конструкция элемента теплообменника с пластинчатыми ребрами

Формула изобретения

1. Способ сборки отдельных элементов теплообменника, включающий создание верхней пластины; создание нижней пластины; создание двух первичных ребристых элементов; создание вторичного ребристого элемента; применение слоя припоя по крайней мере на одном первичном ребристом элементе, вторичном ребристом элементе, верхней и нижней пластинах; прикрепление одного первичного ребристого элемента к первой стороне верхней пластины; прикрепление второго первичного ребристого элемента к первой стороне нижней пластины; соединение вместе верхней пластины, нижней пластины и вторичного ребристого элемента, формирующих сендвичеподобную конструкцию с вторичным ребристым элементом между верхней и нижней пластинами, причем вторичный ребристый элемент между ними находится в контакте с вторыми сторонами верхней и нижней пластин и между двумя любыми прилегающими поверхностями присутствует слой добавленного припоя; сварку периферийных краев верхней и нижней пластин; спайку сендвичеподобной конструкции.

2. Способ сборки отдельных элементов теплообменника по п. 1, отличающийся тем, что стадии применения припоя и спайки сендвичеподобной конструкции используются для обеспечения практически полной адгезии ребер вторичного ребристого элемента к верхней и нижним пластинам.

3. Способ сборки теплообменника с использованием множества собранных отдельных элементов по п. 1, включающий создание множества отдельных элементов теплообменника, содержащих входное отверстие с рельефным фланцем с одного конца и выходное отверстие с рельефным фланцем с другого конца; приварку рельефного фланца входного отверстия на одном отдельном элементе теплообменника к рельефному фланцу входного отверстия на примыкающем отдельном элементе теплообменника; приварку рельефного фланца выходного отверстия на одном отдельном элементе теплообменника к рельефному фланцу выходного отверстия на примыкающем отдельном элементе теплообменника.

4. Отдельный элемент теплообменника, содержащий верхнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом; нижнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, при этом периферийные края нижней пластины соединены с периферийными краями верхней пластины; два первичных ребристых элемента, один первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне верхней пластины, другой первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне нижней пластины; вторичный ребристый элемент, находящийся между верхней и нижней пластинами, причем этот элемент прикреплен к второй стороне верхней пластины и второй стороне нижней пластины, ребра вторичного ребристого элемента в основном полностью присоединены посредством адгезии к примыкающим верхней и нижней пластинам.

5. Отдельный элемент теплообменника по п. 4, отличающийся тем, что внутренние поверхности нижней пластины, которые находятся в контакте с внутренними поверхностями верхней пластины, прикреплены друг к другу посредством адгезии.

6. Отдельный элемент теплообменника по п. 4, дополнительно содержащий два ребристых элемента коллектора между верхней и нижней пластинами, каждый ребристый элемент коллектора прикреплен ко второй стороне верхней пластины и второй стороне нижней пластины, при этом один ребристый элемент коллектора является гидравлически связанным с входными отверстиями верхней и нижней пластин и первым краем вторичного ребристого элемента, другой ребристый элемент коллектора является гидравлически связанным с выходными отверстиями верхней и нижней пластин и вторым краем вторичного ребристого элемента.

7. Отдельный элемент теплообменника по п. 4, дополнительно содержащий ребристые устройства для поворота газа, прикрепленные смежно с периферийными краями верхней и нижней пластин.

8. Отдельный элемент теплообменника по п. 4, дополнительно содержащий средства типа резервуара для поддержания количества припоя, причем эти средства расположены у периферийных краев верхней и нижней пластин.

9. Отдельный элемент теплообменника по п. 4, отличающийся тем, что входные и выходные отверстия верхней и нижней пластин имеют рельефные фланцы.

10. Теплообменник, содержащий множество отдельных элементов, каждый из которых содержит верхнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом; нижнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, причем периферийные края нижней пластины прикреплены к периферийным краям верхней пластины; два первичных ребристых элемента, один из которых прикреплен к внешней стороне верхней пластины, другой прикреплен к внешней стороне нижней пластины; вторичный ребристый элемент, расположенный между входным и выходным отверстиями, который размещен по типу сэндвича между нижней и верхней пластинами, при этом вторичный ребристый элемент имеет входной край и край для вывода, причем вторичный ребристый элемент прикреплен к внутренней стороне верхней пластины и внутренней стороне нижней пластины; ребра первичного коллектора, соединяющие входное отверстие и входной край; ребра вторичного коллектора, соединяющие отверстие для вывода и край для вывода; средства для сопротивления внутреннему давлению внутри отдельного элемента теплообменника, причем эти средства содержат ребра вторичного ребристого элемента, полностью прикрепленные посредством адгезии к примыкающим верхней и нижней пластинам.

11. Теплообменник по п. 10, отличающийся тем, что входной и выходной фланцы одного отдельного элемента теплообменника прикреплены к входному и выходному фланцам примыкающего элемента теплообменника.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Это изобретение в основном относится к теплообменникам с пластинчатыми ребрами и в особенности к теплообменникам с пластинчатыми ребрами с поперечным потоком, используемыми в качестве рекуператора.

Как правило, теплообменники с плоскими ребрами являются цельными структурами, получаемыми спайкой многих элементов в цикл одноконтурных нагревателей. Эта базовая конструкция имеет ряд недостатков.

Соединение с самым низким качеством спайки в типичном теплообменнике с пластинчатыми ребрами определяет полное качество спаянной основы. Это ограничение определяет стоимость отходов всей основы по сравнению с дефектным стыком и работ по интенсивной процедуре наладки для избежания одной плохой спайки среди сотен в типичной основе.

Размеры каждой из составных частей должны быть достаточно близки с тем, чтобы различия в толщине не приводили к большим различиям при нагрузках в цикле спайки.

Жесткие пластины призваны нести нагрузку по ребрам сборки для обеспечения того, чтобы стыки их краев были нагружены так же, как и стыки пластинчатых ребер. Четыре пластины обычно требуются для каждого холодного/горячего слоя теплообменника, что делает сборку материало- и трудоемкой.

Цельная конструкция типичного теплообменника с пластинчатыми ребрами оставляет для разнонагретой в разных местах структуры малую свободу перемещения для избежания напряжений. Сильные различия нагрева проявляются как в виде напряжений, так и неблагоприятно влияют на усталостную долговечность.

Более детальное рассмотрение третьей и четвертой проблем, представленных выше, для противоточных теплообменников с пластинчатыми ребрами с коллекторами поперечных потоков включает в себя, как правило, рассмотрение ряда коллекторов, установленных послойно вместе для формирования чередования конфигурации коллекторов газ/воздух/газ/воздух. Каждая пара соседних газового и воздушного коллекторов разделены соответственно тонкими листами. Кроме того, обычные теплообменники с пластинчатыми ребрами включают окантованные полосы, обладающие способностью закрывать по периметру отдельные листы и препятствовать газу или воздуху перетекать в соседний коллектор. Каналы впускного и выпускного трубопроводов приварены поперек к краям полос коллекторов, собраны вместе и спаяны.

Угловые полосы обеспечивают жесткое и массивное структурное соединение между разделительными листами. Во время использования теплообменника температурным изменениям подвержены угловые полосы и разделительные листы. В связи с разницей в расположении и структурной компоновке листов и угловых полос температурные изменения неодинаково действуют на полосы и листы. Так как разделительные листы структурно слабее угловых полос, листы более напряжены.

Вторая проблема, связанная с использованием угловых полос в противоточных теплообменниках с пластинчатыми ребрами, относится к каналам коллектора из листового металла, которые приварены к блоку угловых полос по сторонам и углам каркаса, примыкая к отверстиям коллектора. Как и разделительные листы, каналы коллекторов быстро реагируют на изменения температуры. Так как угловые полосы не реагируют на изменения температуры так же быстро, как каналы коллекторов, листы металла испытывают поперечную нагрузку в области сварного шва и склонны разрушаться в зоне нагрева между сварным швом и основным металлом. Основываясь на вышеупомянутом, можно заключить, что было бы целесообразным разрабатывать средства, которые позволили бы устранить традиционные угловые полосы и устранили бы нагрузки и напряжения, предаваемые на теплообменники при их использовании.

Вышеупомянутое иллюстрирует ограничения, существующие, как известно, в современных теплообменниках с пластинчатыми ребрами. Таким образом, бесспорно, выгодно предложить альтернативу, направленную на преодоление одного или более изложенных выше ограничений.

Краткое описание изобретения

Поставленная задача была решена настоящим изобретением.

Способ сборки отдельных элементов теплообменника согласно изобретению включает стадии создания верхней пластины, создания нижней пластины, создания двух первичных ребристых элементов, создания вторичного ребристого элемента, применение слоя припоя по крайней мере на одном первичном ребристом элементе, вторичном ребристом элементе, верхней и нижней пластинах, прикрепление одного первичного ребристого элемента к первой стороне верхней пластины, прикрепление второго первичного ребристого элемента к первой стороне нижней пластины, соединение вместе верхней пластины, нижней пластины и вторичного ребристого элемента, формирующих сендвичеподобную конструкцию с вторичным ребристым элементом между верхней и нижней пластинами, причем вторичный ребристый элемент между ними находится в контакте с вторыми сторонами верхней и нижней пластин, и между двумя любыми прилегающими поверхностями присутствует слой добавленного припоя; сварку периферийных краев верхней и нижней пластин; спайку сендвичеподобной конструкции.

При этом стадии применения припоя и спайки сендвичеподобной конструкции могут быть использованы для обеспечения практически полной адгезии ребер вторичного ребристого элемента к верхней и нижним пластинам.

При этом вышеупомянутый способ сборки теплообменника с использованием множества собранных отдельных элементов может включать стадии создания множества отдельных элементов теплообменника, содержащих входное отверстие с рельефным фланцем с одного конца и выходное отверстие с рельефным фланцем с другого конца, и приварку рельефного фланца входного отверстия на одном отдельном элементе теплообменника к рельефному фланцу входного отверстия на примыкающем отдельном элементе теплообменника, и приварку рельефного фланца выходного отверстия на одном отдельном элементе теплообменника к рельефному фланцу выходного отверстия на примыкающем отдельном элементе теплообменника.

Поставленная задача была решена также с помощью следующего изобретения - отдельного элемента теплообменника.

Отдельный элемент теплообменника согласно изобретению содержит верхнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом; нижнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, при этом периферийные края нижней пластины соединены с периферийными краями верхней пластины; два первичных ребристых элемента, один первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне верхней пластины, другой первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне нижней пластины; и вторичный ребристый элемент, находящийся между верхней и нижней пластинами, причем этот элемент прикреплен к второй стороне верхней пластины и второй стороне нижней пластины, ребра вторичного ребристого элемента в основном полностью присоединены посредством адгезии к примыкающим верхней и нижней пластинам.

При этом внутренние поверхности нижней пластины, которые находятся в контакте с внутренними поверхностями верхней пластины, могут быть прикреплены друг к другу посредством адгезии.

При этом отдельный элемент теплообменника может дополнительно содержать два ребристых элемента коллектора между верхней и нижней пластинами, каждый ребристый элемент коллектора прикреплен к второй стороне верхней пластины и второй стороне нижней пластины, при этом один ребристый элемент коллектора является гидравлически связанным с входными отверстиями верхней и нижней пластин и первым краем вторичного ребристого элемента, другой ребристый элемент коллектора является гидравлически связанным с выходными отверстиями верхней и нижней пластин и вторым краем вторичного ребристого элемента.

Кроме того, отдельный элемент теплообменника может дополнительно содержать ребристые устройства для поворота газа, прикрепленные смежно с периферийными краями верхней и нижней пластин.

Кроме того, отдельный элемент теплообменника может дополнительно содержать средства типа резервуара для поддержания количества припоя, причем эти средства расположены у периферийных краев верхней и нижней пластин.

Отдельный элемент теплообменника может также характеризоваться тем, что входные и выходные отверстия верхней и нижней пластин имеют рельефные фланцы.

Поставленная задача может быть также решена другим изобретением - теплообменником.

Теплообменник согласно изобретению содержит множество отдельных элементов, каждый из которых содержит верхнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом; нижнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, причем периферийные края нижней пластины прикреплены к периферийным краям верхней пластины; два первичных ребристых элемента, один из которых прикреплен к внешней стороне верхней пластины, другой прикреплен к внешней стороне нижней пластины; вторичный ребристый элемент, расположенный между входным и выходным отверстиями, который размещен по типу сэндвича между нижней и верхней пластинами, при этом вторичный ребристый элемент имеет входной край и край для вывода, причем вторичный ребристый элемент прикреплен к внутренней стороне верхней пластины и внутренней стороне нижней пластины; ребра первичного коллектора, соединяющие входное отверстие и входной край; ребра вторичного коллектора, соединяющие отверстие для вывода и край для вывода; и средства для сопротивления внутреннему давлению внутри отдельного элемента теплообменника, причем эти средства содержат ребра вторичного ребристого элемента, полностью прикреплены посредством адгезии к примыкающим верхней и нижней пластинам.

При этом входной и выходной фланцы одного отдельного элемента теплообменника могут быть прикреплены к входному и выходному фланцам примыкающего элемента теплообменника.

Таким образом, один аспект реализации представленного изобретения заключается в создании отдельного элемента теплообменника, содержащего верхнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, нижнюю пластину, имеющую входное отверстие на одном конце и выходное отверстие на другом, периферийные края нижней пластины, присоединенные к периферийным краям верхней пластины, два первичных ребристых элемента, один первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне верхней пластины, второй первичный ребристый элемент прикреплен к первой стороне нижней пластины, вторичный ребристый элемент расположен между верхней и нижней пластинами, причем этот вторичный ребристый элемент прикреплен к второй стороне верхней пластины и второй стороне нижней, и средства для противодействия внутреннему давлению внутри отдельного элемента теплообменника, средства, содержащие оребрение вторичного ребристого элемента, полностью прикрепленные посредством адгезии к примыкающим верхней и нижней пластинам.

Вышеупомянутые и другие аспекты станут очевидными из следующего детального описания изобретения вместе с прилагающимися чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид сверху отдельного элемента теплообменника согласно настоящему изобретению,

фиг. 2 - второй вид сверху отдельного элемента теплообменника, показанного на фиг. 1, с частями оребрения и частично убранной верхней пластиной для демонстрации внутренних деталей,

фиг. 3 - частичное поперечное сечение края отдельного элемента теплообменника, показанного на фиг. 1, проведенное по линии 3-3, показывающее детали спаянного резервуара,

фиг. 4 - частичное поперечное сечение входного отверстия, проведенное по линии 4-4 на фиг. 1, показывающее рельефные фланцы,

фиг. 5 - увеличенный вид части внутреннего коллектора,

фиг. 6 - вид сбоку, показывающий теплообменник, содержащий множество отдельных элементов теплообменника, показанных на фиг. 1,

фиг. 7 - схема, иллюстрирующая один вариант способа изготовления отдельного элемента теплообменника, показанного на фиг. 1.

Детальное описание изобретения

Особым аспектом отдельного элемента теплообменника 10, показанного на чертежах, является устойчивая к давлению конструкция секции, использующаяся в цельном теплообменнике с пластинчатыми ребрами. Каждая секция 10 содержит все особенности полного противоточного теплообменника с входным и выходным отверстиями, воздухораспределительными коллекторами и теплопреобразовательными ребрами, спаянными в единый блок, как показано на фиг. 1 и 2. Секции или отдельные элементы теплообменника 10 сварены последовательно и образуют матрицу 40 теплообменника (фиг. 6) размером, необходимым для данного конкретного применения.

Отдельный элемент теплообменника решает следующие проблемы:

- контроль, исправление и отбраковка малых, легко управляемых блоков представляется более предпочтительным, чем полной матрицы теплообменника, с более хорошим результатом и с лучшей гарантией качества,

- устраняется риск и техническая сложность спайки массивных матриц теплообменника с малыми отдельными элементами,

- предоставляется возможность скольжения между слоями для обеспечения различных термических деформаций без риска утечки для максимизации долговечности,

В предпочтительном варианте выполнения отдельные элементы 10 теплообменника объединены в противоточный рекуператор 40, используемый для нагрева воздуха для газовой камеры сгорания. Выхлопные газы текут по стороне ребер низкого давления или газовых ребер 22, а воздух для сгорания течет по воздушным ребрам или ребрам высокого давления 20. Как правило, два газовых ребра 22 распределены по середине высоты, необходимой для типичной пластинчатой конструкции, в которой используется отдельный сегмент ребра для каждой секции низкого давления. Газовые ребра 22 прикреплены (предпочтительно сваркой) к каждой стороне отдельного элемента 10 теплообменника, установленного преимущественно двумя пластинчатыми деталями, верхней пластиной 11 и нижней пластиной 12. Каждая пластина имеет входное 14 и выходное 15 отверстия. Каждое газовое ребро 22 передает тепло в (в других вариантах применения от) среду высокого давления в отдельном элементе 10 теплообменника. Один слой воздушного ребра 20 внутри отдельного элемента 10 теплообменника прикреплен (также предпочтительно сваркой) к обеим, верхней и нижней, пластинам 11, 12 для проведения тепла через пластины 11, 12 и также защищает их от дифференциальных нагрузок давления. Предпочтительно, чтобы воздушные ребра 20 защищали пластины 11, 12 от дифференциальных нагрузок при помощи ребристых элементов воздушных ребер 20, которые полностью связаны с пластинами 11, 12. В дополнение к воздушному ребру 20 между пластинами 11, 12 также могут быть использованы ребра коллектора 21 для направления потока среды от входного отверстия 14 к первому краю воздушного ребра 20 и затем от второго края воздушного ребра 20 к выходному отверстию 15.

В предпочтительном варианте выполнения ребра коллектора могут оканчиваться у той части пластин 11, 12, где пластины расходятся и образуют рельефные фланцы 16, как показано на фиг. 4. Эта форма окончания показана сплошными линиями на фиг. 4. В качестве альтернативы ребра коллектора могут быть расположены после участка расхождения пластин, как это показано штриховыми линиями, и обозначено 21".

Фиг. 5 показывает предпочтительный вариант выполнения ребра коллектора 21. В этом варианте выполнения отдельный канал 21а ребра коллектора 21 является гидравлически связанным с множеством каналов 20а воздушного ребра 20. Также в предпочтительном варианте выполнения ребра коллектора 21 полностью прикреплены к верхней и нижней пластинам 11 и 12 для обеспечения дополнительного сдерживания дифференциальной нагрузки.

На фиг. 1 представлено ребро 24 для разворота газа. Предпочтительно, чтобы одно ребро для разворота газа 24 было прикреплено к периферийному краю каждой внешней поверхности верхней и нижней пластин 11, 12 на входном крае газового ребра 22. В одном типе теплообменника 40 он ограничен кожухом (не показан), где теплый газ течет поперек газового ребра 22 (т. е. параллельно к краю входа газа отдельного элемента 10 теплообменника). Ребро 24 для разворота газа используется для поворота и направления теплого газа на газовое ребро 22, обеспечивая, таким образом, более равномерное распределение теплого газа на всем протяжении газового ребра 22.

В предпочтительном варианте выполнения входное и выходное отверстия 14, 15 имеют рельефные фланцы 16 вокруг отверстий (см. фиг. 4). Эти фланцы 16 используются для прикрепления одного отдельного элемента 10 теплообменника к другому сваркой фланцев 16 одного элемента 10 к фланцам 16 соседнего элемента 10 теплообменника. Теплообменник 40 формируется из множества отдельных элементов 10, прикрепленных друг к другу только по фланцам 16. Газовые ребра 22 одного отдельного элемента 10 теплообменника не прикреплены к газовым ребрам 22 примыкающего элемента. В таком варианте выполнения отдельные элементы теплообменника 10 могут расширяться и перемещаться отдельно друг от друга при температурных изменениях в теплообменнике 40. Многоярусные фланцы теплообменника 40 формируют гофрированную структуру. Гофрировка, созданная фланцами, является податливой структурой, и в результате этого деформации, созданные переносом тепла, эластично поглощаются гофрированной структурой. Пластины 11 и 12, включающие в себя фланцы 16, имеют в основном одинаковую толщину, и температурные изменения на фланцах по существу такие же, как и вдоль остальных частей пластин 11 и 12. Таким образом, ликвидируются термические напряжения во время работы теплообменника.

В элементе 10 теплообменника пластины 11 и 12 вставлены между газовым ребром 22 и воздушным 20 (подобно структуре сэндвича). Концы ребер выравнены по вертикали. В альтернативном варианте выполнения концы ребер 22 могут быть встроены так, что они не выравнены по вертикали с воздушным ребром 20.

Фиг. 7 иллюстрирует метод монтажа отдельных элементов 10 теплообменника и самого теплообменника 40. Верхняя и нижняя пластины 11, 12 (также известные, как разделительные пластины) изготовлены из 0,015 дюймовых свернутых листов нержавеющей или высоколегированной стали. Лист разворачивается, и пластины изготавливаются путем штамповки и лазерной подгонки. Газовые ребра 22 и ребра для разворота газа 24 изготовляются из 0,008 дюймовой прокатной нержавеющей или высоколегированной стали. Металл раскатывается, ребра загибаются и слой припоя распыляется по одной стороне газового ребра 22 и ребра 24 для разворота газа. Газовое ребро 22 и ребро 24 для разворота газа со слоем припоя подвергаются лазерной подгонке и очищаются. Вместо нанесения слоя припоя на газовое ребро 22 и ребро 24 для разворота газа им могут быть обработаны внешние поверхности разделительных пластин 11, 12. Воздушные ребра 20 и ребра 21 коллектора изготовлены из 0,004 дюймовой прокатной нержавеющей или высоколегированной стали. Металл раскатывается, ребра загибаются и слой припоя напыляется по обеим сторонам газовых ребер 20 и ребер 21 коллектора. Обработанные слоем припоя воздушные ребра 20 и ребра 24 коллектора подвергаются лазерной подгонке и очищаются. Вместо нанесения слоя припоя на воздушные ребра 20 и ребра 24 коллектора им могут быть обработаны обе внутренние стороны разделительных пластин 11 и 12.

Разделительные пластины 11, 12, газовое ребро 22, ребро 24 для разворота газа, воздушное ребро 20 и ребра 21 коллектора компонуются для образования отдельного элемента 10 теплообменника. Отдельные детали прихватываются сваркой для временного скрепления деталей. Кроме того, периферийный край собранного отдельного элемента 10 теплообменника может быть приварен лазером.

Один или несколько собранных элементов 10 теплообменника помещаются в устройство для спайки, где каждый элемент 10 теплообменника нагревается для припайки обработанных поверхностей друг к другу. Различные элементы приспособления для спайки могут быть использованы для закладки отдельных элементов теплообменника, для минимизации любой деформации собранного отдельного элемента 10 теплообменника во время процесса спайки. Фиг. 3 и 4 иллюстрируют предпочтительный вариант выполнения разделительных пластин 11, 12 для процесса спайки. Резервуар 30 находится в верхней пластине 11. Этот резервуар 30 содержит дополнительный слой припоя, который будет распылен на смежные внутренние поверхности отдельного элемента 10 теплообменника во время процесса спайки.

После спайки отдельный элемент 10 теплообменника герметизируется с повышенным давлением для контроля любой течи, вызванной неполной спайкой. Множество отдельных элементов 10 теплообменника затем объединяются в блок, и рельефные фланцы 16 свариваются вместе. Эти блоки затем снова проверяются при помощи повышенного давления. Множество блоков затем свариваются вместе с образованием теплообменника 40. Промежуточные детали (не нумерованы) прикреплены снаружи элемента 10 теплообменника для того, чтобы обеспечить место для подключения теплообменника 40 к выходным и входным коллекторам арматуры теплообменника.

Описанная особенность теплообменника 40 объясняется полным сцеплением воздушного ребра 20 с разделительными пластинами 11, 12 (которые могут оказывать сопротивление дифференциальной нагрузке), при этом внешняя предварительная нагрузка теплообменника не применяется.