PL226558B1 - Mikrowymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mikrowymiennik ciepła. Znajduje on zastosowanie jako urządzenie do wymiany ciepła między dwoma roboczymi, czynnikami, przede wszystkim w energetyce małoskalowej, w szczególności w domowych siłowniach parowych.

Znane są różnego rodzaju płytowe wymienniki ciepła mające kanały do przepływu roboczych czynników wymiany ciepła. Jedną z grup stanowią wymienniki ciepła zbudowane z cienkich profilowanych metalowych płyt ze stali kwasoodpornej odpowiednio ze sobą łączonych i umieszczonych w obudowie. Inną grupę stanowią mikrowymienniki z mikrokanalikami wydrążonymi metodą laserową w monolitycznej płycie stalowej stanowiącej główną część wymiennika ciepła. Znane są także mikrowymienniki ciepła stosowane w elementach elektronicznych z mikrokanalikami wykonanymi w krzemie metodami stosowanymi w technologii elektronowej. Jeszcze innym rozwiązaniem są mikrowymienniki wykonane z odpowiednio wyprofilowanych płytek z tworzyw sztucznych i płytek aluminiowych łączonych w pakiety.

Z międzynarodowego opisu zgłoszeniowego opublikowanego pod numerem WO 2010/134869 znany jest płytowy wymiennik ciepła zbudowany z szeregu równoległych płytek ułożonych w pakiet tak, że przestrzenie między nimi tworzą na zmianę pierwsze przestrzenie dla pierwszego czynnika i drugie przestrzenie dla drugiego czynnika oraz wloty i wyloty dla doprowadzenia pierwszego i drugiego czynnika roboczego. Wymiennik zaopatrzony jest w czujniki i środki techniczne do kontroli i regulacji przepływu czynników umożliwiające redukcję przepływu przez odłączenie jednej z przestrzeni między płytkami.

Znany jest także z publikacji międzynarodowego zgłoszenia WO 2009/151399 wymiennik ciepła składający się z płytek mających karbowania tworzące grzbiety i doliny tworzące kanały po zestawieniu ze sobą płytek w stos. Płytki posiadają pierwszy obszar dystrybucyjny, obszar wymiany ciepła, drugi obszar dystrybucyjny oraz otwory wlotowe i wylotowe. Prezentowane są wzajemne rozmieszczenie i ukształtowanie otworów i obszarów wokół nich do przepływu czynnika wymiany ciepła.

Płytowy wymiennik ciepła przedstawiony w publikacji międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 2013/150054 składa się z pierwszej kształtowej płyty i drugiej kształtowej płyty ułożonych w stos tak, że pomiędzy parami pofalowanych płyt są utworzone ścieżki dla przepływu czynników wymiany ciepła. Prezentowane są różne środki techniczne do połączenia ze sobą płyt kształtowych tworzących kanały przepływu czynników oraz płyty wzmacniającej.

W publikacji WO 2011/154245 ujawniono płytowy wymiennik ciepła i metodę jego wytwarzania. Wymiennik składa się z pofałdowanych płytek ułożonych w stos w taki sposób, że krawędzie dolin jednej płytki stykają się z krawędziami grzbietów płytki leżącej pod nią tworząc między płytkami kanały. Płytki mają środkowy główny obszar wymiany ciepła oraz obszar leżący na obwodzie, w którym sąsiadujące ze sobą krańcowe zewnętrzne i wewnętrzne krawędzie płytek są ze sobą zespawane. Prezentowana metoda wytwarzania wymiennika polega na zespoleniu sąsiadujących ze sobą płytek ułożonych w stos w określonych punktach na ich krawędziach brzegowych, poprzez dostarczenie energii umożliwiającej stopienie materiału w tych punktach na krawędziach brzegowych i utworzenie na tych krawędziach brzegowych punktowych zgrzewanych połączeń.

W opisie patentowym US 5152060 przedstawione są różne sposoby wytwarzania ciał o drobnej strukturze, np. wymienników ciepła, w których rowkowane płyty ułożone są w stos, jedna na drugiej. Ujawniono w nim różne metody wytwarzania rowków w metalowych płytach, np. poprzez kształtowe trawienie chemiczne, mechaniczne wytłaczanie, precyzyjne cięcie kształtowe ostrzem diamentowym. W publikacji ujawniono różne przykłady rowkowanych płytek, w których rowki mają w przekroju różne kształty - prostokąta, półokręgu, krzyża, a także przykłady końcowych struktur utworzonych z takich płytek ułożonych w stos. Płytki mogą być ułożone w stos w taki sposób, że ściana z rowkami jednej płytki styka się ze ścianą bez rowków sąsiedniej płytki, albo stykające się ściany sąsiednich płytek są zwierciadlanymi odbiciami. W zależności od wzajemnego usytuowania płytek w stosie, kanały w takim stosie utworzone są przez rowki jednej płytki lub stykające się rowki dwóch sąsiadujących płytek. Kanały w kolejnych warstwach mogą przebiegać tak samo, jedne nad drugimi, albo mogą być do siebie prostopadłe, jeśli co druga płytka jest obrócona o 90°. Płytki mogą być ze sobą połączone poprzez klejenie, lutowanie, spawanie.

Mikrowymiennik ciepła składujący się z co najmniej jednego płytowego modułu dla pierwszego czynnika roboczego i co najmniej jednego płytowego modułu dla drugiego czynnika roboczego połączonych ze sobą w pakiet za pośrednictwem otworów montażowych, a każdy płytowy moduł zbudoPL 226 558 B1 wany jest z dwóch złączonych ze sobą szczelnie płytek stanowiących swoje lustrzane odbicia, mających na jednej z powierzchni rowki stanowiące półkanały i przylegających do siebie tak, że odpowiadające sobie półkanały każdej z płytek tworzą razem kanały do przepływu czynnika roboczego, przy czym kanały płytowych modułów dla tego samego czynnika połączone są ze sobą za pośrednictwem otworów przelotowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że każdy płytowy moduł ma dwa rodzaje kanałów : równoległe do siebie kolektory i łączące je poprzeczne mikrokanaliki oraz dwa rodzaje otworów przelotowych dla doprowadzania czynników roboczych; aktywne przelotowe otwory na końcach każdego z kolektorów i niepołączone z kolektorami wolne przelotowe otwory odpowiadające aktywnym przelotowym otworom sąsiedniego modułu.

Korzystnie wszystkie płytowe moduły w pakiecie mają taką samą geometrię kanałów i otworów przelotowych, przy czym płytowe moduły dla pierwszego czynnika roboczego i płytowe moduły dla drugiego czynnika roboczego ułożone są naprzemiennie jeden nad drugim przeciwnymi stronami tak, że kolektory sąsiednich płytowych modułów przebiegają obok siebie, a aktywne otwory przelotowe w płytowych modułach pierwszego czynnika nie pokrywają się z aktywnymi otworami przelotowymi w płytowych modułach drugiego czynnika roboczego.

W jednym z wariantów wymiennika płytowy moduł dla pierwszego czynnika roboczego ma dwa zewnętrzne kolektory do doprowadzania czynnika roboczego i jeden środkowy kolektor do odprowadzania czynnika roboczego, a płytowy moduł dla drugiego czynnika roboczego ma jeden środkowy kolektor do doprowadzania czynnika roboczego i dwa zewnętrzne kolektory do odprowadzania czynnika roboczego.

Najkorzystniej płytki mikrowymiennika wykonane są z miedzi lub stopów miedzi i mają grubość mniejszą od 1 mm.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zmniejszenie rozmiarów wymiennika ciepła z jednoczesnym zapewnieniem wysokiej wydajności oraz niezawodności, a także konstrukcja umożliwiająca optymalizację procesu ich wytwarzania.

Przykładowa realizacja mikrowymiennika ciepła według wynalazku zilustrowana jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia pojedynczą płytkę mikrowymiennika, fig. 2 przedstawia pojedynczy płytowy moduł mikrowymiennika, fig. 3 - dwa sąsiednie płytowe moduły przed połączeniem, fig. 4 - złączone dwa sąsiednie płytowe moduły, fig. 5 - przekrój przez płytowy moduł po zlutowaniu dwóch płytek, a fig. 6 przedstawia mikrowymiennik z płytami montażowymi.

Mikrowymiennik ciepła składa się z szeregu płytowych modułów 1 ułożonych jeden nad drugim tworzących pakiet, którego elementy umieszczone są pomiędzy zewnętrznymi płytami montażowymi i połączone ze sobą za pomocą śrub mocujących 3 przechodzących przez otwory montażowe 4 usytuowane na obrzeżach płytowych modułów 1 i płyt montażowych 2. Zewnętrzne płyty montażowe 2 zapewniają odpowiedni docisk płytowych modułów 1 oraz umożliwiają podłączenie króćców dostarczających i odbierających czynniki robocze, co umożliwia przyłączenie mikrowymiennika do dowolnej instalacji. Połączenie ze sobą płytowych modułów 1 w pakiet oraz podłączenie króćców dystrybucji czynników roboczych może być zrealizowane w dowolny inny sposób, w zależności od wymagań i potrzeb, wynikających np. z miejsca zastosowania mikrowymiennika. Pojedynczy płytowy moduł 1 przeznaczony jest dla jednego z czynników roboczych wymiany ciepła w mikrowymienniku. Pakiet składa się z takiej samej liczby płytowych modułów 1 dla pierwszego czynnika roboczego i płytowych modułów 1 dla drugiego czynnika roboczego, ułożonych naprzemiennie. Pojedynczy płytowy moduł 1 składa sie z dwóch prostokątnych miedzianych płytek 5 stanowiących swoje lustrzane odbicia i szczelnie ze sobą złączonych, np. przez zlutowanie. Na jednej z powierzchni każdej z płytek 5 znajdują się trzy podłużne rowki równoległe do siebie i do dłuższej krawędzi płytki i pomiędzy nimi szereg płytszych rowków poprzecznych. Wszystkie rowki stanowią półkanały 6 do przepływu czynnika roboczego. Dwie płytki 5 złożone są ze sobą stronami z rowkami tak, że odpowiadające sobie rowki każdej z płytek tworzą razem kanały do przepływu czynnika roboczego. Trzy kanały równoległe do dłuższej krawędzi płytki 5 stanowią kolektory 7, a poprzeczne kanały o mniejszej średnicy są mikrokanalikami 8 służącymi do rozpływania się czynnika roboczego między kolektorami. Korzystnie jest dla przepływu czynnika roboczego, gdy podwójny przekrój kolektora 7 jest w przybliżeniu równy sumie przekrojów wszystkich mikrokanalików 8. Wzdłuż obydwu krótszych krawędzi płytki 5 znajduje się po sześć przelotowych otworów, przy czym co drugie z nich połączone są z końcami kanałów stanowiących kolektory 7 i są dla płytek tworzących jeden płytowy moduł 1 aktywnymi przelotowymi otworami 9 przeznaczonymi do wprowadzania i odprowadzania czynnika roboczego do tego płytowego modułu 1, a pozostałe są wolnymi przelotowymi otworami 10 służącymi do doprowadzania i odprowadzania drugiego

PL 226 558 B1 czynnika roboczego do sąsiedniego płytowego modułu 1. Płytowe moduły 1 dla pierwszego czynnika wymiany ciepła i płytowe moduły 1 dla drugiego czynnika wymiany ciepła ułożone są względem siebie jeden nad drugim tak, że kolektory 7 sąsiednich płytowych modułów 1, przeznaczonych dla różnych czynników, przebiegają obok siebie, a aktywne przelotowe otwory 9 połączone z końcami kolektorów 7 wszystkich płytowych modułów 1 dla pierwszego czynnika są współosiowe, natomiast ich wolne przelotowe otwory 10 usytuowane pomiędzy zakończeniami kolektorów 7 są współosiowe z aktywnymi przelotowymi otworami 9 połączonymi z końcami kolektorów 7 wszystkich płytowych modułów 1 dla drugiego czynnika.

Konstrukcja taka umożliwia doprowadzanie i odprowadzanie pierwszego i drugiego czynnika roboczego wymiany ciepła przez aktywne i wolne przelotowe otwory 9, 10 odpowiednio do co drugiego płytowego modułu 1. W płytowych modułach 1 dla pierwszego czynnika roboczego dwa zewnętrzne kolektory 7 są kolektorami doprowadzającymi, a środkowy kolektor 7 jest kolektorem odprowadzającym czynnik roboczy, a w płytowych modułach 1 dla drugiego czynnika roboczego jest odwrotnie: środkowy kolektor 7 jest doprowadzający, a dwa zewnętrzne kolektory 7 są odprowadzające drugi czynnik roboczy. Ze względów technologicznych korzystnie jest, gdy środkowe kolektory 7 połączone są z aktywnymi otworami przelotowymi 9 poprzez krótki poziomy odcinek kanału kolektora. W przykładowej realizacji miedziane płytki 5, z których zbudowany jest płytowy moduł 1, mają grubość 0,4 mm i wymiary zewnętrzne 105 x 80 mm. Głębokość kolektorów 7 utworzonych po złożeniu dwóch płytek 5 w płytowy moduł 1 wynosi ~0,6 mm, głębokość mikrokanalików 8 wynosi ~0,30 mm, a średnica aktywnych i wolnych przelotowych otworów 9, 10 wynosi ~4 mm. Średnica dziesięciu otworów montażowych 4 i śrub mocujących 3 rozmieszczonych na obrzeżach płytowych modułów 1 i płyt montażowych 2 jest rzędu kilku mm. Do pakietu płytowych modułów 1 stanowiącego mikrowymiennik ciepła doprowadzane są czynniki robocze wymiany ciepła za pomocą króćców doprowadzających i odprowadzających połączonych z aktywnymi i wolnymi przelotowymi otworami 9, 10 tak, że w co drugim płytowym module 1 krąży pierwszy czynnik roboczy i w co drugim - drugi czynnik roboczy. Pierwszy czynnik roboczy doprowadzany jest do płytowych modułów 1 czterema aktywnymi przelotowymi otworami 9 do dwóch zewnętrznych kolektorów 7, z których rozpływa się mikrokanalikami 8 do środkowego kolektora 7, z którego odprowadzany jest dwoma aktywnymi przelotowymi otworami 9. Drugi czynnik roboczy natomiast doprowadzany jest do sąsiednich płytowych modułów 1 dwoma aktywnymi przelotowymi otworami 9 do środkowego kolektora 7, z którego rozpływa się do zewnętrznych kolekto rów 7, z których odprowadzany jest czterema aktywnymi przelotowymi otworami 9. Wymiana ciepła pomiędzy pierwszym i drugim czynnikiem roboczym odbywa się za pośrednictwem miedzianych płytek 5, w których znajdują się kanały z przepływającymi czynnikami.

Przedstawiony w przykładowej realizacji przebieg kanałów stanowiących kolektory 7 i mikrokanaliki 8 stwarza bardzo dobre warunki dla wymiany ciepła między czynnikami roboczymi, a równocześnie jest korzystny ze względów technologicznych, ponieważ płytki 5 dla wszystkich płytowych modułów 1 wykonywane są według jednego wzoru rozmieszczenia rowków i otworów przelotowych. Przykład ten nie ogranicza jednak możliwości realizacji dowolnych innych kształtów i umiejscowienia rowków tworzących kanały do przepływu czynników roboczych i przelotowych otworów do ich dystrybucji.

Sposób wytwarzania mikrowymiennika ciepła odbywa się w następujących kolejnych etapach. Przycina się miedziane płytki 5 o grubości 0,4 mm do postaci kształtek o wymiarach 200 x 300 mm i dowolną znaną metodą oczyszcza ich powierzchnie. Następnie na jednej z powierzchni płytek 5 wytrawia się chemicznie rowki o dwóch różnych głębokościach o kształcie według zadanego wzoru. Kolejne czynności w przykładowej realizacji tego procesu to: aktywacja powierzchni przez ok. 2 min. w rozcieńczonym kwasie solnym, suszenie, naniesienie fotomaski z folii poliestrowej z nadrukowanym wzorem rowków, trawienie chemiczne w wodnym roztworze chlorku żelazowego z dodatkiem kwasu solnego przez. ok. 40 min. co usuwa miedź na głębokość ~0,15 mm tworząc płytkie rowki, zabezpieczenie warstwą fotorezystywną zadanego wzoru płytkich rowków i kontynuacja trawienia pozostałych rowków do uzyskania głębokości ~3 mm. W następnym etapie wykonuje się dowolną znaną metodą aktywne przelotowe otwory 9 o średnicy ~4 mm na zakończeniach głębszych rowków i wolne przelotowe otwory 10 o tej samej średnicy pomiędzy nimi oraz otwory montażowe 4 o średnicy ~ 5 mm na obrzeżach płytek 1 i przycina płytki do zadanego wymiaru, przykładowo 103 x 80 mm. Rowki i przelotowe otwory wykonuje się tak, że w jednej grupie płytek ich wzór stanowi zwierciadlane odbicie wzoru rowków w drugiej grupie płytek. Przykładowy wzór zawiera trzy równoległe głębsze rowki zakończone aktywnymi przelotowymi otworami i pomiędzy nimi szereg płytkich poprzecznych rowków, przy czym środkowy głębszy rowek ma na końcach krótkie prostopadłe odcinki doprowadzające do aktywnych

PL 226 558 B1 przelotowych otworów. Następnie z każdej pary płytek 1 mających zwierciadlane odbicie wzoru rowków i przelotowych otworów tworzy się płytowy moduł 1 poprzez ich zestawienie powierzchniami z wytrawionymi rowkami z zachowaniem współosiowości otworów i szczelne złączenie ich ze sobą tymi powierzchniami. W ten sposób w płytowym modnie 1 otrzymuje się kanały utworzone z rowków w płytkach 5, stanowiące podłużne kolektory 7 i poprzeczne mikrokanaliki 8. W korzystnej realizacji zespolenia płytek dokonuje się metodą lutowania przy użyciu spoiwa metalicznego. np. ze stopu Sn-Cu. W tym celu, przed połączeniem dwóch płytek 1 modyfikuje się wymiary jednej z nich w następujący sposób: zmniejsza się zewnętrzne wymiary górnej płytki z każdej strony o ok. 1 mm i zwiększa się średnicę jej otworów montażowych 4 do ok. 6 mm. W górnej płytce zwiększa się też średnicę wolnych przelotowych otworów. W ten sposób, po zestawieniu ze sobą górnej i dolnej płytki, na płytce dolnej uzyskuje się powierzchnie do ułożenia spoiny 11 - na jej krawędziach oraz wokół wybranych otworów przeznaczonych do lutowania. Powierzchnie w miejscach lutowania przygotowuje się poprzez czyszczenie anodowe krawędzi zewnętrznych i czyszczenie mechaniczne wokół otworów. Lutowanie realizuje się w dowolny znany sposób, przy czym w pierwszej kolejności lutuje się zewnętrzne krawędzie płytek, a następnie wyznaczone otwory. Przykładowo przeznaczone do zlutowania płytki umieszcza się i ustala w aluminiowym przyrządzie, który umieszcza się na płycie grzejnej i ogrzewa do temp. 20°C kontrolowanej za pomocą termopary, następnie podaje się topnik i lut w strefę złącza na obrzeżach płytek i dodatkowo ogrzewa lokalnie tę strefę za pomocą lutownicy. Po zlutowaniu zewnętrznych krawędzi, płytki umieszcza się w kolejnym przyrządzie umożliwiającym dociśnięcie krawędzi otworów i przeprowadzenie procesu lutowania z nagrzewaniem poprzez przepływ prądu. W końcowym etapie zestawia się naprzemiennie moduły dla pierwszego czynnika i drugiego czynnika pomiędzy zewnętrznymi płytami montażowymi i łączy za pośrednictwem otworów montażowych.

Mikrowymienniki ciepła według wynalazku znajdują zastosowanie, zwłaszcza w mikrosiłownikach kogeneracyjnych stanowiących domowe siłownie parowe. Są one małymi urządzeniami wykorzystywanymi do kogeneracyjnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w energetyce małoskalowej, gdzie wytwarzanie użytecznych form energii odbywa się w miejscu ich wykorzystania. Zadaniem takich mikrowymienników jest dwukrotna zmiana stanu skupienia czynnika roboczego mikrosiłowni: z cieczy w parę przed mikroturbiną i pary w ciecz przed pompą. Spełniają więc one funkcję parownika i skraplacza, które zapewniają zamianę stanu skupienia czynnika roboczego niezbędną do prawidłowego funkcjonowania urządzenia. Rozwiązanie według wynalazku nadaje się do stosowania zarówno w produkcji jednostkowej, jak i masowej. Dzięki zastosowaniu miedzi lub jej stopów o najwyższej przewodności uzyskuje się skuteczną wymianę ciepła warunkującą wysoką wydajność takich mikrowymienników. Zespalanie płytek tworzących moduły wymiennika za pomocą spoiw metalicznych gwarantuje hermetyczność i niezawodność tych urządzeń zarówno w pracy ciągłej, jak i okresowo zmiennej, ponieważ są one niewrażliwe na zmienne obciążenia termiczne. Odpowiednio zaprojektowany wzór przebiegu kanałów i umiejscowienia przelotowych otworów pozwala natomiast na wytwarzanie tylko jednego rodzaju płytek, z których zbudowane są płytowe moduły, co optymalizuje proces technologiczny.

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Mikrowymiennik ciepła składający się z co najmniej jednego płytowego modułu dla pierwszego czynnika roboczego i co najmniej jednego płytowego modułu dla drugiego czynnika roboczego połączonych ze sobą w pakiet za pośrednictwem otworów montażowych, a każdy płytowy moduł zbudowany jest z dwóch złączonych ze sobą szczelnie płytek stanowiących swoje lustrzane odbicia, mających na jednej z powierzchni rowki stanowiące półkanały i przylegających do siebie tak, że odpowiadające sobie półkanały każdej z płytek tworzą razem kanały do przepływu czynnika roboczego, przy czym kanały płytowych modułów dla tego samego czynnika połączone są ze sobą za pośrednictwem otworów przelotowych, znamienny tym, że każdy płytowy moduł (1) ma dwa rodzaje kanałów: równoległe do siebie kolektory (7) i łączące je poprzeczne mikrokanaliki (8) oraz dwa rodzaje otworów przelotowych: aktywne przelotowe otwory (9) na końcach każdego z kolektorów (7) modułu i niepołączone z kolektorami wolne przelotowe otwory (10) odpowiadające aktywnym przelotowym otworom (9) na końcach kolektorów (7) sąsiedniego modułu.

PL 226 558 B1

2. Mikrowymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że wszystkie płytowe moduły (1) w pakiecie mają taką samą geometrię kanałów i otworów przelotowych, przy czym płytowe moduły (1) dla pierwszego czynnika roboczego i płytowe moduły (1) dla drugiego czynnika roboczego ułożone są naprzemiennie jeden nad drugim przeciwnymi stronami tak, że kolektory (7) sąsiednich płytowych modułów (1) przebiegają obok siebie, a aktywne otwory przelotowe (9) w płytowych modułach (1) pierwszego czynnika nie pokrywają się z aktywnymi otworami przelotowymi (9) w płytowych modułach (1) drugiego czynnika roboczego.

3. Mikrowymiennik według zastrz. 2, znamienny tym, że płytowy moduł (1) dla pierwszego czynnika roboczego ma dwa zewnętrzne kolektory (7) do doprowadzania czynnika roboczego i jeden środkowy kolektor (7) do odprowadzania czynnika roboczego, a płytowy moduł (1) dla drugiego czynnika roboczego ma jeden środkowy kolektor (7) do doprowadzania czynnika roboczego i dwa zewnętrzne kolektory (7) do odprowadzania czynnika roboczego.

4. Mikrowymiennik według zastrz. 3, znamienny tym, że płytki (5) wykonane są z miedzi lub stopów miedzi i mają grubość mniejszą od 1 mm.