединениями пластины, первое торцевое соединение 80 пластины, проходящее между вторыми контактирующими торцевыми участками 74 теплообменных пластин пары и вторым торцевым соединением 82 пластины, проходящим между контактирующими участками 78 четвертого края теплообменных пластин пары. Кроме того, теплообменные пластины кассеты или пары неразъемно соединены друг с другом с помощью семи параллельных центральных соединений 84, изготовленных с помощью лазерной сварки. Эти центральные соединения 84 проходят между контактирующими опорными областями 70 теплообменных пластин пары через все ее же центральные участки 56.
Кроме того, кассеты или пары теплообменных пластин неразъемно соединены друг с другом двумя противоположными торцевыми соединениями пары, первое торцевое соединение 85 пары, проходящее между контактирующими третьим и первым торцевыми участками 76 и 72, и второе торцевое соединение 86 пары, проходящее между контактирующими первым и третьим торцевыми участками 72 и 76 соседних теплообменных пластин двух соседних пар.
Таким образом, центральные участки 56 двух теплообменных пластин 26 пары или кассеты прикрепляются друг к другу вдоль семи параллельных центральных соединений 84 и отделены друг от друга между этими центральными соединениями, в результате чего канал через кассету содержит шесть раздельных основных проходов 90. Действительно, канал, проходящий через кассету, дополнительно содержит два крайних обводных прохода 91, вдоль которых теплообменные пластины не гофрированы. Эти обводные каналы 91 присутствуют для целей производства и не вносят большого вклада в перенос тепла, и не будут обсуждаться далее в настоящем документе. Таким образом, канал через кассеты является ограниченным. Центральные участки 56 двух соседних теплообменных пластин двух соседних кассет полностью отделены друг от друга, в результате чего канал между кассетами является одним большим свободным проходом 92. Таким образом, канал между кассетами является неограниченным.
Имеются первый потоковый путь F1 для первой текучей среды и второй потоковый путь F2 для второй текучей среды через пластинчатый теплообменник 2. Первый потоковый путь F1 проходит через впуск 42 боковой панели 8, через кассеты и через выпуск 44 боковой панели 8. Разделители 29 направляют поток первой текучей среды туда и обратно через пакет 24, более конкретно через основные проходы 90 (и обводные каналы 91) через кассеты, из впуска 42 к выпуску 44, как показано стрелками на Фиг. 2. Так как проходимость через кассеты ограничена, первый потоковый путь F1, называют путем стесненного потока. Второй потоковый путь F2 проходит через впуск 46 боковой панели 14, между кассетами и через выпуск 48 боковой панели 14. Разделители 31 направляют поток второй текучей среды туда и обратно через пакет 24, более конкретно через проходы 92 между кассетами от впуска 46 к выпуску 48, как показано стрелками на Фиг. 2. Поскольку проходимость между кассетами не ограничена, второй потоковый путь F2 называют путем свободного (нестесненного) потока. Футеровки 30, 32, 34 и 36 уплотняют углы пакета 24, что гарантирует, что два различных потоковых пути F1 и F2 разделяются.
1
2
a
2
a
1
1,
2
a
2
Пластинчатый теплообменник 2 работает с первым давлением p вдоль пути F1 стесненного потока, т.е. в кассетах, и вторым давлением р вдоль пути свободного потока F2, т.е. между кассетами, причем атмосферное давление p преобладает снаружи пластинчатого теплообменника 2. Давление вдоль пути свободного потока существенно ниже, чем атмосферное давление, а давление вдоль стесненного потока значительно выше, чем атмосферное давление, т.е. p<p<p. Относительно высокое давление вдоль пути стесненного потока стремится отодвинуть теплообменные пластины кассет друг от друга. Однако так как теплообменные пластины кассет неразъемно соединены друг с другом не только первым и вторым торцевыми соединениями 80 и 82 пластины, но и центральными соединениями 84, кассета может выдерживать силу разделения, вызванную первым давлением p и форма пути стесненного потока может сохраняться. Относительно низкое давление вдоль пути свободного потока стремится двигать соседние теплообменные пластины двух соседних кассет, и таким образом все кассеты, навстречу друг другу. Внутри пакета теплообменных пластин это не вызовет никаких проблем, так как такое же давление, т.е. второе давление p, преобладает с обеих сторон кассет. Однако на концах пакета, т.е. на крайней кассете 52 на верху Т пакета, и соответствующей крайней кассете внизу пакета, гораздо более высокое давление, давление p будет преобладать снаружи кассет, чем на внутренней стороне кассет, где будет преобладать давление p. В результате этой разности давлений, внешние силы, направленные внутрь пакета, будут прилагаться к крайним кассетам. Эти внешние силы могут привести к выпячиванию вовнутрь крайних кассет и таким образом изменение проходов 92 между крайними и вторыми крайними кассетами, т.е. изменение пути свободного потока на концах пакета.
Наличие усиливающих пластин 28 в пластинчатом теплообменнике 2 решает эту проблему. Две усиливающие пластины 28 одинаковы. Далее, усиливающая пластина, расположенная на верху T пакета 24 и обозначенная как 28а, будет дополнительно описана со ссылкой на Фиг. 6-10. Конечно, следующее описание является правильным, в качестве действующего для другой усиливающей пластины.
На Фиг. 6 усиливающая пластина 28а показана отдельно на изображении, где ее нижняя поверхность 94 отчетливо видна. Усиливающая пластина 28а выполнена с возможностью объединяться с кассетой 52, показанной на Фиг. 3, с нижней поверхностью 94, обращенной к кассете 52, с образованием концевой пластины 96, которая показана на Фиг. 7-10. Усиливающая пластина 28а имеет по существу плоскую верхнюю сторону 98, которая расположена так, чтобы быть обращенной к первой рамной пластине или верхней крышке 4 в собранном пластинчатом теплообменнике 2. В собранном пластинчатом теплообменнике прокладка будет расположена между верхней крышкой 4 и усиливающей пластиной 28а. Эта прокладка не показана и в дальнейшем не обсуждается в данном документе.
Усиливающая пластина 28а является твердой и толще, чем теплообменные пластины 26. Она имеет центральный участок 100 и периферийный участок 102, окружающий центральный участок, соответствующий центру и периферийным участкам 56а и 58а соответственно крайней теплообменной пластины 26а. Граница между центром и периферийными участками показана штриховой линией на Фиг. 6. Усиливающая пластина 28а содержит семь эквидистантно расположенных удлиненных выступов 104, выступающих из ее нижней поверхности 94 и проходящих по всему центральному участку 100 и параллельно двум противоположным краям усиливающей пластины 28а. Пять расположенных ближе всего к центру выступов, обозначенных как 104а, каждый из которых имеет прямоугольное сечение, если смотреть поперек направления протяженности выступов, как видно из Фиг. 10. Кроме того, два крайних выступа, обозначенных как 104b, каждый из которых, если смотреть поперек направления протяженности выступов, имеет поперечное сечение в форме трапеции с двумя прямыми углами на дистальном конце 104b' выступов для того, чтобы предоставить место для внешнего контура крайней теплообменной пластины 26а, как будет дополнительно обсуждаться ниже. Положения выступов 104 усиливающей пластины 28a соответствуют положениям углублений 64а' крайней теплообменной пластины 26a таким образом, что каждый из выступов 104 принимается в одно из соответствующих углублений 64а', когда усиливающая пластина 28a размещается на кассете 52. Кроме того, усиливающая пластина 28а имеет такие размеры, что в концевой пластине 96, дистальные концы 104а' и 104b' выступов 104 усиливающей пластины контактируют с нижними частями углублений 64а' крайней теплообменной пластины 26а, то время как участки усиливающей пластины между выступами контактируют с гребнями 68а теплообменной пластины 26а, и периферийный участок 102 усиливающей пластины контактирует с периферийным участком 58а крайней теплообменной пластины 26а.
Усиливающая пластина 28а неразъемно соединена с крайней кассетой 52 с помощью семи параллельных усиливающих соединений 106 (количество в первом = семь), изготовленных с помощью лазерной сварки. Каждое из этих усиливающих соединений 106 проходит между одной из опорных областей 70b второй крайней теплообменной пластины 26b с соответствующим выступом 104 усиливающей пластины 28а, через соответствующую опорную область 70а крайней теплообменной пластины 26a. Таким образом, каждое из усиливающих соединений 106 соединяет вместе три пластины; усиливающую пластину и теплообменные пластины кассеты 52. Действительно, ранее описанные центральные соединения 84 между крайней и второй крайней теплообменными пластинами или их часть, содержатся в соответствующем одном из усиливающих соединений 106. Другими словами, когда крайняя и вторая крайняя теплообменные пластины неразъемно соединены друг с другом, они одновременно соединены с усиливающей пластиной, формируя кассету 96. Сварка для изготовления усиливающих соединений выполняется из нижней поверхности второй крайней теплообменной пластины.
2
a
1
1
2
a
Задача усиливающей пластины 28а, как следует из названия, состоит в упрочнении крайней кассеты 52 для предотвращения выпячивания ее вовнутрь из-за режима давления, который обсуждался выше, т.е. p<p<p, где p - давление вдоль пути стесненного потока F1, т.е. в кассетах, р - давление вдоль пути свободного потока F2, т.е. между кассетами, и p - атмосферное давление, которое преобладает снаружи пластинчатого теплообменника 2. В результате форма крайнего прохода 92 для свободного потока, т.е. пути свободного потока F2, может быть сохранена. Так как усиливающая пластина соединена с крайней теплообменной пластиной с помощью сварки, соединения между пластинами прочные. Таким образом, ограниченного количества усиливающих соединений, здесь семи, достаточно для того, чтобы держать пластины соединенными даже в тяжелых условиях эксплуатации. Если бы использовался способ для более слабого соединения, количество соединений, возможно, должно было бы быть большим и/или соединения быть шире. В крайнем случае, при способе для относительно слабого соединения, возможно, было бы необходимо соединять всю нижнюю поверхность усиливающей пластины со всей верхней поверхностью крайней теплообменной пластины.
Нагрузка на усиливающую пластину 28а в связи с режимом давления, описанном выше, вызывает напряжение в усиливающих соединениях 106. Особенно на противоположных концах 108 усиливающих соединений 106 напряжение может быть большим. Это обусловлено тем, что нагрузка стремится отделить крайнюю и вторую крайнюю теплообменные пластины. Чтобы уменьшить это напряжение, пластинчатый теплообменник дополнительно содержит третье множество первых вставок 110 из нержавеющей стали, здесь 14 первых вставок. Первые вставки 110 все одинаковы. Одна из них отдельно показана на Фиг. 11. Все первые вставки 110 имеют заполняющую часть 112 и позиционирующую часть 114. Они расположены так, чтобы помещаться между крайней теплообменной пластиной 26а и второй крайней теплообменной пластиной 26b кассеты 52, как показано на Фиг. 7, 8 и 9. Первые вставки расположены на двух противоположных сторонах кассеты 52, выровнены в парах друг с другом и с усиливающими соединениями 106 и таким образом с опорными областями 70а и 70b теплообменных пластин 26а и 26b. Первые вставки имеют ширину х, которая немного больше, чем ширина у выступов 104 усиливающей пластины 28а. Кроме того, заполняющая часть 112 первых вставок 110 имеет форму, выполненную с возможностью заполнять пространство между периферийными участками крайней и второй крайней теплообменных пластин, в то время как позиционирующая часть 114 первых вставок 110 выполнена с возможностью упираться торцом в наружную часть первого и третьего краевых участков 72а и 76b крайней и второй крайней теплообменных пластин, соответственно на одной стороне кассеты, и в наружную часть третьего и первого краевых участков 76а и 72b крайней и второй крайней теплообменных пластин, соответственно на другой стороне кассеты. Чтобы оставаться в правильном положении, первые вставки 110 неразъемно прикреплены вдоль первых соединений 116 вставки, сделанных с помощью лазерной сварки, ко второй крайней теплообменной пластине 26b.
Таким образом, крайние кассеты отличаются от остальной части кассет в пакет 24 тем, что центральные соединения между теплообменными пластинами этих крайних кассет содержатся в усиливающих соединениях. Это не относится к остальным кассетам. Крайние теплообменные пластины также несколько отличаются от остальных теплообменных пластин тем, что их первый и третий краевые участки 72 и 76 длиннее, чем первый и третий краевые участки других теплообменных пластин, как видно из Фиг. 5 и 9. Это для размещения в усиливающих пластинах 28. Для концевой пластины 96 желательно, чтобы дистальные края первого и третьего краевых участков находились на одном уровне с верхней стороной 98 усиливающей пластины 28a.
На Фиг. 12 и 13 показано, как крайняя кассета 52 может быть еще больше упрочнена посредством предоставления средства крепления в виде крепежных устройств, для крепления с возможностью съема усиливающей пластины 28a к первой рамной пластине или верхней крышке 4. Здесь имеются четыре крепежных устройства; два крепежных устройства 118а первого рода и два крепежных устройства 118b второго рода. Верхняя крышка 4 имеет центральный участок 120 (см. Фиг. 1), и крепежные устройства выполнены с возможностью взаимодействия (зацепления) с и подсоединения центрального участка 120 верхней крышки 4 и центрального участка 100 усиливающей пластины 28а. Имеются четыре по существу гантелеобразных отверстия через верхнюю крышку 4; два отверстия 122a, приспособленных для взаимодействия с крепежными устройствами 118а, и два отверстия 122b, приспособленных для взаимодействия с крепежными устройствами 118b. Каждое из крепежных устройств 118а содержит гайку 124а, приваренную к верхней стороне 98 усиливающей пластины 28а и принятую в нижней части соответствующего отверстия 122а, прижимную шайбу 126а, вставленную в верхнюю часть отверстия 122а, и винт 128а, расположенный сквозь прижимную шайбу 126a, проходящий через отверстие 122а и ввинченный в гайку 124а. Каждое из крепежных устройств 118b содержит гайку 124b, расположенную в верхней части соответствующего отверстия 122b, прижимную шайбу 126b, вставленную в верхнюю часть отверстия 122b, винт 128b, приваренный к верхней стороне 98 усиливающей пластины 28a, проходящий через отверстие 122b и прижимную шайбу 126b и ввинченный в гайку 124b. Посредством усиливающей пластины 28а и, следовательно, кассеты 52, которая прикреплена к верхней крышке 4, увеличивается способность кассеты 52 выдерживать силу внешнего давления без выпячивания вовнутрь.
Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения следует рассматривать только в качестве примеров. Профессионал в данной области понимает, что обсужденные варианты осуществления можно изменять и объединять разными способами, не отклоняясь от идеи изобретения.
В качестве примера, пластинчатый теплообменник может содержать другие типы средств, уменьшающих напряжение, чем те, что описаны выше. Фиг. 14a и b и 15 схематично показывают два таких альтернативных вида средств, уменьшающих напряжение.
На Фиг. 14а и b представлено решение с усиливающим средством 130 в форме гребня из нержавеющей стали. Пластинчатый теплообменник здесь содержит восемь таких усиливающих средств 130 (даже если только четыре из них видны на Фиг. 14а), четыре в каждой из усиливающих пластин 28, по одному в каждом их углу. В дальнейшем в этом документе усиливающее средство, обозначенное как 130а, будет описано далее, но следует понимать, что все усиливающие средства 130 имеют аналогичную конструкцию. Усиливающее средство 130а содержит первую вставку в виде первого зуба 132, второго зуба 134 и третьего зуба 136. Первый зуб 132 расположен между периферийными участками 58а, 58b первой и второй крайних теплообменных пластин 26a и 26b. Второй зуб 134 расположен между периферийными участками 58c, 58d третьей и четвертой крайних теплообменных пластин 26c и 26d. Третий зуб расположен между периферийными участками 58e, 58f пятой и шестой крайних теплообменных пластин 26e и 26f. Как показано на Фиг. 14b, для того чтобы быть надежно зафиксированным, усиливающее средство 130а может быть приварено к разделителю 138 опоры, который располагается в контакте с боковой футеровкой 30. Разделитель 138 опоры является частью так называемой «камеры полного вакуума», которая является укреплением боковых футеровок и, возможно, также верхней и нижней футеровок пластинчатого теплообменника, используемого при применениях в вакууме. «Камера полного вакуума» не показана на остальных чертежах и не будет описана подробно в настоящем документе.
На Фиг. 15 представлено решение с усиливающим средством 140 в форме скобы из нержавеющей стали. Пластинчатый теплообменник здесь содержит четыре таких усиливающих средства 140 (даже если только два из них показаны на Фиг. 15), проходящих между каждой парой противоположных углов усиливающих пластин 28. В дальнейшем в этом документе усиливающее средство, обозначенное как 140а, будет описано далее, но следует понимать, что все усиливающие средства 140 имеют аналогичную конструкцию. Усиливающее средство 140а содержит первую вставку 142 и противоположную вторую вставку 144 (т.е. количество в третьем = 4) и брус 146, соединяющий их. Первая вставка 142 располагается между периферийными участками 58а, 58b крайней и второй крайней теплообменных пластин 26а, 26b. Вторая вставка 144 располагается между периферийными участками 58g, 58h двух теплообменных пластин 26g, 26h, расположенных ближе всего ко второй рамной пластине 6, т.е. усиливающей пластине, обозначенной как 28b. Для того чтобы быть надежно зафиксированным, усиливающее средство 140a может быть приварено к разделителю опоры «камеры полного вакуума», подобной той, которая описана выше (не показана).
Естественно, описанное выше альтернативное средство уменьшающее напряжение может варьироваться большим количеством способов, например, касательно их количества, числа зубьев, типа вхождения в контакт с другими компонентами и т.д.
В качестве другого примера, изобретение может использоваться в сочетании с другими типами теплообменников, нежели чем цельносварными, пластинчатыми теплообменниками блочного типа, например, пластинчатые теплообменники с прокладками между пластинами.
Кроме того, в описанном выше пластинчатом теплообменнике, пути свободного потока проходят между кассетами, в то время как пути стесненного потока проходят через кассеты. Вполне возможно для восстановления теплообменных пластин пользоваться ими, наоборот, так, что путь свободного потока проходит через кассеты, в то время как путь стесненного потока проходит между кассетами. В таком варианте осуществления усиливающая пластина будет неразъемно соединена с крайней теплообменной пластиной в силу того, что возникнет канал свободного потока между крайней и второй крайней теплообменными пластинами.
Описанные выше центральные соединения между крайней и второй крайней теплообменными пластинами содержатся в усиливающих соединениях. В качестве альтернативы, эти центральные соединения могут, наоборот, быть отделены от усиливающих соединений. Более конкретно, в таких вариантах осуществления теплообменные пластины крайней кассеты могут быть соединены друг с другом посредством центральных соединений, как и в случае с центральными соединениями всех других кассет. Тогда, усиливающая пластина может быть соединена с крайней и, возможно, также второй крайней теплообменной пластиной вдоль усиливающих соединений в отдельной операции.
В описанном выше варианте осуществления усиливающая пластина и две теплообменные пластины крайней кассеты соединены с помощью лазерной сварки с нижней поверхностью второй крайней теплообменной пластины. Естественно, что сварка может быть произведена другими способами и с помощью других методов. В связи с этим, бывает необходимо изменить, например, конструкцию укрепления и/или теплообменных пластин. В качестве примера, бывает необходимо обеспечить укрепление и/или теплообменные пластины с вырезами, где усиливающие соединения должны быть выполнены с возможностью обеспечить сварку. Кроме того, другие технологии для достижения описанных выше неразъемных постоянных соединений, чем сварка, конечно возможны. Одним из примеров является пайка.
Описанное выше - это неразрезные и прямые соединения. Естественно, есть много других возможных видов соединений, таких как непрямые и/или разрезные соединения и местные соединения. Кроме того, описанные выше углубления теплообменных пластин и выступы усиливающей пластины являются удлиненными и проходящими параллельно друг другу и вдоль пути стесненного потока и через все центральные участки укрепления и теплообменные пластины. Такая конструкция делает усиливающие пластины, а также теплообменные пластины, относительно прочными. Кроме того, она делает возможной постоянную поддержку вдоль пути стесненного потока с минимальным стеснением потока, а также прочное соединение усиливающей пластины и теплообменной пластины. Однако углубление и выступы могут быть сконструированы многими другими способами. В качестве примера, они не должны проходить непрерывно через центральные участки пластин, но могут содержать разрывы. Кроме того, углубления и выступы могут быть сформированы с другими сечениями, чем те, что показаны на чертежах. В качестве примера, выступы могут быть сконструированы таким образом, чтобы заполнить углубления полностью.
В пластинчатом теплообменнике, описанном выше, давление, поддерживаемое вдоль пути свободного потока, значительно ниже, чем давление преобладающее снаружи пластинчатого теплообменника. Настоящее изобретение можно использовать также в связи с пластинчатыми теплообменниками, не работающими с этим отношением давлений.
a
Однако, преимущества, предоставляемые настоящим изобретением, могут тем самым стать меньше. Кроме того, также возможно использование пластинчатого теплообменника в среде, где атмосферное давление не преобладает, т.е. p не должно быть атмосферным давлением.
Как употреблено выше, термин «пара» относится к теплообменным пластинам одной кассеты. Однако «пара» также может использоваться в качестве термина для двух соседних теплообменных пластин, образующих часть двух соседних, но разных кассет.
Теплообменные пластины пакета, описанные выше, все по существу одинаковы, но у них есть две различных ориентации. Естественно, теплообменные пластины пакета могут вместо этого быть разных, поочередно расположенных типов.
Усиливающая пластина, описанная выше, не имеет функции теплопередачи, но присутствует только для упрочнения крайней кассеты. Таким образом, нет потока текучей среды между усиливающей пластиной и крайней теплообменной пластиной.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления может иметься канал для текучей среды между усиливающей пластиной и крайней теплообменной пластиной, и усиливающая пластина может также функционировать, как теплообменная пластина. Этот канал для текучей среды может являться либо частью пути свободного потока, либо путем стесненного потока через пластинчатый теплообменник.
Средство крепления между верхней крышкой и усиливающей пластиной может быть многочисленных видов, те, что описаны выше, просто являются примерными.
И наконец, рисунок теплообменных пластин, описываемый в настоящем документе, который подробно описан в Европейской патентной заявке № 11161423.6, поданной 7 апреля 2011 от имени Alfa Laval Corporate AB и включенной в полном объеме в настоящий документ посредством этой ссылки, может быть изменен без отклонения от идеи изобретения.
Следует подчеркнуть, что описание деталей, не имеющих отношения к настоящему изобретению, было опущено и что чертежи являются лишь схематическими и вычерчены не в масштабе. Кроме того, следует отметить, что некоторые чертежи были более упрощены, чем другие. Таким образом, некоторые компоненты могут быть показаны на одном чертеже, но опущены на другом чертеже.