Патент на изобретение №2349853

(54) ПЛАСТИНА ТЕПЛООБМЕННИКА И ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКИЕ ПЛАСТИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к пластинчатым теплообменникам, и в частности к пластинам с элементами воздействия на пограничный слой в потоке текучей среды. Пластина теплообменника содержит ряд выпуклостей, которые выступают из плоскости пластины и обеспечивают турбулентность, выпуклости имеют поверхностный профиль для обеспечения разрушения ламинарных граничных слоев, причем поверхностный профиль имеет глубину, которая значительно меньше глубины выпуклостей. Изобретение также относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему такие пластины теплообменника. Техническим результатом изобретения является обеспечение альтернативного решения и дополнительного улучшения геометрических форм пластин теплообменника предшествующего уровня техники, а также увеличение поверхности теплообмена в пластинчатых теплообменниках. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к пластине теплообменника, содержащей несколько выпуклостей, обеспечивающих турбулентность, которые выступают из плоскости пластины теплообменника. Изобретение также относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему такие пластины.

Предшествующий уровень техники

Пластинчатые теплообменники часто используются в пищевой промышленности, например для процессов термической обработки молока и сока. В наиболее простом варианте пластинчатый теплообменник содержит несколько рифленых пластин с промежуточными набивками. Пластины прижимаются друг к другу в подставке с трубными соединениями для входа и выхода двух жидкостей, то есть жидкости, которую следует термически обрабатывать, и жидкости, которая используется для такой термической обработки. Две жидкости проходят по обеим сторонам пластин, так что одна жидкость проходит между каждой второй парой пластин, и другая жидкость проходит между смежной парой пластин. Количество пластин и их размер зависят, среди прочего, от скорости потока, физических свойств жидкостей, перепада давлений и температур жидкостей на входе и на выходе.

Рельефность пластин создает турбулентный поток по большей части поперечного сечения зазора между двумя пластинами, а также большую удельную поверхность, что приводит к высокой теплопередающей способности. В этой области основано большое число документов, в которых демонстрируется интенсивное развитие различных рельефов.

Например, в патенте US 4569391 описан пластинчатый теплообменник, в котором каждая пластина снабжена полусферическими выпуклостями. Выпуклости в первой пластине способны опираться, по их выпуклой окружной поверхности, между выпуклостями во второй смежной пластине.

Другой вариант описан в патенте US 2306526. В этом патенте описан пластинчатый теплообменник, в котором первая пластина с полусферическими выпуклостями способна опираться на вторую пластину с соответствующими выпуклостями таким образом, что выпуклости в первой и второй пластинах сориентированы в диаметрально противоположных направлениях.

В третьем патенте US 2281754 описан пластинчатый теплообменник, в котором пластины содержат полусферические выпуклости. Пластины расположены относительно друг друга таким образом, что выпуклости в первой пластине опираются на плоский участок задней стороны второй пластины.

Общей особенностью этих технических решений является то, что пластины содержат полусферические выпуклости для создания турбулентного потока на большей части поперечного сечения зазора между двумя смежными пластинами. Однако желательно получить дополнительное улучшение теплопередающей способности.

Задачи настоящего изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение альтернативного решения и дополнительного улучшения геометрических форм пластин теплообменника предшествующего уровня техники.

Другой задачей является обеспечение пластин теплообменника, которые способствуют повышенной турбулентности и усиливают разрушение ламинарных граничных слоев.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение увеличенной удельной поверхности пластин теплообменника.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение пластинчатого теплообменника с улучшенными теплопередающими свойствами.

Краткое описание изобретения

Для достижения вышеупомянутых и других неупомянутых задач, которые станут ясны из следующего описания, настоящее изобретение относится к пластине теплообменника, включающей признаки, определенные в пункте 1. Изобретение также относится, согласно пункту 9, к пластинчатому теплообменнику, содержащему такие пластины теплообменника.

Более подробно, пластина теплообменника содержит несколько выпуклостей, обеспечивающих турбулентность, которые выступают из плоскости пластины теплообменника. Пластина теплообменника отличается тем, что выпуклости имеют поверхностный профиль для усиления разрушения ламинарных граничных слоев, при этом поверхностный профиль состоит из сферических или эллипсоидальных сегментов.

В гидродинамике часто используется термин «ламинарный граничный слой». Этот термин, как правило, и в этой заявке относится к той части объема текущей жидкости, которая проходит настолько близко к граничной поверхности, что сила внутреннего трения преобладает над другими силами. Полученная таким образом низкая скорость потока означает, что эта часть жидкого объема, соседствующая с граничной поверхностью, протекает ламинарным образом, в то время как оставшаяся часть жидкого объема протекает турбулентным образом. В пластинчатых теплообменниках такие ламинарные граничные слои, таким образом, возникают вдоль поверхностей пластин теплообменника, которые вместе составляют пластинчатый теплообменник. Поверхностный профиль, используемый в изобретении, окружных поверхностей выпуклостей, таким образом, создает «шероховатость поверхности», которая усиливает разрушение ламинарных граничных слоев. Другими словами, разрушение способствует созданию турбулентного течения в жидком объеме на протяжении всего или большей части поперечного сечения зазора, образованного двумя пластинами теплообменника. Прохождение объема жидкости на протяжении всего или большей части поперечного сечения зазора турбулентно приводит к очень эффективному перемешиванию жидкости и, таким образом, к эффективной термической обработке жидкости, подлежащей такой термической обработке, а также к эффективной теплопередаче от/к жидкости, используемой для термической обработки. Тот факт, что поверхностный профиль состоит из сферических или эллипсоидальных сегментов, способствует тому, что пластина теплообменника не имеет каких-либо острых граней или углов, которые могут создавать мертвые (застойные) зоны, что не может достигаться в традиционных способах очистки. Это очень важно с точки зрения пищевой гигиены, так как мертвые зоны могут вызывать нежелательный рост бактерий и других организмов. Плавная геометрия также предпочтительна с точки зрения формовочной технологии.

Следует понимать, что в зависимости от того, как изготовлены соответствующие пластины теплообменника, их передняя и задняя поверхности будут иметь разные профили. Прессованная пластина теплообменника, например, имеет одну сторону с выпуклым профилем и другую сторону с вогнутым профилем. Структура потока жидкостей, таким образом, будет разной по обеим сторонам. Какая жидкость будет контактировать с какой из сторон пластинчатого теплообменника будет определяться от случая к случаю, также как и геометрия и глубина профиля выпуклостей и поверхностный профиль соответственно.

Поверхностный профиль также увеличивает удельную поверхность, что также способствует возмущению жидкости, подлежащей возмущению, а также способствует теплопередаче к/от жидкости, используемой для возмущения.

Под удельной поверхностью подразумевается каждая из поверхностей, которая подвергается действию жидкостей, проходящих через пластинчатый теплообменник. Передняя и задняя стороны пластины теплообменника, таким образом, имеют свои отдельные удельные поверхности. Повышенная турбулентность вместе с увеличенными удельными поверхностями повышает общую теплопередающую способность пластинчатого теплообменника, что обеспечивает более быстрые потоки и, таким образом, более высокую производственную мощность.

В предпочтительном варианте осуществления пластина теплообменника вместе с множеством идентичных пластин теплообменника состыковывается таким образом, что выпуклости первой пластины теплообменника частично размещаются в выпуклостях второй пластины теплообменника.

Также предпочтительно, чтобы выпуклости были расположены симметрично. Путем такой стыковки пластин теплообменника можно обеспечить при помощи традиционных набивок и разделителей необходимую ширину зазора и необходимое поперечное сечение зазора между пластинами. Кроме того, может быть получен компактный и пространственно экономный теплообменник.

В другом предпочтительном варианте осуществления поверхностный профиль имеет глубину, которая значительно меньше, чем глубина выпуклостей. Таким образом, поверхностный профиль должен быть таким, чтобы в контрасте с выпуклостями он был способен разрушать и возможно уничтожать ламинарные граничные слои около пластин теплообменника. Толщина ламинарного граничного слоя уникальна для каждой конструкции пластины теплообменника, и поэтому пластина теплообменника приспосабливается к жидкости, которую следует термически обрабатывать, или к жидкости, используемой для термической обработки, и поэтому нельзя привести никаких размеров или соотношений глубины поверхностного профиля к глубине выпуклостей. Примерами важных параметров являются скорость и вязкость жидкостей.

В другом предпочтительном варианте осуществления поверхностный профиль расположен выпукло или вогнуто относительно выпуклостей.

Также предпочтительно, чтобы геометрический переход между плоскостью пластины теплообменника и выпуклостями был обеспечен радиусом и чтобы поверхностный профиль, как описано выше, состоял из сферических или эллипсоидальных сегментов. Таким образом, можно сказать, что в предпочтительных вариантах осуществления поверхностный профиль вместе с выпуклостями образует конструкцию, подобную мячику для гольфа. Благодаря радиусу совместно со сферической или эллипсоидальной формой, пластина теплообменника не имеет каких-либо острых граней или углов, которые могут создавать мертвые зоны, что не достигается при традиционных способах очистки. Это очень важно с точек зрения пищевой гигиены, так как мертвые зоны могут вызывать нежелательный рост бактерий и других организмов. Плавная геометрия также предпочтительна с точки зрения формовочной технологии.

Согласно другому варианту изобретение относится к пластинчатому теплообменнику, содержащему пластины теплообменника с выпуклостями, обеспечивающими турбулентность, расположенными на каждой пластине теплообменника. Пластинчатый теплообменник отличается тем, что каждая выпуклость имеет поверхностный профиль для усиления разрушения ламинарных граничных слоев, при этом поверхностный профиль состоит из сферических или эллипсоидальных элементов.

Пластины могут быть расположены различными способами в пластинчатом теплообменнике. Например, пластины теплообменника могут быть расположены так, что выпуклости первой пластины теплообменника при укладке частично размещаются к выпуклостям второй пластины теплообменника. Пластины теплообменника могут, например, также быть расположены попарно при помощи первой пары пластин и второй пары пластин, соединяющейся с первой, где в парах пластин первая и вторая пластина выполнены с выпуклостями, направленными друг от друга, причем в паре пластин между первой и второй пластинами выполнен зазор. Последний вариант делает возможным то, что две жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике, могут проходить через разные поперечные сечения зазоров, и, таким образом, получать разные структуры потока.

Описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно в виде примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления.

На фиг.1 изображен схематичный вид пластины в соответствии с изобретением.

На фиг.2а и 2b изображено два примера укладки пластин в пластинчатом теплообменнике.

На фиг.3 изображено частичное увеличение выпуклости в пластине в соответствии с фиг.1.

Техническое описание

На фиг.1 схематично показана часть пластины 1 теплообменника, здесь и далее называемая пластиной, в соответствии с настоящим изобретением, для использования в пластинчатом теплообменнике (не показано). Пластина 1 обычно содержит пластинчатый элемент 2 с множеством выпуклостей 4, выступающих от плоскости 3 пластины. В показанном варианте выпуклости 4 имеют форму сферических сегментов. Однако следует понимать, что возможны и другие геометрические формы выпуклостей. Основное назначение выпуклостей 4 является то, что они должны обеспечивать турбулентный поток жидкости, протекающей через зазор, образованный двумя смежными пластинами 1.

В зависимости от того, как предполагается укладывать пластины 1 для образования пластинчатого теплообменника, выпуклости 4 пластин 1 могут быть сориентированы по-разному, что понятно специалисту в данной области техники, и, таким образом, создавать разные поперечные сечения X, Y зазора, см. Фиг.2а и 2b.

Чрезвычайно компактный пластинчатый теплообменник может быть получен, например, если выпуклости 4 симметрично расположены и выполнены так, что выпуклости 4 первой пластины 1А частично размещаются в зазорах 4′, образованные выпуклостями 4 второй пластины 1В, смотри Фиг.2а. Между двумя пластинами 1А и 1В образуется зазор, через который могут проходить жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике. Жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике, таким образом, будут проходить через идентичные, или, по существу, идентичные, поперечные сечения X, Y зазоров.

Пластины 1 также могут укладываться таким образом, что пластины 1 теплообменника могут быть расположены по парам с первой парой пластин 10 и второй парой пластин 10′, соединенной с первой, в этих парах пластин 10, 10′ первая 1А и вторая 1В пластины выполнены с выпуклостями 4, направленными друг от друга, смотри Фиг.2b. В каждой паре пластин 10, 10′ между первой 1А и второй 1В пластинами и между соответствующими парами пластин образован зазор. Зазоры образуют проходы с поперечными сечениями X, Y зазоров, через которые могут проходить жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике. В результате две жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике, будут в данном варианте проходить через разные поперечные сечения X, Y зазора.

Следует понимать, что пластины 1 могут быть уложены большим количеством способом, и что изобретение не должно ограничиваться тем, с какой стороны выпуклостей 4 проходят жидкости, используемые в пластинчатом теплообменнике. Также следует понимать, что разные пластины не должны иметь одинаковую геометрию выпуклостей.

Ссылаясь на Фиг.3, геометрический переход 5 между плоскостью 3 пластины 1 и соответствующей выпуклостью 4 обеспечен радиусом или другой плавной геометрической формой. Плавный геометрический переход является наиболее важным с точки зрения гигиены, так как пластинчатые теплообменники при использовании в пищевой промышленности требуют частой и очень тщательной очистки. Любые острые геометрические переходы могут создать мертвые зоны, которые могут образовывать зоны роста для бактерий и других организмов. Однако следует понимать, что плавные геометрические переходы также снижают сопротивление потока, что отрицательно влияет на увеличение турбулентности.

Выпуклости 4 могут состоять из изолированных зон, таких как сферические или эллипсоидальные сегменты, но также могут состоять из полностью или частично непрерывных зон, например в форме волн или канавок, т.е. так или иначе рельефной поверхности.

Выпуклости 4 подходящим образом формируются при помощи прессования, таким образом, обеспечивая возможность образования выпуклостями чашеобразных выступов. Одна сторона пластины 1 будет, таким образом, иметь выпуклости 4, в то время как другая сторона будет иметь соответствующие канавки 4′.

Выпуклости 4 имеют поверхностный профиль 6, который более ясно показан на Фиг.3. Основным назначением поверхностного профиля является дополнительное усиление и обеспечение разрушения ламинарных граничных слоев около пластин, и, таким образом, ускорение или прохождение турбулентного потока по всей или по большей части поперечных сечений X, Y зазора.

В наиболее простом варианте осуществления поверхностный профиль 6 состоит из ряда сферических или эллипсоидальных сегментов на окружной поверхности 7 выпуклости 4. Однако следует понимать, что возможны также и другие геометрические формы, такие как кресты, звезды или другие призматические геометрические формы. Специалистам в данной области техники ясно, что число возможных геометрических форм бесконечно. Поверхностный профиль 6, таким образом, может быть вогнутым, а также выпуклым относительно выпуклости 4, или может быть попеременно выпуклым или вогнутым. Если поверхностный профиль 6 вогнутый, его можно сравнить с поверхностью мячика для гольфа, т.е. окружная поверхность 7 выпуклости 4 может быть выполнена с ямками. Если профиль 6 поверхности выпуклый, окружную поверхность 7 выпуклости 4 можно сравнить с зернистой или «бородавчатой» поверхностью. Конечно, ясно, что пластина 1 предпочтительно формируется при помощи прессовки, одна сторона приобретает вогнутый поверхностный профиль, а другая сторона соответственно приобретет выпуклый поверхностный профиль. Изобретение не должно ограничиваться тем, по какой стороне проходит жидкость, подлежащая термической обработке.

Поверхностный профиль 6 формируется, также как и выпуклости 4, наиболее просто при помощи прессовки, но он также может состоять из поверхности, которая, например, протравлена или профильно расслоена. В последних случаях «задняя стенка» будет идеально гладкой.

Выпуклости 4 вместе с поверхностным профилем 6 не только обеспечивают турбулентный поток посредством разрушения ламинарных граничных слоев, а также увеличивают удельные поверхности, т.е. поверхности, подверженные воздействию жидкостей, проходящих в пластинчатом теплообменнике. При этом чем больше удельная поверхность, тем выше теплопередача.

Поверхностный профиль 6 имеет глубину, которая значительно меньше глубины выпуклостей 4. Однако следует понимать, что выбор глубины профиля, плотности профиля и ориентации зависит от факторов, таких как физические свойства жидкостей, проходящих в пластинчатом теплообменнике, например реологии и вязкости, желаемой степени турбулентности, перепада давлений и скорости потока. Эти факторы зависят от ситуации, в которой будет работать пластинчатый теплообменник. Таким образом, поверхностный профиль должен быть подобран для каждого случая с тем, чтобы обеспечивать разрушение ламинарных граничных слоев и, таким образом, обеспечивать или содействовать турбулентному потоку по всему поперечному сечению зазора.

Материал пластин 1 должен представлять собой материал, которой обладает коррозионной стойкостью и подходит для пищевой промышленности, и имеет высокую теплопроводность. Выбранная толщина материла должна быть относительно тонкой для увеличения теплопередачи.

Настоящее изобретение также относится к пластинчатому теплообменнику (не показано), который состоит из необходимого числа пластин 1, выполненный как описано выше. Число пластин 1 зависит от производительности пластинчатого теплообменника и не будет описано здесь подробно. Пластины 1 могут быть уложены разными способами, два из которых приведены в описании со ссылкой на фиг.2а и 2b. В зависимости от того, как уложены пластины 1, могут быть образованы различные поперечные сечения X, Y зазора и, таким образом, различные структуры потока для жидкостей, предназначенных для пластинчатого теплообменника. Количество вариантов укладки может быть очень большим и не должно ограничивать изобретение.

При помощи набивок, приливов, разделителей и т.д. обеспечивается заданная ширина зазора и заданное поперечное сечение X, Y зазора между смежными пластинами для прохода заданных жидкостей.

В качестве примера жидкости, подлежащей термической обработке, можно привести молоко, сок, суп или пюре. В качестве примера жидкости, используемой для термической обработки, можно упомянуть воду.

Суммируя все вышесказанное, настоящее изобретение, таким образом, содержит пластину 1 для использования в пластинчатом теплообменнике, а также пластинчатый теплообменник, в котором используются такие пластины. Пластины 1 содержат несколько выпуклостей 4, создающих турбулентность. Выпуклости 4 имеют поверхностный профиль 6, который обеспечивает разрушение ламинарных граничных слоев около поверхностей пластин 1. Глубина поверхностного профиля 6 подгоняется под заданные рабочие условия пластинчатого теплообменника, но должна быть значительно меньше глубины выпуклостей 4 и образовывать структуру, подобную мячику для гольфа. Поверхностный профиль 6 может быть вогнутым, а также выпуклым относительно выпуклости 4. Пластина 1, выпуклости 4 и их поверхностный профиль 6 вместе образуют поверхность без острых геометрических переходов, которую легко очищать и которая, таким образом, предотвращает нежелательный рост бактерий.

Выпуклости 4 вместе с профилем поверхности образуют большую удельную поверхность, которая способствует передаче тепла между жидкостями, которые проходят в пластинчатом теплообменнике. Кроме того, поверхностный профиль усиливает турбулентность путем разрушения ламинарных граничных слоев около поверхностей пластин, что дополнительно способствует передаче тепла.

Понятно, что настоящее изобретение не ограничивается показанными и описанными примерами пластин и пластинчатого теплообменника, состоящего из них.

Идея изобретения, например, с незначительными поправками может быть применена к другим типам теплообменников, например к трубчатым теплообменникам, в которых входящие в их состав трубы выполнены с выпуклостями, которые имеют поверхностный профиль для обеспечения разрушения ламинарных граничных слоев. Таким образом, возможны другие модификации и варианты, и поэтому изобретение определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Пластина (1) теплообменника, содержащая несколько выпуклостей (4), обеспечивающих турбулентность, которые выступают из плоскости (3) пластины теплообменника, отличающаяся тем, что выпуклости (4) имеют поверхностный профиль (6) для обеспечения разрушения ламинарных граничных слоев, при этом поверхностный профиль (6) состоит из сферических или эллипсоидальных сегментов.

2. Пластина (1) теплообменника по п.1, которая вместе с множеством идентичных пластин (1) теплообменника укладывается таким образом, что выпуклости (4) первой пластины (1) теплообменника частично размещаются в выпуклостях (4) второй пластины (1) теплообменника.

3. Пластина (1) теплообменника по п.1, в которой выпуклости (4) расположены симметрично.

4. Пластина (1) теплообменника по п.1, в которой поверхностный профиль (6) имеет глубину, которая значительно меньше глубины выпуклостей (4).

5. Пластина (1) теплообменника по п.1, в которой поверхностный профиль (6) расположен вогнуто или выпукло относительно выпуклости (4).

6. Пластина (1) теплообменника по п.1, в которой геометрический переход между плоскостью (3) пластины (1) теплообменника и выпуклостями (4) образован радиусом.

7. Пластина (1) теплообменника по п.1, в которой поверхностный профиль (6) вместе с выпуклостями (4) образует структуру, подобную мячику для гольфа.

8. Пластинчатый теплообменник, содержащий пластины (1) с выпуклостями (4), обеспечивающими турбулентность, которые расположены в каждой пластине (1) теплообменника, отличающийся тем, что каждая выпуклость (4) имеет поверхностный профиль (6) для обеспечения разрушения ламинарных граничных слоев, при этом поверхностный профиль (6) состоит из сферических или эллипсоидальных сегментов.

9. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором пластины (1) теплообменника расположены так, что выпуклости (4) первой пластины (1) теплообменника при укладке частично размещаются в выпуклости (4) второй пластины (1) теплообменника.

10. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором пластины (1) теплообменника расположены по парам с первой парой (10) пластин и второй парой (10′) пластин, соединенных с первой, при этом в этих парах (10, 10′) пластин первая (1А) и вторая (1В) пластины выполнены с выпуклостями (4), направленными друг от друга, причем в парах пластин образован зазор между первой (1А) и второй (1В) пластинами.

11. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором выпуклости (4) в каждой пластине (1) теплообменника расположены симметрично.

12. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором поверхностный профиль (6) имеет глубину, которая значительно меньше глубины выпуклостей (4).

13. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором поверхностный профиль (6) каждой выпуклости (4) расположен вогнуто или выпукло относительно выпуклости (4).

14. Пластинчатый теплообменник по п.8, в котором выпуклости (4) вместе с поверхностным профилем (6) образуют структуру, подобную мячику для гольфа.

РИСУНКИ