ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1994 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в теплообменных системах различного назначения на объектах энергетики, судостроения, сельского хозяйства, коммунального хозяйства, на объектах химической, пищевой и др. отраслей техники.

Известны пластинчатые теплообменники, содержащие пакет гофрированных теплообменных пластин, разделенных дистанционирующими и уплотнительными элементами, формирующими раздающие и собирающие коллекторы в пакете, а также теплообменные и коммутационные каналы между пластинами (см. Петровский Ю. В. и др. Современные эффективные теплообменники, М. -Л. , Госэнергоиздат, с. 199, рис. 4-4).

Недостатком этих теплообменников является сложная схема гофрирования теплообменных пластин, что затрудняет изготовление теплообменника и его ремонт.

Известен также пластинчатый теплообменник с более простой схемой гофрирования, у которого на теплообменной поверхности пластин расположено цепочкой, в один ряд, большое число мелких гофров (см. патент Англии N 1339542, кл. F 28 F 3/08, 1973). Изготовление и ремонт этого теплообменника несколько упрощаются.

Недостатком этого теплообменника является недостаточная эффективность, обусловленная большим числом мелких гофров на теплообменных пластинах. Теплообменные каналы с большим количеством мелких гофров имеют большое гидравлическое сопротивление, величина которого дополнительно увеличивается при относительном смещении теплообменных пластин, которое при сборке теплообменника, в той или иной степени, является неизбежным. Большое гидравлическое сопротивление, в свою очередь, предопределяет малоинтенсивный теплообмен и, как следствие, большие вес и габариты теплообменника.

Цель изобретения - повышение эффективности теплообменника путем упрощения системы гофрирования и, в конечном счете, уменьшения гидравлического сопротивления теплообменника.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном теплообменнике, содержащем пакет гофрированных теплообменных пластин, разделенных дистанционирующими и уплотнительными элементами, формирующими раздающие и собирающие коллекторы в пакете, а также теплообменные каналы и коммутационные каналы между пластинами, на теплообменной поверхности которых гофры расположены цепочкой в один ряд, число гофров выбрано из ряда чисел 1, 2, 4, если теплообменная поверхность размещена в периферийной зоне пластины, расположенной в радиальном направлении за коллекторами, и равно 1 при размещении теплообменной поверхности в центральной зоне пластины.

Такое малое количество гофров, несмотря на увеличение их размеров, упрощает изготовление теплообменных пластин и очистку их поверхности в периоды ремонта. Теплообменые каналы теплообменника при этом имеют малое гидравлическое сопротивление, что позволяет интенсифицировать теплопередачу за счет увеличения скорости теплоносителей. Дополнительно интенсификацию теплообмена обеспечивают путем выполнения гофров таким образом, чтобы они, в сечении поперечными к оси пакета плоскостями имели в радиальном направлении выпуклую криволинейную форму.

При движении теплоносителей вдоль таких гофров их турбулизация увеличивается за счет воздействия центробежных сил, что обеспечивает интенсификацию теплопередачи.

При использовании в теплообменнике теплообменных пластин с большой площадью теплообмена теплообменную поверхность на них можно размещать и в центральной зоне и в периферийной зоне, что обеспечивает уменьшение габаритной высоты пластины и теплообменника. Уплотнительные и дистанционирующие элементы между пластинами выбираются из числа известных, жестких или эластичных элементов, используемых для аналогичных целей в теплообменной технике.

В разных вариантах теплообменных пластин их центральная зона может иметь форму прямоугольника, круга, эллипса или другую, известную в области теплообмена. Периферийная зона их имеет форму замкнутого, например круглого или эллиптического, кольца. Сечения гофров поперечными к оси пакета плоскостями могут быть ограничены в радиальном направлении выпуклыми кривыми линиями, преимущественно определяемыми выражениями
ах²+by²= c, где х и y - координаты произвольной точки кривой, ограничивающей сечение;
а, b и c - постоянные для данного сечения или его участка коэффициенты (числа).

При этом начало координат для всех или некоторых гофров может не совпадать с осью пакета. Например, если а, b и с - разные для разных участков сечения центрального гофра, то это сечение ограничено выпуклой замкнутой кривой, состоящей из нескольких сопряженных дуг разных по диаметру окружностей и (или) эллипсов, а если начало координат не совпадает с осью пакета и, следовательно, с осью теплообменного канала, то оси гофров не будут концентричны осям теплообменных каналов, т. е. эти оси могут пересекаться под малыми углами, порядка 1. . . 10о. Варианты теплообменника могут отличаться также формой гофра в диаметральном сечении, вид которой может изменяться от 1/2 волны, когда начало и конец гофра лежат в одной плоскости, до 1/4 волны, когда начало и конец гофра лежат в разных, поперечных к оси пакета, плоскостях, расстояние между которыми равно высоте гофра.

На фиг. 1 показана часть продольного разреза пластинчатого теплообменника, в центральной зоне теплообменных пластин которого нет теплообменных каналов; на фиг. 2 показана часть продольного разреза варианта теплообменной пластины; на фиг. 3 показана часть продольного разреза другого варианта теплообменника; на фиг. 4 показан поперечный разрез теплообменника, показанного на фиг. 1; на фиг. 5 показан поперечный разрез варианта теплообменника, у теплообменных пластин которого теплообменная поверхность расположена только в центральной зоне; на фиг. 6 показана часть продольного разреза этого же теплообменника.

На фиг. 1 теплообменник состоит из пакета теплообменных пластин 1, разделенных уплотнительными и дистанционирующими прокладками 2 и 3. Раздающие 5 и 6 и собирающие 7 и 8 коллекторы сформированы коллекторными отверстиями в теплообменных пластинах 1 и прокладках 3 (фиг. 1 и 4). В каждой прокладке 3 выполнено по два коммутационных канала 9 и 10, соединяющих соответствующие раздающий и собирающий коллекторы с одним из теплообменных каналов 11, сформированных теплообменными поверхностями пластин, расположенными на их периферии и имеющими форму кольца. На теплообменной поверхности каждой пластины расположены цепочкой, в один кольцевой ряд, два дугообразных гофра 12 и 13. В диаметральном сечении начало и конец гофров на пластине лежат в одной плоскости, т. е. здесь каждый гофр имеет вид 1/2 волны.

На фиг. 2 на теплообменной пластине выполнен всего один замкнутый гофр 14, имеющий форму боковой поверхности усеченного конуса. В радиальном направлении (в диаметральном сечении) он имеет вид 1/4 волны, из-за чего его начало и конец лежат в разных, поперечных к оси пластины (а следовательно, и к оси пакета) плоскостях, расстояние между которыми равно высоте гофра.

На фиг. 3 гофр 15 на теплообменной пластине в диаметральном сечении имеет вид 3/8 волны, его начало и конец лежат в разных, поперечных к оси пакета, плоскостях, расстояние между которыми равно половине высоты гофра.

На фиг. 4 теплообменная пластина 1 имеет форму круга, а дугообразные гофры 12 и 13 форму части (сегмента) тора и поэтому, в сечении любой поперечной к оси пакета, плоскостью, ограничены в радиальном направлении дугами окружностей, т. е. выпуклыми кривыми линиями.

На фиг. 1 и 4 в центральной зоне теплообменных пластин расположены стяжные шпильки 4 и все коллекторы, а теплообменная поверхность с гофрами 12 и 13 размещена в периферийной зоне, расположенной в радиальном направлении за коллекторами.

На фиг. 5 и 6 теплообменная поверхность расположена в центральной зоне теплообменных пластин 1 и на ней выполнен один гофр 17 с увеличенной высотой, вершина которого проходит через отверстие в центре одной из опорных плит 18.

Коллекторы 5 и 8 сформированы коллекторными отверстиями в теплообменных пластинах. Как вариант исполнения, показаны коллекторы 6 и 7, сформированные криволинейными стенками 19 и 20, приваренными ко второй опорной плите 21 (см. фиг. 6).

В других вариантах исполнения теплообменника, с целью более оптимального раскроя металлических листов, теплообменные пластины в плане могут иметь форму прямоугольника и тогда гофр 17 будет иметь форму сегмента эллипсоида.

В другом исполнении коллекторные отверстия на теплообменных пластинах выполняют в средней зоне, при этом в центральной зоне, между отверстиями, на теплообменной поверхности выполняют один гофр, а на периферийной зоне, в радиальном направлении за отверстиями, выполняют или один гофр, имеющий в плане форму замкнутого кольца, или два, или четыре гофра, расположенных цепочкой в один ряд.

При работе теплообменника каждый из теплоносителей из своего раздающего коллектора, например из коллектора 6, через коммутационный канал 9 проходит в теплообменный канал 11, вдоль которого расположено от одного (на фиг. 5 и 6) до четырех гофров. Из теплообменного канала теплоноситель уходит через коммутационный канал 10 и через собирающий коллектор 7 покидает теплообменник.

Малое количество гофров вдоль теплообменного канала обеспечивает и малую величину гидравлического сопротивления, а также упрощение, изготовление и ремонт (очистку от отложений теплообменных пластин) теплообменника. На фиг. 1 и 4 гофры 12 и 13 разделены возле коллекторов 6 и 7 плоскими участками теплообменной поверхности, что обеспечивает минимальные гидравлические потери при входе (выходе) теплоносителя в теплообменный канал. Если необходимо обеспечить минимальные гидравлические потери и для второго теплоносителя, то плоские участки теплообменной поверхности можно оставить и возле коллекторов 5 и 8, т. е. каждый из гофров 12 и 13 разделить на два гофра. В этом случае число дугообразных гофров на фиг. 1 и 4 будет 4. Дальнейшее увеличение числа гофров на фиг. 1 и 4 ничем не компенсируется и нецелесообразно. В теплообменнике для маловязких теплоносителей можно отказаться от плоских участков между гофрами и тогда гофры 12 и 13 можно заменить одним замкнутым гофром в форме кругового или эллиптического кольца.

Использование: для повышения эффективности теплообменника за счет уменьшения веса и габаритов и повышения технологичности. Сущность изобретения: теплообменник содержит пакет гофрированных теплообменных пластин. Они разделены дистанционирующими и уплотнительными элементами. Последние формируют в пакете собирающие и раздающие коллекторы и между пластинами теплообменные и коммутационные каналы. Гофры на участках пластин, формирующих теплообменные каналы, расположены цепочкой в один ряд вдоль оси теплообменного канала. При размещении теплообменной поверхности в центральной зоне пластины на ней выполнен один гофр. При размещении теплообменной поверхности в периферийной зоне в радиальном направлении за коллекторами количество гофров выбрано из ряда чисел 1, 2, 4. Гофры в сечении поперечными к оси пакета плоскостями имеют в радиальном направлении выпуклую криволинейную форму. 2 з. п. ф - лы, 6 ил.

1. ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий пакет гофрированных теплообменных пластин, разделенных дистанционирующими и уплотнительными элементами, формирующими раздающие и собирающие коллекторы в пакете и теплообменные и коммутационные каналы между пластинами, на теплообменной поверхности которых гофры расположены цепочкой в один ряд, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности теплообменника при размещении теплообменной поверхности в центральной зоне пластины, на ней выполнен один горф, а при размещении теплообменной поверхности в периферийной зоне в радиальном направлении за коллекторами количество гофров выбрано из ряда чисел 1, 2, 4. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что гофры в сечении поперечными к оси пакета плоскостями имеют в радиальном направлении выпуклую криволинейную форму. 3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что теплообменная поверхность размещена в центральной зоне пластины и в периферийной зоне.