ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D9/00 F28F3/04 

Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику для сред, движущихся прямоточно или в противотоке.

Такие пластинчатые теплообменники известны, они состоят из полученных методом объемной штамповки отдельных пластин, соединенных друг с другом в проточный канал для одной из сред, которые со своей стороны объединяются в блок (штабель) пластин и образуют между собой соответственно проточный канал для другой среды. При этом поперечные сечения приточных и отводящих потоков каждого проточного канала смещены друг относительно друга по диагонали относительно направления основного потока. Приточные и отводящие поперечные сечения каналов для двух сред лежат рядом друг с другом, однако смещены друг относительно друга на половину высоты поперечного или отводящего поперечного сечения каналов.

В основу изобретения положена задача таким образом модифицировать пластинчатый теплообменник описываемого выше вида, что достигается при полном разделении участвующих в теплообмене сред и при уменьшенной потере давления при проходе сред, требующая меньше площади и компактная конструкция, которая делает возможным применение однотипных модулей для индивидуальной подгонки теплообменных поверхностей и материалов и соответствует условиям эксплуатации и наряду с хорошей доступностью для целей обслуживания создает простую возможность смены модулей при ремонте.

Решение задачи по изобретению отличается тем, что множество однотипных штабелей пластин расположено непосредственно друг около друга, что приточное и отводящее поперечное сечение каждого штабеля пластин отделены друг от друга средней стенкой, проходящей по всей длине штабеля, что средние стенки соседних штабелей пластин соответственно соединены перекрывающей стенкой в общий сборный канал и что эти сборные каналы попеременно и при подключении приточных или отводящих поперечных сечений двух концевых пластинчатых штабелей соединены с общим приточным или отводящим патрубком для соответственно одной из двух сред.

Благодаря этому изобретенному исполнению работающего при прямоточных или противоточных потоках пластинчатого теплообменника получается требующая очень мало площади и компактная конструкция, так как теплообменник образуется несколькими однотипными пластинчатыми штабелями (штабелями из пластин), которые расположены непосредственно рядом друг с другом. Благодаря этому для изобретенного пластинчатого теплообменника требуется минимально возможная площадь опоры, потому что отсутствуют промежутки между отдельными пластинчатыми штабелями для притока или отвода сред, участвующих в теплообмене. Благодаря числу соответственно расположенных рядом друг с другом в виде модулей пластинчатых штабелей простым образом может быть согласована величина поверхности теплообмена с соответствующей потребностью.

Так как каждый пластинчатый штабель из отдельных пластин, полученных методом объемной штамповки, соединены друг с другом в пары пластин, которые со своей стороны собираются в пластинчатый штабель, то изобретенный теплообменник простым и экономичным образом путем применения соответствующих материалов или покрытий отдельных пластин может быть приспособлен для условий эксплуатации, так что пластинчатый теплообменник по изобретению может применяться, например, также для агрессивных сред и сред, несущих частички твердых веществ. Так как одна из сред направляется по проточным каналам, которые создаются за счет образования пар пластин, а каналы для другой среды возникают из-за соединения пластинчатых пар в пластинчатый штабель, то получается разделение участвующих в теплообмене сред без (взаимного) проскальзывания, благодаря чему исключается выделение вредных компонентов из-за утечек или передачи твердого вещества.

Так как направленные по отношению друг друга в прямотоке или в противотоке среды проводятся без отклонения в расположенных рядом друг с другом пластинчатых штабелях, то изобретенный пластинчатый теплообменник работает с небольшими потерями давления и относительно низкими скоростями газа, а также без приводов и подвижных деталей, так что не создается никакого дополнительного шума. Даже при создании возможно необходимых очистных сооружений достаточна тем самым обычная звукоизоляция без дорогостоящего закрытия (капсулирования) пластинчатого теплообменника.

Пpименение однотипных модулей и максимально двух различных отдельных пластин делает возможным экономичное изготовление и простой монтаж, кроме того, оно обеспечивает согласование поверхности теплообмена с соответствующими условиями эксплуатации, потому что изобретенный пластинчатый теплообменник может особенно просто в части его производительности при теплообмене изменяться, с одной стороны, путем изменения числа собранных в пластинчатый штабель отдельных пластин и, с другой стороны, путем изменения числа расположенных рядом друг с другом пластинчатых штабелей.

Благодаря разделению поперечных сечений приточного и отводящего канала каждого пластинчатого штабеля с помощью центральной перегородки, проходящей по всей длине штабеля, и объединению этих центральных перегородок соседних пластинчатых штабелей с помощью перекрывающей стенки в общий сборный канал при простейшей конструкции получаются желательные условия притока и отвода участвующих в теплообмене сред к(от) образованным (-x) пластинчатыми штабелями поверхности (-ей) теплообмена. Так как соединяемые в общие сборные каналы центральные перегородки и закрывающие стенки могут быть удалены без проблем, то получается хорошая доступность к пластинчатым штабелям для задач обслуживания и ремонта, причем ремонт облегчается тем, что могут заменяться скомплектованные модули. Образованные центральными перегородками и перекрывающими стенками сборные каналы обеспечивают наряду с направленным течением без потерь и с хорошей доступностью, также возможность для монтажа необходимого при известных условиях очистительного устройства. Далее, при этом обеспечивается то преимущество, что процесс очистки может происходить в направлении протекания и что существует возможность направлять средство для очистки, например, воздух, перегретый пар или воду вертикально сверху через пластинчатый штабель, так что не возникает никаких проблем при улавливании средства для очистки уже засоренного отходами.

Так как сборные каналы попеременно и при привлечении приточных и отводящих поперечных сечений двух концевых пластинчатых штабелей соединены с общими приточным и отводящим штуцерами (патрубками) для соответственно одной из двух сред, то выполненный по изобретению пластинчатый теплообменник допускает несколько возможностей для притока и отвода сред, участвующих в теплообмене. Согласно дополнительным признакам изобретения приточные патрубки для каждой среды могут быть расположены на том же конце лежащих рядом друг с другом пластинчатых штабелей или, соответственно, на другом конце лежащих рядом друг с другом пластинчатых штабелей. Тем самым подвод и отвод каждой среды можно осуществлять или на одной и той же стороне пластинчатого теплообменника или можно перекрещивать направление течения внутри пластинчатого теплообменника, а именно независимо от того, направляются ли обе среды в прямотоке или в противотоке или происходит ли подвод снизу или сверху.

Наконец, чтобы избежать застойных полостей внутри образованных центральными перегородками и закрывающими стенками сборных каналов и также создать в связи с этим компактную конструкцию, изобретением предлагается выполнить закрывающие стенки проходящими наклонно.

В графических материалах представлены два примера исполнения изобретенного пластинчатого теплообменника, а именно показывают:
Фиг. 1 вид в перспективе на часть образованного из нескольких единичных пластин пластинчатого штабеля,
Фиг. 2 перспективный вид изготовленного при использовании пластинчатых штабелей по фиг. 1 пластинчатого теплообменника, через который протекают в прямотоке среды, участвующие в теплообмене,
Фиг. 3 соответствующее фиг.2 перспективное изобретение другого пластинчатого теплообменника для сред, проводимых в противотоке.

Представленный схематически на фиг.1 пример исполнения пластинчатого теплообменника показывает в перспективе пластинчатый штабель из множества выштампованных единичных пластин, которые соответственно соединены друг с другом в пластинчатую пару.

Каждая единичная пластина 1 включает в себя днище 11, лежащее в другой плоскости, чем продольные кромки 12. В связи и параллельно к этим продольным кромкам каждая единичная пластина 1 предусмотрена, соответственно, с опорной поверхностью 13, которая смещена по высоте по отношению продольных краев 12. Смещение между опорной поверхностью 13 и сопряженной продольной кромкой 12 удвоенно по величине по сравнению со смещением между продольными кромками 12 и днищем 11. Следовательно, днище 11 по высоте лежат в середине между плоскостью продольной кромки 12 и плоскостью опорных поверхностей 13.

Проходящие поперек к продольным кромкам 12 единичной пластины 1 кромки в примере исполнения проходят приблизительно до половины в плоскости продольных кромок 12 или в плоскости опорных поверхностей 13. Таким образом, получаются поперечные кромки 14,а и 14,в, которые по высоте, т. е. вертикально к плоскости днища 11, смещены на ту же величину по отношению друг к другу, как и плоскости, в которых лежат, с одной стороны, продольные кромки 12 и, с другой стороны, опорные (контактные) поверхности 13. Фиг.1 позволяет четко определить, что при этом поперечные кромки 14,а и 14,в лежат противоположно друг к другу по диагонали.

Соответственно две представленные на фиг.1 в виде самой верхней части единичные пластины 1 соединяются согласно нижнему изображению на фиг.1 в пластинчатые пары Р. На фиг.1 представлено пять комплексных пластинчатых пар Р, причем на самой верхней пластинчатой паре еще расположена единичная пластина 1, которая также соединяется в пластинчатую пару Р с представленной на некотором расстоянии от нее единичной пластиной 1.

Когда пластинчатые пары Р в зоне опорных поверхностей 13 соединяются в пластинчатый штабель S, получаются лежащие друг над другом каналы для двух сред, участвующих в теплообмене. В то время как первая среда течет в проточных каналах, которые соответственно образуются пластинчатыми парами Р, другая среда течет в проточных каналах, которые получаются благодаря соединению пластинчатых пар Р в пластинчатый штабель S, Лежащие в плоскости продольных кромок 12 поперечные кромки 14,а единичных пластин 1 образуют при этом приточное поперечное сечение Z₁, или отводящее поперечное сечение А₁ проточных каналов для текущей между пластинчатыми парами Р среды. Проходящие в плоскости опорных поверхностей 13 поперечные кромки 14,в единичных пластин 1 образуют приточные поперечные сечения Z₂ или отводящие поперечные сечения А₂ для другой среды, которая течет между единичными пластинами 1 каждой пластинчатой пары или в том же направлении или в противоположном направлении к первой среде. Из фиг.1, которая показывает противоточный теплообменник, можно увидеть, что из-за расположения входных и выходных отверстий по диагонали лежат приточные поперечные сечения Z₁ или Z₂ для первой среды рядом с отводящими поперечными сечениями A₂ или A₁ для другой среды, а именно, смещение, соответственно на половину высоты пластинчатой пары Р.

Через представленный на фиг.2 в перспективе пластинчатый теплообменник протекают в совпадающих по направлению потоках две среды I и II, причем среда I, например, является тепловыделяющей средой, а среда II теплопоглощающей средой. Теплообмен между двумя средам I и II происходит в пластинчатых штабелях S, которые согласно фиг.1 образованы из собранных в пластинчатые пары единичных пластин. Эти пластинчатые штабели S расположены непосредственно рядом друг с другом таким образом, что из приточные поперечные сечения Z₁ и Z₂ лежат по вертикали выше отводящих поперечных сечений A₁, A₂, что четко видно из вырова на фиг.2. При этом лежат относящиеся к одной из двух сред I или II приточные и отводящие поперечные сечения смещено по диагонали друг к другу, как это снова вытекает из фиг.1.

Приточные и отводящие поперечные сечения Z₁, Z₂ или A₁, A₂ каждого пластинчатого штабеля S отделены друг от друга центральной перегородкой 21, проходящей по всей длине пластинчатого штабеля S. Центральные перегородки 21 соседних пластинчатых штабелей S соответственно соединены перекрывающей стенкой 22 в общий сборный канал 2. Таким образом эти сборные каналы 2 представляют подвод и отвод для среды I или II к или от соответствующим (-их) двум (-x) соседним (-их) пластинчатым (ых) штабелям (-ей).

К выполненному в виде прямоточного теплообменника пластинчатому теплообменнику по фиг.2 сверху подводится среда I, представленная штрих-пунктирной стрелкой, а именно через приточный патрубок 3₁. Этот приточный патрубок 3₁ соединен с теми сборными каналами 2, которые подводятся сверху к приточным поперечным сечениям Z₁, пластинчатого штабеля S. При протекании через соответственно соседние пластинчатые штабели S соответственно разделяются потоки среды I и поступают в выполненные ниже пластинчатого штабеля S сборные каналы 2, через которые среда I подводится к отводящему патрубку 4₁, который в примере исполнения по фиг.2 расположен ниже приточного патрубка 3₁.

Теплопоглощающая среда II поступает сверху в приточный патрубок 3₂ и попадает отсюда в сборные каналы 2, ведущие к приточным поперечным сечениям Z₂ пластинчатого штабеля S. Также частичные (разделенные) потоки среды II распределяются по пластинчатым штабелям S и поступают в сборные каналы 2, которые снова ведут к отводящему патрубку 4₂, который выполнен ниже по вертикали приточного патрубка 3₂. Чтобы избежать мертвых зон и нежелательных завихрителей внутри пластинчатого теплообменника, перекрывающие стенки 22 сборных каналов выполняются проходящими наклонно, что четко можно увидеть на верхней части фиг.2.

Так как частичные потоки сред I и II проходят вертикально сверху вниз, то может происходить очистка отдельных пластин, образующих пластинчатый штабель S в направлении течения, благодаря чему достигается не только хорошая очистка, но также и простое удаление очищающей среды. Осуществленная в примере исполнения по фиг.2 прямоточная схема движения двух участвующих в теплообмене сред I и II делает возможным получение температуры поверхностей на единичных пластинах, которая предотвращает прилипание твердых частиц при входе сред I и II в пластинчатом штабеле S, а также предотвращает превышение точки росы. Если однако могут существовать продукты отложения сред, то они могут быть собраны в нижележащих сборных каналах 2 и удалены через отводящие патрубки 4₁ и 4₂. Далее, описываемая в связи с фиг.2 прямоточная схема имеет то преимущество, что на единичных пластинах постоянная температура устанавливается не только по ширине пластины, но также и по длине пластины, так что устраняются напряжения, вызванные разницей температур. Представленный на фиг.2 пластинчатый теплообменник в связи с этим особенно хорошо пригоден для рекуперативного теплообмена в связи с установками для очистки дымового газа золоуловителями. Пластинчатый теплообменник на фиг.3 выполнен в виде противоточного теплообменника, в котором телоотдающая среда I согласно штрихпуктирным стрелкам входит сверху в приточный патрубок 3₁ и из этого приточного патрубка 3₁ поступает в соединяемые с этим патрубком сборные каналы 2. Эти сборные каналы 2, которые соответственно образуются центральной перегородкой 21 и перекрывающей стенкой 22, лежат выше приточных поперечных сечений Z₁ пластинчатого штабеля S. Также и в этом случае теплоотдающая среда I делится и удаляется из лежащих на расстоянии друг от друга отводящих поперечных сечений A₁ пластинчатого штабеля S, а именно в находящиеся под ним сборные каналы 2, которые со своей стороны соединены с находящимися на противолежащей стороне отводящим патрубком 4₁.

Теплопоглощающая среда II поступает снизу в приточный патрубок 3₂ и поступает по соответствующим каналам 2 к находящимся на нижней стороне пластинчатого штабеля S приточным поперечным сечениям Z₂. После нагрева среды II в пластинчатом штабеле S, она выходит из отводящих поперечных сечений A₂, поступает в лежащие выше этих отводящих поперечных сечений A₂ сборные каналы 2, которые соединены с отводящим патрубком 4₂. Приток и отвод теплопоглощающей среды II отмечены на фиг.3 вытянутыми стрелками.

Изображения двух пластинчатых теплообменников на фиг.2 и 3 позволяют узнать, что несмотря на очень компактную конструкцию достигается хорошая доступность к пластинчатым штабелям S, которая не только облегчает конструкцию становящихся возможно необходимыми очистных устройств, но и делает возможной хорошую пригодность к ремонту и работам по обслуживанию. Кроме того, оба изображения показывают то, что направление течения двух сред I и II осуществляется по кратчайшему пути и без отклонений, вызывающих потерю давления, так что описываемые пластинчатые теплообменники несмотря на свою компактность имеют высокий КПД.

Перечень позиций
A₁ отводящее поперечное сечение;
A₂ отводящее поперечное сечение;
Р пластинчатая пара;
Z₁ приточное поперечное сечение;
Z₂ приточное поперечное сечение;
I единичная пластина;
II днище;
12 продольная кромка;
13 опорная поверхность;
14 поперечная кромка;
14,в поперечная кромка;
2 сборный канал;
21 центральная (средняя) стенка (перегородка);
22 перекрывающая (закрывающая) стенка;
3₁ приточный патрубок;
3₂ приточный патрубок;
4₁ отводящий патрубок;
4₂ отводящий патрубок;
I теплоотдающая среда;
II теплопоглощающая среда.

Использование: для обмена теплом направляемых в прямотоке или в противотоке сред. Сущность изобретения: теплообменник состоит из полученных методом объемной штамповки единичных пластин, которые соединены друг с другом в образующие проточный канал для одной из сред пластинчатые пары, собранные в пластинчатый штабель и соответственно между собой образуют проточный канал для другой среды. Приточное и отводящее поперечные сечения каждого проточного канала смещены по диагонали друг к другу в направлении основного протекания, а приточные и отводящие поперечные сечения каналов для двух сред лежат рядом друг с другом, однако смещены относительно друг друга на половину высоты приточного или отводящего поперечного сечения каналов. Множество однотипных пластинчатых штабелей S расположено непосредственно рядом друг с другом, при этом приточные и отводящие поперечные сечения Z₁, Z₂, A₁, A₂ каждого пластинчатого штабеля S непосредственно отделены друг от друга проходящей по всей длине штабеля центральной перегородкой 21. Центральные перегородки 21 соседних пластинчатых штабелей соответственно соединены перекрывающей стенкой 22 в общий сборный канал 2. Сборные каналы 2 попеременно и при привлечении приточных или отводящих поперечных сечений двух концевых пластинчатых штабелей S соединены с общим приточным или отводящим патрубками для соответственно одной из двух сред. 3 з.п.ф. 3 ил.

1. Пластинчатый теплообменник для направляемых в прямотоке и противотоке сред, содержащий средства для подвода и отвода теплообменных сред и собранные в штабель попарно скрепленные пластины, каждая из которых получена методом объемной штамповки, с образованием между скрепленными парами пластин каналов для одной среды, а в промежутках между парами смежных каналов для другой среды, смещенных относительно первых каналов на величину, равную половине расстояния между скрепленными пластинами, отличающийся тем, что между смежными каналами в штабеле расположена перпендикулярно плоскости пластин центральная перегородка, при этом теплообменник снабжен расположенными рядом дополнительными штабелями пластин, имеющими конструкцию, идентичную конструкции упомянутого штабеля, а к торцам центральных перегородок штабелей примыкают перекрывающие стенки с образованием общих сборных каналов для сред, причем средства для подвода и отвода сред выполнены в виде приточных и отводящих патрубков, расположенных параллельно плоскости пластин штабелей и сообщенных с соответствующими сборными каналами для сред. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что приточные патрубки сред расположены с одной стороны относительно ряда штабелей, а отводящие патрубки
с противоположной стороны. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что приточный патрубок первой среды и отводящий патрубок второй среды расположены с одной стороны относительно ряда штабелей, а отводящий патрубок первой среды и приточный патрубок второй среды с противоположной стороны. 4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что перекрывающие стенки сборных каналов расположены наклонно относительно плоскости пластин.