СЕРДЦЕВИНА ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2009 года по МПК F28D9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к сердцевине теплообменника такого типа, которая выполнена из множества соединенных пластин с каналами, предназначенными для текучих теплоносителей (то есть жидкостей и/или газов) и образованными внутри, по меньшей мере, некоторых пластин.

Уровень техники

Сердцевины теплообменников такого типа, к которым относится настоящее изобретение (см. например US 4665975), иногда называемые сердцевинами теплообменников с печатной схемой, впервые были разработаны автором настоящего изобретения в начале 1980 годов, а их промышленное производство началось с 1985 г. Сердцевины теплообменников с печатной схемой чаще всего обычно создают посредством протравливания (или «химического фрезерования») каналов, имеющих требуемые формы и профили на поверхности отдельных пластин, а также пакетирования и диффузионного соединения пластин для формирования сердцевин, имеющих размеры, требуемые для конкретных случаев применения. Хотя размеры пластин и каналов могут существенно изменяться для того, чтобы они отвечали, например, требованиям касательно разного режима работы, окружающей среды, выполнения определенных функций и эксплуатационных характеристик, пластины обычно могут быть выполнены из теплостойкого сплава, например из нержавеющей стали, и могут иметь следующие размеры: ширину 600 мм, длину 1200 мм и толщину 1,6 мм. Отдельные каналы в соответствующих пластинах обычно могут иметь полукруглое поперечное сечение и радиальную глубину порядка 1,0 мм.

К сердцевинам крепят коллекторы для подачи текучих сред к соответствующим группам каналов в сердцевинах и от этих групп каналов, причем в зависимости, например, от функциональных требований и компоновки отверстий каналов коллекторы могут быть соединены с любыми двумя или более из шести сторон и поверхностей сердцевин.

Конструкция сердцевин теплообменников с печатной схемой или точнее теплообменников, включающих в себя такие сердцевины, требует согласования ряда факторов (иногда противоречащих друг другу), которые в контексте настоящего изобретения включают следующее:

1) обеспечение требуемой термической эффективности (граничных температур) в пределах допустимых падений давления;

2) доведение до минимума размера и/или массы теплообменника;

3) придание соответствующей формы сердцевине и/или компоновкам отверстий для групп каналов таким образом, чтобы облегчить обычный подвод текучих теплоносителей, используя обычные трубные/соединительные устройства.

В поисках подходов, которые могли бы быть использованы для выполнения указанных требований, было недавно установлено, что для минимизации площади теплообмена, которая необходима для заданного случая, чтобы выполнить определенные требования, касающиеся конкретного режима работы, необходимо создать каналы пластин, имеющие высокие уровни извилистости. Однако каналы, которым придают такую конфигурацию по их длине, чтобы получить значительную извилистость, должны быть выполнены более короткими, чем те каналы, которые имеют более низкий уровень извилистости, чтобы могли быть обеспечены ограничения, касающиеся падения давления.

Укорачивание каналов обычно не будет создавать серьезные проблемы в случае теплообменников с поперечным потоком. Однако это приведет к снижению теплообмена/использования площади пластин в случае более обычных теплообменников с попутным потоком или с противоположным потоком, которые неизбежно имеют, по меньшей мере, некоторые пластины (обычно от 50% до 100% общего количества пластин), фактически включающие каналы для поперечного потока, обеспечивающие направление входящего потока и выходящего потока текучей среды к ортогонально проходящим каналам для попутного потока и противоположного потока текучей среды и из этих каналов. То есть, если длина каналов для попутного потока или поперечного потока должна быть уменьшена, то площади пластин, занимаемые каналами для поперечного потока, должны быть увеличены по отношению к площади, занимаемой каналами для попутного или противоположного потока. Это приводит к требованию, чтобы пластины имели большее отношение длины к ширине, когда должны быть сохранены более обычные относительные площади, и, если задаваться требованием наличия более коротких каналов, к логической необходимости меньших пластин, чем те, которые обычно используют в сердцевинах теплообменников с печатной схемой. Это, в свою очередь, приводит к трудностям, связанным с подводом текучих теплоносителей, используя обычные трубные/соединительные устройства.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении сделана попытка урегулировать вышеупомянутые противоречивые требования посредством создания сердцевины теплообменника, содержащей первую и вторую группы чередующихся пластин, которые расположены соответствующим образом для возможности перемещения первого и второго текучих теплоносителей. Пластины связаны друг с другом и каждая из пластин в каждой группе образована, по меньшей мере, в одной из ее поверхностей, по меньшей мере, с тремя пластинками, каждая из которых содержит группу параллельных каналов. Через первую и вторую группы пластин проходят отверстия для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к пластинкам и от них, а распределительные каналы соединяют противоположные концы каждой пластинки в каждой из пластин со связанными с ними одними из отверстий. Распределительные каналы, которые связаны с каждой из пластинок в пластинах первой группы, расположены так, что пересекаются с распределительными каналами, которые связаны с соответствующими одними из пластинок в пластинах второй группы, вследствие чего каждая из пластинок в пластинах первой группы будет расположена в теплообменнике в непосредственной близости от соответствующей одной из пластинок в пластинах второй группы.

Утверждение о том, что распределительные каналы, которые связаны с каждой из пластинок в пластинах первой группы, расположены «так что пересекаются» с распределительными каналами, которые связаны с соответствующими одними из пластинок в пластинах второй группы, означает, что соответствующие распределительные каналы «пересекают» друг друга, не сообщаясь между собой. Таким образом, в контексте изобретения предполагается, что слово «пересекаются» следует понимать как «проходят поперек» друг друга, а не «проходят сквозь» друг друга.

В случае определенной выше компоновки сердцевины группа пластинок обеспечена в каждой из множества больших пластин обычного размера. Длина каждой из пластинок может быть выбрана так, чтобы обеспечивать получение высокого уровня извилистости параллельных каналов, которые образуют пластинки, и, следовательно, обеспечивать оптимизацию площади теплообмена пластины.

Сердцевина теплообменника может быть выполнена так, чтобы обеспечить обмен тепла между тремя или более текучими средами, при этом, по меньшей мере, некоторые из пластин в каждой группе расположены так, чтобы обеспечивать перемещение более одной текучей среды. Однако для многих, если не для большинства, случаев применения изобретения сердцевина теплообменника будет обеспечивать теплообмен только между первым и вторым текучими теплоносителями.

По меньшей мере, некоторые из пластин в одной или другой из двух групп пластин могут быть образованы с пластинками в обеих поверхностях. Однако в этом случае также будут необходимы промежуточные пластины для чередования с пластинами сердцевины, чтобы предотвратить контакт между разными текучими теплоносителями. Тем не менее, желательно, чтобы каждая из пластин в каждой группе была образована с пластинками только в одной из ее поверхностей.

Каждый из каналов в множестве групп каналов, которые формируют пластинки, может быть образован так, чтобы придавать извилистость (то есть создавать извилистый путь) потоку текучей среды по каналу. Это может быть достигнуто разными способами, один из которых предполагает формирование каждого канала так, чтобы он следовал по зигзагообразному пути. Когда каналы сформированы таким образом, выражение «параллельные каналы» следует понимать как охватывающее компоновку каналов, в которой предполагаемые пути прохождения каналов лежат параллельно друг другу.

Хотя, как указано ранее, каждая пластина будет иметь, по меньшей мере, три пластинки, на каждой из пластин обычно будет находиться от трех до тридцати пластинок. Кроме того, пластинки могут быть расположены двумя группами и в этом случае на каждой пластине, в общем, может находиться от шести до шестидесяти пластинок.

Каналы внутри каждой из пластинок могут быть образованы так, чтобы они проходили по длине каждой из пластин, и в этом случае отверстия будут проходить через верхнюю и нижнюю краевые части пластин. Однако желательно такое формирование каналов, чтобы они проходили поперечно через пластины, а отверстия были выполнены вдоль краевых боковых частей пластин. В том случае, когда группы параллельных каналов расположены двумя рядами по возможности так, как указано выше, отверстия могут быть выполнены по длине пластин четырьмя рядами. Как вариант, если использовано центральное расположение отверстий, так чтобы обслуживать противоположно проходящие группы параллельных каналов, то отверстия будут выполнены по длине пластин тремя рядами.

Отверстия могут быть образованы в виде прорези, при этом все отверстия могут быть, в целом, расположены в пределах границ пластин. Однако в случае отверстий, которые расположены вблизи (боковой или концевой) краевых частей пластин, некоторые или все из таких отверстий могут быть образованы как прорези для бокового входа или концевого входа.

Кромочные части отверстий, от которых проходят распределительные каналы, для соединения с пластинками могут быть расположены под прямыми углами к параллельным каналам, которые формируют пластинки (то есть параллельно концам пластинок), либо в случае круглых отверстий будут изогнуты. Однако желательно, чтобы каждая из кромочных частей, от которых проходят распределительные каналы, была расположена под наклоном по отношению к пластинкам, чтобы довести до минимума длину кромок, от которых отходят распределительные каналы.

Пластины могут быть связаны друг с другом посредством любого одного из ряда таких процессов, как сварка, пайка или диффузионное сцепление.

Таким образом согласно одному варианту изобретения предложена сердцевина теплообменника, содержащая: а) первую и вторую группы чередующихся пластин, которые предназначены соответственно для перемещения первого и второго текучих теплоносителей, при этом пластины связаны друг с другом и каждая из пластин в каждой группе выполнена, по меньшей мере, в одной из ее поверхностей, по меньшей мере, с тремя пластинками, каждая из которых содержит группу параллельных каналов, b) отверстия, проходящие через первую и вторую группы пластин для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к пластинкам и от них, с) распределительные каналы, соединяющие противоположные концы каждой пластинки в каждой из пластин со связанными с ними одними из отверстий, при этом распределительные каналы, которые связаны с каждой из пластинок в пластинах первой группы, расположены таким образом, что пересекаются с распределительными каналами, которые связаны с соответствующими одними из пластинок в пластинах второй группы, посредством чего каждая из пластинок в пластинах первой группы находится в обеспечивающем теплообмен близком расположении по отношению к соответствующей одной из пластинок в пластинах второй группы.

Предпочтительно, пластинки выполнены только в одной из поверхностей каждой из пластин каждой группы.

Предпочтительно, пластины первой и второй групп последовательно чередуются.

Предпочтительно, по меньшей мере, в большей части пластин большая часть отверстий соединена распределительными каналами с двумя смежными пластинками.

Предпочтительно, отверстия, расположенные на противоположных концах каждой пластинки, расположены без центрирования.

Предпочтительно, все из отверстий проходят через все из пластин как первой, так и второй групп пластин.

Предпочтительно, каждый из параллельных каналов каждой из пластинок выполнен таким образом, чтобы обеспечить извилистый путь для текучего теплоносителя.

Предпочтительно, каждый из параллельных каналов выполнен таким образом, чтобы следовать по зигзагообразному пути.

Предпочтительно, пластина каждой группы выполнена в одной из ее поверхностей с количеством смежных пластинок от трех до тридцати.

Предпочтительно, пластинка состоит из параллельных каналов количеством от двадцати до сорока.

Предпочтительно, каждая пластинка в пластинах первой группы имеет размер и форму по существу такие же, как размер и форма каждой соответствующей пластинки в пластинах второй группы.

Предпочтительно, каждая пластинка в пластинах первой группы расположена таким образом, что перекрывает каждую соответствующую пластинку в пластинах второй группы.

Предпочтительно, группа параллельных каналов, из которых состоит каждая пластинка, проходит в поперечном направлении через пластину, содержащую пластинку.

Предпочтительно, пластинки в каждой пластине расположены параллельно друг другу и выстроены в один ряд.

Предпочтительно, пластинки в каждой пластине расположены параллельно друг другу и выстроены в виде двух параллельных рядов.

Предпочтительно, каждый ряд содержит между тремя и тридцатью смежных пластин.

Предпочтительно, каждая из пластин выполнена с шестью проходящими в продольном направлении рядами отверстий, первый из которых расположен в пластине по центру, второй и третий расположены в соответствующих боковых краях пластины, четвертый и пятый из которых содержат отверстия, которые проходят внутрь от соответствующих боковых краев пластины, а шестой из которых расположен по центру пластины и пересекается с отверстиями первого ряда.

Предпочтительно, первый и шестой ряды отверстий доступны с противоположных торцевых поверхностей сердцевины.

Предпочтительно, второй и третий ряды отверстий доступны с одной из торцевых поверхностей сердцевины.

Предпочтительно, четвертый и пятый ряды доступны соответственно с противоположных боковых поверхностей сердцевины.

Предпочтительно, соответствующие отверстия первого, четвертого и пятого рядов сцентрированы в поперечном направлении каждой пластины, и соответствующие отверстия второго, третьего и пятого рядов сцентрированы в поперечном направлении каждой пластины.

Предпочтительно, первый ряд отверстий предназначен при их использовании для обеспечения входного потока первого текучего теплоносителя, второй и третий ряды отверстий предназначены при их использовании для обеспечения выходного потока первого текучего теплоносителя, четвертый и пятый ряды отверстий предназначены при их использовании для обеспечения входного потока второго текучего теплоносителя, шестой ряд отверстий предназначен при его использовании для обеспечения выходного потока второго текучего теплоносителя.

Предпочтительно, каждое из отверстий имеет кромочную часть, которая расположена наклонно по отношению к связанным с ней пластинкам.

Предпочтительно, все пластины связаны друг с другом посредством диффузии.

Предпочтительно, все из каналов и распределительных каналов имеют по существу одну и ту же форму и размеры поперечного сечения.

Предпочтительно, каждый из распределительных каналов соединен непосредственно со связанным с ним одним из каналов, которые формирует пластинка.

Согласно другому варианту изобретения предложен теплообменник, включающий, по меньшей мере, одну вышеописанную сердцевину.

Предпочтительно, теплообменник содержит коллекторы, соединенные с сердцевиной для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к сердцевине и от нее.

Согласно другому варианту предложен теплообменник в сборе, включающий в себя, по меньшей мере, две вышеописанные сердцевины.

Предпочтительно, сердцевины крепятся задней стороной к задней стороне, а коллекторы соединяются со сборкой для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к сердцевинам и от них.

Предпочтительно, сердцевины объединены линейно с длинами и ориентациями, выбранными таким образом, что когда сердцевины при их использовании подвергаются деформации, вызываемой нагреванием, создается составной изгиб таким образом, что нормали к центральным точкам концевых поверхностей объединенных сердцевин сохраняются по существу коллинеарными.

Изобретение будет лучше понятно из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления сердцевин теплообменников, которые обеспечивают противоположное прохождение двух текучих теплоносителей. В описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано следующее:

на фиг.1 представлено схематическое изображение элементарной сердцевины;

на фиг.2 представлены две группы из трех пластин, удаленных из сердцевины;

на фиг.3 представлены отдельные пластины соответствующих групп, показанных на фиг.2;

на фиг.4 представлено менее схематическое изображение сердцевины с большим количеством пластин;

на фиг.5 представлены две последовательные пластины, удаленные из сердцевины согласно фиг.4;

на фиг.6 в увеличенном масштабе представлена часть пластин согласно фиг.5;

на фиг.7 представлено схематическое изображение двух последовательных пластин для альтернативной компоновки сердцевины;

на фиг.8 представлена передняя сторона сердцевины, включающей в себя пластины согласно фиг.7;

на фиг.9 представлена задняя сторона сердцевины согласно фиг.8;

на фиг.10 менее схематически представлена нижняя концевая часть одной из пластин, удаленной из сердцевины согласно фиг.8 и 9;

на фиг.11 представлена нижняя концевая часть одной из последующих пластин, удаленной из сердцевины согласно фиг.8 и 9;

на фиг.12 представлен (в контурном изображении) вид в перспективе верхней части скомплектованного теплообменника, который включает две сердцевины такого типа, которые показаны на фиг.8 и 9, но при этом в иллюстративных целях некоторые коллекторы удалены;

на фиг.13 схематически представлен торцевой вид цилиндрического сосуда, содержащего восемь теплообменников, каждый из которых содержит три линейно объединенные сердцевины описанного выше типа;

на фиг.14 представлен вид в плане, причем вновь схематический, одного из теплообменников, если смотреть в направлении стрелок 12-12 на фиг.13, когда он подвержен деформации, вызываемой воздействием тепла;

на фиг.15 и 16 представлен вид, подобный виду на фиг.14, но с другими компоновками объединения сердцевин теплообменников.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как показано на фиг.1, 2, 3, сердцевина 10 теплообменника содержит большое множество пластин 11 и 12, которые посредством диффузии находятся в контакте поверхность-к-поверхности между торцевыми пластинами 13 и 14. Все из пластин 11 и 12 могут быть выполнены из нержавеющей стали и имеют толщину порядка 1,6 мм.

Пластины 11 и 12 набирают в виде двух групп 15 и 16 чередующихся пластин P₁, P₂, Р₃, Р₄ ---- Р_n, P_n+1, при этом соответствующие группы 15 и 16 пластин предназначены при их использовании для перемещения первого и второго (противоположное течение) текучих теплоносителей F₁ и F₂.

Каждая из пластин 11 в одной из ее поверхностей выполнена с множеством теоретически отдельных групп параллельных каналов, которые формируют пластинки 17. Каждая из пластинок 17 (то есть каждая из групп параллельных каналов) проходит поперечно через соответствующие пластины, а у противоположных концов каждой из пластинок 17 расположены отверстия 18. Кроме того, группы распределительных каналов 19 формируют в каждой из пластин 11 для обеспечения непосредственного прохождения жидкости между соответствующими отверстиями 18 и связанными с ними одними из пластинок 17.

Подобным же образом, каждая из пластин 12 выполнена в одной из ее поверхностей с множеством групп параллельных каналов, которые формируют пластинки 20. В этом случае пластинки 20 также проходят поперечно через пластины 12, а отверстия 21 расположены на противоположных концах каждой из пластинок 20. Непосредственные соединения для прохождения текучей среды между отверстиями 21 и соответствующими связанными с ними пластинками 20 снабжены группами распределительных каналов 22.

Группы распределительных каналов 19 и 22 в соответствующих группах пластин 11 и 12 расположены пересекающимся образом (как определено ранее). Следовательно, они размещены так, что пластинки 17 в пластинах 11 будут находиться в обеспечивающем перекрытие и теплообмен близком расположении по отношению к пластинкам 20 в пластинах 12, так что будет обеспечен надлежащий тепловой контакт между текучими теплоносителями F1 и F2.

Две группы отверстий 18 и 21 проходят через все из пластин 11, 12, 13 и 14 для обеспечения сообщения с внутренней частью сердцевины 10 двух текучих теплоносителей F1 и F2. Пластины, через которые проходят соответствующие жидкости, определяются соответствующими группами распределительных каналов 19 и 22. Коллекторы (не показаны) крепятся к сердцевине для подачи текучих теплоносителей к сердцевине и от нее.

Компоновка, показанная на фиг.1, 2, 3 с четырьмя четко определенными группами параллельных каналов или пластинок 17 и 20 в пластинах 11 и 12 соответственно, предназначена только для иллюстрации общей концепции изобретения. Более реалистичное изображение пластин 11 и 12 представлено на фиг.5.

Как показано на фиг.5, отдельные пластинки 17 отличаются друг от друга только в отношении противоположно расположенных распределительных каналов 19, которые соединяются с концами соответствующих одних из пластинок. Подобным же образом, пластинки 20 отличаются друг от друга в отношении противоположно расположенных распределительных каналов 22, которые соединяются с концами соответствующих одних из пластинок.

Количество пластинок 17 и 20 внутри соответствующих пластин 11 и 12 доведено до минимума, как показано, посредством расположения отверстий 18 и 21 таким образом, чтобы они близко отстояли друг от друга, и соединения противоположных концов каждой из пластинок 17 и 20 со ступенчато расположенными одними из отверстий.

Каждая пластина 11 и 12 имеет размеры 600 мм на 1200 мм, при этом она выполнена с десятью-двадцатью пластинками 17 и 20, и содержит приблизительно от двадцати до сорока отдельных, параллельных каналов 23 в каждой пластинке. Каждый канал 23 может иметь полукруглое поперечное сечение и радиальную глубину порядка 1,0 мм, при этом смежные каналы могут быть отделены ребром или полосой шириной 0,5 мм. Однако будет понятно, что все из этих чисел и размеров могут быть значительно изменены в зависимости от применения сердцевины теплообменника.

Как показано на фиг.6, каждый из каналов 23 проходит по зигзагообразному пути, и будет понятно, что в той степени, в которой описанные здесь каналы считаются параллельными, их предполагаемые пути 24 проходят параллельно друг другу.

На фиг.7-9 представлена альтернативная компоновка сердцевины, в которой пластины 11 и 12 выполнены двумя вертикальными рядами тесно уплотненных, проходящих по горизонтали пластинок 25 и 26. Каждая из пластинок 25 и 26 подобна соответствующим пластинкам 17 и 20, которые показаны на фиг.1, 2, 3, но в случае варианта конструкции, показанного на фиг.7-9, выполнены шесть групп выстроенных по вертикали отверстий для перемещения текучих теплоносителей F1 и F2 к соответствующим пластинам и от них.

Как указано на фиг.7-9, текучий теплоноситель F₁ подается к сердцевине 10 и пластинкам 25 посредством одиночной группы расположенных по вертикали отверстий 28 и групп 29А распределительных каналов. Тот же самый текучий теплоноситель перемещается от сердцевины посредством групп 29В распределительных каналов и двух групп расположенных по вертикали отверстий 27. Подобным же образом, текучий теплоноситель F₂ подается к сердцевине и пластинкам 26 посредством двух групп расположенных по вертикали отверстий 30 для бокового входа и групп 32А распределительных каналов и перемещается от сердцевины посредством групп 32В распределительных каналов и одиночной группы расположенных по вертикали отверстий 31.

Для соединения требуемого количества подводящих и отводящих коллекторов (не показаны) отверстия 27, 28 и 31 выполняются как отверстия для торцевого входа, в то время как отверстия 30 выполняются как отверстия для бокового входа. Как и в случае ранее описанного варианта осуществления изобретения, все отверстия проходят через все из пластин 11 и 12.

На фиг.10 в увеличенном масштабе показано типичное выполнение нижней концевой части одной из пластин 11 в варианте осуществления изобретения согласно фиг.7-9, а на фиг.11 подобным же образом показана нижняя концевая часть одной из пластин 12.

На фиг.10 наилучшим образом показано (при рассмотрении вместе с фиг.8 и 9), что текучая среда F₁ заходит в отверстие 28 в пластине 11, проходит в соответствующие группы распределительных каналов 29А, через противоположно проходящие пластинки 25, через группы распределительных каналов 29 В и выходит через отверстия 27. Поскольку последовательные пластины 11 и 12 обеспечивают перемещение разных текучих сред F₁ и F₂ и все из отверстий проходят через все пластины, для доведения до максимума используемого пространства отверстия и распределительные каналы размещают таким образом, что текучая среда, проходящая в каждом направлении (левом и правом) из одиночного (полного) отверстия 28, разделяется и выходит через два расположенных на расстоянии по вертикали отверстия 27. Подобным же образом, как наилучшим образом видно на фиг.11, текучая среда F₂ входит в отверстия 30 в пластинах 12, проходит в соответствующие группы распределительных каналов 32А, через противоположно проходящие пластинки 26, через группы распределительных каналов 32В и выходит через отверстия 31. В этом случае отверстия и распределительные каналы размещаются таким образом, что текучая среда, проходящая внутрь от каждого из одиночных отверстий 30 для бокового входа, разделяется и выходит через два расположенных на расстоянии друг от друга по вертикали и расположенных по центру отверстия 31.

Все из отверстий 18, 21, 27, 28, 30 и 31 имеют кромочные части 33 и 34 (указанные на фиг.10 и 11), от которых проходят распределительные каналы, которые расположены наклонно по отношению к связанным с ними пластинкам, так чтобы довести до максимума длину кромок, от которых отходят распределительные каналы.

В случае описанных выше компоновок сердцевин текучие теплоносители будут направлены в сердцевину и через нее таким образом, чтобы обеспечить фактически равномерное распределение температуры вдоль продольной оси сердцевины. Таким образом, настоящее изобретение позволяет избежать или, по меньшей мере, уменьшить напряжение, создаваемое изгибом, которое свойственно известным теплообменникам. Такой изгиб происходит вследствие наличия температурного градиента и приводит к разному температурному расширению по длине сердцевины. Кроме того, в случае компоновки сердцевин, которая показана на фиг.7-9, две сердцевины 10 могут быть прикреплены передними сторонами (или задними сторонами), что несколько схематически показано на фиг.12, и отделены барьерами 35. При этом может быть размещено одиночное коллекторное устройство (не показано) для подачи текучего теплоносителя F₁ к центральной зоне 36 компоновки с двумя сердцевинами и для перемещения текучей среды F₁ от боковых зон 37 компоновки с двумя сердцевинами. Кроме того, коллекторы 38 легко могут быть прикреплены к четырем боковым частям компоновки с двумя сердцевинами для подачи текучей среды F₂ к надлежащим пластинам двух сердцевин, а коллекторы 39 могут быть подсоединены к задним сторонам двух сердцевин для перемещения текучей среды F₂ от устройства с двумя сердцевинами.

Проходящая по вертикали конструкция, которая показана на фиг.12, содержит только одну компоновку, в которой может быть выполнено изобретение, однако она обеспечивает обычное объединение четырех или шести компоновок с двумя сердцевинами вокруг общей вертикальной оси. Кроме того, в конструкции, показанной на фиг.12, могут быть выполнены изменения. Например, в каждом из отверстий 28 и 31 может быть расположена центральная перегородка или перемычка (не показана), а некоторые из граничных (конечных) пластин в сердцевине, по которым проходит текучая среда, могут быть образованы приблизительно с половиной количества пластинок, образующих каналы, когда остальная часть пластин в сердцевине служит для обеспечения выравнивания тепловых потоков между пластинами в сердцевине.

В качестве другой возможной компоновки множество сердцевин 10 может быть объединено линейно (то есть впритык друг к другу), как схематически показано на фиг.13, причем множество теплообменников 40, выполненных таким образом, может быть размещено внутри цилиндрического резервуара 41. Как показано, скомпонованные сердцевины и резервуар проходят в продольном направлении.

Потенциальная проблема, связанная с устройством, которое представлено на фиг.13, заключается в том, что когда его подвергают обычному эксплуатационному нагреванию, возникает тенденция к изгибу каждого из теплообменников 40 (по форме банана) таким образом, что крайние торцевые поверхности скомпонованных сердцевин будут смещены от их обычного параллельного расположения относительно друг друга. Это создает проблемы, касающиеся вместимости и/или соединения.

Однако следует отметить, что эти проблемы могут быть решены посредством объединения сердцевин 40А и 40В, имеющих разную длину, и посредством ориентации сердцевин относительно друг друга таким образом, что будут созданы составные изгибы, а нормали к центральным точкам конечных поверхностей этих объединенных сердцевин будут сохраняться по существу коллинеарными. На фиг.14, 15 и 16 показаны три примера объединенных компоновок, которые могут быть получены, используя для этой цели четыре сердцевины 40A-40D теплообменника. В этих примерах в сердцевинах 40A-40D используются одни и те же конструкции пластин; сердцевина 40А имеет одинаковую длину с сердцевиной 40С, сердцевина 40В имеет одинаковую длину с сердцевиной 40D, а сердцевины 40А и 40С имеют половину длины сердцевин 40В и 40D; сердцевина 40А отличается от сердцевины 40С, а сердцевина 40В отличается от сердцевины 40D только ориентацией и направлением потока текучих теплоносителей.

Изобретения предназначены для теплообмена и могут быть использованы для нагрева теплоносителей. Сердцевина теплообменника содержит две группы чередующихся пластин. Пластины связаны друг с другом и каждая из пластин в каждой группе выполнена, по меньшей мере, в одной из ее поверхностей, по меньшей мере, с тремя пластинками, каждая из которых содержит группу параллельных каналов, отверстия, проходящие через первую и вторую группы пластин для перемещения текучих теплоносителей к пластинкам и от них, распределительные каналы, соединяющие противоположные концы каждой пластинки в каждой из пластин со связанными с ними одними из отверстий. Распределительные каналы, которые связаны с каждой из пластинок в пластинах первой группы, расположены таким образом, что пересекаются с распределительными каналами, которые связаны с соответствующими одними из пластинок в пластинах второй группы. Теплообменник может включать, по меньшей мере, одну сердцевину. Теплообменник может включать коллекторы, соединенные с сердцевиной. Теплообменник может включать в себя, по меньшей мере, две сердцевины. В теплообменнике сердцевины крепятся задней стороной к задней стороне, а коллекторы соединяются со сборкой для перемещения текучих теплоносителей к сердцевинам и от них. Изобретения обеспечивают требуемую термическую эффективность, уменьшение размеров и массы теплообменника. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Сердцевина теплообменника, содержащая:
a) первую и вторую группы чередующихся пластин, которые предназначены соответственно для перемещения первого и второго текучих теплоносителей, при этом пластины связаны друг с другом и каждая из пластин в каждой группе выполнена, по меньшей мере, в одной из ее поверхностей, по меньшей мере, с тремя пластинками, каждая из которых содержит группу параллельных каналов,
b) отверстия, проходящие через первую и вторую группы пластин для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к пластинкам и от них,
c) распределительные каналы, соединяющие противоположные концы каждой пластинки в каждой из пластин со связанными с ними одними из отверстий, при этом распределительные каналы, которые связаны с каждой из пластинок в пластинах первой группы, расположены таким образом, что пересекаются с распределительными каналами, которые связаны с соответствующими одними из пластинок в пластинах второй группы, посредством чего каждая из пластинок в пластинах первой группы находится в обеспечивающем теплообмен близком расположении по отношению к соответствующей одной из пластинок в пластинах второй группы.

2. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой пластинки выполнены только в одной из поверхностей каждой из пластин каждой группы.

3. Сердцевина теплообменника по п.2, в которой пластины первой и второй групп последовательно чередуются.

4. Сердцевина теплообменника по п.2, в которой, по меньшей мере, в большей части пластин большая часть отверстий соединена распределительными каналами с двумя смежными пластинками.

5. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой отверстия, расположенные на противоположных концах каждой пластинки, расположены без центрирования.

6. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой все из отверстий проходят через все из пластин как первой, так и второй групп пластин.

7. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой каждый из параллельных каналов каждой из пластинок выполнен таким образом, чтобы обеспечить извилистый путь для текучего теплоносителя.

8. Сердцевина теплообменника по п.7, в которой каждый из параллельных каналов выполнен таким образом, чтобы следовать по зигзагообразному пути.

9. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой каждая пластина каждой группы выполнена в одной из ее поверхностей с количеством смежных пластинок от трех до тридцати.

10. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой каждая пластинка состоит из параллельных каналов количеством от двадцати до сорока.

11. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой каждая пластинка в пластинах первой группы имеет размер и форму по существу такие же, как размер и форма каждой соответствующей пластинки в пластинах второй группы.

12. Сердцевина теплообменника по п.11, в которой каждая пластинка в пластинах первой группы расположена таким образом, что перекрывает каждую соответствующую пластинку в пластинах второй группы.

13. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой группа параллельных каналов, из которых состоит каждая пластинка, проходит в поперечном направлении через пластину, содержащую пластинку.

14. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой пластинки в каждой пластине расположены параллельно друг другу и выстроены в один ряд.

15. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой пластинки в каждой пластине расположены параллельно друг другу и выстроены в виде двух параллельных рядов.

16. Сердцевина теплообменника по п.15, в которой каждый ряд содержит между тремя и тридцатью смежных пластин.

17. Сердцевина теплообменника по п.15, в которой каждая из пластин выполнена с шестью проходящими в продольном направлении рядами отверстий, первый из которых расположен в пластине по центру, второй и третий расположены в соответствующих боковых краях пластины, четвертый и пятый из которых содержат отверстия, которые проходят внутрь от соответствующих боковых краев пластины, а шестой из которых расположен по центру пластины и пересекается с отверстиями первого ряда.

18. Сердцевина теплообменника по п.17, в которой первый и шестой ряды отверстий доступны с противоположных торцевых поверхностей сердцевины.

19. Сердцевина теплообменника по п.17, в которой второй и третий ряды отверстий доступны с одной из торцевых поверхностей сердцевины.

20. Сердцевина теплообменника по п.17, в которой четвертый и пятый ряды доступны соответственно с противоположных боковых поверхностей сердцевины.

21. Сердцевина теплообменника по п.17, в которой соответствующие отверстия первого, четвертого и пятого рядов сцентрированы в поперечном направлении каждой пластины, и соответствующие отверстия второго, третьего и пятого рядов сцентрированы в поперечном направлении каждой пластины.

22. Сердцевина теплообменника по п.17, в которой:
первый ряд отверстий предназначен при их использовании для обеспечения входного потока первого текучего теплоносителя,
второй и третий ряды отверстий предназначены при их использовании для обеспечения выходного потока первого текучего теплоносителя,
четвертый и пятый ряды отверстий предназначены при их использовании для обеспечения входного потока второго текучего теплоносителя,
шестой ряд отверстий предназначен при его использовании для обеспечения выходного потока второго текучего теплоносителя.

23. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой каждое из отверстий имеет кромочную часть, которая расположена наклонно по отношению к связанным с ней пластинкам.

24. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой все пластины связаны друг с другом посредством диффузии.

25. Сердцевина теплообменника по п.1, в которой все из каналов и распределительных каналов имеют по существу одну и ту же форму и размеры поперечного сечения.

26. Сердцевина теплообменника по п.25, в которой каждый из распределительных каналов соединен непосредственно со связанным с ним одним из каналов, которые формирует пластинка.

27. Теплообменник, включающий, по меньшей мере, одну сердцевину по любому одному из предшествующих пунктов.

28. Теплообменник по п.27, включающий коллекторы, соединенные с сердцевиной для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к сердцевине и от нее.

29. Теплообменник в сборе, включающий в себя, по меньшей мере, две сердцевины по любому одному из пп.1-26.

30. Теплообменник в сборе по п.29, в котором сердцевины крепятся задней стороной к задней стороне, а коллекторы соединяются со сборкой для перемещения первого и второго текучих теплоносителей к сердцевинам и от них.

31. Теплообменник в сборе по п.29, в котором сердцевины объединены линейно, с длинами и ориентациями, выбранными таким образом, что, когда сердцевины при их использовании подвергаются деформации, вызываемой нагреванием, создается составной изгиб таким образом, что нормали к центральным точкам концевых поверхностей объединенных сердцевин сохраняются по существу коллинеарными.