ТЕПЛООБМЕННИК, СПОСОБ ЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F28D9/00 F24H1/24 

Изобретение относится к теплообменнику, содержащему полый центральный элемент, который расположен в корпусе и образует внутренний канал для первой среды, при этом пространство, окружающее центральный элемент в корпусе, образует по меньшей мере один внешний канал для второй среды, причем центральный элемент содержит на каждой стороне части, выступающие от его основной плоскости, и центральный элемент содержит по меньшей мере две по существу параллельные профилированные пластины, локально соединенные друг с другом. Такой теплообменник известен в разных вариантах.

Теплообменники применяются во многих областях для передачи тепла от среды с относительно высокой температурой среде с относительно низкой температурой. Теплообменники могут быть предназначены для охлаждения относительно горячих сред. С другой стороны, теплообменники могут быть предназначены для нагревания относительно холодной среды. Например, когда теплообменники применяются в системах центрального отопления (central heating system - CHs) или водопроводных системах. В таких системах вода подвергается нагреванию посредством приведения в теплообменный контакт с топочными газами горелки.

К теплообменникам, и в частности к теплообменникам для СН установок и водопроводных систем, часто предъявляют противоречивые требования. Так среды должны быть способны перемещаться через каналы надлежащим образом, т.е. с низкими потерями давления, и приводиться в интенсивный контакт друг с другом. В то же время теплообменник должен иметь относительно простую конструкцию и выполнен с возможностью изготовления с низкой себестоимостью и большими сериями. Необходимо также обеспечить возможность простой очистки и обслуживания теплообменников.

В US-A-1,966,133 описан теплообменник, содержащий две литые детали. Литые детали содержат периферийный фланец с отверстиями, при помощи которых они могут быть закреплены вплотную друг к другу болтами. Отражательные пластины, также содержащие периферийный фланец, закреплены между литыми деталями, в результате чего теплообменник может быть разобран, например, с целью очистки или замены деталей.

В DE-C1-195 46 190 описан теплообменник, содержащий двойную пластинчатую трубу с прямоугольным поперечным сечением. Газы сгорания перемещаются из камеры сгорания в противоположных направлениях вдоль потока воды для нагревания. Внешние каналы перемещают горячие газы сгорания, которые нагревают воду в расположенном между ними внутреннем канале.

Изобретение имеет своей целью создание усовершенствованного теплообменника.

В соответствии с изобретением данная цель достигается в том, что части, выступающие от основной плоскости центрального элемента, соединены с взаимно противоположными частями корпуса, при этом выступающие части ограничивают внешний канал так, что внешний канал имеет извилистую форму, по существу параллельную основной плоскости центрального элемента. Эффективная передача тепла осуществляется посредством извилистой формы внешнего канала. А поскольку граница внешнего канала образована посредством локального соединения выступающих частей центрального элемента с корпусом, теплообменник имеет простую конструкцию.

Как внутренний канал, так и внешний канал могут быть строго определенными в теплообменнике в соответствии с изобретением. Тем самым может быть реализована требуемая характеристика потока как для первой среды, так и для второй среды. Поскольку в отличие от большинства известных теплообменников, в теплообменнике в соответствии с изобретением на характер потока двух сред можно в значительной степени оказывать влияние посредством проектирования соответствующих проточных каналов в соответствии с их текучей средой, получается оптимизированная передача тепла.

Неохлаждаемые части теплообменника могут быть дополнительно предохранены, и данная конструкция предусматривает, что среда топочных газов не входит в контакт со сварными швами.

Дополнительным преимуществом простой конструкции теплообменника в соответствии с изобретением является то, что она может быть изготовлена просто. В то время как обычные теплообменники преимущественно отливают и собирают посредством сваривания большого количества пластин друг с другом, конструкция в соответствии с изобретением может быть изготовлена посредством придания трем или четырем пластинам требуемой формы и сваривания их друг с другом. Получаемая в результате удлиненная конструкция имеет дополнительное преимущество в том, что тепло газового пламени может быть распределено равномерно. Недостаток обычных теплообменников, создаваемых вокруг одной или более газовых горелок, состоит в том, что горячий источник тепла находится в центре, и тепло распределяется по теплообменнику с трудом.

В соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления, по меньшей мере один внешний канал определяет между двумя смежными выступающими частями направление потока второй среды, которое ориентировано по существу перпендикулярно направлению потока первой среды через внутренний канал. Это создает поперечный поток между первой средой и второй средой.

В другом варианте осуществления теплообменника в соответствии с изобретением, выступающие части на каждой стороне расположены напротив друг друга и образуют локальные расширенные участки внутреннего канала. Данные расширенные участки функционируют как вихревые камеры, при помощи которых первая среда приводится в движение перпендикулярно направлению ее потока, что приводит к улучшенной передаче тепла.

В альтернативном варианте осуществления теплообменника, выступающие части на каждой стороне смещены относительно друг друга, и внутренний канал имеет извилистую форму. Посредством данной извилистой формы увеличивается длина пути, который должны проходить топочные газы.

Когда промежуточное пространство между последовательными выступающими частями и/или один (или более) размер выступающих частей изменяется в направлении потока первой среды, может быть осуществлена эффективная и равномерная передача тепла по всей площади поверхности теплообменника, учитывая непостоянство в разностях температуры между средами.

Структурно простой вариант осуществления теплообменника получается, когда центральный элемент содержит по меньшей мере две по существу параллельные профилированные пластины, локально соединенные друг с другом. Таким образом, уменьшается количество отдельных элементов и тем самым упрощается изготовление.

В этом случае выступающие части центрального элемента могут быть образованы просто посредством взаимно параллельных углублений пластин.

В этом случае просто изготовленный теплообменник получается, когда углубления по существу U-образные или V-образные. Такие углубления могут быть образованы быстро и просто посредством пресса или штампа.

Конструкция теплообменника упрощается еще больше, когда корпус содержит по меньшей мере две по существу параллельные пластины, продолжающиеся на каждой стороне центрального элемента и локально соединенные с ним. При этом теплообменник может быть образован полностью из малого количества пластин, минимум трех.

В этом случае пластины центрального элемента и/или пластины корпуса могут быть в каждом случае одинаковыми, при этом для создания теплообменника может быть достаточно двух типов пластин.

Надежный, но при этом структурно простой теплообменник получается, когда пластины соединены друг с другом и/или с центральным элементом посредством сварных швов. При этом можно использовать разные методы сварки в зависимости от используемых материалов и варианта осуществления. Может быть использована точечная сварка, лазерная сварка, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа и др.

Для того чтобы обеспечить возможность удобной очистки или технического обслуживания теплообменника, профилированные пластины центрального элемента, предпочтительно, соединены друг с другом разъемно. Таким образом, теплообменник можно периодически разбирать на части.

Корпус и/или центральный элемент теплообменника предпочтительно изготовлены/изготовлен по меньшей мере частично из нержавеющей стали и/или титана. Данный материал сочетает в себе высокую стойкость к влияниям протекающих сред с высокой теплопроводностью и может также относительно просто обрабатываться.

Когда внутренний канал выполнен с возможностью соединения с выпуском горелки, а один или несколько внешних каналов с водопроводом, теплообменник может быть использован для нагревания проточной воды с использованием топочных газов, например, в СН установке или водопроводной системе.

Изобретение относится также к способу образования вышеописанного теплообменника. В соответствии с изобретением, данный способ включает этапы придания каждой из нескольких пластин требуемой формы профиля, расположения соответственно профилированных пластин по существу взаимно параллельно друг на друге и локального соединения друг с другом расположенных друг на друге пластин так, что между ними образуется по меньшей мере два отдельных непрерывных канала. Таким образом, теплообменник может быть изготовлен просто и быстро.

При этом пластины могут быть по меньшей мере частично изготовлены из нержавеющей стали и/или титана.

Пластинам может быть придана требуемая форма профиля посредством штамповки или прессования. Штамповка и сварка представляют собой хорошо разработанные технологии в изготовлении радиаторов, при помощи которых пластины можно изготавливать посредством надежного и простого технологического процесса.

Пластины могут быть дополнительно локально соединены друг с другом посредством сварных швов.

По меньшей мере некоторые пластины могут быть предпочтительно соединены друг с другом разъемно.

Когда теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, внутренние пластины могут быть разъемно соединены друг с другом, а внешние пластины каждая приварена к смежной внутренней пластине.

По меньшей мере некоторые пластины могут быть предпочтительно снабжены повторяющимся профилем посредством образования в них взаимно параллельных углублений.

При этом углубления могут быть по существу U-образными или V-образными.

Расстояние между последовательными углублениями и/или ширина и/или глубина углублений могут изменяться по поверхности пластины.

Когда теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, внутренние пластины и/или внешние пластины в каждом случае могут быть одинаковыми.

Когда теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, внутренние пластины могут иметь соответствующий повторяющийся профиль и они могут быть расположены друг на друге так, что их углубления по существу совпадают, тем самым образуя извилистый канал между пластинами.

Когда теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и внешние пластины, внутренние пластины могут с другой стороны иметь соответствующий повторяющийся профиль и расположены друг против друга так, то их взаимно противоположные углубления образуют локальные расширенные участки в канале, образованном между пластинами.

Наконец, изобретение также относится к способу приведения первой среды и второй среды в теплообменный контакт друг с другом, при этом первая и вторая среды перемещаются вдоль друг друга через поверхность теплообмена.

В способе теплообмена в соответствии с изобретением первая среда перемещается в первом основном направлении и во втором направлении, по существу перпендикулярном ему, и вторая среда перемещается по существу параллельно первому основному направлению и в третьем направлении, причем третье направление расположено по существу перпендикулярно как первому основному направлению, так и второму направлению. Таким образом, обеспечение возможности перемещения сред вдоль друг друга в разных направлениях создает эффективную передачу тепла.

Когда первая среда периодически перемещается туда и обратно на каждой стороне первого основного направления, поток данной среды становится турбулентным, в результате чего данная среда входит в полный теплообменный контакт с второй средой.

Подобный эффект может быть достигнут, когда первая среда следует по извилистой траектории потока.

Для оптимальной передачи тепла, вторая среда может в обоих случаях также следовать по извилистой траектории потока.

Теплообменник предпочтительно содержит извилистую траекторию потока как для внутреннего канала, так и для внешнего канала. Посредством осуществления обоих каналов в виде извилистой траектории потока, на поток первой среды во внутреннем канале, например, топочных газов, и второй среды во внешнем канале, например, воды для нагревания, можно воздействовать так, что можно осуществлять оптимальную передачу тепла.

При этом первая среда может быть газообразной, а вторая среда жидкой. Когда способ применяют в СН установке или водопроводной системе, первая среда может содержать топочные газы, поступающие из горелки, а вторая среда может представлять собой воду.

Для того чтобы предотвратить чрезмерное повышение температуры в области, окружающей теплообменник, рекомендуется, чтобы вторая среда перемещалась по существу полностью вокруг первой среды

Изобретение будет объяснено ниже на основе нескольких примеров. При этом сделаны ссылки на сопроводительные чертежи, из которых:

Фиг.1 представляет собой схематичный продольный разрез горелки и теплообменника в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

Фиг.2 показывает разрез по линии II-II, показанной на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой схематичный продольный разрез второго варианта осуществления теплообменника в соответствии с изобретением;

Фиг.4 показывает разрез в соответствии с фиг.3 в уменьшенном масштабе;

Фиг.5 представляет собой продольный разрез части теплообменника в соответствии с третьим вариантом осуществления;

Фиг.6 представляет собой схематичный продольный разрез четвертого варианта осуществления теплообменника в соответствии с изобретением с частью горелки;

Фиг.7 показывает разрез в соответствии с фиг. 4 пятого варианта осуществления теплообменника;

Фиг.8 показывает модификацию данного варианта осуществления;

Фиг.9 представляет собой схематичный вид сверху в соответствии со стрелкой IX, показанной на фиг. 8;

Фиг. 10 представляет собой схематичный вид установки с горелкой, теплообменника в соответствии с изобретением, водяного соединения и выпуска топочного газа;

Фиг. 11 схематично показывает самые важные этапы способа изготовления теплообменника в соответствии с изобретением;

Фиг. 12А представляет собой общий вид седьмого варианта осуществления теплообменника;

Фиг. 12В представляет собой схематичный вид потока воды через теплообменник, показанный на фиг. 12А;

Фиг. 13 представляет собой вид с пространственным разделением элементов теплообменника в соответствии с фиг. 12А;

Фиг. 14 представляет собой вид в поперечном разрезе теплообменника в соответствии с фиг. 12А;

Фиг. 15 показывает вид в поперечном разрезе восьмого варианта осуществления теплообменника;

Фиг. 16A представляет собой общий вид в поперечном разрезе девятого варианта осуществления теплообменника;

Фиг. 16 В представляет собой схематичный вид потока воды через теплообменник, показанный на фиг. 16А;

Фиг. 17 представляет собой вид в поперечном разрезе десятого варианта осуществления теплообменника;

Фиг. 18 показывает сечение в соответствии со стрелкой XVIII на фиг. 17;

Фиг. 19 показывает сечение в соответствии со стрелкой XIX на фиг. 17;

Фиг.20А представляет собой общий вид в поперечном разрезе одиннадцатого варианта осуществления теплообменника;

Фиг.20В представляет собой схематичный вид потока воды через теплообменник, показанный на фиг.20А;

Фиг.21 представляет собой общий вид пластин, которые совместно образуют лабиринт для топочных газов теплообменника в соответствии с фиг.16А и 20А; и

Фиг.22 представляет собой общий вид в поперечном разрезе в соответствии со стрелкой XXII на фиг.21.

Теплообменник 10 (фиг.1) содержит полый центральный элемент 1, который расположен в корпусе 2 и образует внутренний канал 3 для первой среды М1. При этом пространство 4 в корпусе 2, которое окружает центральный элемент 1, образует внешний канал для второй среды М2. Центральный элемент 1 содержит основную плоскость, которая параллельна направлению потока первой среды М1, то есть здесь в направлении XY, перпендикулярно плоскости чертежа. Центральный элемент 1 содержит части 5, выступающие на каждой стороне из данной основной плоскости и соединенные с взаимно противоположными стенками 6 корпуса 2. Выступающие части 5 продолжаются не по всей ширине корпуса 2, а в каждом случае оставляют свободным проход между своим закрытым внешним концом 11 и одной из боковых стенок 12 корпуса 2 (фиг.2). Следовательно, выступающие части 5 ограничивают внешний канал 4 таким образом, что данный канал 4 имеет извилистую форму, параллельную основной плоскости центрального элемента 1, то есть в направлении XY. Такая извилистая форма в направлении XY обеспечивает поперечный поток двух теплообменных сред М1 и М2, причем во внешнем канале 4, заключенном между двумя смежными выступающими частями 5, вторая среда М2 направлена по существу перпендикулярно направлению потока первой среды М1 через внутренний канал 3. В показанном варианте осуществления выступающие части 5 расположены напротив друг друга на каждой стороне и образуют во внутреннем канале 3 локальные расширенные участки 7. В этих расширенных участках 7 образуется турбулентность, которая действует как вихревые камеры, и первая среда М1 приводится в движение перпендикулярно направлению ее потока, то есть в направлении Z. Эффективная передача тепла обеспечивается посредством перемещения двух сред М1, М2 в разных направлениях.

Внутренний канал 3 в данном случае соединен с выпуском 8 горелки 9, а внешний канал 4 соединен с водопроводной трубой (здесь не показанной). Отмечается, что данная конструкция теплообменника 10 предусматривает пространство для широкой горелки 9, причем данная конструкция имеет преимущество в том, что она имеет относительно большую площадь горелки. Внутренний канал 3 может быть выполнен за одно целое с выпуском 8. В горелке 9 осуществляется сжигание топливно-воздушной смеси, и образующиеся при этом топочные газы образуют среду М1. Вторая среда М2 во внешнем канале 4, то есть в данном случае проточная вода, которая, например, циркулирует в СН установке или отводится в виде водопроводной воды, подвергается нагреванию до требуемой температуры посредством данных топочных газов. В показанном примере вода М2 как вариант протекает через теплообменник 1, параллельно, но в противоположном направлении относительно топочных газов М1.

В данном случае центральный элемент 1 и корпус 2 каждый образован посредством соответствующих пар взаимно соединенных пластин 13, 14 и 15, 16. При этом пластины 13, 14, образующие стенки центрального элемента 1, являются соответственно профилированными, а пластины 15, 16, образующие внешние стенки 6 корпуса 2 в данном варианте осуществления по существу плоские, хотя и изогнутые в некоторой степени, для того чтобы образовать соединение между относительно большой высотой выпускной камеры 8 и более тонким теплообменником 10.

В данном примере профиль пластин 13, 14 образован посредством ряда параллельных углублений 17 в первоначально плоских пластинах. Пластины 13, 14 здесь одинаковые, но расположены друг против друга так, что углубления 17 направлены друг от друга и образуют расширенные участки 7 внутреннего канала 3. Углубления 17, как вариант, имеют плоскую U-образную форму с острыми краями 18, 19. Плечи U-образной формы между краями 18, 19 и дно U-образной формы в данном случае плоские, поэтому углубления 17 в первоначально плоской пластине могут быть образованы просто. Для образования углублений могут быть использованы разные методы, такие как штамповка или прессование, или даже накатка. Данные методы применяются при изготовлении радиаторов и надежны и просты и таким образом эффективны по стоимости.

В показанном примере пластины 13-16 изготовлены из нержавеющей стали. В данном случае выступающие части 5 пластин 13, 14 центрального элемента 1 прикреплены к пластинам 15, 16 корпуса 2 посредством сварных швов 26. При этом могут быть использованы разные методы сварки, такие как точечная сварка, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа или лазерная сварка. Концевые края разных пластин 13-16 также взаимно соединены, чтобы закрыть корпус 2 и центральный элемент 1 - за исключением впускного и выпускного отверстий - и предотвратить прямой контакт сред М1 и М2. Для данных концевых соединений могут быть также использованы указанные методы сварки.

В показанном примере размеры углублений 17 и расстояние между ними всегда одинаковые. Таким образом образуются внутренний и внешний каналы 3, 4, пропускная площадь которых около выпускной стороны в принципе такая же, как около впускной стороны. При этом скорости потока сред М1, М2 между впускной и выпускной сторонами по существу также будут оставаться неизменными.

В альтернативном варианте осуществления (фиг.3) выступающие части 5 смещены друг относительно друга в направлении потока сред М1, М2. Таким образом, они не образуют локальных расширенных участков как вариант прямом канале, но придают внутреннему каналу 3 извилистую форму. Как и в первом варианте осуществления, пластины 13, 14, которые образуют центральный элемент 1, могут быть в основном одинаковыми и расположены друг против друга, но затем смещены. Таким образом, относительно широкие углубления 17 расположены напротив относительно узких прямых частей 20, тем самым образуя извилистый внутренний канал 3 с относительно острыми сгибами.

В данном варианте осуществления форма и размеры выступающих частей 5 и промежуточного пространства между последовательными выступающими частями 5 как вариант изменяются в направлении потока сред М1, М2 (фиг.4). В направлении потока топочных газов М1, если смотреть из выпуска 8 горелки 9, ширина углублений 17 и расстояние между последовательными углублениями 17 уменьшаются так, что прямостоящие грани между углублениями 17 в конце концов изменяются от выровненных U-образных до V-образных. В этом случае внутренний канал 3 уже практически не содержит частей, продолжающихся параллельно основной плоскости центрального элемента 1, а только изгибается вокруг нее. Посредством изменения формы каналов 3, 4 можно по мере возможности учитывать разброс температуры сред М1, М2 и может быть осуществлена максимальная передача тепла в каждой точке в теплообменнике 10.

В модификации данного варианта осуществления выступающие части 5 также смещены, так что внутренний канал 3 имеет извилистую форму. Однако в данном случае ширина углублений 17 и расстояние между ними являются постоянными, поэтому канал 3 имеет регулярно повторяющуюся форму (фиг.5). Пропускные площади внутреннего и внешнего каналов 3, 4 в данном случае также по существу постоянные, если смотреть в направлении потока, как и скорости потока сред М1, М2.

Другой вариант осуществления отличается тем, что пластины 13, 14, которые образуют центральный элемент 1, повторяют форму пластин 15, 16 внешних стенок 6 корпуса 2 (фиг.6). Таким образом, на впускной стороне, около горелки 9 и ее выпуска 8, внутренний канал 3 имеет относительно большую пропускную площадь, которая затем уменьшается в направлении перемещения топочных газов М1, когда внешние стенки 6 корпуса 2 приближаются друг к другу.

В еще одном варианте осуществления теплообменника 10, профилированными являются не только пластины 13, 14, образующие центральный элемент, но и пластины 15, 16, которые образуют корпус 2 (фиг.7). Данные пластины 15, 16 содержат прямолинейные элементы 21, с которыми соединены выступающие части 5 внутреннего канала 3, с расположенными между ними углублениями 22. В показанном примере данные углубления 22 содержат закругленные края или даже образуют изогнутое единое целое. Таким образом создаются оптимальные условия потока для жидкой среды М2. Прямолинейные элементы 21 как вариант прикреплены рядом с горелкой 9 к стенке выпуска 8, так что и здесь внешний канал 4 также имеет извилистую форму. Как показано стрелками F1 и F2, в данном примере углубления 22 на каждой стороне внутреннего канала 3 образуют два отдельных внешних канала 4' и 4'', в результате два отдельных потока жидкости М2 подвергаются нагреванию посредством топочных газов М1.

В модификации данного варианта осуществления прямолинейные элементы 21 пластин 15, 16, которые образуют внешние стенки 6 корпуса 2, настолько узкие, что в поперечном сечении пластины 15, 16 похожи на ряд взаимно соединенных дуг (фиг.8). Таким образом, внешние каналы 4' и 4'' имеют извилистую форму с относительно узкими контурами, которые соединены друг с другом посредством сильных изгибов и отделены только штампованной промежуточной стенкой (фиг.9). Пластины 13, 14, которые образуют центральный элемент 1, в данном случае не смещены, и поэтому также образуют посредством своих углублений 17 локальные расширенные участки 7 во внутреннем канале 3. В данном варианте осуществления за счет формы внешних стенок 6 корпуса 2 внутренний канал 3 полностью окружен жидкостью М2 во внешнем канале 4. Таким образом, внешняя сторона теплообменника 10 остается холодной. В данном варианте осуществления выпускная камера 9 горелки 8 как вариант принимает удлиненную форму с прямолинейными стенками. Таким образом, данная выпускная камера 9 может быть образована просто из пластин 13, 14 таким же образом, как внутренний канал 3.

В данном варианте осуществления каждая пара пластин 13, 14 и 15, 16 также симметрична относительно основной плоскости центрального элемента 1. Таким образом, теплообменнику 10 можно легко придать разборную форму. С этой целью пластины 13, 14 соединены друг с другом разъемно, а пластины 15, 16 каждая прикреплена постоянно к соответствующей пластине 13, 14, например, приварена к ней. При этом каждая соответствующая группа взаимно прикрепленных пластин 13, 15 и 14, 16 образует одинаковый модуль. Таким образом, при необходимости теплообменник 10 может быть разобран, например, чтобы прочистить каналы 3, 4 или для проведения операций технического обслуживания.

На практике теплообменник 10 и горелку 8 часто размещают в вертикально ориентированном корпусе 23, который приспособлен для подвешивания на стене (фиг.10). В показанном примере горелка 8 расположена над теплообменником 10, который в свою очередь также ориентирован вертикально. Топочные газы М1 направляются вниз через внутренний канал 3 теплообменника 10, и оттуда продолжаются в направленную вверх выпускную трубу 24. В то же время вода М2 для нагревания подается через соединение 25 на нижней стороне корпуса 23 во внешний канал 4 теплообменника 10. Данная вода М2 в конце концов выходит из корпуса 23 через второе соединение, которое здесь не показано, но на практике часто также расположено на нижней стороне.

Способ образования вышеописанного теплообменника 10 включает первый этап S1 доставки нескольких пластин 13-16, изготовленных, например, из нержавеющей стали или титана (фиг.11). Затем на втором этапе S2 пластины 13, 14, которые будут образовывать центральный элемент 1 теплообменника 10, в любом случае профилируют. С этой целью данные пластины 13, 14 подвергаются, например, операции прессования или штамповки. Для образования теплообменника 10 в соответствии с фиг.7-9, на этапе S3 пластины 15, 16 корпуса 2 должны также подвергаться операции прессования или штамповки, для того чтобы стать профилированными. Данный этап S3, конечно, не требуется для теплообменников 10 с плоскими внешними стенками 6. Затем пластины 13-16 приводят в надлежащее положение относительно друг друга (этап S4) и наконец соединяют друг с другом (этап S5). Для полностью свариваемого теплообменника 10 сначала можно сварить пластины 13, 14 друг с другом, и затем приварить к ним пластины 15, 16. Для теплообменника, который должен предусматривать возможность разборки, сначала можно приварить пластины 15, 16 к соответствующей пластине 13, 14, а затем пары 13, 15 и 14, 16 пластин разъемно соединить друг с другом. Таким образом, теплообменник 10 может быть образован быстро и эффективно посредством относительно малого количества простых операций, которые к тому же легко автоматизировать.

Таким образом, теплообменник 10 в соответствии с изобретением является простым в изготовлении и содержит относительно малое количество отдельных элементов. При помощи теплообменника 10 в соответствии с изобретением можно образовать относительно большую площадь поверхности теплообмена, используя относительно мало материала. К тому же зона вблизи теплообменника 10 является относительно холодной, поскольку вода М2 протекает по существу полностью вокруг горячих топочных газов М1.

Фиг.12А, 12В, 13 и 14 показывают седьмой вариант осуществления теплообменника 10, в котором один поток воды М2 перемежается между верхней стороной и нижней стороной пластин 13, 14, которые совместно заключают в себе лабиринт, через который перемещаются горячие топочные газы М1.

Как наглядно показано в частности в виде с пространственным разделением элементов на фиг.13, пластины 13, 14 содержат углубления 17. Углубления 17 локально прерываются, при этом пластины 15, 16 совместно с пластинами 13, 14 заключают в себе внешний канал 4, через который способна перемещаться вода М2.

Пластины 13, 14 совместно заключают в себе внутренний канал 3, который образует лабиринт для топочных газов. При этом углубления 17 обеспечивают завихрение и перемешивание горячего потока топочных газов М1.

По меньшей мере один боковой край пластин 13, 14 содержит проходные отверстия 27, через которые поток М2 воды может перемещаться с нижней стороны на верхнюю сторону и наоборот. На внешнем конце внешний канал 4 содержит выпускное отверстие 28, через которое нагретая вода М2 может выходить из теплообменника 10.

В восьмом варианте осуществления теплообменника 10, показанном на фиг.15 в поперечном разрезе, показан также поток М2 воды, который перемещается через проходные отверстия с нижней стороне на верхнюю сторону. В данном восьмом варианте осуществления внутренний канал 3 содержит последовательные камеры (не показанные), в которых горячие топочные газы М1 завихряются и смешиваются. Такие вихревые камеры соответствуют конфигурации, показанной на фиг.1.

Девятый вариант осуществления, показанный на фиг.16А и 16В, также содержит внутренний канал 3 для перемещения горячих топочных газов М1, который образован посредством двух пластин 13, 14, расположенных друг против друга. Углубления 17 локально соединяют пластины 13, 14 и таким образом образуют лабиринт для горячих топочных газов М1. Поток М2 воды перемещается из входа (не показанного) и через проходные отверстия 27 через внешний канал 4 в направлении выпускного отверстия 28. При перемещении через внешний канал 4 теплообменника 10 вода М2 подвергается нагреванию посредством тепла, выпускаемого из горячих топочных газов М1. Фиг.16В схематично показывает поток воды М2 через теплообменник 10, показанный на фиг.16А.

На фиг.17-19 показан десятый вариант осуществления теплообменника 10, причем фиг.18 и 19 показывают сечения в соответствии со стрелками XVIII и XIX на фиг.17. Внутренний канал 3 содержит поочередно каналы с узким сечением и каналы с широким сечением. На месте широких каналов между пластинами 3, 4 образована камера, где поток горячих топочных газов М1 начинает завихряться и смешиваться, что улучшает передачу тепла в воду М2, протекающую через внешние каналы 4. Сечение, показанное на фиг.19, соответствует положению проходных отверстий 27, через которые поток М2 воды перемещается снизу вверх и наоборот. Таким образом, один внешний проточный канал 4 может проходить вдоль как нижней стороны, так и верхней стороны внутреннего канала 3. Для данного варианта осуществления поток М2 воды соответствует потоку воды, схематично показанному на фиг.16В для девятого варианта осуществления.

Использование одного проточного канала 4 имеет преимущество в том, что с одной стороны засорение маловероятно, а с другой стороны, если даже засорение и возникает, оно будет быстро обнаружено.

Однако можно предусмотреть разделение потока М2 воды через проточный канал 4 на два потока: первый поток вдоль нижней стороны внутреннего канала 3 и второй поток вдоль верхней стороны внутреннего канала 3. Такой вариант осуществления показан на фиг.20А и 20В, причем фиг.20В схематично показывает поток М2 воды.

Наконец, фиг.21 и 22 показывают пластины 13, 14 вышеописанного девятого варианта осуществления (фиг.16А и 16В) и одиннадцатого варианта осуществления (фиг.20А и 20В). Пластины 13, 14 содержат углубления 17, которые в собранном положении расположены вплотную друг к другу и таким образуют во внутреннем канале 3 лабиринт, по которому будут блуждать горячие топочные газы М1.

Хотя они показывают предпочтительные варианты осуществления изобретения, вышеописанные варианты осуществления представлены только для объяснения настоящего изобретения и никак не ограничивают описание изобретения.

Следует понимать, что для ясности на чертежах течение воды показано с относительно большим смещением между параллельными каналами. В действительности каналы могут находиться значительно ближе друг к другу, тем самым улучшается передача тепла между горячими топочными газами М1 и потоком М2 воды.

Когда после признаков в формуле изобретения указаны ссылочные позиции, такие ссылочные позиции служат только для того, чтобы способствовать пониманию формулы изобретения, но никак не ограничивают объем охраны. В частности отмечается, что специалист может комбинировать технические признаки разных вариантов осуществления. Описанные права определяются приведенной ниже формулой изобретения, в пределах объема которой может быть предусмотрено множество модификаций.

Изобретение относится к теплообменнику (10), содержащему полый центральный элемент (1), который расположен в корпусе (2) и образует внутренний канал (3) для первой среды (М1), при этом пространство (4), окружающее центральный элемент (1) в корпусе (2), образует по меньшей мере один внешний канал для второй среды (М2), причем центральный элемент (1) содержит на каждой стороне части (5), которые выступают от его основной плоскости, и центральный элемент (1) содержит по меньшей мере две по существу параллельные профилированные пластины (13, 14), локально соединенные друг с другом, и части (5) соединены с взаимно противоположными частями корпуса (2) и ограничивают внешний канал так, что внешний канал имеет извилистую форму, по существу параллельную основной плоскости центрального элемента (1). Изобретение относится также к способу выполнения такого теплообменника и к способу его использования. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Теплообменник, содержащий полый центральный элемент, который расположен в корпусе и образует внутренний канал для первой среды, при этом пространство, окружающее центральный элемент в корпусе, образует по меньшей мере один внешний канал для второй среды, причем центральный элемент содержит на каждой стороне части, выступающие от его основной плоскости, и центральный элемент содержит по меньшей мере две по существу параллельные профилированные пластины, локально соединенные друг с другом, отличающийся тем, что части, выступающие от основной плоскости центрального элемента, соединены с взаимно противоположными частями корпуса, причем выступающие части ограничивают внешний канал так, что внешний канал имеет извилистую форму, по существу параллельную основной плоскости центрального элемента.

2. Теплообменник по п.1, в котором по меньшей мере один внешний канал определяет между двумя смежными выступающими частями направление потока второй среды, которое ориентировано по существу перпендикулярно направлению потока первой среды через внутренний канал.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что выступающие части на каждой стороне расположены напротив друг друга и образуют локальные расширенные участки внутреннего канала или смещены относительно друг друга, и внутренний канал имеет извилистую форму.

4. Теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что промежуточное пространство между последовательными выступающими частями и/или размеры выступающих частей изменяется/изменяются в направлении потока первой среды.

5. Теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что выступающие части центрального элемента образованы посредством взаимно параллельных углублений пластин, причем углубления являются по существу U-образными или V-образными.

6. Теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что корпус содержит по меньшей мере две по существу параллельные пластины, продолжающиеся на каждой стороне центрального элемента и локально соединенные с ним.

7. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что пластины центрального элемента и/или пластины корпуса в каждом случае одинаковые.

8. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что пластины соединены друг с другом и/или с центральным элементом посредством сварных швов.

9. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что профилированные пластины центрального элемента разъемно соединены друг с другом.

10. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что корпус и/или центральный элемент теплообменника по меньшей мере частично изготовлены/изготовлен из нержавеющей стали и/или титана.

11. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутренний канал выполнен с возможностью соединения с выпуском горелки, и внешний канал представляет собой водопроводную трубу.

12. Способ выполнения теплообменника по любому из пп. 1-11, включающий в себя этапы, на которых:

придают каждой из нескольких пластин требуемую форму профиля;

располагают соответственно профилированные пластины по существу взаимно параллельно друг на друге; и

соединяют локально друг с другом пластины, расположенные друг на друге с образованием по меньшей мере двух отдельных непрерывных каналов.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что пластины по меньшей мере частично изготавливают из нержавеющей стали и/или титана, при этом пластинам придают требуемую форму профиля посредством штамповки или прессования.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что пластины локально соединяют друг с другом посредством сварных швов.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые пластины разъемно соединяют друг с другом.

16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, причем внутренние пластины разъемно соединяют друг с другом, а внешние пластины, каждую, приваривают к смежной внутренней пластине.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые пластины снабжают повторяющимся профилем посредством образования в них взаимно параллельных углублений, причем углубления являются по существу U-образными или V-образными.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что расстояние между последовательными углублениями, и/или ширина, и/или глубина углублений изменяется на протяжении поверхности пластины.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, и внутренние пластины и/или внешние пластины в каждом случае одинаковые.

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, причем внутренние пластины имеют соответствующий повторяющийся профиль и расположены друг на друге так, что их углубления по существу совпадают, тем самым образуя извилистый канал между пластинами.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что теплообменник содержит по меньшей мере две внутренние и две внешние пластины, причем внутренние пластины имеют соответствующий повторяющийся профиль и расположены против друг друга так, что их взаимно противоположные углубления образуют локальные расширенные участки в канале, образованном между пластинами.

22. Способ приведения первой среды и второй среды в теплообменный контакт друг с другом посредством теплообменника по любому из пп. 1-11, в котором первая и вторая среды протекают вдоль друг друга через поверхность теплоообмена, причем способ отличается тем, что первая среда протекает в первом основном направлении и во втором направлении, по существу перпендикулярном ему, и вторая среда протекает по существу параллельно первому основному направлению и в третьем направлении, причем третье направление проходит по существу перпендикулярно как первому основному направлению, так и второму направлению.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что первая среда периодически перемещается туда и обратно на каждой стороне первого основного направления, причем первая среда следует по извилистой траектории потока и вторая среда следует по извилистой траектории потока.

24. Способ по п. 22 или 23, отличающийся тем, что первая среда является газообразной, а вторая среда жидкой, причем первая среда содержит топочные газы, выходящие из горелки, а вторая среда представляет собой воду.

25. Способ по п. 22 или 23, отличающийся тем, что вторая среда протекает по существу полностью вокруг первой среды.