Теплообменник

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. В теплообменнике, содержащем пакет теплообменных пластин (1, 1а, 1b, 1с), образованных из листового металла, имеющего трехмерный рельеф (2, 3), каждая пластина (1, 1а, 1b, 1с) теплообменника имеет канавку (10), в которой расположена прокладка (9), причем указанная канавка (10) имеет днищевую внутреннюю поверхность (11), при этом указанная днищевая внутренняя поверхность (11) имеет по меньшей мере один выступ (14, 15), направленный к указанной соседней теплообменной пластине (1а). На участке указанного выступа (14, 15) указанная прокладка (9) сжата сильнее, чем на участке, расположенном за пределами указанного выступа (14, 15). Технический результат заключается в минимизации риска утечки жидкой среды. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к теплообменнику, содержащему пакет теплообменных пластин, выполненных из листового металла, имеющего трехмерный рельеф, причем каждая теплообменная пластина имеет канавку, при этом в указанной канавке расположена прокладка, упирающаяся в соседнюю теплообменную пластину, причем указанная канавка имеет днище и указанное днище имеет по меньшей мере один выступ, направленный к указанной соседней теплообменной пластине.

Такой теплообменник известен из документа US 7490660 B2. Прокладка имеет углубление, соответствующее по форме выступу. Со стороны, обращенной к соседней теплообменной пластине, прокладка имеет выступ, входящий в углубление, образованное на нижней стороне соседней теплообменной пластины. Углубление имеет форму, ответную форме выступа на верхней стороне соседней теплообменной пластины.

Промежуток между теплообменной пластиной и соседней теплообменной пластиной образует часть первичного проточного канала или часть вторичного проточного канала, проходящего сквозь теплообменник. Прокладка герметизирует проточный канал с наружной стороны или на участке отверстий подачи и возврата теплообменных пластин со стороны другого проточного канала.

Для достижения хорошей теплопередачи от одного проточного канала к другому пластины теплообменника выполняют сравнительно тонкими. Это вызывает проблему, заключающуюся в том, что давление текучей среды внутри проточного канала может деформировать теплообменную пластину. Такое явление особенно имеет место на участке вокруг отверстия, образующего отверстие подачи или возврата соответствующих проточных каналов. Во многих случаях в зонах этих отверстий соединение между теплообменной пластиной и соседней теплообменной пластиной недостаточно прочно.

Решение, раскрытое в патентном документе US 7490660 B2, позволяет удерживать прокладку на своем месте, то есть между канавкой теплообменной пластины и углублением соседней теплообменной пластины. Кроме того, увеличивается длина линии уплотнения по сравнению со случаем, когда углубления и выступы отсутствуют. Однако когда теплообменная пластина деформируется под действием давления в одном из проточных каналов, все еще существует риск утечки, которая может произойти при отрыве теплообменной пластины от прокладки. В этом случае между углублениями и прокладкой может возникнуть щель, через которую будет происходить утечка.

Задача изобретения заключается в том, чтобы минимизировать риск утечки.

Указанная задача решена посредством того, что степень сжатия прокладки на участке указанного выступа больше степени ее сжатия на участке за пределами указанного выступа.

Когда прокладку устанавливают между двумя теплообменными пластинами, то есть между теплообменной пластиной и соседней теплообменной пластиной, прокладка слегка сжимается так, что она упирается во внутреннюю поверхность канавки, например верхнюю или нижнюю часть, и нижнюю или верхнюю сторону соседней теплообменной пластины. Однако на участке расположения выступа указанный выступ вдавливается в прокладку, сжимая прокладку сильнее, чем на других участках. Для достижения этого более сильного сжатия выступ вдавлен в прокладку с большей силой, чем на других участках. Даже в случае деформации теплообменной пластины или пластин, которая может привести к небольшому перемещению выступа, не происходит потери контакта выступа с прокладкой. Указанные элементы образуют дополнительную защиту против утечек жидкой среды. Благодаря эластичности материала, образующего прокладку, она просто последует за выступом, образуя при этом водонепроницаемый барьер. Кроме того, выступ будет упираться в прокладку, вжимая ее в соседнюю теплообменную пластину даже при значительной деформации пластин.

В предпочтительном варианте реализации указанная соседняя теплообменная пластина имеет нижнюю сторону, обращенную к указанной теплообменной пластине, причем на указанной нижней стороне на участке выступа указанной соседней теплообменной пластины образовано углубление, при этом указанная прокладка деформирована так, что заходит внутрь указанного углубления. Другими словами, углубление на нижней стороне соседней теплообменной пластины имеет форму, "противоположную" по отношению к выступу верхней стороны теплообменной пластины. Когда две теплообменные пластины наложены друг на друга, прокладка деформирована не только со стороны теплообменной пластины, но также и со стороны соседней теплообменной пластины. На этом участке прокладка вдавлена в углубление. Даже когда соседняя теплообменная пластина деформирована, эластичный материал прокладки может повторять форму этой деформации.

Предпочтительно указанный выступ имеет высоту, составляющую по меньшей мере 25% толщины указанной прокладки. Выступ вдавлен в указанную прокладку на довольно большую глубину, так что даже серьезные деформации не приведут к утечке.

Предпочтительно указанный выступ имеет по меньшей мере в верхней части треугольную форму. Верхняя часть треугольника образует кромку. Эта кромка не должна быть слишком острой для того, чтобы не повредить прокладку. Однако эта кромка давит на прокладку на довольно маленьком участке, так что может быть достигнуто значительное давление.

В предпочтительном варианте реализации указанный выступ имеет треугольную форму. Другими словами, выступ целиком имеет форму треугольника.

В предпочтительном варианте реализации указанный выступ проходит по криволинейной траектории. Кривая лежит в плоскости, параллельной плоскости теплообменной пластины. Это обеспечивает дополнительно преимущество, заключающееся в повышении прочности теплообменной пластины.

В предпочтительном варианте реализации указанная теплообменная пластина имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие, и указанный выступ проходит по участку канавки, частично окружая указанное сквозное отверстие. Как упомянуто выше, на участке сквозного отверстия имеется самый большой риск деформации теплообменных пластин. В большинстве случаев достаточно предусмотреть выступы только на этом участке, а на других участках оставить обычную форму канавок.

Предпочтительно указанная канавка имеет по меньшей мере один линейный участок, проходящий параллельно кромке указанной теплообменной пластины, причем указанный выступ заканчивается за пределами указанного линейного участка. Обычно теплообменные пластины могут быть соединены вдоль своих кромок посредством сварки или пайки, так что риск деформации пластин, приводящий к протечке, на этом участке довольно мал. Поэтому форма канавки на участке вдоль кромки может быть простой.

Предпочтительно указанная канавка имеет боковые стенки, и днище канавки между указанными боковыми стенками и указанным выступом является плоским. Плоский участок канавки может быть использован только для незначительного сдавливания прокладки. На этом участке имеется только малая нагрузка на прокладку, так что наложение пластин друг на друга может быть выполнено без приложения значительных усилий. Однако при этом образуется достаточно длинная линия герметизации, дополнительная к указанной прокладке.

В предпочтительном варианте реализации в указанной канавке расположено по меньшей мере два выступа, причем днище указанной канавки между указанными выступами является плоским по причине аналогичной упомянутой выше для участка между выступом и боковыми стенками.

В предпочтительном варианте реализации в указанной канавке расположен по меньшей мере один вспомогательный выступ, причем указанный вспомогательный выступ пересекает указанную канавку перпендикулярно указанному выступу. Он обеспечивает возможность дополнительного укрепления пластины в направлении, перпендикулярном к канавке.

Предпочтительно указанный выступ выполнен путем прессования листового металла теплообменной пластины. Поэтому для его формирования не требуется использовать какой-либо дополнительный материал.

В еще одном предпочтительном варианте реализации канавки представляют собой "направленные вверх" углубления, причем внутренние поверхности образуют верхнюю часть. Прокладка опирается на этот выступающий участок, являющийся верхней частью выступающего участка нижней теплообменной пластины, и этот нижний участок при этом имеет выступы, проникающие в углубления, образующие канавки, тем самым вдавливая прокладку в углубления и деформируя ее, как описано выше. Этот вариант реализации, естественно, также применим к любым другим вышеописанным вариантам реализации.

Ниже со ссылками на чертежи более подробно описан предпочтительный вариант реализации изобретения; на чертежах:

на фиг.1 показана теплообменная пластина пакета пластин теплообменника,

на фиг.2 схематически показана форма теплообменных пластин на участке канавки прокладки,

на фиг.3 показан увеличенный вид фрагмента III с фиг.1,

на фиг.4 показан вариант реализации, альтернативный варианту реализации, проиллюстрированному на фиг.3.

Фиг.1 иллюстрирует теплообменную пластину 1. Теплообменная пластина имеет выпуклости 2, на заданную высоту выступающие над плоскостью пластины 1. Кроме того, теплообменная пластина 1 имеет углубления 3, утопленные на определенную глубину в этой теплообменной пластине 1. Выпуклости 2 показаны в виде белых кружков, а углубления 3 показаны в виде кружков с крестиком.

Как известно из уровня техники, при наложении друг на друга две такие теплообменные пластины 1 образуют пару теплообменных пластин. Две соседние пластины обычно слегка отличаются по форме, так что при их наложении друг на друга выпуклость 2 одной пластины совмещается с углублением 3 соседней пластины, и так далее.

Таким образом, внутри таких пар пластин образованы проточные каналы. Обычно проточный канал, образованный на одной стороне теплообменной пластины 1, относится к первому проточному каналу, а проточный канал, образованный на противоположной стороне, относится ко второму проточному каналу, герметично изолированному от первого проточного канала.

Теплообменная пластина 1 выполнена из листового металла. Листовой металл является материалом, имеющим хорошую теплопроводность, и может быть изготовлен путем прессования или штамповки. Также вместо листового металла возможно использование пластмассовых материалов. Выпуклости 2 и углубления 3 образуют трехмерный рельеф или профиль. Такой профиль получают посредством прессования или штамповки. Однако пластины могут иметь любой другой подходящий профиль, например в форме "елочка", что хорошо известно из уровня техники.

Рассматриваемая теплообменная пластина 1 имеет четыре сквозных отверстия 5-8. Эти сквозные отверстия 5-8 используются для формирования каналов или соединений с первым и вторым проточными каналами соответственно. Например, сквозные отверстия 5, 7 образуют отверстия подачи и возврата для первого проточного канала, а сквозные отверстия 6, 8 образуют отверстия подачи и возврата для второго канала текучей среды.

Для того чтобы отделить два проточных канала друг от друга, между двумя теплообменными пластинами введена прокладка 9. Это проиллюстрировано на фиг.2а, 2b. Фиг.2 иллюстрирует три теплообменные пластины 1а, 1b, 1с. Для упрощения последующего пояснения теплообменная пластина 1b называется "теплообменной пластиной" или "первой теплообменной пластиной". Теплообменная пластина 1а называется "соседней теплообменной пластиной" или "второй теплообменной пластиной".

Прокладка 9 имеет такую форму, что за пределами зоны, герметизированной прокладкой 9, расположена первая группа сквозных отверстий 5, 7, а внутри герметизированной зоны расположена вторая группа сквозных отверстий 6, 8, формируя, таким образом, например, второй проточный канал. Соответствующая прокладка между первой теплообменной пластиной 1b и третьей теплообменной пластиной 1с расположена таким образом, что отверстия 5, 7 герметично изолированы, а отверстия 6, 8 оставлены свободными для внешнего воздействия. Таким образом, возможно использовать сквозные отверстия 5, 7 в качестве отверстия подачи и возврата для первого проточного канала, а сквозные отверстия 6, 8 в качестве отверстия подачи и возврата для второго проточного канала.

Прокладка 9 расположена внутри канавки 10. Более подробно эта канавка проиллюстрирована на фиг.2.

Канавка 10 имеет внутреннюю поверхность 11, на настоящей иллюстрации являющуюся днищем, и две боковые стенки 12, 13. Два выступа 14, 15 канавки 10 первой теплообменной пластины 1b направлены к соседней или второй теплообменной пластине 1а. С противоположной или нижней стороны первая теплообменная пластина 1b имеет два углубления 16, 17, форма которых соответствует форме выступов 14, 15, представляя собой в настоящем случае треугольник. Однако возможно, что только вершины выступов имеют форму треугольника.

Когда две теплообменные пластины 1а, 1b накладывают друг на друга и прокладка 9 расположена в канавке 10 первой теплообменной пластины 1b, прокладка 9 деформируется на участке выступов 14, 15. Эта деформация приводит к сжатию прокладки 9, которое на участке выступов 14, 15 является более сильным, чем на других участках. Для этой цели выступы 14, 15 имеют высоту, обеспечивающую значительную деформацию прокладки 9, составляющую, например, по меньшей мере 10%, 25% толщины прокладки 9, или более предпочтительно по меньшей мере 20%, или еще более предпочтительно по меньшей мере 25%.

Прокладка 9 деформирована так, что входит в углубления 16, 17 на нижней стороне второй теплообменной пластины 1а.

Таким образом, прокладка имеет волнообразную форму, с участками, на которых она более сильно сжата, и участками, на которых она менее сильно сжата.

Между боковыми стенками 12, 13 и выступами 14, 15 внутренняя поверхность 11 канавки 10 является плоской. Днище 11 канавки 10 является плоским также и между выступами 14, 15. На этих плоских участках (нижняя сторона днища 11 канавки 10 является плоской так же, как и эти участки) прокладка 9 только слегка сжимается, как это происходит в устройствах, известных из уровня техники.

Результат действия выступов 14, 15 проиллюстрирован на фиг.2b. Даже в случае деформации первой теплообменной пластины 1b под действием давления жидкой среды между теплообменными пластинами 1а, 1b, прокладка 9 обеспечивает надежную герметизацию. Несмотря на деформацию пластины 1b теплообменника, выступы 14, 15 все также находятся внутри прокладки 9. Благодаря эластичности материала, образующего прокладку, она просто повторяет форму выступов 14, 15, образуя при этом непроницаемый для жидкости барьер. Выступы 14, 15 упираются в прокладку 9, тем самым прижимая ее ко второй пластине 1а теплообменника даже при значительной деформации пластины 1b теплообменника.

Фиг.3 в увеличенном масштабе иллюстрирует участок III, показанный на фиг.1, без прокладки 9. Можно видеть, что выступы 14, 15 в канавке 10 расположены только на участке канавки 10, частично окружающем сквозное отверстие 5. Поэтому выступы 14, 15 проходят по искривленной траектории, тем самым повышая прочность теплообменной пластины 1. Канавка 10 имеет по меньшей мере один линейный участок 18, 19, проходящий вдоль кромок теплообменной пластины 1. Выступы 14, 15 расположены только на участке, находящемся за пределами указанного линейного участка 18, 19.

На фиг.4 проиллюстрирован несколько модифицированный вариант реализации. Аналогичные элементы обозначены аналогичными номерами позиций. На фиг.4 прокладка не показана.

В канавке 10 расположены вспомогательные выступы 20. Указанные вспомогательные выступы 20 пересекают канавку 10 перпендикулярно выступам 14, 15 и служат для повышения прочности теплообменной пластины 1 также в перпендикулярном направлении.

Фиг.5 иллюстрирует альтернативный вариант реализации, в котором канавки 10 являются "направленными вверх" углублениями в стенках 12, 13, образующими выступающий участок, причем внутренняя поверхность 11 является верхней частью. При этом прокладка 9 опирается на этот выступающий участок 11, являющийся вершиной выступающего участка нижней теплообменной пластины, и этот нижний участок при этом имеет выступы 14, 15, достигающие углублений, образующих канавки 10, тем самым вдавливая прокладку 9 в указанные углубления и деформируя ее, как описано выше.

Любой из вариантов реализации, показанных на фиг.1-4, также применим к варианту реализации, показанному на фиг.5.

1. Теплообменник, содержащий пакет теплообменных пластин (1, 1а, 1b, 1с), выполненных из листового металла, имеющего трехмерный рельеф (2, 3), причем каждая теплообменная пластина (1, 1а, 1b, 1с) имеет канавку (10), в которой расположена прокладка (9), упирающаяся в соседнюю теплообменную пластину (1а), причем указанная канавка (10) имеет днищевую (11) внутреннюю поверхность (11), при этом указанная днищевая внутренняя поверхность (11) имеет по меньшей мере один выступ (14, 15), направленный к указанной соседней теплообменной пластине (1а), отличающийся тем, что на участке указанного выступа (14, 15) сжатие указанной прокладки (9) больше, чем на участке за пределами указанного выступа (14, 15).

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что указанная соседняя теплообменная пластина (1а) имеет нижнюю сторону, обращенную к указанной теплообменной пластине (1b), причем на указанной нижней стороне на участке выступа (14, 15) указанной соседней теплообменной пластины (1а) образовано углубление (16, 17), при этом указанная прокладка (9) деформирована так, что заходит внутрь указанного углубления (16, 17).

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что указанный выступ (14, 15) имеет высоту, составляющую по меньшей мере 10% от толщины указанной прокладки (9).

4. Теплообменник по п.3, отличающийся тем, что указанные выступы (14, 15) имеют высоту, составляющую по меньшей мере 15% или предпочтительно по меньшей мере 25% от толщины указанной прокладки (9).

5. Теплообменник по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанный выступ (14, 15) по меньшей мере в своей верхней части имеет треугольную форму.

6. Теплообменник по п.5, отличающийся тем, что указанный выступ (14, 15) имеет треугольную форму.

7. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, отличающийся тем, что указанный выступ (14, 15) проходит по криволинейной траектории.

8. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, отличающийся тем, что указанная теплообменная пластина (1b) имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие (5-8) и указанный выступ (14, 15) проходит по участку канавки (10), частично окружающему указанное сквозное отверстие (5-8).

9. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что указанная канавка (10) имеет по меньшей мере один линейный участок (18, 19), проходящий параллельно кромке (4) указанной теплообменной пластины (1), причем указанный выступ (14, 15) заканчивается, не доходя до указанного линейного участка (18, 19).

10. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, 9, отличающийся тем, что указанная канавка (10) имеет боковые стенки (12, 13) и днищевая внутренняя поверхность (11) канавки (10) между указанными боковыми стенками (12, 13) и указанным выступом (14, 15) является плоской.

11. Теплообменник по п.10, отличающийся тем, что в указанной канавке (10) расположено по меньшей мере два выступа (14, 15), причем днищевая внутренняя поверхность (11) указанной канавки между указанными выступами (14, 15) является плоской.

12. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, 9, 11, отличающийся тем, что в указанной канавке (10) расположен по меньшей мере один вспомогательный выступ (20), причем указанный вспомогательный выступ (20) пересекает указанную канавку (10) перпендикулярно указанному выступу (14, 15).

13. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, 9, 11, отличающийся тем, что указанный выступ (14, 15) выполнен путем прессования листового металла теплообменной пластины (1, 1а, 1b, 1с).

14. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, 9, 11, отличающийся тем, что канавки 10 выполнены в виде углубления в стенках (12, 13) с образованием пониженных участков, причем внутренняя поверхность (11) является днищем.

15. Теплообменник по любому из пп.1-4, 6, 9, 11, отличающийся тем, что канавки (10) выполнены в виде углубления в стенках (12, 13) с образованием повышенных участков, причем внутренняя поверхность (11) является вершиной.