ITMI950882A1

ITMI950882A1 - PLATE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: ITMI950882A1
Application number: IT95MI000882A
Authority: IT
Original assignee: Enel Spa
Priority date: 1995-05-03
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 1996-11-03
Also published as: ITMI950882A0; DE69624864D1; CA2175538A1; IT1279041B1; EP0741273A3; CZ127796A3; ATE228232T1; EP0741273A2; EP0741273B1

Abstract

Ciascuna coppia di piastre (1) definisce un primo canale (3) per un fluido in pressione a mezzo di nervature saldate (2) che distanziano e anche rinforzano le piastre (1) e sono parallele al flusso di detto fluido e porta un'alettatura continua a forma d'onda (4) perpendicolare alla direzione di detto fluido, saldata su ciascuna delle proprie superfici esterne, per definire un secondo canale (5) per un secondo fluido in associazione con un'opposta uguale alettatura (4) portata da una piastra (1) di una coppia adiacente, ciascuna coppia di piastre risultando libera dalle altre e singolarmente estraibile dallo scambiatore (Fig. 2).Each pair of plates (1) defines a first channel (3) for a pressurized fluid by means of welded ribs (2) which space out and also reinforce the plates (1) and are parallel to the flow of said fluid and carry a fin continues in a wave form (4) perpendicular to the direction of said fluid, welded on each of its external surfaces, to define a second channel (5) for a second fluid in association with an opposite equal fin (4) carried by a plate (1) of an adjacent pair, each pair of plates being free from the others and individually removable from the exchanger (Fig. 2).

Description

L'invenzione riguarda uno scambiatore di calore a piastre. The invention relates to a plate heat exchanger.

Gli scambiatori di calore per fluidi comprendono una superficie di scambio che ha .il compito di separare due fluidi a temperature Riverse e di consentire il passaggio di calore_dal fluido più caldo a quello più.freddo...In .generale detta superficie di scambio deve essere impermeabile e garantire un’adeguata resistenza meccanica_e_a_lla corrosione.. The heat exchangers for fluids comprise an exchange surface which has the task of separating two fluids at reverse temperatures and of allowing the passage of heat from the warmer fluid to the colder one ... In general, said exchange surface must be waterproof and ensure adequate mechanical_and_corrosion resistance.

Lo stato della tecnica comprende superfici..di cambio in forma di piastre piane o ondulate e in forma di piastre e di tubi talvolta alettati per migliorare la funzione di scambio termico. Quando uno scambiatore di calore comprende pacchi, di piastre fra le quali sono definiti dei canali, è Necessario contrastare le forze derivanti...dalla presenza di fluidi in pressione entro tali.canali.a nezzo di una o l'altra di queste due soluzioni: le piastre che definiscono un canale in pressione tossono essere collegate fra loro mediante saldatura lungo il loro perimetro e anche all'interno_ dei canali; le piastre, che definiscono un canale in pressione possono essere vincolate dall'esterno del pacco in vari modi, ad esempio a mezzo di piastre di contenimento., tirantate . Con la._ prima soluzione_ le piastre sono inseparabili , mentre con .la seconda_è possibile lo. smontaggio delle singole piastre._ Circa gli svantaggi degli scambiatori di calore piastre, c'è da dire che il .loro .impiego è spesso, imitato al _ caso di fluidi a basse .pressioni, dell'ordine di pochi kPa; quando uno.solo,dei fluidi raggiunge pressioni fino a 3.000 kPa . è possibile realizzare convenientemente grandi scambiatori^ di calore, ma 1) con piastre saldo-brasate anche alettate , ma non smontabili, 2) oppure con piastre ιοη alettate ricorrendo a coppie di piastre saldate Impilate in modo da poter essere smontate; infatti, in questo secondo caso le alettature_. .non sono realizzabili dato che le piastre .risultano pombate e le alettature non possono, essere saldate pu di esse; ne deriva che la compattezza e il peso li tali scambiatori di calore risultano penalizzati. The state of the art includes exchange surfaces in the form of flat or corrugated plates and in the form of plates and tubes sometimes finned to improve the heat exchange function. When a heat exchanger comprises packs of plates between which channels are defined, it is necessary to counteract the forces deriving ... from the presence of pressurized fluids within these channels through one or the other of these two solutions. : the plates which define a channel under pressure can be connected together by welding along their perimeter and also inside the channels; the plates, which define a channel under pressure, can be constrained from the outside of the pack in various ways, for example by means of containment plates, with tie rods. With the first solution, the plates are inseparable, while with the second solution it is possible. disassembly of the individual plates. As regards the disadvantages of plate heat exchangers, it must be said that their use is often imitated in the case of low pressure fluids, of the order of a few kPa; when only one of the fluids reaches pressures up to 3,000 kPa. it is possible to conveniently make large heat exchangers, but 1) with brazed plates also finned, but not removable, 2) or with finned plates using pairs of stacked welded plates so that they can be disassembled; in fact, in this second case the fins_. . they are not feasible since the plates are sealed and the fins cannot be welded only on them; it follows that the compactness and weight of these heat exchangers are penalized.

Per quanto riguarda gli svantaggi degli Scambiatori di calore a. tubi, si ricorda che essi hanno un relativamente basso rapporto fra_ la superficie di scambio termico e il loro volume globale a meno di non accettare gli alti_ costi di produzione per realizzare fasci tubieri alettati di elevata compattezza. Regarding the disadvantages of heat exchangers a. tubes, it should be remembered that they have a relatively low ratio between the heat exchange surface and their overall volume unless the high production costs are accepted for producing highly compact finned tube bundles.

L'invenzione, come caratterizzata nelle Rivendicazioni, ovvia agli svantaggi dello stato della tecnica. The invention, as characterized in the claims, obviates the disadvantages of the state of the art.

Nel seguito di questa descrizione si intenderà con -fluido in pressione- un primo fluido a pressione fino a 3.000 kPa, superiore a quella di un secondo fluido a pressione di solo qualche kPa. In the following of this description a first fluid at pressure up to 3,000 kPa, higher than that of a second fluid at a pressure of only a few kPa, will be understood by -fluid under pressure.

Lo scambiatore di calore inventato comprende convenzionalmente una pluralità di piastre fra loro parallele entro una cassa per definire un gruppo di primi canali per il passaggio di un .primo fluido in pressione e, in modo nuovo, un gruppo di secondi canali per il passaggio di un secondo fluido e ciascuna coppia di piastre che definisce un primo canale porta sulla superficie interna allo stesso canale nervature che definiscono il. percorso del flusso del. pr.imo fluido, distanziate fra loro e solidali a entrambe le piastre della coppia e porta saldata su ciascuna superficie esterna delle due piastre un alettatura continua che ha sezione sensibilmente a forma d' onda nella direzione perpendicolare al flusso del secondo fluido ed è estesa entro un secondo canale verso una uguale alettatura portata da una opposta piastra di una adiacente coppia di piastre. The invented heat exchanger conventionally comprises a plurality of plates parallel to each other within a casing to define a group of first channels for the passage of a first pressurized fluid and, in a new way, a group of second channels for the passage of a second fluid and each pair of plates defining a first channel carries on the inner surface of the same channel ribs which define the. flow path of the. first fluid, spaced apart and integral with both plates of the pair and a continuous fin welded on each external surface of the two plates which has a noticeably wave-shaped section in the direction perpendicular to the flow of the second fluid and is extended within a second channel towards an equal fin carried by an opposite plate of an adjacent pair of plates.

La sommità delle alettature che si estendono in uno stesso secondo canale si toccano appena o sono leggermente distanziate. The tops of the fins extending into the same second channel barely touch or are slightly spaced.

E' chiaro, così, che lo scambiatore di calore comprende nella sua cassa un "pacco" composto da singole coppie di piastre nervate all'interno e portanti all'esterno due alettature, ogni coppia di piastre essendo meccanicamente indipendente _ dalle adiacenti e, quindi, libera di essere estratta dalla cassa . It is thus clear that the heat exchanger comprises in its casing a "pack" composed of single pairs of plates ribbed inside and carrying two fins on the outside, each pair of plates being mechanically independent from the adjacent ones and, therefore , free to be removed from the box.

Si comprende anche che le larghezze dei primi e secondi canali, cioè degli strati dei fluidi o distanza delle piastre , possono essere _ scelte liberamente in modo da ottimizzare la velocità di ciascun fluido; si comprende anche che la forma dell ' onda delle, alette è preferibilmente . la. forma a greca" e che la sfalsatura delle due_ alettature affacciate . sarà preferibilmente corrispondente al semi passo, p/2 , ma che detta forma potrà essere lanche diversa e la sfalsatura potrà essere anche diversa dal semi passo p/2. It is also understood that the widths of the first and second channels, that is of the layers of the fluids or the distance of the plates, can be freely chosen so as to optimize the speed of each fluid; it is also understood that the wave shape of the fins is preferably. there. fret shape "and that the staggering of the two facing fins will preferably correspond to the half pitch, p / 2, but that said shape may be different lanche and the staggering may also be different from the half pitch p / 2.

I principali vantaggi offerti dallo scambiatore di calore_inventato sono risolutivi per l'adozione di questo tipo di scambiatore in alcune applicazioni industriali di grande taglia . . Tali ..principali vantaggi sono elencati qui di . seguito The main advantages offered by the invented heat exchanger are decisive for the adoption of this type of exchanger in some large industrial applications. . Those .. main benefits are listed here. following

- Le piastre, pur.essendo di grandi dimensioni.,.,fino la una -decina,di m2 in pianta, sono in grado di resistere a pressioni elevate, fino a qualche_decina |di bar, _grazie _al_fatto che sono riunite _in coppie framite nervature ..interne saldate e al fatto..che sono ulteriormente rinforzate da nervature esterne costituite dalle alette anch'esse saldate; _ per. la prima .volta nella, storia dei grandi scambiatori di calore industriali a. piastre alettate queste ultime sono completamente e facilmente estraibili a coppie dalla loro cassa;_ le alette assolvono anche una.funzione,.meccanica essendo, saldate, sulle piastre;. . è impedita_ la flessione delle piastre che, perciò, possono avere spessore inferiore. alle corrispondenti.._pias_tre convenzionali, oppure, mantenendo.. spessori convenzionali delle piastre, può essere aumentato il sasso delle nervature. - The plates, despite being of large dimensions. internal welded and the fact that they are further reinforced by external ribs constituted by the fins which are also welded; _ for. the first time in the history of large industrial heat exchangers a. finned plates the latter are completely and easily removable in pairs from their case; . flexion of the plates is prevented which, therefore, may have a lower thickness. to the corresponding conventional plates, or, by maintaining conventional thicknesses of the plates, the stone of the ribs can be increased.

le piastre assolvono principalmente il compito di separare i fluidi e di fornire la resistenza eccanica e alla corrosione , mentre le alette assolvono _principalmente il compito di trasmettere il calore; ciò consente di usare .per le .alette al carbonio,economico e ad alto coefficiente di trasmissione termica, mentre per.le .piastre_ si userà un .acciaio inossidabile avente coefficiente di dilatazione sensibilmenbte uguale a. quello dell' acciaio.al carbonio impiegato per le alette .(ad esempio, acciaio.inox della serie AISI 400);_ l'impiego .di .materiali relativamente economici riduce fortemente i costi di questi tipi di scambiatori giungendo a renderli, a regime produttivo, .più economici degli scambiatori oggi più comuni; the plates mainly perform the task of separating the fluids and providing the mechanical and corrosion resistance, while the fins perform mainly the task of transmitting heat; this allows to use for the carbon fins, economical and with a high thermal transmission coefficient, while for the plates, a stainless steel having a significantly equal expansion coefficient will be used. that of carbon steel used for the fins (for example, stainless steel of the AISI 400 series); _ the use of relatively cheap materials greatly reduces the costs of these types of exchangers, making them fully operational. productive, cheaper than the most common exchangers today;

un ulteriore motivo di convenienza non solo Economico è dato dal fatto che, a parità di potenza scambiata, questo scambiatore comporta ingombri, e pesi sensibilmente minori rispetto alle _soluzioni oggi generalmente adottate. a further reason of convenience, not only economic, is given by the fact that, for the same power exchanged, this exchanger involves considerably smaller dimensions and weights compared to the solutions generally adopted today.

L'invenzione sarà descritta più in dettaglio qui di seguito, con un esempio di realizzazione _e con riferimento alle figure in cui le The invention will be described in more detail hereinafter, with an example of embodiment and with reference to the figures in which the

- Fig. 1 è un primo.spaccato, la - Fig. 1 is a first section, the

- Fig. 2 è un secondo spaccato, la - Fig. 2 is a second section, the

- Fig. 3 è una. vista frontale in prospettiva e la_ - Fig. 4 illustra un particolare costruttivo. - Fig. 3 is a. front view in perspective and Fig. 4 illustrates a construction detail.

La Fig. 1 mostra piastre alettate 1 .che iefiniscono tre canali 3 per acqua in pressione e due canali _5 per fumi, da combustione, di_ gas_ o combustibile liquido, perpendicolari fra loro;_ su un lato di..una delle due _piastre. 1 che definiscono un canale 3 sono ricavate nervature 2. che definiscono .-.i __.tre canali verticali 3 per .In acqua in pressione. . _e, .sull’altro lato,. sono .saldate alette 4 che., in associazione con uguali ale.tte_ 4 saldate su un'opposta piastra, definiscono .i._due canali orizzontali 5 per i fumi; in questo,caso, .i canali 3 per l'acqua in pressione .hanno,.uno spessore molto piccolo, definito dalle .nervature verticali 2 che, essendo solidali alle piastre 1 opposte, garantiscono la resistenza della coppia di piastre alla pressione dell'acqua. Le alette 4 lato-gas garantiscono che le piastre non. .si deformino tra le.nervature 2 lato-acqua. Ogni aletta 4 lato-gas è saldo-brasata su una sola .piastra 1, in modo da garantire la possibilità di sfilare__dal pacco di piastre ciascun singolo canale per.acqua.3 con le relative alette 4 sui due lati. II.contatto tra le opposte alette 4 che si affacciano sullo stesso canale per il gas in pressione non è necessario. Anzi, esso potrebbe ostacolare L'estrazione degli elementi costituenti i singoli canali d'acqua in pressione 3 se non fosse ssibile_."aprire" leggermente il pacco di_pias.tr.e la.forma .delle alette 4 .è poco_-impor.tante..„La forma rettangolare o a "greca" illustrata è quella più semplice che potrebbe minimizzare il costo di produzione dei canali dei gas 5. Fig. 1 shows finned plates 1 which define three channels 3 for pressurized water and two channels 5 for combustion fumes, gas or liquid fuel, perpendicular to each other, on one side of one of the two plates. 1 which define a channel 3 are formed ribs 2 which define three vertical channels 3 for pressurized water. . _e, .on the other side ,. fins 4 are welded which, in association with the same wings 4 welded on an opposite plate, define two horizontal channels 5 for the fumes; in this case, the channels 3 for pressurized water have a very small thickness defined by the vertical ribs 2 which, being integral with the opposite plates 1, guarantee the resistance of the pair of plates to the pressure of the water. The 4 gas-side flaps ensure that the plates do not. are deformed between the ribs 2 on the water side. Each gas-side fin 4 is brazed on a single plate 1, so as to ensure the possibility of removing each individual water channel 3 from the pack of plates with the relative fins 4 on both sides. II. Contact between the opposite fins 4 which face the same channel for the pressurized gas is not necessary. Indeed, it could hinder the extraction of the elements constituting the individual pressurized water channels 3 if it were not possible to "open" the pack of plates slightly and the shape of the fins 4 is of little importance. .. „The rectangular or" Greek "shape shown is the simplest one that could minimize the cost of producing the gas channels 5.

La Fig. 2 evidenzia . le saldo-brasature_ 6 necessarie .per la .produzione delle__piastreideilo scambiatore. Le saldature interessano : Fig. 2 highlights. the brazing-balances_ 6 necessary for the .production of the __plates of the exchanger. The welds affect:

le zone disunione tra le coppie di piastre l _che definiscono i canali 3 . per l'acqua in.pressione (zone di unione definite dalle nervature . __2 ricavate sulle piastre stesse), the areas of union between the pairs of plates 1 _ which define the channels 3. for pressurized water (union zones defined by the ribs. __2 obtained on the plates themselves),

- la superficie di contatto delle alette 4 .sulle relative piastre 1, _ Come si nota, nessuna saldatura unisce opposte alette 4. - the contact surface of the fins 4 on the relative plates 1, _ As can be seen, no welding joins opposite fins 4.

Si è indicato con p il passo delle alette 4 e si vede che.alette opposte fra loro , cioè affacciate l'una verso l'altra in un canale 5, sono sfalsate di p/2. La sfalsatura delle alette 4 opposte fra loro è utile con la geometria rettangolare illustrata, na potrebbe diventare superflua con altre geometrie ad esempio se la sommità delle alette, anziché piana, fosse marcatamente concava o convessa,. _ La Fig. 3 mostra uno scambiatore a piastre 1_ di .piccole dimensioni completo, della cassa _ 7 , _ del The pitch of the fins 4 has been indicated by p and it can be seen that the fins opposite each other, ie facing one another in a channel 5, are offset by p / 2. The staggering of the blades 4 opposite each other is useful with the illustrated rectangular geometry, but it could become superfluous with other geometries, for example if the top of the blades, instead of flat, were markedly concave or convex. _ Fig. 3 shows a plate exchanger 1_ of small dimensions complete, of the case _ 7, _ of the

materassino di- materiale termocoibente _ 8 _ chericopre il -pacco di piastre 9,--dei tubi 11 di 'adduzione, dell ' acqua in pressione , dei tubi 12 di uscita dell'acqua in pressione e delle flange_ 13 per l'attacco all'impianto. Ciascuno dei tubi__ll, il2 porta un tappo 14 ad un'estremità Nel.pacco_di piastre 9 sono sommariamente indicati i canali d'acqua in pressione 3 e i canali per i fumi 5..._ La Fig. 4 mostra schematicamente un modo_ di realizzare il collegamento idraulico fra un tubo 11 di adduzione di acqua in pressione e ogni singolo canale 3 fra due piastre 1; sul lato esterno di ciascuna piastra 1 sono visibili alette 4; il_tubo 3.1 porta un'asola 15 in corrispondenza di ciascuna apertura 16 fra dette due piastre 1; dall'asola 15 e attraverso, l'apertura 16 l'acqua in .pre.ssione__si riversa nel canale 3. mattress of - heat-insulating material _ 8 _ which covers the-pack of plates 9, - of the supply pipes 11, of the pressurized water, of the pipes 12 for the outlet of the pressurized water and of the flanges_ 13 for the connection to the 'plant. Each of the tubes 11, 12 carries a plug 14 at one end. In the pack of plates 9, the pressurized water channels 3 and the smoke channels 5 are summarily indicated ... hydraulic connection between a pressurized water supply pipe 11 and each individual channel 3 between two plates 1; on the external side of each plate 1, fins 4 are visible; the tube 3.1 carries a slot 15 at each opening 16 between said two plates 1; from the slot 15 and through the opening 16 the pre-pressure water __ flows into the channel 3.

Claims

CLAIMS 1. Plate heat exchanger (1) comprising a plurality of. parallel plates (1) within a case (7) to define a group of first channels (3) for the passage of a first fluid under pressure and a group of second channels (5) for the passage of a second fluid, the inclination between the first and second group of panels being any, but preferably 90 °, characterized by what each pair of plates (1) defining a first channel (3) carries on the internal surface of the same channel Lervature ( 2). Parallel to each other and to the flow of the first fluid, spaced apart and integral with both plates (1) and welded on each external surface a continuous finning (A) which has a wave-shaped section in the direction generally perpendicular to the direction of the first fluid and is extended within a second channel (5) towards an equal fin (A) carried by an opposite plate (1) of an adjacent pair of plates. _ 2. Heat exchanger according to claim 1 characterized in that the tops of the two fins (A) facing each other within each second channel (5) are simply in contact with each other. _ 3. Heat exchanger according to claim 1 characterized in that the tops of the two fins (4) facing each other within each second channel (5) are slightly spaced apart. 4. Heat exchanger according to Claims 1, 2 and 3 characterized in that the tops of the two fins (4) facing each other within each second channel (5) are offset from each other. 5. Heat exchanger according to Claim 4 characterized in that the wave form of the fins (4) has a constant pitch (p) and the tops of the two fins (4) face each other within each second channel ( 5) are offset by half the step (p) of the wave. 6. Heat exchanger according to the preceding claims characterized in that the fins (4) are of carbon steel with high thermal conductivity and the sound plates (JL) of stainless steel with a coefficient of thermal expansion significantly equal to said carbon steel.