ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1996 года по МПК F28D9/00 F28F3/10 

Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику с прямоточными или противоточными каналами, которые образованы для одной протекающей среды между отдельными пластинами, соединенными каждый раз в пары пластин, а для другой среды между парами пластин, уложенными в штабель, причем отдельные пластины и пары пластин соединены между собой по краям, проходящим параллельно направлению главного потока, входные и выходные поперечные сечения в каждом канале расположены по диагонали друг относительно друга, а непосредственно примыкающие друг к другу входные и выходные поперечные сечения для одной среды каждый раз смещены относительно соседних входных и выходных поперечных сечений для другой среды на половину высоты входных и выходных поперечных сечений.

Пластинчатые теплообменники вышеуказанного рода с противоточными каналами известны из патента ФРГ N 4100940. При весьма компактной конструкции они имеют очень высокий коэффициент полезного действия теплообменника и могут быть экономически приемлемым образом изготовлены и для агрессивных сред. В основу изобретения положена задача еще больше улучшить коэффициент полезного действия этого известного теплообменника при одновременном уменьшении его габаритов.

Решение этой задачи при помощи данного изобретения отличается тем, что по крайней мере на входном участке каждого канала отдельные пластины снабжены выступами типа направляющих лопаток, которые выходят в канал по крайней мере с одной стороны и распределяют среду, поступающую через входное поперечное сечение, по полной ширине канала.

Через эти выступы типа направляющих лопаток согласно изобретению поступающая в канал среда равномерно распределяется внутри весьма короткого участка потока на всю ширину канала, благодаря чему в весьма значительной мере устраняются застойные зоны во входном участке каналов и почти вся площадь отдельных пластин используется для теплообмена между протекающими средами.

Вследствие того, что при устранении застойных зон поступающая односторонне в канал среда быстрее распространяется по всей ширине канала, с одной стороны, возрастает коэффициент полезного действия, с другой стороны, почти полное использование имеющейся поверхности теплообменника и воздействие на нее в режиме истинного противотока или прямотока позволяет в случае необходимости сократить наружные габариты пластинчатого теплообменника без потери эффекта теплообмена.

Согласно следующему признаку изобретения выступы типа направляющих лопаток проникают в канал с двух сторон. Благодаря этому можно уменьшить высоту отдельных выступов и тем самым снизить из подверженность загрязнению.

Для того, чтобы патентуемый теплообменник можно было применять и для сред, в которых взвешены твердые частицы, не опасаясь засорения поточных каналов, согласно дальнейшему признаку изобретения между противоположными выступами типа направляющих лопаток внутри каналов предусмотрена определенная щель. Благодаря этому выступы частично омываются потоком, вследствие чего значительно сокращается осаждение твердых частиц.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения выступы типа направляющих лопаток на входном участке каждой отдельной пластины выполнены в виде угла, входная сторона которого проходит примерно параллельно направлению главного потока, а выходная под углом 7-90^oС к этому направлению.

Благодаря этим дополнительным патентуемым признакам можно достигнуть особенно эффективного и происходящего без потерь распространения среды, поступающей через входное поперечное сечение, по всей ширине канала. При этом может оказаться целесообразным согласно дальнейшему признаку изобретения по крайней мере некоторую часть выступа типа направляющей лопатки, предпочтительно ту часть, которая находится в середине длины отдельных пластин, выполнить с удлиненной выходной стороной угла.

Эти удлиненные выходные стороны углов служат дополнительными направляющими элементами, направляя поступающую среду вплоть до той части, которая обращена в сторону, противоположную входному поперечному сечению.

Другое эффективное средство выравнивания потока внутри канала можно создать, расположив входные концы выступов типа направляющих лопаток под углом к направлению главного потока. При этом целесообразно в середине длины отдельных пластин расположить эти выступы ближе к входному поперечному сечению, чем выступы у края пластин.

Согласно другому признаку изобретения выступы типа направляющих лопаток на выходном участке каждой отдельной пластины расположены зеркально по отношению к аналогичным выступам на входном участке.

Особенно простое и экономически целесообразное исполнение выступов типа направляющих лопаток может быть согласно изобретению достигнуто, если эти выступы сформировать путем местного одностороннего выдавливания пластин.

Для того, чтобы в дополнение к патентуемому распространению поступающей в канал среды обеспечить рост интенсивности теплообмена, в патентуемом теплообменнике каждая отдельная пластина согласно дальнейшему признаку изобретения снабжена поверхностными неровностями, начинающимися у входного участка, занимающими всю ширину и длину канала и создающим завихрения. Благодаря турбулентному потоку увеличивается теплопередача, вследствие чего повышается коэффициент полезного действия патентуемого пластинчатого теплообменника.

В предпочтительном исполнении изобретения эти поверхностные неровности созданы благодаря тому, что каждая отдельная пластина снабжена множеством выдавленных поочередно в ту или другую сторону мелких выпуклостей.

Для того, чтобы и при малых расстояниях между соседними пластинами обеспечить заданное расстояние между ними по всей длине и ширине канала, можно согласно изобретению некоторые из мелких выпуклостей выполнить в виде распорных перемычек для соседних пластин. Такие распорные перемычки можно, наконец, предусмотреть и в зоне выступов типа направляющих лопаток для того, чтобы удерживать отдельные пластина на заданном взаимном расстоянии также и на входном и выходном участках.

На прилагаемых чертежах изображены примеры исполнения патентуемого теплообменника. В частности, показаны:
на фиг. 1 аксонометрическая проекция штабеля пластин, образованного из нескольких отдельных пластин, хотя для большей наглядности выступы типа направляющих лопаток и отдельные мелкие выпуклости не изображены;
на фиг. 2 вид сверху на первый пример исполнения патентуемой отдельной пластины с выступами типа направляющих лопаток и множеством мелких выпуклостей;
на фиг. 3 вид сверху на второй пример исполнения отдельной пластины для прямоточного теплообменника;
на фиг.4 вид сверху на другой пример исполнения отдельной пластины.

Схематически изображенный на фиг. 1 пример исполнения пластинчатого теплообменника показывает штабель пластин 9 из множества отштампованных отдельных пластин 1, соединенных между собой в пары пластин Р.

Каждая отдельная пластина 1 имеет днище 11, которое находится в другой плоскости по отношению к продольным краям 12. Продолжением этих краев 12 является параллельная им стыковая поверхность 13 пластины 1, смещенная по высоте относительно продольных краев 12.

Смещение стыковой поверхности 13 относительно продольных краев 12 превышает вдвое смещение продольных краев 12 относительно днища 11. Вследствие этого днище 11 располагается по высоте посередине между плоскостью продольных краев 12 и плоскостью стыковых поверхностей 13.

Края, расположенные поперек продольных краев 12 пластины 1, находятся в данном примере исполнения примерно на половине своей длины в плоскости продольных краев 12 и на другой половине в плоскости стыковых поверхностей 13. В результате получаются поперечные края 14а и 14б, которые по высоте, т.е. перпендикулярно к поверхности днища 11, смещены на такое же расстояние друг от друга, как плоскости, в которых находятся с одной стороны продольные края 12, а с другой стыковые поверхности 13. Из фиг.1 ясно видно, что при этом поперечные края 14а и 14б располагаются относительно друг друга по диагонали.

Каждый раз две отдельные пластины 1, изображенные на фиг.1 в виде самой верхней части штабеля, соединены согласно нижнему изображению на том же рисунке в пары пластин. На фиг.1 показаны пять комплексных пар пластин Р, причем на самой верхней паре пластин расположена еще одна отдельная пластина 1, которая тоже соединяется в пару с той пластиной 1, которая изображена на расстоянии от нее.

Когда пары пластин Р на участке стыковых поверхностей 13 соединены в штабель пластин S, они образуют расположенные друг над другом каналы для обеих участвующих в теплообмене сред, В то время как одна среда течет по каналам, которые образованы парами пластин Р, вторая среда течет по каналам, которые образованы укладкой пар пластин Р в штабель S.

При этом поперечные края 14а отдельных пластин, лежащие в плоскости продольных краев 12, образуют входное поперечное сечение Z₁ или выходное поперечное сечение A₁ каналов для среды, протекающей между парами пластин Р. Поперечные края 14б отдельных пластин 1, проходящие в плоскости стыковых поверхностей 13, образуют входные поперечные сечения Z₂ или выходные поперечные сечения A₂ каждой пары пластин Р для другой среды, которая течет между отдельными пластинами 1 каждой пары пластин Р в том же или противоположном направлении по отношению к первой среде.

Из фиг.1, изображающей противоточный теплообменник, видно, что вследствие диагонального расположения входных и выходных окон входные поперечные сечения Z₁ и Z₂ для одной среды находятся рядом с выходными поперечными сечениями A₂ и A₁ для другой среды, будучи к тому же смещены на половину высоты пары пластин Р.

Для того, чтобы поступающую в каналы среду, входное поперечное сечение Z₁ и Z₂ которой занимает лишь половину ширины канала, распределить при прохождении возможно более короткого осевого входного участка Е на всю ширину поперечного сечения канала, согласно изображенному на фиг.2 примеру исполнения отдельной пластины 1 на входном участке Е в ней предусмотрены выступы 1 типа направляющих лопаток, проникающие в канал и распределяющие среду, поступающую через входное поперечное сечение Z₁ и Z₂, на всю ширину канала.

В изображенном на фиг. 2 примере исполнения выступы типа направляющих лопаток выполнены в виде угла, входная сторона 21 которого проходит почти параллельно направлению главного потока, а выходная сторона 22 под углом 7-90^o к этому направлению. Благодаря этому получается ряд своего рода направляющих лопаток, как показано в верхней части рис.2.

Для того, чтобы избежать застойных зон в левой верхней части канала согласно фиг.2, следует предпочтительно выступы 2, образованные в середине отдельной пластины 1, выполнить с удлиненными выходными сторонами 22. Кроме того, целесообразно входные концы выступов расположить под углом к направлению главного потока, причем в середине длины отдельной пластины выступы 2 типа направляющих лопаток расположены ближе к входному поперечному сечению, чем у края пластин 1.

В изображенном на фиг.2 примере исполнения противоточного теплообменника выступы 2 типа направляющих лопаток образованы путем одностороннего выдавливания пластин 1, причем выступы 2, показанные штриховыми линиями в нижней части изображения, проникают каждый раз в другой канал, ограниченный той же отдельной пластиной 1.

Благодаря этому получаются проникающие в соответствующий канал с обеих стороны выступы 2, причем между этими противоположными выступами 2 образуется определенная щель, которая позволяет частично омывать потоком выступы 2, вследствие чего затрудняется засорение входных участков Е средой, содержащей твердые частицы.

Для того, чтобы повысить интенсивность теплообмена пластинчатого теплообменника, оснащенного отдельными пластинами 1 согласно фиг.2, в примере исполнения, показанном на этом рисунке, каждая отдельная пластина 1 снабжена множеством мелких выпуклостей 31,32, проникающих в канал, занимающих всю его ширину и длину и начинающихся у входного участка Е.

Эти мелкие выпуклости 31,32 выдавлены поочередно в ту и другую сторону отдельной пластины 1. Выпуклости 31, показанные на виде сверху согласно фиг. 2, обозначены кружочками, а выпуклости 32, находящиеся на противоположной стороне крестиками. Поле мелких выпуклостей 31 и 32, имеющихся в обоих соседних каналах и выполняющих роль поверхностей неровностей, создает турбулентный поток по всей длине и ширине каналов, благодаря чему в данном пластинчатом теплообменнике повышается интенсивность теплообмена.

Точками и более крупными кружочками показано, что некоторые из мелких выпуклостей 31 и 32 могут послужить распорными перемычками для соседних отдельных пластин 1. Такие распорные перемычки можно создать и на участке выступов 2 типа направляющих лопаток, как это показано на фиг.2 кружочками. Эти распорные перемычки примыкают к распорным перемычкам соседних отдельных пластин, благодаря чему заданное расстояние между соседними отдельными пластинами 1 сохраняется и в неблагоприятных условиях.

На фиг.3 показана отдельная пластина 1 теплообменника, по каналам которого проходят прямотком обе среды. В связи с этим выступы 2 типа направляющих лопаток, выдавленные в одну сторону, являются зеркальным отображением выступов 2, выдавленных в другую сторону. Здесь направление потока одной среды обозначено сплошной стрелкой, а второй среды штриховой стрелкой.

Наконец, на фиг. 4 показана отдельная пластина 1, предназначенная тоже для прямоточного теплообменника, но в которой выступы 2 типа направляющих лопаток находятся не только на входном участке Е, но и в выходном участке А, причем на выходном участке эти выступы тоже являются зеркальным отображением выступов 2 во входном участке Е.

Список условных обозначений
A выходной участок
A₁ выходное поперечное сечение
A₂ выходное поперечное сечение
E входной участок
P пара пластин
S штабель пластин
Z₁ входное поперечное сечение
Z₂ входное поперечное сечение
1 отдельная пластина
11 днище
12 продольный край
13 стыковая поверхность
14а поперечный край
14б поперечный край
2 выступ
21 входная сторона угла
22 выходная сторона угла
31 мелкая выпуклость
32 мелкая выпуклость ЫЫЫ2

Использование: в теплоэнергетике, химической, пищевой и других отраслях. Сущность изобретения: пластинчатый теплообменник имеет прямоточные или противоточные каналы, которые образованы, с одной стороны, отдельными пластинами 1, соединенными в пары пластин, а с другой стороны, уложенными в штабель парами пластин. Для того, чтобы среды, поступающие через входные поперечные сечения, распределитель при прохождении короткого осевого входного участка на всю ширину канала, отдельные пластины снабжены выступами 2 типа направляющих лопаток, которые погружены в каналах по крайней мере с одной стороны. Для улучшения интенсивности теплообмена можно снабдить отдельные пластины поверхностными неровностями, начинающимися у входного участка и занимающими всю ширину и длину канала, предпочтительно в виде множества мелких выпуклостей для того, чтобы создать завихрения в каналах. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пластинчатый теплообменник с прямоточными или противоточными каналами между отдельными пластинами, соединенными между собой попарно, а для другой среды между парами пластин, уложенными в штабель, причем все пластины соединены между собой попарно по краям, проходящим параллельно направлению главного потока, входные и выходные поперечные сечения в каждом проточном канале расположены в направлении главного потока по диагонали друг относительно друга, а непосредственно примыкающие друг к другу входные и выходные поперечные сечения для одной среды смещены относительно соседних выходных и входных поперечных сечений, а для другой среды на половину высоты входных и выходных поперечных сечений, отличающийся тем, что отдельные пластины по меньшей мере на входном участке каждого проточного канала снабжены выступами в виде направляющих лопаток, по крайней мере с одной стороны входящими в проточный канал и распределяющими поступающую через входное поперечное сечение среду по всей ширине проточного канала, каждая из которых выполнена в виде уголка, входная сторона которого проходит параллельно направлению главного потока, а выходная сторона проходит под углом 7 90° к направлению главного потока, причем направляющие лопатки установлены с зазором по отношению к противолежащей стенке проточных каналов. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере некоторая часть направляющих лопаток, предпочтительно та часть, которая расположена в середине длины отдельных пластин, выполнена с удлиненными выходными сторонами. 3. Теплообменник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что между противоположными выступами направляющих лопаток образована щель и входные концы выступов лопаток расположены под углом к направлению главного потока, причем выступы направляющих лопаток в середине длины отдельных пластин расположены ближе к входному поперечному сечению, чем выступы у края пластин. 4. Теплообменник по одному из пп. 1 3, отличающийся тем, что выступы направляющих лопаток на выходном участке каждой отдельной пластины расположены зеркально по отношению к аналогичным выступам на входном участке. 5. Теплообменник по одному из пп. 1 4, отличающийся тем, что каждая отдельная пластина снабжена поверхностными выпуклостями, начинающимися у входного участка, занимающими всю длину и ширину канала и создающими завихрения. 6. Теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что каждая отдельная пластина снабжена множеством выдавленных поочередно в ту и другую сторону мелких выпуклостей. 7. Теплообменник по п. 5 или 6, отличающийся тем, что некоторые из мелких выпуклостей выполнены в виде распорных перемычек для соседних отдельных пластин. 8. Теплообменник по одному из пп. 5 7, отличающийся тем, что отдельные распорные перемычки расположены также и на участке выступов направляющих лопаток.