ТЕПЛООБМЕННАЯ ПАНЕЛЬ И ТЕПЛООБМЕННИК ПАНЕЛЬНОГО ТИПА, СНАБЖЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПАНЕЛЬЮ Российский патент 2018 года по МПК F28F3/08 

Настоящая заявка заявляет приоритет заявки на патент Китая №201410043032.Х под названием "Heat exchange plate and plate-type heat exchanger having the heat exchange plate", поданной 29 января 2014 г., все содержимое которой включено посредством ссылки в данное описание.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области теплообменников. В частности, настоящее изобретение относится к теплообменной пластине и теплообменнику пластинчатого типа, содержащему эту теплообменную пластину.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы теплообменники пластинчатого типа широко используются в таком оборудовании, как кондиционеры воздуха, холодильники, водяные охладители и тепловые насосы. Обычно теплообменник пластинчатого типа содержит множество теплообменных пластин, соединенных друг с другом посредством пайки, полной сварки, полусварки и т.д. или съемным образом, при этом каналы для циркуляции теплоносителя образованы промежутками между пластинами. При течении теплоносителя через каналы он соприкасается с теплообменными пластинами, и, таким образом, достигается теплообмен.

На фиг. 1(a) показана теплообменная пластина одного из типов, имеющая конфигурацию перевернутой V-образной формы. Как показано на фигуре, эта теплообменная пластина содержит основную часть пластины с вогнуто-выпуклой конфигурацией перевернутой V-образной формы, предусмотренной по всей поверхности основной части пластины. Такая теплообменная пластина может обеспечивать хорошее распределение текучей среды по всей поверхности основной части пластины и, таким образом, может достигать высокой эффективности теплообмена. Однако если такие теплообменные пластины установлены, например, посредством пайки, полной сварки, полусварки или съемным образом, конфигурации перевернутой V-образной формы у смежных теплообменных пластин устанавливаются в противоположных направлениях, т.е. соответствующий набор конфигураций перевернутой V-образной формы на двух смежных теплообменных пластинах содержит при установке только две точки касания при установке, и, следовательно, прочность всего теплообменника пластинчатого типа является невысокой. Более того, такие теплообменные пластины не должны быть слишком тонкими, иначе подобным же образом будет возникать проблема неудовлетворения прочности требованиям, что в результате приведет к падению надежности всего теплообменника пластинчатого типа.

На фиг. 1(b) показана обыкновенная теплообменная пластина другого типа, имеющая конфигурацию «выемок». Как показано на фигуре, теплообменная пластина содержит основную часть пластины с множественными выступами и впадинами, предусмотренными на всей поверхности основной части пластины, причем эти множественные выступы и впадины разнесены одни относительно других. При установке ряда таких теплообменных пластин множественные выступы на смежных теплообменных пластинах находятся в соприкосновении друг с другом. Таким образом, в сравнении с теплообменными пластинами, имеющими конфигурацию перевернутой V-образной формы, переходная криволинейная поверхность между выступом и впадиной является более рациональной, и распределение точек касания при установке также является более рациональным, поэтому весь теплообменник пластинчатого типа имеет повышенную прочность. Более того, толщину теплообменной пластины можно соответствующим образом уменьшить для достижения цели экономии расходов. Однако распределение текучей среды у этой теплообменной пластины хуже, чем у теплообменной пластины, содержащей вышеописанную конфигурацию перевернутой V-образной формы, что оказывает влияние на эффективность теплообмена.

Таким образом, существует потребность в том, что касается теплообменников пластинчатого типа, получаемых путем пригонки одна к другой теплообменных пластин; конкретно, желательно, чтобы можно было гарантировать прочность соединения теплообменника, а стоимость производства теплообменных пластин можно было уменьшить, в то же время обеспечивая высокую эффективность теплообмена, для того чтобы уменьшить стоимость производства теплообменников пластинчатого типа.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, настоящее изобретение предусматривает теплообменную пластину, способную обладать высокой эффективностью теплообмена и в то же время способную обеспечивать более рациональное распределение точек касания при установке. Так, если пригнать одну к другой множественные теплообменные пластины, может быть реализован теплообменник пластинчатого типа с надежной прочностью, а теплообменные пластины можно делать тоньше, и, таким образом, может быть уменьшена стоимость производства этих теплообменных пластин.

В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается теплообменная пластина, содержащая основную часть пластины с множественными впадинами и выступами, расположенными на поверхности основной части пластины, причем эти множественные впадины и выступы расположены чередующимся образом в первом направлении, а также расположены чередующимся образом во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, и вершины этих множественных выступов имеют удлиненную форму в первом направлении.

При таком конструктивном построении, когда теплоноситель течет по основной части пластины в продольном направлении, продольный обвод уменьшается, и, таким образом, усиливается поперечное распределение, в большей мере способствующее поперечному течению. Более того, удлиненная форма выступов является в большей мере способствующей образованию вихрей. Таким образом, увеличивается эффективность теплообмена. В дополнение, из-за удлиненной формы выступов, когда множество теплообменных пластин устанавливают посредством пайки, полусварки или полной сварки и т.д. или съемным образом, увеличивается площадь касания при установке, а переходная криволинейная поверхность между выступом и впадиной в большей мере способствует распределению напряжений, и, таким образом, может быть обеспечено то, чтобы теплообменник обладал высокой прочностью, а толщину теплообменных пластин можно было соответствующим образом уменьшить, добиваясь сокращения расходов.

В одном из вариантов осуществления смежные друг с другом выступ и впадина переходным образом соединены посредством наклонной поверхности между ними, тогда как смежные впадины переходным образом соединены посредством желоба криволинейной поверхности между ними, при этом дно желоба криволинейной поверхности находится выше дна впадины.

В одном из вариантов осуществления угол при вершине треугольника, образованного тремя впадинами или выступами, смежными в направлении удлинения выступов, находится в диапазоне от 50° до 160°. Авторы изобретения обнаружили, что такое расположение способно дополнительно улучшить распределение текучей среды, и оно является способствующим образованию вихрей, посредством чего увеличивается эффективность теплообмена.

Предпочтительно, указанный угол при вершине находится в диапазоне от 70° до 150°.

В одном из вариантов осуществления каждый выступ имеет первое ребро и второе ребро, при этом первое ребро и/или второе ребро имеет форму кривой линии или прямой линии.

В одном из вариантов осуществления каждый выступ имеет третье ребро и четвертое ребро; диапазон значений прилежащего угла между третьим ребром и четвертым ребром составляет от 0° до 180°.

В одном из вариантов осуществления форма вершины выступов является следующей:, , , , или .

Предпочтительно диапазон значений прилежащего угла составляет от 20° до 110°.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления как первое ребро, так и второе ребро являются дугообразными, и кривизна первого ребра больше кривизны второго ребра.

В другом предпочтительном варианте осуществления первое ребро имеет форму прямой линии, тогда как второе ребро является дугообразным.

В одном из вариантов осуществления дно множественных впадин имеет круглую форму или многоугольную форму.

В одном из вариантов осуществления первое направление образует острый угол с продольным направлением, образует тупой угол с продольным направлением, проходит параллельно продольному направлению или перпендикулярно продольному направлению.

В другом варианте осуществления теплообменная пластина содержит по меньшей мере два элемента теплообменной пластины, при этом ориентация первых направлений в любых двух смежных элементах теплообменной пластины образует перевернутую V-образную форму.

Настоящее изобретение также предусматривает теплообменник, содержащий множество вышеописанных теплообменных пластин, соединенных друг с другом в перекрывающемся состоянии, при этом каналы для течения теплоносителя сформированы в промежутках между пластинами. В одном из вариантов осуществления эти множественные теплообменные пластины соединены друг с другом посредством пайки, полусварки или полной сварки. В одном из вариантов осуществления эти множественные теплообменные пластины соединены друг с другом съемным образом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение ниже будет более подробно описано со ссылкой на приложенные сопроводительные графические материалы, в которых одинаковыми метками в графических материалах обозначены одинаковые структуры или компоненты. В графических материалах:

на фиг. 1(a) и 1(b) показаны две пластины пластинчатого типа из известного уровня техники.

на фиг. 2(a) и 2(b) показаны виды в перспективе одной из частей теплообменной пластины в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в которой на поверхности основной части пластины предусмотрены множественные выступы и впадины;

на фиг. 3-9 показаны различные способы расположения впадин и выступов, соответственно, на поверхности основной части теплообменной пластины в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 10а-10d показаны примерные компоновки теплообменных пластин в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, при этом ориентация первого направления, соответственно, образует острый угол с продольным направлением, образует тупой угол с продольным направлением, образует перевернутую V-образную форму или является параллельной продольному направлению;

на фиг. 11 показана принципиальная схема установки теплообменных пластин в соответствии с настоящим изобретением; и

на фиг. 12 представлен результат компьютерного моделирования, показывающий режим потока теплоносителя в каналах между множественными теплообменными пластинами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, когда теплоноситель течет в каналах, при этом теплоноситель течет по теплообменным пластинам в продольном направлении и образует вихри во впадинах.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 2(а) и (b) показаны виды в перспективе одной из частей теплообменной пластины в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3-9 показаны способы расположения впадин и выступов, соответственно, на поверхности основной части теплообменной пластины в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. Как показано на фигурах, теплообменная пластина 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит основную часть 11 пластины с множественными впадинами 12 и выступами 13, расположенными на поверхности основной части 11 пластины, причем эти множественные впадины 12 и выступы 13 расположены чередующимся образом в первом направлении S1, а также расположены чередующимся образом во втором направлении S2, перпендикулярном первому направлению, и вершины множественных выступов 13 имеют форму, удлиненную в первом направлении S1.

При таком конструктивном построении, когда теплоноситель течет по основной части пластины в продольном направлении L, продольный обвод уменьшается, и, таким образом, усиливается поперечное распределение, в большей мере способствующее поперечному течению. Более того, удлиненная форма выступов в большей мере способствует образованию вихрей. Таким образом, повышается эффективность теплообмена. В дополнение, по причине удлиненной формы выступов, при установке множественных теплообменных пластин посредством пайки, полусварки или полной сварки и т.д. или съемным образом, увеличивается площадь касания при установке, и переходная криволинейная поверхность между выступом и впадиной в большей мере способствует распределению напряжений, и, таким образом, может быть обеспечено то, чтобы теплообменник обладал высокой прочностью, а толщину теплопроводных пластин можно было соответствующим образом уменьшить, добиваясь сокращения расходов.

Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается применениями, в которых теплоноситель течет по основной части пластины в продольном направлении. Теплоноситель также может течь по основной части пластины в поперечном или скошенном направлении. При этом эффективность теплообмена может быть по-прежнему повышенной, даже если изменятся положения вихрей.

В дополнение, следует обратить внимание на то, что, несмотря на расположение множественных впадин 12 и выступов 13 в первом направлении S1 и втором направлении S2 чередующимся образом, эти множественные впадины 12 и выступы 13 необязательно должны быть расположены чередующимся образом по прямой линии в первом направлении S1 или во втором направлении S2. Иными словами, впадины 12 и выступы 13, расположенные чередующимся образом в первом направлении S1, во втором направлении S2 могут иметь положения, расположенные в шахматном порядке, а впадины 12 и выступы 13, расположенные чередующимся образом во втором направлении S2, могут иметь положения, расположенные в шахматном порядке, в первом направлении S1, как для примера показано, например, на фиг. 9

В одном из вариантов осуществления выступ 13 и впадина 12, смежные друг с другом, переходным образом соединены посредством наклонной поверхности 14 между ними, тогда как смежные впадины 12 переходным образом соединены посредством желоба 15 криволинейной поверхности между ними, при этом дно желоба 15 криволинейной поверхности находится выше дна впадины 12. Авторы изобретения обнаружили, что такое конструктивное расположение может усиливать вышеупомянутый эффект распределения текучей среды.

В одном из вариантов осуществления, например, показанном на примере на фиг. 3, угол α при вершине треугольника, образованного тремя впадинами 12а, 12b и 12с, смежными в первом направлении S1, находится в диапазоне от 50° до 160°. Предпочтительно, этот угол α при вершине находится в диапазоне от 70° до 150°. Авторы изобретения обнаружили, что такое расположение в большей мере способствует образованию вихрей и распределению, и поэтому может дополнительно повышать эффективность теплообмена.

В одном из вариантов осуществления каждый выступ 13 имеет первое ребро а1 и второе ребро а2, при этом первое ребро а1 и/или второе ребро а2 может иметь форму кривой линии или прямой линии. Например, как показано на фиг. 3, как первое ребро а1, так и второе ребро а2 является дугообразным, и кривизна первого ребра а1 больше кривизны второго ребра а2. Например, как показано на фиг. 4, первое ребро а1 имеет форму прямой линии, тогда как второе ребро а2 является дугообразным. Разумеется, специалистам в данной области техники будет понятно, что используемый в данном описании термин «дугообразный» по существу включает дугообразные формы, образуемые путем соединения некоторого количества дуговых сегментов с разной кривизной, но с одинаковым направлением изгиба, и в данном случае «кривизна» означает приблизительную среднюю кривизну.

На фиг. 3-8 (не исчерпывающим образом) показаны некоторые формы, которые можно использовать для формы вершины выступов, например, , , , или. Следует понимать, что в сравнении со случаем, в котором второе ребро а2 имеет форму прямой линии, при дугообразном втором ребре а2 могут быть образованы более сильные вихри.

В одном из вариантов осуществления каждый выступ 13 может содержать третье ребро а3 и четвертое ребро а3; диапазон значений прилежащего угла β между третьим ребром а3 и четвертым ребром а4 находится в диапазоне от 0° до 180°. Например, как показано на фиг. 3, а3 и а4 соединены с первым ребром а1 и со вторым ребром а2 дугообразным переходом, образуя удлиненную структуру вершины выступа 13, и в то же время третье ребро а3 и четвертое ребро а4 образуют прилежащий угол β, и диапазон значений этого прилежащего угла составляет от 0° до 180°. В одном из предпочтительных вариантов осуществления диапазон значений прилежащего угла β составляет от 20° до 110°.

В одном из вариантов осуществления дно впадины 12 имеет круглую форму или многоугольную форму.

Следует понимать, что продольную длину С выступа 13 можно корректировать в соответствии с фактическими требованиями.

На фиг. 10а-10d показаны примерные компоновки теплообменных пластин в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В примерах, показанных выше на фиг. 3-9, первое направление S1 и второе направление S2 параллельны соответственно поперечному направлению Т и продольному направлению L, но, как показано, например, на фиг. 10а-10d, впадины 12 и выступы 13 могут быть расположены на основной части 11 пластины скошенным образом, при этом ориентация первого направления S1, соответственно, образует острый угол с продольным направлением L, образует тупой угол с продольным направлением L, образует перевернутую V-образную форму или является параллельной продольному направлению L.

В ходе использования первая или все множественные теплообменные пластины в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения соединяют друг с другом посредством пайки, полной сварки или полусварки и т.д. или съемным образом, и каналы для течения теплоносителя сформированы в промежутках между пластинами так, чтобы образовывался теплообменник пластинчатого типа в соответствии с настоящим изобретением. На основе структуры теплообменной пластины 1 согласно настоящему изобретению, в ходе установки одну сторону теплообменной пластины 1 устанавливают с выступами 13 в соприкосновении с выступами 13' смежной теплообменной пластины 1', тогда как другую сторону устанавливают с впадинами 12 в соприкосновении с впадинами 12ʺ другой смежной теплообменной пластины 1ʺ, как показано на фиг. 11. Таким образом, с двух сторон от одной и той же теплообменной пластины можно сформировать два разных режима распределения текучей среды; с той стороны, которая установлена с выступами в соприкосновении друг с другом объем заполнения текучей средой меньше. Такие асимметричные режимы распределения текучей среды позволяют обеспечивать улучшенное регулирование режима потока и регулирование рабочего режима. Более того, по причине того, что перепад давления меньше с той стороны, которая установлена с впадинами в соприкосновении друг с другом, может быть сокращено энергопотребление системы.

На фиг. 12 моделируемым образом показан режим потока текучей среды в каналах, где теплоноситель течет через теплообменник пластинчатого типа в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором теплоноситель течет по теплообменным пластинам в продольном направлении. Следует понимать, что теплоноситель также может течь по теплообменным пластинам и в поперечном или скошенном направлении. Когда теплоноситель течет по каналам между множественными теплообменными пластинами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения в продольном направлении, вихри образуются в областях под удлиненными выступами 13, т.е. во впадинах 12. Отсюда видно, что в теплообменной пластине в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения путем создания структуры из удлиненных выступов и задания диапазона угла α при вершине треугольника, образуемого тремя впадинами 12, или выступами 13, смежными в поперечном направлении Т, от 50° до 160°, могут быть образованы более сильные вихри теплоносителя, и, таким образом, можно повысить эффективность теплообмена, тогда как структура удлиненных выступов обеспечивает прочность соединения в ходе установки, т.е. обеспечивает прочность теплообменника пластинчатого типа в целом.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано в связи с различными вариантами осуществления, из описания должно быть понятно, что компоненты и структуры в данном изобретении могут комбинироваться, изменяться или совершенствоваться различными способами, при этом такие комбинации, изменения и усовершенствования подпадают под объем настоящего изобретения.

Теплообменная панель (1) и теплообменник панельного типа, оснащенный теплообменной панелью (1). Теплообменная панель (1) содержит основную часть (11) панели. Множественные впадины (12) и множественные выступы (13) расположены на поверхности основной части (11) панели. Множественные впадины (12) и множественные выступы (13) расположены чередующимся образом в первом направлении (S1), а также расположены чередующимся образом во втором направлении (S2), перпендикулярном первому направлению (S1). Вершины множественных выступов (13) имеют форму, удлиненную в первом направлении (S1). Теплообменная панель (1) и теплообменник панельного типа, оснащенный теплообменной панелью (1), может обеспечивать надежную прочность теплообменника в случае обеспечения эффективности теплообмена и может снизить стоимость производства теплообменной панели (1). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Теплообменная пластина, содержащая основную часть теплообменной пластины с множественными впадинами и выступами, расположенными на поверхности этой основной части пластины, при этом множественные впадины и выступы расположены чередующимся образом в первом направлении, а также чередующимся образом - во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, и вершины множественных выступов имеют форму, удлиненную в первом направлении, причем выступ и впадина, являющиеся смежными друг с другом, переходным образом соединены посредством наклонной поверхности между ними, тогда как смежные впадины переходным образом соединены посредством желоба криволинейной поверхности между ними, при этом дно желоба криволинейной поверхности находится выше дна впадины.

2. Теплообменная пластина по п. 1, причем угол при вершине треугольника, образованного тремя впадинами, или выступами, смежными в направлении удлинения выступов, находится в диапазоне от 50° до 160°.

3. Теплообменная пластина по п. 2, причем угол при вершине находится в диапазоне от 70° до 150°.

4. Теплообменная пластина по любому из пп. 1-3, причем каждый выступ имеет первое ребро и второе ребро, при этом первое ребро и/или второе ребро имеет форму кривой линии или прямой линии.

5. Теплообменная пластина по п. 4, причем каждый выступ имеет третье ребро и четвертое ребро; при этом диапазон значений прилежащего угла между третьим ребром и четвертым ребром составляет от 0° до 180°.

6. Теплообменная пластина по п. 5, причем форма вершины выступов представляет собой поперечное сечение вогнуто-выпуклой линзы, или поперечное сечение плосковогнутой линзы, или поперечное сечение двояковогнутой линзы, или поперечное сечение плоской линзы, или поперечное сечение двояковыпуклой линзы, или поперечное сечение плосковыпуклой линзы.

7. Теплообменная пластина по п. 5, причем диапазон значений прилежащего угла составляет от 20° до 110°.

8. Теплообменная пластина по п. 7, причем как первое ребро, так и второе ребро являются дугообразными, и кривизна первого ребра больше кривизны второго ребра.

9. Теплообменная пластина по п. 7, причем первое ребро имеет форму прямой линии, тогда как второе ребро является дугообразным.

10. Теплообменная пластина по любому из пп. 6-9, причем дно множественных впадин имеет круглую или многоугольную форму.

11. Теплообменная пластина по п. 1, причем первое направление образует острый угол с продольным направлением, образует тупой угол с продольным направлением, является параллельным продольному направлению или является перпендикулярным продольному направлению.

12. Теплообменная пластина по п. 1, содержащая по меньшей мере два элемента теплообменной пластины, при этом ориентация первых направлений в любых двух смежных элементах теплообменной пластины образует перевернутую V-образную форму.

13. Теплообменник пластинчатого типа, содержащий множество теплообменных пластин по любому из пп. 1-12, соединенных друг с другом в перекрывающемся состоянии, при этом каналы для течения теплоносителя сформированы в промежутках между пластинами.

14. Теплообменник пластинчатого типа по п. 13, причем множественные теплообменные пластины соединены друг с другом посредством пайки, полусварки или полной сварки.

15. Теплообменник пластинчатого типа по п. 13, причем множественные теплообменные пластины соединены друг с другом съемным образом.