EA010519B1 - Теплообменник для охлаждения жидкостей - Google Patents

Abstract

Теплообменник, содержащий по меньшей мере одно впускное отверстие и выпускное отверстие для циркуляции хладагента через него. Каждый теплообменник включает множество тонких секций из материала, размещенного между парой тонких плоских внешних пластин. Каждая из тонких секций материала состоит из параллельных проходов, обеспечивающих прохождение хладагента через впускное отверстие, затем из одной секции в следующую и, в заключение, выходит из выпускного отверстия. Конструкция секций параллельных проходов позволяет хладагенту соприкасаться с большей частью внутренней стенки внешних пластин, обеспечивая максимальный теплообмен. При использовании для охлаждения жидкостей теплообменники размещаются в каркасе и соприкасаются с жидкостью, которая должна быть охлаждена. Когда теплообменники используются для охлаждения жидкости в степени, достаточной для образования кристаллов льда, вращающийся скребок выметает с поверхности теплообменника все кристаллы льда, которые образовались.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к теплообменникам для охлаждения жидкостей.

Уровень техники

Морозильники и холодильники широко известны. Эти типы аппаратов используются в ряде отраслей, включая производство пищевых продуктов, пластмасс, рыболовство и основные применения охлаждения. Холодильники охлаждают жидкости, в общем, до точки выше температуры замерзания, тогда как морозильники, в общем, охлаждают воду или раствор ниже температуры замерзания. Морозильники и холодильники используют теплообменник, который, в общем, охлаждается посредством охлаждающего вещества, которое проходит через внутренние каналы. Вода или любая другая жидкость, которая должна быть охлаждена, подается на поверхность теплообменника. Если жидкость замораживается, то используется множество способов для удаления льда с теплопередающей поверхности, в том числе использование скребка или временное нагревание поверхности для высвобождения льда. Разжиженный лед отличается от пластинок льда тем, что замороженная вода обычно смешивается с солью или какой-либо другой субстанцией для изменения температуры замерзания. Результирующий разжиженный продукт имеет кашеобразную консистенцию и может откачиваться, что делает его предпочтительным для множества вариантов применения, в которых конечный продукт должен перемещаться. Более того, характеристики запаса и переноса энергии превосходят другие типы льда.

Патенты США 5157939 и 5363659, а также патенты США 5632159 и 5918477 раскрывают теплообменник в форме диска с внутренними каналами для прохождения охлаждающего вещества по внутренней части диска. Диск вращается в контакте со стационарным скребковым механизмом, который удаляет лед, образованный на ее поверхности. В патентах США 5157939 и 5363659 диск формируется с двумя сопряженными половинами диска, каждая из которых включает множество пазов на внутренней поверхности. Схема пазов в двух половинах является зеркальным отображением, так что, когда половины состыковываются и спаиваются, соответствующие пазы состыковываются и формируют каналы. Изготовление этого теплообменника влечет за собой химическое травление каждой отдельной половины диска, что является дорогим процессом.

Два устройства согласно патентам США 5632159 и 5918477 раскрывают теплообменник, который сформирован посредством вырезания проточных каналов на тонкой металлической пластине с помощью фрезерного станка. После вырезания каналов тонкая плоская пластина присоединяется к фрезерованной пластине для завершения диска. Хотя фрезерование пластины не так дорого, как ее химическое травление, и в этом процессе обрабатывается на станке только одна пластина, а не обе, это по-прежнему длительный и дорогой процесс. В теплообменниках с плоскими дисками предшествующего уровня техники охлаждающее вещество не контактирует со значительной частью теплопередающей поверхности. Причина этого заключается в том, что должно быть достаточно материала между каналами для предоставления достаточно большой площади поверхности для пайки твердым припоем, чтобы выдерживать давление.

Хладагент в теплообменниках, раскрытых в предшествующем уровне техники, вводится в теплообменник через одно впускное отверстие и удаляется через одно выпускное отверстие. Хладагент направляется компрессором через внутренние каналы. Существует оптимальный диапазон скорости для хладагента. Если скорость слишком мала, эффективность теплообмена снижается, и скорость будет недостаточной для перемещения масла, которое забирается из компрессора, обратно в резервуар компрессора. Если скорость слишком большая, компрессор теряет энергию.

Наличие одного впускного отверстия и одного выпускного отверстия вынуждает весь хладагент проходить через небольшую площадь поперечного сечения. Для фиксированного массового расхода хладагента меньшая площадь поперечного сечения соответствует большей скорости. Таким образом, при одном впускном и выпускном отверстии длина канала и скорость увеличиваются, и следовательно, работа компрессора, который перемещает хладагент в морозильник, существенно возрастает. В теплообменнике предшествующего уровня техники единственным способом уменьшения скорости хладагента является увеличение площади поперечного сечения, что повышает стоимость изготовления.

Следовательно, преимущественным будет морозильник с теплообменником, который имеет меньший перепад давлений, а также скорость хладагента, которая может быть уменьшена до оптимального диапазона.

Дополнительно будет преимущественным иметь теплообменник для использования в холодильнике или морозильнике, который может изготавливаться с небольшими затратами.

Дополнительно будет преимущественным иметь теплообменник, в котором каналы для охлаждающего вещества позволяют хладагенту в большей степени входить в тепловой контакт с большей частью поверхности диска для повышения теплоотдачи.

Дополнительно будет преимущественным иметь теплообменник с плоской пластиной, в котором внешние стенки являются тонкими, с тем чтобы обеспечить высокую теплоотдачу, но при этом могут противостоять высокому давлению хладагента.

Другая задача заключается в обеспечении морозильника с теплообменниками с тонкими пластинами, которые обеспечивают одновременное соскабливание с нескольких теплопередающих поверхностей

- 1 010519 с помощью одного приводного двигателя и небольшой дополнительной мощности для каждой дополнительной поверхности.

Еще одна дополнительная задача заключается в обеспечении механизма скребка для морозильника, который является простым, надежным и легким в обслуживании и требует небольшой очистки при обслуживании.

Сущность изобретения

В одном варианте изобретение направлено на теплообменник, содержащий, по меньшей мере, одно впускное отверстие для текучей среды, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для текучей среды, первую внешнюю пластину и вторую внешнюю пластину и внутренний слой. Внутренний слой герметично размещен между первой и второй внешними пластинами. Внутренний слой, по меньшей мере, частично определяет один ряд каналов для текучей среды. Каждый канал для текучей среды частично определяется посредством внутренней поверхности одной из внешних пластин и внутреннего слоя. По меньшей мере один ряд каналов для текучей среды составляет по меньшей мере один проход между по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды и по меньшей мере одним выпускным отверстием для текучей среды.

В другом варианте изобретение направлено на теплообменник, содержащий по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды, по меньшей мере одно выпускное отверстие для текучей среды, первую внешнюю пластину и вторую внешнюю пластину и внутренний слой. Внутренний слой герметично размещен между первой и второй внешними пластинами. Внутренний слой, по меньшей мере, частично определяет по меньшей мере один проход между по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды и по меньшей мере одним выпускным отверстием для текучей среды. Внутренний слой необязательно может включать множество секций, каждая из которых определяет один или более сегментов прохода. Секции сопрягаются в конфигурации головоломки, чтобы составить проточную часть внутреннего слоя.

В одном варианте изобретение содержит холодильник или морозильник с теплообменником. Теплообменник включает плоскую верхнюю и нижнюю пластины, в основном, одинаковой формы, по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды и по меньшей мере одно выпускное отверстие для текучей среды, каждое из которых размещается в точке ниже или на краю пластин, а также множество секций в конфигурации головоломки между верхней и нижней пластинами. Каждая из секций содержит тонкую часть материала с параллельными проточными каналами. Конфигурация головоломки секций позволяет текучей среде непрерывно проходить из впускного отверстия через различные секции и выходить из выпускного отверстия. Дополнительная особенность данного варианта заключается в том, что секции сконфигурированы таким образом, чтобы большая часть внутренней поверхности верхней и нижней пластин соприкасалась с текучей средой, проходящей через секции. В одном варианте осуществления изобретения секции параллельных проточных каналов выполнены из гофрированного материала, и конфигурация головоломки симметрична внутри пластин. Дополнительно, каждое впускное отверстие и выпускное отверстие имеет такие размеры, чтобы текучая среда проходила через большое количество проточных каналов. В преимущественном варианте предусмотрено два впускных отверстия и два выпускных отверстия, каждое из которых равномерно расположено по краю верхней и нижней пластины. В вышеупомянутом варианте верхняя и нижняя пластины каждая включает часть внутреннего кольца и внешнего кольца, где внутреннее и внешнее кольца выступают за пределы секций проточных каналов. Проход текучей среды через секции предпочтительно включает текучую среду, проходящую через впускное отверстие в направлении внутреннего кольца, затем проходящую вокруг внутреннего кольца в направлении выпускного отверстия перед направлением назад и вперед, сначала в направлении впускного отверстия, затем в направлении выпускного отверстия, вдоль каналов, последовательно более близких к внешнему кольцу, и, наконец, через выпускное отверстие.

Другой вариант настоящего изобретения относится к устройству для соскабливания материала между двумя пластинами, которое содержит вал, проходящий перпендикулярно через центр пластин, полый патрон, размещенный между пластинами, с длиной, достаточной для достижения края пластин, множество скребков, размещенных вдоль патрона, внутренний патрон со средством его крепления к валу, размещенный таким образом, чтобы внутренний патрон находился в скользящем зацеплении с полым патроном, средство вращения вала и съемное средство соединения внутреннего патрона с полым патроном. В одном варианте средство крепления является пластиной, приваренной к внутреннему патрону и привинченной к валу. Кроме того, съемным соединяющим средством может быть болт, который может сниматься так, чтобы полый патрон мог выскальзывать. Форма скребкового механизма предпочтительно такова, что он является реверсивным, так, чтобы, когда его край, который соприкасается с теплопередающей поверхностью, износился, можно было использовать противоположный край, тем самым продлевая срок службы скребкового механизма.

В другом варианте изобретение относится к морозильнику, который содержит каркас, множество теплообменников с тонкими пластинами, размещенных параллельно в каркасе, средство для непрерывной подачи раствора через теплообменники и средство соскабливания для удаления кристаллов льда, которые формируются на поверхности теплообменников. В одном варианте осуществления изоляцион

- 2 010519 ные панели крепятся к каркасу для создания, в основном, герметичного отсека.

В другом варианте изобретение относится к способу установления общего непрерывного прохода из впускного отверстия в выпускное отверстие через теплообменник, занимающий по существу всю площадь поверхности между впускным отверстием и выпускным отверстием, при этом способ содержит этапы, на которых обеспечивают множество секций, причем каждая секция составлена из параллельного набора проточных каналов; разрезают каждую секцию под одним или более углами к выбранным группам параллельных проточных каналов; сопрягают края каждой секции с одной или более другими секциями, тем самым заставляя изменять направление прохода; и собирают секции в конфигурации головоломки. Каждая секция может включать все смежные и параллельные каналы в любой заданной точке, посредством чего секция может включать параллельные проходы в противоположных по отношению друг к другу направлениях.

Другие аспекты и преимущества устройства будут очевидными из последующего подробного описания и прилагаемых чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - прозрачный вид спереди теплообменника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 1а - прозрачный вид теплообменника, показанного на фиг. 1, с отдельными проточными каналами, удаленными для ясности, чтобы проиллюстрировать проходы хладагента через теплообменник.

Фиг. 2 - вид спереди морозильника в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащий теплообменник, показанный на фиг. 1.

Фиг. 3 - поперечный разрез вдоль линии 3-3 на фиг. 2.

Фиг. 4 - вид сбоку скребкового механизма с одной стороны пластины.

Фиг. 5 - вид с торца базовой пластины, присоединяющей скребок к валу.

Фиг. 6а - вид сверху верхней перемычки от скребкового механизма на фиг. 4 со скребком, прикрепленным к ней.

Фиг. 6Ь- вид сверху верхней перемычки на фиг. 6а без скребков.

Фиг. 6с - вид сверху средней перемычки скребка.

Фиг. 66 - вид сверху нижней перемычки скребка.

Фиг. 7 - вид сбоку поворотного вала, соединяющего скребок с перемычкой.

Фиг. 8 - вид сбоку скребкового механизма, используемого между двумя пластинами.

Фиг. 9а - вид сверху перемычки от скребкового механизма на фиг. 7 с парой скребков, прикрепленных к ней.

Фиг. 9Ь - вид сверху перемычки на фиг. 9а без скребков.

Фиг. 10 - вид сбоку распылительной трубки, используемой со скребком на фиг. 8.

Фиг. 11 - вид сверху секций альтернативной конфигурации головоломки между пластинами.

Фиг. 11а - прозрачный вид теплообменника, показанного на фиг. 11, с отдельными проточными каналами, удаленными для ясности, чтобы проиллюстрировать проходы хладагента через теплообменник.

Фиг. 12а - увеличенный разрез сбоку части теплообменника, показанного на фиг. 1.

Фиг. 12Ь - увеличенный разрез сбоку альтернативной конфигурации части теплообменника, показанного на фиг. 12а.

Фиг. 13 - вид сверху секций другой альтернативной конфигурации головоломки между пластинами.

Фиг. 14 - вид сверху секций в конфигурации головоломки, когда устройство имеет только одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие.

Фиг. 14а - прозрачный вид теплообменника, показанного на фиг. 14, с отдельными проточными каналами, удаленными для ясности, чтобы проиллюстрировать проходы хладагента через теплообменник.

Фиг. 15 - вид сверху другой конфигурации головоломки секций, когда имеется только одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие.

Фиг. 16 - вид спереди альтернативного варианта осуществления морозильника, в котором теплообменники размещены горизонтально.

Фиг. 17 - вид сверху конструкции сборочного лотка и механической щетки, расположенных горизонтально.

Фиг. 18 - вид сверху скребкового механизма для использования с горизонтальными пластинами.

Фиг. 19 - вид сбоку одной пары скребков для одновременного соскабливания с двух горизонтальных пластин.

Фиг. 20 - вид сбоку одного скребкового элемента для соскабливания с горизонтальной пластины.

Фиг. 21 - вид сверху скребкового элемента, который соприкасается с горизонтальной пластиной.

Фиг. 22 - частично прозрачный вид в перспективе морозильника в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 22а - вид сбоку корпуса, показанного на фиг. 22.

Подробное описание варианта осуществления изобретения

Со ссылкой на фиг. 3, показан морозильник 10 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Морозильник 10 содержит множество теплообменников 12 с плоской пласти

- 3 010519 ной в опорном каркасе 14, скребковый механизм 15 и систему 17 подачи жидкости. Со ссылкой на фиг. 12а, каждый теплообменник выполнен из первой внешней пластины 42, второй внешней пластины 44 и внутреннего слоя 45, размещенного между первой и второй внешними пластинами 42 и 44. Внутренний слой 45 включает множество частей 47 стенок, каждая из которых имеет два продольных края 49. Вдоль одного или обоих продольных краев 49 часть 51 ножки может быть неразъемно прикреплена к части 47 стенки. Одна или две части 51 ножки присоединяют части 47 стенки к одной или обеим внешним пластинам 42 и 44. При присоединении к внешним пластинам 42 и 44 части 47 стенок разделяют и определяют проточные каналы 53, которые используются для транспортировки хладагента через теплообменник 12. Каналы 53 выполнены с возможностью обеспечения прохода хладагента между одним или более впускными отверстиями 32 хладагента и одним или более выпускными отверстиями 34 хладагента. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, показан теплообменник 12, имеющий два впускных отверстия 32 и два выпускных отверстия 34, тем не менее, альтернативно возможно, чтобы теплообменник 12 имел меньшее или большее количество впускных отверстий 32 и выпускных отверстий 34.

Следует отметить, что проход содержит все каналы, сформированные посредством трехслойной структуры между внешними пластинами и внутренним слоем, которые проходят из впускного отверстия для текучей среды в соответствующее выпускное отверстие для текучей среды. В отличие от этого, термин сегмент прохода используется для определения части прохода между впускным отверстием и выпускным отверстием, причем следует понимать, что только ряд соседних каналов, которые выровнены в параллельной конфигурации по длине прохода (через все секции внутреннего слоя, находящиеся в сегменте прохода), принадлежит одному сегменту.

Обратимся к фиг. 1а. Посредством присоединения части 47 стенки к внешним пластинам 42 и 44 с помощью частей 51 ножек достигается несколько преимуществ. Одно преимущество заключается в том, что часть 47 стенки может быть выполнена относительно тонкой, так, чтобы относительно большее количество частей 47 стенок и связанных частей 51 ножек могло размещаться между внешними пластинами 42 и 44. Это, в свою очередь, обеспечивает относительно большее количество конструктивных элементов между первой и второй внешними пластинами 42 и 44.

Это, в свою очередь, определяет теплообменник 12 для сопротивления деформации теплообменника, когда хладагент циркулирует между каналами 53 под давлением.

Теплообменник 12 предпочтительно может подвергаться давлению между 30 рад (207 кПа) и 300 рад (2070 кПа) и, таким образом, может быть выполнен так, чтобы противостоять по меньшей мере до 300 рад (2070 фунт на квадратный дюйм). Тем не менее, в некоторых требованиях от теплообменника 12 может требоваться противостоять давлениям, которые превышают ожидаемое минимальное внутреннее давление при использовании. Например, теплообменник 12 может быть выполнен так, чтобы противостоять давлению приблизительно до 450 рад (3100 кПа) для соответствия местному законодательству некоторых требований.

За счет относительно тонких частей 47 стенок общая площадь поверхности пластин 42 и 44, которая соприкасается с частями 47 стенок, относительно небольшая. Это обеспечивает относительно большую площадь поверхности соприкосновения между пластинами 42 и 44 и каналами 53, что упрощает поддержание выбранных температур пластин 42 и 44. Толщина частей 47 стенок показана в Тет. Толщина Тет может быть, например, около 0,008 (0,2 мм). Ширина канала между соседними определяющими канал парами частей 47 стенок показана в \Ус и может составлять приблизительно 3/16 (4,8 мм). Следует понимать, что ширина канала \¥с не должна быть одинаковой, и что термин ширина канала означает часть канала 53, в которой есть поверхность раздела жидкости с внешними пластинами 42 и 44.

Отношение толщины части стенки Тет к ширине канала \¥с может быть меньше приблизительно 1:8, более предпочтительно, между приблизительно 1:18 и приблизительно 1:25, более предпочтительно, меньше приблизительно 1:20 и может быть между приблизительно 1:20 и приблизительно 1:25, например, приблизительно 1:22,5.

За счет относительно большего количества конструктивных элементов (т.е. частей 47 стенки) между первой и второй пластинами 42 и 44 толщина первой и второй пластин 42 и 44 может поддерживаться относительно небольшой. Толщина первой и второй пластин 42 и 44 показана в Тр1 и Тр2, соответственно. Толщина Тр1 и Тр2 может составлять приблизительно 0,120 (3 мм) и меньше.

Части 51 ножек, которые крепятся к частям 47 стенок, имеют толщину ТТ, которая может быть такой же, что и толщина Тет частей 47 стенок. Части 51 ножек предпочтительно относительно тонкие, так, чтобы они могли незначительно создавать помехи при охлаждении материала, размещающегося на внешних поверхностях внешних пластин 42 и 44. Части 51 ножек обеспечивают крепление частей 47 стенки к первой и второй внешним пластинам 42 и 44 по относительно значительной площади поверхности, тем самым обеспечивая относительно надежное и герметичное крепление, при этом части 47 стенок могут быть относительно тонкими.

Части 47 стенок и части 51 ножек могут быть выполнены за одно целое в части 40 из гофрированного листового материала. Множество таких секций 40 может быть сопряжено, с тем, чтобы каналы 53 направляли хладагент вдоль набора выбранных параллельных проходов между впускными отверстиями

- 4 010519 и выпускными отверстиями 34. Проходы могут быть выполнены так, чтобы быть, в основном, извилистыми для повышения величины теплообмена, который осуществляется на единицу объема хладагента, который проходит через теплообменник 12. Термин извилистый означает сегмент прохода, в котором направление постепенно (с помощью множества границ разделения от 90 до 180 градусов на границах секций) или сразу (с помощью, по меньшей мере, одного острого угла границы раздела секции) частично меняло направление на противоположное, по меньшей мере, один раз по ν-образной форме, а обычно множество раз в волнообразной форме. Например, как показано на фиг. 13, ν-образная форма каналов в границах раздела секций может повторяться несколько раз в одном сегменте прохода.

Изготовление внутреннего слоя 45 из множества сопряженных секций 40 из гофрированного листового материала обеспечивает надлежащее направление проходов, обеспечивает структуру относительно тонких стенок, как и для частей 47 стенок, так и для внешних пластин 42 и 44, а также обеспечивает относительно недорогой путь включения этих преимущественных признаков в теплообменник 12. Секции 40 сопрягаются в конфигурации головоломки, хотя их формы в горизонтальной проекции не ограничены никоим образом традиционными формами головоломок.

Термин гофрированный используется в широком смысле для определения волнообразной формы изгибов, которые определяют высоту и ширину каналов, через которые проходит текучая среда в теплообменнике. Форма, образованная изгибами, важна до такой степени, в которой она определяет размеры канала, включая, по меньшей мере, частично поверхность, лежащую в одной плоскости с внешними пластинами 42 и 44. Эта лежащая в одной плоскости поверхность, упомянутая как части 51 ножек стенок каналов, имеет ширину XVI. которая относится к доступной контактной поверхности, достаточной для формирования соединения с внешними пластинами 42 и 44, когда слой гофрированного листового материала герметично прикреплен к внешним пластинам, например, посредством пайки твердым припоем. Эта контактная область максимизируется, когда изгибы выполнены под углом 90 градусов, тем не менее, следует принимать во внимание, что изгибы, имеющие частично криволинейный профиль, могут быть преимущественно использованы, хотя и с немного меньшей контактной поверхностью. Следует принимать во внимание, что чем меньше части 51 ножек, тем больше площадь контактной поверхности, которая находится непосредственно между хладагентом и внешней пластиной 42 или 44 (см. фиг. 12Ь). Таким образом, конфигурация гофров может выбираться так, чтобы обеспечивать выбранный компромисс между величиной площади поверхности уплотнения и величиной требуемого прямого контакта текучей среды с внешней пластиной.

Выбранная конфигурация секций 40 показана на фиг. 1. Дополнительные конфигурации секций 40, которые обеспечивают различные проходы между одним или более впускными отверстиями 32 и одним или более выпускными отверстиями 34, показаны на фиг. 11, 13, 14 и 15. Более конкретно, на фиг. 1, 11 и 13 показан теплообменник 12 с набором проходов между двумя впускными отверстиями 32 и двумя выпускными отверстиями 34. На фиг. 14 и 15 показан теплообменник 12 с набором проходов между одним впускным отверстием 32 и одним выпускным отверстием 34.

Каждая секция 40 может вырезаться под ненулевым углом относительно одной или более соседних секций 40 так, чтобы при сопряжении секций по внешним краям каналы 53, выполненные посредством гофров, меняли направление с одной секции 40 на другую секцию 40. Вторая секция 40 примыкает к другой секции 40 для повторного изменения направления потока и т.п., чтобы установить общий проход из впускного отверстия 32 к выпускному отверстию 34. Каждая секция 40 может включать все смежные и параллельные каналы в любой заданной точке, либо секция 40 может включать параллельные проходы в противоположных друг другу направлениях.

Внутренний слой 45 может включать внешнее кольцо 48 для герметичного скрепления первой и второй пластин 42 и 44 по внешним поверхностям, чтобы не допустить утечки хладагента с внешних поверхностей теплообменника 12. Опорные перемычки 50 с отверстиями могут быть предусмотрены над внешним кольцом 48 для установки теплообменника 12 на опорный каркас 14. Перемычки 50 могут принимать соединительные стержни 100 (фиг. 3), которые крепятся к каркасу 14. Распорки 22 могут быть предусмотрены на стрежнях 50 между соседними парами теплообменников 12 и между теплообменниками 12 и каркасом 14, для крепления одного или более теплообменников 12 в выбранной позиции. Внешнее кольцо 48 может проходить вокруг части каналов внутреннего слоя 45 (т. е. секций 40), а также вокруг впускных отверстий 32 и выпускных отверстий 34.

Термин герметично означает свойство трехслойной структуры (т.е. две внешних пластины 42 и 44 и внутренний слой 45), которое предотвращает вытекание теплообменной среды (хладагента) из трехслойной структуры при высоком давлении, например, давлении в диапазоне приблизительно от 50 рйд (340 кПа) до 300 рйд (2070 кПа). В частности, когда средой является хладагент, важно скреплять слои таким герметичным образом, чтобы предотвращать экологические проблемы, связанные с вытеканием хладагента из теплообменника 12.

Теплообменник 12 может иметь сквозное отверстие 55 для вала, которое позволяет приводному валу 16, являющемуся частью скребкового механизма 15, проходить через него для прикрепления к скребкам 26 по обеим сторонам теплообменника 12. Предполагается, что в некоторых вариантах осуществления, если теплообменник используется в качестве холодильника, то теплообменник 12 не обязательно

- 5 010519 должен иметь сквозное отверстие 55 для вала.

Внутренний слой 45 включает внутреннее кольцо 46, которое герметично скрепляет первую и вторую пластины 42 и 44 по их внутренней периферии над сквозным отверстием 55, чтобы не допустить утечки хладагента с внутренних поверхностей теплообменника 12.

Каждый из элементов теплообменника, в том числе первая и вторая пластины 42 и 44, внутреннее и внешнее кольца 46 и 48 и секции 40, могут быть изготовлены из надлежащего материала, такого как металлический материал.

Прикрепление внешнего кольца 48, внутреннего кольца 46 и частей 51 ножек к внешним пластинам 42 и 44 может осуществляться любым подходящим способом, например пайкой, твердым припоем.

Примерный проход через конфигурацию головоломки секций 40 может быть описан следующим образом, со ссылкой на фиг. 1 и 1а. Хладагент проходит в теплообменник 12 через впускное отверстие, показанное как 32а, и идет вдоль секции 40а в направлении внутреннего кольца 46. После прохождения через секцию 40а часть хладагента направляется с конца каналов 53 в секции 40а в секцию 40Ь, изменяя направления и перемещаясь вдоль внутреннего кольца 46. Из секции 40Ь хладагент проходит в секцию 40с и затем в секцию 406, где текучая среда изменяет направление и выходит из внутреннего кольца 46 за короткий период. Хладагент проходит из секции 406 обратно в секцию 40с по другому набору каналов, которые образованы через секцию 40с в направлении к секции 406. Из секции 40с хладагент проходит обратно в секцию 40Ь и затем обратно в секцию 40а. Как видно посредством стрелок 52, хладагент продолжает проходить через секции 40 до тех пор, пока не достигнет выпускного отверстия, показанного как 34а. Проход, показанный между впускным отверстием 32а и 34а, проходит через одну четверть теплообменника 12, показанного на фиг. 1. Следует отметить, что некоторая часть хладагента, которая попадает в теплообменник 12, также проходит к выпускному отверстию, показанному как 34Ь, в другой четверти теплообменника 12. Хладагент также проходит по аналогичной схеме через впускное отверстие, показанное как 32Ь, в каждое из выпускных отверстий 34а и 34Ь.

Следует отметить, что, по меньшей мере, в некоторых секциях 40, таких как секция 40Ь, хладагент перемещается по некоторым каналам 53 в одном направлении, а по другим каналам -в противоположном направлении.

Дополнительно, следует отметить, что в соединениях между, по меньшей мере, некоторыми парами соседних секций, например, в соединении между частью секций 406 и 40с, каналы 53 пересекаются под острыми углами так, чтобы хладагент проходил обратно до некоторой степени. Посредством обеспечения, по меньшей мере, некоторых соединений между соседними секциями, в которых каналы 53 пересекаются под острыми углами, может обеспечиваться извилистый проход.

Следует отметить, что в некоторых других соединениях между, по меньшей мере, некоторыми парами соседних секций, например, соединении между секциями 40Ь и 40с, каналы 53 пересекаются под тупыми углами. Эти соединения могут быть обеспечены между последовательными парами соседних секций 40 для относительно постепенного изменения направления прохода хладагента с одного на другое. Например, проход, обеспеченный посредством теплообменника 12 на фиг. 14 и 14а, включает только соединения под тупыми углами между соседними парами секций 40. В теплообменнике 12, показанном на фиг. 14 и 14а, общий проход имеет форму, которая, как правило, соответствует кольцеобразной форме теплообменника 12 и не поворачивается обратно. Посредством обеспечения, по меньшей мере, некоторых соединений, где каналы 53 пересекаются под тупыми углами в соседних секциях 40, перепад давлений, обусловленный общим изменением направления потока, снижается.

Посредством обеспечения двух впускных отверстий 32 и двух выпускных отверстий 34, общее расстояние, проходимое каждой четвертью хладагента, ограничено одним квадрантом теплообменника. Это уменьшает общий перепад давлений, испытываемый всем потоком хладагента по теплообменнику, поскольку перепад давлений изменяется пропорционально длине пути, пройденному хладагентом.

В данной области техники существуют компромиссы при увеличении длины пути прохождения хладагента. С одной стороны, большая длина пути увеличивает время, в течение которого хладагент должен удалять тепло из материала, с которым соприкасается, что делает теплообмен более эффективным. Меньшая длина пути уменьшает давление, требуемое для перемещения хладагента и, следовательно, снижает нагрузку на компрессор или другое устройство, приводящее в движение поток хладагента. Множество конфигураций головоломок секций 40 может использоваться в теплообменнике 12. Установлено, что конфигурации, показанные на фиг. 1 и 13, оптимизируют компромисс между более короткими и более длинными путями для блоков различных размеров, при этом обеспечивая полное покрытие площади поверхности пластины.

Внутренний слой 45 содержит часть внешней границы, которая состоит из внешнего кольца 48, часть прохода, которая может состоять из секций 40 из гофрированного листового металла, и необязательно часть внутренней границы, которая состоит из необязательного внутреннего кольца 46. Часть прохода может охватывать область, которая равна между приблизительно от 50% до 95% области внутреннего слоя 45, в зависимости от определенных факторов, таких как, имеет или нет теплообменник 12 сквозное отверстие 55 для вала, а также общего размера теплообменника 12. В некоторых вариантах осуществления часть прохода может составлять приблизительно от 75 до 90% области внутреннего слоя

- 6 010519

45, а предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 85% области внутреннего слоя 45, а более предпочтительно, по меньшей мере, 88% области внутреннего слоя 45.

Далее описывается скребковый механизм 15. Через теплообменники 12, которые могут быть выровнены вертикально, в основном, в параллельной позиции, проходит центральный вал 16, который может поддерживаться снаружи каркаса 14 посредством пары подшипников 18. Вал 16 приводится во вращение посредством двигателя 102 через коробку передач 103. Множество резьбовых стержней 100 проходит через отверстия 101 в опорных перемычках 50 с отверстиями, которые устанавливаются на опорный кронштейн 20. Стержни 100, кронштейны 20 и распорки 22 могут удерживать теплообменники 12 в вертикальной позиции, как показано на фиг. 3, и плотно крепятся посредством гаек 24.

Между самым крайним теплообменником и каркасом 14 размещается внешний скребковый механизм 26, показанный на фиг. 4, тогда как внутренний скребковый механизм 28, показанный на фиг. 8, размещается между двумя теплообменниками 12.

Хладагент проходит в морозильник 10 через множество соединений 30 (фиг. 3) и затем нагнетается в каждый теплообменник 12 посредством впускных отверстий 32 (фиг. 2). После прохождения хладагента через теплообменник 12 он выходит через выпускные отверстия 34 (фиг. 2) и возвращается наружу через соединения 30 (фиг. 3). Свежая вода, соленая вода или любая другая жидкость, которая должна быть охлаждена, нагнетается в морозильник 10 через вал 16, затем распыляется по поверхности теплообменников 12 из форсунок 36. Для скребкового механизма 26, который очищает самый крайний теплообменник, форсунки 36 размещаются на задней части скребкового механизма 26. Хотя можно помещать форсунки 36 в скребковый механизм 28, который счищает две пластины одновременно, предпочтительно помещать их в отдельную распыляющую трубу 92. Скребковые механизмы 26, 28 затем вращаются посредством вала 16, удаляя смесь воды-льда с поверхности теплообменников 12 и заставляя ее спускаться в колпак 38. Из колпака 38 смесь воды-льда закачивается в резервуар (не показан), где лед отделяется, и вода закачивается обратно в морозильник 10. Множество изоляционных панелей 60 привинчено к каркасу, создавая термически изолированный отсек.

На фиг. 4-10 показаны варианты осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4 показан внешний скребковый механизм 26, который содержит патрон 54, который привинчен к валу 16 посредством использования опорной пластины 56 (показана на фиг. 5). К краю патрона 54 приварена верхняя перемычка 62, показанная на фиг. 6Ь, тогда как средние перемычки 64 (показанные на фиг. 6с) разнесены равномерно вдоль патрона 54, а нижняя перемычка 66 (фиг. 66) приварена к основанию патрона 54 рядом с валом 16. Множество скребков 58 проходит по длине патрона 54, крепится к перемычкам посредством поворотного вала 68, показанного на фиг. 7, где заплечик 70 плотно закрепляет его на месте. Скребки 58 предпочтительно являются пластиковыми для изготовления разжиженного льда и металлическими для пластинок льда.

На фиг. 6а и 6Ь показано, что в гнезде 72 каждой перемычки неподвижно размещается первый стержень 74, который имеет второй стержень 76, приваренный к первому стержню 74 и перемычке. Между первым стержнем 74 и вторым стержнем 76 неподвижно размещается резиновый упор 78. Этот резиновый упор 78 отталкивает скребок 58 от стержня 74 и придавливает угол 80 скребка к теплообменнику 12 с плоской пластиной. Форма скребка 58 позволяет его легко перемещать в противоположное направление, когда угол 80 изнашивается, и использовать второй угол, тем самым продлевая срок использования скребка. По противоположной от скребка 58 стороне патрона 54 находится множество форсунок 36. Когда вода закачивается в вал 16, она проходит вверх через внутреннюю часть патрона 54 и распыляется из форсунок 36 по мере того, как патрон 54 вращается вместе с валом.

На фиг. 8 показан внутренний скребковый механизм 28, который используется между двумя теплообменниками 12 с плоскими пластинами. Предусмотрен внутренний патрон 82, который приварен к опорной пластине 56 (фиг. 5) и прикручен к валу 16. Дополнительный полый патрон 84 скользит по внутреннему патрону 82, обрамляя его. Съемный болт 86 закрепляет полый патрон 84 к внутреннему патрону 82 и за счет этого к валу 16. Множество перемычек 88 приварено к полому патрону 84. Предусмотрено две группы скребков 58, которые крепятся к перемычке 88 посредством двух отдельных поворотных валов 68 (показаны на фиг. 7). Каждая пара скребков 58 по длине патрона 84 разделяется упором 78. Стержень 90 приварен к перемычкам 88 и плотно закрепляет упоры 78. Упоры 78 отталкивают скребки 58 друг от друга в направлении соответствующих пластин 12 теплообменников. Эта конструкция позволяет легко обслуживать внутренние скребки. Вместо снятия теплообменников 12 с плоскими пластинами все что требуется -это откручивание болта 86, и патрон 84 может выскользнуть из промежутка между теплообменниками. Более того, поскольку патрон 84 по диаметру составляет меньше половины от теплообменника 12, необходимая область обслуживания вокруг морозильника небольшая.

Как показано на фиг. 10, на противоположной стороне вала 16 от внутреннего патрона 82 расположена распылительная труба 92, которая приварена к опорной пластине 56 и прикручена к валу 16. Вдоль длины этой трубы 92 размещено множество форсунок 36. По мере того как вода проходит в вал 16, она проходит через трубу 92 и выходит через форсунки 36, распыляющие воду по поверхностям теплообменника 12.

На фиг. 16 показан альтернативный вариант осуществления морозильника с пластинами, разме

- 7 010519 щенными горизонтально. Такое размещение применяется, когда высота ограничена, например, на борту рыболовного судна. На фиг. 16 элементы имеют аналогичную нумерацию, морозильник 210 содержит множество теплообменников 12 с плоскими пластинами в верхнем каркасе 209, поддерживаемом нижним каркасом 208. Через теплообменники 12, которые выровнены горизонтально, в основном, в параллельном размещении проходит центральный вал 16, который поддерживается снаружи верхнего каркаса 209 и под сборочным лотком 206 посредством пары корпусов подшипников 18.

Между пластиной самого крайнего теплообменника и верхним каркасом 209 размещен внешний скребковый механизм 201, тогда как внутренний скребковый механизм 202 размещен между двумя пластинами 12 теплообменника. Хладагент проходит в морозильник 210 через множество соединений и затем нагнетается в теплообменник 12. Свежая вода, соленая вода или любая другая жидкость, которая должна быть заморожена, нагнетается в морозильник 210 через вал 16, затем распыляется по поверхности теплообменников 12 из форсунок в скребковых механизмах 201, 202. Скребковые механизмы 201, 202 затем вращаются валом 16, удаляя смесь воды-льда с поверхности теплообменников 12. Лед выталкивается наружу, направляемый посредством ориентирования скребковых механизмов 202, 201 в направлении наружу. Когда лед проходит через самый дальний край пластины 12, он падает в лоток 206. На фиг. 17 показан вид сверху лотка 206. В лотке 206 находится механическая щетка 203, прикрепленная к валу 16, которая вращается вместе с валом 16, выметая лед, который падает в лоток 206. Лоток имеет перфорированную секцию 212. Когда механическая щетка 203 проходит через перфорированную секцию 212, лед падает через перфорированную секцию 212 и собирается в сборник 205. Затем лед откачивается из морозильника через выпускное отверстие 204 в резервуар (не показан), где лед отделяется, и вода закачивается обратно в морозильник 210. Скошенные углы 207 обеспечивают то, что, когда лед падает в лоток 206, он соскальзывает в секцию лотка 206, имеющую механическую щетку 203.

Скребковые механизмы 201, 202 показаны на фиг. 18 и содержат патрон с множеством скребков 220. Каждый скребок 220 имеет фиксатор 223 с верхней секцией 226, задней секцией 224 и передней секцией 225 и двумя боковыми секциями 222 для удержания элемента 221 скребка. Сжимаемый упор 230 поддерживает направленное наружу давление на элемент 221 скребка, удерживая его в контакте с пластиной 12 теплообменника.

Скребки 220 разнесены вдоль патрона таким образом, чтобы последовательные скребки 220 размещались на расстоянии примерно ширины одного скребка 220. Скребки 220 на противоположных сторонах вала выровнены вдоль патрона таким образом, чтобы круговая траектория, вычерчиваемая любым скребком 220, проходила через скребки на противоположной стороне. Элементы 221 скребка имеют края 229 скребка, которые направлены наружу под углом так, чтобы проталкивать лед вперед и, в конце концов, над краем пластины 12. Последовательные элементы скребка могут располагаться под увеличивающимся наружу углом так, чтобы те, которые находятся ближе к валу, были под углом ближе к параллели направления длины патрона, а те, которые ближе к краю пластины 12, были выровнены ближе к перпендикуляру к направлению длины патрона. Направленные под различными углами элементы скребка не являются важными для конструкции. Штырь 227 используется для соединения элемента скребка с фиксатором 223, при этом шуруп, завинченный в резьбу 228, плотно крепит штырь 227 на месте.

В случае внешнего скребкового механизма 201, который соскабливает самую крайнюю сторону внешней пластины 12, скребки 220 должны быть приварены к патрону, прикрученному к валу. Внутренние скребковые механизмы 202, которые размещаются между двумя пластинами и соскабливают боковые стороны этих пластин одновременно, имеют скребки 220, приваренные к полому патрону, который затем скользит по внутреннему патрону 82, который прикручен к валу. Форсунки (не показаны) направлены на пластины 12 из патрона для распыления жидкости, которая должна быть заморожена.

На чертежах внутренний слой показан составленным из множества секций, которые совмещены в конфигурации головоломки. Каждая секция включает множество частей стенок и частей ножек, определяющих множество проточных каналов, все из которых неразъемно соединены как часть этой секции. В альтернативном варианте каждая часть 47 стенки была отдельной деталью, которая имеет часть 51 ножки, неразъемно присоединенную к ней по одному или обоим продольным краям 49. Другими словами, необязательно, чтобы каждая часть стенки со связанными одной или двумя частями 51 ножек была отдельной деталью, которая отдельно крепится к внешним пластинам.

На чертежах морозильник включает скребковые механизмы для соскабливания обеих сторон каждого теплообменника. В альтернативном варианте один или более теплообменников могут иметь только один скребковый механизм для соскабливания одной стороны.

На чертежах морозильник включает множество теплообменников 12. Альтернативно, любой из морозильников может включать один теплообменник 12. В этом варианте морозильник может включать внешний скребковый механизм 26 на одной или обеих внешних поверхностях, однако, следует понимать, что внутренний скребковый механизм 28 будет отсутствовать.

Морозильник 10 описан как обеспечивающий жидкость, которая должна быть заморожена, посредством источника жидкости через систему 17 подачи жидкости, которая должна выдаваться из форсунок 36. Альтернативно можно обеспечить жидкость, которая должна быть заморожена другим способом. Например, на фиг. 22 показано, что может быть предусмотрен герметизированный корпус 97, который оп

- 8 010519 ределяет внутреннюю камеру 99, в которой размещаются теплообменники 12 и скребковые механизмы 26 и 28. Жидкость, которая должна быть заморожена, может проходить в камеру 99 посредством впускного отверстия 101 камеры, которое может размещаться в любом подходящем месте, например, на одной боковой стенке корпуса 97. Камера 99 может по существу полностью заполняться жидкостью, которая должна быть заморожена. Таким образом, теплообменники 12 погружены в жидкость, которая должна быть заморожена. По мере того как лед образуется на теплообменниках 12, скребковые механизмы 26 и 28 соскабливают лед. Лед может собираться посредством любого надлежащего средства, например, посредством сбора его в подходящий желоб, подсоединенный сверху камеры 99.

На фиг. 22а показано, что герметизированный корпус 97 может, в основном, иметь цилиндрическую форму и может состоять из одного или двух листов 301 плоского, предпочтительно изолированного материала, изогнутого в цилиндрическую форму и герметизированного по краям. Камера 99 герметизируется по краям посредством двух предпочтительно изолированных концевых панелей 302 (фиг. 22). Альтернативно, герметизированный корпус, в основном, может иметь прямоугольную форму.

Корпус 97 герметизируется над поворотным валом 16, который проходит через него, для предотвращения утечки жидкости, которая должна быть заморожена. Эта герметизация может осуществляться посредством любого надлежащего средства, например, посредством множества уплотнительных колец.

Допускаются альтернативные конфигурации морозильника 10. В конфигурации холодильника, который охлаждает, но не замораживает жидкость, скребковый механизм 15 не требуется. Жидкость может соприкасаться с теплообменниками 12 посредством закачивания и выкачивания жидкости из камеры 99. Скорость перекачивания определяет степень, до которой жидкость охлаждается посредством теплообменников 12.

Хотя вышеприведенное описание включает варианты осуществления изобретения, следует принимать во внимание, что настоящее изобретение допускает модификацию и внесение изменений без отступления от справедливого толкования прилагаемой формулы изобретения.

Claims (12)

1. Теплообменник, содержащий по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды, по меньшей мере одно выпускное отверстие для текучей среды, первую внешнюю пластину и вторую внешнюю пластину, и внутренний слой, при этом внутренний слой, по меньшей мере, частично определяет один проход между по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды и по меньшей мере одним выпускным отверстием для текучей среды, при этом внутренний слой герметично размещен между первой и второй внешними пластинами.

2. Теплообменник по п.1, в котором каждый проход проходит между одним впускным отверстием для текучей среды, связанным с ним, и одним выпускным отверстием для текучей среды, связанным с ним, причем каждый проход разделен на множество частей прохода, при этом части прохода соединены по текучей среде параллельно со связанным впускным отверстием и связанным выпускным отверстием.

3. Теплообменник по п.1, в котором каждая внешняя пластина имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, и внутренний слой, по меньшей мере, частично определяет по меньшей мере один ряд каналов для текучей среды, при этом каждый канал для текучей среды частично определяется посредством внутренней поверхности одной из внешних пластин и посредством внутреннего слоя, причем по меньшей мере один ряд каналов для текучей среды образует по меньшей мере один проход.

4. Теплообменник по п.3, в котором внутренний слой содержит часть внешней границы, часть гофрированного листового металла и часть внутренней границы, при этом часть гофрированного листового металла внутреннего слоя окружает часть внутренней границы, часть внешней границы окружает часть гофрированного листового металла, и часть листового металла внутреннего слоя покрывает область, которая составляет приблизительно от 50 до 95% области внутреннего слоя.

5. Теплообменник по п.3, в котором по меньшей мере часть внутреннего слоя, состоит из множества секций внутреннего слоя, соединенных в конфигурации головоломки, причем множество секций внутреннего слоя включает первую секцию внутреннего слоя, имеющую набор стенок первого канала для текучей среды, частично определяющие первый набор каналов для текучей среды, и вторую секцию внутреннего слоя, выровненную с первой секцией внутреннего слоя и имеющую набор стенок второго канала для текучей среды, частично определяющие второй набор каналов для текучей среды, в котором стенки второго канала для текучей среды сопряжены со стенками первого канала для текучей среды так, что первый и второй каналы для текучей среды находятся в сообщении по текучей среде.

6. Теплообменник по п.5, в котором по меньшей мере часть по меньшей мере одного прохода является извилистой.

7. Теплообменник по п.3, в котором каждый канал определяется частично посредством двух боковых стенок, причем каждый канал имеет ширину канала между двумя боковыми стенками, при этом ширина канала больше, чем толщина каждой из боковых стенок.

- 9 010519

8. Теплообменник, содержащий поддерживающий каркас, цилиндрический герметезированный корпус, присоединенный к каркасу, множество теплообменников с тонкими пластинами, размещенных параллельно в корпусе, систему подачи жидкости, выполненную для осуществления непрерывного контакта жидкости с теплообменниками, и систему соскабливания для удаления кристаллов льда, которые формируются на поверхности теплообменников.

9. Устройство для соскабливания материала по меньшей мере с одной пластины, содержащее вал, проходящий перпендикулярно через центр пластины, и внутренний патрон, размещенный на валу перпендикулярно валу и параллельно по меньшей мере одной пластине, полый внешний патрон, причем внутренний патрон закреплен с возможностью съема внутри полого внешнего патрона, по меньшей мере один скребковый механизм, размещенный вдоль полого внешнего патрона, и средство для удержания по меньшей мере одного скребкового механизма в контакте по меньшей мере с одной пластиной.

10. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит по меньшей мере одну полую трубку, прикрепленную к валу, с множеством форсунок для распыления жидкости на пластины.

11. Устройство по п.9, в котором средство для удержания по меньшей мере одного скребкового механизма в контакте по меньшей мере с одной пластиной включает эластичный буфер.

12. Устройство по п.9, которое содержит множество впускных отверстий и выпускных отверстий, причем каждое впускное отверстие для текучей среды находится в сообщении по текучей среде с множеством выпускных отверстий для текучей среды, и каждое выпускное отверстие для текучей среды находится в сообщении по текучей среде с множеством впускных отверстий для текучей среды.