КОЖУХОПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения или нагрева различных сред, а также для конденсации и испарения.

Известны теплообменники пластинчатого типа, у которых пластины имеют по 4 отверстия для входа и выхода каждого теплоносителя. Каждая пластина обтекается теплоносителями с обеих сторон в противотоке. Теплообменный пакет собирается из пластин и герметично уплотняется с помощью прокладок или пайки [1].

Недостатки теплообменника заключаются в необходимости применения материала большей, чем по условиям прочности, толщине для сжатия прокладок, либо в проблеме очистки от загрязнений неразборного паяного теплообменника. В первом случае увеличивается стоимость изготовления, а во втором - стоимость эксплуатации.

При использовании прокладок усложняется конструкция пластины. Применение таких теплообменников ограничено прочностью и теплостойкостью материала прокладки.

Паяная конструкция при высокой жесткости и малой податливости конструкции подвержена образованию трещин при больших градиентах температур.

Другие недостатки теплообменников с четырьмя отверстиями:
- практически одинаковые размеры отверстий для каждого типоразмера пластин позволяют эксплуатировать их при одинаковых расходах теплоносителей; теплообмен происходит при равенстве водяных эквивалентов, что снижает эффективность теплообменника,
- требуемая предварительная стяжка разборных теплообменников для обеспечения герметичности прокладок требует применения плит большой толщины, а также увеличения диаметра и количества шпилек и поэтому применение таких теплообменников ограничено невысокими давлениями сред,
- усложнение технологии при пайке (обезжиривание, промывка, осушка деталей, сложность контроля процесса пайки и др.).

Известны кожухотрубчатые теплообменники, состоящие из кожуха (корпуса) и пучка труб, закрепленных сваркой или другими способами в трубной доске [2]. Теплоносители в таком теплообменнике подаются внутрь труб и в корпус (межтрубное пространство). Пакет труб (трубчатка) может демонтироваться из корпуса.

Недостатки трубчатого теплообменника в его малой компактности и низкой эффективности теплопередающей поверхности. Различная толщина стенок труб, трубной доски и корпуса вследствие различных тепловых расширений при нагревании и охлаждении ограничивают область применения по температуре и давлению, либо требует введения различных компенсаторов, усложняющих конструкцию.

Известен пластинчатый теплообменник, содержащий корпус с устройствами для подвода и отвода одного теплоносителя, а также установленный в корпусе пакет соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин, у которого корпус включает соединенные стяжными элементами прижимные плиты, между которыми установлен пакет пластин [3].

Такое техническое решение по совокупности существенных признаков наиболее близко данному изобретению и принято в качестве прототипа.

Недостаток теплообменника в том, что его применение ограничено сравнительно невысоким уровнем давлений и температур теплоносителей.

Задачей данного изобретения является расширение области применения теплообменников в сторону увеличения температур и перепадов давлений; значительное повышение эффективности по сравнению с трубчатыми теплообменниками; улучшение эксплуатационных характеристик по сравнению с пластинчатыми теплообменниками.

Решение задачи достигается тем, что теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, согласно изобретению корпус выполнен в виде пустотелого цилиндра с фланцами, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин снабжен присоединенными к пакету двумя крышками, одна из которых крепится непосредственно к фланцу корпуса, а вторая, подвижно расположенная в корпусе, опирается на кольцевую плиту, прикрепленную к другому фланцу корпуса, пластины имеют форму круга со срезанными сегментами, а подвод и отвод в (из) пакет(а) теплоносителя осуществляется по приваренным к пакету штуцерам, с помощью которых пакет пластин присоединяется к крышкам, а подвод и отвод второго теплоносителя в (из) корпус(а) происходит через отверстия на боковой поверхности корпуса; теплообменник может быть выполнен так, что пакет гофрированных пластин прикрепляется непосредственно к крышкам или через промежуточные пластины; теплообменник может быть выполнен так, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителей; теплообменник может быть выполнен так, что для увеличения прочности конструкции пакет содержит дополнительно крайние пластины, выполненные из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой штуцера пакета к обеим пластинам, или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской; теплообменник может быть выполнен так, что приварка штуцера осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин; теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, может быть выполнен так, что корпус выполнен в виде цилиндрического сосуда с одним фланцем, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин снабжен присоединенной к пакету крышкой, которая крепится к фланцу, пластины имеют форму круга со срезанными сегментами, штуцера подвода и отвода теплоносителя в пакет соединены с крышкой и днищем сосуда с возможностью разъема, а патрубки подвода и отвода второго теплоносителя присоединены к цилиндрической поверхности корпуса; теплообменник может быть выполнен так, что пакет гофрированных пластин прикрепляется непосредственно к крышке или через промежуточную пластину; теплообменник может быть выполнен так, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителей; теплообменник может быть выполнен так, что для увеличения прочности конструкции пакет содержит дополнительно две крайние пластины, выполненные из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой штуцера пакета к обеим пластинам, или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской; теплообменник может быть выполнен так, что приварка каждого штуцера осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин; теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, может быть выполнен так, что корпус выполнен в виде цилиндрической обечайки без фланцев, закрыт с обоих торцов съемными крышками и стянут шпильками, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин прикреплен к крышкам с помощью штуцеров подвода и отвода первого теплоносителя, а отверстия подвода и отвода второго теплоносителя располагаются в крышках; при этом пластины имеют форму круга со срезанными сегментами, теплообменник может быть выполнен так, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителя; теплообменник может быть выполнен так, что для увеличения прочности конструкции крайние пластины пакета выполнены из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой патрубка пакета к обеим пластинам, или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской; теплообменник может быть выполнен так, что из двух пластин крайняя пластина выполнена без гофрирования; теплообменник может быть выполнен так, что приварка патрубка пакета осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин.

На фиг.1 представлен общий вид кожухопластинчатого теплообменника с двумя крышками, одна из которых подвижна; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 - общий вид кожухопластинчатого теплообменника с одной съемной крышкой; на фиг.4 - общий вид кожухопластинчатого теплообменника с двумя съемными крышками; на фиг.5 - крепление к двум гофрированным пластинам штуцера подвода теплоносителя к пакету; на фиг.6 - крепление штуцера к гофрированной и плоской пластинам; на фиг.7 - крепление штуцера к трем гофрированным пластинам; на фиг. 8 - крепление пакета гофрированных пластин к крышке через промежуточную пластину.

Кожухопластинчатый теплообменник состоит из корпуса 1 и пакета 2 гофрированных пластин 3 (фиг.1-4). Выбор конструкции корпуса определяется величиной расходов, уровнем давлений и температур, состоянием сред, подаваемых в теплообменник.

Пакет 2 теплообменника образован набором сваренных по наружным отбортовкам 4 и отбортовкам 5 отверстий 6, 7 гофрированных пластин 3 (фиг.2) с образованием чередующихся каналов для теплоносителя, подаваемого в полость пакета 2, и теплоносителя, подаваемого в корпус 1 теплообменника. Отверстия 6, 7 предназначены для подвода и отвода теплоносителя в (из) полость (и) пакета и одновременно являются раздающим и сборным коллекторами. Пластины 3 имеют форму круга со срезанными сегментами. При монтаже пакета 2 в цилиндрическом корпусе 1 образуются полости 8, 9, играющие роль распределительного и сборного коллекторов для теплоносителя, подаваемого в корпус 1.

Кожухопластинчатый теплообменник по первому варианту выполнения с двумя крышками, присоединенными к пакету, одна из которых подвижна и опирается на кольцевую плиту (см. фиг.1), предназначен для эксплуатации преимущественно в качестве газожидкостных и парожидкостных подогревателей (охладителей) газов и жидкостей при температурах сред до 200-300^oС, при давлении теплоносителя, подаваемого в корпус, до 400 атм. Он содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндрической обечайки 10 с торцовыми фланцами 11, 12, и размещенный в корпусе 1 с возможностью демонтажа пакет 2 пластин 3 с присоединенными к пакету двумя крышками 13, 14, одна из которых 13 крепится непосредственно к фланцу 11 корпуса 1, а вторая крышка 14, подвижно расположенная в корпусе 1, опирается на кольцевую плиту 15, прикрепленную к фланцу 12 корпуса 1. Подвод и отвод теплоносителя к пакету 2 осуществляется по приваренным к пакету 2 штуцерам 16, 17, с помощью которых он присоединяется к крышкам 13, 14, а подвод и отвод теплоносителя к корпусу - через резьбовые втулки 18, 19, присоединенные к цилиндрической обечайке 10 корпуса 1. Штуцера 16, 17 присоединены к крышкам 13, 14 с возможностью разъема.

Теплообменник работает следующим образом.

Теплоноситель в пакет 2 гофрированных пластин 3 подается трубопроводом (не показан), подсоединяемым к фланцу 20, через штуцер 16 в пакет 2, где происходит теплообмен с теплоносителем, который течет по трубопроводу (не показан), подсоединяемому к корпусу 1 с помощью резьбовой втулки 18. Выход теплоносителей конструктивно аналогичен входу и осуществляется посредством втулки 19, штуцера 17 и фланца 21.

Герметичность соединения фланцев 11, 12 корпуса 1 с крышкой 14 и кольцевой плитой 15 обеспечивается с помощью прокладок 22, 23, а герметичность соединения штуцеров 16, 17 с крышками 13, 14 - с помощью сальниковых уплотнений (фиг.2). Это позволяет производить демонтаж пакета 2 из корпуса 1 для очистки от загрязнений или для ремонта.

Кожухопластинчатый теплообменник по второму варианту выполнения с одной съемной крышкой (фиг.3) предназначен для работы при температурах до 700^oС и давлениях в корпусе до 100 атм в качестве газожидкостных и парожидкостных подогревателей (охладителей) газов и жидкостей. Его корпус 1 выполнен в виде цилиндрического сосуда 24 с одним фланцем 11 и днищем 25, пакет 2 пластин 3 имеет одну крышку 13, которая крепится к фланцу 11 корпуса 1, а штуцера подвода 16 и отвода 17 теплоносителя соединены соответственно с крышкой 13 и днищем 25 сосуда 24 с возможностью разъема. Подвод теплоносителя в корпус осуществляется по патрубкам 26, а отвод по патрубкам 27, приваренным к боковой поверхности корпуса 1, что позволяет иметь достаточно большое проходное сечение. Принцип его работы аналогичен принципу работы вышеописанного теплообменника.

Кожухопластинчатый теплообменник по третьему варианту выполнения с двумя съемными крышками (фиг.4) предназначен для работы в условиях небольших градиентов температур (до 120^oС) и давлений (до 10-12 атм) преимущественно в качестве водо-водяных, пароводяных и газоводяных теплообменников для горячего водоснабжения и отопления. Корпус 1 выполнен в виде цилиндрической обечайки 10 без фланцев, закрыт с обоих торцов крышками 13, 14 и стянут шпильками 28, а подвод и отвод обоих теплоносителей осуществляется через отверстия 29, 30 в крышках 13, 14 и отверстия 31, 32, также расположенных на крышках 13, 14.

Принцип работы аналогичен принципу работы теплообменника по первому варианту.

Все три варианта теплообменников могут быть выполнен так, что в корпусе установлены кольцевые перегородки 33 со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителя, для увеличения прочности конструкции крайние пластины пакета 2 выполнены из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин 3, сваренных по наружным отбортовкам 4 с приваркой штуцеров 16, 17 пакета к обеим пластинам 3 (фиг.5), из двух пластин 3 крайняя пластина 34 может быть выполнена без гофрирования (фиг.6), приварка штуцеров 16, 17 пакета 2 осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин 3 (фиг.7). Присоединение одной из крышек 13 или 14 к пакету 1 может быть выполнено без штуцеров с помощью промежуточной пластины 35.

Источники информации
1. Свежие идеи нового тысячелетия. Полусварные теплообменники АЛЬФА ЛАВАЛЬ. Холодильная техника, 4, с. 20-21.

2. Справочник по теплообменникам. Перевод с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. М.: Энергоатомиздат, 1987, том 2, с. 5-6.

3. Патент Российской Федерации 2100733, кл. 6 F 28 D 9/00, B 21 D 53/04.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред, а также в качестве конденсаторов и испарителей. Кожухопластинчатый теплообменник содержит корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, причем в зависимости от уровня давления и температуры среды корпус может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра с двумя фланцами, с одним фланцем или без фланцев, пакет пластин, расположенный в корпусе с возможностью демонтажа, снабжен двумя или одной крышкой, подвод (отвод) теплоносителя в пакет осуществляется по приваренным к пакету штуцерам; предложены различные варианты соединения штуцеров к пластинам. Изобретение позволяет расширить область применения теплообменников при повышении температур и при перепадах давления. 3 с. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кожухопластинчатый теплообменник, содержащий корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде пустотелого цилиндра с фланцами, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин снабжен присоединенными к пакету двумя крышками, одна из которых крепится непосредственно к фланцу корпуса, а вторая, подвижно расположенная в корпусе, опирается на кольцевую плиту, прикрепленную к другому фланцу корпуса, пластины имеют форму круга со срезанными сегментами, а подвод и отвод в (из) пакет (а) теплоносителя осуществляется по приваренным к пакету штуцерам, с помощью которых пакет пластин присоединяется к крышкам, а подвод и отвод второго теплоносителя в (из) корпус(а) происходит через отверстия на боковой поверхности корпуса. 2. Кожухопластинчатый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пакет гофрированных пластин прикрепляется непосредственно к крышкам или через промежуточные пластины. 3. Кожухопластинчатый теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителя. 4. Кожухопластинчатый теплообменник по п.1 или 3, отличающийся тем, что для увеличения прочности конструкции пакет содержит дополнительно крайние пластины, выполненные из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой штуцера пакета к обеим пластинам или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской. 5. Кожухопластинчатый теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что приварка штуцера пакета осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин. 6. Кожухопластинчатый теплообменник, содержащий корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндрического сосуда с одним фланцем, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин снабжен присоединенной к пакету крышкой, которая крепится к фланцу, пластины имеют форму круга со срезанными сегментами, штуцеры подвода и отвода теплоносителя в пакет соединены с крышкой и днищем сосуда с возможностью разъема, а патрубки подвода и отвода второго теплоносителя присоединены к цилиндрической поверхности корпуса. 7. Кожухопластинчатый теплообменник по п.6, отличающийся тем, что пакет гофрированных пластин прикрепляется непосредственно к крышке или через промежуточную пластину. 8. Кожухопластинчатый теплообменник по п.6 или 7, отличающийся тем, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителя. 9. Кожухопластинчатый теплообменник по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что для увеличения прочности конструкции пакет содержит дополнительно крайние пластины, выполненные из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой штуцеров пакета к обеим пластинам или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской. 10. Кожухопластинчатый теплообменник по п. 9, отличающийся тем, что приварка штуцеров пакета осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин. 11. Кожухопластинчатый теплообменник, содержащий корпус и пакет гофрированных пластин, соединенных между собой по внешним отбортовкам и отбортовкам двух отверстий, образующих раздающий и сборный коллекторы первого теплоносителя, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндрической обечайки без фланцев, закрыт с обоих торцов съемными крышками и стянут шпильками, размещенный в корпусе с возможностью демонтажа пакет пластин прикреплен к крышкам с помощью штуцеров подвода и отвода первого теплоносителя, а отверстия подвода и отвода второго теплоносителя располагаются в крышках, при этом пластины имеют форму круга со срезанными сегментами. 12. Кожухопластинчатый теплообменник по п.11, отличающийся тем, что в корпусе установлены кольцевые перегородки со срезанными сегментами для организации многоходовой схемы течения теплоносителя. 13. Кожухопластинчатый теплообменник по п.11 или 12, отличающийся тем, что для увеличения прочности конструкции пакет содержит дополнительно крайние пластины, выполненные из двух вложенных одна в одну гофрированных пластин, сваренных по наружным отбортовкам с приваркой штуцеров пакета к обеим пластинам или две пластины, крайняя из которых выполнена плоской. 14. Кожухопластинчатый теплообменник по п. 13, отличающийся тем, что приварка штуцеров пакета осуществляется к одной крайней и паре предыдущих пластин.