ТЕПЛООБМЕННАЯ ПЛАСТИНА И ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGE PLATE AND PLATE-TYPE HEAT EXCHANGER

Настоящее изобретение относится к теплообменной пластине согласно ограничительной части по п.1. Изобретение также относится к пластинчатому теплообменнику согласно ограничительной части по п.6. Такой пластинчатый теплообменник раскрыт в US-A-4423772.
Это изобретение относится в особенности, но не исключительно, к так называемым асимметричным пластинчатым теплообменникам. В асимметричном пластинчатом теплообменнике область потока или объем потока для первой среды в первых межпластинчатых промежутках отличаются от области потока или объема потока для второй среды во вторых межпластинчатых промежутках, см. также SE-B-458718 и вышеуказанный US-A-4423772.
Такие асимметричные пластинчатые теплообменники вызывают интерес в различных областях применения, где среда имеет различные свойства. Одним примером такого применения являются контуры охлаждения, например тепловые насосы, где охлаждающая среда имеет другие свойства, чем нагреваемая среда, например вода. Охлаждающая среда работает в пределах некоторых диапазонов специальных температуры и давления.
Многие теплообменные пластины, в особенности в асимметричных пластинчатых теплообменниках, имеют гофр с выступами и/или впадинами с широкими опорными поверхностями. Одной проблемой таких опорных поверхностей является то, что точки контакта между теплообменными пластинами образуют относительно большие области контакта. В паяных пластинчатых теплообменниках материал припоя будет затекать на всю область контакта. В этих областях контакта нет прямой теплопередачи, так как среда на одной стороне области контакта находится в теплообменном контакте с той же средой на другой стороне области контакта. Таким образом, области контакта создают вид короткого замыкания. Это становится проблемой, если области контакта слишком большие.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении теплообменной пластины и пластинчатого теплообменника, которые способствуют уменьшению размера точек контакта или областей контакта. В особенности оно предназначено для уменьшения размера областей контакта в асимметричных пластинчатых теплообменниках.
Эта задача решается изначально определенной теплообменной пластиной, которая отличается тем, что опорная поверхность впадин наклоняется относительно плоскости протяженности. Так как опорная поверхность впадин наклоняется, точка контакта, образованная соответствующей теплообменной пластиной, будет образовывать небольшую область контакта относительно того, когда опорная поверхность параллельна плоскости протяженности.
Согласно варианту выполнения изобретения вторая ширина больше первой ширины, т.е. опорная поверхность впадин шире опорной поверхности выступов, что обеспечивает достижение асимметричных пластинчатых теплообменников. Размер области контакта при относительно широких опорных поверхностях впадин посредством определенного наклона может быть уменьшен простым образом.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения первая ширина стремится к нулю, т.е. опорная поверхность выступов стремится к нулю и может быть образована путем закругления. Такое закругление может иметь радиус кривизны, который далее становится относительно малым.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения опорная поверхность впадин является по существу плоской. Однако следует отметить, что опорная поверхность может иметь некоторую кривизну, вогнутость или выпуклость, но все же наклон от одной из крайних поверхностей до другой из крайних поверхностей.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения опорная поверхность впадин наклоняется относительно плоскости протяженности под углом, который составляет 3-15°, предпочтительно 3-7°.
Эта задача также решается изначально определенным пластинчатым теплообменником, который отличается тем, что опорная поверхность впадин первичных пластин наклоняется относительно плоскости протяженности и тем, что опорная поверхность выступов вторичных пластин наклоняется относительно плоскости протяженности.
Так как опорная поверхность впадин первичных пластин и опорная поверхность выступов вторичных пластин имеют наклон, точка контакта, которая образуется между этими опорными поверхностями первичных пластин и вторичных пластин, будет образовывать небольшую область контакта по сравнению с тем, когда эти опорные поверхности параллельны плоскости протяженности.
Согласно варианту выполнения изобретения вторая ширина первичных пластин больше первой ширины первичных пластин, причем первая ширина вторичных пластин больше второй ширины вторичных пластин. С такой конфигурацией выступов и впадин первичных пластин и вторичных пластин достигается пластинчатый теплообменник.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения первая ширина первичных пластин и вторая ширина вторичных пластин стремятся к нулю. Это значит, что опорная поверхность выступов первичных пластин и опорная поверхность впадин вторичных пластин стремятся к нулю и могут быть образованы закруглением. Такое закругление может иметь радиус кривизны, который затем становится относительно малым.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения опорная поверхность впадин первичных пластин и опорная поверхность выступов вторичных пластин являются по существу плоскими. Следует отметить, что эти опорные поверхности могут иметь некоторую кривизну, вогнутость или выпуклость, но все же наклон от одной из крайних поверхностей до другой из крайних поверхностей.
Согласно дополнительному варианту выполнения опорная поверхность впадин первичных пластин и опорная поверхность выступов вторичных пластин имеют наклон относительно плоскости протяженности с углом наклона, который составляет 3-15°, предпочтительно 3-7°. Такой угол является предпочтительным для эффективного уменьшения размера областей контакта, и в то же время обеспечивается достаточная асимметрия пластинчатого теплообменника.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения опорная поверхность впадин одной из первичных пластин и опорная поверхность выступов одной из вторичных пластин прилегают друг к другу, причем эта первичная пластина и эта вторичная пластина заключают один из первых межпластинчатых промежутков с первым объемом потока, и в то же время опорная поверхность выступов одной из первичных пластин и опорная поверхность впадин одной из вторичных пластин прилегают друг к другу, причем эта первичная пластина и эта вторичная пластина заключают один из вторых межпластинчатых промежутков со вторым объемом потока, причем соотношение между первым объемом потока и вторым объемом потока такое же, как между 1,2 и 3, предпочтительно как между 1,5 и 2,5 и более предпочтительно как между 1,8 и 2,1.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения первичные пластины и вторичные пластины образованы теплообменными пластинами различной формы. Такая конструкция является особенно предпочтительной в особенности для паяных или каким-либо другим путем неразъемно соединенных теплообменных пластин, которые, возможно, могут иметь внешний фланец, продолжающийся вокруг всей или части теплообменной пластины от плоскости протяженности. Здесь первичные пластины и вторичные пластины изготавливаются отдельно, причем опорные поверхности выступов первичных пластин имеют меньшую ширину, чем опорные поверхности выступов вторичных пластин.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения первичные пластины и вторичные пластины являются идентичными, причем каждая вторая теплообменная пластина в пакете пластин повернута на 180° таким образом, что опорная поверхность выступов каждой второй теплообменной пластины прилегает и перекрещивается с опорной поверхностью выступов промежуточных теплообменных пластин и причем теплообменные пластины прижимаются друг к другу посредством стяжных элементов. Изобретение является предпочтительным также для этого типа пластинчатых теплообменников, в котором прижатие теплообменных пластин друг к другу приводит к некоторой деформации точек контакта так, что они образуют область контакта. С применением оригинальной конструкции и наклона опорных поверхностей впадин первичных пластин и выступов вторичных пластин размер областей контакта будет уменьшаться относительно того, имеют ли опорные поверхности продолжение параллельно с плоскостью протяженности.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения каждая теплообменная пластина имеет первый конец и второй противоположный конец в отношении центральной оси, причем первые крайние поверхности первичных пластин и вторичных пластин повернуты по направлению к первому концу, тогда как вторые крайние поверхности первичных пластин и вторичных пластин повернуты по направлению ко второму концу.
Согласно предпочтительному варианту этого варианта выполнения опорная поверхность впадин первичных пластин наклоняется от первых крайних поверхностей в направлении плоскости протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям, в то же время опорная поверхность выступов вторичных пластин наклоняется от первых крайних поверхностей в направлении к плоскости протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям. Если теплообменные пластины размещены таким образом, сопротивление потока в первых межпластинчатых промежутках будет относительно небольшим в одном направлении потока, но относительно большим во втором противоположном направлении потока.
Согласно второму варианту этого варианта выполнения опорная поверхность впадин первичных пластин наклоняется от первых крайних поверхностей в направлении к плоскости протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям, в то же время опорная поверхность выступов вторичных пластин наклоняется от вторых крайних поверхностей в направлении к плоскости протяженности и по направлению к первым крайним поверхностям. В этом варианте сопротивление потока в первых межпластинчатых промежутках является по существу равным в обоих направлениях потока.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее объясняется более подробно посредством описания различных вариантов выполнения со ссылкой на чертежи, приложенные к документу.
Фиг.1 схематически раскрывает вид спереди пластинчатого теплообменника согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг.2 схематически раскрывает вид сбоку пластинчатого теплообменника на Фиг.1.
Фиг.3 схематически раскрывает вид спереди пластинчатого теплообменника согласно второму варианту выполнения изобретения.
Фиг.4 схематически раскрывает вид сбоку пластинчатого теплообменника на Фиг.3.
Фиг.5 схематически раскрывает вид сверху теплообменной пластины в форме первичной пластины пластинчатого теплообменника на Фиг.1.
Фиг.6 схематически раскрывает вид сверху теплообменной пластины в форме вторичной пластины пластинчатого теплообменника на Фиг.1.
Фиг.7 схематически раскрывает вид первичной пластины на Фиг.5 и вторичной пластины на Фиг.6, обеспеченных друг на друге.
Фиг.8 схематически раскрывает поперечное сечение через четыре теплообменные пластины в пластинчатом теплообменнике на Фиг.1-4.
Фиг.9 схематически раскрывает вид рисунка первичной пластины и вторичной пластины согласно первому варианту.
Фиг.10 схематически раскрывает вид рисунка первичной пластины и вторичной пластины согласно второму варианту.
Подробное описание различных вариантов выполнения изобретения
Пластинчатый теплообменник раскрывается со ссылкой на приложенные фигуры, см. фиг.1, и 2, и 3, и 4 соответственно. Пластинчатый теплообменник содержит множество теплообменных пластин 1, которые обеспечены рядом друг с другом для образования пакета 2 пластин с первыми межпластинчатыми промежутками 3 для первой среды и вторыми межпластинчатыми промежутками 4 для второй среды. Первые межпластинчатые промежутки 3 и вторые межпластинчатые промежутки 4 обеспечены в порядке чередования в пакете 2 пластин, т.е. каждый второй межпластинчатый промежуток является первым межпластинчатым промежутком 3 и каждый первый межпластинчатый промежуток является вторым межпластинчатым промежутком 4, см. фиг.8.
Пластинчатый теплообменник, раскрытый на фиг.1 и 2, имеет теплообменные пластины 1, которые неразъемно соединены друг с другом предпочтительно посредством пайки. Теплообменные пластины 1 могут также быть неразъемно соединенными друг с другом посредством склеивания или сварки. Две наиболее удаленные теплообменные пластины могут образовывать или быть заменены концевыми пластинами 5 и 6.
В пластинчатом теплообменнике, раскрытом на фиг.3 и 4, теплообменные пластины прижимаются друг к другу для образования пакета пластин посредством стяжных элементов 5, которые выполнены как стяжные болты, продолжающиеся через две концевые пластины 6 и 7, между которыми обеспечены теплообменные пластины 1.
Пластинчатый теплообменник также содержит впускной и выпускной каналы 11-14, которые выполнены с возможностью перемещения первой среды в первые межпластинчатые промежутки 3 и из них же и с возможностью перемещения второй среды во вторые межпластинчатые промежутки 4 и из них же.
Теплообменные пластины 1, которые далее описываются более подробно, относятся к теплообменным пластинам 1 для пластинчатых теплообменников согласно первому варианту выполнения, раскрытому на фиг.1 и 2. Каждая теплообменная пластина 1 продолжается в плоскости протяженности, или главной плоскости p протяженности, см. фиг.8, и содержит область 15 теплопередачи и крайнюю область 16, продолжающуюся вокруг области 15 теплопередачи. Плоскость p протяженности также образует срединную плоскость для каждой теплообменной пластины, по меньшей мере в отношении области 15 теплопередачи. Каждая теплообменная пластина 1 также содержит две области 17 и 18 отверстий, которые обеспечены на первом конце 1A теплообменной пластины 1 и на втором конце 1B теплообменной пластины 1 соответственно. Области 17 и 18 отверстий расположены внутри крайней области 16, конкретнее между крайней областью 16 и областью 15 теплопередачи. Каждая область 17, 18 отверстий содержит два отверстия 19, которые выровнены с соответственными впускными и выпускными каналами 11-14. Каждая теплообменная пластина 1 также содержит окружающий внешний фланец 20, продолжающийся от плоскости p протяженности, см. фиг.1. Фланец 20 обеспечен снаружи или образует внешнюю часть крайней области 16. Следует отметить, что теплообменные пластины 1 согласно первому варианту выполнения также могут лишаться такого внешнего фланца 20 или иметь внешний фланец, который продолжается вдоль части периферии теплообменной пластины 1.
В раскрытом варианте выполнения каждая теплообменная пластина 1 имеет вытянутую форму от первого конца 1A до второго конца 1B. Таким образом, каждая теплообменная пластина 1 определяет продольную центральную ось x, лежащую в плоскости p протяженности и продолжающуюся через первый конец 1A и второй конец 1B. Более точно, центральная ось x лежит между двумя отверстиями 19 первой области 17 отверстия и между отверстиями 19 второй области 18 отверстия.
Область 15 теплопередачи содержит гофр из выступов 30 и впадин 40, каждый из которых продолжается в продольном направлении r, которое в раскрытом варианте выполнения образует угол α, см. фиг.5. Угол α может иметь значение между 25° и 70°, предпочтительно между 45° и 65°, в особенности приблизительно 60°. В раскрытом варианте выполнения гофр выполнен с рисунком в виде стрелки. Однако следует отметить, что возможны другие рисунки в пределах объема охраны изобретения, например гофр с выступами 30 и впадинами 40, продолжающимися по диагонали поперечно всей области 15 теплопередачи.
Как может быть видно на фиг.8, выступы 30 имеют первую крайнюю поверхность 31, вторую крайнюю поверхность 32 и опорную поверхность 33, которая продолжается между первой крайней поверхностью 31 и второй крайней поверхностью 32. Выступы 30 имеют первую ширину 34 поперечно продольному направлению r. Также впадины имеют первую крайнюю поверхность 41, вторую крайнюю поверхность 42 и опорную поверхность 43, которая продолжается между первой крайней поверхностью и второй крайней поверхностью 42. Опорная поверхность 43 впадин имеет вторую ширину 44 поперечно продольному направлению r. Как может быть видно на фиг.8, первая крайняя поверхность 31 выступов 30 продолжается до первой крайней поверхности 41 впадин 40. Эти первые крайние поверхности 31 и 41 отделены плоскостью p протяженности. Таким же образом вторая крайняя поверхность 32 выступов 30 продолжается до второй крайней поверхности 42 впадин 40, и они отделяются плоскостью p протяженности.
На фиг.8 границы между опорными поверхностями 33, 34 и крайними поверхностями 31, 32, 41, 42 являются относительно острыми. Однако следует отметить, что оба из этих или один из них могут быть закруглены.
Как может быть видно на фиг.5-8, теплообменные пластины 1 в пакете 2 пластин содержат или образуют первичные пластины 1', см. фиг.5, и вторичные пластины 1'', см. фиг.6. Они размещены таким образом, что каждая вторая теплообменная пластина 1 в пакете пластин образует первичную пластину 1' и каждая вторая теплообменная пластина 1, обеспеченная между ними, образует вторичную пластину 1'', см. фиг.7 и 8.
Вторая ширина 44, т.е. ширина опорной поверхности 43, первичной пластины 1' больше или значительно больше первой ширины 34, т.е. ширины опорных поверхностей 33, первичных пластин 1'. Таким же образом, первая ширина 34, т.е. ширина опорных поверхностей 33, вторичной пластины 1'' больше или значительно больше второй ширины 44, т.е. ширины опорных поверхностей 44, вторичных пластин 1''. Конкретнее, первая ширина 34 первичных пластин 1' может стремиться к нулю, так же как и вторая ширина 44 вторичных пластин 1''. Таким образом, достигается асимметричный пластинчатый теплообменник, где область потока или объем потока вторых межпластинчатых промежутков 4 больше области потока или объема потока первых межпластинчатых промежутков 3.
Эта асимметрия проиллюстрирована на фиг.8, где может быть видно, что первые межпластинчатые промежутки 3 имеют большую область потока или объем потока, чем вторые межпластинчатые промежутки 4. Более того, как может быть видно на фиг.8, опорная поверхность 43 впадин 40 одной из первичных пластин 1' и опорная поверхность 33 выступов 33 одной из вторичных пластин 1'' прилегают друг к другу. Эта первичная пластина 1' и эта вторичная пластина 1'' заключают один из первых межпластинчатых промежутков 3, который таким образом имеет первый объем потока. Таким же образом опорная поверхность 33 выступов 30 одной из первичных пластин 1' прилегает к опорной поверхности 43 впадин 40 одной из вторичных пластин 1''. Эта первичная пластина 1' и эта вторичная пластина 1'' заключают один из вторых межпластинчатых промежутков 4, который таким образом имеет второй объем потока. Соотношение между первым объемом потока и вторым объемом потока имеет значение между 1,2 и 3, предпочтительно между 1,5 и 2,5 и более предпочтительно между 1,8 и 2,1.
Как также может быть видно на фиг.8, опорная поверхность 43 впадин 40 первичных пластин 1' наклоняется относительно плоскости p протяженности. Таким же образом опорная поверхность 33 выступов 30 вторичных пластин 1'' наклоняется относительно плоскости p протяженности. Эти средства наклона, которые обеспечивают вышеуказанное прилегание опорных поверхностей 43 и 44, будут продолжаться выше относительно небольшой области 50 контакта, в частности по сравнению с тем, если опорные поверхности 43 и 33 имеют протяженность параллельно с плоскостью p протяженности. Эти опорные поверхности 33 и 43 имеют наклон под углом β наклона относительно плоскости p протяженности. Угол β наклона составляет 3-15°, предпочтительно 3-7°, например 5° или приблизительно 5°.
Как также проиллюстрировано на фиг.8, опорные поверхности 33 и 43 являются по существу плоскими. Однако следует отметить, что им необязательно быть плоскими, они могут иметь изогнутую или какую-либо другую неправильную форму в пределах всего наклона от одних из крайних поверхностей 41, 42 и 31, 32 соответственно до других крайних поверхностей 41, 42 и 31, 32 соответственно. Наклон опорных поверхностей 33 и 43 может быть выполнен различным образом в первичных пластинах 1' и вторичных пластинах 1''. Фиг.5-8 раскрывают, как первые крайние поверхности 31, 41 первичных пластин 1' и вторичных пластин 1'' повернуты по направлению к первому концу 1A, тогда как вторые крайние поверхности 32, 42 первичных пластин 1' и вторичных пластин 1'' повернуты по направлению ко второму концу 1B. Опорная поверхность 43 впадин 40 первичных пластин 1' наклоняется от первых крайних поверхностей 41 в направлении плоскости p протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям 42 выступов 40 первичных пластин 1'. Опорная поверхность 33 выступов 30 вторичных пластин 1'' наклоняется от первых крайних поверхностей 31 в направлении к плоскости p протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям 32 выступов 30 вторичных пластин 1''. С таким наклоном в том же направлении достигаются области 50 контакта с внешним видом, проиллюстрированным на фиг.9. Область 50 контакта имеет треугольную форму и будет способствовать понижению сопротивления потока, когда поток находится в направлении стрелки 51 по сравнению с тем, если поток находится в противоположном направлении, т.е. в направлении стрелки 52.
Также возможно, чтобы опорные поверхности имели наклон в других направлениях, причем опорная поверхность 43 впадин 40 первичных пластин 1' наклоняется от первых крайних поверхностей 41 в направлении плоскости p протяженности и по направлению ко вторым крайним поверхностям 42 впадин 40 первичных пластин 1' и причем опорная поверхность 33 выступов 30 вторичных пластин 1'' наклоняется от крайних поверхностей 32 в направлении к плоскости p протяженности и по направлению к первым крайним поверхностям 31 выступов 30 вторичных пластин 31'. С таким наклоном опорных поверхностей 33, 43 достигаются области 50 контакта с внешним видом, проиллюстрированным на фиг.10. Также в этом случае получают треугольнообразную форму областей 50 контакта, но сопротивление потока в противоположных направлениях 51 и 52 является по существу равным.
В пределах областей 50 контакта теплообменные пластины 1 будут находиться в контакте друг с другом. В проиллюстрированном варианте выполнения с паяным пластинчатым теплообменником области 50 контакта будут образованы или по существу образованы материалом припоя.
В раскрытом варианте выполнения первичные пластины 1' и вторичные пластины 1'' образованы теплообменными пластинами различной формы, которые изготовляются отдельно, причем каждая теплообменная пластина 1 имеет окружающий фланец 20, продолжающийся в одном направлении от плоскости p протяженности. Далее, первичные пластины 1' имеют рисунок в виде стрелки области 15 теплопередачи согласно фиг.5, тогда как вторичные пластины 1'' имеют рисунок в виде стрелки в области 15 теплопередачи, направленной в противоположном направлении по сравнению с фиг.6.
В случае когда теплообменные пластины не имеют какого-либо окружающего фланца, первичные пластины 1' и вторичные пластины 1'' могут быть идентичными. В этом случае первичная пластина 1' и вторичная пластина 1'' обеспечены, позволяя каждой второй теплообменной пластине, например вторичной пластине 1'', поворачиваться на 180° в плоскости p протяженности. Таким образом, область 15 теплопередачи первичных пластин 1' будет иметь гофр с рисунком в виде стрелки согласно фиг.5, и область 15 теплопередачи вторичных пластин 1'' будет иметь рисунок гофра в виде стрелки согласно фиг.6. Такие идентичные теплообменные пластины 1 могут предпочтительно быть использованы в пластинчатых теплообменниках, где теплообменные пластины 1 прижаты друг к другу посредством стяжных элементов 5, см. фиг.3 и 4.
Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами выполнения, но может быть изменено или преобразовано в пределах объема охраны следующей далее формулы изобретения.