ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменникам с увеличенной площадью поверхности теплообмена в единичном объеме теплообменника, и может быть использовано в энергетике, химической и пищевой промышленности.

Известен пластинчатый теплообменник из гофрированных пластин [1] Прямоугольные в плане пластины имеют штампованный выпукло-вогнутый рельеф в виде треугольных гофров и четыре отверстия по углам. Пластины собраны в пакет с фигурными уплотнительными элементами между каждыми двумя соседними пластинами. Уплотнительные элементы герметично отделяют межпластинные каналы от внешней среды по периферии пластин и от одной пары отверстий в углах каждой пластины, оставляя доступ из этого канала к другой паре угловых отверстий. Чередование в пакете пластин фигурных уплотнений двух типов позволяет образовать в углах пластин в местах расположения угловых отверстий коллекторы теплоносителей для групп межпластинных каналов и организовать последовательное или параллельное течение теплоносителей в этих группах каналов.

Теплообменник функционирует при протекании горячего и холодного теплоносителей по системе разделенных пластинами щелевых каналов от входного коллектора до выходного в тракте каждого теплоносителя. Недостатком этой конструктивной схемы пластинчатого теплообменника являются высокие требования к качеству фигурных уплотнительных элементов, отделяющих межпластинные каналы теплоносителей от внешней среды. Нарушение герметичности одного любого из таких, обычно многочисленных, уплотнений приводит к утечке теплоносителя наружу теплообменника. Ввиду того, что уплотнительные элементы размещены по всему периметру каждой пластины, их общая протяженность обычно велика. Вследствие этого сравнительно велика вероятность нарушения герметичности одного из участков этого общего протяженного уплотнения. По той же причине обычно велико усилие затяжки пакета пластин с уплотнениями и соответственно массивна система затяжки. Так как усилие затяжки пропорционально перепаду давлений на уплотнении, эта конструктивная схема мало пригодна для систем и контуров теплоносителей высокого давления.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому изобретению является пластинчатый теплообменник [2] для теплообмена между двумя теплоносителями, содержащий корпус с отверстиями в боковой стенке для входа и выхода теплоносителя А и установленный в корпусе пакет пластин с выпукло-вогнутым рельефом, которые размещены попарно одинаковой стороной друг к другу, так что между пластинами каждой пары образован канал для протока теплоносителя Б, а между парами пластин каналы для протока теплоносителя А. В корпусе имеется по меньшей мере одна перегородка, параллельная пластинам, разделяющая внутреннюю полость корпуса на камеры, каждая из которых содержит некоторое количество пластин. Схема движения теплоносителя А по разделенным перегородкой секциями пакета пластин определяется положением пропускных отверстий для этого теплоносителя в перегородке. Теплоноситель Б проходит параллельно через все разделенные перегородками секции. Коллекторы теплоносителя А в общем случае образованы стенками корпуса, его днищами и перегородками, коллекторы теплоносителя Б элементами межпластинных полостей, сообщающимися через отверстия в пластинах.

Пластины неразъемно (пайкой) соединены между собой по периметру пластин и периметру отверстий для прохода теплоносителя Б, образуя неразборный пакет, содержащий фиксированное число пластин. Перегородки могут быть выполнены в виде плоских пластин. Роль перегородки может также выполнять одна из пары обращенных друг другу пластин, между которыми протекает теплоноситель Б. Для этого она должна иметь продолжение, перекрывающее один из коллекторов теплоносителя А. В варианте выполнения перегородок в виде плоских пластин перегородки могут быть неподвижно и неразъемно скреплены со стенкой корпуса (например, с помощью развальцовки кромок перегородок совместно с кромками кольцевых фрагментов стенки) или выполнены заодно с кольцевыми фрагментами стенки корпуса в виде днищ ящичных элементов модулей, установленных один на другом с плотным неразъемным соединением их друг с другом. Описанный теплообменник в основном предназначен для охлаждения масла в автомобильном двигателе. Теплообменник функционирует при пропускании горячего и холодного теплоносителей по системе разделенных пластинами щелевых каналов от входного коллектора до выходного в каждом тракте.

Недостатком описанного корпусного пластинчатого теплообменника является фиксированная для каждого типоразмера теплообменника длина проточного тракта теплоносителей, а также фиксированное число пластин в пакете, определяемое высотой корпуса. Из-за этого, в отличие от описанного выше бескорпусного теплообменника с фигурными уплотнительными элементами, данный теплообменник теплоносителей входных параметрах (температура, давление и расход теплоносителей) имеет однозначно определяемые, не поддающиеся внутреннему регулированию выходные характеристики (тепловая мощность, температура и давление теплоносителей на выходе), что ограничивает эксплуатационные возможности теплообменников этого вида и увеличивает ряд типоразмеров при проектировании теплосистем.

Целью изобретения является повышение эффективности рабочего процесса корпусного пластинчатого теплообменника благодаря обеспечению возможности оптимизации геометpических характеристик трактов теплоносителей в пакете пластин при эксплуатации теплообменника одного типоразмера в различных условиях, а также уменьшение стоимости разработки и изготовления типового ряда теплообменников для заданного диапазона характеристик благодаря увеличению диапазона рабочих характеристик теплообменника каждого типоразмера и соответствующего уменьшения числа типоразмеров.

Для этого внутри корпуса корпусного пластинчатого теплообменника установлен разборный пакет пластин с перегородками и конструктивная схема теплообменника позволяет изменять по желанию число пластин, число и положение перегородок в пакете, организовывать движение каждого из двух и более теплоносителей через разделенные перегородками секции параллельно, последовательно, параллельно-по- следовательно, по схеме прямотока, противотока или перекрестного тока.

Меняя число пластин в пакете, а также число перегородок, их положение в пакете, а также расположение в них проходов для теплоносителей, можно при неизменных условиях на входе в теплообменник и неизменных его внешних геометрических характеристиках изменять по желанию (в диапазоне, возможном для данного типоразмера) выходные характеристики теплообменника (тепловую мощность, температуру и давление теплоносителей на выходе из теплообменника). При этом каждый типоразмер теплообменника может удовлетворять требованиям потребителя в гораздо более широком диапазоне, чем корпусной пластинчатый теплообменник с фиксированным числом пластин и жестко определенной схемой протока теплоносителей.

На фиг. 1 изображен предлагаемый теплообменник, вариант с перегородками из плоского листа, течение теплоносителей по схеме чистого противотока (штриховыми линиями показано положение выходного патрубка теплоносителя Б и отверстий в перегородках в варианте течения теплоносителей по схеме общего противотока с прямотоком в отдельных секциях), продольный разрез; на фиг. 2 вариант использования в качестве перегородки одиночной пары соединенных по замкнутому контуру теплообменных пластин; на фиг. 3 теплообменная пластина; на фиг. 4 перегородка; на фиг. 5 разрез Д-Д на фиг. 3 и 4; на фиг. 6 вариант подвижной силовой связи перегородки со стенкой корпуса, сечение плоскостью, параллельной перегородке; на фиг. 7 вариант подвижной силовой связи перегородки со стенкой корпуса, сечение плоскостью, пеpпендикуляpной к перегородке 2; на фиг. 8 теплообменник, вариант последовательного гидравлического соединения каналов, образованных одиночными парами пластин, продольный разрез; на фиг. 9 теплообменник в модульном варианте, продольный разрез; на фиг. 10 схема течения теплоносителей в четерхпоточном теплообменнике с двумя теплоносителями (А-Б, А-Г, В-Г) в каждой секции; на фиг. 11 вариант размещения проходов для теплоносителей в трехпоточном теплообменнике с тремя теплоносителями (А-Б-В) в каждой секции, сечение параллельно пластинам; на фиг. 12 сечение Е-Е на фиг. 11.

Теплообменник (на фиг. 1 изображен двухпоточный вариант с теплоносителями А и Б) содержит разборный пакет пластин 1, в котором все пластины или их часть неразъемно соединены между собой по замкнутым контурами в группы так, что отдельные пары соединенных пластин образуют между пластинами каждой пары каналы для протока избранных теплоносителей. Число групп не менее двух. Число пластин в группе не менее двух. В частном случае двухпоточного теплообменника, изображенного на фиг. 1, все группы соединенных пластин содержат каждая по две пластины, между которыми движется теплоноситель А. Один из теплоносителей (Б на фиг 1) движется по каналам, ограниченным пластинами и стенкой 3 корпуса. Пластины могут быть гладкими, иметь штампованный рельеф или оребрение. Группы пластин в пакете могут различаться по геометрическим характеристикам составляющих их пластин и форме замкнутого контура попарного соединения пластин. Пакет пластин 1 разделен на секции перегородками 2, преграждающими в местах их расположения проход избранным теплоносителям в направлении, перпендикулярном к плоскости пластин.

Функцию перегородки 2 в некоторых случаях может выполнять одиночная теплообменная пластина или одиночная пара соединенных по замкнутому контуру пластин 1 [2] (см. фиг. 2), в которых избранные отверстия закрыты для прохода теплоносителей. Между любыми двумя группами соединенных пластин, а также между любой крайней в секции пластиной и перегородкой или днищем могут размещаться одиночные пластины.

Пакет пластин помещен в корпус, включающий замкнутую боковую стенку 3 и днища крышки 4. Пластины 1 (фиг. 3) и перегородки 2 (фиг. 4) оборудованы отвеpстиями 5 и 6 для прохода соответственно теплоносителей А и Б. Проход для теплоносителя Б, протекающего снаружи попарно соединенных пластин, может быть обеспечен также с помощью местно увеличенного зазора между кромкой перегородки и стенкой корпуса. На фиг. 3 и 4 показан один из вариантов размещения отверстия 5 и 6 в пластине 1 и перегородке 2. Отверстия 5 и 6 могут быть на одной оконечности перегородки 2, на противоположных, а также вблизи прилежащих друг к другу кромок (в случае перекрестного тока теплоносителей А и Б). В последнем случае соответственно изменяется также взаимное расположение отверстий 5 и 6 в пластине 1.

В любых двух соседних перегородках расположение проходов для любого из теплоносителей может различаться, обеспечивая возможность последовательного соединения групп каналов более чем одного теплоносителя. В конструктивных вариантах многопоточного теплообменника в отдельных перегородках полностью отсутствуют проходы для избранных теплоносителей.

В местах контакта пластин, крайних в неразъемных группах, с аналогичными пластинами других групп, перегородками, днищами или одиночными пластинами установлены уплотнения по замкнутым контурам (в наиболее простом виде кольцевым) вокруг избранных отверстий или групп отверстий в пластинах. Уплотнения вокруг отверстия 5 (фиг. 5) для прохода теплоносителей разделяют тракты теплоносителей. Необходимое давление в кольцевых уплотнениях достигается при затяжке пакета пластин 1 между перегородками 2 с помощью любого затяжного устройства (например, затяжных шпилек, проходящих вне контура 8, по которому соединена каждая пара пластин). Усилие затяжки передается между уплотнениями 7 с помощью жестких вкладышей 9, не препятствующих прохождению теплоносителя А из межпластинного канала 10 к отверстиям 5 и обратно. Уплотнительные элементы теплообменника этой конструкции имеют относительно небольшую общую длину. Ввиду меньшего размера и простой кольцевой формы они более надежны в эксплуатации и имеют меньшую стоимость изготовления, чем фигурные уплотнения бескорпусного теплообменника.

Параллельно потоку теплоносителя Б вновь продольных кромок пластин могут быть уложены объемные заполняющие элементы вытеснители 11 или установлены дефлекторы для преимущественного направления расхода теплоносителя Б в зону межпластинного канала, где теплоноситель Б имеет непосредственный тепловой контакт через стенку с теплоносителем А.

Перегородки 2 могут иметь подвижную или неподвижную силовую связь со стенками 3 корпуса. В таком случае перегородка 2 выполняет дополнительную функцию элемента, скрепляющего противоположные участки замкнутой стенки 3 корпуса и таким образом уменьшающего нагрузку на стенку 3 при давлении внутри корпуса, превышающем наружное. Вариант подвижной связи перегородки 2 со стенкой 3, не препятствующей перемещению перегородки во время затяжки пакета пластин, показан на фиг. 6 и 7. Через пазы типа ласточкина хвоста в перегородках 2 проходит шпонка 12 клиновидного сечения, которая подтягивается к стенке 3 болтами 13 c уплотнениями 14.

Перегородки 2 могут уплотняться (фиг. 5, упругий элемент 12) относительно стенок корпуса 3 по всему периметру перегородки или его части, например вдоль двух продольных кромок и одной поперечной (с той стороны, где отсутствует проход 6 в перегородке для теплоносителя Б). В том случае, когда расстояние между перегородками сравнительно мало, уплотнение перегородок относительно стенок корпуса может быть выполнено в виде сальника 15 (фиг. 8).

Все межпластинные каналы теплоносителей А и Б в каждой секции объединены входным и выходным коллекторами, которые образованы полостями, соединенными через отверстия 5 (для теплоносителя А), и полостями, соединенными через отверстия 6 (для теплоносителя Б). Межпластинные каналы теплоносителя Б ограничены с двух сторон стенками корпуса 3 теплообменника, поэтому для вывода теплоносителя Б из теплообменника используется отверстие в стенке 3 или днище крышке 4 (как это показано на фиг. 1). Теплоноситель А выводится наружу теплообменника через тракт, отделенный от внутрикорпусной полости. Например, в варианте, изображенном на фиг. 1, теплоноситель А выводится через патрубок, проходящий через сальниковое уплотнение в днище крышке 4 и соединенный в месте расположения отверстия 5 с перегородкой 3, ограничивающей последнюю по ходу теплоносителя А секцию. С одной стороны этой перегородки отсутствуют пластины, участвующие в теплообмене между теплоносителями.

Применительно к теплообменникам с большим числом пластин и соответственно сравнительно большой высотой стенки корпуса 3 возможен модульный вариант описываемой конструкции (фиг. 9), позволяющий упростить изготовление корпуса и использовать в случае надобности комплект одного модульного теплообменника с небольшой доукомплектацией (силовыми днищами) для формирования от двух до N теплообменников меньшего по высоте корпуса размера, чем исходный теплообменник, содержащий N модулей.

В модульном теплообменнике (фиг. 9) каждый модуль 16 имеет корпус, в котором размещен пакет пластин 1, в общем случае разделенный перегородками 2 на секции, в частном случае не имеющий перегородок. Корпус модуля, входящего в состав теплообменника, включает замкнутую боковую стенку 3 и присоединенное к ней с одной стороны днище 17, образуя ящик без крышки, в который уложен пакет пластин. Уплотнения 7 в пакете пластин модуля зажимаются при стыковке данного модуля с соседними; днище соседнего модуля при этом выполняет роль крышки, поджимающей пакет пластин 1 с уплотнениями 7 между ними. В модуле, замыкающем в теплообменнике сборку модулей, зажатие пакета пластин осуществляется с помощью днища крышки 4 или подвижной перегородки 2 (как это изображено на фиг. 1). Днища 17 модулей в модульном теплообменнике выполняют роль перегородок, определяющих схему протока теплоносителей через соседние модули, и элементов, усиливающих боковую стенку 3 при воздействии на нее разности давлений внутри и снаружи корпуса.

Модульный теплообменник с унифицированными разъемами, имеющий в своем составе модули двух-трех оптимальным образом подобранных типоразмеров, может иметь сравнительно плавное регулирование выходных характеристик с помощью изменения состава и числа модулей в теплообменнике.

Каждый отдельный модуль модульного теплообменника, дополненный днищем крышкой 4, может функционировать в качестве автономного теплообменника. При этом в случае надобности днище 17 может быть усилено жесткими съемными элементами.

Как следует из приведенного выше описания, число потоков теплоносителей в теплообменнике предлагаемой конструкции не ограничивается двумя.

Многопоточная схема может быть реализована в изначально двухпоточном теплообменнике введением в пакет пластин специальных перегородок 18, в которых полностью отсутствуют проходы для избранных теплоносителей. При этом в каждой секции теплообменника будет осуществляться теплообмен между двумя теплоносителями (фиг. 10).

Вариант многопоточного теплообменника с теплообменом в каждой секции более двух теплоносителей реализуется с помощью пакета пластин, в котором по меньшей мере у двух пар соединенных пластин, образующих между пластинами каждой пары плоский канал для прохода теплоносителя, различаются по форме замкнутые контуры 8 попарного соединения пластин. В этом случае в каждой паре соединенных пластин 1, образующих между собой канал для данного теплоносителя, отверстия 5 для прохода этого теплоносителя размещаются внутри контура 8 в областях, не перекрывающихся при сборке в пакет контурами других соединенных между собой пластин 1, между которыми протекают другие теплоносители (фиг. 11). Уплотнения 7 в этой конструкции (фиг. 12) местами имеют соответственно увеличенную высоту по сравнению с вариантом двухпоточного теплообменника.

Теплообменник во всех описанных выше конструктивных вариантах функционирует при пропускании теплоносителей по системе каналов, образованных пластинами 1, перегородками 2 и стенкой 3 корпуса, между входными и выходными коллекторами. На фиг. 8 и 9 для варианта двухпоточного теплообменника стрелками показаны вход и выход теплоносителей А и Б при организации течения теплоносителей по схеме противотока. Для организации течения теплоносителей по схеме прямотока необходимо для любого одного из теплоносителей поменять местами вход и выход. Как отмечалось выше, предлагаемая конструктивная схема позволяет также организовывать движение теплоносителей по схеме перекрестного тока.

Технический эффект использования теплообменников предлагаемой конструкции проистекает из возможности в каждом отдельном применении при заданных входных и выходных параметрах теплоносителей привести геометрические характеристики теплообменника в состояние, близкое к оптимальному, и в случае изменения входных или выходных параметров гибко реагировать на это изменением геометрических характеристик сердечника теплообменника в направлении их оптимизации, изменяя число пластин и перегородок в пакете пластин и относительное положение перегородок в пакете. Предлагаемый теплообменник позволяет более рационально использовать тепловую энергию и энергию давления теплоносителей, благодаря уменьшению потерь тепловой энергии и давления в устройствах, компенсирующих неоптимальность геометрических характеристик теплообменника для поддержания требуемых выходных характеристик тепловой системы.

Предлагаемые теплообменники обеспечивают гибкую оптимизацию геометрических характеристик теплообменника сообразно требованиям к выходным характеристикам теплоносителей в сравнительно широком диапазоне последних при относительно малом числе типоразмеров деталей, узлов и сборок. Оптимизированный теплообменник характеризуется минимальной для заданных условий площадью поверхности теплообмена, т.е. минимальными габаритами, материалоемкостью, массой, числом типовых деталей. Отсюда экономический эффект, выражающийся в уменьшении стоимости изготовления и эксплуатации теплообменников предлагаемой конструкции, благодаря их меньшим габаритам, материалоемкости и трудоемкости изготовления по сравнению с корпусными пластинчатыми теплообменниками, имеющими фиксированное число пластин и неизменную схему движения теплоносителей. Присущая предлагаемой конструкции теплообменника увеличенная ширина диапазона рабочих характеристик каждого типоразмера теплообменника позволяет при проектировании типового ряда теплообменников уменьшить число типоразмеров в ряде и таким образом уменьшить стоимость проектных работ по сравнению с вариантом использования корпусного теплообменника с фиксированным числом пластин и схемой протока теплоносителей. Отсутствие многочисленных сложных по форме и сравнительно больших по размерам уплотнительных элементов в предлагаемых теплообменниках делает их более дешевыми в изготовлении и эксплуатации по сравнению с бескорпусными пластинчатыми теплообменниками.

Использование: в теплотехнике, в частности в теплообменниках с увеличенной площадью поверхности теплообмена в единочном объеме теплообменника, в энергетике, химической и пищевой промышленности. Сущность изобретения: теплообменник состоит из корпуса и установленного в нем разборного пакета пластин. В пакете пластины неразъемно соединены по замкнутым контурам в группы, в частности попарно. Пакет пластин разделен перегородками на секции. Схема течения теплоносителей по секциям определяется взаимным расположением отверстий в соседних перегородках. Теплообменник имеет регулируемые характеристики, поскольку число пластин, а также число и положение перегородок в пакете могут изменяться. Теплообменник может иметь модульное исполнение, при этом каждый модуль может быть вычленен из теплообменника и выполнять функции автономного теплообменника. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий корпус, состоящий из замкнутой стенки и двух днищ, и установленный в нем пакет пластин, пространство между которыми и отверстия в которых образуют каналы и проходы для теплоносителей, и содержащий внутри корпуса перегородки, параллельные пластинам, с соответствиями для прохода теплоносителей, отличающийся тем, что корпус теплообменника имеет по меньшей мере один разъем, а также входные и выходные отверстия для двух или более теплоносителей, соединенные с коллекторными полостями теплоносителей, пакет пластин выполнен разборным, причем все пластины в пакете или их часть соединены между собой неразъемно по замкнутым контурам в не менее чем две группы, по меньшей мере по две пластины в каждой группе, в пакете пластин размещены перегородки, числом одна или более, перекрывающие все или отдельные проходы в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, для любого числа теплоносителей, протекающих через теплообменник, при этом пакет пластин в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, ограничен в каждой из двух сторон перегородкой или днищем корпуса, а в местах контакта пластин, крайних в неразъемных группах, с аналогичными пластинами других групп, перегородками или днищами корпуса установлены уплотнения по замкнутым контурам вокруг избранных отверстий или групп отверстий в пластинах, причем теплообменник оборудован устройством для зажатия пакета пластин и уплотнений между ними в направлении, перпендикулярном плоскости пластин. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере одной перегородки использована типовая для данного теплообменника одиночная теплообменная пластина или пара соединенных по замкнутому контуру пластин с избранно закрытыми для прохода теплоносителей отдельными отверстиями. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в избранных местах пакет пластин содержит сообъемные заполняющие элементы, дефлекторы, уплотнения по всему периметру или части периметра избранных перегородок. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пакет пластин содержит различающиеся между собой по геометрическим характеристикам пластины.