ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику в соответствии с вводной частью п.1 формулы изобретения.
JP-3527704 раскрывает такой пластинчатый теплообменник, содержащий множество теплообменных пластин, которые расположены рядом друг с другом. Первая защитная пластина расположена рядом с первой крайней из теплообменных пластин, а первая корпусная пластина расположена снаружи первой защитной пластины. Вторая защитная пластина расположена рядом с другой второй крайней теплообменной пластиной, а вторая корпусная пластина расположена снаружи второй защитной пластины. Пластины припаяны друг к другу, образуя пакет пластин, содержащий первые промежутки между пластинами и вторые промежутки между пластинами. Каждая теплообменная пластина содержит участок теплообмена, первая область с отверстием, вторая область с отверстием, третья область с отверстием и четвертая область с отверстием, причем каждая из областей с отверстием окружает соответствующее отверстие, образуемое краем отверстия. Пластинчатый теплообменник содержит четыре соединительные трубы, присоединенные к соответствующей одной из областей с отверстием, и каждый содержит неразъемный крепежный фланец. Крепежные фланцы предусмотрены между первой корпусной пластиной и первой защитной пластиной, между первой защитной пластиной и первой крайней теплообменной пластиной или между корпусной пластиной и первой крайней теплообменной пластиной.
Во многих применениях теплообменников желательно достигать высокого, или очень высокого, расчетного давления, т.е. быть способным обеспечить высокое, т.е. очень высокое, давление одной или обеих сред, перемещающихся через промежутки между пластинами. Желательно также быть способным обеспечить такие высокие давления в пластинчатых теплообменниках вышеописанного типа, содержащих неразъемно соединенные теплообменные пластины, например, посредством пайки. Такие высокие расчетные давления трудно достижимы без наличия внешних упрочняющих элементов.
Слабой областью в таких пластинчатых теплообменниках является область с отверстием, т.е. область непосредственно вокруг отверстий. Данные области определяют расчетное давление в используемых в настоящее время пластинчатых теплообменниках. Однако, хотя определенное исполнение области с отверстием повышает расчетное давление, данное исполнение не повышает прочность в другом участке пластинчатого теплообменника, т.е. в этом случае проблема только смещается.
Одним примером применения, который требует очень высоких расчетных давлений, являются пластинчатые теплообменники для испарителей и конденсаторов в контурах охлаждения, содержащих углекислый газ в качестве хладагента. В данном случае углекислый газ является очень предпочтительным с экологической точки зрения по сравнению с обычными хладагентами, такими как фреоны.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание пластинчатого теплообменника с высоким расчетным давлением и более конкретно пластинчатого теплообменника, допускающего очень высокое давление, по меньшей мере, одной из сред, перемещающихся через него.
Данная задача достигается посредством пластинчатого теплообменника, описанного вначале, который отличается тем, что, по меньшей мере, один из плоских элементов содержит кольцевой выступ, проходящий из нижней поверхности и плотно прилегающий к одной из областей с отверстием, по меньшей мере, одной из крайних теплообменных пластин. Такой плоский элемент обеспечивает упрочнение области с отверстием. Благодаря кольцевому выступу плоский элемент будет плотно и прочно соединен с теплообменной пластиной в данной области.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения каждая теплообменная пластина проходит вдоль главной плоскости прохождения, причем упомянутые участки проходят между первичным уровнем на расстоянии от главной плоскости прохождения и вторичным уровнем на расстоянии от и на противоположной стороне главной плоскости прохождения, причем каждая из областей с отверстием содержит кольцевую плоскую область, расположенную на одном из первичного и вторичного уровней. Предпочтительно, в этом случае кольцевой выступ может плотно прилегать к кольцевой плоской области на вторичном уровне.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения каждая из областей с отверстием содержит множество внутренних участков, расположенных на кольцевой плоской области и распределенных вдоль края отверстия, причем внутренние участки смещены от кольцевой плоской области и продолжаются к другому из первичного и вторичного уровней. Предпочтительно, в этом случае кольцевой выступ может быть расположен снаружи внутренних участков, если смотреть из соответствующего отверстия.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения каждая область с отверстием содержит множество внешних участков, распределенных вдоль кольцевой плоской области на расстоянии от внутренних участков и смещенных от кольцевой плоской области и продолжающихся к другому из первичного и вторичного уровней. Предпочтительно, в этом случае кольцевой выступ может быть расположен внутри внешних участков, если смотреть из соответствующего отверстия.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения пластинчатый теплообменник содержит множество соединительных труб, присоединенных к соответствующему отверстию, причем плоский участок образует кольцевой крепежный фланец соответствующей соединительной трубы. Такой плоский участок может быть выполнен как одно целое с соединительной трубой. Плоский элемент, в виде кольцевого крепежного фланца соединительной трубы, обеспечивает плотное и прочное соединение соединительной трубы с соответствующим отверстием пакета пластин.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, один из плоских элементов является отдельной деталью, присоединенной к соответствующей соединительной трубе. Такое решение является предпочтительным в том случае, если соединительная труба содержит любые выступающие части, такие как наружная резьба. В этом случае плоский элемент может быть расположен между концевой пластиной и крайней теплообменной пластиной, после чего соединительную трубу вводят в отверстие и соединяют с плоским элементом. Предпочтительно, по меньшей мере, один из плоских элементов может быть соединен с соответствующей соединительной трубой посредством пайки.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения плоский элемент закрывает соответствующее отверстие. В этом случае плоский элемент может быть соединен с отверстием, расположенным напротив одной из соединительных труб. В этом случае плоский элемент функционирует как элемент, упрочняющий область с отверстием, когда соединительная труба соединена с ним. Кроме того, плоский элемент обеспечивает надежное уплотнение области с отверстием.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения плоский элемент припаян к, по меньшей мере, одной из концевых пластин и к, по меньшей мере, одной из крайних теплообменных пластин.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, одна из концевых пластин содержит приподнятый участок вокруг каждого отверстия, чтобы обеспечить пространство для соответствующего плоского элемента.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения области с отверстием включают в себя первую область с отверстием, вторую область с отверстием, третью область с отверстием и четвертую область с отверстием.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно посредством описания различных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые к нему чертежи.
Фиг.1 изображает вид сбоку пластинчатого теплообменника в соответствии с изобретением.
Фиг.2 изображает вид сверху пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.3 изображает вид сверху теплообменной пластины пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.4 изображает другой вид сверху теплообменной пластины пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.5 изображает вид сверху части области с отверстием теплообменной пластины в соответствии с фиг.4.
Фиг.6 изображает вид в разрезе некоторых из теплообменных пластин на теплопередающей области пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.7 изображает вид сверху части теплопередающей области пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.8 изображает вид в разрезе части отверстия S1 пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.9 изображает вид в разрезе части отверстия S3 пластинчатого теплообменника в соответствии с фиг.1.
Фиг.10 изображает вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.8, в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг.11 изображает вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.9, в соответствии с другим вариантом осуществления.
Подробное описание различных вариантов
осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 показан пластинчатый теплообменник, содержащий множество теплообменных пластин 1, первую концевую пластину 2, которая расположена рядом с крайней пластиной из теплообменных пластин 1, и вторую концевую пластину 3, которая расположена рядом с другой, противоположной крайней теплообменной пластиной 1.
Теплообменные пластины 1 изготовлены посредством формования металлического листа и расположены рядом друг с другом. Первая концевая пластина 2, вторая концевая пластина и теплообменные пластины 1 неразъемно соединены друг с другом посредством пайки твердым припоем, чтобы образовать пакет пластин. Пакет пластин образует или содержит первые промежутки 4 между пластинами для первой среды и вторые промежутки 5 между пластинами для второй среды, см. фиг.6. Первой и второй средами может быть любая пригодная теплопередающая среда. Например, первой и/или второй средой может быть углекислый газ.
Пластинчатый теплообменник в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления содержит четыре отверстия S1, S2, S3 и S4, причем отверстие S1 соединено с соединительной трубой 11 и сообщается с первыми промежутками 4 между пластинами, отверстие S2 соединено с соединительной трубой 12 и сообщается с первыми промежутками 4 между пластинами, отверстие S3 соединено с соединительной трубой 13 и сообщается с вторыми промежутками 5 между пластинами, и отверстие S4 соединено с соединительной трубой 14 и сообщается со вторыми пространствами 5 между пластинами. Необходимо понимать, что пластинчатый теплообменник может содержать другое количество отверстий, отличающееся от раскрытого, например, 2, 3, 5, 6, 7 или 8 отверстий. Соединительные трубы могут быть выполнены проходящими из первой концевой пластины 2, как описано, и/или из второй концевой пластины 3.
Каждая теплообменная пластина 1 имеет, в раскрытых вариантах осуществления, прямоугольную форму с двумя длинными боковыми краями 15 и двумя короткими боковыми краями 16, см. фиг.3. Продольная центральная ось х проходит между и параллельно двум длинным боковым краям 15 и поперечно коротким боковым краям 16. Каждая теплообменная пластина 1 также проходит вдоль главной плоскости p прохождения, см. фиг.6.
Как можно видеть из фиг.3 и 4, каждая теплообменная пластина 1 содержит теплопередающую область 20, в которой происходит главная часть теплопередачи между первой и второй средами, и множество областей 21-24 с отверстием. В раскрытых вариантах осуществления области 21-24 с отверстием включают в себя первую область 21 с отверстием, вторую область 22 с отверстием, третью область 23 с отверстием и четвертую область 24 с отверстием. Каждая область 21-24 с отверстием окружает соответствующее отверстие через теплообменную пластину 1. Каждое отверстие образовано краем 25 отверстия.
Все из областей 20-24 проходят, на одной стороне теплообменной пластины 1, между первичным уровнем p′ на расстоянии от главной плоскости p прохождения, и вторичным уровнем p″ на расстоянии от и на противоположной стороне главной плоскости p прохождения, см. фиг.6. Со ссылкой на упомянутую одну сторону теплообменной пластины 1, первичный уровень p′ образует верхний уровень теплообменной пластины 1, а вторичный уровень p″ образует нижний уровень теплообменной пластины 1, как видно на фиг.6. Таким образом, первичный уровень p′ расположен ближе к первой концевой пластине 2, чем вторичный уровень p″. Каждая теплообменная пластина 1 также содержит фланец (отогнутый краевой участок) 26, проходящий вокруг теплообменной пластины 1 вдоль длинных боковых краев 15 и коротких боковых краев 16. Как можно видеть на фиг.6, фланец 26 проходит дальше от главной плоскости p прохождения, чем вторичный уровень p″.
Каждая теплообменная пластина 1 изготовлена посредством формования металлического листа, имеющего толщину t металлического листа. Необходимо отметить, что толщина t металлического листа может варьироваться и немного изменяться после формования теплообменной пластины 1. Толщина t металлического листа, перед формованием, может находиться в диапазоне 0,2≤t≤0,4 мм. Предпочтительно, толщина t металлического листа, перед формованием, может быть равна 0,3 мм или приблизительно 0,3 мм.
Каждая теплообменная пластина 1 также имеет глубину d, см. фиг.6. Глубина d определяется расстоянием между первичным уровнем p′ и вторичным уровнем p″. Глубина d может быть равна или меньше чем 1,0 мм, предпочтительно, равна или меньше чем 0,90 мм, более предпочтительно, равна или меньше чем 0,85 мм или, наиболее предпочтительно, равна или меньше чем 0,80 мм.
Как можно видеть на фиг.3, 6 и 7, теплопередающая область 20 содержит гофрировку из выступов 27 и впадин 27′, расположенных таким образом, что выступы 27 одной из теплообменных пластин 1 примыкают к впадинам 27′ смежной одной из теплообменных пластин 1, образуя множество соединительных участков 28 между теплообменной пластиной 1, показанной сплошными линиями на фиг.7, и смежной теплообменной пластиной 1, показанной пунктирными линиями на фиг.7. Выступы 27 расположены на расстоянии r друг от друга и проходят параллельно друг другу и впадинам 27′.
Выступы 27 и впадины 27′ проходят вдоль линии е прохождения, образующей угол α наклона с центральной линией х, см. фиг.7. Угол α наклона может находиться в диапазоне 20°≤α≤70°. Предпочтительно, угол α наклона может быть равен 45° или приблизительно 45°. В раскрытых вариантах осуществления линия е прохождения каждого выступа 27 и впадины 27′ образует положительный угол α наклона на одной стороне от центральной линии х и соответствующий отрицательный угол α наклона на другой стороне от центральной линии х. Как можно видеть на фиг.7, выступы 27 и впадины 27′ также образуют соединительные участки 29 на центральной линии х. Кроме того, соединительные участки 30 образованы между фланцами 26 смежных теплообменных пластин 1. Расстояние r между смежными выступами 27 или между соответствующей центральной линией е прохождения смежных выступов 27, может быть меньше чем 4 мм или может быть равно приблизительно 3 мм или 3 мм, см. фиг.7.
Как указано выше, пластинчатый теплообменник припаивается твердым припоем, введенным между теплообменными пластинами 1 перед операцией пайки. Твердый припой имеет объем твердого припоя относительно теплопередающей области 20 пластинчатого теплообменника. Первые промежутки 4 и вторые промежутки 5 пластинчатого теплообменника имеют объем промежутка относительно теплопередающей области 20 пластинчатого теплообменника. Для того чтобы получить высокую прочность пластинчатого теплообменника, предпочтительно, обеспечить достаточно большое количество твердого припоя, образующего вышеупомянутые соединительные участки 28, 29 между смежными теплообменными пластинами 1. Следовательно, отношение объема твердого припоя к объему промежутка может быть равно, по меньшей мере, 0,05, по меньшей мере, 0,06, по меньшей мере, 0,08 или, по меньшей мере, 0,1.
Каждая область 21-24 с отверстием содержит кольцевую плоскую область 31, множество внутренних участков 32, расположенных на кольцевой плоской области 31 и распределенных вдоль края отверстия 25. Внутренние участки 32 смещены от кольцевой плоской области 31 в нормальном направлении относительно главной плоскости p прохождения. Каждая область 21-24 с отверстием также содержит множество внешних участков 33, расположенных на и распределенных вдоль кольцевой плоской области 31 на расстоянии от внутренних участков 32. Внутренние участки 32, которые примыкают к краю 25 отверстия, проходят к или расположены на том же уровне, что и внешние участки 33, а кольцевая плоская область 31 расположена на другом уровне, отличающемся от внутренних участков 32 и внешних участков 33. Более конкретно, внутренние участки 32 и внешние участки 33 первой области 21 с отверстием и второй область 22 с отверстием проходят к или расположены на вторичном уровне p″, а кольцевая плоская область 31 первой области 21 с отверстием и второй области 22 с отверстием расположен на первичном уровне p′. Кроме того, внутренние участки 32 и внешние участки 33 третьей области 23 с отверстием и четвертой области 24 с отверстием проходят к или расположены на первичном уровне p′, а кольцевая плоская область 31 третьей области 23 с отверстием и четвертой области 24 с отверстием расположен на вторичном уровне p″. Каждый внутренний участок 32 содержит плоское прохождение на соответствующем уровне p′ и p″, и каждый внешний участок 33 содержит плоское прохождение на соответствующем уровне p′ и p″. Это означает, что плоское прохождение внутренних участков 32 и внешних участков 33 первой и второй области 21, 22 с отверстием расположено на вторичном уровне p″, а плоское прохождение внутренних участков 32 и внешних участков 33 третьей области 23 с отверстием и четвертой области 24 с отверстием расположено на первичном уровне p′.
В пакете пластин каждая вторая теплообменная пластина 1 повернута на 180° в главной плоскости p прохождения. Это означает, что внутренние участки 32 одной теплообменной пластины 1 будут примыкать и соединяться с соответствующим одним из внутренних участков 32 смежной теплообменной пластины 1. Таким же образом, внешние участки 33 одной теплообменной пластины 1 будут примыкать и соединяться с соответствующим одним из внешних участков 33 смежной теплообменной пластины 1. Более конкретно, внутренние участки 32 и внешние участки 33 первой области 21 с отверстием одной теплообменной пластины 1 будут соединяться с соответствующим одним из внутренних участков 32 и внешних участков 33 третьей области 23 с отверстием смежной теплообменной пластины 1 в пакете пластин. Таким же образом внутренние участки 32 и внешние участки 33 второй области 22 с отверстием одной теплообменной пластины 1 будут соединяться с соответствующим одним из внутренних участков 32 и внешних участков 33 четвертой области 24 с отверстием смежной теплообменной пластины 1 в пакете пластин в соответствии с раскрытым вариантом осуществления.
Как можно видеть на фиг.5, каждый внутренний участок 32 содержит внутреннюю часть 41, проходящую к и соединяющуюся с краем 25 отверстия. Кроме того, каждый внутренний участок 32 содержит внешний сегмент 42, примыкающий к внутренней части 41 и имеющий угловую протяженность, равную, по меньшей мере, 180°. Внешний сегмент 42 примыкает к кольцевой плоской области 31. Внешний сегмент 42 имеет непрерывный контур и радиус R. Радиус R является по существу постоянным и может изменяться в диапазоне 0,8R≤R≤1,2R, более конкретно в диапазоне 0,9R≤R≤1,1R и наиболее конкретно в диапазоне 0,95R≤R≤1,05R.
Кроме того, каждый из внешних участков 33 может содержать внутренний сегмент 45, примыкающий к кольцевой плоской области 31 и имеющий угловую протяженность, равную, по меньшей мере, 90°, по меньшей мере, 120° или, по меньшей мере, 150°. Внутренний сегмент, предпочтительно, также имеет непрерывный контур и может иметь радиус R′, который является постоянным или по существу постоянным, и может изменяться в диапазоне 0,8R′≤R′≤1,2R′, более конкретно в диапазоне 0,9R′≤R′≤1,1R′ и наиболее конкретно в диапазоне 0,95R′≤R′≤1,05R′.
Как можно видеть на фиг.4, как внутренние участки 32 и внешние участки 33 каждой области 21-24 с отверстием равномерно распределены вокруг соответствующего отверстия. Более конкретно, внутренние участки 32 имеют одинаковое внутреннее угловое расстояние между смежными внутренними участками 32. Внешние участки 33 имеют одинаковое внешнее угловое расстояние между смежными внешними участками 33. Кроме того, внешние участки 33 первой области 21 с отверстием и третьей области 23 с отверстием имеют первое относительное периферийное положение относительно внутренних участков 32 данных двух областей 21 и 23 с отверстиями. Внешние участки 33 второй области 22 с отверстием и четвертой области 24 с отверстием имеют второе относительное периферийное положение относительно внутренних участков 32 данных двух областей 22 и 24 с отверстием. Из фиг.4 можно видеть, что первое относительное периферийное положение смещено в периферийном направлении или включает в себя периферийное смещение относительно второго относительного периферийного положения. В раскрытых вариантах осуществления данное периферийное смещение равно половине или приблизительно половине одинакового внешнего углового расстояния между смежными внешними участками 33.
В раскрытом варианте осуществления каждая область 21-24 с отверстием содержит 9 внутренних участков 32 и 18 внешних участков 33. Это пригодное количество внутренних участков 32 и внешних участков 33. В раскрытых вариантах осуществления внутреннее угловое расстояние примерно вдвое больше внешнего углового расстояния. Однако необходимо отметить, что количество внутренних участков 32 и количество внешних участков 33 может изменяться и отличаться от раскрытых количеств.
Каждая из четырех соединительных труб 11-14 соединена с соответствующей одной из областей 21-24 с отверстием и содержит плоский элемент 50. Каждый плоский элемент 50 образует крепежный фланец, прикрепленный к или выполненный как одно целое с соответствующей соединительной трубой 11-14 и соединенный с пакетом пластин, см. фиг.8 и 9. Все из плоских элементов 50 расположены между одной из концевых пластин 2, 3 и одной из крайних теплообменных пластин 1. Более конкретно, в раскрытых вариантах осуществления, каждый плоский элемент 50 расположен между одной из крайних теплообменных пластин 1 и первой концевой пластиной 2. Плоские элементы 50 припаяны к крайней теплообменной пластине 1 и первой концевой пластине 2. Участок вокруг каждого отверстия первой концевой пластины 2 приподнят на выступающем участке 2а, чтобы обеспечить пространство для соответствующего плоского элемента 50, как можно видеть на фиг.1, 8 и 9. Относительно первого и второго отверстий S1 и S2 плоский элемент 50 содержит плоскую или по существу плоскую нижнюю поверхность 51, примыкающую к и соединенную с кольцевой плоской областью 31 крайней теплообменной пластины 1 на первой области 21 с отверстием и второй области 22 с отверстием соответственно. Таким образом, кольцевая плоская область 31 расположена на первичном уровне p′, см. фиг.8.
Относительно третьего и четвертого отверстий S3, S4 каждый плоский элемент 50 содержит кольцевой выступ 52, выступающий из плоской нижней поверхности 51 и направленный к пакету пластин. Кольцевой выступ 52 плотно прилегает к кольцевой плоской области 31 крайней теплообменной пластины 1 в третьей области 23 с отверстием и четвертой области 24 с отверстием соответственно. Таким образом, кольцевая плоская область 31 расположена на вторичном уровне p″, см. фиг.9. Следовательно, обеспечивается надежное и плотное прилегание плоских элементов 50 для всех отверстий S1-S4.
Между второй концевой пластиной 3 и другой крайней теплообменной пластиной 1 предусмотрен плоский элемент 53, образующий упрочняющую прокладку 53. Плоские элементы 53 не образуют часть соединительной трубы 11-14 и закрывают соответствующее отверстие. Плоский элемент 53 для отверстий S1 и S2 содержит плоскую, или по существу плоскую, нижнюю поверхность 51, плотно прилегающую и соединенную с кольцевой плоской областью 31 другой крайней теплообменной пластины 1 так же, как и плоский элемент 50. Плоский элемент 53 для отверстий S3 и S4 содержит плоскую нижнюю поверхность 51 с кольцевым выступом 52, плотно прилегающим и соединенным с кольцевой плоской областью другой крайней теплообменной пластины 1. Кроме того, вторая концевая пластина 3 содержит выступающий участок 3а вокруг каждого отверстия.
Необходимо отметить, что один или более плоских элементов 53 могут быть заменены соответствующей соединительной трубой, содержащей плоский элемент 50, в случае если впускное отверстие и/или выпускное отверстие должно быть выполнено в качестве альтернативы или дополнения во второй концевой пластине 3.
Фиг.10 и 11 раскрывают другой вариант осуществления, который отличается от варианта осуществления, раскрытого на фиг.8 и 9, только тем, что соединительная труба 11-15 содержит наружную резьбу 55 и что к соединительной трубе 11-15 припаян плоский элемент 50. Таким образом, между крайней теплообменной пластиной 1 и первой концевой пластиной 2 может быть расположен плоский элемент 50. Затем соединительная труба 11-15 может быть введена в соответствующее отверстие с возможностью припаивания к плоскому элементу 50 в связи с припаиванием пластинчатого теплообменника.
Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления и может быть изменено и модифицировано в пределах объема приведенной ниже формулы изобретения.