PL208367B1

PL208367B1 - Płytowy wymiennik ciepła

Info

Publication number: PL208367B1
Application number: PL380413A
Authority: PL
Inventors: Sven Andersson; Hans Andre; Tomas Dahlberg
Original assignee: Swep Int Ab
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-04-29
Also published as: PL1700079T3; ATE481609T1; PT1700079E; WO2005057118A1; CN1890526A; SE0303307D0; KR101124874B1; KR20060132632A; AU2004297492B2; CN1890526B; EP1700079A1; JP2007514124A; MY138015A; AU2004297492A1; JP4690340B2; TWI342947B; PL380413A1; DK1700079T3; SE524883C2; ES2352343T3

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest płytowy wymiennik ciepła.

Znane wymienniki ciepła są dostosowane do wymiany ciepła pomiędzy co najmniej jednym płynem o wysokiej temperaturze i co najmniej jednym płynem chłodzącym i zawierają wiele ułożonych piętrowo płyt wymiennika ciepła, z których każda zawiera: otwór wlotowy na płyn o wysokiej temperaturze, otwór wylotowy na płyn chłodzący, otwór wylotowy na wspomniany płyn o wysokiej temperaturze i otwór wlotowy na płyn chłodzący, przy czym ułożone piętrowo płyty wymiennika ciepła ograniczają kanały na co najmniej dwa płyny wymieniające ciepło, a ponadto pary płyt ograniczających kanały na płyn chłodzący są razem przylutowane wzdłuż obszarów styku z wytworzeniem kołnierzy rozciągających się do wlotu przepływu płynu o wysokiej temperaturze.

Płyn o wysokiej temperaturze może mieć postać przepływu gazu generowanego przez spalanie paliwa takiego jak olej lub gaz naturalny, a płyn chłodzący może stanowić woda użyta do ogrzewania domów mieszkalnych.

Istnieje zatem potrzeba zaprojektowania wymiennika ciepła tak małego, jak tylko jest możliwe i o niskim koszcie wytwarzania. Może to zostać osiągnięte poprzez wykonanie wymiennika zdolnego do przyjęcia przepływu gazu ogrzewającego o bardzo wysokiej temperaturze.

Granica temperatury stosowanego gazu gorącego jest ustalona, na przykład, poprzez użycie materiału lutowniczego do wzajemnego połączenia przyległych płyt wymiennika ciepła dookoła otworów, przez które gazy gorące są przepuszczane. Materiał lutowniczy - często miedź lub nikiel - jest podatny na zmęczenie, gdy jest wystawiony na gwałtowne zmiany temperatury, czyli wystawiony na gradienty wysokiej temperatury. Każdy materiał użyty w płytach wymiennika ciepła - ogólnie stal - jest podatny na zmęczenie, gdy jest wystawiony na olbrzymie i raptowne wariacje temperatur. Zatem, okres trwałości wymiennika będzie się ogólnie zmniejszał wraz ze wzrostem temperatury płynu o wysokiej temperaturze przechodzącego przez wymiennik.

Dla lepszego zrozumienia istoty wynalazku, na załączonych figurach przedstawiono rozwiązania ze stanu techniki.

Na fig. 1 została przedstawiona znana płyta 1 dla płytowego wymiennika ciepła mająca wytłoczenie w kształcie wzoru zygzakowego przedstawione schematycznie i oznaczony jako 2. Płyta 1 jest pokazana z góry, przy czym strona górna jest dostosowana do ograniczania przepływu wody chłodzącej, podczas gdy druga strona jest dostosowana do ograniczania przepływu gazu gorącego, na przykład, mającego temperaturę 1300°C. Płyta 1 jest wyposażona w cztery otwory: otwór wlotowy 3 jest wlotem na płyn o wysokiej temperaturze, otwór wylotowy 4 jest wylotem dla wody chłodzącej, otwór wylotowy 5 jest wylotem dla płynu o wysokiej temperaturze i otwór wlotowy 6 jest wlotem dla wody chłodzącej.

Przepływ wody chłodzącej wzdłuż płyty 1 został oznakowany strzałkami 7 i 8 - większe strzałki 7 wskazują kierunki przepływu większej masy, podczas gdy strzałki 8 wskazują kierunek zasadniczo przepływu mniejszej masy. Otwór wlotowy 3 jest ograniczony kołową krawędzią 9 płyty 1, która została przylutowana do przyległej płyty wymiennika ciepła - nieprzedstawionej na fig. 1 - wzdłuż obszaru styku 10 w kształcie pierścienia pomiędzy krawędzią 9 i linią 11 oddzielającą naroże 13 płyty 1. Obszar styku 10 w kształcie pierścienia z dwóch płyt razem zlutowanych tworzy kołnierz, który na obu stronach styka się z gorącymi gazami i jest chłodzony poprzez przewodzenie ciepła do części przyległej płyty wystawionej na działanie wody chłodzącej.

Przepływ wody chłodzącej jest stosunkowo wolny wzdłuż części 12 płyty 1 - przedstawionej za pomocą kreskowania na fig. 1. Zatem, materiał lutowniczy - miedź lub nikiel - użyty dla wzajemnego połączenia płyt przy obszarze styku 10 i materiał płyty w obszarze styku 10 osiąga wysoką temperaturę przekraczającą granicę wyznaczoną dla materiału lutowniczego i często w połączeniu z gradientem wysokiej temperatury w materiale płyty wymiennika ciepła powoduje to zmęczenie materiału, a zatem zasadniczo zmniejsza okres trwałości użytkowej wymiennika ciepła.

Fig. 6 przedstawia znaną konstrukcję dla chłodzenia kołnierzy płyt rozciągających się do otworu wlotowego na płyn gorący użyty w trójobwodowym wymienniku ciepła. Znany wymiennik tego typu został opisany, na przykład, w opisie patentowym US 6,305,466. W tego typu wymienniku płyn ogrzewający jest chłodzony przez dwa oddzielne przepływy o niskiej temperaturze. Każdy z tych chłodzących przepływów jest ograniczony przez pary płyt wzajemnie połączonych za pomocą lutowania dookoła otworów wejściowych na płyn ogrzewający i tworzących kołnierze rozciągające się do otworów wejściowych na płyn ogrzewający. Normalnie, wlot i wylot na płyn ogrzewający są umieszczone pomiędzy wylotami i odpowiednimi wlotami na dwa przepływy chłodzące. Jest zrozumiałym, że przepływ

PL 208 367 B1 płynu chłodzącego pomiędzy jego otworem wlotowym 6 i jego otworem wylotowym 4 będzie stosunkowo wolny w obszarze oznakowanym kreskowaniem.

Fig. 8 przedstawia znaną ze stanu techniki płytę trójobwodowego wymiennika ciepła, w którym przepływ ogrzewający mający środkowy otwór wlotowy 3 i dwa otwory wylotowe 5a i 5b wymienia ciepło z dwoma przepływami chłodzącymi mającymi otwory wlotowe 6, θ' i otwory wylotowe 4, 4'. Przepływ chłodzący jest stosunkowo wolny wzdłuż obszarów kreskowanych na fig. 8.

Fig. 10 przedstawia znaną ze stanu techniki konstrukcję chłodzenia dwóch wlotów na płyn ogrzewający w trój obwodowym wymienniku ciepła mającym pojedynczy płyn chłodzący do chłodzenia dwóch płynów ogrzewających. Zakreskowane obszary, pokazane na fig. 10, wskazują obszary ze słabym chłodzeniem spowodowanym niską prędkością płynu chłodzącego.

Celem niniejszego wynalazku jest zaprojektowanie płytowego wymiennika ciepła typu omówionego powyżej, w którym gradienty temperatury maksymalnej materiału w wymienniku mogą być zasadniczo zmniejszone, a tym samym okres trwałości eksploatacyjnej wymiennika może być zasadniczo wydłużony.

Płytowy wymiennik ciepła, według wynalazku, do wymiany ciepła pomiędzy co najmniej jednym płynem o wysokiej temperaturze i co najmniej jednym płynem chłodzącym, zawierający wiele ułożonych piętrowo płyt wymiennika ciepła, z których każda ma otwór wlotowy i wylotowy na płyn o wysokiej temperaturze oraz otwór wylotowy i wlotowy na płyn chłodzący, przy czym ułożone piętrowo płyty wymiennika ciepła wyznaczają kanały co najmniej dwóch przepływów wymieniających ciepło, a pary płyt, wyznaczające kanały płynu chłodzącego, są razem zlutowane wzdłuż obszarów styku z ukształtowaniem kołnierzy ułożonych do wlotu przepływu płynu o wysokiej temperaturze, charakteryzuje się tym, że dwa oddzielne kanały na płyn chłodzący są usytuowane przylegle do obszarów styku z utworzeniem kołnierza rozciągającego się do obszaru przepływu płynu o wysokiej temperaturze przechodzącego przez otwór wlotowy, przy czym dwa oddzielne kanały na płyn chłodzący mają wspólny otwór wlotowy i wspólny otwór wylotowy, a wspólny otwór wlotowy jest usytuowany w położeniu występowania ciśnienia przepływu wyższego niż w położeniu wspólnego otworu wylotowego, zaś jeden z kanałów jest częściowo ograniczony poprzez wytłoczony podłużny występ w jednej z płyt z utworzeniem pary kanałów ograniczających dla płynu chłodzącego, a ponadto wytłoczony podłużny występ styka się z odpowiednim występem na drugiej spośród pary płyt, przy czym jeden kanał przyległy do wytłoczonego występu ma mniejszą wysokość niż wytłoczony występ.

W każdej płycie wymiennika ciepła otwór wlotowy przepływu płynu o wysokiej temperaturze ma większe pole powierzchni przekroju poprzecznego niż pole powierzchni przekroju poprzecznego otworu wylotowego płynu o wysokiej temperaturze.

Każda płyta wymiennika ciepła ma kształt zbliżony do prostokątnego, zaś otwory wlotowe i wylotowe płynów wymieniających ciepło są usytuowane w pobliżu naroży płyt.

W odległości od otworu wlotowego i od otworu wylotowego jednego z dwóch płynów chłodzących jest usytuowany otwór wlotowy płynu ogrzewającego.

Płytowy wymiennik ciepła zawiera trzy płyny wymieniające ciepło, które obejmują dwa płyny ogrzewające i jeden płyn chłodzący, przy czym otwory wlotowe i wylotowe płynów ogrzewających są usytuowane po obu stronach odpowiednio otworu wylotowego i otworu wlotowego płynu chłodzącego.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie niezmiennego przepływu czynnika chłodzącego przechodzącego pomiędzy płytami, które są wzajemnie połączone poprzez lutowanie wzdłuż obszarów ograniczających otwory wlotowe przepływu o wysokiej temperaturze, a wspomniany przepływ czynnika chłodzącego występuje blisko zlutowanych połączeń i materiału płyty wystawionemu na gradienty temperatury maksymalnej w wymienniku. Obecny wynalazek może być użyty zarówno w celu wymiany ciepła w bojlerach do ogrzewania domów mieszkalnych, a także do jakiegokolwiek zastosowania, w którym jeden z przepływów wymieniających ciepło jest płynem gorącym mającym tak wysoką temperaturę, że może to być szkodliwe dla materiałów usytuowanych poniżej otworów wejściowych, w które jest wprowadzany gorący płyn.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 2 schematycznie i w widoku z góry przedstawia płytę wymiennika ciepła, według niniejszego wynalazku, fig. 3 schematycznie i w widoku z góry przedstawia płytę wymieniającą ciepło dostosowaną do umieszczenia jej na powierzchni górnej płyty typu przedstawionego na fig. 2 w wymienniku ciepła, według niniejszego wynalazku, fig. 4 przedstawia przekrój pionowy przez wymiennik ciepła, według niniejszego wynalazku, przy czym wspomniany przekrój jest poprowadzony wzdłuż linii X-X na fig. 2 i 3, fig. 5 - widok rozłożony płyty wyznaczającej przepływ jak te przedstawione na fig. 4, fig. 7 - widok

PL 208 367 B1 z góry płyty wymiennika ciepła bę dącego trójobwodowym wymiennikiem ciepła, według wynalazku, fig. 9 - widok z góry pł yty wymiennika ciepł a bę d ą cego trójobwodowym wymiennikiem ciepł a, wedł ug wynalazku, fig. 11 - widok z góry płyty wymiennika ciepła będącego trójobwodowym wymiennikiem ciepła, według wynalazku, przedstawiający, a fig. 12 - przekrój pionowym wzdłuż linii Y-Y na fig. 11.

Fig. 2 przedstawia płytę 21 do zastosowania w wymienniku ciepła, według niniejszego wynalazku. Elementy odpowiadające tym przedstawionym na fig. 1, przedstawiającej stan techniki, zostały oznaczone tymi samymi odnośnikami liczbowymi. Płyta 21 jest przedstawiona z góry i woda chłodząca jest przepuszczana po jej stronie górnej zaś gaz gorący przepływa wzdłuż jej strony dolnej. Podłużny występ 22 ukształtowany jako część pierścienia został wytłoczony do góry do poziomu powierzchni górnych występów 2. Powierzchnia górna podłużnego występu 22 styka się z powierzchnią górną odpowiedniego podłużnego występu w przyległej płycie - opisanej poniżej z odwołaniem do fig. 3 i ogranicza oddzielny kanał 23 usytuowany pomiędzy podłużnym występem 22 i kołnierzem przy części obszaru styku 10 w kształcie pierścienia. W sposób pokazany na fig. 2, kanał 23 ma otwór wlotowy 24 oddalony od otworu wylotowego 4 dla przepływu wody chłodzącej i otwór wylotowy 25 w pobliżu otworu wylotowego 4. Część przepływu wody chłodzącej wchodząca w otwór wlotowy 24 kanału 23 będzie przechodziła przez kanał 26 pomiędzy kołnierzem przy części obszaru styku 10 w kształcie pierścienia i przyległym narożem 13 płyty 21 Będzie zrozumiałym, że ciśnienie płynu chłodzącego w położeniu otworu wlotowego 24 będzie wyższe niż to przy otworze wylotowym 25, tym samym zapewniając przepływ przez kanały 23 i 26.

Fig. 3 przedstawia płytę 31 do umieszczenia na powierzchni górnej płyty 21 przedstawionej na fig. 2. Fig. 3 przedstawia płytę 31 z góry, przy czym woda chłodząca będzie przepuszczana wzdłuż jej strony dolnej. Występ 2 płyty 31 jest skierowany przeciwnie do tego na płycie fig. 2. Wspomniany powyżej podłużny występ mający kształt części pierścienia został oznaczony jako 32 i jest wytłoczony do dołu do styku z powierzchnią górną podłużnego występu 22 przedstawionego na fig. 2. Dwa zakrzywione występy 22 i 32 będą, więc, razem ograniczały kanał 23. Otwór wlotowy 24 kanału i otwór wylotowy 25 kanału są przedstawione ponownie na fig. 3.

Fig. 4 jest widokiem przekroju pionowego przez wymiennik ciepła, według wynalazku, przy czym przekrój został poprowadzony wzdłuż linii X-X na fig. 2 i 3. Przedstawiony wymiennik, ma dziesięć tworzących kanał płyt z cienkiej metalowej blachy, zlutowanych razem w obszarach i punktach, gdzie stykają się one ze sobą. Jak pokazano na fig. 4, wymiennik jest wyposażony w cięższe płyty końcowe - płytę końcową górną 101 i płytę końcową dolną 102. Płyta końcowa górna 101 podtrzymuje łączniki 103, 104 do przyłączenia do źródła dla dostarczenia przepływu gazu gorącego odpowiednio dla ściekania do ogrzewanej wody chłodzącej. Odnośniki liczbowe 105 i 106 są użyte dla pierścieni dystansowych. Przepływy wymieniające ciepło są oznaczone za pomocą różnych kreskowań.

Co jest zrozumiałe, kanały 23 i 26 dla wody chłodzącej są usytuowane w pobliżu lutowanych połączeń i części płyt wystawionych na przepływ gazu gorącego, na przykład, kołnierzy ukształtowanych przez obszary styku 10 w kształcie pierścienia płyt tworzących kanał i, tym samym, zmniejszając temperaturę maksymalną materiału lutowniczego i materiału w kołnierzach.

Powinno być także oczywistym, że wysokość kanałów 23 i 26, ustanowiona przez występy w płytach w pobliżu obszaru styku 10, powinna być mniejsza niż wysokość występów 22 lub występów 32 w celu zatrzymania przepływu czynnika o wysokiej temperaturze.

Fig. 5 przedstawia oddzielnie i odseparowane niektóre z płyt tworzących kanał z fig. 4. Płyty mające kształt odpowiedni do płyty przedstawionej na fig. 2 zostały oznakowane jako A, a płyty odpowiadające tym z fig. 3 są oznakowane jako B.

Wysokość zakrzywionego podłużnego występu 22 płyty typu A i odpowiedniego zakrzywionego występu 32 płyty typu B powinny być równe wysokości podłużnego występu 2 płyt. Przepływy gazu gorącego i wody chłodzącej zostały przedstawione podwójnymi i odpowiednio pojedynczymi strzałkami.

W konstrukcji płyty 41 pokazanej na fig. 7, nawiązującej do rozwiązania przedstawionego na fig. 6, oddzielne kanały 23 i 26, mające wspólne otwory wlotowy i wylotowy 24 i 25, mogą być wyposażone i częściowo ograniczone przez występy 22. Tak więc, chłodzenie obszaru styku 10 płyty tworzącego kołnierze rozciągające się do otworu wlotowego 3 płynu gorącego, jest skuteczniejsze podobnie do chłodzenia omówionego powyżej w nawiązaniu do fig. 2-5. Obszar oznaczony przez 27 jest obszarem płyty wytłoczonym na wysokość podłużnego występu 22. Warto zaznaczyć, że obszar 27 nie wymaga specjalnego chłodzenia.

W konstrukcji pokazanej na fig. 9 przepływ chłodzący, w porównaniu do przedstawionej na fig. 8 płyty trójobwodowego wymiennika ciepła, w którym przepływ ogrzewający mający środkowy otwór

PL 208 367 B1 wlotowy 3 i dwa otwory wylotowe 5a i 5b wymienia ciepło z dwoma przepływami chłodzącymi mającymi otwory wlotowe 6, 6' i otwory wylotowe 4, 4, jest wydajniejszy wokół otworu wlotowego 3 płynu ogrzewającego poprzez utworzenie, częściowo ograniczonych przez występy 22 i 22', kanałów mających wspólny otwór wlotowy i wspólny otwór wylotowy.

Fig. 11 przedstawia chłodzenie o wyższej skuteczności, podobnie do tego we wcześniej opisanych korzystnych przykładach wykonania wynalazku, zastosowane w przedstawionej na fig. 10 konstrukcji chłodzenia dwóch wlotów na płyn ogrzewający w trójobwodowym wymienniku ciepła mającym pojedynczy płyn chłodzący do chłodzenia dwóch płynów ogrzewających. Podobne cechy zostały przedstawione z odpowiednimi odnośnikami liczbowymi. Dla lepszego zrozumienia, fig. 12 przedstawia przekrój pionowy wzdłuż linii Y-Y z fig. 11.

Na fig. 12, każdy z dwóch płynów ogrzewających, jak również pojedynczy płyn chłodzący, są wyposażone w specjalne kreskowanie. Kanały 23 i 26 są blisko obszaru styku 10. Każdy obszar styku składa się z czterech części płytowych razem zlutowanych.

Claims

1. Płytowy wymiennik ciepła, do wymiany ciepła pomiędzy co najmniej jednym płynem o wysokiej temperaturze i co najmniej jednym płynem chłodzącym, zawierający wiele ułożonych piętrowo płyt wymiennika ciepła, z których każda ma otwór wlotowy i wylotowy na płyn o wysokiej temperaturze oraz otwór wylotowy i wlotowy na płyn chłodzący, przy czym ułożone piętrowo płyty wymiennika ciepła wyznaczają kanały co najmniej dwóch przepływów wymieniających ciepło, a pary płyt, wyznaczające kanały płynu chłodzącego, są razem zlutowane wzdłuż obszarów styku z ukształtowaniem kołnierzy ułożonych do wlotu przepływu płynu o wysokiej temperaturze, znamienny tym, że dwa oddzielne kanały (23, 26) na płyn chłodzący są usytuowane przylegle do obszarów styku (10) z utworzeniem kołnierza rozciągającego się do obszaru przepływu płynu o wysokiej temperaturze przechodzącego przez otwór wlotowy (3), przy czym dwa oddzielne kanały (23, 26) na płyn chłodzący mają wspólny otwór wlotowy (24) i wspólny otwór wylotowy (25), a wspólny otwór wlotowy (24) jest usytuowany w położeniu występowania ciśnienia przepływu wyższego niż w położeniu wspólnego otworu wylotowego (25), zaś jeden z kanałów (23, 26) jest częściowo ograniczony poprzez wytłoczony podłużny występ (22) w jednej z płyt (21; 31; 41) z utworzeniem pary kanałów ograniczających dla płynu chłodzącego, a ponadto wytłoczony podłużny występ (22) styka się z odpowiednim występem (32) na drugiej spośród pary płyt (21; 31; 41), przy czym jeden kanał (23) przyległy do wytłoczonego występu (22) ma mniejszą wysokość niż wytłoczony występ (22).

2. Płytowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że w każdej płycie (21; 31; 41) wymiennika ciepła otwór wlotowy (3) przepływu płynu o wysokiej temperaturze ma większe pole powierzchni przekroju poprzecznego niż pole powierzchni przekroju poprzecznego otworu wylotowego (5) płynu o wysokiej temperaturze.

3. Płytowy wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każda płyta (21; 31) wymiennika ciepła ma kształt zbliżony do prostokątnego, zaś otwory wlotowe i wylotowe (3, 4, 5, 6) płynów wymieniających ciepło są usytuowane w pobliżu naroży płyt (21; 31).

4. Płytowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że w odległości od otworu wlotowego (6) i od otworu wylotowego (4) jednego z dwóch płynów chłodzących jest usytuowany otwór wlotowy (3) płynu ogrzewającego.

5. Płytowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera trzy płyny wymieniające ciepło, które obejmują dwa płyny ogrzewające i jeden płyn chłodzący, przy czym otwory wlotowe (3, 3) i wylotowe (5, 5) płynów ogrzewających są usytuowane po obu stronach odpowiednio otworu wylotowego (4) i otworu wlotowego (6) płynu chłodzącego.