PL248911B1

PL248911B1 - Wymiennik ciepła oraz sposób jego wytwarzania

Info

Publication number: PL248911B1
Application number: PL447972A
Authority: PL
Inventors: Tomasz SIEMIEŃCZUK; Tomasz Siemieńczuk
Original assignee: Aic Spolka Akcyjna
Priority date: 2024-03-09
Filing date: 2024-03-09
Publication date: 2026-02-09
Also published as: PL447972A1; EP4614097A1; US20250283674A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wymiennik ciepła oraz sposób jego wytwarzania. Wymiennik ciepła zawiera pakiety (A, B) zawierające elementy turbulizujące (1) przepływ płynu roboczego pomiędzy dwiema ścianami (2, 2') wewnątrz pakietów (A, B). Pakiety (A, B) zestawione są ze sobą naprzemiennie ze względu na przepływający przez nie płyn roboczy. Pakiety (A, B) połączone są ze sobą za pomocą przelotowych łączników (6), które osadzone są odpowiednio w otworach wlotowych i wylotowych dla płynów roboczych. Łącznik (6) zawiera część zewnętrzną (6a) oraz część wewnętrzną (6b), które połączone są ze sobą poprzeczną ścianą (6c). Część wewnętrzna (6b) łącznika (6) połączona jest ze ścianami (2, 2') danego pakietu (A, B) zaślepiając dany otwór wlotowy/wylotowy, a część zewnętrzna (6a) łącznika (6) połączona jest z sąsiednimi ścianami (2, 2') sąsiednich pakietów (A, B) łącząc ze sobą sąsiednie obszary przepływu tego samego płynu roboczego. Wymiennik ciepła może być wytworzony metodą spajania dyfuzyjnego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła zawierający podwójne ściany pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych, oraz sposób jego wytwarzania.

Zastosowanie podwójnych ścian pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych zapobiega mieszaniu się płynów roboczych w przypadku uszkodzenia wymiennika ciepła, oraz ułatwia wykrycie wycieku płynu roboczego.

Podwójne ściany powinny być rozmieszczone w wystarczających odstępach, aby umożliwić łatwy przepływ wyciekającego płynu w kierunku pozycji wykrywania, z kolei, aby zapewnić wystarczającą skuteczność wymiany ciepła pomiędzy płynami roboczymi, pożądane jest umieszczenie podwójnych ścian możliwie blisko siebie. W związku z tym podejmowano różne próby zaprojektowania dwuściennych wymienników ciepła, biorąc pod uwagę te dwa wymagania.

W stanie techniki można znaleźć wiele różnych rozwiązań płytowych wymienników ciepła z podwójnymi ścianami, których wytwarzanie jest możliwe z zastosowaniem metody lutowania.

Znane jest zastosowanie metody spajania dyfuzyjnego do wytwarzania wymienników ciepła od których wymaga się podwyższonej wytrzymałości mechanicznej. Jednak znane wymienniki ciepła, wykonywane metodą spajania dyfuzyjnego, nie zawierają podwójnych ścian zabezpieczających przed mieszaniem się płynów roboczych, w przypadku ich przecieku.

Z dokumentu patentowego EP 3 779 345 A1, znany jest wymiennik ciepła wytworzony z zastosowaniem metody spajania dyfuzyjnego, który zawiera wiele płyt ze ścieżkami przepływu w kształcie rowków dla płynów roboczych, oddalonych od siebie o zdefiniowaną odległość zapewniającą mocne połączenie pomiędzy płytami, ułożonymi w stos i spojonymi dyfuzyjnie, przy czym wloty i wyloty płynów roboczych usytuowane są na bocznych krótszych końcowych ścianach pakietu płyt, wzdłuż kierunku wpływu/wypływu płynów roboczych, zakończonych płytami końcowymi ze zbiorczym wlotem/wylotem płynu roboczego.

Z dokumentu patentowego WO 2012/148972 A1, znany jest lutowany wymiennik ciepła który zawiera wiele par płyt wymiany ciepła. Każda para płyt wymiany ciepła tworzy konstrukcję o podwójnych ścianach, zawierającą dwie płyty wymiany ciepła, które są przynajmniej częściowo oddzielone przestrzenią przeciekową. Co najmniej jeden otwór odprowadzający jest umieszczony w wielu parach płyt wymiany ciepła i przecina przestrzenie wyciekowe wielu par płyt aby skierować wyciekający płyn z przestrzeni wyciekowych do miejsca na zewnątrz wymiennika ciepła.

Z dokumentu patentowego WO 2022/015217 A1, znany jest płytowy wymiennik ciepła z podwójnymi ścianami z grzbietami i rowkami zapewniającymi punkty styku pomiędzy sąsiednimi elementami wymiennika ciepła. Każdy z elementów wymiennika ciepła zawiera co najmniej dwie połączone płyty, a pomiędzy płytami każdego elementu wymiennika ciepła utworzone są kanały wyciekowe rozciągające się w poprzek grzbietów i rowków, które są ze sobą połączone oraz połączone z wylotem wycieku. Wymiennik wytworzony jest metodą lutowania.

Z dokumentu patentowego EP 4 102 170 A1, znany jest płytowy wymiennik ciepła składający się z pakietu elementów płytowych z podwójnymi ścianami, zawierających pierwszą płytę wymieniającą ciepło i drugą płytę wymieniającą ciepło. Każdy element płytowy zawiera centralną część wyposażoną we wzory powierzchniowe które tworzą ścieżki przepływu płynu roboczego. Elementy płytowe mają otwory wlotowe/wylotowe z występami otwartymi i zamkniętymi uformowanymi względem siebie w przeciwnych kierunkach tak, że zamknięte i otwarte występy razem wyznaczają pierwszą wnękę przeciekową, przy czym otwarty występ jest przystosowany do umożliwienia przepływu płynu pomiędzy odpowiednim otworem a odpowiednią ścieżką przepływu, a zamknięty występ przystosowany jest do zamykania przepływu płynu i uszczelniania odpowiedniego otworu od odpowiedniej ścieżki przepływu.

Problemem związanym z dwuściennymi płytowymi wymiennikami ciepła znanymi ze stanu techniki jest to, że ich produkcja jest trudna i skomplikowana, oraz to, że nie zabezpieczają dostatecznie ewentualnego przecieku płynu roboczego w obrębie wlotów i wylotów płynów roboczych.

Celem niniejszego wynalazku jest przezwyciężenie wyżej wymienionych problemów i zapewnienie niezawodnego, wydajnego, oraz o wysokich parametrach wytrzymałościowych, wymiennika ciepła z podwójnymi ścianami pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych oraz w obszarze przyłączy wlotowych i wylotowych płynów roboczych, który można wytworzyć metodą spajania dyfuzyjnego.

Według przedmiotowego wynalazku, wymiennik ciepła zawierający rozwiniętą powierzchnię wymiany ciepła w obszarach przepływu płynów roboczych, podwójne ściany pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych, oraz kanały wlotowe i wylotowe dla płynów roboczych, charakteryzuje się tym, że zawiera pakiety zawierające elementy turbulizujące przepływ płynu roboczego pomiędzy dwiema ścianami wewnątrz pakietów, przy czym wspomniane ściany każdego pakietu połączone są ze sobą wzdłuż obwodu boczną ścianą, każdy pakiet posiada otwory wlotowe oraz wylotowe dla płynów roboczych, przy czym pakiety zestawione są ze sobą naprzemiennie ze względu na przepływający przez wspomniane pakiety płyn roboczy, przy czym pakiety połączone są ze sobą za pomocą przelotowych łączników które osadzone są odpowiednio w otworach wlotowych i wylotowych dla płynów roboczych, przy czym wspomniany łącznik zawiera część zewnętrzną oraz część wewnętrzną, przy czym część wewnętrzna łącznika połączona jest ze ścianami danego pakietu zaślepiając dany otwór wlotowy/wylotowy, a część zewnętrzna łącznika połączona jest z sąsiednimi ścianami sąsiednich pakietów łącząc ze sobą sąsiednie obszary przepływu tego samego płynu roboczego, tak, że pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pakietami utworzony jest pierwszy obszar do odprowadzania przecieku płynu roboczego, a pomiędzy częścią wewnętrzną i częścią zewnętrzną łącznika jest drugi obszar do odprowadzenia przecieku płynu roboczego połączony z pierwszymi obszarami do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, pomiędzy sąsiednimi pakietami. Korzystnie, boczna ściana pakietów jest w postaci ramki. Korzystnie część zewnętrzna łącznika i/lub część wewnętrzna łącznika ma kształt pierścienia. Korzystnie, zewnętrzna powierzchnia bocznej ściany części wewnętrznej łącznika ma kształt beczułkowaty. Korzystnie, część zewnętrzna łącznika połączona jest z częścią wewnętrzną łącznika poprzeczną ścianą tak, że drugi obszar pomiędzy częścią zewnętrzną i częścią wewnętrzną podzielony jest na dwa drugie obszary do odprowadzania przecieku płynu roboczego połączone odpowiednio z pierwszymi obszarami do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, pomiędzy sąsiednimi pakietami. Korzystnie, poprzeczna ściana łącznika usytuowana jest ukośnie względem części zewnętrznej i części wewnętrznej łącznika. Korzystnie, część zewnętrzna łącznika posiada co najmniej jedno podcięcie pozycjonujące i/lub korzystnie część wewnętrzna łącznika posiada co najmniej jedno podcięcie pozycjonujące.

Sposób wytwarzania wymiennika ciepła według przedmiotowego wynalazku polega na tym, że zestawia się ze sobą ściany pakietów z elementami turbulizującymi, ścianami bocznymi pakietów, oraz łącznikami a następnie poddaje się procesowi łączenia metodą spajania dyfuzyjnego.

Wynalazek spełnia założone cele. Budowa opisanych wyżej łączników pozwala na zastosowanie wyłącznie metody spajania dyfuzyjnego w procesie wytwarzania wymiennika ciepła. Metoda spajania dyfuzyjnego zapewnia uzyskanie wysokich parametrów wytrzymałościowych, w tym na wysokie ciśnienie płynów roboczych. Zastosowanie łączników według wynalazku, zapewnia odprowadzenie przecieku płynu roboczego z obszaru wokół otworów wlotowych/wylotowych płynów roboczych, do obszaru przeciekowego pomiędzy pakietami i odprowadzenie na zewnątrz.

Wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia wymiennik ciepła w częściowym widoku przestrzennym oraz w częściowym przekroju poprzecznym;

Fig. 2 przedstawia wzajemną konfigurację ścian pakietów i łączników, w powiększeniu;

Fig. 3 przedstawia części pakietu, w widoku przestrzennym.

Przykładowy wymiennik ciepła zawiera pakiety A i pakiety B ze strukturą turbulizującą 1 przepływ płynu roboczego, na przykład zawierającą żebra, wybrzuszenia, pofałdowania powierzchni, itp., usytuowaną wewnątrz pakietu A, B, pomiędzy dwiema płytowymi ścianami 2, 2’ połączonymi trwale ze wspomnianą strukturą turbulizującą 1 oraz ze sobą wzdłuż obwodu pakietu, boczną ścianą 3, na przykład w formie ramki. Strukturę turbulizującą 1 mogą stanowić również wzory powierzchniowe na ścianach 2, 2’, które tworzą ścieżki przepływu dla płynu roboczego (nie pokazane na rysunku). Każdy pakiet A, B, posiada otwory wlotowe 4, 5, oraz wylotowe 4’, 5’, dla płynów roboczych (pierwszego płynu roboczego przepływającego przez pakiety A, oraz drugiego płynu roboczego przepływającego przez pakiety B), co pokazano na Fig. 1 i Fig. 3. Pakiety A, B, zestawione są ze sobą naprzemiennie ze względu na przepływający przez nie płyn roboczy tj. nad pakietem A usytuowany jest pakiet B a nad pakietem B usytuowany jest pakiet A i tak dalej, co pokazano na Fig. 1. Pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pakietami A, B, utworzony jest pierwszy obszar 8 do odprowadzania przecieku płynu roboczego, co pokazano na Fig. 1 i Fig. 2. Przez pakiety A przepływa pierwszy płyn roboczy, a przez pakiety B przepływa drugi płyn roboczy, przeciwprądowo względem kierunku przepływu pierwszego płynu roboczego przez pakiety A. Pakiety A, B, połączone są ze sobą za pomocą przelotowych łączników 6, na przykład w postaci pierścieni, na przykład o przekroju poprzecznym w kształcie litery N (co pokazano na Fig. 2). Łączniki 6 osadzone są odpowiednio w otworach wlotowych 4, 5 i wylotowych 4’, 5’ dla płynów roboczych. Wspomniany łącznik 6 zawiera część zewnętrzną 6a oraz część wewnętrzną 6b, które to części oddalone są od siebie i połączone ze sobą poprzeczną ścianą 6c usytuowaną ukośnie względem wspomnianych części 6a, 6b, tak, że obszar pomiędzy wspomnianymi częściami 6a, 6b, podzielony jest na dwa drugie obszary 8’ do odprowadzania przecieku płynu roboczego, co pokazano na Fig. 2. Zewnętrzna powierzchnia bocznej ściany części wewnętrznej 6b łącznika 6 od strony elementów turbulizujących 1 może korzystnie mieć kształt beczułkowaty. Dodatkowo, część zewnętrzna 6a łącznika 6 po obu stronach na powierzchniach czołowych które przylegają do odpowiednich ścian 2, 2’ sąsiednich pakietów A, B, posiada podcięcia pozycjonujące 7 oraz część wewnętrzna 6b łącznika 6 po obu stronach na powierzchniach czołowych które przylegają do ścian 2, 2’ danego pakietu A, B, posiada również podcięcia pozycjonujące 7, które zapewniają stabilne ułożenie ścian 2, 2’ pakietów A, B z łącznikami 6 do procesu spajania dyfuzyjnego (co pokazano na Fig. 2). Przykładowo, łączniki 6 osadzone są w pakietach A w otworze wlotowym 5 oraz wylotowym 5’ przeznaczonymi dla drugiego płynu roboczego przepływającego przez pakiety B. Część wewnętrzna 6b łącznika 6 usytuowana jest wewnątrz pakietu A pomiędzy jego ścianami 2, 2’ i połączona jest ze ścianami 2, 2’ zaślepiając otwór wlotowy 5 i odpowiednio otwór wylotowy 5’ dla drugiego płynu roboczego przepływającego przez pakiety B, a część zewnętrzna 6a łączników 6 z jednej strony połączona jest z sąsiednią ścianą 2 sąsiedniego pakietu B oraz z drugiej strony z sąsiednią ścianą 2’ drugiego sąsiedniego pakietu B łącząc ze sobą sąsiednie obszary przepływu drugiego płynu roboczego przez pakiety B, przy czym wysokość części zewnętrznej 6a łączników 6 jest tak dobrana, że pomiędzy sąsiednimi pakietami A, B utworzony jest pierwszy obszar 8 do odprowadzenia przecieku płynu roboczego. Drugie obszary 8’ do odprowadzenia przecieku płynu roboczego są połączone z odpowiednimi pierwszymi obszarami 8 do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, po obu stronach pakietu A, co pokazano na Fig. 2. Łączniki 6 tworzą kanały wlotowe 9 i wylotowe 9’ dla pierwszego płynu roboczego przepływającego przez pakiety A, co pokazano na Fig. 1. Z kolei, w pakietach B łączniki 6 osadzone są w otworze wlotowym 4 oraz wylotowym 4’ przeznaczonymi dla pierwszego płynu roboczego przepływającego przez pakiety A. Część wewnętrzna 6b łącznika 6 usytuowana jest wewnątrz pakietu B pomiędzy jego ścianami 2, 2’ i połączona jest ze ścianami 2, 2’ zaślepiając otwór wlotowy 4 i odpowiednio otwór wylotowy 4’ dla pierwszego płynu roboczego przepływającego przez pakiety A, a część zewnętrzna 6a łączników 6 z jednej strony połączona jest z sąsiednią ścianą 2 sąsiedniego pakietu A oraz z drugiej strony z sąsiednią ścianą 2’ drugiego sąsiedniego pakietu A łącząc ze sobą sąsiednie obszary przepływu pierwszego płynu roboczego przez pakiety A, przy czym pomiędzy sąsiednimi pakietami A, B utworzony jest pierwszy obszar 8 do odprowadzenia przecieku płynu roboczego. Drugie obszary 8’ do odprowadzenia przecieku płynu roboczego są połączone z odpowiednimi pierwszymi obszarami 8 do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, po obu stronach pakietu B, co pokazano na Fig. 2. Łączniki 6 tworzą kanały wlotowe 10 i wylotowe 10’ dla drugiego płynu roboczego przepływającego przez pakiety B, co pokazano na Fig. 1. Jak pokazano na Fig. 1 i Fig. 2, takie usytuowanie oraz połączenie łączników 6 z płytami 2, 2’ pakietów A, B, skutkuje utworzeniem podwójnej ściany pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych, oraz podwójnej ściany wokół otworów wlotowych 4, 5 i wylotowych 4’, 5’ płynów roboczych, co umożliwia odprowadzenie na zewnątrz przecieku płynu roboczego jak również jego zlokalizowanie. Konstrukcja wymiennika ciepła według wynalazku opisana w przykładzie wykonania pozwala na zastosowanie metody spajania dyfuzyjnego do wytworzenia tego wymiennika ciepła bez stosowania innych metod. Wszystkie opisane wyżej części wymiennika ciepła tj. ściany 2, 2’ pakietów A, B, elementy turbulizujące 1, ściany boczne 3 pakietów A, B, oraz łączniki 6 zestawia się ze sobą a następnie poddaje procesowi łączenia metodą spajania dyfuzyjnego.

Wykaz oznaczeń

A - pakiet ze strukturą turbulizującą przepływ płynu roboczego

B - pakiet ze strukturą turbulizującą przepływ płynu roboczego

- elementy turbulizujące przepływ płynu roboczego

- ściana pakietu

2’ - ściana pakietu

- boczna ściana pakietu

- otwór wlotowy pierwszego płynu roboczego

4’ - otwór wylotowy pierwszego płynu roboczego

- otwór wlotowy drugiego płynu roboczego

5’ - otwór wylotowy drugiego płynu roboczego

- łącznik obszarów przepływu płynu roboczego

6a - część zewnętrzna łącznika

6b - część wewnętrzna łącznika

6c - poprzeczna ściana łącznika

- podcięcia pozycjonujące

- pierwszy obszar do odprowadzenia przecieku płynu roboczego

8’ - drugi obszar do odprowadzenia przecieku płynu roboczego

- kanał wlotowy pierwszego płynu roboczego

9’ - kanał wylotowy pierwszego płynu roboczego

- kanał wlotowy drugiego płynu roboczego

10’ - kanał wylotowy drugiego płynu roboczego

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Wymiennik ciepła zawierający rozwiniętą powierzchnię wymiany ciepła w obszarach przepływu płynów roboczych, podwójne ściany pomiędzy obszarami przepływu płynów roboczych, oraz kanały wlotowe i wylotowe dla płynów roboczych, znamienny tym, że zawiera pakiety (A, B) zawierające elementy turbulizujące (1) przepływ płynu roboczego pomiędzy dwiema ścianami (2, 2’) wewnątrz pakietów (A, B), przy czym wspomniane ściany (2, 2’) każdego pakietu (A, B) połączone są ze sobą wzdłuż obwodu boczną ścianą (3), każdy pakiet (A, B) posiada otwory wlotowe (4, 5) oraz wylotowe (4’, 5’) dla płynów roboczych, przy czym pakiety (A, B) zestawione są ze sobą naprzemiennie ze względu na przepływający przez wspomniane pakiety (A, B) płyn roboczy, przy czym pakiety (A, B) połączone są ze sobą za pomocą przelotowych łączników (6) które osadzone są odpowiednio w otworach wlotowych (4, 5) i wylotowych (4’, 5’) dla płynów roboczych, przy czym wspomniany łącznik (6) zawiera część zewnętrzną (6a) oraz część wewnętrzną (6b), przy czym część wewnętrzna (6b) łącznika (6) połączona jest ze ścianami (2, 2’) danego pakietu (A, B) zaślepiając dany otwór wlotowy/wylotowy (4, 4’, 5, 5’), a część zewnętrzna (6a) łącznika (6) połączona jest z sąsiednimi ścianami (2, 2’) sąsiednich pakietów (A, B) łącząc ze sobą sąsiednie obszary przepływu tego samego płynu roboczego, tak, że pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pakietami (A, B) utworzony jest pierwszy obszar (8) do odprowadzania przecieku płynu roboczego, a pomiędzy częścią wewnętrzną (6b) i częścią zewnętrzną (6a) łącznika (6) jest drugi obszar (8’) do odprowadzenia przecieku płynu roboczego połączony z pierwszymi obszarami (8) do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, pomiędzy sąsiednimi pakietami (A, B).
2. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że boczna ściana (3) pakietów (A, B) jest w postaci ramki.
3. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że część zewnętrzna (6a) łącznika (6) i/lub część wewnętrzna (6b) łącznika (6) ma kształt pierścienia.
4. Wymiennik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że zewnętrzna powierzchnia bocznej ściany części wewnętrznej (6b) łącznika (6) ma kształt beczułkowaty.
5. Wymiennik według zastrz. 1 albo 3, albo 4, znamienny tym, że część zewnętrzna (6a) łącznika (6) połączona jest z częścią wewnętrzną (6b) łącznika (6) poprzeczną ścianą (6c) tak, że drugi obszar (8’) pomiędzy częścią zewnętrzną (6a) i częścią wewnętrzną (6b) podzielony jest na dwa drugie obszary (8’) do odprowadzania przecieku płynu roboczego połączone odpowiednio z pierwszymi obszarami (8) do odprowadzenia przecieku płynu roboczego, pomiędzy sąsiednimi pakietami (A, B).
6. Wymiennik według zastrz. 5, znamienny tym, że poprzeczna ściana (6c) łącznika (6) usytuowana jest ukośnie względem części zewnętrznej (6a) i części wewnętrznej (6b) łącznika (6).
7. Wymiennik według któregokolwiek z zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że część zewnętrzna (6a) łącznika (6) posiada co najmniej jedno podcięcie pozycjonujące (7).
8. Wymiennik według któregokolwiek z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że część wewnętrzna (6b) łącznika (6) posiada co najmniej jedno podcięcie pozycjonujące (7).
9. Sposób wytwarzania wymiennika ciepła według któregokolwiek z zastrz. 1 do 8, w którym zestawia się ze sobą ściany (2, 2’) pakietów (A, B) z elementami turbulizującymi (1), ścianami bocznymi (3) pakietów (A, B) oraz łącznikami (6) a następnie poddaje się procesowi łączenia metodą spajania dyfuzyjnego.