ПЛАСТИНА И УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА ДЛЯ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
PLATE AND SEALING GASKET FOR PLATE HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пластине теплообменника для пластинчатого теплообменника в соответствии с преамбулой п.1. Настоящее изобретение также относится к уплотнительной прокладке для пластины теплообменника и пластинчатому теплообменнику, содержащему пластину и уплотнительную прокладку в соответствии с настоящим изобретением.
Уровень техники
Пластинчатые теплообменники, содержащие уплотнительные прокладки, обычно включают в себя пакет пластин, расположенных рядом друг с другом. Уплотнительные прокладки расположены между пластинами теплообменника или пластины постоянно соединены вместе, например, посредством пайки. Пластины также могут быть постоянно соединены вместе попарно для образования так называемых кассет, например, посредством сварки с уплотнительными прокладками, расположенными между соответствующими кассетами. Уплотнительные прокладки устанавливаются в пазах для уплотнительной прокладки, образованных во время штамповки пластин теплообменника. Пластинчатые теплообменники дополнительно содержат впускные и выпускные отверстия, которые проходят через пакет пластин, для двух или более сред.
Пластины теплообменника обычно выполнены посредством штамповки металлического листа и расположены в пакете пластин таким образом, чтобы образовать первые промежуточные зазоры между пластинами, которые соединяются с первым впускным отверстием и первым выпускным отверстием, и вторые промежуточные зазоры между пластинами, которые соединяются со вторым впускным отверстием и вторым выпускным отверстием. Первые и вторые промежуточные зазоры между пластинами расположены поочередно в пакете пластин.
При формировании пластин для пластинчатых теплообменников необходимо учитывать втягивание кромки пластины во время штамповки. Используемый способ штамповки называется штамповкой при растяжении, и пластину натягивают для формирования конфигураций пластины. Так как на кромку пластины не действует большее усилие для противодействия и предотвращения втягивания материала, чем сила трения, которая возникает между инструментом и пластиной, наибольшее втягивание будет происходить на кромке пластины. Величина втягивания может зависеть от ряда факторов, таких как качество материала, толщина пластины, материал инструмента, глубина штамповки и созданная конфигурация.
Конфигурация пластины может изменяться в зависимости от назначения зоны или поверхности, т.е., является ли это зоной распределения жидкости, зоной теплопередачи, адиабатической зоной и т.д. Следовательно, конфигурация в пределах кромки пластины будет изменяться вдоль длинных сторон пластины, что означает, что втягивание, которое происходит во время штамповки, будет также изменяться вдоль кромок пластины. Наибольшее втягивание происходит там, где конфигурация включает в себя длинные гребни и впадины, проходящие параллельно кромке пластины. Данная конфигурация образуется, в частности, в адиабатических зонах, в которых назначение конфигурации состоит в обеспечении прохождения потока при наименьшем возможном сопротивлении, поскольку в данных зонах не происходит теплообмен. Таким образом, величина этого втягивания является в настоящее время важным для расположения пазов для уплотнительной прокладки вдоль всей длинной стороны пластины. Это приводит к тому, что паз для уплотнительной прокладки располагается дальше от кромки вдоль зоны теплопередачи, чем на самом деле это необходимо. Причина состоит в том, что втягивание вдоль зоны теплопередач обычно является неравномерным, поскольку конфигурация обычно включает в себя гребни и впадины, образующие елочную конфигурацию, которая образует углы относительно продольного направления кромки пластины, так что такая конфигурация эффективнее противодействует втягиванию во время штамповки. Важным недостатком является то, что зону теплопередачи пластины необходимо выполнять меньшего размера, чем она была бы, если бы паз для уплотнительной прокладки вместо этого был расположен относительно втягивания вдоль зоны теплопередачи, поскольку это втягивание является меньшим. Теплоемкость пластины таким образом становится меньше, и необходимо использовать больше пластин, чтобы достичь определенной эффективности работы пластинчатого теплообменника.
Краткое описание настоящего изобретения
Целью настоящего изобретения является предотвращение или, по меньшей мере, уменьшение недостатков, указанных выше, и обеспечение лучшего решения для пластины теплообменника, которая содержит уплотнительную прокладку и паз для уплотнительной прокладки. Определенными целями являются новая и лучшая пластина теплообменника и уплотнительная прокладка, которая обеспечивает оптимальное использование зоны теплопередачи пластины и таким образом приводит к повышению эффективности работы пластинчатого теплообменника с заданным количеством пластин.
Данная цель достигается в соответствии с настоящим изобретением при помощи пластины для пластинчатого теплообменника, как указано во введении, которая отличается пазом для уплотнительной прокладки на первом участке вдоль адиабатической зоны, расположенным на расстоянии от осевой линии в продольном направлении пластины теплообменника, которое меньше расстояния от паза для уплотнительной прокладки на втором участке вдоль зоны теплопередачи до осевой линии пластины теплообменника.
Настоящее изобретение обеспечивает создание пластины теплообменника, в которой может использоваться большая часть поверхности пластины для теплопередачи.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения паз для уплотнительной прокладки в конце первого участка, который направлен к зоне теплопередачи, соединяется с пазом для уплотнительной прокладки в точке, которая делит второй паз для уплотнительной прокладки на первый участок, проходящий между осевой линией и данной точкой, и второй участок, проходящий между данной точкой и пазом для уплотнительной прокладки в конце второго участка.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, две пластины теплообменника постоянно соединены вместе в качестве пары для образования кассеты. Преимущественно, кассеты соединяются вместе посредством сварки. Уплотнительные прокладки расположены, преимущественно, между кассетами.
Цель настоящего изобретения также достигается при помощи уплотнительной прокладки, указанной во введении, которая отличается тем, что она содержит первую часть уплотнительной прокладки, установленную в первом пазу для уплотнительной прокладки, и вторую часть уплотнительной прокладки, установленную во втором пазу для уплотнительной прокладки, при этом первая часть уплотнительной прокладки на первом участке вдоль адиабатической зоны проходит на расстоянии от осевой линии в продольном направлении пластины теплообменника, которое меньше расстояния от первой части уплотнительной прокладки на втором участке вдоль зоны теплопередачи до осевой линии пластины теплообменника.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения первая часть уплотнительной прокладки в конце первого участка, который направлен к зоне теплопередачи, соединяется со второй частью уплотнительной прокладки в точке, которая делит данную часть уплотнительной прокладки на первый участок, проходящий между осевой линией и данной точкой, и второй участок, проходящий между данной точкой и пазом для уплотнительной прокладки в конце второго участка.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения первая часть уплотнительной прокладки на первом участке содержит углубления для обнаружения утечки. Уплотнительная прокладка, преимущественно, выполнена из резины или полимерного материала.
Другая цель настоящего изобретения достигается с помощью теплообменника, который содержит пластину теплообменника и уплотнительную прокладку в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение обеспечивает изготовление теплообменника с повышенной эффективностью работы. Количество пластин может быть уменьшено при сохранении той же теплоемкости, приводя к экономии как затрат на материал, так и пространства. Поскольку многие применения, например применения для агрессивных сред, включают в себя дорогостоящий материал, теплоемкость и, следовательно, количество пластин теплообменника представляют собой решающее значение в определении стоимости. Обычно теплообменник содержит до тысячи пластин, что означает, что даже, по-видимому, незначительное увеличение теплоемкости пластины теплообменника и пластинчатого теплообменника в соответствии с настоящим изобретением может иметь очень большое влияние на рентабельность.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение объяснено более подробно ниже посредством описания различных примеров вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает схематически вид сбоку пластинчатого теплообменника.
Фиг.2 изображает схематически вид сверху пластинчатого теплообменника на фиг.1.
Фиг.3 изображает схематически пластину пластинчатого теплообменника на фиг.1.
Фиг.4 изображает схематически вид в разрезе пакета пластин пластинчатого теплообменника в соответствии с настоящим изобретением по линии I-I.
Фиг.5 изображает схематически пластину пластинчатого теплообменника на фиг.1 с используемой уплотнительной прокладкой.
Фиг.6 изображает схематически пластину теплообменника в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7 изображает схематически пластину теплообменника в соответствии с настоящим изобретением с используемой уплотнительной прокладкой.
Подробное описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения
Фиг.1 и 2 изображают пластинчатый теплообменник 1, содержащий пакет 2 пластин 3 теплообменника, расположенных рядом друг с другом. Пакет 2 пластин расположен между двумя концевыми пластинами 4 и 5, которые могут представлять собой рамную пластину и нажимную пластину соответственно. Концевые пластины 4 и 5 прижаты к пакету 2 пластин и друг к другу с помощью стяжных болтов 6, которые проходят через концевые пластины 4 и 5. Стяжные болты 6 имеют винтовые резьбы, и следовательно, пакет 2 пластин может быть сжат с помощью гаек 7, затягиваемых на стяжных болтах 6. Количество стяжных болтов 6 может изменяться и отличаться в соответствии с различными применениями.
Пластинчатый теплообменник 1 содержит в изображенном варианте осуществления первое впускное отверстие 8 и первое выпускное отверстие 9 для первой среды и второе впускное отверстие 10 и второе выпускное отверстие 110 для второй среды. Впускные и выпускные отверстия 8-11 проходят через одну концевую пластину 4 и пакет 2 пластин. Также возможно, чтобы впускные и выпускные отверстия располагались на обеих сторонах пластинчатого теплообменника.
Фиг.3 изображает пластину 3 теплообменника, выполненную из штампованного листового металла, например нержавеющей стали, титана или другого материала, подходящего для данного применения. Пластина 3 теплообменника дополнительно содержит верхнюю и нижнюю распределительные зоны 12 и между ними зону 13 теплопередачи. Первая так называемая адиабатическая зона 14 расположена около отверстий 8 и 9, и вторая адиабатическая зона 15 расположена около отверстий 10 и 11. Краевой участок 16 проходит снаружи и вокруг отверстий 8-11 и зон 12, 13, 14 и 15.
Пластина 3 теплообменника содержит в изображенном варианте осуществления четыре отверстия 8-11, проходящие через пластину 3 теплообменника и расположенные внутри и около краевого участка 16. Обычно каждое из отверстий 8-11 расположено около соответствующей угловой части пластины 3 теплообменника, но другое расположение отверстий 8-11 также возможно в пределах объема настоящего изобретения.
Пластины 3 теплообменника расположены таким образом в пакете 2 пластин, чтобы образовать первые промежуточные зазоры 17 между пластинами, которые соединяются с первым впускным отверстием 8 и первым выпускным отверстием 9, и вторые промежуточные зазоры 18 между пластинами, которые соединяются со вторым впускным отверстием 10 и вторым выпускным отверстием 11, см. фиг.4. Первые и вторые промежуточные зазоры 17 и 18 между пластинами расположены поочередно в пакете 2 пластин. Отделение первых и вторых промежуточных зазоров 17 и 18 между пластинами может быть выполнено при помощи уплотнительных прокладок 19, проходящих в пазах для уплотнительных прокладок, образованных во время штамповки пластин 3 теплообменника.
Паз для уплотнительной прокладки пластины 3 теплообменника изображен на фиг.3 и содержит первый паз 20 для уплотнительной прокладки, проходящий по краевому участку 16 вдоль кромки 21 пластины вокруг зоны 13 теплопередачи, распределительной зоны 12, первой и второй адиабатических зон 14, 15 и вокруг отверстий 8-11. Второй паз 22 для уплотнительной прокладки проходит по диагонали между второй адиабатической зоной 15 и соседней распределительной зоной 12, как можно видеть на фиг.3. Чтобы обеспечить использование максимально возможной площади зоны 13 теплопередачи, желательно расположить паз 20 для уплотнительной прокладки как можно ближе к кромке 21 пластины. Ограничивающим фактором, однако, является то, что краевой участок 16 должен для прочности иметь гофрированную конфигурацию с гребнями и впадинами, которые образуют множество так называемых выступов, которые занимают некоторую минимальную поверхность краевого участка 16. Следовательно, необходимо обеспечить, по меньшей мере, некоторое минимальное расстояние между кромкой 21 пластины и пазом 20 для уплотнительной прокладки.
Все из указанных зон 12-15 имеют гофрированную поверхность, образованную из гребней и впадин. Конфигурация каждой зоны может изменяться в зависимости от ее конкретного назначения, т.е. является ли она распределительной зоной 12, зоной 13 теплопередачи или адиабатической зоной 14, 15.
Назначением распределительных зон 12 является равномерное распределение жидкости по ширине пластины при обеспечении как можно меньшего сопротивления потока. Различные конфигурации могут использоваться для этой зоны, и в изображенном примере распределительные зоны 12 имеют так называемую «шоколадную» конфигурацию, которая описана, в частности, в GB-A 1 357 282.
Зона 13 теплопередачи в изображенном примере имеет обычную так называемую елочную конфигурацию, образованную из гребней и впадин, которые в пакете 2 пластин образуют углы между взаимно пересекающимися гребнями и впадинами пластин, расположенных рядом друг с другом для обеспечения максимально возможной теплопередачи.
Адиабатические зоны 14, 15, расположенные между отверстиями 8-11 и распределительными зонами 12, имеют другие назначения в зависимости от того, расположены ли они на стороне 14, где проходит среда, или на стороне 15, которая изолирована, так называемый зазор утечки. Назначением адиабатической зоны 14 является передача жидкости между отверстиями 8, 9 и распределительной зоной 12 при наименьшем возможном сопротивлении, поскольку в адиабатической зоне не происходит теплообмен. Назначением адиабатической зоны 15 является использование в качестве зазора утечки, что означает, что жидкость, просачивающаяся за уплотнительную прокладку 19, которая ограничивает адиабатическую зону 15, накапливается в зазоре утечки и выходит из пластинчатого теплообменника 1 через углубления 23 утечки в уплотнительной прокладке 19, см. фиг.5. Это облегчает обнаружение любой утечки, которая будет ясно видна с наружной стороны теплообменника.
Гофрированная конфигурация в адиабатической зоне 14 содержит гребни 24 и впадины 25, см. фиг.4, которые проходят почти параллельно наружной кромке 21 пластины. Тот факт, что ширина нижней плоскости впадин 25 больше верхней плоскости гребней 24, когда две пластины 3 расположены при упоре друг в друга, приводит к большему объему в каналах 17A в промежуточных зазорах 17 между пластинами, которые заполнены средой в адиабатической зоне 14. Адиабатическая зона 15, образующая зазор утечки, содержит гребни 26 и впадины 27. Ширина нижней плоскости впадин 27 меньше верхней плоскости гребней 26, когда две пластины 3 расположены при упоре друг в друга, приводя к образованию каналов 18A в промежуточных зазорах 18 с меньшим объемом, чем объем каналов 17A в промежуточных зазорах 17 между пластинами, эти каналы 18A используются для удаления любой просочившейся жидкости, которая проходит за уплотнительную прокладку 19.
Как упоминалось выше, конфигурация, расположенная на кромке 21, будет изменяться вдоль длинных сторон пластины 3, что означает, что втягивание, которое происходит во время штамповки, будет также изменяться вдоль кромок пластины, см. фиг.5, 6 и 7. Величина втягивания может зависеть от ряда факторов, таких как качество материала, толщина пластины, материал инструмента, смазка, глубина штамповки и созданная конфигурация. Наибольшее втягивание происходит в адиабатических зонах 14 и 15, где конфигурация содержит гребни 24, 26 и впадины 25, 27, которые образуют длинные элементы, проходящие параллельно кромке 21 пластины. Конфигурация перевивочного переплетения или елочная конфигурация в зоне 13 теплопередачи, а также шоколадная конфигурация в распределительной зоне 12 не приводят к такому большому втягиванию, поскольку эти конфигурации обладают большей способностью противодействовать втягиванию по сравнению с гофрированной конфигурацией в адиабатических зонах 14, 15, которая проходит почти параллельно кромке 21 пластины теплообменника. Во время штамповки пластины в адиабатических зонах 14, 15 в основном действует сила трения, которая возникает между инструментом и пластиной, которая противодействует втягиванию листового металла.
Для обеспечения того, чтобы учет величины втягивания в адиабатических зонах 14, 15 не являлся важной для расположения паза для уплотнительной прокладки вдоль всей длинной стороны пластины и, следовательно, для расположения паза для уплотнительной прокладки слишком далеко от кромки 21 вдоль зоны 13 теплопередачи, где втягивание не является таким большим, в соответствии с настоящим изобретением паз 20 для уплотнительной прокладки располагают на участке 20A вдоль адиабатической зоны 15 на расстоянии от осевой линии L в продольном направлении пластины 3 теплообменника, которое меньше расстояния от паза 20 для уплотнительной прокладки на участке 20B вдоль зоны 13 теплопередачи до осевой линии L пластины теплообменника, как можно видеть на фиг.6.
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения паз 20 для уплотнительной прокладки в конце 20A' участка 20A, который направлен к зоне 13 теплопередачи, соединяется со вторым пазом 22 для уплотнительной прокладки в точке P1, которая делит паз 22 для уплотнительной прокладки на первый участок 22A, проходящий между осевой линией L и точкой P1, и второй участок 22B, проходящий между точкой P1 и пазом 20 для уплотнительной прокладки в конце 20B' участка 20B.
Расположение паза для уплотнительной прокладки на участке 20A вдоль адиабатической зоны 15 немного дальше внутрь на пластине 3 теплообменника, ближе к осевой линии L, дает возможность учитывать тот факт, что большее втягивание пластины теплообменника будет происходить вдоль этого краевого участка. Преимущество состоит в том, что зона 13 теплопередачи пластины может быть выполнена большей по сравнению с тем, чем она бы была, если бы паз 20 для уплотнительной прокладки на участке 20B был вместо этого расположен относительно втягивания вдоль адиабатической зоны 15 на том же расстоянии от осевой линии L, как паз 20A для уплотнительной прокладки. Теплоемкость пластины 3 и пластинчатого теплообменника 1 таким образом будет выше и потребуется меньше пластин для достижения желаемой эффективности работы. Результатом является большая экономия расходов на материал.
В третьем варианте осуществления настоящего изобретения две пластины 3 теплообменника постоянно соединены вместе в качестве пары для образования кассеты, например, посредством сварки. Уплотнительные прокладки 19, преимущественно, расположены между соседними кассетами.
Как упоминалось выше, уплотнительные прокладки 19 установлены между соседними пластинами 3 теплообменника или между двумя кассетами перед сборкой пластинчатого теплообменника 1, и форма уплотнительной прокладки 19 соответствует в принципе форме и размеру пазов 20, 22 для уплотнительной прокладки, как можно видеть на фиг.5 и 7. Прокладка обычно выполнена из резины или полимерного материала.
В соответствии с первым вариантом осуществления уплотнительной прокладки 19 настоящего изобретения она содержит первую часть 28 прокладки для размещения в пазу 20 для уплотнительной прокладки и вторую часть 29 уплотнительной прокладки для размещения в пазу 22 для уплотнительной прокладки. Часть 28 уплотнительной прокладки проходит на участке 28A вдоль адиабатической зоны 15 на расстоянии от осевой линии L в продольном направлении пластины 3 теплообменника, которое меньше расстояния от первой части 28 уплотнительной прокладки на участке 28B вдоль зоны 13 теплопередачи до осевой линии L пластины теплообменника.
В соответствии с другим вариантом осуществления часть 28 уплотнительной прокладки в конце 28A' участка 28A, который направлен к зоне 13 теплопередачи, соединяется со второй частью 29 уплотнительной прокладки в точке P2, которая делит часть 29 уплотнительной прокладки на первый участок 29A, проходящий между осевой линией L и точкой P2, и второй участок 29B, проходящий между точкой P2 и пазом 28 для уплотнительной прокладки в конце 28B' участка 28B.
Для передачи просачивающейся среды из зоны 13 теплопередачи через адиабатическую зону 15 на наружную сторону теплообменника 1 и, следовательно, обнаружения утечки уплотнительная прокладка в соответствии с другим вариантом осуществления содержит углубления 23 в части 28 уплотнительной прокладки на участке 28A вдоль адиабатической зоны 15.
Пластинчатый теплообменник 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит пакет 2 пластин 3 теплообменника и уплотнительные прокладки 19 в соответствии с настоящим изобретением. Во время сборки пластинчатого теплообменника 1 в изображенном примере каждая вторая пластина 3 теплообменника поворачивается на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости пластины. После этого пластины 3 теплообменника с соединенными уплотнительными прокладками 19 сжимаются для образования необходимых первых и вторых промежуточных зазоров 17, 18 между пластинами. В пакете 2 пластин первая среда может входить через первое впускное отверстие 8, проходить через первые промежуточные зазоры 17 между пластинами и выходить через первое выпускное отверстие 9. Вторая среда может входить через второе впускное отверстие 10, проходить через вторые промежуточные зазоры 18 между пластинами и выходить через второе выпускное отверстие 11. Две среды могут направляться в одном и том же или в противоположных направлениях относительно друг друга.
Так как часть 29 уплотнительной прокладки не содержит ответную часть на соседней пластине в пакете пластин, существует риск того, что эта часть уплотнительной прокладки будет стремиться сместиться. Дополнительная опора, обеспечиваемая частью 28A уплотнительной прокладки там, где она соединяется с частью 29 уплотнительной прокладки в конце 28A' в точке P2, уменьшает риск смещения и последующей утечки около уплотнительной прокладки в соответствии с настоящим изобретением.
Необходимо отметить, что другие варианты осуществления настоящего изобретения, которые не рассмотрены в данном документе, также возможны без отхода от объема настоящего изобретения, указанного в прилагаемой формуле изобретения.