ES2279267T5 - A plate heat exchanger - Google Patents

Abstract

A plate heat exchanger comprising separate flow paths for two flows of fluid said paths having different pressure drops at equal mass flows may according to the invention be designed economically by stacking pairs of two plates (4, 5) provided with pressed patterns, at least one of the plates (4) in a pair (4, 5) being provided with at least two different press depths (D 1 , D 2 ), the smaller (D 2 ) being at least 40% of the greater (D 1 ).

Description

Un intercambiador de calor de placas A plate heat exchanger

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas que comprende al menos dos trayectos de flujo independientes para fluidos primario y secundario destinados a intercambiar calor, estando sustancialmente definidos dichos dos trayectos de flujo por placas de intercambiador de calor interconectadas por soldadura, provistas de un patrón en forma de V de nervios y depresiones, y que ofrecen diferentes caídas de presión a iguales flujos de masa de los dos fluidos. The present invention relates to a plate heat exchanger comprising at least two independent flow paths for primary and secondary fluids intended to exchange heat, said two flow paths being substantially defined by heat interconnected heat exchanger plates, provided of a V-shaped pattern of nerves and depressions, and offering different pressure drops at equal mass flows of the two fluids.

Se utilizan muchos intercambiadores de calor del tipo anterior para calentar agua del grifo por medio de agua caliente usada también para calentar casas de viviendas. La temperatura de entrada del agua de calentamiento puede ser, por ejemplo, de 75° C y la temperatura de salida de la misma puede ser de aproximadamente 60° C. La temperatura de entrada del agua del grifo puede ser de aproximadamente 10° C y la temperatura de salida de la misma puede ser de 55° Many heat exchangers of the above type are used to heat tap water by means of hot water also used to heat residential houses. The inlet temperature of the heating water may be, for example, 75 ° C and the outlet temperature thereof may be approximately 60 ° C. The inlet temperature of the tap water may be approximately 10 ° C and the exit temperature of it can be 55 °

C. Esto indica que el flujo de masa del agua de calentamiento debe ser 2,5 veces el flujo de masa del agua del grifo. Por tanto, es económico hacer que la sección transversal del trayecto de flujo para el agua de calentamiento sea más ancha que la del agua del grifo, por ejemplo haciendo que las partes superiores del patrón en forma de V sean planas - y así más anchas - mientras que las partes inferiores permanecen inalteradas. C. This indicates that the mass flow of the heating water must be 2.5 times the mass flow of the tap water. Therefore, it is economical to make the cross-section of the flow path for the heating water wider than that of the tap water, for example by making the upper parts of the V-shaped pattern flat - and thus wider - while the lower parts remain unchanged.

Aunque la realización "asimétrica" del intercambiador de calor es una mejora, es todavía un objeto incrementar adicionalmente la eficiencia del intercambiador, es decir, incrementar la transmisión de calor entre los fluidos de intercambio de calor sin incrementar el peso del intercambiador de calor de placas. Although the "asymmetric" embodiment of the heat exchanger is an improvement, it is still an object to further increase the efficiency of the exchanger, that is, to increase the heat transmission between heat exchange fluids without increasing the weight of the plate heat exchanger .

La solicitud de patente japonesa número 11173771 A publicada el 2 de julio de 1999 describe un intercambiador de calor de placas que tiene diferentes caídas de presión en las trayectos de flujo en caso de flujos de masa iguales. Japanese patent application number 11173771 A published on July 2, 1999 describes a plate heat exchanger having different pressure drops in the flow paths in case of equal mass flows.

Esto se hace incrementando el paso, es decir, la distancia entre los contactos de nervios adyacentes en el patrón en forma de V. Este dispositivo conocido está adaptado para intercambiar calor entre agua y un fluido de refrigeración, fluyendo el agua a través del trayecto de flujo que tiene la menor caída de presión. Haciendo depresiones pequeñas en partes de las placas que forman los canales de agua, se obtiene que la congelación del agua no provocará daños al intercambiador de calor de placas. Sin embargo, las áreas de contacto entre placas serán así relativamente grandes y se perderán para el intercambio de calor entre los fluidos. Las depresiones pequeñas en los canales que guían el flujo de agua provocarán canales de flujo correspondiente muy estrechos en el trayecto de flujo para el fluido de refrigeración. Las áreas de contacto entre placas adyacentes no están rígidamente interconectadas a fin de incrementar la elasticidad del intercambiador de calor de placas, pero la resistencia mecánica del intercambiador será bastante pobre, haciendo que el intercambiador resulte inadecuado para fluidos a alta presión. This is done by increasing the passage, that is, the distance between adjacent nerve contacts in the V-shaped pattern. This known device is adapted to exchange heat between water and a cooling fluid, water flowing through the path of flow that has the lowest pressure drop. By making small depressions in parts of the plates that form the water channels, it is obtained that the freezing of the water will not cause damage to the plate heat exchanger. However, the contact areas between plates will thus be relatively large and will be lost for heat exchange between the fluids. Small depressions in the channels that guide the water flow will cause very narrow corresponding flow channels in the flow path for the cooling fluid. The contact areas between adjacent plates are not rigidly interconnected in order to increase the elasticity of the plate heat exchanger, but the mechanical resistance of the exchanger will be quite poor, making the exchanger unsuitable for high pressure fluids.

La solicitud de patente japonesa nº 11281283 A describe también un intercambiador de calor en el que las caídas de presión de dos fluidos de intercambio de calor son diferentes en caso de flujos de masa iguales. Según la realización de la figura 5 de dicha descripción, los trayectos de flujo que conforman un patrón en forma de V comprenden canales que tienen un área de flujo de sección transversal mayor provista de dos depresiones secundarias pequeñas en los canales de sección transversal mayor. Esto implica que el trayecto de flujo que tiene una caída de presión total relativamente alta constará de partes que provocan caídas de presión muy diferentes. Esto es una forma antieconómica de utilizar el material en el intercambiador para intercambiar calor. Asimismo, como el paso aumentará al incrementarse el número de depresiones secundarias, la resistencia mecánica del intercambiador se reducirá debido al menor número de puntos de contacto en los que las placas podrían estar conectadas rígidamente. Japanese patent application No. 11281283 A also describes a heat exchanger in which the pressure drops of two heat exchange fluids are different in case of equal mass flows. According to the embodiment of Figure 5 of said description, the flow paths that form a V-shaped pattern comprise channels that have a larger cross-sectional flow area provided with two small secondary depressions in the channels of larger cross-section. This implies that the flow path that has a relatively high total pressure drop will consist of parts that cause very different pressure drops. This is an uneconomic way of using the material in the exchanger to exchange heat. Also, as the step will increase as the number of secondary depressions increases, the mechanical resistance of the exchanger will be reduced due to the smaller number of contact points where the plates could be rigidly connected.

El objeto de la presente invención es diseñar un intercambiador de calor de placa "asimétrico" en el que el material de las placas se use de manera más económica y en el que se mejore así la eficiencia, manteniendo a la vez una alta resistencia mecánica del intercambiador. The object of the present invention is to design an "asymmetric" plate heat exchanger in which the plate material is used more economically and in which efficiency is thus improved, while maintaining a high mechanical resistance of the exchanger

Según la presente invención, un intercambiador de calor de placas que comprende al menos dos trayectos independientes para fluidos primario y secundario destinados a intercambiar calor, estando sustancialmente definidos dichos dos trayectos de flujo por placas del intercambiador de calor provistas con un patrón en forma de V de nervios y depresiones, el patrón en forma de V de las dos placas que son idénticas ente sí, en el que cada una de las placas debe ser volteada 180º en su plano en relación con las placas adyacentes, y que ofrecen diferentes caídas de presión a iguales flujos de masa de los dos fluidos, en donde las depresiones en al menos algunos pares de placas que definen el trayecto de flujo que tiene la menor caída de presión son al menos en parte alternativamente de dos diferentes profundidades de prensado (D1, D2) medidas desde el plano definido por las partes superiores de los nervios del patrón en forma de V de la placa del intercambiador de calor, estando situada la profundidad menor (D2) entre dos partes superiores del patrón en forma de V y siendo al menos un 40% de la profundidad mayor (D1), se caracteriza porque las placas del intercambiador de calor están interconectadas por soldadura y porque las partes superiores de los nervios que se acoplan a las partes superiores de una placa adyacente para definir un canal de flujo que tiene una alta caída de presión hacen contacto sustancialmente una con otra a lo largo de puntos definidos por líneas cruzadas. According to the present invention, a plate heat exchanger comprising at least two independent paths for primary and secondary fluids intended to exchange heat, said two flow paths being substantially defined by heat exchanger plates provided with a V-shaped pattern of nerves and depressions, the V-shaped pattern of the two plates that are identical to each other, in which each of the plates must be turned 180º in its plane relative to the adjacent plates, and that offer different pressure drops at the same mass flows of the two fluids, where the depressions in at least some pairs of plates that define the flow path having the lowest pressure drop are at least partly alternately from two different pressing depths (D1, D2 ) measured from the plane defined by the upper parts of the ribs of the V-shaped pattern of the heat exchanger plate, being s The lower depth (D2) between two upper parts of the V-shaped pattern and at least 40% of the greater depth (D1) is characterized in that the heat exchanger plates are interconnected by welding and because the upper parts of the ribs that are coupled to the upper parts of an adjacent plate to define a flow channel that has a high pressure drop make substantial contact with each other along points defined by crossed lines.

La invención se describirá con más detalle con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales: The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:

La figura 1 es una vista en planta de la placa de un tipo conocido de un intercambiador de calor de placas. La figura 2 muestra esquemáticamente los patrones de cruce de dos placas según la figura 1 situados uno sobre otro después de que uno de ellos ha girado en su plano. La figura 3 es una sección a lo largo de la línea A-A de la figura 1. La figura 4 es una sección a lo largo de la línea B-B de la figura 2 en una pila de cuatro placas según la figura 1. La figura 5 es una sección correspondiente a la figura 4, pero a través de un intercambiador de calor de placas "asimétrico" conocido. La figura 6 es una sección correspondiente a las de las figuras 4 y 5, pero a través de un intercambiador de calor de placas según la solicitud de patente japonesa nº 11173771 A. La figura 7 es una sección correspondiente a la figura 6, pero a través de un intercambiador de calor de placas según la solicitud de patente japonesa nº 11281283 A. La figura 8 muestra una sección correspondiente a las mostradas en las figuras 4-7 a través de dos placas adyacentes de un intercambiador de calor según la presente invención, estando las placas dibujadas por separado. La figura 9 es una sección a través de cuatro placas en un intercambiador de calor según la presente invención. Figure 1 is a plan view of the plate of a known type of a plate heat exchanger. Figure 2 schematically shows the crossing patterns of two plates according to Figure 1 located one above another after one of them has turned on his plane. Figure 3 is a section along the line A-A of Figure 1. Figure 4 is a section along the line B-B of Figure 2 in a stack of four plates according to Figure 1. Figure 5 is a section corresponding to Figure 4, but through a plate heat exchanger "asymmetric" known. Figure 6 is a section corresponding to those of Figures 4 and 5, but through a heat exchanger of plates according to Japanese patent application No. 11173771 A. Figure 7 is a section corresponding to Figure 6, but through a plate heat exchanger according to Japanese patent application No. 11281283 A. Figure 8 shows a section corresponding to those shown in Figures 4-7 through two plates adjacent to a heat exchanger according to the present invention, the plates being drawn by separated. Figure 9 is a section through four plates in a heat exchanger according to the present invention.

La figura 1 es una vista en planta de una placa 1 de un intercambiador de calor de placas conocido y ampliamente utilizado provisto de un patrón en forma de V de nervios 2 y depresiones 3. En el intercambiador de calor se forma una pila de placas de este tipo después de girar cada segunda placa de la pila en su plano. La figura 2 ilustra la forma en que los nervios y las depresiones se cruzarán entonces entre ellos. Figure 1 is a plan view of a plate 1 of a known and widely used plate heat exchanger provided with a V-shaped pattern of ribs 2 and depressions 3. In the heat exchanger a stack of plates is formed. this type after turning every second plate of the stack in its plane. Figure 2 illustrates the way in which nerves and depressions will then cross each other.

La figura 3, que es una sección a lo largo de la línea A-A de la figura 1, ilustra el paso P y la profundidad de prensado D, siendo ambos valores de importancia para caracterizar el intercambiador de calor de placas. Figure 3, which is a section along line A-A of Figure 1, illustrates step P and pressing depth D, both of which are important values to characterize the plate heat exchanger.

La figura 4 es una sección a lo largo de la línea B-B de la figura 2 a través de cuatro placas en un intercambiador de calor según las figuras 1-3. Los dos flujos de fluidos de intercambio de calor limitados por las placas se muestran por medio de diferentes sombreados. Se entenderá que los dos trayectos de flujo están ofreciendo iguales caídas de presión a iguales flujos de masa. Figure 4 is a section along the line B-B of Figure 2 through four plates in a heat exchanger according to Figures 1-3. The two heat exchange fluid flows limited by the plates are shown by means of different shaders. It will be understood that the two flow paths are offering equal pressure drops at the same mass flows.

Incrementado el paso P y haciendo planas las partes superiores 2 de los nervios, el trayecto de flujo de uno de los fluidos obtendrá una sección transversal mayor que la del trayecto de flujo del otro fluido. By increasing step P and making the upper parts 2 of the ribs flat, the flow path of one of the fluids will obtain a cross section greater than that of the flow path of the other fluid.

Sin embargo, como se muestra en la figura 5, las áreas de contacto entre las placas del intercambiador de calor serán mucho mayores. Estas áreas no pueden usarse para el intercambio de calor entre los dos flujos de fluidos. However, as shown in Figure 5, the contact areas between the heat exchanger plates will be much larger. These areas cannot be used for heat exchange between the two fluid flows.

La figura 6 muestra un intercambiador de calor de placas de la técnica anterior según la solicitud de patente japonesa nº 11173771, que presenta un intercambiador de calor de placas del tipo "asimétrico" en el que las paredes de placas que limitan el trayecto de flujo con la mayor área de sección transversal están provistas de depresiones de menores profundidades D2 que las profundidades de prensado D1 de las partes superiores de los nervios del patrón en forma de Figure 6 shows a plate heat exchanger of the prior art according to Japanese patent application No. 11173771, which presents a plate heat exchanger of the "asymmetric" type in which the plate walls that limit the flow path with the greater cross-sectional area is provided with depressions of smaller depths D2 than the pressing depths D1 of the upper parts of the ribs of the pattern

V. Esto se ha hecho para que el intercambiador de calor de placas resulte más resistente contra daños provocados por formaciones de hielo. Las áreas de contacto planas entre las placas y no utilizadas para el intercambio de calor existen todavía en esta realización. V. This has been done to make the plate heat exchanger more resistant against damage caused by ice formations. The flat contact areas between the plates and not used for heat exchange still exist in this embodiment.

Otra propuesta para fabricar un intercambiador de calor de placas "asimétrico" se ha descrito en la solicitud de patente japonesa nº 11281283A. Aquí, las áreas de contacto entre las placas del intercambiador se han establecido sustituyendo las áreas de contacto planas por áreas que contienen pequeñas depresiones. Esto se ha mostrado en la figura 7 y se entenderá que el trayecto de flujo que tiene la mayor caída de presión constará de canales de sección transversal grande y al menos el doble número de secciones transversales mucho más pequeñas. Este diseño es perjudicial para la transferencia de calor en los canales estrechos debido al caudal mucho menor que en los canales de flujo que tienen secciones transversales más anchas. Another proposal for manufacturing an "asymmetric" plate heat exchanger has been described in Japanese patent application No. 11281283A. Here, the contact areas between the exchanger plates have been established by replacing the flat contact areas with areas that contain small depressions. This has been shown in Figure 7 and it will be understood that the flow path having the greatest pressure drop will consist of large cross-section channels and at least double the number of much smaller cross sections. This design is detrimental to heat transfer in narrow channels due to the much lower flow rate than in the flow channels that have wider cross sections.

La figura 8 muestra una sección correspondiente a las secciones mostradas en las figuras 4-7 a través de dos placas de intercambiador de calor según la presente invención. Una profundidad de prensado primaria, es decir, la distancia entre el plano definido por las partes superiores de los nervios y el plano más bajo definido por las partes inferiores de los nervios, se ha indicado como D1. Con D2 se ha designado una profundidad de prensado secundaria definida como la distancia entre el plano de las partes superiores de los nervios del patrón en forma de V y un plano de la parte inferior de depresiones menores. El paso del patrón en forma de V se ha indicado por P. Figure 8 shows a section corresponding to the sections shown in Figures 4-7 through two heat exchanger plates according to the present invention. A primary pressing depth, that is, the distance between the plane defined by the upper parts of the nerves and the lower plane defined by the lower parts of the nerves, has been indicated as D1. With D2 a secondary pressing depth defined as the distance between the plane of the upper parts of the V-shaped ribs and a plane of the lower part of minor depressions has been designated. The passage of the V-shaped pattern has been indicated by P.

Los patrones en forma de V de las dos placas 4 y 5 mostradas en la figura 8 son imágenes especulares una de otra y se utilizan así dos herramientas para prensar las placas. Asimismo, cada segunda de las placas deberá hacerse girar 180 grados en su plano con relación a las placas adyacentes de la pila a fin de obtener los patrones en forma de V cruzados. La figura 9 es una sección a través de cuatro lacas 4, 5, 6 y 7 de los tipos mostrados en la figura 8 y que corresponde a las secciones C-C mostradas en las figuras 4-7. Los tres canales formados para los flujos que intercambian calor se muestran por dos sombreados diferentes. Se entenderá por la figura 9 que la resistencia para el flujo limitado por las placas 5 y 6 es mayor que la resistencia para el flujo limitado por las placas 4 y 5 o 6 y 7. Sin embargo, las áreas de contacto entre las placas se mantienen en un mínimo, pero el número de contactos en los que las placas están interconectadas por soldadura es sustancial y proporcionará resistencia mecánica al intercambiador de calor. Es esencial mantener un flujo sustancial de masa de fluido a través de las secciones transversales designadas por 8 en la figura 9. El flujo de masa a través del área 8 es casi proporcional a su área de sección transversal y esto a su vez depende The V-shaped patterns of the two plates 4 and 5 shown in Figure 8 are mirror images of each other and thus two tools are used to press the plates. Also, each second of the plates must be rotated 180 degrees in its plane relative to the adjacent plates of the stack in order to obtain the crossed V-shaped patterns. Figure 9 is a section through four lacquers 4, 5, 6 and 7 of the types shown in Figure 8 and corresponding to sections C-C shown in Figures 4-7. The three channels formed for the heat exchanging flows are shown by two different shaders. It will be understood from Figure 9 that the resistance for the limited flow by the plates 5 and 6 is greater than the resistance for the limited flow by the plates 4 and 5 or 6 and 7. However, the contact areas between the plates are they are kept to a minimum, but the number of contacts in which the plates are interconnected by welding is substantial and will provide mechanical resistance to the heat exchanger. It is essential to maintain a substantial flow of fluid mass through the cross sections designated by 8 in Figure 9. The mass flow through area 8 is almost proportional to its cross-sectional area and this in turn depends

5 principalmente de la magnitud de la profundidad de prensado D2. Una pequeña profundidad de prensado D2 - por ejemplo, como se muestra en la figura 7 - hará pequeñas las áreas 8 y casi puede bloquear el paso de fluido. Una profundidad de prensado secundaria pequeña tendrá casi el mismo efecto que las áreas de contacto grandes entre los nervios del patrón en forma de V mostrado en la figura 5. 5 mainly of the magnitude of the pressing depth D2. A small pressing depth D2 - for example, as shown in Figure 7 - will make areas 8 small and can almost block the flow of fluid. A small secondary pressing depth will have almost the same effect as the large contact areas between the nerves of the V-shaped pattern shown in Figure 5.

Claims (1)

REIVINDICACIONES 1.- Intercambiador de calor de placas que comprende al menos dos trayectos de flujo independientes para fluidos primario y secundario destinados a intercambiar calor, estando sustancialmente definidos dos trayectos de flujo por 5 placas (4-7) del intercambiador de calor provistas de un patrón en forma de V de nervios y depresiones (2, 3), el patrón en forma de V de las dos placas que son idénticas ente sí, en el que cada una de las placas debe ser volteada 180º en su plano en relación con las placas adyacentes, y que ofrecen diferentes caídas de presión a iguales flujos de masa de los dos fluidos, en donde las depresiones en al menos algunos pares de placas que definen el trayecto de flujo con la menor caída de presión son al menos en parte alternativamente de dos profundidades de prensado diferentes (D1, D2)10 medidas desde el plano definido por las partes superiores de los nervios del patrón en forma de V de la placa de intercambiador de calor, estando situada la profundidad menor (D2) entre dos partes superiores del patrón en forma de V y siendo al menos el 40% de la profundidad mayor (D1), caracterizado porque las placas (4-7) del intercambiador de calor están interconectadas por soldadura y porque las partes superiores de los nervios que se acoplan a las partes superiores de una placa adyacente para definir un canal de flujo que tiene una alta caída de presión contactan sustancialmente una 1.- Plate heat exchanger comprising at least two independent flow paths for primary and secondary fluids intended to exchange heat, two flow paths being substantially defined by 5 plates (4-7) of the heat exchanger provided with a pattern V-shaped nerves and depressions (2, 3), the V-shaped pattern of the two plates that are identical to each other, in which each of the plates must be turned 180º in its plane relative to the plates adjacent, and offering different pressure drops at equal mass flows of the two fluids, where the depressions in at least some pairs of plates that define the flow path with the lowest pressure drop are at least partly alternately two different pressing depths (D1, D2) 10 measured from the plane defined by the upper parts of the ribs of the V-shaped pattern of the heat exchanger plate, the depth being located ad minor (D2) between two upper parts of the V-shaped pattern and at least 40% of the greater depth (D1), characterized in that the plates (4-7) of the heat exchanger are interconnected by welding and because the upper parts of the nerves that engage the upper parts of an adjacent plate to define a flow channel that has a high pressure drop substantially contacts a 15 con otra a lo largo de puntos definidos por líneas cruzadas. 15 with another along points defined by crossed lines.