Теплопередающая пластина и теплообменник, содержащий множество таких теплопередающих пластин
Изобретение относится к теплопередающей пластине (8) и теплообменнику (2), содержащему множество таких теплопередающих пластин. Теплопередающая пластина включает в себя область (22) теплопередачи, снабженную гофрированной структурой, содержащей гребни (36) и впадины (38), расположенные в чередующемся порядке по отношению к центральной плоскости (C) протяженности теплопередающей пластины. Гребни образуют стрелки, содержащие первые стрелки (58), при этом каждая из первых стрелок содержит две ножки, расположенные на противоположных сторонах соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий (60), и головку (59), расположенную на соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий (60), простирающихся через всю область теплопередачи параллельно продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины. Каждая из воображаемых прямых линий (60) содержит, по меньшей мере, один основной участок (66), вдоль которого расположены, по меньшей мере, три из равномерно разнесенных головок (59) первых стрелок. Теплопередающая пластина (8) отличается тем, что, по меньшей мере, большинство воображаемых прямых линий (60) содержат, по меньшей мере, один вспомогательный участок (68), вдоль каждого из которых протяженность гребней (36) и впадин (38) на одной стороне воображаемой прямой линии (60) параллельна протяженности гребней и впадин на другой – противоположной – стороне воображаемой прямой линии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к теплопередающей пластине и ее конструкции. Изобретение также относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему множество таких теплопередающих пластин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Пластинчатые теплообменники, ПТО, в типичных случаях состоят из двух концевых плит, в промежутке между которыми располагается некоторое количество выровненных теплопередающих пластин, т.е., стопа или пакет. Между теплообменными пластинами образованы параллельные проточные каналы, по одному каналу между каждой парой соседних теплообменных пластин. Через каждый второй канал чередуясь могут течь две текучие среды с изначально разными температурами для передачи тепла от одной текучей среды другой, причем эти текучие среды попадают в каналы и покидают их через проходные отверстия входа и выхода в теплопередающих пластинах.
В типичных случаях, теплопередающая пластина содержит две концевые области и промежуточную область теплопередачи. Концевые области содержат проходные отверстия входа и выхода и область распределения, зажатую распределительной структурой таких выступов и выемок, как гребни и впадины, относительно центральной плоскости протяженности теплопередающей пластины. Аналогичным образом, область теплопередачи зажата теплопередающей структурой таких выступов и выемок, как гребни и впадины, относительно упомянутой центральной плоскости протяженности. В пластинчатом теплообменнике гребни и впадины распределительной и теплопередающей структур одной теплопередающей пластины могут располагаться в контакте, в областях контакта, с гребнями и впадинами распределительной и теплопередающей структур соседних теплопередающих пластин.
Основной задачей области распределения теплопередающих пластин является распространение текучей среды, попадающей в канал, по ширине теплопередающей пластины прежде, чем текучая среда достигнет области теплопередачи, а также сбор текучей среды и направление ее из канала после прохождения ею области теплопередачи. И наоборот, основной задачей области теплопередачи является теплопередача. Поскольку область распределения и область теплопередачи имеют разные основные задачи, распределительная структура обычно отличается от теплопередающей структуры. Распределительная структура может быть такой, которая обеспечивает относительно слабое сопротивление потоку и низкое падение давления, что в типичных случаях связано с конструкцией, предусматривающей более «открытую» структуру, такую, как так называемая структура шоколада, обеспечивающая относительно немного – но больших – областей контакта между соседними теплопередающими пластинами. Теплопередающая структура может быть такой, что она обеспечивает относительно интенсивное сопротивление потоку и высокое падение давления, что в типичных случаях связано с конструкцией, предусматривающей более «плотную» структуру, позволяющую получить больше – но меньших – областей контакта между соседними теплопередающими пластинами.
Одной хорошо известной теплопередающей структурой является так называемая структура «в елочку» или шевронная структура, которая содержит гребни и впадины, образующие стрелки с головками, распложенными в рядах, простирающихся через область теплообмена параллельно продольной центральной оси теплопередающей пластины, и эта продольная центральная ось простирается через обе концевые области теплопередающей пластины. Фиг.1a, которая взята из документа GB 1468514, иллюстрирует такую теплопередающую структуру типа «в елочку». Эта структура может придать теплопередающей пластине приемлемую теплопроводность, а также может сделать теплопередающую пластину нестабильной по размерам и трудной в обращении, особенно если теплопередающая пластина большая. В документе US 6702005 представлено решение этой проблемы. Фиг.1b, которая взята из документа US 6702005, иллюстрирует теплопередающую пластину, снабженную теплопередающей структурой, содержащей стрелки и головки, расположенные в рядах, изображенных пунктирными линиями, простирающиеся через область теплообмена параллельно продольной центральной оси I теплопередающей пластины. Стрелки имеют головки, расположенные в точках, соответствующих одному и тому же ряду, в противоположных направлениях в пределах разных участков ряда, т.е., теплопередающая структура изменяется вдоль продольной центральной оси I теплопередающей пластины. Тем самым теплопередающая пластина становится устойчивее по размерам, а значит – и проще в обращении. Вместе с тем, в местах, где теплопередающая пластина изменяется, а стрелки направлены друг к другу, т.е., в пределах обведенных кружками зон «а» области теплопередачи, возможно образование концентраций напряжений, что может привести к образованию трещин в теплопередающей пластине. Кроме того, в части, касающейся теплообменной пластины, соответствующей фиг.1а, как и теплообменной пластины, соответствующей фиг.1b, следует отметить, что ряды головок стрелок могут вызывать огораживание текучих сред, протекающих по каналам ПТО, и препятствовать распределению текучих сред через область теплопередачи, а это может негативно повлиять на теплопроводность ПТО.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать теплопередающую пластину, которая решает или, по меньшей мере, значительно нивелирует вышеупомянутые проблемы. Основной идеей изобретения является разработка теплопередающей пластины с областью теплопередачи, имеющей гофрированную структуру, ограничивающую прерывистые ряды головок стрелок, проходящие через область теплопередачи, т.е., более открытую гофрированную структуру. Другая задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать теплообменник, содержащий множество таких теплопередающих пластин. Теплопередающая пластина и теплообменник для решения вышеупомянутых задач охарактеризованы в прилагаемой формуле изобретения и рассматриваются ниже.
Теплопередающая пластина, соответствующая данному изобретению, включает в себя область теплопередачи. Область теплопередачи снабжена гофрированной структурой, содержащей гребни и впадины, расположенные в чередующемся порядке по отношению к центральной плоскости протяженности теплопередающей пластины. Гребни образуют стрелки, содержащие первые стрелки. Первые стрелки представляют собой стрелки, каждая из которых содержит две ножки, расположенные на противоположных сторонах соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий, и головку, расположенную на соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий, простирающихся через всю область теплопередачи параллельно продольной центральной оси теплопередающей пластины. Каждая из воображаемых прямых линий содержит, по меньшей мере, один основной участок, вдоль которого расположены, по меньшей мере, три из равномерно разнесенных головок первых стрелок. Теплопередающая пластина отличается тем, что, по меньшей мере, большинство воображаемых прямых линий содержат, по меньшей мере, один вспомогательный участок, вдоль каждого из которых протяженность гребней и впадин на одной стороне воображаемой прямой линии параллельна протяженности гребней и впадин на другой – противоположной – стороне воображаемой прямой линии. Кроме того, область теплопередачи разделена на второе количество поперечных полос, простирающихся поперечно продольной центральной оси теплопередающей пластины и от первой до противоположной второй длинной стороны области теплопередачи. В пределах наиболее удаленных от середины поперечных полос гофрированная структура аналогична.
Таким образом, гофрированная структура в пределах области теплопередачи, по меньшей мере, частично является структурой типа «в елочку» или шевронного типа. Гребни и впадины простираются параллельно друг другу, вследствие чего не только гребни, но и впадины образуют стрелки. Стрелки содержат первые стрелки, охарактеризованные выше. Стрелки также могут содержать вторые стрелки, каждая из которых может содержать две ножки, расположенные на противоположных сторонах соответственной одной из третьего количества воображаемых прямых линий, и головку, расположенную на соответственной одной из третьего количества воображаемых прямых линий, простирающихся через всю область теплопередачи параллельно поперечной центральной оси теплопередающей пластины.
Таким образом, каждая концевая точка каждого из основных участков воображаемых прямых линий ограничена головкой одной из первых стрелок, т.е., совпадает с ней, а, по меньшей мере, одна дополнительная головка первой стрелки расположена между концевыми точками каждого из основных участков. Кроме того, расстояние между двумя соседними головками первых стрелок неизменно вдоль каждого из основных участков, но может изменяться между основными участками.
Вдоль всех вспомогательных участков воображаемых прямых линий протяженность гребней и впадин на противоположных сторонах воображаемых прямых линий и непосредственно рядом с ними параллельна. Вдоль каждого из вспомогательных участков, по меньшей мере, на каждой стороне соответствующей воображаемой прямой линии могут быть расположены три равномерно разнесенных гребня. Расстояние между соседними гребнями на одной стороне воображаемой прямой линии может быть или не быть равным расстоянию между соседними гребни на другой стороне воображаемой прямой линии.
Основные и вспомогательные участки каждой воображаемой прямой линии не перекрываются. Кроме того, два основных участка некоторой воображаемой прямой линии никогда не располагаются последовательно, что справедливо также для двух вспомогательных участков некоторой воображаемой прямой линии.
Первая стрелка может быть образована имеющим угол или изогнутым гребнем, при этом изгиб ограничивает головку первой стрелки. В альтернативном варианте, первая стрелка может быть образована двумя гребнями, расположенными под углом друг другу – концевая точка к концевой точке, при этом концевые точки ограничивают головку первой стрелки. Концевые точки могут контактировать друг с другом или быть несколько отделенными друг от друга вдоль поперечной центральной оси и/или быть несколько смещенными друг относительно друга вдоль продольной центральной оси.
Вдоль вспомогательных участков воображаемых прямых линий, гребни и впадины на одной стороне воображаемой прямой линии могут быть выполненными как единое целое с гребнями и впадинами на другой – противоположной – стороне воображаемой прямой линии, или быть отдельными от них.
Естественно, центральная плоскость протяженности является воображаемой.
Под термином «гребень» понимается удлиненное непрерывное возвышение, прямолинейное или криволинейное, которое может простираться – применительно к продольной центральной оси теплопередающей пластины – наклонно через всю область теплопередачи или ее участок. Аналогичным образом, под термином «впадина» понимается удлиненная непрерывная бороздка, прямолинейная или криволинейная, которая может простираться – применительно к продольной центральной оси теплопередающей пластины – наклонно через всю область теплопередачи или ее участок.
Естественно, первое количество воображаемых прямых линий определяет, сколько это будет – «по меньшей мере, большинство». Первое количество воображаемых прямых линий может составлять три или более. В случае трех воображаемых прямых линий, «по меньшей мере, большинство» составляет две или три. В случае пяти воображаемых прямых линий, «по меньшей мере, большинство» составляет три, четыре или пять.
Второе количество поперечных полос≥2, а предпочтительнее –≥3.
Как сказано выше, в пределах одной из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, гофрированная структура аналогична гофрированной структуре в пределах другой из поперечных полос, наиболее удаленных от середины. Кроме того, термин «аналогичная» в данном случае следует интерпретировать не как обязательно означающий «полностью …», а как означающий, «по меньшей мере, по существу, идентичная». Кроме того, в данном случае, термин «аналогичная» означает, что гофрированная структура имеет одну и ту же ориентацию в поперечных полосах, наиболее удаленных от середины, т.е., что если гофрированную структуру в пределах одной из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, можно смещать вдоль продольной центральной оси теплопередающей пластины, то она должна совпадать с гофрированной структурой в пределах другой из поперечных полос, наиболее удаленных от середины. Следует подчеркнуть, что даже если гофрированная структура аналогична в пределах поперечных полос, наиболее удаленных от середины, гофрированная структура в пределах одной из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, может быть смещена по отношению к гофрированной структуре в пределах другой из поперечных полос, наиболее удаленных от середины. Иными словами, место гофрированной структуры в пределах одной из наиболее удаленных от середины поперечных полос по отношению к границам упомянутой одной из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, может отличаться от места гофрированной структуры в пределах другой из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, по отношению к границам упомянутой другой из поперечных полос, наиболее удаленных от середины. Структурное сходство между наиболее удаленными от середины поперечными полосами выгодно, когда речь идет об укладке в стопу множества теплопередающих пластин в пластинчатом теплообменнике. Это зачастую влечет за собой поворот каждой второй из теплопередающих пластин на 180 градусов вокруг оси, простирающейся параллельно направлению нормали теплопередающей пластины по отношению к ориентации осей отсчета пластины. Тогда структурное сходство может дать возможность пересечения структур, приводящего к достаточной плотности, и подходящего распределения точек контакта между двумя соседними теплопередающими пластинами.
Таким образом, головки первых стрелок расположены в рядах, простирающихся через область теплопередачи параллельно продольной центральной оси теплопередающей пластины. Эти ряды совпадают с воображаемыми прямыми линиями. Поскольку, по меньшей мере, большинство воображаемых прямых линий содержат, по меньшей мере, один вспомогательный участок каждая, по меньшей мере, большинство рядов головок первых стрелок являются прерывистыми. Соответственно, данное изобретение делает возможным варьирование гофрированной структуры в пределах области теплопередачи вдоль продольной центральной оси теплопередающей пластины, тем самым делая теплопередающую пластину стабильной по размерам и простой в обращении. Кроме того, гофрированную структуру можно варьировать, не создавая зон, в которых в данном случае не создаются изменения теплопередающих структур, а первые стрелки обращены остриями друг к другу, или создавая лишь немного (по сравнению с документом US 6702005) таких зон. Tем самым можно снизить концентрации механических напряжений в теплопередающей пластине вдоль воображаемых прямых линий, что приводит к сниженному риску трещинообразования. Кроме того, прерывистые ряды головок первых стрелок делают гофрированную структуру более открытой, так что текучая среда, протекающая через область теплопередачи, сможет легче пересекать воображаемые прямые линии для более равномерного распределения потока через теплопередающую пластину.
Теплопередающая пластина может дополнительно содержать две концевые области, между которыми расположена область теплопередачи. Каждая из концевых областей может содержать две области проходных отверстий, которые могут быть открытыми, т.е. проходными отверстиями, или закрытыми, и область распределения, расположенную между областью теплопередачи и областями проходных отверстий и снабженную гофрированной структурой, которая отличается от гофрированной структуры области теплопередачи. Продольная центральная ось теплопередающей пластины простирается через концевые области и область теплопередачи.
Теплопередающая пластина может быть такой, что вдоль упомянутых вспомогательных участков упомянутого, по меньшей мере, большинства воображаемых прямых линий протяженность гребней и впадин на упомянутой одной стороне воображаемой прямой линии выровнена с протяженностью гребней и впадин на упомянутой противоположной стороне воображаемой прямой линии. Это делает возможным наличие одной и той же гофрированной структуры на обеих сторонах воображаемой прямой линии и/или пересечений гребней и впадин при неизменном направлении воображаемой прямой линии, что может привести к более жесткой теплопередающей пластине, обращение с которой проще.
Теплопередающая пластина может быть такой, что каждая из воображаемых прямых линий, за исключением первой из воображаемых прямых линий, содержит, по меньшей мере, один вспомогательный участок. Это означает, что все ряды головок первых стрелок, за исключением одного, являются прерывистыми, что дает возможность получить теплопередающую пластину, которая, в частности, стабильна и проста в обращении и которая имеет более открытую гофрированную структуру для более равномерного распределения потока через теплопередающую пластину.
Первая воображаемая прямая линии может совпадать с продольной центральной осью теплопередающей пластины. Это дает возможность получить область теплопередачи гофрированной структуры, симметричную по отношению к продольной центральной оси.
Теплопередающая пластина может быть разработана так, что, по меньшей мере, одна из воображаемых прямых линий на каждой стороне первой воображаемой прямой линии будет содержать, по меньшей мере, два основных участка, а, по меньшей мере, еще одна из воображаемых прямых линий на каждой стороне первой воображаемой прямой линии будет содержать, по меньшей мере, два вспомогательных участка, что может привести к теплопередающей пластине, более стабильной по размерам, которая проще в обращении.
Как упоминалось выше, область теплопередачи разделена на второе количество поперечных полос. Гофрированная структура в пределах каждой из поперечных полос может быть изменяющейся от гофрированной структуры в пределах соседней одной из поперечных полос. Кроме того, гофрированная структура в пределах некоторой поперечной полосы, расположенной между двумя другими поперечными полосами, может отличаться от гофрированной структуры в пределах каждой из упомянутых двух других поперечных полос. Помимо этого, независимо от того, отличается ли гофрированная структура в пределах соседних поперечных полос, каждый из основных и вспомогательных участков воображаемых прямых линий может простираться полностью поперек соответственной одной из поперечных полос.
Каждые две соседние из поперечных полос могут быть отделены соответственной бороздкой, простирающейся в центральной плоскости протяженности теплопередающей пластины от первой ко второй длинной стороне области теплопередачи. Тем самым можно облегчить варьирование гофрированной структуры за счет теплопередачи. Как говорилось выше, такое варьирование может сделать теплопередающую пластину устойчивее по размерам или жестче, а также проще в обращении.
Наиболее удаленные от середины поперечные полосы, которые ограничивают две противоположные первую и вторую короткие стороны области теплопередачи, могут иметь аналогичные очертания или контуры или границы. В данном случае, термин «аналогичные» следует интерпретировать не как обязательно означающий «полностью …», а как означающий, «по меньшей мере, по существу, идентичные». Это выгодно, когда речь идет об укладке в стопу множества теплопередающих пластин в пластинчатом теплообменнике, которая зачастую влечет за собой поворот каждой второй из теплопередающих пластин 180 градусов вокруг оси, простирающейся параллельно направлению нормали теплопередающей пластины по отношению ориентации осей отсчета пластины. Тогда сходство очертаний может дать возможность получения достаточной плотности и подходящего распределения точек контакта между двумя соседними теплопередающими пластинами.
Каждая из поперечных полос может быть разграничена первой и второй разграничивающими линиями, по меньшей мере, одна из которых является изогнутой (криволинейной). Это означает, что граница между двумя соседними поперечными полосами или одной из внешних поперечных полос и одной из концевых областей может быть криволинейной. Тем самым можно увеличить прочность теплопередающей пластины на изгиб на границе по сравнению со случаем, если бы граница вместо этого была прямолинейной, в котором граница могла бы служить в качестве линии изгиба теплопередающей пластины.
Каждая из поперечных полос, наиболее удаленных от середины, может иметь изменяющуюся ширину, измеряемую параллельно продольная центральной оси теплопередающей пластины. Ширина может быть изменяющейся в направлении от первой длинной стороны области теплопередачи к продольной центральной оси теплопередающей пластины и в направлении от второй длинной стороны области теплопередачи к продольной оси теплопередающей пластины. Этот вариант осуществления может сделать возможными концевые области теплопередающей пластины, имеющие разграничивающую линию, обращенную к области теплопередачи, которая выпучивается вверх к центру теплопередающей пластины. Как будет дополнительно рассмотрено ниже, такие концевые области могут повлечь за собой повышенную эффективность распределения.
Одна из поперечных полос, расположенных между поперечными полосами, наиболее удаленными от середины, может иметь изменяющуюся ширину, измеряемую параллельно продольной центральной оси теплопередающей пластины. Ширина может быть увеличивающейся в направлении от первой длинной стороны области теплопередачи к продольной центральной оси теплопередающей пластины и в направлении от второй длинной стороны области теплопередачи к продольной оси теплопередающей пластины. Тем самым эту промежуточную поперечную полосу можно подогнать к наиболее удаленным от середины поперечными полосами, что может сделать возможным наличие поперечных полос, занимающих всю область теплопередачи. Это выгодно с точки зрения теплопередачи теплопередающей пластины.
Гофрированная структура области теплопередачи может быть симметричной по отношению к продольной центральной оси теплопередающей пластины. Это выгодно, когда речь идет об укладке стопой множества теплопередающих пластин в пластинчатом теплообменнике, которая зачастую влечет за собой поворот каждой второй из теплопередающих пластин на 180 градусов вокруг оси, простирающейся параллельно направлению нормали теплопередающей пластины по отношению к ориентации осей отсчета пластины. Эта симметрия может дать возможность получения достаточной плотности и подходящего распределения точек контакта между двумя соседними теплопередающими пластинами.
Первые стрелки, расположенные вдоль одной и той же из воображаемых прямых линий, могут быть направлены в одном и том же направлении. Этот вариант осуществления может сделать возможной область теплопередачи, содержащую гофрированную структуру, совсем не имеющую зон, где структура теплопередачи изменяется и первые стрелки обращены друг к другу. В свою очередь, это дает возможность получить теплопередающую пластину, особо стойкую к растрескиванию.
Все гребни и впадины на внешней стороне одной из воображаемых прямых линий, наиболее удаленной от середины, простираются с наименьшим углом 0—90 градусов по отношению к упомянутой воображаемой прямой линии, наиболее удаленной от середины, измеряемым от упомянутой воображаемой прямой линии, наиболее удаленной от середины, в первом направлении. Это первое направление является направлением либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Тем самым можно достичь относительно неизменного смещения краев, являющегося результатом прижима теплопередающей пластины, что выгодно в смысле прочности теплопередающей пластины. Естественно, вышеупомянутый признак может существовать и на внешней стороне обеих воображаемых прямых линий, наиболее удаленных от середины.
Теплообменник, соответствующий данному изобретению, содержит множество вышеописанных теплопередающих пластин.
Из нижеследующего подробного описания, а также из чертежей станут очевидными также иные задачи, признаки, аспекты и преимущества изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, будет приведено более подробное описание изобретения, при этом:
на фиг.1a—b представлены виды сбоку известных теплопередающих пластин;
на фиг.2 представлен вид сбоку пластинчатого теплообменника, соответствующего изобретению;
на фиг.3—6 схематически представлены виды в плане теплопередающей пластины, соответствующей четырем разным вариантам осуществления изобретения; и
фиг.7 схематически иллюстрирует часть поперечного сечения теплопередающей пластины согласно фиг.3, проведенного вдоль линии A–A.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Обращаясь к фиг.2, отмечаем, что здесь показан пластинчатый теплообменник 2. Он содержит первую концевую плиту 4, вторую концевую плиту 6 и некоторое количество теплопередающих пластин 8, скомпонованных в пакет 10 пластин между первой и второй концевыми плитами 4 и 6, соответственно. Все теплопередающие пластины являются пластинами того типа, которые изображены на фиг.3.
Теплопередающие пластины 8 отделены друг от друга прокладками (не показаны). Теплопередающие пластины вместе с прокладками образуют параллельные каналы, выполненные с возможностью приема в чередующемся порядке двух текучих сред для передачи тепла от одной текучей среды к другой. С этой целью, первая текучая среда имеет возможность течь в каждом втором канале, а вторая текучая среда имеет возможность течь в остающихся каналах. Первая текучая среда попадает в пластинчатый теплообменник 2 и покидает его через вход 12 и выход 14, соответственно. Аналогичным образом, вторая текучая среда попадает в пластинчатый теплообменник 2 и покидает его через вход и выход (не видны на чертежах), соответственно. Чтобы каналы были защищены от утечек, теплопередающие пластины должны быть прижаты друг к другу, вследствие чего прокладки создают уплотнения между теплообменными пластинами 8. С этой целью, пластинчатый теплообменник 2 содержит некоторое количество затягивающих средств 16, выполненных с возможностью прижима первой и второй концевых плит 4 и 6, соответственно, друг к другу.
Конструкция и функционирование пластинчатых теплообменников, снабженных прокладками, хорошо известны и не будут подробно описаны здесь.
Теперь, со ссылками на фиг.3 и 7, которые иллюстрируют теплопередающую пластину и поперечное сечение теплопередающей пластины, соответственно, будет приведено дальнейшее описание одной из теплопередающих пластин 8. Теплопередающая пластина 8 представляет собой, по существу, прямоугольный лист нержавеющей стали, прессованной обычным способом в прессующем инструменте для придания желаемой конструкции. Пластина ограничивает верхнюю плоскость T, нижнюю плоскость B и центральную плоскость C протяженности (см. также фиг.2), которые параллельны друг другу и плоскости чертежа согласно фиг.3. Центральная плоскость C протяженности простирается на полпути между верхней и нижней плоскостями T и B, соответственно. Кроме того, теплопередающая пластина имеет продольную центральную ось I и поперечную центральную ось t.
Теплопередающая пластина 8 содержит первую концевую область 18, вторую концевую область 20 и область 22 теплопередачи, расположенную, между ними. В свою очередь, первая концевая область 18 содержит открытую область проходного отверстия входа, т.е., проходное отверстие 24 входа для первой текучей среды и открытую область проходного отверстия выхода, т.е., проходное отверстие 26 выхода для второй текучей среды, выполненное с возможностью сообщения со входом 12 для первой текучей среды и выходом для второй текучей среды, соответственно, пластинчатого теплообменника 2. Кроме того, первая концевая область 18 содержит первую область 28 распределения, снабженную распределительной структурой в виде так называемой структуры шоколада. Аналогичным образом, в свою очередь, вторая концевая область 20 содержит открытую область проходного отверстия выхода, т.е., проходное отверстие 30 выхода для первой текучей среды и открытую область проходного отверстия входа, т.е., проходное отверстие 32 входа для второй текучей среды, выполненное с возможностью сообщения с выходом 14 первой текучей среды и входом второй текучей среды, соответственно, пластинчатого теплообменника 2. Кроме того, вторая концевая область 20 содержит вторую область 34 распределения, снабженную распределительной структурой в виде так называемой структуры шоколада (проиллюстрированной не на фиг.3, а на фиг.6). Конструкции первой и второй концевых областей являются одинаковыми, но зеркально перевернутыми по отношению к поперечной центральной оси t.
Область 22 теплопередачи снабжена теплопередающей структурой типа «в елочку», симметричной по отношению к продольной центральной оси I теплопередающей пластины. Она содержит гребни 36 и впадины 38, расположенные в чередующемся порядке по отношению к центральной плоскости C протяженности, которая определяет границу между гребнями и впадинами. Это ясно из фиг.7, где иллюстрируются, однако, лишь один целый гребень и две впадины. Зигзагообразные линии на фиг.3 иллюстрируют гребни, тогда как пространство между зигзагообразными линиями иллюстрирует впадины. Естественно, гребни и впадины, видимые с одной стороны теплопередающей пластины, соответственно являются впадинами и гребнями, видимыми с другой стороны теплопередающей пластины.
Область 22 теплопередачи разделена на второе количество поперечных полос 40 и 42, наиболее удаленных от середины, и одну промежуточную поперечную полосу 44, расположенную между поперечными полосами, наиболее удаленными от середины. Каждая из поперечных полос простирается поперечно продольной центральной оси I теплопередающей пластины 8 и от первой длинной стороны 46 ко второй длинной стороне 48 области 22 теплопередачи. Поперечные полосы 40 и 42, наиболее удаленные от середины, по существу, аналогичны, и поэтому гофрированная структура в их пределах аналогична. Вместе с тем, гофрированная структура в пределах поперечной полосы 40, наиболее удаленной от середины, смешена по отношению к гофрированной структуре в пределах поперечной полосы 42, наиболее удаленной от середины, так что положения впадин в полосе 40, наиболее удаленной от середины, соответствует положениям гребней в полосе 42, наиболее удаленной от середины. Гофрированная структура в пределах промежуточной поперечной полосы 44 отличается от гофрированной структуры в пределах полос 40 и 42, наиболее удаленных от середины. Следует подчеркнуть, что на фиг.3 (а также фиг.4 и 5) иллюстрируются только некоторые из гребней и впадин гофрированной структуры. В действительности, как иллюстрируется на фиг.6, гофрированная структура покрывает всю область 22 теплопередачи. Вследствие этого, некоторые из гребней и впадин будут зигзагообразной формы, некоторые будут V–образными, а некоторые будут прямолинейными.
Каждая из поперечных полос ограничена первой и второй разграничивающими линиями, которые для поперечной полосы 40, наиболее удаленной от середины, обозначены позициями 50 и 52, соответственно. Первая и вторая разграничивающие линии промежуточной поперечной полосы 44 совпадают со второй разграничивающей линией 52 поперечной полосы 40, наиболее удаленной от середины, и первой разграничивающей линией поперечной полосы 42, наиболее удаленной от середины, соответственно. Совпадающие разграничивающие линии поперечных полос совпадают с бороздками 54 и 56, простирающимися в центральной плоскости С протяженности теплопередающей пластины от первой длинной стороны 46 до второй длинной стороны 48 области 22 теплопередачи.
Как ясно из фиг.3, первая и вторая разграничивающие линии 50 и 52 поперечной полосы 40, наиболее удаленной от середины, а значит – и поперечной полосы 42, наиболее удаленной от середины, являются криволинейными и выпучивающимися внутрь или вогнутыми, как видно, из пределов соответственной поперечной полосы, наиболее удаленной от середины. Это дает изменяющуюся ширину поперечных полос 40 и 42, наиболее удаленных от середины, измеряемую параллельно продольной центральной оси I, а конкретнее – изменяющуюся от первой и второй длинных сторон 46 и 48 области 22 теплопередачи к продольной центральной оси I теплопередающей пластины 8. Кроме того, первая и вторая разграничивающие линии промежуточной поперечной полосы 44 являются криволинейными и выпучивающимися наружу или выпуклыми, как видно, из пределов промежуточной поперечной полосы. Это дает изменяющуюся ширину, промежуточной поперечной полосы 44, а конкретнее – увеличивающуюся от первой и второй длинных сторон 46 и 48 к продольной центральной оси I.
Зигзагообразные и V–образные гребни в пределах поперечных полос образуют первые стрелки 58 с соответственными головками 59. Поскольку впадины простираются между гребнями и параллельно им, и они также образуют стрелки с соответственными головками. Головки первых стрелок в пределах каждой из поперечных полос расположены в последовательностях, простирающихся от первых ко вторым разграничивающим линиям поперечных полос, при этом головки 59 первых стрелок расположены вдоль всех последовательностей с неизменным расстоянием между соседними головками первых стрелок. Последовательности образуют непрерывные или прерывистые ряды, которые совпадают с воображаемыми прямыми линиями 60, которых в данном случае пять, простирающимися через всю область теплопередачи от ее первой короткой стороны 62 до ее второй короткой стороны 64. Воображаемые прямые линии 60 простираются параллельно продольной центральной оси I теплопередающей пластины 8 на некотором расстоянии друг от друга.
Все первые стрелки 58 вдоль одной и той же из воображаемых прямых линий направлены в одном и том же направлении. Кроме того, как ясно из фиг.3, все первые стрелки имеют один и тот же угол γ. Следовательно, все гребни 36 и впадины 38 простираются параллельно на внешней стороне воображаемых прямых линий 60a и 60b, наиболее удаленных от середины. Конкретнее, на внешней стороне воображаемой прямой линии 60a, наиболее удаленной от середины, все гребни 36 и впадины 38 простираются под одним и тем же наименьшим углом α = γ/2 = 60 градусов по отношению к воображаемой прямой линии 60a, наиболее удаленной от середины, измеряемым от воображаемой прямой линии 60а в направлении по часовой стрелке. Аналогичным образом, на внешней стороне воображаемой прямой линии 60b, наиболее удаленной от середины, все гребни 36 и впадины 38 простираются под одним и тем же наименьшим углом β = γ/2 = 60 градусов по отношению к воображаемой прямой линии 60b, наиболее удаленной от середины, измеряемым от воображаемой прямой линии 60b в направлении против часовой стрелки.
Поэтому участки воображаемых прямых линий 60, занятые последовательностями головок 59 первых стрелок, т.е., те, вдоль которых расположено множество равномерно разнесенных первых стрелок, именуются здесь основными участками 66. Как ясно из фиг.3, в пределах каждой из поперечных полос 40, 42 и 44 области 22 теплопередачи имеются три основных участка 66. Кроме того, каждая из воображаемых прямых линий 60 содержит один, два или три основных участка 66. Участки воображаемых прямых линий 60 снаружи основных участков именуются здесь вспомогательными участками 68. Вдоль вспомогательных участков 68, гребни 36 и впадины 38 пересекают воображаемые прямые линии 60 не искривленными, т.е. с неизменным направлением, так что протяженность гребней и впадин непосредственно на одной стороне воображаемой прямой линии выровнена с протяженностью гребней и впадин непосредственно на противоположной стороне воображаемой прямой линии. Как ясно из фиг.3, в пределах каждой из поперечных полос 40, 42 и 44 области 22 теплопередачи имеются два вспомогательных участка 68. Кроме того, все воображаемые прямые линии 60, за исключением первой – центральной – воображаемой прямой линии 60ʽ, совпадающей с продольной центральной осью I, содержат один или два вспомогательных участка 68. Первая воображаемая прямая линия 60ʽ вспомогательного участка не имеет.
Таким образом, как ясно из фиг.3, каждая из воображаемых прямых линий 60a и 60b, наиболее удаленных от середины, содержит один основной и два вспомогательных участка, тогда как каждая из промежуточных воображаемых прямых линий, расположенных между первой – центральной – и каждой из воображаемых прямых линий, наиболее удаленных от середины, содержит один вспомогательный и два основных участка.
Как описано выше, разграничивающие линий поперечных полос 40, 42 и 44 области 22 теплопередачи являются криволинейными. Кроме того, как ясно из фиг.3, соответственные первые разграничивающие линии 70 и 72 концевых областей 18 и 20 являются криволинейными и выпучивающимися наружу или выпуклыми, как видно, из пределов соответственных концевых областей. Первые разграничивающие линии 70 и 72 концевых областей 18 и 20, соответственно, совпадают с первой разграничивающей линией 50 поперечной полосы 40, наиболее удаленной от середины, и второй разграничивающей линией поперечной полосы 42, наиболее удаленной от середины, соответственно, и с бороздками 74 и 76, соответственно. Бороздки простираются в центральной плоскости протяженности теплопередающей пластины 8 и от первой длинной стороны 46 до второй длинной сторона 48 области 22 теплопередачи.
Все разграничивающие линии поперечных полос и концевых областей одинаковы. Вследствие этого, обеспечивается возможность прижима теплопередающей пластины модульным инструментом, который используют для изготовления теплопередающих пластин, имеющих разные размеры и содержащих разные количества поперечных полос, за счет добавления и/или изъятия поперечных полос, соседствующих с концевыми областями.
За счет того, что первые разграничивающие линии 70 и 72 выпучиваются наружу, они оказываются длиннее, чем были бы соответствующие прямые первые разграничивающие линии. Это приводит к увеличенным «выходам» концевых областей, что выгодно с точки зрения распределения текучей среды поперек ширины области теплопередачи.
Теплопередающие пластины 8 пластинчатого теплообменника 2 уложены в стопу между первой и второй концевыми пластинами 4 и 6, при этом передняя сторона (видимая на фиг.3) и задняя сторона одной теплопередающей пластины обращены к задней стороне и передней стороне, соответственно, соседних теплопередающих пластин. Кроме того, каждая вторая теплопередающая пластина повернута на 180 градусов по отношению к ориентации осей отсчета вокруг центральной оси (Х) теплопередающих пластин, проходящей через центр и перпендикулярно центральной плоскости (С) протяженности теплопередающих пластин. Вследствие этого, гребни и впадины упомянутой одной теплопередающей пластины будут пересекать впадины и гребни, соответственно, упомянутых соседних теплопередающих пластин и контактировать с ними в вершинах. Поскольку теплопередающие пластины не содержат только непрерывные ряды равноотстоящих первых стрелок, простирающиеся через всю область теплопередачи параллельно продольной центральной оси теплопередающих пластин, канал, образованный между двумя соседними теплопередающими пластинами, будет относительно открытым, обеспечивая эффективное распространение текучей среды через области теплопередачи теплопередающих пластин. Кроме того, благодаря отсутствию зон, содержащих структурное изменение с первыми стрелками, обращенными друг к другу, теплопередающие пластины будут стойкими к трещинообразованию.
Фиг.4 и 5 иллюстрируют примеры других возможных конструкций теплопередающей пластины, соответствующих изобретению. Очевидно, что большинство вышеизложенного описания справедливо также для теплопередающих пластин согласно фиг. 4 и 5. Вместе с тем, для теплопередающих пластин, соответствующих фиг.4 и 5, существуют три воображаемые прямые линии вместо пяти. Две из трех воображаемых прямых линий для теплопередающей пластины, соответствующей фиг.4, содержат два вспомогательных участка каждая, тогда как две из трех воображаемых прямых линий для теплопередающей пластины, соответствующей фиг.5, содержат один вспомогательный участок каждая. Кроме того, вдоль первой – центральной – воображаемой прямой линии для обеих теплопередающих пластин первые стрелки в пределах промежуточной поперечной полосы и первые стрелки в пределах поперечных полос, наиболее удаленных от середины, обращены в противоположных направлениях. Следовательно, обе теплопередающие пластины содержит содержат каждая по одной зоне с центром на границе между верхней наиболее удаленной от середины (как видно на фиг. 4 и 5) и промежуточной поперечной полосой, в пределах которой гофрированная структура изменяется и первые стрелки обращены друг к другу.
Фиг.6 иллюстрирует пример еще одной возможной конструкции теплопередающей пластины, соответствующей изобретению. Теплопередающая пластина, показанная на фиг.6, по существу, аналогична пластине теплообменника, показанной на фиг.3, за исключением того, что между каждыми из областей 28 и 34 распределения области 22 теплопередачи расположена переходная область 78. Конструкция, функционирование и назначение таких переходных областей описаны в публикации WO 2014/067757.
Естественно, в пределах объема притязаний данного изобретения возможны многие другие конструкции теплопередающих пластин.
Вышеописанные варианты осуществления данного изобретения следует рассматривать лишь в качестве примеров. Специалист в данной области техники поймет, что в рамках изобретательского замысла рассмотренные варианты осуществления можно изменять и объединять некоторым количеством способов.
В качестве примера, гофрированная структура в пределах областей распределения не обязательно должна быть структурой шоколада, а возможны и структуры других типов.
Кроме того, в пределах объема притязаний данного изобретения, теплопередающая пластина не обязательно должна содержать три поперечных полосы и пять или три воображаемые прямые линии, а может содержать другие количества поперечных полос и воображаемых прямых линий, а значит – другие количества и комбинации основных и вспомогательных участков. В качестве примера, теплопередающая пластина может содержать пять поперечных полос, из которых полосы, наиболее удаленные от середины, и центральная полоса являются вогнутыми, а полосы между центральной полосой и каждой из полос, наиболее удаленных от середины, являются выпуклыми.
Одна из разграничивающих линий поперечных полос и первых разграничивающими линий концевых областей или все эти линии могут быть прямыми, а не криволинейными. Соответственно, поперечные полосы могут иметь одинаковые ширины.
Первые стрелки в пределах области теплопередачи не обязательно все имеют один и тот же угол первых стрелок, как описано выше, а могут иметь изменяющуюся остроту. Кроме того, α и β не обязательно должны быть одинаковыми или равными 60 градусов. Кроме того, воображаемые прямые линии могут быть равномерно распределенными по области теплопередачи.
В пластинчатом теплообменнике теплопередающие пластины не обязательно должны быть уложены в стопу так, как описано выше, а вместо этого могут быть уложены в стопу так, что передняя сторона и задняя сторона одной теплопередающей пластины будут обращены к передней стороне и задней стороне, соответственно, соседних теплопередающих пластин, а каждая вторая теплопередающая пластина при этом будет повернута на 180 градусов.
Гребни и впадины не обязательно должны иметь такое поперечное сечение, как проиллюстрированное на фиг.7, а могут иметь любое поперечное сечение, такое, как поперечное сечение, содержащее один или несколько плечиков или фланцев, соединяющих гребни и впадины.
Вышеописанный пластинчатый теплообменник является параллельно–противоточным теплообменником, т.е., вход и выход для каждой текучей среды расположены на одной и той же половине пластинчатого теплообменника, а текучие среды текут в противоположных направлениях по каналам между теплообменными пластинами. Естественно, что вместо этого пластинчатый теплообменник мог бы быть теплообменником с диагональным потоком и/или с совместными потоками.
Пластинчатый теплообменник, о котором шла речь выше, содержит пластины только одного типа. Естественно, что вместо этого пластинчатый теплообменник мог бы содержать теплопередающие пластины двух или более разных типов, расположенные в чередующемся порядке. Кроме того, теплопередающие пластины можно было бы выполнить из других материалов, а не из нержавеющей стали.
Данное изобретение можно было бы использовать в связи с пластинчатыми теплообменниками других типов, а не имеющими прокладки, такими цельносварные, полусварные и паяные пластинчатые теплообменники.
Следует подчеркнуть, что описание подробностей, не относящихся к данному изобретению, опущено, и что чертежи являются лишь схематическими, а не выполненными в масштабе. Следует также упомянуть, что некоторые из чертежей упрощены больше, чем другие. Поэтому некоторые компоненты могут быть проиллюстрированы на одном чертеже, но опущены на другом чертеже.
1. Теплопередающая пластина (8), включающая в себя область (22) теплопередачи, снабженную гофрированной структурой, содержащей гребни (36) и впадины (38), расположенные в чередующемся порядке по отношению к центральной плоскости (C) протяженности теплопередающей пластины, причем гребни образуют стрелки, содержащие первые стрелки (58), при этом каждая из первых стрелок содержит две ножки, расположенные на противоположных сторонах соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий (60), и головку (59), расположенную на соответственной одной из первого количества воображаемых прямых линий (60), проходящих через всю область теплопередачи параллельно продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины, причем каждая из воображаемых прямых линий (60) содержит, по меньшей мере, один основной участок (66), вдоль которого расположены, по меньшей мере, три из равномерно разнесенных головок (59) первых стрелок, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, большинство воображаемых прямых линий (60) содержат, по меньшей мере, один вспомогательный участок (68), вдоль каждого из которых протяженность гребней (36) и впадин (38) на одной стороне воображаемой прямой линии (60) параллельна протяженности гребней и впадин на другой противоположной стороне воображаемой прямой линии, при этом область (22) теплопередачи разделена на второе количество поперечных полос (40, 42, 44), проходящих поперечно продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8) и от первой до противоположной второй длинной стороны (46, 48) области теплопередачи (22), причем в пределах поперечных полос (40, 42), наиболее удаленных от середины, гофрированная структура аналогична.
2. Теплопередающая пластина (8) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что вдоль упомянутых вспомогательных участков (68), по меньшей мере, большинства воображаемых прямых линий (60) протяженность гребней (36) и впадин (38) на упомянутой одной стороне воображаемой прямой линии выровнена с протяженностью гребней и впадин на упомянутой противоположной стороне воображаемой прямой линии.
3. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждая из воображаемых прямых линий (60), за исключением первой линии (60') из воображаемых прямых линий, содержит, по меньшей мере, один вспомогательный участок (68).
4. Теплопередающая пластина (8) по п. 3, отличающаяся тем, что упомянутая первая воображаемая прямая линия (60') совпадает с продольной центральной осью (I) теплопередающей пластины.
5. Теплопередающая пластина (8) по любому из пп. 3-4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из воображаемых прямых линий (60) на каждой стороне первой воображаемой прямой линии (60') содержит, по меньшей мере, два основных участка (66), а, по меньшей мере, другая из воображаемых прямых линий (60) на каждой стороне первой воображаемой прямой линии (60') содержит, по меньшей мере, два вспомогательных участка (68).
6. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что гофрированная структура в пределах каждой из поперечных полос (40, 42, 44) изменяется от гофрированной структуры в пределах соседней одной из поперечных полос, а каждый из основных и вспомогательных участков (66, 68) воображаемых прямых линий (60) проходит через всю соответственную одну из поперечных полос (40, 42, 44).
7. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждые две соседние поперечные полосы из поперечных полос отделены соответственной канавкой (54, 56), проходящей в центральной плоскости (C) протяженности теплопередающей пластины (8) от первой до второй длинной стороны (46, 48) области (22) теплопередачи.
8. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что очертания поперечных полос (40, 42), наиболее удаленных от середины, аналогичны.
9. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждая из поперечных полос (40, 42, 44) разграничена первой и второй разграничивающими линиями (50, 52), по меньшей мере, одна из которых является изогнутой.
10. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждая из поперечных полос (40, 42), наиболее удаленных от середины, имеет изменяющуюся ширину, измеряемую параллельно продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины, причем ширина уменьшается в направлении от первой длинной стороны (46) области (22) теплопередачи к продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8) и в направлении от второй продольной стороны (48) области (22) теплопередачи к продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8).
11. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что одна из поперечных полос (44), расположенных между поперечными полосами (40, 42), наиболее удаленными от середины, имеет изменяющуюся ширину, измеряемую параллельно продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8), причем ширина увеличивается в направлении от первой длинной стороны (46) области (22) теплопередачи к продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины и в направлении от второй продольной стороны (48) области (22) теплопередачи к продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8).
12. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что гофрированная структура области (22) теплопередачи симметрична по отношению к продольной центральной оси (I) теплопередающей пластины (8).
13. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что первые стрелки (58), расположенные вдоль одной и той же из воображаемых прямых линий (60), обращены в одном и том же направлении.
14. Теплопередающая пластина (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что все гребни (36) и впадины (38) на внешней стороне одной (60a, 60b) из воображаемых прямых линий (60), наиболее удаленной от середины, простираются с наименьшим углом (α, β) 0-90 градусов по отношению к упомянутой воображаемой прямой линии (60a, 60b), наиболее удаленной от середины, измеряемым от упомянутой воображаемой прямой линии, наиболее удаленной от середины, в первом направлении.
15. Теплообменник (2), содержащий множество теплопередающих пластин (8) по любому из предыдущих пунктов.
