Пластинчатый теплообменник
Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменникам, преимущественно к пластинчатым. Теплообменник, содержащий сердцевину, имеющую оболочку с верхней стенкой, нижней стенкой и парой противоположных боковых стенок, корпус, имеющий верхнюю пластину, смежную с верхней стенкой, нижнюю пластину, смежную с нижней стенкой, и пару боковых пластин, смежных с каждой из боковых стенок, при этом верхняя пластина соединена с нижней пластиной и боковые пластины соединены друг с другом, причем пластины корпуса соединены друг с другом при помощи резьбовых крепежей, включают разнесенные пальцы, при этом пальцы боковых пластин размещены между пальцами верхней и нижней пластин. Изобретение позволяет снизить стоимость изготовления и сборки теплообменника за счет упрочнения опорного корпуса и использования менее прочной и менее дорогостоящей оболочки. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится в основном к теплообменникам и, более точно, к пластинчатым теплообменникам.
Предшествующий уровень техники
По меньшей мере некоторые традиционные теплообменники можно классифицировать на две категории: трубчатые теплообменники и пластинчатые теплообменники. Традиционные пластинчатые теплообменники изготавливаются путем наложения множества пластин, имеющих такую конфигурацию, что две жидкости, одна из которых относительно горячая, а другая относительно холодная, могут проходить между чередующимися каналами, ограниченными пластинами.
Пластинчатые теплообменники можно подразделить на две категории, а именно теплообменники, уплотненные с помощью прокладок, и сварные теплообменники. Теплообменники, уплотненные с помощью прокладок, могут обеспечить доступ к пластинам для очистки, более низкие термические напряжения и стоимость на единицу площади. Однако использование прокладок накладывает некоторые ограничения относительно температуры, давления и совместимости с используемыми жидкостями. Одна из проблем, встречающаяся у существующих сварных теплообменных блоков, заключается в существовании больших термических напряжений, что может привести к более короткому ресурсу оборудования. Большие производственные затраты на разделение относительно горячей и относительно холодной жидкости при помощи традиционных сварочных операций представляют другой потенциальный недостаток.
Краткое описание изобретения
Теплообменник может включать корпус и сердцевину, имеющую оболочку. Оболочка может иметь верхнюю стенку, нижнюю стенку и пару противоположных боковых стенок, соединяющих между собой верхнюю и нижнюю стенки для образования по меньшей мере части ограждения, в которое может быть помещена жидкость. Корпус может иметь верхнюю пластину, смежную с верхней стенкой, нижнюю пластину, смежную с нижней стенкой, и пару боковых пластин, каждая из которых граничит с одной из боковых стенок. Верхняя пластина может быть соединена с нижней пластиной, и боковые пластины могут быть соединены друг с другом для поддержания верхней стенки, нижней стенки и боковых стенок оболочки. Опора, обеспеченная корпусом, может, по меньшей мере в некоторых применениях, позволять использовать менее прочную и менее дорогую оболочку.
В одном воплощении, предпочтительном в настоящее время, сердцевина теплообменника включает верхнюю и нижнюю стенки и пару боковых стенок, соединяющих между собой верхнюю и нижнюю стенки, и корпус окружает по меньшей мере участок каждой из верхней и нижней стенок и боковых стенок. Корпус может состоять из множества пластин, соединенных друг с другом с возможностью разъединения для обеспечения доступа к сердцевине при желании. Такое выполнение позволяет изготавливать стенки путем газопламенной резки вместо традиционной механической обработки. Естественно, могут быть использованы другие выполнения, модификации и/или замены в соответствии с желаемыми характеристиками для отдельного применения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов осуществлений и лучшего варианта прилагаемой формулы изобретения и сопроводительных чертежей, на которых:
на Фиг.1 изображен вид в перспективе одного предпочтительного в настоящее время варианта осуществления теплообменника;
на Фиг.2 изображен вид сверху теплообменника на Фиг.1;
на Фиг.3 изображен вид сбоку теплообменника на Фиг.1;
на Фиг.4 изображен вид с торца теплообменника;
на Фиг.5 изображен вид в перспективе сердцевины сварного пластинчатого теплообменника, которая может быть использована в сборке, показанной на Фиг.1; и
на Фиг.6 изображен в перспективе местный вырез сердцевины на Фиг.5, показывающий участок пластин во внутреннем пространстве сердцевины.
Подробное описание предпочтительных воплощений
Ссылаясь на чертежи более подробно, на Фиг.1-4 показан один вариант осуществления теплообменника 10, включающего внешний опорный корпус 12 и внутреннюю сердцевину 14. Теплообменник 10 показан как пластинчатый теплообменник, имеющий прямоугольную сердцевину 14, хотя возможны другие формы и конфигурации. Предназначение чертежей и данного описания заключается в том, чтобы показать иллюстративные варианты осуществления изобретения, а не ограничивать каким-либо образом конструкцию, расположение или способ, посредством которого изобретение осуществляется.
Как наилучшим образом показано на Фиг.5, сердцевина 14 включает внешнюю оболочку 16, состоящую из основного впускного коллектора 18, основного выпускного коллектора 20, дополнительного впускного коллектора 22, образующего участок одной боковой стенки 24 оболочки 16 или полностью эту стенку, дополнительного выпускного коллектора 26, образующего участок другой боковой стенки 28 оболочки или полностью эту стенку, верхнюю стенку 30 и нижнюю стенку 32. Коллекторы 18, 20, 22, 26 и стенки 30, 32 соединены между собой для ограждения сборки пластин 31, участок которой показан на Фиг.6. Коллекторы 18, 20, 22, 26 и стенки 30, 32 могут быть приварены друг к другу для образования, по меньшей мере, по существу полного ограждения. Дополнительные впускной и выпускной коллекторы 22 и 26 и стенки 30, 32 могут представлять собой по существу плоские пластины, обеспечивающие оболочку 16 по существу в форме короба или прямоугольного параллелепипеда.
Как наилучшим образом показано на Фиг.6, внутреннее устройство и конструкция сердцевины 14, включая сборку пластин 31, может быть по существу таким же, как описано в Патенте США №6516874, описание которого приведено здесь полностью посредством ссылки. Обычно внутри оболочки 16 расположено множество кассет, каждая из которых обозначена ссылочной позицией 34, которые формируют часть сборки 31 пакета пластин. Каждая кассета 34 состоит из двух прямоугольных теплообменных пластин 36 и 36а, центральный участок корпуса каждой из которых снабжен множеством параллельных и наклонных гофр или углублений. При формировании кассеты 34 одна из теплообменных пластин 36, 36а поворачивается на 180 градусов и переворачивается так, чтобы одна из пластин накладывалась поверх другой. Как видно на Фиг.6, это вынуждает гофры каждой из теплообменных пластин 36, 36а пересекаться друг с другом с постоянным углом и обеспечивать множество параллельных, направленных под углом внешних гребней 38 и внутренних гребней 40 для каждой из теплообменных пластин 36, 36а.
Как видно на Фиг.5 и 6, кассеты 34 внутри сердцевины теплообменника 10 определяют основные каналы 42 для потока главной жидкости и дополнительные каналы 44 для потока дополнительной жидкости. Основная жидкость входит в теплообменник 10 через основной впускной патрубок 45, который жестко соединен с впускным коллектором 18 аркообразной формы. Основная жидкость выходит через основной выпускной патрубок 46, который жестко соединен с выпускным коллектором 20 аркообразной формы. Соответственно основная жидкость, входящая в теплообменник 10 через основной впускной патрубок 45, проходит через основные каналы 42 и выходит из теплообменника 10 через основной выпускной патрубок 46. Дополнительная жидкость входит в теплообменник 10 через дополнительный впускной патрубок 47, проходит через дополнительные каналы 44 и выходит через дополнительный выпускной патрубок 48. Очевидно, что впускной патрубок 47 и выпускной патрубок 48 жестко соединены с дополнительным впускным коллектором 22 и дополнительным выпускным коллектором 26 соответственно.
Как показано на Фиг.1-4, опорный корпус 12 включает противоположные верхнюю и нижнюю пластины 52, 54 и пару противоположных боковых пластин 56, 58, все из которых расположены вблизи внешней поверхности оболочки 16 сердцевины 14. Пластины 52-58 предпочтительно соединены друг с другом и являются жесткими, так что опорный корпус 12 является жестким и противостоит деформации в сборке и может препятствовать ненадлежащему расширению, по меньшей мере, участков оболочки 16. Корпус 12 предпочтительно поддерживает, по меньшей мере, участок трех сторон оболочки 16 и предпочтительно существенный участок (например, более половины площади поверхности) трех или более сторон оболочки 16. Это позволяет изготавливать оболочку 16 сердцевины из более тонкого или менее прочного материала. По меньшей мере в некоторых вариантах это может снизить стоимость сборки теплообменника, так как, например, материал оболочки, который контактирует с жидкостью, как правило, является относительно дорогостоящим материалом, таким как нержавеющая сталь, и может понадобиться меньше этого материала. Опорный корпус 12, с другой стороны, не контактирует с жидкостью и может быть изготовлен из менее дорогостоящей углеродистой стали. Дополнительно может быть осуществлено уменьшение механической обработки и сварки, и опорные пластины 52-58 могут быть получены путем газопламенной резки (или другим способом) и могут быть относительно необработанными, таким образом, дополнительно снижая стоимость изготовления и сборки теплообменника 10.
Пара противоположных верхней и нижней пластин 52, 54 и пара противоположных боковых пластин 56, 58 могут быть соединены друг с другом для образования по меньшей мере по существу полного ограждения, в котором размещается сердцевина 14. В одном предпочтительном в настоящее время варианте множество соединительных приспособлений 60 используются для разъемного соединения смежных пластин друг с другом для того, чтобы корпус 12 можно было разобрать и извлечь сердцевину 14 для ремонта или замены на новую сердцевину. В показанном варианте соединительные приспособления 60 включают пальцы, разнесенные вдоль пластин 52-58, и соединители 64, которые соединяют друг с другом пальцы смежных пластин. Из-за относительно большого количества пальцев и соединителей в данном варианте, показанном на чертежах, не все эти части обозначены на чертежах. Вместо этого для облегчения обзора и понимания чертежей на чертежах указан лишь образцовый номер таких частей.
Более точно, как наилучшим образом показано на Фиг.1-3, верхняя и нижняя пластины 52, 54 могут иметь идентичную конструкцию. Пластины 52, 54 могут быть по существу плоскими, при этом пальцы 66 разнесены и проходят наружу от противоположных сторон каждой пластины 52, 54. Пальцы 66 на одной стороне пластины проходят вдаль от пальцев 66 на другой стороне этой пластины, и пластины 52, 54 предпочтительно могут быть расположены так, что пальцы 66 на верхней пластине 52 выровнены с пальцами 66 на нижней пластине 54. Каждый палец 66 предпочтительно имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие 68. Отверстия 68 в выровненных пальцах 66 верхней и нижней пластин 52, 54 выровнены для прохождения сквозь них соединителя 64, так, что выровненные пальцы 66 могут быть соединены друг с другом. Как показано, соединитель 64 может включать стержень 70, имеющий концы 72 с резьбой, и гайки 74 могут быть затянуты на каждом конце 72 стержня 70.
Боковые пластины 56, 58 могут быть идентичны и предпочтительно имеют конструкцию, подобную верхней и нижней пластинам 52, 54, но расположены рядом с боковыми стенками 24, 28 сердцевины 14. Боковые пластины 56, 58 включают пальцы 76, проходящие наружу, при этом пальцы 76 на одной боковой пластине 56 выровнены с пальцами 76 на другой боковой пластине 58. Пальцы 76 боковых пластин 56, 58 также предпочтительно включают по меньшей мере одно сквозное отверстие 78, причем отверстия 78 в пальцах 76 одной боковой пластины 56 выровнены с отверстиями 78 в соответствующих пальцах 76 другой боковой пластины 58 для обеспечения соединения пальцев 76 боковых пластин 56, 58 друг с другом. Пальцы 76 боковых пластин 56, 58 предпочтительно размещаются в промежутки между смежными пальцами 66 верхней и нижней пластин 52, 54 и вставлены между ними. Пальцы 76 боковых пластин 56, 58 могут проходить под прямыми углами к пальцам 66 верхней и нижней пластин 52, 54. Стержни 70 могут проходить сквозь отверстия 78 выровненных пальцев 76 боковых пластин 56, 58, и гайки 74 предпочтительно затягиваются на каждом конце 72 стержней 70.
Таким образом, соединители 64 зажимают выровненные пальцы 66 верхней и нижней пластин 52, 54 друг с другом против смежных стенок или поверхностей сердцевины. Подобным образом соединители 64 зажимают выровненные пальцы 76 боковых пластин 56, 58 друг с другом против смежных стенок сердцевины. В одном варианте, предпочтительном в настоящее время, боковые пластины 56, 58 не касаются верхней и нижней пластин 52, 54. На всех границах раздела между двумя пластинами может быть обеспечен зазор в четверть дюйма так, что сила зажатия прилагается к оболочке, а не к смежным панелям. В виде альтернативного примера пластины 52, 54, 56 и 58 могут зацепляться друг с другом и располагаться впритык с сердцевиной для предотвращения нежелательного расширения сердцевины или возникновения в ней напряжений.
Так что все пластины 52-58 соединены друг с другом и могут быть разъединены путем снятия гаек 74 для обеспечения доступа к сердцевине 14. Стержни 70, соединяющие друг с другом боковые пластины 56, 58, могут проходить параллельно верхней и нижней пластинам 52, 54 и за их пределами. Стержни 70, соединяющие друг с другом верхнюю и нижнюю пластины 52, 54, могут проходить параллельно боковым пластинам 56, 58 и за их пределами. Концы 80, 82 корпуса 12 могут быть открыты для обеспечения прохождения через них одного или более впускных патрубков 45 и выпускных патрубков 46 для соединения с подходящими трубопроводами или тому подобными элементами. Иным образом, один или все концы 80, 82 могут быть перекрыты и поддержаны отдельными пластинами или участками верхней, нижней или боковых пластин, которые проходят вблизи концов. Поэтому опорный корпус 12 в показанном варианте обеспечивает жесткую опору для четырех сторон оболочки 14. Опора может быть установлена для большего или меньшего количества сторон в зависимости от требований для конкретного применения, и, например, сквозь одну или более пластин опорного корпуса могут быть выполнены отверстия для впускных и выпускных патрубков или прочих приспособлений при необходимости.
Опорный корпус 12 может быть размещен на одном или нескольких кронштейнах 90 для облегчения присоединения теплообменника 10 к другой конструкции и его отдаления от нее. Кронштейны 90 могут включать проходящие наружу ножки 92, и предпочтительно разнесены вдоль длины теплообменника 10.
Вышеприведенное описание отдельных вариантов изобретения является лишь пояснительным и, таким образом, их изменения, модификации и/или замены не следует рассматривать как отхождение от сущности и объема изобретения. В виде неограничивающего примера, несмотря на то что опорный корпус 12, показанный и описанный в примерном варианте, может быть разобран и снят с сердцевины 14, опорный корпус 12 может быть сварен или иным образом более или менее постоянно собран, обеспечивая ограниченный доступ к сердцевине 14 или вообще не обеспечивая доступа. Дополнительно, несмотря на то что показанный и описанный корпус 12 включает металлические пластины, участок опорного корпуса 12 или весь опорный корпус может быть выполнен из других материалов в соответствии с пожеланиями для конкретного применения. Установка или сборка согласно настоящему изобретению может не обладать ни одним из вышеуказанных признаков и/или преимуществ, обладать некоторыми или всеми из них. То, что варианты, предпочтительные в настоящее время, включают конкретные признаки, указанные здесь выше, не должно означать, что все варианты настоящего изобретения должны иметь такие признаки.
1. Теплообменник, содержащий сердцевину, включающую оболочку, имеющую множество сторон, и, по меньшей мере, один канал для жидкости, по которому циркулирует жидкость; корпус, окружающий, по меньшей мере, участок каждой из, по меньшей мере, трех сторон оболочки и отдаленный от них, для поддержания, по меньшей мере, трех сторон оболочки против давления жидкости в ней, корпус включает пару противоположных пластин, каждая из которых включает множество пальцев, при этом пальцы одной пластины из пары противоположных пластин выровнены и соединены с пальцами другой пластины из пары противоположных пластин.
2. Теплообменник по п.1, в котором корпус включает две противоположные пары пластин, при этом пальцы пластин в одной из противоположных пар соединены друг с другом, и пальцы пластин в другой из противоположных пар соединены друг с другом.
3. Теплообменник по п.2, в котором пластины одной из противоположных пар соединены друг с другом и зацепляются с пластинами другой из противоположных пар, и пластины другой противоположной пары также соединены друг с другом и зацепляются с пластинами одной из противоположных пар.
4. Теплообменник по п.2, в котором по меньшей мере один из пальцев пластины в одной из противоположных пар расположен между двумя пальцами пластины в другой из противоположных пар.
5. Теплообменник по п.4, в котором множество пальцев каждой пластины расположены между смежными пальцами смежной пластины.
6. Теплообменник по п.1, в котором каждая из пластин включает в себя, по меньшей мере. одно отверстие, сквозь которое проходит соединитель для соединения пластин друг с другом.
7. Теплообменник по п.3, в котором соединитель включает резьбовой участок и гайку, с возможностью разъединения, размещенную на резьбовом участке.
8. Теплообменник по п.7, в котором соединитель включает стержень, имеющий резьбовые концы и гайки, размещенные на каждом конце стержня.
9. Теплообменник по п.3, в котором каждая пара противоположных пластин соединена за пределами другой пары противоположных пластин.
10. Теплообменник по п.9, в котором пальцы каждой выровненной пары пластин проходят наружу за смежный участок другой пары противоположных пластин.
11. Теплообменник по п.9, в котором каждый из множества пальцев включает сквозное отверстие, при этом отверстия выровненных пальцев каждой противоположной пары пластин расположены за пределами другой пары противоположных пластин, и предназначены для приема соединителя, расположенного за пределами другой пары противоположных пластин.
12. Теплообменник по п.11, в котором пары пластин соединены друг с другом с возможностью разъединения.
13. Теплообменник, содержащий сердцевину, имеющую оболочку с верхней стенкой, нижней стенкой, и парой противоположных боковых стенок, соединяющих верхнюю и нижнюю стенки для образования, по меньшей мере, части ограждения, в которое может быть помещена жидкость, корпус, имеющий верхнюю пластину, смежную с верхней стенкой, нижнюю пластину, смежную с нижней стенкой, и пару боковых пластин, смежных с каждой из боковых стенок, при этом верхняя пластина соединена с нижней пластиной, и боковые пластины соединены друг с другом для поддержания верхней стенки, нижней стенки и боковых стенок оболочки.
14. Теплообменник по п.13, в котором оболочка состоит из материала, подходящего для контакта с жидкостью, циркулирующей в сердцевине, и корпус состоит из углеродистой стали.
15. Теплообменник по п.13, в котором пластины корпуса соединены друг с другом с возможностью разъединения.
16. Теплообменник по п.15, в котором пластины соединены друг с другом при помощи резьбовых крепежей.
17. Теплообменник по п.13, в котором пластины корпуса включают разнесенные пальцы, при этом пальцы боковых пластин размещены между пальцами верхней и нижней пластин.
18. Теплообменник по п.17, в котором боковые пластины скреплены друг с другом и с сердцевиной, и верхняя и нижняя стенки скреплены друг с другом и с сердцевиной.
19. Теплообменник по п.18, в котором сила крепления обеспечена множеством соединителей.
