Пластинчатий теплообмінник

1. Пластинчатий теплообмінник, що містить несучу конструкцію - раму, на якій розміщений пакет гофрованих пластин, кожна із пластин має ВХІДНІ й вихідні колекторні отвори в кутових частинах пластини, пластини утворюють у теплообміннику дві системи каналів, поверхня теплообміну усередині каналів обмежена стінками пластин і вузлами ущільнення каналів по контуру пластин і парою неробочих кутових отворів, який відрізняється тим, що гофри на одній з пар пластин розташовані по один бік й паралельно поздовжній осі пластини на половині площині пластини, а канали для теплоносія утворені в парі із суміжною пластиною з похилими гофрами відносно осі пластини й на всій площині пластини, при цьому на всіх пластинах гофри біля бічних поздовжніх крайок мають різну довжину, а в поперечному перерізі гофри мають форму по твірній трикутника, кути якого закруглені по радіусу окружності, центр якої віддалений від вершини трикутника на величину R = — , де h - висота гофри. з ^ 2. Пластинчатий теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що на ділянці вхід-вихід для потоку теплоносія на кожній пластині гофри мають пряму похилу форму, спрямовану уздовж потоку й стиковані без місцевих гідравлічних опорів потоку біля колекторних отворів і на основній поверхні теплообміну пластини. 3. Пластинчатий теплообмінник за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що пази під еластичну прокладку на пластинах по їхньому контуру й у колекторних отворах мають по довжині паза періодично розташовані через одну гофру поперечні виходи, в які видавлені частини прокладки при її стисканні в пакеті пластини теплообмінника, а ширина паза під прокладку на різних ділянках пластини різна, у місцях біля колекторних отворів ширина паза менша ніж по зовнішньому контуру пластини. CM 5 О) Корисна модель відноситься до пластинчатих теплообмінників, що розробляються та виготовляються в машинобудуванні, а використовуються для процесу передачі теплової енергії від гарячого теплоносія до холодного в промислових технологіях, в системах приготування гарячої води та опалення будівель, в харчовій, хімічній та інших галузях техніки. Відомі пластинчаті теплообмінники для передачі теплової енергії, розроблені на задане користувачем теплове навантаження, мають необхідну площу поверхні теплообміну у вигляді пакету, який складається з деякої кількості пластин. Пластини з'єднані в дві системи герметичних каналів та за жаті між рухомою та нерухомою плитами на рамі теплообмінника. Теплова енергія від гарячого теплоносія до холодного передається крізь стінку пластин, що виготовлена у вигляді гофрованої поверхні теплообміну. Розмір загальної площі пластин або їхня кількість в теплообміннику визначають його вартість [1]. Задача зниження вартості пластинчатого теплообмінника може бути вирішена покращенням його технічної' характеристики, що пов'язане з удосконаленням тепло передаючих пластин та підвищенням надійності вузлів ущільнення каналів. Технічна характеристика теплообмінника покращується за умови підвищення коефіцієнту тепло о> 9612 передачі, зниження енерговитрат на прокачування теплоносіїв через теплообмінник, а також при підвищенні ефективності теплового процесу та надійності теплообмінника. При цьому кількість пластин в теплообміннику може бути зменшена. Є відомим пластинчатий теплообмінник, в якому на рамі встановлені гофровані пластини, що мають середню прямокутну зону теплообміну, та дві трикутні зони для розподілу теплоносіїв по ширині каналу [см. патент США № 4 781 248] [2]. В трикутних зонах між виступами та западинами гофр розташовані канали для теплоносія, що з'єднують кутові отвори пластини з кутовою зоною теплообміну. Ці канали пристосовані для перемішування потока теплоносія шляхом проходів упоперек гофр. Теплообмінник, опис якого наведено, має ряд недоліків. По-перше, в трикутних зонах поверхні пластини утворюється неупорядковане перемішування потоку, що підвищує втрати тиску у порівнянні з прямокутною зоною; "чистий" вихор дає більший теплообмін, ніж хаотичне перемішування у трикутній зоні. Між трикутними та прямокутною зонами розташовані перехідні зони, які розміщені упоперек пластини, що створює додатковий місцевий гідравлічний опір потоку теплоносія та підвищує енергоємність теплового процесу. Подруге, гофри трикутних зон пластини не стикуються плавно з гофрами прямокутної зони, що також створює додатковий місцевий гідравлічний опір та витрати енергії. По-третє, всі гофри прямокутної зони мають однакову довжину, що створює нерівномірність поля швидкостей теплоносія упоперек пластини, а гумова прокладка знаходиться у замкненому пазі, що може призвести до її розчавлення при затяжці пакета пластин. Довговічність вузла ущільнення доволі мала. Є відомим пластинчатий теплообмінник для теплообміну між двома рідинами при наявності двох потоків рідин, один з яких суттєво більше іншого [див. патент Російської Федерації 19 RU (11) 2110030 (131)] [3]. Цей пластинчатий теплообмінник загальновідомої конструкції [1], який містить декілька прямокутних гофрованих пластин, кожна з яких має в кутових зонах отвори різних діаметрів та прямокутну зону теплообміну. Недоліки: в трикутних зонах гофри криволінійні і не стикуються плавно, без місцевих гідравлічних опорів, з гофрами прямокутної зони. Є перехідні зони упоперек всієї пластини. Місцеві гідравлічні опори у межпластинних каналах підвищують знергоємність теплового процесу та погіршують тепло гідродинамічні показники теплообмінника. Є відомим пластинчатий теплообмінник із кріпленням ущільнень по периферії' пластин [див. патент США № 5 727 620] [4]. Периферія пластини утворена безліччю поглиблень, які розташовані перпендикулярно до паза в місцях кріплення елементів прокладки. Призначення поперечних пазів під прокладку - поглиблень - безклейове кріплення прокладки елементом цієї прокладки. Пластина має в углових зонах отвори для входа-вихода теплоносія. Гофри в цих зонах криволінійні і не мають плавної стиковки з гофрами прямокутної зони теплообміну. Недоліки пластин такі ж самі, як у описаних вище аналогів - підвищена енергоємність теплового процесу для рівних теплових наванта жень у порівнянні із запропонованою нами корисною моделлю. Найбільш близьким по технічній суті до заявляемого об'єкту (прототипом) є пластинчатий теплообмінник, що має теплопередаючі пластини двох типів с різною формою гофр [5]. За даним патентом пакет пластин збирається з двох типів пластин, що відрізняються за формою гофр та їх висотою на одній із пар пластин. При цьому виходять канали для теплоносіїв з різними тепловими та гідромеханічними характеристиками. На одному з типів пластин уздовж гофрованої поверхні видавлено прямі подовжні гофри (інтервали), що мають висоту більшу, ніж основний малюнок гофр. На другому типі пластин нема таких подовжніх гофр більшої висоти. В пакеті, що зібрано з пластин першого і другого типів, що чергуються, виходять канали різного еквівалентного діаметра. В канали більшого еквівалентного діаметра подають рідину з високою в'язкістю, і теплообмін протіка в ламінарному режимі течі'і при меншому гідравлічному опорі та без турбулізації теплоносія. Недоліком теплообмінника по патенту США № 4911 235 є зниження несучої здатності та зниження інтенсивності теплоотдачі і, як наслідок, зростання необхідної кількості числа пластин та вартості теплообмінника. Таким чином, цей теплообмінник є ефективним тількі при роботі з високов'язкими забрудненими теплоносіями в ламінарному режимі плину, що на практиці зустрічається порівняно рідко. До недоліків відомих пластинчастих теплообмінників [1] відносяться нерівномірності розподілу швидкостей потоку теплоносія по ширині міжпластинних каналів, що викликає зменшення тепловіддачі на деяких ділянках каналів. Потрібна можливість регулювання меж втрат тиску в каналах за рахунок конструкцій пластин і форм турбулизаторів (гофр). Технічним результатом корисної моделі є підвищення ефективності теплообміну, зниження енергоємності, зменшення кількості пластин у теплообміннику, а також підвищення надійності й довговічності еластичних ущільнень (прокладок) у каналах, порівняно з аналогами та прототипом. Корисна модель спрямована на вдосконалення конструкції' пластинчатих теплообмінників з метою їхнього здешевлення, що забезпечується підвищенням ефективності теплообміну, збільшенням можливостей регулювання меж втрат тиску й енергозбереження, а також підвищенням надійності й довговічності вузлів ущільнення міжпластинних каналів. Технічно це досягається тим, що в запропонованому пластинчатому теплообміннику канали (пакет пластин) можуть бути зібрані або з одного або з декількох різних за пристроєм типів пластин, що відрізняються одна від одноі формою й розмірами гофрованої поверхні (якістю поверхні теплообміну). Відповідно до винаходу, відмітні ознаки теплообмінника показані на кресленнях (Фіг. 1-6). На Фіг.1 - представлений схематично в аксонометрії пропонований теплообмінник. На Фіг.2 - пластина малого гідравлічного опору (Тип М). 9612На Фіг.З - пластина великого гідравлічного опору (Тип Б). На Фіг.4 - трикутна форма гофр і співвідношення їхніх розмірів у поперечному розрізі по А-А на Фіг.З. На Фіг.5 - форми пазів під прокладку (вид зверху). На Фіг.6 - поперечний розріз пакета пластин у робочому стані на ділянці вузла ущільнення каналу прокладкою за розрізом В-В на Фіг.5. Пластинчатий теплообмінник (Фіг.1) складається з рами з верхньою несучою штангою 1, на якій підвішений і може пересуватися по штанзі пакет з гофрованих пластин 2 (тип М - малого гідравлічного опору) і 3 (тип Б - великого гідравлічного опору), що фіксуються нижньою штангою 4. Кожна пластина в пакеті повернена на 180° у площині суміжної пластини, при цьому гофри взаємно перетинаються. У робочому стані пакет стиснуто до герметичного стану між нерухомою плитою 5 і рухомою плитою 6 гвинтовими стяжками 7. На плитах розміщені патрубки для входу-виходу теплоносіїв 8 (гарячого) і 9 (холодного). Рама теплообмінника має кінцеву стійку 10 з опорою. Для герметизації міжпластинних каналів і розподілу теплоносіїв по гарячих і холодних каналах пластини мають еластичні ущільнювальні прокладки 11, укріплені в пазах спеціальної форми на пластинах. Теплообмінник має дві системи герметичних каналів для гарячого (перша система) і холодного (друга система) теплоносія, що розділені стінками пластин. Пластини мають різну форму поверхні, що дає каналам різні теплогідродинамічні характеристики. На Фіг.2 показана пластина з новою формою гофр типу М, а на Фіг.З показана пластина з формою гофр типу Б. Кожна пластина виконана у вигляді гофрованої поверхні, що створює турбулізацію в потоці рідини, що рухається в каналі, і ущільнювального вузла у вигляді паза складної' форми із закріпленою в ньому еластичною прокладкою. Гофри пластин типу Б однакові за формою й розмірами й розташовані симетрично під кутом до поздовжньої осі симетрії пластини. Пластини типу М по одну сторону від поздовжньої осі мають гофри такі ж, як на пластині типу Б, а по іншу сторону поздовжньої осі симетрії пластини гофри розташовані паралельно цій осі (Фіг.2, позиція 12). Для підвищення рівномірності розподілу потоку рідини по ширині пластини й зниження втрат тиску в каналі, гофри біля бічних поздовжніх крайок всіх пластин мають різну довжину, наприклад, гофри через одну вкорочені біля крайки, як це показано на Фіг.2. Гофра 13 - скорочена, а гофра 14 подовжена до паза під прокладку. Як показано на Фіг.4 гофри пластин у поперечному їх перерізі (див. стр. 4 опису - підписи до креслень) мають форму рівнобедреного трикутника, вершини якого закруглені по радіусі R. Така форма гофр у порівнянні з іншими формами створює енергозбереження при турбулізації прикордонного шару рідини, що протікає в міжпластинних каналах. На Фіг.4 крапки Е та G визначають прямолінійну ділянку гофри, яка впливає па гідродинаміку потоку рідини, а прямі E-F-G-E показують площу каналу, що примикає до прямолінійних ділянок гофри. Решта ділянок периметра поперечної площі каналу примикають до криволінійних ділянок гофри. О - центр окружності радіуса R, дуга якої (45°+45°) служить вершиною гофра. Крапка V фіксує відстань W~, на якій розташовані центри О радіусів закруглення гофр. Відрізок А визначає крок між вершинами гофр. Відмінною рисою пропонованої форми гофр є те, що кути трикутної форми гофр (вершини гофр) закруглені по радіусі окружності R, центр якої відстоїть від вершини гофри (трикутника) на величину R = — , де h - висота гофри. О Пази під еластичну прокладку по контуру пластини й навколо колекторних отворів, як це показано на Фіг.5, мають періодично розташовані по довжині паза поперечні виходи 15 и 16, у які частина прокладки видавлюється при її стиску в пакеті пластин. При цьому довговічність еластичної прокладки підвищується. Ширина паза під прокладку на пластині різна (Фіг.5). У місцях біля колекторних отворів паз має меншу ширину Ь, чим по зовнішньому контурі пластини а, тобто а>Ь. Це дозволяє поліпшити герметизацію ділянок біля колекторних отворів. Для зменшення втрат тиску на ділянках пластин вхід-вихід, гофри мають пряму похилу форму уздовж потоку (Фіг.З), що стикується з колекторними отворами без місцевих гідравлічних опорів, 17 и 18. На Фіг.6 показаний у робочому положенні вузол ущільнення прокладкою каналів між пластинами в поперечному розрізі за В-В на Фіг.5. Запропонований пластинчатий теплообмінник працює в такий спосіб: Охолоджуваний теплоносій через штуцер 8 на нерухомій плиті 5 подається в розподільний колектор, утворений пакетом стиснутих пластин і, відповідно до розташування прокладок на пластинах біля колекторних отворів, надходить у канали для гарячого теплоносія, розташовані в пакеті через один з каналами для холодного теплоносія. Теплоносій, що нагріває, через інший штуцер 9 подається у свій розподільний колектор і розподіляється в канали по іншу сторону кожної пластини. Теплота з потоку від охолоджуваної рідини через стінку пластини передається до рідини, що нагрівається. Інтенсивність процесу теплопередачі, втрати тиску робітничими середовищами й енерговитрати на "їхнє подолання характеризує основний показник призначення теплообмінника - його теплоенергетична ефективність, що обернено пропорційна необхідному числу пластин у теплообміннику. Для підвищення ефективності теплообмінника використовується спосіб турбулізації прикордонного шару рідини біля стінок пластин і створення рівномірності розподілу швидкостей теплоносія в каналах, шляхом пристрою спеціальних форм (предмет винаходу) поверхні теплообміну, наприклад, гофрованих. Для створення оптимальних теплообмінників для заданих споживачем вихідних даних, потрібні широкі можливості різного компо 9612 8 Сукупність відмітних ознак теплообмінника й нування пластин різних типів, обумовленої розрапластин для нього, пропонованих винаходом, підхунками на комп'ютері. вищує його теплоенергетичну ефективність. Це Наявність пластин типів Б и М і їхніх пар типу дозволяє скористатися при рішенні завдань по БМ дозволяє найбільш повно використати припустеплообміні або меншим числом теплообмінних тимі втрати тиску в теплообміннику, що визначапластин, чим у відомому пластинчатому теплообється різноманітними оптимізуючими розрахункаміннику, або кожну пластину зробити менших розми. Споживчі властивості теплообмінника мірів. залежать від пристрою теплопередающих пластин. Так, наприклад, розташування половини гофВ останньому випадку можна знизити вартість рованого поля з поздовжніми гофрами уздовж поне тільки пакета пластин, але й рами теплообмінздовжньої осі пластини в парі із сусідньою ника, на якій встановлюються пластини. пластиною з похилими гофрами, створює тривиміДо переліку креслень і опису всіх позицій на рну турбулізацію потоку рідини й знижує втрати кресленнях тиску в каналі за рахунок обертового руху струмків Фіг.1 - Пластинчатий теплообмінник у розкрипотоку, при частковому зниженні тепловіддачі. тому положенні, в аксонометрії, з пакетом із двох Оптимальне компонування різних типів пластин у типів пластин. теплообміннику визначається розрахунками, мож1. Несуча верхня штанга рами теплоливості яких розширює пропоновану корисну мообмінника; дель. 2. Пластина типу М; 3. Пластина типу Б; Гофри, укорочені через одну в бічних крайок 4. Нижня штанга рами теплообмінника; пластин (Фіг.2) підвищують швидкість потоку рідини в цих місцях, поліпшують розподіл потоку по 5. Плита нерухома; ширині каналу, знижують втрати тиску й підвищу6. Плита рухлива; ють якість теплової обробки (пастеризації) харчо7. Стяжні гвинти; вих рідин. 8. Патрубок для входу гарячого теплоносія; 9. Патрубок для входу холодного теплоносія; Трикутна утворююча форма гофр у попереч10. Стійка кінцева. ному розрізі, з кутами, закругленими оптимальним радіусом (Фіг.4), підвищує тепловіддачу більше, ФІг.2 - Пластина гофрована типу М. ніж ріст втрат тиску в каналі. Така форма найбіль11 - еластична прокладка; ше технологична у виготовленні (при штампуванні 12 - гофри паралельні поздовжній осі пластакого листа). тини; 13 - укорочені гофри; Форма пазів на пластині для розташування 14 - подовжені гофри з виходом до паза під еластичних прокладок (Фіг.5) підвищує працездатпрокладку контуру. ність І довговічність прокладок, бо еластичний маФіг.З - Пластина гофрована типу Б теріал прокладки не перевантажується питомим 11 - еластична прокладка; тиском при стиску. Частина матеріалу прокладки виходить у бічні пази, зберігаючи певний питомий 13 - укорочені гофри; тиск для ущільнення каналу й не руйнуючись від 14 - подовжені гофри з виходом до паза під роздавлювання, якого в даному випадку не існує. прокладку контуру; 17 - прямі похилі гофри ділянки виходу теплоДля підвищення надійності ущільнення каналу носія; біля неробочих колекторних отворів на пластинах, 18 - прямі похилі гофри ділянки входу теплопропонується зменшити ширину й збільшити висоносія. ту прокладки (Фіг.5). Необхідність такого пристрою вузла ущільнення в зазначених місцях викликана Фіг.4 - Трикутна форма гофр у поперечному підвищеною рухливістю паза під прокладку в цих перерізі й співвідношення їхніх розмірів. місцяху стиснутому пакеті пластин. Питомий тиск ФІг.5 - Форма паза під прокладку. на еластичну прокладку в даних рухливих місцях 13 - укорочені гофри; пластин зростає, що поліпшить герметизацію цих 15 - поперечний вихід для стислої прокладки в ділянок. Місцеві гідравлічні опори в міжпластинних місцях до зовнішньої крайки пластин каналах, не пов'язані з інтенсифікацією тепловіда - більша ширина паза для прокладки дачі, погіршують теплоенергетичну характеристику б - менша ширина паза для прокладки теплообмінника, що веде до його подорожчання. 16 - поперечний вихід для стислої прокладки в На усунення цього недоліку спрямовано запропомісцях стику паза з довгими гофрами; новану сукупність відмітних ознак нашого приФіг.6 - поперечний переріз частини пакета строю. пластин по А-А. 11 - еластична прокладка; Завдання корисної моделі буде вирішене, якщо на ділянках входу-виходу теплоносія в канал 14 - стінка подовжено/ гофри; гофри будуть прямолінійні й будуть плавно стику15 - поперечний вихід для стислої прокладки ватися із проходами з колекторних отворів пласбіля зовнішньої крайки пластини; тин І основним полем гофр, як показано на Фіг.З, 16 - поперечний вихід для стислої прокладки позиції 17 и 18. Втрати тиску зменшаться на цих між гофрами. ділянках пластин. 9612 10 12А Розріз за А~А, фіг З Фіг 4 Розріз за В-8, фіг. 5 ФІг 6 Комп ютерна верстка Н Лисенко Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького 45, м Київ МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601