Пластинчатый теплообменник с поверхностными рельефами и способ обеспечения поверхности повышенной теплопередачи - RU2320946C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, а более конкретно к пластичному теплообменнику, имеющему поверхностные рельефы, и способу обеспечения повышенной теплопередачи между текучими средами, проходящими через теплообменник.

Пластинчатые теплообменники являются одним из нескольких элементов в системах охлаждения и нагрева. Они являются важным элементом, поскольку пластинчатые теплообменники используются для размещения двух или более текучих сред в условиях теплообмена друг с другом и действуют либо как конденсатор, либо как испаритель, в зависимости от желаемого применения. Иными словами, одна или более текучих сред предпочтительно конденсируются или испаряются. Одна из этих текучих сред предпочтительно является хладагентом. Как правило, пластинчатые теплообменники используются в комбинации с компрессором, расширительными клапанами и воздуходувками для нагрева или охлаждения пространства. Применение пластинчатых теплообменников является желательным ввиду их компактной конструкции и удобной установки.

Пластинчатый теплообменник обычно представляет собой герметизированное устройство, которое имеет входное отверстие и выходное отверстие для каждой из двух или более текучих сред, которые изолированы друг от друга и циркулируют через теплообменник. Уплотненное устройство обычно включает множество спрессованных пластин, причем структуры спрессованных пластин, как правило, принимают форму «елочки», ограничивая поперечные сечения чередующихся вершин, имеющие вид «V-образных гребней», с отверстиями, выполненными рядом с концами спрессованных пластин и обеспечивающими прохождение двух или более текучих сред. Конфигурация пластин такова, что за счет попеременного поворота пластин в порядке «торец к торцу» отверстия приобретают конфигурацию, определяющую отдельные проходы для каждой из текучих сред между парами пластин, при этом одна текучая среда, возможно, имеет несколько проходов в пределах предварительно определенного количества пар пластин. Поворот в порядке «торец к торцу» также обеспечивает противолежащие структуры в форме «елочки» между соседними парами пластин. За счет такой ступенчатой компоновки противолежащие структуры в форме «елочки» периодически контактируют друг с другом вдоль соответствующих вершин V-образных гребней структур в форме «елочки», при этом каждую область контакта называют «узлом». Эта ступенчатая поверхность раздела между пластинами каждой пары ограничивает извилистый проход, направление и поперечное сечение которого постоянно изменяются, обеспечивая более эффективный тепловой контакт между разными текучими средами, проходящими по соседним проходам, и увеличивая при этом контакт текучих сред с поверхностями пластин.

Вышеописанная геометрия демонстрирует повышенные значения параметра теплового сообщения, обычно называемого коэффициентом теплопередачи со стороны хладагента и составляющего приблизительно 380 британских тепловых единиц (БТЕ) на градус Фаренгейта на квадратный фут в час (БТЕ/°F/фт²/ч) в обычных расчетных условиях для текучих теплоносителей, проходящих через пластинчатый теплообменник. Однако значение этого коэффициента значительно меньше тех, которые достигаются с помощью других конструкций теплообменников, например с помощью усовершенствованных труб, через которые проходит первая текучая среда или хладагент, причем трубы проходят через сосуд, содержащий вторую текучую среду, проходящую поверх этих труб, и наоборот.

Поэтому существует потребность в создании конструкции пластинчатого теплообменника, имеющей повышенные значения коэффициента теплопередачи.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему множество пластин, каждая из которых имеет противоположные поверхности и периметрические фланцы для определения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины каждой пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина имеет высокую удельную теплопроводность и определяет участок границы прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, обеспечивая тепловое сообщение между этими двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины.

Пластины, имеющие две разные текучие среды на противоположных поверхностях, должны быть выполнены из материала с высокой удельной теплопроводностью, чтобы обеспечить хорошее тепловое сообщение между текучими средами на противоположных сторонах пластины, контактирующими с поверхностями, обеспечивая превосходную теплопередачу. Очевидно, что в пакете пластин текучие среды будут проходить на обеих сторонах каждой пластины, за исключением торцевых пластин, так что каждая пластина в пакете должна быть выполнена из материала с высокой удельной теплопроводностью. На одной стороне торцевых пластин находится воздух. Хотя воздух, строго говоря, и является текучей средой, в контексте данной заявки воздух не рассматривается в качестве одной из текучих сред, используемых для теплопередачи в теплообменнике согласно настоящему изобретению, поскольку воздух может действовать как хороший изолятор. Таким образом, торцевые пластины не обязательно должны быть выполнены из материала с высокой удельной теплопроводностью и могут быть выполнены из более дешевого материала, такого как углеродистая сталь, хотя обычно они изготавливаются из того же материала, что и остальные пластины в пакете.

Пластинчатый теплообменник имеет входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, по меньшей мере, одну вставку, размещенную с возможностью сообщения посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, множество поверхностных микрорельефов, сообщающихся посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды.

В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «поверхностные микрорельефы» включает в себя микрорельефы, имеющие предварительно выбранную геометрию и размер 0,050 дюйма и менее. Поверхностные микрорельефы не включают гребни (включая большие впадины или гофры), образованные на пластинах, которые можно было бы рассматривать как микрорельефы, но могут включать очень небольшие геометрические рельефы, образованные на или в поверхностях гребней, впадин или гофров.

Причем множество микрорельефов включает множество выполненных в них, по меньшей мере, отверстий или перфорированных отверстий и предназначено для обеспечения повышенной теплопередачи между, по меньшей мере, двумя текучими средами, причем каждое отверстие или перфорированное отверстие соответствует узлу контакта между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, при этом, по меньшей мере, одна пластина образует участок границы прохода. При этом множество поверхностных микрорельефов взаимно соединены. Множество поверхностных микрорельефов соответствуют отверстиям, достаточно большим, чтобы предотвратить улавливание смазочного масла. Множество поверхностных микрорельефов соответствуют отверстиям, имеющим размер от примерно 0,002 дюйма до примерно 0,050 дюйма. Причем, по меньшей мере, часть множества поверхностных микрорельефов представляет собой поверхностные микрорельефы в виде вмятин. По меньшей мере, часть множества поверхностных микрорельефов представляет собой поверхностные микрорельефы в виде выступов. По меньшей мере, часть множества поверхностных микрорельефов в виде выступов состоит из неметалла.

Пластинчатый теплообменник может иметь конструкцию, паянную твердым припоем, предусматривающую размещение, по меньшей мере, одной пластины из фольги между примыкающими пластинами из множества пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина из фольги расплавляется и затекает между примыкающими пластинами из множества пластин, образуя узлы контакта, паянные твердым припоем, между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, когда пластинчатый теплообменник нагрет до предварительно определенной температуры ниже температуры плавления примыкающих пластин из множества пластин, но выше температуры плавления, по меньшей мере, одной пластины из фольги, при этом, по меньшей мере, одна вставка имеет слой покрытия, нанесенный на поверхности, по меньшей мере, одной вставки и, по существу, предотвращающий затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов, по меньшей мере, одной вставки. Слой покрытия представляет собой оксидное покрытие. Слой покрытия представляет собой оксидное покрытие, выбранное из группы, стоящей из оксида никеля, оксида хрома, оксида алюминия и оксида циркония или их комбинаций.

Передние поверхности, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары примыкающих пластин множества пластин, по существу, непосредственно примыкают друг к другу.

По меньшей мере, одна вставка представляет собой пластину. Передние поверхности, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары примыкающих пластин множества пластин разделены посредством зазора. Зазор может быть угловым. Зазор может быть образован множеством прокладок, расположенных между передними поверхностями, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары примыкающих пластин множества пластин. Причем, по меньшей мере, одна вставка представляет собой сетку. Сетка имеет равномерную конструкцию. Профиль поперечного сечения равномерной сетки является некруглым. Сетка может включать слой подложки, который состоит из металла. Слой подложки проходит мимо противоположных краев сетки, а затем загибается над этими противоположными краями. При этом, по меньшей мере, одна сетка может иметь отверстия размером от примерно 0,0001 дюйма до примерно 0,050 дюйма. По меньшей мере, одна сетка может иметь отверстия размером от примерно 0,002 дюйма до примерно 0,050 дюйма. Сетка содержит множество взаимно пересекающихся переплетенных элементов. Профиль поперечного сечения сетки является некруглым. По меньшей мере, одна сетка содержит множество слоев сетки, уложенных в пакет. Множество слоев сетки, уложенных в пакет, может содержать первый слой сетки с размером ячеек примерно 400 меш и второй слой сетки с размером ячеек примерно 100 меш. Множество слоев сетки, уложенных в пакет, может содержать первый слой сетки с размером ячеек примерно 400 меш и второй слой сетки с размером ячеек примерно 400 меш. Множество слоев сетки, уложенных в пакет, может содержать первый слой сетки с размером ячеек примерно 400 меш, второй слой сетки с размером ячеек примерно 100 меш и третий слой сетки с размером ячеек примерно 100 меш.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу обеспечения поверхности повышенной теплопередачи для использования с пластинчатым теплообменником, включающим множество пластин, каждая из которых имеет противоположные поверхности и периметрические фланцы для обеспечения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины из пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина обеспечивает границу прохода, имеющую высокую удельную теплопроводность, обеспечивая тепловое сообщение между этими двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, включающему этапы, на которых размещают, по меньшей мере, одну вставку, имеющую, по меньшей мере, сообщение посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, выполняют путем осаждения множество поверхностных микрорельефов, по меньшей мере, на участке, по меньшей мере, одной поверхности, по меньшей мере, одной из пластин, причем множество микрорельефов включает множество выполненных в них, по меньшей мере, отверстий или перфорированных отверстий, причем каждое отверстие соответствует узлу контакта между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин.

Осаждение проводят посредством напыления плазмы, напыления порошка или осаждения из паровой фазы. Осаждение проводят перед сборкой пластинчатого теплообменника. Осаждение проводят после сборки пластинчатого теплообменника.

Множество поверхностных микрорельефов, выполненных, по меньшей мере, на участке одной поверхности, по меньшей мере, одной из пластин, может состоять из металла. Множество поверхностных микрорельефов, выполненных, по меньшей мере, на участке одной поверхности, по меньшей мере, одной из пластин, может состоять из неметалла.

Еще в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу обеспечения поверхности повышенной теплопередачи для использования с пластинчатым теплообменником, включающим множество пластин, каждая из которых имеет противоположные поверхности и периметрические фланцы для определения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины из пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина определяет границу прохода для двух текучих сред, имеющую высокую удельную теплопроводность, обеспечивая тепловое сообщение между двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, включающему этап, на котором размещают, по меньшей мере, одну вставку, имеющую, по меньшей мере, часть множества поверхностных микрорельефов, с возможностью сообщения посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, выполняют множество поверхностных микрорельефов в виде вмятин с помощью формирующего устройства, которое размещают в контакте, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одной поверхности, по меньшей мере, одной из пластин, перед сборкой пластинчатого теплообменника.

Еще в другом варианте осуществления настоящее изобретение также относится к способу обеспечения поверхности повышенной теплопередачи для использования с пластинчатым теплообменником, включающим множество пластин, каждая из которых имеет противоположные поверхности и периметрические фланцы для определения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары соседних пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины из пары соседних пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина определяет границу прохода, имеющую высокую удельную теплопроводность, обеспечивая тепловое сообщение между двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, включающему этап, на котором размещают, по меньшей мере, одну вставку, имеющую множество поверхностных микрорельефов между передними поверхностями, по меньшей мере, одной пары примыкающих пластин из множества пластин, определяющих проход текучей среды, причем множество микрорельефов включает множество выполненных в них, по меньшей мере, отверстий или перфорированных отверстий, причем каждое отверстие (52) соответствует узлу контакта между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин.

Еще в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему множество пластин, каждая из которых имеет противоположные ребристые поверхности и периметрические фланцы для определения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины из каждой пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина имеет высокую удельную теплопроводность и определяет участок границы прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, обеспечивая тепловое сообщение между этими двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, и по меньшей мере, одну вставку, имеющую множество поверхностных микрорельефов, причем множество микрорельефов включает множество выполненных в них, по меньшей мере, отверстий или перфорированных отверстий, причем каждое отверстие соответствует узлу контакта между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, причем, по меньшей мере, одна вставка размещена с возможностью сообщения посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, а передние поверхности, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары примыкающих пластин множества пластин, по существу, непосредственно примыкают друг к другу, при этом, по меньшей мере, одна вставка имеет профиль, по существу, совпадающий, по меньшей мере, с одной из пары примыкающих пластин, а множество поверхностных микрорельефов предназначено для обеспечения повышенной теплопередачи, по меньшей мере, между двумя текучими средами, причем, по меньшей мере, одна пластина определяет участок границы прохода.

Еще в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, который имеет конструкцию, паянную твердым припоем, содержащему множество пластин, каждая из которых имеет противоположные ребристые поверхности и периметрические фланцы для обеспечения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины каждой пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина имеет высокую удельную теплопроводность и определяет участок границы прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, обеспечивая тепловое сообщение между этими двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, и по меньшей мере, одну вставку, имеющую множество поверхностных микрорельефов, причем, по меньшей мере, одна вставка размещена с возможностью сообщения посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, а передние поверхности, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары примыкающих пластин множества пластин, по существу, непосредственно примыкают друг к другу, при этом, по меньшей мере, одна вставка имеет профиль, по существу, совпадающий, по меньшей мере, с одной из пары примыкающих пластин, а множество поверхностных микрорельефов предназначено для обеспечения повышенной теплопередачи, по меньшей мере, между двумя текучими средами, причем, по меньшей мере, одна пластина образует участок границы прохода, и по меньшей мере, одну пластину из фольги между примыкающими пластинами из множества пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина из фольги расплавляется и затекает между примыкающими пластинами из множества пластин, образуя узлы контакта, паянные твердым припоем, между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, когда пластинчатый теплообменник нагрет до предварительно определенной температуры ниже температуры плавления примыкающих пластин из множества пластин, но выше температуры плавления, по меньшей мере, одной пластины из фольги, при этом, по меньшей мере, одна вставка имеет слой покрытия, нанесенный на поверхности, по меньшей мере, одной вставки и, по существу, предотвращающий затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов, по меньшей мере, одной вставки.

Еще в другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу обеспечения поверхности повышенной теплопередачи для использования с пластинчатым теплообменником, включающим множество пластин, каждая из которых имеет противоположные поверхности и периметрические фланцы для обеспечения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины из пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина определяет границу прохода, имеющую высокую удельную теплопроводность, обеспечивая тепловое сообщение между двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, включающему этапы, на которых размещают, по меньшей мере, одну вставку, имеющую, множество поверхностных микрорельефов, между передними поверхностями, по меньшей мере, одной пары примыкающих пластин из множества пластин, определяющей проход текучей среды, размещают, по меньшей мере, одну пластину из фольги между примыкающими пластинами из множества пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина из фольги расплавляется и затекает между примыкающими пластинами из множества пластин, образуя узлы контакта, паянные твердым припоем, между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, когда пластинчатый теплообменник нагревают до предварительно определенной температуры ниже температуры плавления примыкающих пластин из множества пластин, но выше температуры плавления, по меньшей мере, одной пластины из фольги, и наносят слой покрытия, по меньшей мере, на участок, по меньшей мере, одной вставки, по существу, предотвращая затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов, по меньшей мере, одной вставки. При этом этап нанесения слоя покрытия выполняют после размещения, по меньшей мере, одной вставки.

Еще в другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, который имеет конструкцию, паянную твердым припоем, содержащему множество пластин, каждая из которых имеет противоположные ребристые поверхности и периметрические фланцы для обеспечения, по меньшей мере, одного прохода для каждой из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем передние поверхности и периметрические фланцы пары примыкающих пластин из множества пластин определяют проход для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, при этом противоположные поверхности, по меньшей мере, одной пластины каждой пары примыкающих пластин определяют границу прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем, по меньшей мере, одна пластина имеет высокую удельную теплопроводность и определяет участок границы прохода для двух текучих сред из, по меньшей мере, двух текучих сред, обеспечивая тепловое сообщение между этими двумя текучими средами на противоположных поверхностях пластины, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды из, по меньшей мере, двух текучих сред, причем входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды сообщаются посредством текучей среды с каждым проходом для текучей среды, множество поверхностных микрорельефов, сообщающихся посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, причем множество поверхностных микрорельефов предназначено для обеспечения повышенной теплопередачи между, по меньшей мере, двумя текучими средами, при этом, по меньшей мере, одна пластина образует участок границы прохода, по меньшей мере, одну пластину из фольги между соседними примыкающими пластинами из множества пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина из фольги расплавляется и затекает между примыкающими пластинами из множества пластин, образуя узлы контакта, паянные твердым припоем, между передними поверхностями примыкающих пластин из множества пластин, когда пластинчатый теплообменник нагрет до предварительно определенной температуры ниже температуры плавления примыкающих пластин из множества пластин, но выше температуры плавления, по меньшей мере, одной пластины из фольги, и слой покрытия, нанесенный на множество поверхностных микрорельефов и, по существу, предотвращающий затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов.

При этом слой покрытия содержит, по меньшей мере, часть множества микрорельефов.

Причем, по меньшей мере, одна вставка содержит, по меньшей мере, часть множества поверхностных микрорельефов, при этом, по меньшей мере, одна вставка размещена с возможностью сообщения посредством текучей среды, по меньшей мере, с участком, по меньшей мере, одного прохода, по меньшей мере, для одной текучей среды, причем передние поверхности, по меньшей мере, одной вставки и одной из пары прилегающих пластин множества пластин, по существу, непосредственно примыкают друг к другу, а, по меньшей мере, одна вставка имеет профиль, по существу, совпадающий, по меньшей мере, с одной из пары примыкающих пластин. По меньшей мере, часть множества микрорельефов выполнена, по меньшей мере, в одной пластине из множества пластин.

Преимуществом настоящего изобретения является значительное увеличение коэффициента теплопередачи со стороны хладагента, а также общего коэффициента теплопередачи теплообменника, по сравнению с известными конструкциями теплообменников, соответствующими современному состоянию данной области техники.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является возможность уменьшить размеры теплообменного блока, не оказывая при этом негативного влияния на пропускную способность этого блока. И наоборот, настоящее изобретение позволяет получить теплообменник с повышенной пропускной способностью без необходимости увеличения размеров теплообменного блока.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего более подробного описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые в качестве примера иллюстрируют принципы изобретения.

На фиг.1 представлено перспективное изображение известного пластинчатого теплообменника;

на фиг.2 представлено схематическое изображение с пространственным разделением деталей компоновки пластин известного пластинчатого теплообменника;

на фиг.3 представлено поперечное сечение известного пластинчатого теплообменника, проведенное по линии 3-3 на фиг.1;

на фиг.4 представлено поперечное сечение известного пластинчатого теплообменника, проведенное по линии 4-4 на фиг.1;

на фиг.5 представлено поперечное сечение одного V-образного гребня в форме «елочки» известного пластинчатого теплообменника, проведенное по линии 5-5 на фиг.2, которая проходит поперек направления V-образного гребня;

на фиг.6 представлен схематический вид в плане с пространственным разделением деталей дополнительной компоновки пластин известного пластинчатого теплообменника;

на фиг.7 представлен вид в плане пары пластин известного пластинчатого теплообменника;

на фиг.8 представлен вид в плане сетчатой вставки согласно настоящему изобретению;

на фиг.9 представлен вид в плане вставки, установленной на пластине теплообменника, согласно настоящему изобретению;

на фиг.10 представлено частичное поперечное сечение пластинчатого теплообменника, аналогичного тому, который показан на фиг.3, за исключением того, что между чередующимися парами пластин теплообменника вставлено множество сетчатых вставок согласно настоящему изобретению;

на фиг.11 представлен в увеличенном масштабе частичный вид в плане расположения поверхностных микрорельефов в связи с пластиной теплообменника согласно настоящему изобретению;

на фиг.12 представлен в увеличенном масштабе частичный вид в плане альтернативного расположения поверхностных микрорельефов в связи с пластиной теплообменника согласно настоящему изобретению;

на фиг.13 представлено поперечное сечение одного V-образного гребня в форме «елочки» пластинчатого теплообменника и покрывающей сетчатой вставки согласно настоящему изобретению, проведенное по линии 13-13 на фиг.9, которая проходит поперек направления V-образного гребня;

на фиг.14 представлено поперечное сечение одного V-образного гребня в форме «елочки» пластинчатого теплообменника и покрывающей сетчатой вставки согласно настоящему изобретению, проведенное по линии 13-13 на фиг.9, которая проходит поперек направления V-образного гребня;

на фиг.15 представлено частичное перспективное изображение унитарной конструкции сетчатой вставки согласно настоящему изобретению;

на фиг.16 представлено частичное перспективное изображение унитарной конструкции сетчатой вставки согласно настоящему изобретению; и

на фиг.17 представлено поперечное сечение элемента сетчатой вставки согласно настоящему изобретению.

Новые признаки поверхности согласно настоящему изобретению выполнены с возможностью их использования с известным пластинчатым теплообменником 10, изображенным на фиг.1-7. Такой теплообменник аналогичен теплообменнику, описанному в патенте США №5462113, выданном 31 октября 1995 г. и упоминаемом здесь в качестве ссылки. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «поверхностные микрорельефы» относится к исключительно малым геометрическим формам, таким как вмятины, образованные в поверхности пластины, или выступы, образованные на поверхности пластины, имеющие размер 0,050 дюйма или менее. Теплообменник 10 включает множество формованных пластин 24, содержащих материал с высокой удельной теплопроводностью, такой как медь, и расположенных между верхней пластиной 12 и нижней пластиной 14, определяя разделенные проточные каналы 44 для первой текучей среды 17 и второй текучей среды 21 и одновременно обеспечивая тепловое сообщение между первой текучей средой 17 и второй текучей средой 21. Хотя это и нетипично, первая и вторая текучие среды 17, 21 могут иметь одинаковый состав. Как правило, в верхней пластине 12 выполнены диаметрально противоположные входное отверстие 16 и выходное отверстие 18, обеспечивающие прохождение первой текучей среды 17 к пластинам 24, и точно так же в верхней пластине 12 выполнены диаметрально противоположные входное отверстие 20 и выходное отверстие 22, обеспечивающие прохождение второй текучей среды 21 к пластинам 24. В альтернативном варианте может оказаться выгодным изменение ориентации одного из пары входного и выходного отверстий таким образом, что первая пара и вторая пара входов и выходов текучих сред будут расположены на противоположных концах теплообменника 10.

Каждая из формованных пластин 24 включает попеременно расположенные пластины 28, 30, каждая из которых имеет противоположные края 23, 25. Как правило, единственная разница между пластиной 28 и пластиной 30 состоит в том, что концы 23, 25 поменялись местами или расположены попеременно, так что пластина 28 повернута на 180 градусов вокруг оси 27, которая перпендикулярна поверхности верхней пластины 12. Каждая пластина 28, 30 включает множество отверстий 19, которые выровнены с соответствующими входными/выходными отверстиями, когда пластины установлены в теплообменнике 10. Хотя в рассматриваемой компоновке имеются входные/выходные отверстия 16, 18, 20, 22, понятно, что возможно наличие дополнительных входных и выходных отверстий, например, когда используются три или более текучих сред. На поверхностях пластин 28, 30 выполнено множество V-образных гребней 26, называемых также гофрами и, как правило, расположенных в конфигурации «елочки» для обеспечения извилистого проточного канала 44, имеющего изменяющиеся направление и поперечное сечение, когда расположен в паре 32, 34 пластин, как это описано ниже. Эти гребни могут принимать и другие формы, например, формы U-образных гребней, синусоидальные формы, квадратные формы, и т.д., но предпочтительными являются V-образные гребни. Проточный канал обеспечивает более эффективное тепловое сообщение между разными текучими средами, проходящими по примыкающим проточным каналам 44. На фиг.5, в частности, представлено сечение, проведенное в направлении, поперечном направлению V-образного гребня 26, где каждый V-образный гребень 26 ограничивает V-образное поперечное сечение, проходящее до вершины 41, называемой также пиком. Вершина 41 может выступать вверх или может выступать вниз от центральной оси 43, как показано на фиг.5. Пластины 28, 30 проходят наружу к фланцам 40, образованным на концах пластин и ограничивающим периферию пластин 28, 30. Фланцы 40 уложенных в пакет пластин 28, 30 физически соприкасаются друг с другом и образуют препятствие потоку жидкости, когда уложены в пакет для образования теплообменника 10.

Расположение пластины 28 примыкающей к пластине 30 таким образом, что фланцы 40 оказываются в контакте, приводит к образованию этими пластинами пары 32 пластин. Таким же образом пластина 30, расположенная над или под пластиной 28, образует вместе с ней пару 34 пластин. Употребляемый для поверхностной ориентации, только при рассмотрении компоновки пластин для понимания настоящего изобретения, термин «верхняя поверхность» относится к поверхности пластины, которая обращена к верхней пластине 12, а термин «нижняя поверхность» относится к поверхности, которая обращена к нижней пластине 14. Понятно, что теплообменник может быть размещен в множестве физических ориентаций, включая вертикальное, горизонтальное и любое расположение между этими двумя. Следовательно, нижняя поверхность пластины 28 и верхняя поверхность пластины 30 обращены друг к другу. На фиг.2 пластины 28 и пластины 30 имеют V-образные гребни, причем гребни на поверхности пластины 28 повернуты на 180° относительно гребней на поверхности пластины 30. То есть гребень 26 пластины 28 определяет перевернутую букву «V», или стык 26а гребня 26 ближе к концу 25 пластины 28, чем другие участки гребня 26. Точно так же, гребень 26 пластины 30 определяет букву «V», или стык 26b гребня 26 ближе к концу 25 пластины 30, чем другие участки гребня 26. Однако концы 25 пластин 28, 30 противоположны друг другу. На фиг.7 показано, что когда пластина 28 расположена так, что ее фланцы контактируют с фланцами пластины 30, образуя пару 32 пластин, вершины 41 (фиг.5) вдоль каждого V-образного гребня 26 каждой пластины 28, 30 попеременно физически контактируют друг с другом, образуя узлы 42. Аналогичным образом, когда пластина 30 находится в контакте с пластиной 28, образуя пару 34 пластин, вершины 41 (фиг.5) вдоль каждого V-образного гребня 26 каждой пластины 28, 30 попеременно физически контактируют друг с другом, образуя узлы 42.

Чередующиеся пластины 20, 30 (фиг.1, 3, 4), которые аналогичным образом ограничивают пары пластин 32, 34, обеспечивают раздельные проточные каналы 44 для первой текучей среды 17 и второй текучей среды 21. Очевидно, что пластина может быть частью пары пластин. Например, пара 32 пластин может включать пластины 28, 30, а пара 34 может включать пластины 30, 28. Чередующиеся, уложенные в пакет пары 32, 34 пластин могут образовать компоновку пластин, включающую последовательность пластин 28, 30, 28. Обуславливаемый этим отдельный поток достигается с помощью отверстий 19 пластин 28, 30, чередующаяся конфигурация которых обеспечивает чередующиеся разомкнутые концы 47 и сомкнутые концы 45 между соседними пластинами 28, 30. Например, обращаясь к фиг.1, 3 и 4, следует отметить, что пара 32 пластин ограничивает разомкнутый конец 47 вдоль отверстия 19, которое выровнено с входным отверстием 16 первой текучей среды (фиг.3), обеспечивая прохождение первой текучей среды 17 во входное отверстие 16 первой текучей среды для прохождения через разомкнутый конец 47, а затем - в канал 44. Первая текучая среда 17 продолжает проходить, по существу, параллельно вдоль пластины по проточному каналу 44, проходя вокруг контактирующих вершин 41, которые ограничивают узлы 42. Поскольку периферийный фланец 40 обеспечивает уплотнение, непроницаемое для текучих сред, единственным выходом для текучей среды 17 из канала 44 является другой разомкнутый конец 47, который расположен рядом с отверстием 19, выровненным с выходным отверстием 18 первой текучей среды (фиг.4). Таким образом, выйдя из канала 44 через разомкнутый конец 47 рядом с выходным отверстием 18 первой текучей среды, первая текучая среда 17 выходит из теплообменника 10, проходя через выпускное отверстие 18 первой текучей среды. Другие два отверстия 19, ограниченные парой 32 пластин, имеют сомкнутый конец 45, предотвращая прохождение первой текучей среды 17 через них.

Точно так же пара 34 пластин ограничивает разомкнутый конец 47 вдоль отверстия 19, которое выровнено с входным отверстием 20 второй текучей среды (фиг.3), обеспечивая прохождение второй текучей среды 21 во входное отверстие 20 второй текучей среды для прохождения через разомкнутый конец 47, а затем - в канал 44. Вторая текучая среда 21 продолжает проходить, по существу, параллельно вдоль пластины по проточному каналу 44, проходя вокруг контактирующих вершин 41, которые ограничивают узлы 42. Поскольку периферийный фланец 40 обеспечивает уплотнение, непроницаемое для текучих сред, единственным выходом для текучей среды 21 из канала 44 является другой разомкнутый конец 47, который расположен рядом с отверстием 19, выровненным с выходным отверстием 22 второй текучей среды (фиг.4). Таким образом, выйдя из канала 44 через разомкнутый конец 47 рядом с выходным отверстием 22 второй текучей среды, вторая текучая среда 21 выходит из теплообменника 10, проходя через выпускное отверстие 22 второй текучей среды. Другие два отверстия 19, ограниченные парой 34 пластин, имеют сомкнутый конец 45, предотвращая прохождение второй текучей среды 21 через них.

Обычно существуют две конструкции пластинчатых теплообменников - паянные или не паянные твердым припоем, любая из которых будет иметь преимущества при использовании предлагаемой улучшенной поверхности согласно настоящему изобретению. Не паянная твердым припоем конструкция обычно обуславливает применение обычных крепежных средств, таких как гайки и болты (не показаны), или сварки для скрепления пластин в надлежащем положении во время эксплуатации теплообменника с целью противодействия давлению, оказываемому текучими средами. Паянная твердым припоем конструкция изображена на фиг.1. В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.6 и во всех остальных аспектах, идентичном тому, который показан на фиг.2, пластины 36, 38 из фольги, которые состоят из материала, который можно паять твердым припоем, предпочтительно меди, сплава меди или сплава никеля, вставлены между пластинами каждой пары 32, 34; и примыкают как к верхней, так и к нижней пластинам 12, 14. После размещения пластин 36, 38 из фольги и достаточного прижима этих пластин друг к другу теплообменник 10 нагревают до предварительно определенной температуры ниже температуры плавления пластин 28, 30, но выше температуры плавления вкладышей 36, 38 в течение времени, достаточного для плавления пластин 36, 38 из фольги. Благодаря капиллярному действию расплавленный металл, предпочтительно медь, проникает в области, которые находятся в контакте друг с другом, такие как узлы 42 и периферийные фланцы 40. Пластины, обычно состоящие из меди, образуют металлические связи вдоль этих областей или узлов, которые непроницаемы для текучей среды (например, вдоль периферийных фланцев), и обеспечивают значительно усиленную конструктивную опору, обычно характеризуемую параметрами давления разрыва, которое может достигать 3000 фунтов-сил на квадратный дюйм и оказывается достаточным, чтобы выдерживать давления текучих сред 17, 21 и удовлетворить требованиям правил техники безопасности.

На фиг.1-4 показан теплообменник 10, который может иметь конфигурацию испарителя в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВиКВ) с текучей средой 17, такой как вода, обуславливает испарение текучей среды 21, которая обычно является хладагентом. Текучая среда 17 проходит во входное отверстие 16 текучей среды и проходит через разомкнутый конец 47 перед прохождением в канал 44 между пластинами 28, 30 пары 32 пластин. В предпочтительном варианте текучие среды выбирают парами таким образом, чтобы температура плавления одной из жидкостей была ниже температуры плавления других жидкостей. Текучая среда 21 проходит в выходное отверстие 20 текучей среды и проходит через разомкнутый конец 47 перед тем, как пройти в канал 44 между пластинами 28, 30 пары 34 пластин. Поскольку пары 32, 34 пластин выполнены примыкающими, в них используется общая пластина 30; текучая среда 17 проходит по одной поверхности, которая изображена как верхняя поверхность пластины 30, а текучая среда 21 проходит по противоположной поверхности, которая изображена как нижняя поверхность пластины 30. Посредством теплового сообщения между текучими средами 17, 21 через пластину 30 происходит передача тепла за счет теплопроводности, и вследствие кипения текучей среды 21 вдоль нижней поверхности пластины 30 (в случае применения, связанного с испарением) образуются пузырьки (не показаны). (В альтернативном варианте применение, связанное с конденсацией, обуславливает образование капель при охлаждении газообразной текучей среды). Безотносительно применения рассматриваемое расположение пластин повышает теплопроводность между текучими средами через пластины, обеспечивая физический переход (или фазовый переход) либо из газа в жидкость, либо из жидкости в газ. Этот физический переход состояния достигается за счет дальнейшей абсорбции тепла (тепла испарения) или высвобождения тепла (тепла конденсации), что соответствует хорошо известным принципам термодинамики.

Настоящее изобретение обеспечивает множество поверхностных микрорельефов, изменяющих течение в каналах между поверхностями пластин, обеспечивая повышенную теплопередачу между текучими средами, проходящими в тепловом сообщении друг с другом в пластинчатых теплообменниках. Анализ с учетом поведения текучих сред, проходящих в пластинчатых теплообменниках, исключительно сложен и еще не полностью понятен, особенно когда текучие среды претерпевают фазовые переходы, причем эта ситуация еще и осложняется эффектами, связанными с поверхностными микрорельефами согласно настоящему изобретению. Однако посредством этих предлагаемых поверхностных микрорельефов уже достигаются коэффициенты теплопередачи со стороны хладагента, составляющие приблизительно 700 БТЕ/°F/фут²/час (в обычных расчетных условиях), которые приблизительно вдвое превышают величину, характерную для обычных пластинчатых теплообменников, таких как изображенный на фиг.1-7. По меньшей мере, часть этого значительного увеличения коэффициента теплопередачи можно отнести на счет интенсифицированного пузырькового кипения или образования конденсированных капель, во время которого вдоль обуславливающей повышенную теплопередачу поверхности испаряющейся жидкости образуются пузырьки, как раскрыто в известных публикациях. Присутствие поверхностных микрорельефов согласно настоящему изобретению, очевидно, приводит, по меньшей мере, к значительно интенсифицированному пузырьковому кипению, обеспечивающему множество мест, благоприятных для образования перегретых пузырьков, и одновременно способствует смачиванию поверхности при операции испарения. Кроме того, при операции конденсации это улучшение поверхности также обеспечивает дополнительную площадь поверхности теплопередачи, ускоренное удаление хладагента с поверхностей пластин за счет капиллярных сил и создания мест парообразования, в которых из переохлажденных паров могут образовываться капли, тем самым повышая коэффициент теплопередачи. При испарении эти места преимущественного парообразования не только способствуют начальному появлению парообразования, но и, очевидно, сохранению такого парообразования в течение некоторого периода времени, позволяя ему увеличиваться в размере до того, как он будет вовлечен в проходящий поток текучей среды. В целях упрощения описания остальная часть этого описания будет приведена применительно к появлению пузырьков газа во время процесса испарения. Вместе с тем специалисты в данной области техники поймут, что настоящее изобретение обеспечивает такие же возможности интенсификации, как упомянутые места, применительно к фазовому переходу, когда хладагент конденсируется, переходя в жидкость из своего газообразного состояния, что способствует появлению капель.

Сразу же после того как перегретые пузырьки оказались вовлеченными в проходящий поток текучей среды, пространство, ранее занятое пузырьками, становится занятым жидкой текучей средой, что приводит к «перезапуску» процесса пузырькового кипения в этом месте. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, следует отметить, что сразу же после того как проходит первоначальное образование пузырьков и их вовлечение в поток, место первоначального образования пузырьков остается благоприятным местом для последующего образования пузырьков за счет того, что некоторая часть пузырьков остается в качестве «затравки». Еще один аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы оптимизировать объем пузырьков, образуемых во время стадии пузырькового кипения, поскольку возможность слишком большого роста перегретых пузырьков уменьшает коэффициент теплопередачи. Кроме того, также предполагается, что, когда допускается образование достаточно больших пузырьков, после вовлечения пузырьков в проходящий поток текучей среды, объем пузырьков, оставшихся в качестве «затравки» для последующего образования пузырьков, оказывается недостаточным.

Дополнительным преимущественным аспектом интенсифицированного образования пузырьков, рассмотренного выше, является тенденция к увеличению площади смоченной поверхности пластин 28, 30 теплообменника за счет капиллярного воздействия, приводящая к дальнейшему увеличению коэффициента теплопередачи. Кроме того, из-за этого интенсифицированного капиллярного воздействия угол «А» (фиг.5), который ограничен диапазоном 22-30 градусов в известных конструкциях, можно увеличь до примерно 60 градусов или более, что может обеспечить дополнительные приросты коэффициента теплоотдачи благодаря различиям в поведении течения текучих сред, обусловленным увеличившимся углом А. Таким образом, по меньшей мере, по причинам повышенной теплоотдачи, включая пузырьковое кипение и возросшую смачиваемость поверхности, предлагаемые поверхностные микрорельефы согласно настоящему изобретению обеспечивают значительное преимущество в области пластинчатых теплообменников.

На фиг.8-10 показана вставка 46, содержащая сетку 48. По выбору сетка 48 может включать металлический слой 50 подложки, например, из меди, размещенной между пластинами 28, 30 пары 32, 34 пластин. Вставка 46 предпочтительно имеет, по существу, такой же формованный профиль V-образного гребня 26 и ориентацию, как пластина 30, на которой размещена вставка 46, так что передние поверхности вставки 46 и пластины 30, по существу, непосредственно примыкают или находятся на одном уровне. Вставка 46 снабжена множеством отверстий 52, которые разнесены так, что совпадают с узлами 42. Таким образом, размещая первую пластину 28 поверх второй пластины 30 и размещая вставку 46 между ними, обеспечивается физический контакт вершин 41 пластин 28, 30 благодаря отверстиям 52 под узлы, выполненным во вставке 46. Если это желательно, то можно дополнительно вставить между пластиной 28 и пластиной 30 пары 32 пластин вторую вставку 46, так что эта вторая вставка 46 и пластина 28 окажутся, по существу, непосредственно примыкающими или находящимися на одном уровне. Иными словами, вставка 46 может быть предусмотрена для каждой из передних поверхностей пар 32, 34 пластин, если это желательно. Хотя вставка 46 или даже две вставки 46, как описано выше, могут быть расположены между пластинами каждой пары 32, 34 пластин, обычно вставки 46 размещаются только между передними поверхностями пар пластин для текучей среды, имеющей более низкую температуру кипения, такой как хладагент. Однако нежелательно использовать вставки 46 между передними поверхностями пар пластин для текучей среды, имеющей более высокую температуру кипения, такой как вода, поскольку вставки 46 будут ограничивать поток путем создания сопротивления потоку, не принося при этом выгод в отношении мест парообразования, поскольку текучая среда с более низкой температурой кипения в обычном случае не претерпевает фазовый переход. То есть может оказаться желательным использование вставок 46 в чередующихся парах 32, 34 пластин. Например, на фиг.10 показано поперечное сечение теплообменника с сетчатой вставкой 46, размещенной только между пластинами каждой из пары 32 пластин.

В альтернативном варианте можно придать сетчатой вставке 46 либо листу/пластине с перфорированными отверстиями конфигурацию, обеспечивающую зазор между поверхностью сетчатой вставки 46 и соответствующей поверхностью пластины 28, 30. Другими словами, сетчатая вставка 46, по меньшей мере, частично проходит от поверхности пластины 28, 30 таким образом, что, по меньшей мере, участок поверхностей сетчатой вставки 46 подвергается воздействию проходящего потока текучей среды. Ссылаясь на фиг.13, можно отметить, что это воздействие протекающего потока можно обеспечить посредством выполнения сетчатой вставки таким образом, что после установки этой сетчатой вставки на поверхности пластины 30 передние поверхности будут определять между сетчатой вставкой 46 и пластиной 30 угловой зазор, величина которого составляет «С» градусов или долями одного градуса, если это желательно. В альтернативном варианте осуществления, рассматриваемом применительно к фиг.14, профили, определяемые и сетчатой вставкой 46, и пластиной 30, по существу, идентичны. Зазор между поверхностями сетчатой вставки 46 и пластины 30, обозначенный символом «G», может быть образован множеством прокладок 55, которые, по меньшей мере, в предпочтительном варианте примыкают к множеству вершин 41 пластины 30, а количество этих прокладок достаточно для поддержания минимального зазора «G» между вставкой и пластиной. Альтернативно или в комбинации с расположением прокладок 55 примыкающими к вершинам 41 прокладки 55 могут быть расположены в положениях, не примыкающих к передним поверхностям пластины 30 и вставки 46. Прокладки могут быть выполнены как единое целое с сетчатой вставкой 46, что предпочтительно, или как единое целое с пластинами. Прокладки могут быть отдельными элементами, но тогда они должны быть закреплены на месте, чтобы предотвратить их дрейф во время прохождения текучей среды.

Сетка 48 или перфорированные отверстия согласно настоящему изобретению обеспечивают поверхностные микрорельефы для повышенной теплопередачи, способствуя формированию пузырьков, как описано выше. Размер сетки, необходимый для достижения желаемого образования пузырьков, зависит в основном от типа используемого хладагента, но на этот размер также может влиять один или более следующих факторов: расход текучей среды, необходимый коэффициент теплопередачи, давление текучей среды или температура текучей среды. Давление или температура также могут повлиять на поверхностное натяжение или вязкость текучей среды. Для обычных хладагентов таких, как R22, R410a, R407c, R717, R134 и другие галоидоуглероды, обычных текучих сред и большинства встречающихся на практике расходов и условий текучих сред, можно использовать размеры сетки от примерно 400 меш до примерно 20 меш, соответствующие отверстиям от примерно 0,002 дюйма до примерно 0,050 дюйма. Как правило, сетка состоит из взаимно пересекающихся, переплетенных, равномерно разнесенных элементов. Таким образом, термин «отверстие сетки» обычно обозначает расстояние между соседними параллельными элементами, хотя в случае, если элементы сетки не являются взаимно пересекающимися, отверстия сетки будут соответствовать меньшему из двух диагональных расстояний «ромбообразного» отверстия сетки, ограниченного объединенной парой переплетенных элементов сетки. Поскольку обычные хладагенты содержат смазочное масло различных концентраций и типов, уменьшение размера отверстий до величины менее 0,002 меш приведет к улавливанию капель смазочного масла, которые, как было обнаружено, смешиваются с жидким хладагентом, тем самым предотвращая образование пузырьков. В случае перфорированных отверстий размер диаметра (для круглых отверстий) или стороны (для прямоугольных или треугольных отверстий) составляет от примерно 0,002 до примерно 0,050 дюйма. В случае отверстий, размер которых составляет примерно 0,002 дюйма и более, смазочное масло выплескивается из отверстий за счет потока текучей среды через теплообменник. Очевидно, что комбинация систем хладагента и масла, например смешиваемых и несмешиваемых, может повлиять на размер отверстий, а поскольку появляются системы, не требующие смазочного масла, становится возможными выполнять отверстия, размер которых составляет примерно 0,0001 дюйма, особенно если используют негалоидоуглеродные текучие среды, такие как аммиак, жидкий водород, CO₂ и т.д., причем минимальный размер отверстия определяется маслом в зависимости от того, улавливается ли оно отверстиями, а также от степени улавливания.

В альтернативном варианте используют уложенные в пакет слои сетки, например слой сетки с размером ячеек 100 меш, уложенный поверх слоя сетки с размером ячеек 400 меш, так что слой сетки с размером ячеек 100 меш будет расположен в проходе или проточном канале между теплопередающей пластиной, определяющей границу между текучими средами; и слоем сетки с размером ячеек 400 меш. Это может улучшить рабочие характеристики за счет улавливания пузырьков рядом с пластиной. Хотя можно предусмотреть два уложенных в пакет слоя сетки с размером ячеек 400 меш, наличие верхнего слоя сетки, отверстия которого больше, обеспечивает интенсифицированный поток текучей среды к нижнему слою сетки, что приводит к более эффективному выбросу пузырьков из отверстий в нижнем слое с размером ячеек 400 меш. Также можно объединить более двух слоев сетки, например уложить слой сетки с размером ячеек 400 меш, примыкающий к первому слою сетки с размером ячеек 100 меш, в зависимости от многих комбинаций хладагентов и рабочих условий.

Хотя такие компоновки сетки, как рассмотренные выше, работоспособны с конструкциями теплообменников, не паянных твердым припоем, при попытках использовать сетчатые вставки с конструкциями теплообменников, паянных твердым припоем, возникают проблемы. В конструкциях теплообменников, паянных твердым припоем, расплавленная медь из слоев медной фольги во время операции пайки твердым припоем затекает в отверстия в сетке из-за капиллярного воздействия, закупоривая эти отверстия, что препятствует интенсифицированному парообразованию на поверхности. Однако путем формирования или нанесения оксидного покрытия, например, содержащего оксид никеля или оксид хрома, оксид алюминия, оксид циркония и другие оксиды, появляется возможность предотвратить затекание расплавленной меди в отверстия сетки, обеспечивая при этом формирование связи в областях узлов 42 через отверстия 52. Иными словами, после формирования оксидного покрытия на сетчатой вставке 46, размещения сетчатой вставки 46 между соседними пластинами и нагревания, как описано выше, расплавленный металл припоя, такого как медь, проходит через отверстия 52, образуя соединение, паянное твердым припоем, в узлах 42 между чередующимися вершинами 41 пластин 28, 30, при этом расплавленная медь не затекает в отверстия сетки и не закупоривает их. В альтернативном варианте, предполагается, что можно наносить на сетчатую вставку 46 другие покрытия или предусматривать поверхностные обработки его поверхности, совместимые с текучими средами, чтобы предотвратить затекание металла твердого припоя в отверстия сетки.

Один способ осуществления настоящего изобретения предусматривает формирование сетки из высоколегированного материала, такого как нержавеющая сталь в форме листа, с последующим окислением для образования оксида никеля или оксида хрома или их комбинаций. После этого окисленную нержавеющую сталь можно прокатать в тонкий лист 50 не окисленной нержавеющей стали и выполнить в нем отверстия 52. В еще одном варианте осуществления сетка 48 и стальной лист 50 могут иметь уже выполненные в них отверстия 52, и тогда осуществляют точную сборку сетки 48 (после окисления) и стального листа 50 и прокатку. Чтобы стабилизировать сетку 48, стальной лист 50 можно пропустить мимо противоположных краев сетки 48, а затем загнуть поверх сетки 48. Можно использовать любой другой способ формирования листа нержавеющей стали, такой как штамповка. Кроме того, последовательность операций не имеет значения, поскольку сетка имеет поверхность, которая препятствует затеканию расплавленной меди из-за капиллярного воздействия. В альтернативном варианте оксидное покрытие можно наносить на сито с помощью любых известных процессов, таких как напыление, окрашивание, осаждение из паровой фазы, трафаретная печать и т.д. Например, можно осаждать тонкое покрытие никеля посредством электролитического процесса с последующим окислением. Можно также использовать любой другой способ нанесения гальванического или иного покрытия.

Ссылаясь на фиг.15, следует отметить, что сетка 48, как правило, включает множество взаимно пересекающихся переплетенных элементов 49, 51, образующих сетку 48. За счет переплетения элементов 49, 51, попеременно проходящих и друг над другом, и друг под другом, в каждом стыке между элементами 49, 51, примыкающими в месте, в котором один элемент 51 проходит над соответствующим элементом 49, образуется выемка 53. В зависимости от размеров элементов 49, 51, в обычном случае имеющих круглое поперечное сечение, выемки 53 могут создавать дополнительные места для образования пузырьков. В альтернативном варианте, со ссылкой на фиг.17, поперечное сечение пересекающихся элементов 49, 51 может быть и некруглым, например овальным, имеющим размер D1 в одном направлении и размер D2 в другом направлении, которое перпендикулярно первому направлению. Поперечное сечение пересекающихся элементов 49, 51 может представлять собой, по существу, любое поперечное сечение, имеющее сомкнутую геометрическую форму и любую ориентацию или комбинацию геометрических форм между пересекающимися элементами 49, 51. Кроме того, профили поперечного сечения пересекающихся элементов 49, 51 могут быть разными в зависимости от местоположения сетки 46 внутри теплообменника 10, поскольку участки сетки 48 могут подвергаться воздействию разных фаз или физических состояний текучей среды, включая фазу или состояние жидкости или смеси «жидкость - пар», обеспечивая повышенную теплопередачу в такие текучие среды.

На фиг.15 изображена альтернативная унитарная конструкция сетки 48 с взаимно пересекающимися переплетенными элементами 49, 51. Предполагается, что эта унитарная конструкция также может включать все те варианты поперечного сечения и изменения поперечного сечения, которые рассмотрены выше для конструкции плетеной сетки, и если пластины надлежит соединить механическими крепежными средствами, а не пайкой твердым припоем, то сетка может состоять из полимерного материала, например синтетического, который легко переплетается. Так, например, можно использовать нейлон. Но также предполагается, что при любой из этих конструкций сетки пересекающиеся элементы 49, 51 не обязательно должны быть взаимно перпендикулярными, а могут быть расположены в любой ориентации относительно продольного направления, в обычном случае - направления большего размера прямоугольных пластин пластинчатого теплообменника, если это желательно.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения вместо применения сетчатой вставки 46 может оказаться желательным формирование поверхностных микрорельефов пластин теплообменника непосредственно на или в пластинах 28, 30 или комбинации формирования поверхностных микрорельефов пластин теплообменника непосредственно на и в пластинах 28, 30. Ссылаясь на фиг.11, следует отметить, что микрорельефы 56 показаны выполненными, по меньшей мере, на участке поверхности пластины, например пластины 30, а также имеющими размеры в диапазоне, рассмотренном ранее, и расположенными так, что обеспечивают повышенную теплопередачу. Микрорельефы 56 могут иметь любой геометрический рисунок или любую геометрическую форму, включая, но не ограничивая круглую, треугольную, ромбическую и т.д., хотя микрорельефы 56 могут иметь взаимные соединения 58 (фиг.12) между примыкающими микрорельефами 56, причем эти взаимные соединения 58 могут также обеспечивать место для повышенной теплопередачи, как это сказано выше. Такие взаимные соединения 58 можно считать, по меньшей мере, локально ограничивающими открытую геометрическую форму.

Микрорельефы 56 могут быть выполнены на пластинах 28, 30 любыми способами. Например, такие микрорельефы 56 можно выполнить в матрицах прессования таким образом, что после прессования пластин 28, 30 могут быть выполнены микрорельефы 56. В альтернативном варианте, можно устанавливать колесо или другое формирующее устройство, имеющее микрорельефы 56, в контакте качения с пластинами 28, 30 под воздействием силы, достаточной для образования вмятин в поверхности пластин 28, 30, причем этим вмятинам, образованным в пластинах 28, 30, придана такая конфигурация, при которой желательные микрорельефы 56 согласно настоящему изобретению могут быть получены при последующей штамповке матрицами прессования. Также предполагается, что можно наносить слой медной фольги перед использованием формующего приспособления, которое формирует глухие или сквозные вмятины в этом слое медной фольги, а затем и в поверхности пластины, поскольку слой податливой медной фольги действует как смазка в процессе образования микрорельефов 56. В случае пластинчатого теплообменника, паянного твердым припоем, также обеспечивается возможность получения слоя материала, имеющего микрорельефы 56, выполненные по всей толщине слоя материала, и крепления этого слоя материала к слою подложки; на этот слой материала наносят маску, которая, по существу, соответствует местам размещения микрорельефов 56, а эта маска препятствует затеканию расплавленной меди в микрорельефы 56. В альтернативном варианте для получения микрорельефов 56 можно использовать средства лазерного травления, управляемой бомбардировки частицами под давлением, химического травления или любое другое устройство или способ, известные в данной области техники. Также возможной может оказаться термообработка пластин или исходного материала для получения пластин, которая также способствует образованию микрорельефов 56 в поверхности пластин или исходного материала для получения пластин. С помощью термообработки также можно выполнять микрорельефы 56 в покрытии, нанесенном на пластины или исходный материал для получения пластин до проведения термообработки. Эта термообработка предусматривает возможность модификации или замены предпочтительного материала пластин, такого как нержавеющая сталь, сплавом или даже альтернативным материалом и/или слоем покрытия для получения микрорельефов 56.

Микрорельефы 56 можно также выполнять способами, которые обуславливают внесение материала на пластины 28, 30, например, путем осаждения посредством напыления плазмы, напыления порошка или осаждения из паровой фазы. Например, можно предусмотреть нанесение материала, такого как тонкая пленка защитного оксида либо металл, который затем окисляется или представлен непосредственно в виде оксида в подходящей форме; например порошка, раствора или суспензии жидкостей или паров, предпочтительно, после сборки теплообменника 10, с последующим применением химического раствора и подходящего катализатора и, если это потребуется, нагрева и/или давления, или пропускание электрического тока через пластины для осуществления осаждения материала на поверхность пластин 28, 30 с целью формирования микрорельефов 56. Кроме того, такими способами можно осуществлять активное осаждение материала в необходимых местах за счет использования масок, которые впоследствии удаляют. Нанесенный материал не обязательно должен быть металлом, поскольку микрорельефы 56 поверхности обеспечивают повышенные коэффициенты теплопередачи. Другими словами, в целях, предусмотренных данным описанием, термин «поверхностные микрорельефы» можно употреблять не только применительно к геометрическому рисунку, впрессованному в поверхность, например, матрицей для прессования, но и к процессам, которые приводят к формированию микронеровностей поверхности путем осаждения дополнительного материала в предварительно выбранных местах на поверхности пластин, а также вставок, размещенных в проточных каналах между пластинами. Хотя может оказаться предпочтительным расположение микрорельефов 56, по существу, сформированных с получением рисунка, обеспечивающего повышенную теплоотдачу для большинства текучих сред и рабочих условий, предполагается и создание микрорельефов 56 в неупорядоченном или произвольном расположении.

Изобретение также повышает скорость теплопередачи для смешанных комбинаций пластин, в которых, например, V-образный гребень, имеющий угол 30 градусов (фиг.5), называемый также шевроном, соединен с V-образным гребнем, имеющим угол 60 градусов. Это обеспечивает еще большие коэффициенты теплопередачи, одновременно обеспечивая меньшие перепады давления на стороне текучей среды. В обычных применениях, эта смешанная комбинация пластин и улучшенной поверхности может снизить стоимость изготовления, обеспечивая при этом желательные перепады давления для обычных применений.

Кроме того, во время работы стороны хладагента теплообменника в режиме испарения с частичным или полным затоплением этот малый перепад давления в сочетании с улучшенной поверхностью может значительно повысить общие эксплуатационные параметры теплопередачи, а также сделать применения, предусматривающие режим затопления, более практичными и повысить их эксплуатационные параметры. Следует учитывать, что ранее пластинчатые теплообменники были ограничены в основном достижением температур в диапазоне от 9 до 4°F между температурой испарения хладагента и температурой выходящей вторичной текучей среды из-за общего ограничения коэффициента теплопередачи и падения давления на стороне газа, что не позволяет достичь температуры испарения. При наличии улучшенной поверхности и смешанной комбинации пластин оказывается возможным достижение температур в диапазоне от 4 до 0.5°F.

В применениях таких хладагентов, как R717, аммиак, широко применяемых в промышленных холодильных системах, эта смешанная комбинация пластин оказывается весьма желательной, поскольку перепады давления на стороне хладагента важны для обеспечения выхода расширяющегося газа при одновременном поддержании достигаемой температуры, близкой к заданному значению между температурами хладагента и выходящей вторичной текучей среды. Таким образом, в некоторых применениях эта смешанная комбинация пластин и улучшенная поверхность имеют преимущества для конструктора холодильных систем.

Понятно, что использование поверхности повышенной теплопередачи согласно настоящему изобретению не ограничивается применениями, предусматривающими нагрев и охлаждение, и возможно также использование применительно к очищающим текучим средам, системам CO₂, криогенным системам, а также в любых других применениях, где требуется компактный эффективный тепловой контакт, по меньшей мере, между двумя текучими средами, поддерживаемыми в разделенных проточных каналах.

Хотя изобретение описано применительно к предпочтительному варианту осуществления, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что в рамках объема притязаний изобретения возможно внесение различных изменений и замена описанных элементов их эквивалентами. Кроме того, в рамках объема притязаний изобретения можно провести любые модификации для адаптации какой-либо конкретной ситуации или какого-либо конкретного материала к условиям этого изобретения. Поэтому предполагается, что изобретение не сводится к конкретному варианту осуществления, описанному выше как наилучший вариант осуществления этого изобретения, и что изобретение может включать все варианты осуществления, охватываемые объемом притязаний, который определяется нижеследующей формулой изобретения.

Реферат

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в системах охлаждения и нагрева. Пластинчатый теплообменник содержит множество пластин, входное отверстие и выходное отверстие для каждой текучей среды, сообщающиеся с каждым проходом для текучей среды, вставку, размещенную с возможностью сообщения посредством текучей среды с участком прохода для одной текучей среды, и множество поверхностных микрорельефов, сообщающихся посредством текучей среды. Множество микрорельефов включает множество выполненных в них отверстий или перфорированных отверстий. Каждое отверстие или перфорированное отверстие соответствует узлу контакта между передними поверхностями примыкающих пластин. Теплообменник может иметь конструкцию, паянную твердым припоем, предусматривающую размещение пластины из фольги между примыкающими пластинами, которая расплавляется и затекает между примыкающими пластинами. Вставка имеет слой покрытия, предотвращающий затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов. Способ обеспечения поверхности повышенной теплопередачи для использования с пластинчатым теплообменником включает этапы, на которых размещают вставку, имеющую сообщение посредством текучей среды с участком одного прохода для одной текучей среды, выполняют путем осаждения множество поверхностных микрорельефов на участке поверхности одной из пластин. Способ обеспечения поверхности повышенной теплопередачи может включать этап, на котором выполняют множество поверхностных микрорельефов в виде вмятин с помощью формирующего устройства, которое размещают в контакте с участком поверхности одной из пластин, перед сборкой пластинчатого теплообменника, или этап, на котором размещают пластину из фольги между примыкающими пластинами из множества пластин, которая расплавляется и затекает между примыкающими пластинами из множества пластин, и наносят слой покрытия на участок одной вставки, предотвращая затекание расплавленного металла пластины из фольги в множество микрорельефов. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента теплопередачи. 8 н. и 38 з.п. ф-лы, 17 ил.

Формула