ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С РИФЛЕНЫМИ ПЛАСТИНАМИ Российский патент 2002 года по МПК F24H3/08 

Область применения
Представленное изобретение касается пластинчатого теплообменника и, более точно, рифленых пластин, используемых в таких теплообменниках.

Уровень техники
Пластинчатые теплообменники хорошо известны. В общем случае они состоят из корпуса, представляющего собой набор параллельно расположенных пластин. В пластинах проделаны отверстия, через которые пропущены трубы, оси которых обычно расположены перпендикулярно плоскости пластин. Трубы соединены между собой и в них находится первый носитель, проходящий через теплообменник. Второй носитель, обычно воздух, проходит между пластинами. Теплообмен между этими носителями происходит за счет передачи теплоты через пластины и трубы.

Увеличение передачи теплоты достигнуто за счет максимизации площади поверхности пластин, контактирующих с проходящим между ними, носителем и увеличения турбулентности потока носителя. Это было достигнуто за счет использования пластины 10 с чередующимися выступами и впадинами, как это показано на фиг.1. На фиг.2 показан прототип выступов 11. Этот способ увеличения площади поверхности имеет ряд недостатков, из-за которых эффективность работы пластины может уменьшиться. Эти недостатки включают увеличение хрупкости пластины 10 по одной плоскости из-за выступов 11, увеличение вероятности повреждения пластин во время монтажа и увеличение вероятности получения неравномерного корпуса. Каждый из этих недостатков может увеличивать издержки производства и/или уменьшать эффективность работы теплообменника.

Другим фактором, влияющим на теплообмен, является способ соединения труб и пластин. Плотное соединение труб и пластин увеличивает эффективность работы теплообменника. Хорошее соединение трубы и пластины, например паянное соединение или соединение, паянное твердым припоем, является таким образом очень желательным.

Во многих пластинчатых теплообменниках трубы 12 проведены сквозь выровненные трубные отверстия 13 в пластинах. При этом трубы механически расширены за счет забивки так называемой "пули" или расширительного сердечника сквозь каждую трубу. В результате стенки трубы пластически подгоняются к краям отверстий в пластинах, что позволяет сформировать соединение высокой плотности. Таким образом обеспечивается превосходная передача теплоты через соединение пластины и трубы.

В некоторых случаях, однако, расширение трубы непрактично или даже невозможно. В прототипах, например, многорядные теплообменники имеют сотни труб 12, и практически просто невозможно расширить каждую трубу из такого большого количества. А когда трубы имеют поверхность с регулярными впадинами или снабжены другими внутренними турбуляторами или перемычками жесткости, пуля не может быть проведена через них без того, чтобы сгладить впадины и уничтожить эффект турбулентности, который они создают, или разломать перемычки, ослабив тем самым обеспечиваемое ими сопротивление внутреннему давлению. В соответствии с этим были предложены другие решения для достижения такой плотности соединения трубы и пластины, чтобы можно было гарантировать хорошее паянное соединение или соединение, паянное твердым припоем.

Например, отверстия в пластинах на прототипе могут быть частично или полностью окружены манжетой 14. Манжеты 14 прототипа, показанные на фиг.3, имеют складки в том месте, где манжеты 14 переходят в пластины 10. Эти складки 15 не дают манжетам 14 пластины 10 плотно по всей поверхности прижиматься к трубам 12, что в конечном итоге может привести к уменьшению эффективности работы теплообменника из-за отсутствия припоя или твердого припоя в тех местах, где контакт потерян.

По этим и другим причинам эффективность существующих в настоящее время теплообменников данного размера, веса и производственной стоимости нельзя признать полностью удовлетворительной.

Это изобретение призвано преодолеть некоторые из вышеуказанных проблем.

Существенные признаки изобретения
В одном варианте заявленного изобретения пластинчатый теплообменник представлен имеющим множество труб и пластин, каждая пластина которого имеет множество дугообразных рифлений, образующих по крайней мере два ряда, причем в этих рядах также расположено некоторое количество трубных отверстий. Каждая пластина также имеет некоторое множество ребер жесткости трапецеидального сечения, расположенных в ряды между рядами дугообразных рифлений.

Объектом изобретения является способ изготовления такого теплообменника, который может быть использован вместо теплообменника-прототипа данного размера и иметь большую эффективность передачи теплоты по сравнению с теплообменником-прототипом.

Другим объектом изобретения является способ изготовления теплообменника данного размера и уровня эффективности, имеющего более низкий вес, чем конкурирующий теплообменник-прототип.

Еще одним объектом изобретения является способ изготовления пластинчатого теплообменника, в котором манжеты, окружающие трубные отверстия в пластинах, имеют меньше складок, чем манжеты на пластинах у прототипа.

Объектом изобретения является также предоставление производителю возможности выбора для производства одного из нескольких типов корпусов для замены корпусов, собранных из пластин-прототипов.

Еще одним объектом изобретения является также способ изготовления пластинчатого теплообменника, собранного из пластин, которые имеют увеличенную площадь поверхности без потери жесткости пластины.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - это горизонтальная проекция обычно используемой пластины-прототипа.

Фиг.2 - это поперечное сечение по линии 2-2 на фиг.1.

Фиг.3 - это поперечное сечение по линии 3-3 на фиг.1.

Фиг. 4 - это вид корпуса теплообменника, выполненного в соответствии с изобретением.

Фиг.5 - это горизонтальная проекция пластины, выполненной в соответствии с изобретением.

Фиг.6 - это поперечное течение по линии 6-6 на фиг.5.

Фиг.7 - это поперечное сечение по линии 7-7 на фиг.5.

Фиг.8 - это увеличенный вид одной из показанных на фиг.6 манжет.

Фиг.9 - это поперечное сечение по линии 9-9 на фиг.5.

Фиг.10 - это графики зависимости полной производительности теплообменников, имеющих корпуса разных типов, от количества пластин на дюйм, если в качестве теплоносителя, находящегося в трубах, взята вода.

Фиг. 11 изображает ту же самую зависимость, что и на фиг.10, в случае, когда в качестве теплоносителя, находящегося в трубах, взята пятидесятипроцентная смесь этиленгликоля и воды при определенной скорости потока этой смеси.

Фиг.12 изображает ту же самую зависимость, что и на фиг.10 и 11, в случае, когда в качестве теплоносителя, находящегося в трубах, взята пятидесятипроцентная смесь этиленгликоля и воды при другой скорости потока этой смеси.

Фиг.13 - это горизонтальная проекция фрагмента трубы с регулярными впадинами.

Наилучший вариант изобретения
Следует отметить, что представленное изобретение не ограничивается конкретным теплообменником, описанным ниже, и что размеры, данные ниже, приведены только для иллюстрации одного из вариантов изобретения.

Одна из реализаций теплообменника 16, соответствующая настоящему изобретению, показана на фиг.4 и имеет корпус, который включает в себя множество труб 18, пропущенных сквозь некоторое количество параллельно расположенных пластин 20. Трубы 18 связаны друг с другом насадками и коллекторами (нe показаны) таким образом, чтобы сформировать из труб 18 единую систему, имеющую входное отверстие, через которое в нее входит первый носитель из источника, и выходное отверстие, через которое первый носитель выходит из труб 18 и покидает теплообменник.

В одной из реализаций трубы 18 имеют больший размер 0,625" (5/8") и меньший размер 0,076" и могут иметь либо гладкую поверхность, либо поверхность с регулярными впадинами глубиной 0,014". Однако специалисты легко поймут, что в зависимости от потребности могут быть использованы и другие размеры. Трубы 18 располагаются параллельно друг другу и проведены через некоторое количество параллельно расположенных пластин 20, обычно перпендикулярно к плоскости пластин. Трубы 18 обычно имеют регулярные впадины (не показаны) на боковых стенках. Впадины сужают проходное сечение трубы и создают турбулентность в потоке протекающего там первого носителя. Как хорошо известно, при увеличении турбулентности потока увеличивается передача теплоты. Следует однако отметить, что гладкие трубы, то есть трубы без впадин, также могут быть использованы и их применение в одном из вариантов данного изобретения рассматривается специально.

Пластины 20 имеют поверхность со специальным рифлением и выполнены из медных листов, приблизительно 0,003" толщиной, и имеют несколько расположенных на равном расстоянии друг от друга рядов 24 дугообразных рифлений 22, идущих поперек всей пластины (фиг.5). Дугообразные рифления 22 представляют из себя выступы, сформированные прокаткой и/или штамповкой, имеют радиус дуги 0,3125" и в высшей точке выступают над плоскостью пластины 20 на 0,076" (фиг.6).

Трубные отверстия 28 расположены через равные промежутки внутри рядов 24 дугообразных рифлений 22. Трубные отверстия 28 располагаются с промежутком 0,3853" и имеют такие же размеры как и трубы 18, чтобы гарантировать плотный контакт. На фиг.5 каждое трубное отверстие 28 имеет больший размер 0,6300 ± 0,0020" и меньший размер 0,080 ± 0,0020". Соединение пластины и трубы плотно подогнано, при этом манжета 30 пластины 20 плотно облегает поверхность трубы 18. То есть желателен контакт каждой трубы 18 по всей поверхности внутри отверстия 28 и манжеты 30.

Трубные отверстия 28 формируются путем прокатывания штампа по пластине 20 таким образом, чтобы выштамповать трубное отверстие 28 и окружающую его манжету 30, как показано на фиг.6. В процессе штамповки часть пластины 20 выгибается из плоскости пластины 20 и образует манжету 30. На манжете 30 практически отсутствуют складки, и она со всех сторон окружает отверстие 28. Как показано на фиг.8, по сторонам, параллельным большой оси отверстия, форма манжеты 30 определяется формой контура ряда 24 дугообразных рифлений. Часть 31 манжеты 30, находящаяся с меньшей стороны отверстия, в общем случае имеет треугольную форму и направлена практически перпендикулярно плоскости пластины 20, как показано на фиг.9.

На пластине 20 между рядами 24 дугообразных рифлений расположены ряды ребер жесткости, имеющих пирамидальную форму и трапецеидальное сечение. Короткие ребра жесткости 42 и удлиненные ребра жесткости 44 расположены в рядах 40 между рядами 24 дугообразных рифлений и выступают над плоскостью пластины на 0,0160" + 0,0020". Короткие ребра жесткости 42 имеют прямоугольное основание размером 0,0880" х 0,2473" и прямоугольную вершину размеров 0,1993" х 0,0400". Удлиненные ребра жесткости 44 имеют основание 0,3389" х 0,0780" и вершину 0,2909" х 0,0300". И удлиненные и короткие ребра жесткости 42 и 44 располагаются в рядах 40 между рядами 24 дугообразных рифлений (фиг.7). Удлиненные ребра жесткости 44 вытянуты в длину параллельно большой оси отверстий для труб 18. Короткие ребра жесткости 42 расположены между удлиненными ребрами жесткости 44, перпендикулярно этим последним.

Трубы 18 вставляются в трубные отверстия 28 пластины 20 следующим образом. Сначала несколько пластин 20 помещаются в специальную колодку, которая фиксирует их нужным образом в процессе сборки корпуса. Пластины 20 выравниваются таким образом, чтобы соответствующие трубные отверстия 28 находились друг напротив друга. Затем трубы 18 просовываются сквозь выровненные трубные отверстия 28 с выпуклой стороны рифленой пластины. В силу указанных выше размеров трубных отверстий 28 и труб 18 имеет место плотное соединение между пластинами и трубами. За счет того, что манжеты 30 вокруг трубных отверстий 28 формируются внутри ряда дугообразных рифлении 22, на этих манжетах 30 практически отсутствуют складки. За счет этого манжета 30 плотно прилегает к трубам 18. Такое соединение увеличивает прочность конструкции теплообменника и улучшает эффективность теплообмена.

Увеличение эффективности передачи теплоты теплообменников, соответствующих данному изобретению, было проверено компьютерным моделированием передачи теплоты и результатами тестов. На графиках на фиг.10-12 сравниваются эффективность теплообменников с пластинами, как у прототипа (фиг.1), и теплообменников с описанными здесь рифлеными пластинами 20 (фиг.5). Точнее говоря, на каждом графике сравнивается эффективность обмена теплоты пластинчатого теплообменника-прототипа, имеющего семь рядов труб (кривая А), и пластинчатых теплообменников с рифлеными пластинами 20, имеющих четыре и пять рядов труб. Теплообменники с рифлеными пластинами 20 имели либо гладкие трубы, либо трубы с 5 впадинами. Им соответствуют следующие кривые:
Кривая - Теплообменник
В - Четыре ряда труб, гладкая труба
С - Пять рядов труб, гладкая труба
D - Четыре ряда труб, труба с впадинами
Е - Пять рядов труб, труба с впадинами
Кривые, сгенерированные компьютером, помечены как "О", а кривые, полученные в результате реальных тестов, помечены как "X".

Эффективность теплообмена на фиг.10-12 измерена в БТЕ с контролем качества (ККБТЕ). ККБТЕ график получается путем складывания количества теплоты, отведенной в рабочей точке, для каждой из трех стандартных веерных кривых. Подсчет количества отведенной теплоты основан на введении потенциала температуры в 100^oF, где потенциал определяется как разница между средней температурой теплоносителя и температурой входящего воздуха. Возникающий в результате график в ККБТЕ представляет полную эффективность конструкции и имеет размерность БТЕ в минуту на квадратный фут при потенциале в 100^oF. Тип носителя и скорость его потока должны быть одними и теми же для каждого из сравниваемых теплообменников.

Следует отметить, что для любого заданного количества рядов труб 24 и пластин на дюйм, эффективность передачи теплоты теплообменников с рифлеными пластинами 20 выше эффективности теплопередачи теплообменников-прототипов с обычными пластинами 10. Кроме того, при увеличении числа пластин на дюйм эффективность теплопередачи и тех и других теплообменников увеличивается. При этом у теплообменников с улучшенными рифлеными пластинами 20 при увеличении числа пластин на 5 дюйм эффективность растет быстрее, чем у теплообменников-прототипов, изображенных на фиг.1.

Эти данные говорят о том, что представленная рифленая пластина 20 позволяет достигать более высокой эффективности передачи теплоты, чем предшествующая пластина-прототип 10, при любой заданной конфигурации теплообменника.

Далее из фиг.10-12 видно, что при высокой скорости потока воды использование труб с впадинами не сильно улучшает эффективность. На фиг.13 показана проекция трубы 12, имеющей впадины 50 с одной стороны и впадины 52 с противоположной стороны. Впадины 50 и 52 вогнуты во внешнюю сторону труб. Кроме того, впадины 50 на одной стенке расположены в шахматном порядке относительно впадин 52 на противоположной стенке с тем, чтобы заставить теплоноситель внутри труб двигаться зигзагообразно и увеличить его турбулентность. Использование таких труб со впадинами позволяет существенно увеличить эффективность теплообмена в том случае, когда в качестве теплоносителя используется пятидесятипроцентная смесь этиленгликоля и воды, особенно при невысокой скорости потока смеси. Это заключение верно для любых типов рассмотренных теплообменников.

Эти кривые показывают, что производитель имеет несколько возможностей при замене радиатора предшествующего типа радиатором, в котором используются представленные здесь рифленые пластины 20, с тем, чтобы достигнуть той же самой или лучшей эффективности. Например, из фиг.11 следует, что теплообменник-прототип, имеющий 11 пластин на дюйм и пятидесятипроцентную смесь этиленгликоля и воды в качестве теплоносителя со скоростью потока смеси 192 Ibs. в минуту может быть заменен на теплообменник с девятью пластинами на дюйм и четырьмя рядами гладких труб или теплообменник с семью пластинами на дюйм и пятью рядами гладких труб. Если используются трубы с впадинами, то и количество пластин на дюйм и число рядов труб может быть еще более уменьшено. Полученный в результате теплообменник будет тоньше предшествующего радиатора и будет меньше весить. Можно также предположить, что удешевятся его производство и транспортировка.

Из вышесказанного следует, что теплообменник, сделанный с использованием рифленых пластин, соответствующих данному изобретению, имеет много преимуществ по сравнению с существующими прототипами. Во-первых, теплообменник с рифлеными пластинами может заменить теплообменник-прототип того же самого размера и веса, увеличив при этом эффективность передачи теплоты по сравнению с теплообменником-прототипом. Во-вторых, пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами с данным уровнем эффективности теплообмена будет иметь более низкий вес по сравнению с теплообменником-прототипом такой же мощности. Кроме того, поскольку рифленая пластина имеет ребра жесткости, а не сплошную гофрировку по всей поверхности, рифленая пластина имеет большую устойчивость и жесткость по сравнению с пластиной-прототипом. Это качество позволяет уменьшить количество дефектов и задержек, возникающих при сборке теплообменника. Ребра жесткости могут также увеличить турбулентность второго носителя.

Вышеизложенное описание конкретных вариантов изобретения предназначено быть иллюстрацией широких возможностей, которые охватывает данное изобретение.

Изобретение предназначено для применения в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник имеет некоторое множество труб, пропущенных через набор рифленых пластин, в общем случае перпендикулярно им. Пластины имеют трубные отверстия. Эти отверстия расположены в рядах и окружены манжетами, не имеющими складок. Пластины имеют также некоторое количество коротких и удлиненных ребер жесткости, расположенных между рядами отверстий. Ряды отверстий расположены на рядах дугообразных рифлений пластин. Изобретение позволяет повысить эффективность работы существующих пластинчатых теплообменников. 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами, состоящий из труб и пластин, причем упомянутые пластины имеют дугообразные рифления, располагающиеся поперек пластины по крайней мере в два ряда, разделенные промежутком, причем упомянутые дугообразные рифления имеют трубные отверстия, окруженные манжетами и имеющие такую форму, чтобы упомянутые трубы в них помещались, и взаимно перпендикулярные ребра жесткости, расположенные на указанной пластине между упомянутыми рядами трубных отверстий. 2. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами по п. 1, в котором каждое трубное отверстие окружено манжетой. 3. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами по п. 1, в котором ребра жесткости выступают над плоскостью пластины. 4. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами по п. 1, в котором упомянутые трубы имеют впадины в стенках. 5. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами, состоящий из труб и пластин, причем упомянутые пластины имеют дугообразные рифления, располагающиеся поперек пластины по крайней мере в два ряда, разделенные промежутком, упомянутые дугообразные рифления имеют овальные трубные отверстия, окруженные манжетами и имеющие также большую и малую оси, чтобы вместить упомянутые трубы, и ребра жесткости трапецеидального сечения, расположенные в ряд между упомянутыми рядами трубных отверстий, причем имеется два типа упомянутых ребер жесткости: удлиненные ребра жесткости, расположенные в общем случае параллельно упомянутым большим осям упомянутых трубных отверстий, и короткие ребра жесткости, расположенные между упомянутыми удлиненными ребрами жесткости, перпендикулярно им. 6. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами по п. 5, в котором упомянутые короткие ребра жесткости расположены между упомянутыми трубными отверстиями внутри смежных рядов труб, а упомянутые удлиненные ребра жесткости расположены между упомянутыми смежными рядами дугообразных рифлений. 7. Пластинчатый теплообменник с рифлеными пластинами по п. 5, в котором упомянутые трубы имеют впадины на стенках.