CZ286800B6 - Tepelný výměník - Google Patents

Abstract

Tepelný výměník má jádro (1) opatřeno dvojicí planparalelně uspořádaných tuhých stěn, z nichž alespoň jedna je v kontaktu s jádrem (1) prostřednictvím soustavy pružicích členů (4). Jádro (1) je opatřeno pravoúhlými deskami (10), jejichž první dvojice protilehlých okrajů, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky (10) a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty (11) pro spojení s příslušnými prvními stykovými lištami (11) desky (10), sousedící z jedné strany, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky (10), které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky (10) na opačnou stranu a poté opět vyhnuty vně, tvoří druhé stykové lišty (12) pro spojení s příslušnými druhými stykovými lištami (12) sousední desky (10) z druhé strany, přičemž jádro (1) je uloženo v rámu (2), opatřeném dvojicí planparalelně uspořádaných tuhých stěn, z nichž alespoň jedna je v kontaktu s jádrem (1) prostřednictvím soustavy pružicích členů (4). Mezi dvěma sousedními stykovými lištami (11, 12) desek (10) jádŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká tepelného výměníku s jádrem, tvořeným soustavou rozpěmými prvky ve vzájemném odstupu držených desek, vymezujících kanály pro průchod teplosměnných médií, a uloženým v rámu, opatřeném dvojicí vzájemně planparalelně uspořádaných tuhých stěn.

Dosavadní stav techniky

Je známa celá řada tepelných výměníků, jejichž jádro, tvořené soustavou kanálů pro průtok teplosměnných médií, je uloženo a drženo pohromadě tuhým rámem, který nese též všechny přívody a vývody. Nejznámějším typem je deskový výměník, jehož jádro sestává ze soustavy v odstupu od sebe uspořádaných desek, které mezi sebou vymezují jednotlivé kanály. Pro zamezení nadměrného namáhání vlivem rozdílného tepelného zatížení jednotlivých částí, které se projevuje u svařovaných konstrukcí, bývá utěsnění spár přiléhajících desek též zajištěno jen přítlačnými silami staženého jádra. Ze spisu WO 83/03663 je známo řešení, kde jádro je opatřeno v odstupu od sebe uspořádanými deskami, tvořícími kanály pro průchod teplosměnných médií, kde každá deska má první dvojice protilehlých okrajů, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty pro spojení s příslušnými prvními stykovými lištami desky sousedící z jedné strany, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky tvoří styková čela pro spojení s příslušnými stykovými čely desky na druhé straně pomocí tuhých rozpěmých trámců, uchycených k přilehlým deskám. Z patentového spisu GB 217593 je pak známo obdobné řešení jádra, ale druhá dvojice protilehlých okrajů každé desky jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky na opačnou stranu, než je tomu u první dvojice okrajů, a poté opět vyhnuty vně a tvoří druhé stykové lišty pro spojení s příslušnými druhými stykovými lištami sousední desky z druhé strany. U nesvařovaných jader musí být přítlační síly dostatečně velké během všech provozních režimů, kdy jsou desky opakovaně zahřívány a ochlazovány a tudíž se neustále roztahují nebo smršťují. Teplem vyvolané expansní síly jsou obvykle mnohem větší než přítlačné síly, vyvozené konstrukcí jádra, a každá deska má tak určitou vůli k pohybu vůči přilehlým deskám. Toto uspořádání se vůči plně svařované konstrukci vyznačuje lepší schopností vydržet těžké tepelné rázy během provozu. Na druhé straně vykazuje určitou netěsnost, které se nelze vyhnout. Takováto konstrukce je známa např. z patentové přihlášky PCT číslo US 83/00552, kde se hovoří o pružných rozpěmých prvcích mezi sousedními hranami desek, které mají zachytit uvedené tepelné cykly a omezit pronikání jedné teplosměnné látky, obvykle kapalné, do druhé. Tyto pružné rozpěmé prvky jsou v přímém kontaktu s teplosměnnými médii, jejichž působením, spolu s vysokou teplotou, dochází ke korozi, narušení a únavě rozpěrek, což má za následek pokles přítlačné síly a následně zvýšenou míru prosakování. Známá provedení toto postupné snižování účinku pružných rozpěmých prvků neřeší. Jelikož přítlačné síly, vyvozované pružnými rozpěrkami, jsou poměrně malé, je uvedené provedení při zachování účinného utěsnění vhodné pro jádra, vykazující jistý stupeň přizpůsobivosti, a tedy jen pro jádra, složená z poměrně tenkých desek. Na druhé straně je citlivé na tepelné rázy, k nimž dochází během lychlých náběhů provozu nebo odstavení, kdy se desky mohou dostat do stavu plastické deformace, s níž se rozpěrky již nestačí dostatečně vyrovnat a opět dochází k výraznému prosakování. Uvedená konstrukce je tak vhodná pouze pro nízkotlakové aplikace. Ze spisů GBA-2147295 a EP-A-043113 je známo řešení, kde jádro je v kontaktu se stěnami rámu pomocí pružných členů, uspořádaných uvnitř, resp. vně, rámu. Nedostatkem těchto řešení je nedostatečné kontrola nastavení předpětí jednotlivými pružnými členy.

-1 CZ 286800 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedenou problematiku řeší a nedostatky známých řešení odstraňuje tepelný výměník s jádrem, opatřeným pravoúhlými deskami, jejichž první dvojice protilehlých okrajů, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty pro spojení s příslušnými prvními stykovými lištami desky, sousedící z jedné strany, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky na opačnou stranu a poté opět vyhnuty vně, tvoří druhé stykové lišty pro spojení s příslušnými druhými stykovými lištami sousední desky z druhé strany, a toto jádro je uloženo v rámu, opatřeném dvojicí planparalelně uspořádaných tuhých stěn, z nichž alespoň jedna je v kontaktu s jádrem prostřednictvím soustavy pružících členů, v provedení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi dvěma sousedními stykovými lištami je sevřen tuhý krycí trámec s průchozími otvory pro průtok teplosměnných médií do kanálů jádra. Ve výhodném provedení je v kanále za krycím trámcem umístěna vložka, která je opatřená dvěma planparalelně v odstupu od sebe a souběžně s deskami uloženými plošinami, vymezujícími uvnitř kanálu tři souběžné průchody, přičemž průchozí otvory krycího trámce se směrem dovnitř jádra zužují a v odstupu ústí do vnitřního z těchto průchodů. Dále podle tohoto vynálezu je jádro v kontaktu se stěnami rámu pomocí pružících členů, opatřených ústrojími pro nastavení jejich přítlačné síly. Rovněž podle tohoto vynálezu je jádro opatřeno alespoň jednou krajní tabulí s podélnými a/nebo příčnými průřezy, které jsou přemostěny dutými žebry.

Výhodou tohoto provedení je výrazné omezení prosakování mezi kanály jádra nesvařované konstrukce, neboť je možno nastavit požadované předpětí pro jednotlivé úseky jádra. Tomu podle předmětného vynálezu odpovídá i konstrukce jádra, která takové nastavení nejen umožňuje, ale navíc přináší lepší utěsnění styčných míst. Nová konstrukce jádra navíc vylučuje kondenzaci par v toku horkého média při styku s chladnou částí výměníku, jak je to běžné u známých řešení, a je u ní kompenzován vliv nestejnoměrné tepelné roztažnosti krajních tabulí jádra vlivem nestejnoměrného ohřevu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech, na nichž obr. 1 ukazuje základní uspořádání jádra v rámu, na obr. 2 je nakresleno uložení jádra v rámu pomocí pružících členů, obr. 3 znázorňuje rozložení pružících členů a prvních styčných členů na jádru. Obr. 4 přináší pohled na první výhodné provedení jádra, obr. 5 ukazuje tvarování přilehlých desek jádra podle obr. 4, na obr. 6 je podrobně ukázáno uspořádání desek jádra podle obr. 4, obr. 7 a 8 představují dva typy rozpěmých prostředků a na obr. 9 je znázorněno částečné použití svárů. Obr. 10 představuje další výhodné tvarování desek jádra, jejichž uspořádání je znázorněno na obr. 11. Na obr. 12 je nakreslena krajní tabule jádra a na obr. 13 je detail řezu rovinou B-B podle obr. 12. Obr. 14 představuje příčný řez jedním kanálem jádra, vymezeným dvěma sousedními deskami a opatřeným mezivložkou, na obr. 15 je kanál podle obr. 14 v řezu rovinou A-A a z obr. 16 je zřejmé provedení mezivložky kanálu jádra. Obr. 17 a 18 ukazují různá umístění vstupů a výstupů teplosměnných médií do a z jádra výměníku.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1, je znázorněn tepelný výměník podle vynálezu, opatřený jádrem 1 uloženým v rámu 2. Jádro 1 je tvořeno svazkem plechu, držených ve vzájemném odstupu pomocí rozpěmých prvků, čímž jsou mezi sousedními deskami 10 vymezeny kanály 3 pro průtok teplosměnných médií.

-2CZ 286800 B6

Jak je patrné z obr. 4, jádro 1 sestává z pravoúhlých desek 10, jejichž první dvojice protilehlých okrajů, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky 10 a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty 11 pro spojení s příslušnými prvními stykovými lištami 11 desky, sousedící z jedné strany, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky 10, které jsou rovněž ohnuty v pravém úhlu k ploše desky 10, ale na opačnou stranu, a poté opět vyhnuty vně, tvoří druhé stykové lišty 12 pro spojení s příslušnými, obdobně vytvořenými, druhými stykovými lištami 12 sousední desky 10, přiléhající z druhé strany. Popsaný tvar sousedních desek 10 je uveden na obr. 5. První stykové lišty 11 dvou přilehlých desek 10, které jsou ve vzájemném doteku, tvoří boční stěnu kanálu 3, těmito deskami 10 vymezeného. Dvě druhé stykové lišty 12 týchž desek 10 mezi sebou svírají kiycí trámec 13, který je jedním z použitých rozpěmých prvků. Krycí trámec 13 je tuhé konstrukce a je opatřen průchozími otvory 14, otevírajícími přístup teplosměnných médií do kanálů 3 jádra 1. Průchozí otvory 14 mohou mít libovolný tvar a počet a mohou být podél krycího trámce 13 jakkoliv rozmístěny, je však třeba zajistit dostatečný přívod a odvod teplosměnných médií z jádra 1.

Krycí trámec 13 je držen v poloze přítlačnými silami, vyvozovanými přiléhajícími stykovými lištami 11, 12 každé dvojice sousedních desek 10. Pro lepší těsnicí účinky mohou být mezi vzájemně přiléhající plochy vložena těsnění 16. Styčné plochy 15 stykových trámců 13 mohou být hladké nebo opracovány. Příklad úpravy styčných ploch 15 podélným drážkováním je na obr. 7. Kromě výše popsaných krycích trámců 13, tvořících boční stěny kanálu 3 jádra 1, jsou použity další rozpěmé prvky, které skýtají mechanickou výztuhu deskám 10 a omezují účinky rozdílných tlaků, jímž mohou být desky 10 zjednotlivých stran vystaveny. Obr. 6 ukazuje rozpěrky 17, tvořené oválnými tyčemi, zakotvenými v krycích trámcích 13 a udržujícími dva protilehlé trámce 13 ve stálé poloze bez možnosti, posunu během provozu. Je jasné, že poloha krycích trámců 13 může být mechanicky zajištěna mnoha způsoby a že rozpěrky 17 mohou mít nejrůznější tvar a též jejich případné ukotvení v krycích trámcích 13 může být provedeno mnoha způsoby. To dokládá obr. 8, na němž je poloha krycích trámců 13 je zajištěna ohnutými okraji stykových lišt 11 a rozpěrky 17 mají tvar průlisů v ploše desky 10. Rozpěrky 17 mohou mít též tvar tyček, přivařených na plochu desky 10, jak ukazuje obr. 9. Jak je znázorněno na obr. 4, je celý svazek desek 10 umístěn mezi dvěma tuhými krajními tabulemi ]8, k nimž jsou v rozích pomocí svarů, nýtů či jiných známých prostředků upevněny rohové prvky 19.

Rám 2 sestává z dvojice planparalelně v odstupu od sebe uspořádaných tuhých panelů 20, v dané vzdálenosti držených pomocí tuhých sloupů 21, které jsou knim vrazích upevněny nýtováním, přivařením nebo jinými prostředky. Tato tuhá konstrukce rámu 2 drží jádro 1 pohromadě a zachycuje provozní zatížení. Horní a spodní panel 20 jsou dvě ze šesti stěn, tvořících kryt tepelného výměníku. Zbývající stěny nesou vtoky a výtoky teplosměnných médií. Vzdálenost mezi panely 20 je o něco větší než výška jádra 1, daná vzdáleností mezi krajními tabulemi 18 jádra 1, a takto vzniklé mezery 22 mezi vnější plochou každé krajní tabule 18 a vnitřní plochou příslušného přilehlého panelu 20 jsou vyplněny izolačním materiálem, který zajišťuje, že teplota panelu 20 zůstane na úrovni teploty okolí nebo velmi blízko této hodnotě během provozního zatížení jádra L Z uvedeného je zřejmé, že toto řešení lze uplatnit pro výměníky s různým řešením protékání teplosměnných médií jádrem 1. Vtoky 28 a výtoky 29 mohou být uspořádány jak na stejných, tak na různých stěnách tělesa výměníku. Jejich umístění je řešeno pomocí bočních krytů 23, které zakrývají části vstupů a výstupů z kanálů 3 jádra 1, jak ukazují obr. 17 a obr. 18. Pro usměrnění průtoku médií kanály 3 mohou být rozpěrky 17 zakřiveny a různě tvarovány nebo lze použít samostatných naváděcích lopatek, které zamezí nežádoucímu proudění uvnitř jádra J. Řešení takových rozpěrek 17 nebo naváděcích lopatek je o sobě známo a jejich použití nijak nezasahuje do předmětného řešení. Přesto existuje systém přepážek, tvořící část předmětného vynálezu. V každém z kanálů 3, jímž má proudit ohřívané médium, je na vstupní straně za krycím trámcem 13 umístěna dvouplošná vložka 30. Obě její plošiny 31 mají stejný tvar a jsou ve vzájemném odstupu a planparalelně k deskám 10 drženy o sobě známými prostředky. U provedení na obr. 16 jsou užity kolíky 32, přivařené k plošinám 3L Jak patrné z obr. 14, průchozí otvory 14 přilehlého krycího trámce 13 se směrem dovnitř kanálu 3 tryskovitě

-3CZ 286800 B6 zužují. Tímto tvarem se zvyšuje rychlost přiváděného média, takže na vstupu do kanálu 3 vzniká poměrně silný proud. Rozevření vnitřní štěrbiny 33 průchozího otvoru 14 na vnitřní straně krycího trámce 13 je menší než vzdálenost mezi oběma plošinami 31. Náběžné hrany obou plošin 31 jsou umístěny v odstupu od štěrbiny 33. Silný proud, který štěrbinou 33 vstupuje do vnitřního průchodu 34 mezi oběma plošinami 31, vytváří sací efekt, vyvolávající zpětný tok teplosměnného média krajními průchody 35 mezi každou z plošin 31 a přilehlou deskou 10. Tento zpětný tok, proudící podél části povrchu přilehlých desek 10. se již od nich ohřívá a má tak vyšší teplotu než proud média, přicházejícího z venku. Chladný proud se tak na vstupu míchá s předehřátým tokem, takže médium, procházející kanálem 3, má po celé cestě kanálem 3 teplotu, dostačující pro zamezení možné kondenzace nežádoucích par, často obsažených v proudu teplého média uvnitř jádra 1. Jedná se zejména o kyselé páry, obsažené ve spalinách.

Obr. 2 a obr. 3 ukazují soustavu pružících členů 4, pravidelně rozmístěných mezi každým z panelů 20 a přilehlou krajní tabulí 18 jádra L Každý pružící člen 4 je opatřen pružinou 40, uchycenou pomocí prvního styčného členu ke krajní tabuli 18 a druhého styčného členu k panelu 20. První styčný člen sestává z opěmé podložky 41, spočívající na krajní tabuli 18, o níž se opírá tm 42, který prochází stěnou panelu 20 a je spojen s prvním sedlem 43 pružiny 40, umístěné na vnějším povrchu panelu 20. Druhý styčný člen sestává z pouzdra 44 pružiny 40, které je upevněno na vnějším povrchu panelu 20 a stavěcího členu pro nastavení přítlačné síly pružiny 40. Stavěči člen je umístěn mezi pružinou 40 a jejím pouzdrem 44. Ve znázorněném provedení je stavěči člen tvořen šroubem 45 zasahujícím do pouzdra 44 pružiny 40 a opírajícím se o druhé sedlo 46 pružiny 40. Přítlačná síla pružiny 40, která se nastavuje otáčením šroubu 45, je funkcí vzájemné vzdálenosti obou sedel 43, 46. Tuto vzdálenost indikují jehly 47 k nim upevněné. Pružící členy 4, zvyšující přídržné síly stykových .lišt 11, 12, mohou být umístěny buď jen při jednom z panelů 20, nebo při obou.

Krajní tabule 18, což jsou poměrně tenké membrány, jsou zjedné strany vystaveny toku jednoho z teplosměnných médií a z druhé strany jsou ve styku s tepelnou izolací. Působí tedy na ně mnohem větší tepelná gradient než na desky JO. Zatímco desky 10 uvnitř jádra 1 se mohou vzájemně pohybovat, krajní tabule 18, upevněné k rohovým prvkům 19, mohou jen omezeně pohlcovat tepelné expanzní síly. Tento stav řeší následující úprava krajních tabulí 18. V jejich ploše jsou úhlopříčně vedeny průřezy, překlenuté dutými, souběžně s průřezy vedenými, žebiy, jak ukazují obr. 12 a 13. Tato žebra vyrovnávají veškeré nepravidelnosti v tepelném roztahování krajních tabulí 18. Pochopitelně lze tento problém řešit i jinými prostředky.

Předmětné řešení vzniklo pro nesvařované konstrukce, které se vyznačují volnou tepelnou roztažností jednotlivých desek 10. Lze však využít i svarů 24 pro dokonalé utěsnění okrajů druhých stykových lišt 12, jak znázorněno na obr. 9. Další řešení je uvedeno na obr. 10 a 11. U tohoto provedení je jádro 1 složeno z pravoúhlých desek 10. jejichž první dvojice protilehlých okrajů, která jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky 10 a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty 11 spojené s příslušnými prvními stykovými lištami 11 desky 10, sousedící zjedné strany, prostřednictvím krycího trámce 13 s průchozími otvory 14, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky 10 tvoří styková čela, která jsou spojena s příslušnými stykovými čely desky 10, sousedící na druhé straně, pomocí plných tuhých rozpěmých trámců 27, bez jakýchkoliv otvorů nebo děr, které jsou svary 24 upevněny k oběma přiléhajícím deskám 10. U tohoto provedení vždy dvě sousední desky 10 tvoří tuhou jednotku, avšak každá jednotka má volnost pohybu vůči sousedním jednotkám, neboť jsou navzájem odděleny pouze mezi ně vsunutými krycími trámci 13. Tím zůstávají vlastnosti nesvařované konstrukce v podstatě zachovány.

-4CZ 286800 B6

Průmyslová využitelnost

Předmětný vynález je určen pro tepelné výměníky s nesvařovanou konstrukcí jádra, složeného buď z kovových desek, pokrytých či nepokrytých ochranným povlakem, nebo desek z nekovových materiálů.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelný výměník, s jádrem (1), opatřeným dvojicí planparalelně uspořádaných tuhých stěn, z nichž alespoň jedna je v kontaktu s jádrem (1) prostřednictvím soustavy pružících členů (4), kde jádro (1) je opatřeno pravoúhlými deskami (10), jejichž první dvojice protilehlých okrajů, které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky (10) a poté vyhnuty vně, tvoří první stykové lišty (11) pro spojení s příslušnými prvními stykovými lištami (11) desky (10), sousedící z jedné strany, zatímco druhá dvojice protilehlých okrajů desky (10), které jsou ohnuty v pravém úhlu k ploše desky (10) na opačnou stranu a poté opět vyhnuty vně, tvoří druhé stykové lišty (12) pro spojení s příslušnými druhými stykovými lištami (12) sousední desky (10) z druhé strany, přičemž jádro (1) je uloženo v rámu (2), opatřeném dvojicí planparalelně uspořádaných tuhých stěn, z nichž alespoň jedna je v kontaktu s jádrem (1) prostřednictvím soustavy pružících členů (4), vyznačující se tím, že mezi dvěma sousedními stykovými lištami (11, 12) desek (10) jádra (1) je sevřen tuhý krycí trámec (13), opatřený průchozími otvory (14) pro průtok teplosměnných médií do kanálů (3) jádra (1).
2. 2. Tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že za krycím trámcem (13) je v kanále (3) umístěna vložka (30), opatřená dvěma planparalelně v odstupu od sebe a souběžně s deskami (10) uloženými plošinami (31), vymezujícími uvnitř kanálu (3) tři souběžné průchody, přičemž průchozí otvory (14) krycího trámce (13) se směrem dovnitř jádra (1) zužují a v odstupu ústí do vnitřního průchodu (34).
3. 3. Tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že jádro (1) je v kontaktu se stěnami rámu (2) pomocí pružících členů (4), opatřených ústrojími pro nastavení jejich přítlačné síly.
4. 4. Tepelný výměník podle kteréhokoliv z nároků laž3, vyznačující se tím, že jádro (1) je opatřeno alespoň jednou krajní tabulí (18) s podélnými a/nebo příčnými průřezy, které jsou přemostěny dutými žebry.