Пластинчатый теплообменник для теплообмена между двумя жидкостями при разных больших расходах - RU2110030C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, обеспечивающим теплообмен между двумя жидкостями, характеризуемыми разными большими расходами.

Теплообменник содержит несколько прямоугольных теплообменных пластин, каждая из которых имеет входные и выходные отверстия для соответствующих жидкостей, выполненные в угловых частях, теплообменную часть, расположенную посередине между соответствующими входными и выходными отверстиями, и две распределительные части, расположенные между теплообменной частью и соответствующими входными и выходными отверстиями, созданными для распределения соответствующих двух жидкостей, когда они текут от входных отверстий к теплообменным частям.

Традиционно изготовляемые пластинчатые теплообменники обычно имеют пакет идентичных теплообменных пластин, которые имеют входные и выходные отверстия одного типа для обеих жидкостей. Такой теплообменник, имеющий входные и выходные отверстия одного типа для обеих жидкостей, оптимально можно использовать лишь при равных расходах обеих жидкостей. Если расход одной из жидкостей через теплообменник меньше расхода другой жидкости, то перепады давления жидкостей будут различны, поскольку перепады давления изменяются пропорционально квадрату объемного расхода. Это значит, что обмен теплом между жидкостями и теплообменными пластинами не может быть оптимальным по обе стороны каждой теплообменной пластины, если расходы жидкостей различны.

Для улучшения теплообмена при так называемом несимметричном расходе между обменивающимися теплом жидкостями ранее было предложено уменьшить объем проточных каналов с одной стороны теплообменных пластин, как это раскрыто в EP 470073, или воздействовать на гидродинамическое сопротивление проточных каналов комбинаций теплообменных пластин разнообразной гофрировки, как это раскрыто в EP 88316 или EP 204880. Общим для ранее предложенных устройств является то, что они допускают лишь незначительную несимметричность расходов обеих жидкостей и что тепловой обмен посредством теплообменных пластин не может быть достаточно эффективным для обеих жидкостей.

Задачей изобретения является обеспечение улучшенного теплообмена между двумя жидкостями, текущими с большими различными расходами через пластинчатый теплообменник описанного типа. Дополнительной задачей изобретения является создание пластинчатого теплообменника, который допускает большую несимметричность расходов обеих жидкостей в сравнении с ранее известными пластинчатыми теплообменниками.

Эти задачи достигнуты благодаря тому, что размер входных и выходных отверстий в теплообменных пластинах для первой из названных двух жидкостей меньше размера входных и выходных отверстий для другой жидкости и что теплообменные пластины в своих распределительных частях изготовлены так, что гидродинамическое сопротивление первой жидкости, текущей через входные и выходные отверстия для первой жидкости и теплообменные части, оказывается больше гидродинамического сопротивления другой жидкости, текущей через входные и выходные отверстия для второй жидкости и теплообменные части.

Изобретение обеспечивает равные большие перепады давления по обе стороны теплообменных пластин, несмотря на то, что расходы двух обменивающихся теплом жидкостей различны, т.е. жидкость, текущая с наименьшим расходом, оказывается оптимизированной относительно теплообменника одновременно с упрощением потока другой жидкости, т.е. жидкости, текущей с наибольшим расходом.

Предпочтительно, чтобы гидравлическое сопротивление для первой жидкости было больше гидравлического сопротивления для другой жидкости, что достигается удлинением пути тока в каждой распределительной части для первой жидкости в сравнении с путем для другой жидкости.

Изготовление распределительной части таким образом, что полная ширина потока становится меньше для первой жидкости, чем для другой, позволяет обеспечить большее гидродинамическое сопротивление первой жидкости.

Гидродинамические сопротивления двум жидкостям также можно сделать неравными путем штампования формы в распределительных частях теплообменных пластин, причем с глубиной выдавливания на одной стороне, меньшей, чем на другой стороне теплообменной пластины. Другими словами, уровень распределительных частей можно сместить таким образом, что та сторона теплообменных пластин, которая предназначена для жидкости менее расходуемой, будет иметь менее глубокие проточные каналы, чем сторона, предназначенная для более расходуемой жидкости. Таким образом можно из таких теплообменных пластин создать эффективный теплообменник, обладающий большой несимметричностью расходов двух жидкостей.

Используя теплообменные пластины частично с входными и выходными отверстиями различных размеров для различных жидкостей и частично с выдавленным рисунком на распределительных частях, которые обеспечивают для потока через большие отверстия сравнительно широкие входной фронт и выходной фронт и для потока через меньшие отверстия сравнительно более узкие входной фронт и выходной фронт, можно повысить расход жидкости через большие отверстия и снизить расход жидкости через меньшие отверстия. Таким образом, теплообменные пластины допускают большую несимметричность двух различных потоков жидкостей, в то же самое время создавая условия тока для обеих жидкостей, которые благоприятны для теплового обмена между жидкостями.

На фиг. 1 схематично представлен пластинчатый теплообменник, соответствующий изобретению; на фиг. 2 - первая теплообменная пластина, предназначенная для пластинчатого теплообменника на фиг. 1; на фиг. 3 - вторая теплообменная пластина, предназначенная для пластинчатого теплообменника на фиг. 1; на фиг. 4 - альтернативный вариант осуществления теплообменной пластины, предназначенной для пластинчатого теплообменника, соответствующего изобретению.

На фиг. 1 изображен пластинчатый теплообменник 1, содержащий пакет тонких теплообменных пластин 2, переднюю концевую пластину 3 и заднюю концевую пластину 4. На передней концевой пластине имеются входное отверстие 5 и выходное отверстие 6 для первой жидкости, сравнительно менее расходуемой, и входное отверстие 7 и выходное отверстие 8 для второй жидкости, сравнительно более расходуемой.

На теплообменных пластинах 2 выдавлен рисунок в форме выступов и впадин, выступы чередующихся первой и второй теплообменных пластин примыкают друг к другу. Герметизирующие средства, расположенные между теплообменными пластинами, ограничивают внутри каждой второй пластины пространство для тока первой жидкости и внутри остальных пластин пространства для тока другой жидкости.

Теплообменные пластины 2, изображенные на фиг. 1, соединены пайкой твердым припоем, однако теплообменные пластины в пластинчатом теплообменнике, соответствующем изобретению, могут быть соединены с помощью рамы или другим подходящим способом.

На фиг. 2 изображена первая теплообменная пластина 2a, имеющая вид удлиненного прямоугольника и имеющая входные отверстия 5a, 6a и выходные отверстия 7a, 8a. Входные и выходные отверстия расположены в угловых частях 9a, 11a и 12a теплообменной пластины. Входное и выходное отверстия 5a и 6a для первой жидкости расположены на одной длинной стороне теплообменной пластины, и входное и выходное отверстие 7a и 8a для другой жидкости расположены на другой длинной стороне 14a теплообменной пластины. Теплообменная пластина 2a спроектирована для ламинарного течения, т.е. основные направления течений жидкостей, текущих с каждой стороны теплообменной пластины, оказываются параллельными.

В соответствии с изобретением входное и выходное отверстие 5a и 6a для первой жидкости равны, но существенно меньше входного и выходного отверстий 7a и 8a для другой жидкости. Входное отверстие 7a и выходное отверстие 8a также равны.

К тому же теплообменная пластина 2a имеет верхнюю распределительную часть 15a, нижнюю распределительную часть 16a и расположенную между ними часть 17a, предназначенную в основном для теплообмена.

На верхней распределительной части 15a и нижней распределительной части 16a изображен выдавленный рисунок, выполненный по существу в соответствии с Британским патентом N 1357282. Таким образом, они имеют примыкающие друг к другу удлиненные выступы 18a, выдавленные вверх из плоскости, параллельной теплообменной пластине 2a, и под углом к выступам 18a примыкающие друг к другу удлиненные впадины 19a, выдавленные вниз из названной плоскости. Благодаря тому, что впадины 19 образуют выступы на противоположной стороне теплообменной пластины 2A, теплообменная пластина имеет выступы на обеих сторонах, причем эти выступы совместно с промежуточными частями пластины образуют каналы для обменивающихся теплом жидкостей, текущих вдоль соответствующих сторон распределительных частей 15a и 16a. Таким способом созданные каналы на одной стороне пластины расположены под углом и каналам, таким же способом созданным на другой стороне пластины.

Как видно на фиг. 2, выступы 18a на изображенной стороне соответствующих распределительных частей 15a и 16a простираются по-существу в направлении от сравнительно больших отверстий 7a и 8a к теплообменной части 17a, в то время как впадины 19a простираются по-существу в направлении от сравнительно небольших отверстий 5a и 6a к теплообменной части 17a.

На теплообменной части 17a имеется выдавленный рисунок "в елочку" из впадин и выступов.

На фиг. 3 изображена вторая теплообменная пластина 2b, которая предназначена взаимодействовать с теплообменной пластиной 2a (на фиг. 2) в пластинчатом теплообменнике, соответствующей изобретению. Детали теплообменной пластины 2b, аналогичные с таковыми теплообменной пластины 2a, обозначены одними и теми же позициями, но с заменой "a" на "b".

На теплообменной пластине 2b на каждой из распределительных частей 15b и 16b выступы 18b и 19b выполнены иначе, чем соответствующие выступы 18a и 19a теплообменной пластины 2a, изображенной на фиг. 2. Так, выступы 18a простираются по-существу в направлении от сравнительно небольших отверстий 5b и 6b к теплообменной части 17b, в то время как выступы 19b простираются по-существу в направлении от сравнительно больших отверстий 7b и 8b к теплообменной части 17b.

Также теплообменная часть 17b теплообменной пластины 2b отличается от соответствующей части 17a теплообменной пластины 2a направлениями выдавленных выступов и впадин, образующих рисунок "в елочку".

Когда две теплообменные пластины 2a и 2b расположены близко друг к другу в пластинчатом теплообменнике, выступы на одной из пластин направлены к выступам, простирающимся параллельно на другой пластине, в областях распределительных частей 15a, 16a и 15b, 16b соответственно. В области теплообменных частей 17a и 17b выступы, образующие рисунок "в елочку" на пластинах, направлены поперечно друг к другу и образуют так называемый поперечно рифленый рисунок.

Две теплообменные пластины, теплообменные части которых совместно образуют поперечно рифленый рисунок, на котором тупые углы образованы пересекающимися выступами, если смотреть в направлении тока жидкости между пластинами, обеспечивают очень большое гидродинамическое сопротивление жидкости. Распределительные части теплообменных пластин обычно создают незначительное в процентном выражении гидравлическое сопротивление внутри пластин, хотя скорость течения благодаря геометрии теплообменных пластин в два раза выше в области распределительных частей в сравнении со скоростью в области основной теплообменной части.

Теплообменные части елкообразного рисунка, на котором каждые пересекающиеся выступы образуют соответствующие острые углы, создают, наоборот, очень незначительное гидродинамическое сопротивление, и поэтому значение гидравлического сопротивления, создаваемого распределительными частями внутри пластины, в процентном выражении пропорционально возрастает.

В соответствии с изобретением несимметричность расходов двух обменивающихся теплом жидкостей достигается созданием меньшего гидродинамического сопротивления при сравнительно большом расходе, чем при сравнительно меньшем расходе. Это осуществляется путем задания большего размера входным и выходным отверстиям теплообменных пластин при большем расходе, чем размер отверстий при малом расходе, и выполнением распределительных частей более широкими и короткими при большом расходе, а также удлинением и укорочением ширины при малом расходе.

Например, в распределительных частях 15a и 16a поток жидкости через сравнительно большие входное и выходное отверстия 7a и 8a имеет широкие входные и выходные фронта, т.е. суммарная ширина потока больше на одной стороне теплообменных пластин, которая предназначена для сравнительно большого расхода, и меньше на стороне теплообменных пластин, предназначенной для сравнительно меньшего расхода.

К тому же проточные каналы распределительных частей 15a и 16a длиннее при небольшом расходе, чем при сравнительно большом расходе.

В области выдавленного рисунка распределительных частей, изображенных на фиг. 2 и 3, проходное сечение каналов при большом расходе (с одной стороны пластины) можно еще больше увеличить за счет проходного сечения каналом при меньшем расходе (на другой стороне пластины) путем размещения частей пластины, находящихся между выдавленными вверх выступами и выдавленными вниз впадинами, ближе к дну впадин, чем к вершине впадин.

На фиг. 4 изображен альтернативный вариант осуществления теплообменной пластины 20, которая отличается от теплообменной пластины 2a, изображенной на фиг. 2, в основном тем, что входное отверстие 25 для первой жидкости расположено на одной длинной стороне 21 теплообменной пластины, выходное отверстие 26 для той же самой жидкости расположено на второй длинной стороне 22 теплообменной пластины, а выходное отверстие для второй жидкости расположено на названной первой длинной стороне 21 теплообменной пластины и выходное отверстие 28 для другой жидкости расположено на второй длинной стороне 22 теплообменной пластины. Теплообменная пластина 20 спроектирована для так называемого диагонального потока, т.е. основные направления потоков жидкостей пересекают друг друга и находятся в диагональном положении относительно теплообменной пластины 20.

Что касается диагонального потока, то теплообменные пластины двух различных типов (имеющие различные выдавленные рисунки) необходимы для обеспечения желаемого взаимодействия выдавленных рисунков соседних пластин в пластинчатом теплообменнике. В соответствии с изобретением функции центральных частей теплообменника, как и распределительных частей в пластинах, рассчитанных на диагональный поток (фиг. 4), аналогичны таковым в пластинах, рассчитанных на ламинарный поток (фиг. 2 и 3).

Что касается ламинарного потока, пластинчатый теплообменник, соответствующий изобретению, можно построить из пластин одного типа, имеющих идентичный выдавленный рисунок в распределительных частях и теплообменных частях, если чередующуюся пластину поворачивать относительно остальных пластин на 80^o вокруг оси в плоскости пластины. Это требует специальных условий к устройству, обеспечивающих герметизацию между пластинами вдоль их торцов и вокруг входных и выходных отверстий.

Комбинация из расширенного на 50% фронта для более расходуемой жидкости в сравнении с менее расходуемой в областях распределительных частей теплообменных пластин и удлиненных на 50% каналов для менее расходуемой жидкости в сравнении с более расходуемой может удвоить пропускную способность каналов для более расходуемой жидкости в сравнении с каналами для менее расходуемой жидкости при одинаковых перепадах давления в обоих потоках через соответствующие полости пластины.

В комбинации с более мелкими каналами для менее расходуемой жидкости и более глубоких каналов для более расходуемой жидкости была достигнута несимметричность, характеризуемая пропорцией 3:1 между большим и меньшим расходами в области распределительных частей.

Когда теплообменная часть имеет елкообразный рисунок с острыми углами, создавая поэтому сравнительно небольшое гидродинамическое сопротивление, пропорция 3:1 обменивающихся теплом жидкостей может быть достигнута для всего пластинчатого теплообменника.

Когда теплообменная часть имеет елкообразный рисунок с тупыми углами, создавая поэтому сравнительно большое гидродинамическое сопротивление, пропорция 1,2-1,5:1 обменивающихся теплом жидкостей может быть достигнута между большим и меньшим расходами для всего пластинчатого теплообменника.

В пластинчатом теплообменнике, соответствующем изобретению, на обеих сторонах теплообменных пластин падения давления текущих, обменивающихся теплом жидкостей можно сохранить даже при разных расходах. Это оказывается возможным, если путь сравнительно менее расходуемой жидкости будет обладать меньшими проходными сечениями, чем соответствующий путь в известном пластинчатом теплообменнике, имеющем равные большие входные и выходные отверстия в теплообменных пластинах. Наоборот, возможно сделать так, чтобы путь жидкости, сравнительно более расходуемой, обладал большими проходными сечениями, чем соответствующий путь потока в известном пластинчатом теплообменнике. В результате этого пластинчатый теплообменник, соответствующий изобретению, будет обладать большей пропускной способностью на стороне большего расхода, чем известный пластинчатый теплообменник, частично по существу повысится его теплопередающая способность в сравнении с известным пластинчатым теплообменником в связи с определенной несимметричностью расходов обменивающихся теплом жидкостей.

Повышенной способностью к теплопередаче теплообменных пластин можно воспользоваться различными способами, либо для решения определенной задачи по теплообмену можно использовать меньшее число теплообменных пластин, чем в известном пластинчатом теплообменнике, либо каждую теплообменную пластину можно сделать меньше, чем теплообменная пластина, спроектированная известным способом. В последнем случае можно снизить стоимость не только теплообменных пластин, но и стоимость рамки, скрепляющей пакет теплообменных пластин. Например, в последнем случае удлиненные теплообменные пластины, изготовленные в соответствии с изобретением, можно сделать тоньше, чем соответствующие пластины известного теплообменника. Дополнительно рамку можно сделать тоньше, а значит дешевле.

Преимущество изобретения также состоит в том, что действия по упрощению несимметричности расходов жидкостей можно производить без снижения способности теплообменных пластин выдерживать высокое давление жидкости при сохранении толщины пластин. Точки опоры и контактные точки между теплообменными пластинами могут лежать также близко, как в известных теплообменных пластинах.

В данном изобретении были описаны лишь один тип выдавленного рисунка для распределительных частей теплообменных пластин и один тип рисунка для теплообменных частей пластин. В объеме изобретения, определенного формулой изобретения, можно использовать другие подходящие выдавленные рисунки.

Реферат

Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику для теплообмена между двумя жидкостями при разных больших расходах, содержащему несколько по существу прямоугольных теплообменных пластин 2а, имеющих входные и выходные отверстия 5а, 6а и 7а, 8а в угловых частях 9а, 10а, 11а, 12а. Каждая теплообменная пластина 2а имеет центральную теплообменную часть 17а и две распределительные части 15а, 16а, расположенные между теплообменной частью 17а и соответствующими входными и выходными отверстиями 5а, 6а, 7а, 8а. В соответствии с изобретением размеры входного и выходного отверстий 5а, 6а для одной из названных двух жидкостей отличаются от размера входного и выходного отверстий 7а, 8а для другой жидкости. Дополнительно распределительные части 15а, 16а теплообменных пластин создают большее гидродинамическое сопротивление для первой названной жидкости, чем для другой жидкости. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула