PL248910B1

PL248910B1 - Plate heat exchange module

Info

Publication number: PL248910B1
Application number: PL446757A
Authority: PL
Inventors: Tomasz SIEMIEŃCZUK; Tomasz Siemieńczuk
Original assignee: Aic Spolka Akcyjna
Priority date: 2023-11-17
Filing date: 2023-11-17
Publication date: 2026-02-09
Also published as: PL446757A1; EP4556840A1

Abstract

Płytowy moduł wymiany ciepła zawierający dwie płyty ze strukturą żebrową, każda płyta zaopatrzona jest w przyłącze wlotowe oraz przyłącze wylotowe dla czynnika roboczego przepływającego przez tę płytę, charakteryzuje się tym, że strukturę żebrową stanowią elementy turbulizujące (2) usytuowane w rzędach na jednej stronie każdej płyty (1A, 1B), a druga strona każdej płyty (1A, 1B) jest gładka, przy czym wysokość (h) elementów turbulizujących (2) w następujących po sobie rzędach różni się względem rzędu sąsiedniego o tę samą wartość, przy czym płyty (1A, 1B) zestawione są ze sobą tak, że po stronie jednej płyty z najniższymi elementami turbulizującymi (2) usytuowana jest strona drugiej płyty z najwyższymi elementami turbulizującymi (2). Przedmiotem zgłoszenia jest również wymiennik ciepła.A plate heat exchange module comprising two plates with a ribbed structure, each plate being provided with an inlet port and an outlet port for the working medium flowing through the plate, characterized in that the ribbed structure comprises turbulence elements (2) arranged in rows on one side of each plate (1A, 1B), and the other side of each plate (1A, 1B) is smooth, wherein the height (h) of the turbulence elements (2) in successive rows differs from the adjacent row by the same amount, wherein the plates (1A, 1B) are arranged so that the side of one plate with the lowest turbulence elements (2) is situated on the side of the other plate with the highest turbulence elements (2). The subject of the application also includes a heat exchanger.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest płytowy moduł wymiany ciepła.The subject of the invention is a plate heat exchange module.

Wynalazek znajduje zastosowanie w efektywnych energetycznie urządzeniach grzewczych i chłodniczych jak również układach energetycznych.The invention finds application in energy-efficient heating and cooling devices as well as energy systems.

W stanie techniki znane są płytowe wymienniki ciepła, w których płyty zaopatrzone są w żebra o różnych kształtach, rozmieszczone według różnych wzorów. Wiadomo, że kształt, wielkość oraz konfiguracja żeber mają wpływ na parametry wymiany ciepła.The art includes plate heat exchangers in which the plates are equipped with fins of various shapes, arranged in various patterns. It is known that the shape, size, and configuration of the fins influence heat transfer parameters.

Z dokumentu patentowego US2004200602A1, znany jest płytowy wymiennik ciepła zawierający sekcje z kanałami dla czynników roboczych. Kanały zamknięte są ze wszystkich stron oraz zakończone są wlotem końcowym i wylotem końcowym dla odpowiedniej sekcji. Wymiennik ciepła składa się z szeregu sąsiadujących ze sobą płyt, pomiędzy którymi usytuowane są wspomniane kanały. Wspomniane kanały rozciągają się zasadniczo pionowo i są tak skonstruowane, że ich przekrój poprzeczny wzrasta lub maleje w kierunku przepływu czynnika roboczego, przy czym cała znajdująca się w nich ciecz może przemieszczać się w kierunku dna danego odcinka.Patent document US2004200602A1 describes a plate heat exchanger comprising sections with channels for working fluids. The channels are closed on all sides and terminate in an end inlet and end outlet for the respective section. The heat exchanger consists of a series of adjacent plates, between which the channels are located. The channels extend substantially vertically and are designed so that their cross-section increases or decreases in the direction of flow of the working fluid, allowing all the fluid contained within them to move towards the bottom of the section.

Z dokumentu patentowego US2872165A, znany jest płytowy wymiennik ciepła zawierający pomiędzy płytami kanały dla przepływu czynnika roboczego, których przekrój poprzeczny wzrasta lub maleje w kierunku przepływu czynnika roboczego, przy czym szerokość wspomnianych kanałów mierzona w płaszczyźnie płyty pod kątem prostym do kierunku przepływu czynnika roboczego, jest stała na całej długości płyty.From the patent document US2872165A, a plate heat exchanger is known, comprising channels between the plates for the flow of the working medium, the cross-section of which increases or decreases in the direction of the flow of the working medium, wherein the width of said channels measured in the plane of the plate at a right angle to the direction of the flow of the working medium is constant along the entire length of the plate.

Z dokumentu patentowego US2018120038 A1 znany jest płytowy wymiennik ciepła. Każda płyta posiada wiele wydrążonych kołków ułożonych na płycie stanowiących żeberka. Ponadto, każda płyta zawiera otwór wlotowy i otwór wylotowy, które są ze sobą połączone, umożliwiając przepływ płynu. Wiele rurek cieplnych zdefiniowanych jest przez kilka spośród wielu wydrążonych kołków. Materiał odprowadzający ciepło umieszczony jest pomiędzy kilkoma wydrążonymi kołkami, a każda rurka cieplna przynajmniej częściowo wypełniona jest płynem przenoszącym.Patent US2018120038 A1 discloses a plate heat exchanger. Each plate has a plurality of hollow pins arranged on the plate, acting as fins. Furthermore, each plate includes an inlet port and an outlet port that are interconnected, allowing fluid flow. A plurality of heat pipes are defined by several of the plurality of hollow pins. A heat transfer material is placed between the several hollow pins, and each heat pipe is at least partially filled with a transfer fluid.

Każdą rurkę cieplną przynajmniej częściowo wypełnia płyn przenoszący ciepło. Struktury na płycie wytwarzane są w procesie trawienia chemicznego.Each heat pipe is at least partially filled with a heat transfer fluid. The structures on the board are produced by a chemical etching process.

Z dokumentu patentowego US2017321973 A1, znany jest kondensacyjny wymiennik ciepła służący do wymiany ciepła pomiędzy gorącym strumieniem płynu a zimnym strumieniem płynu i obejmuje stronę gorącego strumienia, która zawiera wlot gorącego strumienia i wylot gorącego strumienia, przy czym przekrój poprzeczny strony przepływu gorącego strumienia zmniejsza się od strony wlotu gorącego strumienia do strony wylotu gorącego strumienia w celu zachowania stałej prędkości pary, oraz stronę zimnego strumienia. Pomiędzy stroną gorącego strumienia a stroną zimnego strumienia umieszczony jest interfejs aby umożliwić komunikację cieplną między nimi.Patent document US2017321973 A1 discloses a condensing heat exchanger for exchanging heat between a hot fluid stream and a cold fluid stream, comprising a hot stream side that includes a hot stream inlet and a hot stream outlet, wherein the cross-section of the hot stream flow side decreases from the hot stream inlet side to the hot stream outlet side to maintain a constant steam velocity, and a cold stream side. An interface is provided between the hot stream side and the cold stream side to enable thermal communication between them.

W znanych przeciwprądowych płytowych wymiennikach ciepła pole przekroju poprzecznego pomiędzy użebrowanymi płytami nie zmienia się albo zmniejsza wzdłuż kierunku przepływu czynnika.In known counterflow plate heat exchangers, the cross-sectional area between the finned plates does not change or decreases along the direction of fluid flow.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie płytowego przeciwprądowego modułu do wymiany ciepła zoptymalizowanego do zastosowań, w których czynniki robocze w trakcie procesu wymiany ciepła znacząco zmieniają swoją objętość i/lub stan skupienia.The aim of the present invention is to develop a plate counter-current heat exchange module optimized for applications in which the working fluids significantly change their volume and/or state of matter during the heat exchange process.

Wynalazek rozwiązuje problem ogromnego wzrostu oporów przepływu czynnika, który w trakcie procesu wymiany ciepła znacząco zwiększa swoją objętość, a co za tym idzie wzrasta jego prędkość, prowadząc do wykładniczego wzrostu oporów hydraulicznych.The invention solves the problem of a huge increase in the flow resistance of a medium which, during the heat exchange process, significantly increases its volume and, consequently, its speed, leading to an exponential increase in hydraulic resistance.

Według przedmiotowego wynalazku, płytowy moduł wymiany ciepła zawierający dwie płyty ze strukturą żebrową, każda płyta zaopatrzona jest w przyłącze wlotowe oraz przyłącze wylotowe dla czynnika roboczego przepływającego przez tę płytę, przy czym strukturę żebrową stanowią elementy turbulizujące usytuowane w rzędach na jednej stronie każdej płyty a druga strona każdej płyty jest gładka, przy czym wysokość elementów turbulizujących w następujących po sobie rzędach różni się względem rzędu sąsiedniego o tę samą wartość, przy czym płyty zestawione są ze sobą tak, że po stronie jednej płyty z najniższymi elementami turbulizującymi usytuowana jest strona drugiej płyty z najwyższymi elementami turbulizującymi, charakteryzuje się tym, że elementy turbulizujące mają łukową powierzchnię boczną, a przekrój poprzeczny elementów turbulizujących ma kształt profilu lotniczego albo elipsy o szerokości nie większej niż 7 mm i długości nie większej niż 15 mm albo okręgu o średnicy nie większej niż 15 mm, przy czym elementy turbulizujące jednej płyty usytuowane są w miejscu usytuowania elementów turbulizujących drugiej płyty albo w miejscu usytuowania części elementów turbulizujących drugiej płyty.According to the present invention, a plate heat exchange module comprising two plates with a ribbed structure, each plate being provided with an inlet port and an outlet port for the working medium flowing through the plate, wherein the ribbed structure comprises turbulence elements arranged in rows on one side of each plate and the other side of each plate is smooth, wherein the height of the turbulence elements in successive rows differs from the adjacent row by the same amount, wherein the plates are arranged in such a way that on the side of one plate with the lowest turbulence elements there is the side of the other plate with the highest turbulence elements, characterized in that the turbulence elements have an arcuate lateral surface, and the cross-section of the turbulence elements has the shape of an airfoil or an ellipse with a width of not more than 7 mm and a length of not more than 15 mm or a circle with a diameter of not more than 15 mm, wherein the turbulence elements of one plate are arranged in the location of the elements turbulent elements of the second plate or at the location of some of the turbulent elements of the second plate.

Korzystnie, gładka strona jednej płyty styka się z elementami turbulizującymi drugiej płyty albo pomiędzy płytami ze strukturą żebrową znajduje się płyta rozdzielająca usytuowana pomiędzy strukturami żebrowymi płyt.Preferably, the smooth side of one plate is in contact with the turbulent elements of the other plate or there is a separation plate between the plates with a rib structure located between the rib structures of the plates.

Korzystnie, elementy turbulizujące rozmieszczone są równomiernie na powierzchni płyty.Preferably, the turbulence-forming elements are evenly distributed over the surface of the plate.

Korzystnie, elementy turbulizujące usytuowane są w szyku opartym na trójkącie równobocznym w taki sposób, że odległość pomiędzy rzędami jest równa wysokości trójkąta równobocznego o wierzchołkach położonych na końcach sąsiadujących ze sobą dwóch elementów turbulizujących tego samego rzędu oraz odpowiednim końcem elementu turbulizującego usytuowanego w rzędzie sąsiednim pomiędzy wspomnianymi elementami turbulizującymi.Preferably, the turbulence elements are arranged in an array based on an equilateral triangle in such a way that the distance between the rows is equal to the height of an equilateral triangle with vertices located at the ends of two adjacent turbulence elements of the same row and the corresponding end of the turbulence element situated in the adjacent row between said turbulence elements.

Termin „szerokość elementu turbulizującego” oznacza odległość pomiędzy najbardziej oddalonymi od siebie punktami przekroju poprzecznego wyznaczonego w poprzek elementu turbulizującego (poprzecznie względem kierunku przepływu czynnika roboczego).The term "width of the turbulence element" means the distance between the most distant points of the cross-section defined across the turbulence element (transverse to the direction of flow of the working medium).

Termin „długość elementu turbulizującego” oznacza odległość pomiędzy najbardziej oddalonymi od siebie punktami przekroju poprzecznego wyznaczonego wzdłuż elementu turbulizującego (zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika roboczego).The term "length of the turbulence element" means the distance between the most distant points of the cross-section determined along the turbulence element (in the direction of the working medium flow).

Korzystnie, elementy turbulizujące rozmieszczone są na płytach według tego samego wzoru. Kształt elementów turbulizujących w obu płytach może być taki sam albo może być różny.Preferably, the turbulence elements are arranged on the plates in the same pattern. The shape of the turbulence elements in both plates may be the same or different.

Wysokość elementów turbulizujących w jednej płycie może być taka sama lub inna niż wysokość elementów turbulizujących w drugiej płycie.The height of the turbulence elements in one plate may be the same or different from the height of the turbulence elements in the other plate.

Korzystnie, struktura żebrowa zawiera od 16000 do 39000 elementów turbulizujących w odniesieniu do 1 m² powierzchni płyty bez elementów turbulizujących, zajmujących odpowiednio od 8% do 20% powierzchni.Preferably, the rib structure contains from 16,000 to 39,000 turbulence elements with respect to 1 ^m2 of the plate surface without turbulence elements, occupying from 8% to 20% of the surface, respectively.

Korzystnie, krańcowe płyty modułu są równoległe względem siebie.Preferably, the end plates of the module are parallel to each other.

Korzystnie, płyty, oraz elementy turbulizujące są z tego samego materiału.Preferably, the plates and the turbulence elements are made of the same material.

Korzystnie, każda płyta posiada ramkę usytuowaną na obwodzie płyty, której wysokość zmienia się wraz ze zmianą wysokości elementów turbulizujących, a w narożach każda płyta zaopatrzona jest w otwory z których dwa naprzeciwległe leżące po przekątnej każdej płyty zamknięte są za pomocą ramki, a pozostałe dwa otwory tworzą kanały dla przepływającego przez tę płytę czynnika.Preferably, each plate has a frame located on the perimeter of the plate, the height of which changes with the height of the turbulent elements, and in the corners of each plate is provided with openings, two of which are opposite, lying diagonally to each plate, and are closed by a frame, and the remaining two openings form channels for the medium flowing through the plate.

Korzystnie, ramka jest z tego samego materiału jak płyta.Preferably, the frame is made of the same material as the plate.

Korzystnie, ramka jest jednoczęściowa.Preferably, the frame is one piece.

Moduły według przedmiotowego wynalazku mogą być ułożone w stos tak, że otwory wlotowe i wylotowe dla pierwszego czynnika w płytach są połączone wspólnymi przyłączami wlotowymi i wylotowymi dla pierwszego czynnika, a otwory wlotowe i wylotowe dla drugiego czynnika są połączone wspólnymi przyłączami wlotowymi i wylotowymi dla drugiego czynnika. Ilość modułów w wymienniku ciepła może być dobrana w zależności od oczekiwanych parametrów.The modules of the present invention can be stacked so that the inlet and outlet openings for the first medium in the plates are connected by common inlet and outlet connections for the first medium, and the inlet and outlet openings for the second medium are connected by common inlet and outlet connections for the second medium. The number of modules in the heat exchanger can be selected depending on the desired parameters.

Konstrukcja modułu według przedmiotowego wynalazku zapewnia uzyskanie zmiennego pola przekroju poprzecznego pomiędzy płytami modułu wzdłuż kierunku przepływu czynników roboczych. Pole przekroju poprzecznego pomiędzy płytami wzdłuż modułu zmniejsza się dla jednego czynnika i zwiększa dla drugiego, umożliwiając zwiększenie/zmniejszenie objętości czynnej dla przepływu czynnika zgodnie z kierunkiem jego przepływu.The module design of the present invention provides a variable cross-sectional area between the module plates along the flow direction of the working fluids. The cross-sectional area between the plates along the module decreases for one fluid and increases for the other, allowing for an increase/decrease in the active volume for the fluid flow in the direction of its flow.

Elementy turbulizujące umieszczone na płycie, gdzie czynnikiem roboczym jest na przykład R513A ,charakteryzują się rosnącą wysokością w kierunku przepływu czynnika, co jest korzystne, ponieważ czynnik ten w trakcie pracy urządzenia zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy, przez co 1,5 razy zwiększa swoją objętość. Zwiększenie objętości czynnika roboczego w danej przestrzeni roboczej skutkuje gwałtownym wzrostem oporu przepływu tego czynnika. W przypadku kanałów przestrzeni roboczej o stałym poprzecznym przekroju przepływu czynnika opór spowodowany zmianą prędkości wrzącego czynnika byłby 2,25 razy wyższy w przypadku przepływu tego samego czynnika w stanie ciekłym. Z tego powodu przekrój poprzeczny przestrzeni roboczej dla tego typu czynnika, według przedmiotowego wynalazku, zwiększa się zgodnie z kierunkiem jego przepływu. Rozwiązanie według przedmiotowego wynalazku pozwala na utrzymanie oraz regulację pożądanych parametrów termodynamicznych podczas zmiennej pracy urządzenia. Regulacji, poprzez zmianę wysokości elementów zaburzających przepływ, podlega liczba Reynoldsa, a co za tym idzie współczynniki przejmowania ciepła oraz oporów przepływu na całej powierzchni wymiany ciepła zgodnie z kierunkiem przepływu.Turbulence elements placed on the plate, where the working fluid is, for example, R513A, are characterized by increasing height in the direction of fluid flow. This is advantageous because the fluid changes state from liquid to gas during operation, increasing its volume 1.5 times. Increasing the volume of the working fluid in a given working space results in a rapid increase in flow resistance. In the case of working space channels with a constant cross-section of the fluid flow, the resistance caused by changing the velocity of the boiling fluid would be 2.25 times higher for the same fluid in the liquid state. Therefore, the cross-section of the working space for this type of fluid, according to the present invention, increases in the direction of its flow. The solution according to the present invention allows for maintaining and regulating the desired thermodynamic parameters during variable operation of the device. By changing the height of the disturbing elements, the Reynolds number is adjusted, and therefore the heat transfer coefficients and flow resistance across the entire heat exchange surface in the flow direction.

Ponadto, rozwiązanie według wynalazku zapewnia uzyskanie podparcia płyty oddzielającej przestrzenie przepływu czynników, na elementach turbulizujących, co jest warunkiem uzyskania połączenia dyfuzyjnego o pożądanej jakości i wytrzymałości. Dzięki temu, że moduł wymiany ciepła zawiera dwie równoległe względem siebie płyty końcowe, umożliwia multiplikację modułu w celu osiągnięcia oczekiwanej mocy, jak również wykorzystanie technologii spajania dyfuzyjnego do wykonania zarówno samego modułu, jak i wymiennika ciepła składającego się ze stosu modułów.Furthermore, the solution according to the invention ensures that the plate separating the fluid flow spaces is supported by the turbulence elements, which is a prerequisite for achieving a diffusion connection of the desired quality and strength. Because the heat exchange module contains two parallel end plates, it allows for module multiplication to achieve the desired power output, as well as the use of diffusion bonding technology to construct both the module itself and the heat exchanger consisting of a stack of modules.

Zwiększenie wysokości elementów turbulizujących na płycie jest korzystne również ze względu na możliwości rozwijania powierzchni wymiany ciepła w obszarach, gdzie spada intensywność wymiany ciepła.Increasing the height of the turbulence elements on the plate is also beneficial due to the possibility of developing the heat exchange surface in areas where the heat exchange intensity decreases.

Kluczowe jest, że zmiana przekroju poprzecznego przestrzeni przepływu czynnika jest możliwa przy zachowaniu tych samych lokalizacji elementów turbulizujących przepływ na obu płytach modułu (jeden „pod/nad” drugim), zachowując wszelkie korzyści płynące z intensyfikacji wymiany ciepła oraz wytrzymałości konstrukcji.The key is that changing the cross-section of the medium flow space is possible while maintaining the same locations of the flow turbulence elements on both module plates (one "under/above" the other), while maintaining all the benefits of intensifying heat exchange and structural strength.

Wynalazek przedstawiono na rysunku, na którymThe invention is shown in the drawing, in which

Fig. 1 - przedstawia wymiennik ciepła zawierający moduły ułożone w stos, w widoku przestrzennym; Fig. 2 - moduł w przekroju poprzecznym;Fig. 1 - shows a heat exchanger containing stacked modules in a spatial view; Fig. 2 - a module in cross-section;

Fig. 3 - płytę modułu w widoku z góry;Fig. 3 - module board in top view;

Fig. 4 - rozkład elementów turbulizujących na płycie;Fig. 4 - distribution of turbulent elements on the plate;

Fig. 5 - element turbulizujący w widoku z góry;Fig. 5 - turbulence element in top view;

Fig. 6 - element turbulizujący w widoku z boku;Fig. 6 - turbulence element in side view;

Fig. 7 - moduły ułożone w stos, w przekroju poprzecznym.Fig. 7 - stacked modules, cross-section.

Przykłady wykonania wynalazkuExamples of embodiments of the invention

Przykładowy płytowy moduł wymiany ciepła zawiera dwie płyty 1A, 1B ze strukturą żebrową. Strukturę żebrową stanowią elementy turbulizujące 2 z łukowymi powierzchniami bocznymi (Fig. 5, Fig. 6), usytuowane w rzędach na jednej stronie każdej płyty 1A, 1B, a druga strona każdej płyty 1A, 1B, jest gładka (Fig. 3).An exemplary plate heat exchange module comprises two plates 1A, 1B with a rib structure. The rib structure comprises turbulent elements 2 with arcuate side surfaces (Fig. 5, Fig. 6), arranged in rows on one side of each plate 1A, 1B, while the other side of each plate 1A, 1B is smooth (Fig. 3).

Struktura żebrowa może zawierać od 16000 do 39000 elementów turbulizujących w odniesieniu do 1 m² powierzchni bez elementów turbulizujących, zajmujących odpowiednio od 8% do 20% powierzchni. Wysokość h elementów turbulizujących 2 w następujących po sobie rzędach różni się względem rzędu sąsiedniego o tę samą wartość, przy czym płyty zestawione są ze sobą tak, że po stronie jednej płyty 1A z najniższymi elementami turbulizującymi 2 usytuowana jest strona drugiej płyty 1B z najwyższymi elementami turbulizującymi 2, co pokazano na Fig. 2.The ribbed structure may contain from 16,000 to 39,000 turbulence elements with respect to 1 ^m2 of surface without turbulence elements, occupying from 8% to 20% of the surface, respectively. The height h of the turbulence elements 2 in subsequent rows differs from the adjacent row by the same amount, the plates being arranged in such a way that on the side of one plate 1A with the lowest turbulence elements 2 there is the side of the other plate 1B with the highest turbulence elements 2, as shown in Fig. 2.

Korpusy płyt 1A, 1B, wykonane są na przykład blachy z nierdzewnej (SA-240 316L) o grubości 0,5 mm i wymiarach 148 mm x 722 mm. Na jednej stronie każdej płyty 1A, 1B, znajdują się elementy turbulizujące 2 o przekroju poprzecznym na przykład w kształcie profilu lotniczego, którego krawędź natarcia n oraz krawędź spływu s ma kształt łuku, przy czym promień krawędzi spływu s jest mniejszy niż promień krawędzi natarcia n elementu turbulizującego 2 (Fig. 5, Fig. 6). Maksymalna szerokość b elementów turbulizujących 2 znajduje się w odległości do ¹Z długości elementu turbulizującego 2, licząc od krawędzi natarcia n, korzystnie w 1/10 długości. Stosunek maksymalnej szerokości b elementu turbulizującego 2 do jego długości 1 wynosi 1 : 5, przy czym szerokość b maksymalnego przekroju elementu turbulizującego 2 wynosi 1,2 mm a jego długość 1 wynosi 6 mm. Elementy turbulizujące 2 rozmieszczone są równomiernie na powierzchni każdej płyty 1A, 1B, przy czym usytuowane są w szyku opartym na trójkącie równobocznym w taki sposób, że odległość k pomiędzy rzędami jest równa wysokości trójkąta równobocznego o wierzchołkach położonych na końcach sąsiadujących ze sobą dwóch elementów turbulizujących 2 tego samego rzędu oraz odpowiednim końcem elementu turbulizującego 2 usytuowanego w rzędzie sąsiednim pomiędzy wspomnianymi elementami turbulizującymi 2, co pokazano na Fig. 4. Wysokość h elementów turbulizujących 2 jest różna w zależności od czynnika roboczego, jak również zmienia się w kierunku przepływu czynnika roboczego, co opisano wyżej. Dodatkowym elementem płyty 1A, 1B jest ramka 3, której szerokość d wynosi 3 mm i której wysokość uzależniona jest od wysokości h elementów turbulizujących 2, które znajdują się na danej płycie 1A, 1B, i zmienia się wraz ze zmianą wysokości h elementów turbulizujących 2. Każda z płyt 1A, 1B, posiada we wszystkich narożach otwory 4, 4’, 5, 5’, z których dwa, naprzeciwległe, leżące po przekątnej każdej płyty 1A, 1B, zamknięte są za pomocą ramki 3, a pozostałe dwa otwory tworzą kanały dla przepływającego przez tę płytę czynnika. Jednym otworem 4 pierwszy czynnik wpływa na płytę 1A, rozpływa się po tej płycie, omywając elementy turbulizujące 2 i drugim otworem 4’ z niej wypływa, przy czym otwory 5, 5’ na tej płycie 1A zamknięte są za pomocą ramki 3. Natomiast na płycie 1B drugi czynnik wpływa na tę płytę jednym otworem 5 omywając elementy turbulizujące 2 i wypływa drugim otworem 5’, przy czym otwory 4, 4’ na tej płycie 1B zamknięte są za pomocą ramki 3. Jeden kanał płyty 1A zakończony jest odpowiednio przyłączem wlotowym 40, a drugi kanał tej płyty zakończony jest przyłączem wylotowym 40’, oraz jeden kanał płyty 1B zakończony jest przyłączem wlotowym 50, a drugi kanał tej płyty zakończony jest przyłączem wylotowym 50’. Płyty 1A, 1B, układane są za pomocą formy pozycjonującej w stos, tak że strona gładka jednej płyty 1A styka się z elementami turbulizującymi 2 drugiej płyty 1B, oraz moduł zamknięty jest z góry i dołu płytami krańcowymi 6 o grubości 8 mm.The bodies of the plates 1A, 1B are made, for example, of stainless steel sheet (SA-240 316L) with a thickness of 0.5 mm and dimensions of 148 mm x 722 mm. On one side of each plate 1A, 1B, there are turbulence elements 2 with a cross-section, for example, in the shape of an aircraft airfoil, whose leading edge n and trailing edge s have the shape of an arc, wherein the radius of the trailing edge s is smaller than the radius of the leading edge n of the turbulence element 2 (Fig. 5, Fig. 6). The maximum width b of the turbulence elements 2 is located at a distance of up to ¹ Z of the length of the turbulence element 2, counted from the leading edge n, preferably at 1/10 of the length. The ratio of the maximum width b of the turbulizing element 2 to its length 1 is 1: 5, wherein the width b of the maximum cross-section of the turbulizing element 2 is 1.2 mm and its length 1 is 6 mm. The turbulizing elements 2 are distributed evenly on the surface of each plate 1A, 1B, being arranged in an array based on an equilateral triangle in such a way that the distance k between the rows is equal to the height of an equilateral triangle with vertices located at the ends of adjacent two turbulizing elements 2 of the same row and the corresponding end of the turbulizing element 2 situated in the adjacent row between said turbulizing elements 2, as shown in Fig. 4. The height h of the turbulizing elements 2 varies depending on the working medium and also changes in the direction of flow of the working medium, as described above. An additional element of the plate 1A, 1B is a frame 3, the width d of which is 3 mm and the height of which depends on the height h of the turbulence elements 2 located on a given plate 1A, 1B, and changes with the change of the height h of the turbulence elements 2. Each of the plates 1A, 1B has openings 4, 4', 5, 5' in all corners, two of which, opposite, lying diagonally to each plate 1A, 1B, are closed by a frame 3, and the remaining two openings form channels for the medium flowing through this plate. Through one opening 4, the first factor enters the plate 1A, flows over this plate, washing the turbulent elements 2 and flows out of it through the second opening 4', wherein the openings 5, 5' on this plate 1A are closed by means of a frame 3. On the other hand, on plate 1B, the second factor enters this plate through one opening 5, washing the turbulent elements 2 and flows out through the second opening 5', wherein the openings 4, 4' on this plate 1B are closed by means of a frame 3. One channel of plate 1A ends with an inlet port 40, and the second channel of this plate ends with an outlet port 40', respectively, and one channel of plate 1B ends with an inlet port 50, and the second channel of this plate ends with an outlet port 50'. The plates 1A, 1B are arranged in a stack using a positioning form so that the smooth side of one plate 1A is in contact with the turbulence elements 2 of the other plate 1B, and the module is closed at the top and bottom with end plates 6 of 8 mm thickness.

W innym przykładzie wykonania, pomiędzy płytami 1A, 1B znajduje się płyta rozdzielająca 7, co pokazano na Fig. 2.In another embodiment, a separation plate 7 is provided between the plates 1A, 1B, as shown in Fig. 2.

W jednym przykładzie wykonania, gładka strona jednej płyty 1A styka się z elementami turbulizującymi 2 drugiej płyty 1B w miejscu usytuowania elementów turbulizujących 2 drugiej płyty 1B, a w innym wykonaniu gładka strona jednej płyty 1A styka się z elementami turbulizującymi 2 drugiej płyty 1B w miejscu usytuowania części elementów turbulizujących 2 drugiej płyty 1B, to jest z niewielkim przesunięciem względem siebie elementów turbulizujących 2 obu płyt 1A, 1B.In one embodiment, the smooth side of one plate 1A is in contact with the turbulence elements 2 of the other plate 1B at the location of the turbulence elements 2 of the other plate 1B, and in another embodiment, the smooth side of one plate 1A is in contact with the turbulence elements 2 of the other plate 1B at the location of a part of the turbulence elements 2 of the other plate 1B, i.e. with a slight shift of the turbulence elements 2 of both plates 1A, 1B relative to each other.

W innych przykładach wykonania, przekrój poprzeczny elementów turbulizujących 2 może mieć kształt okręgu albo elipsy (niepokazane na rysunku). Elementy turbulizujące 2 na jednej płycie 1A, 1B, mogą mieć ten sam kształt lub różny.In other embodiments, the cross-section of the turbulence elements 2 may have the shape of a circle or an ellipse (not shown in the drawing). The turbulence elements 2 on one plate 1A, 1B may have the same shape or a different shape.

Ponadto, elementy turbulizujące 2 mogą być rozmieszczone na obu płytach 1A, 1B, według tego samego wzoru, kształt elementów turbulizujących 2 na obu płytach 1A, 1B, może być taki sam albo inny, oraz wysokość h elementów turbulizujących 2 na obu płytach 1A, 1B, może być taka sama albo różna.Furthermore, the turbulence elements 2 may be arranged on both plates 1A, 1B in the same pattern, the shape of the turbulence elements 2 on both plates 1A, 1B may be the same or different, and the height h of the turbulence elements 2 on both plates 1A, 1B may be the same or different.

Ponadto, płyty 1A, 1B, elementy turbulizujące 2, oraz ramki 3, mogą być wykonane z tego samego materiału.Furthermore, the plates 1A, 1B, the turbulence elements 2, and the frames 3 may be made of the same material.

Moduł może zawierać dwa rodzaje płyt 1A, 1B, różnych pod względem cech geometrycznych, uzależnionych od czynników roboczych. Przykładowo, jednym z czynników roboczych może być R513A, drugim natomiast woda. W rozwiązaniu według niniejszego wynalazku wysokość h elementów turbulizujących 2 jest zmienna (rosnąca lub malejąca względem kierunku przepływu czynnika), niezależnie od użytego w module czynnika roboczego, w taki sposób, że każdy kolejny rząd (zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika roboczego) elementów turbulizujących 2 jest wyższy lub niższy od poprzedzającego go rzędu, co skutkuje tym, że powierzchnie sąsiadujących ze sobą płyt nie są względem siebie równoległe, jak w przypadku znanych wymienników płytowych. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie przestrzeni przepływu o przekroju poprzecznym, zmniejszającym się lub zwiększającym zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika, co zapewnia zwiększenie przekroju czynnego podczas zmiany objętości czynnika spowodowanej wymianą ciepła.The module may contain two types of plates 1A and 1B, differing in their geometrical characteristics, depending on the working fluids. For example, one of the working fluids may be R513A, the other water. In the solution according to the present invention, the height h of the turbulence elements 2 is variable (increasing or decreasing relative to the flow direction of the fluid), regardless of the working fluid used in the module, so that each subsequent row (in the flow direction of the working fluid) of turbulence elements 2 is higher or lower than the preceding row, which results in the surfaces of adjacent plates not being parallel to each other, as is the case with known plate heat exchangers. This allows for a flow space with a cross-section that decreases or increases relative to the flow direction of the fluid, which ensures an increase in the effective cross-section as the fluid volume changes due to heat exchange.

Elementy turbulizujące 2, gdzie czynnikiem roboczym jest R513A charakteryzują się rosnącą wysokością w kierunku przepływu czynnika, co jest korzystne, ponieważ czynnik ten w trakcie pracy urządzenia zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy, przez co 1,5-krotnie zwiększa swoją objętość. W przypadku przestrzeni przepływu o stałym przekroju poprzecznym opór spowodowany zmianą prędkości wrzącego czynnika byłby 2,25 razy wyższy w przypadku przepływu tego samego czynnika w stanie ciekłym. Z tego powodu przestrzeń przepływu dla tego czynnika charakteryzuje się zmiennym przekrojem. Wysokość h pierwszego rzędu elementów turbulizujących 2 wynosi 1 mm, podczas gdy wysokość ostatniego rzędu elementów turbulizujących 2 wynosi 2 mm, dzięki czemu na wylocie z płyty pole przekroju czynnego jest 2-krotonie większe, co pozwala zniwelować opory przepływu 4-krotnie. W przypadku drugiego czynnika, którym jest woda, przestrzeń przepływu także charakteryzuje się zmiennym przekrojem. Pierwszy rząd elementów turbulizujących 2 ma wysokość 2 mm, natomiast ostatni 3 mm. Jest to korzystne z uwagi na to, że obszar mniejszych wysokości elementów turbulizujących po stronie wodnej odpowiada obszarowi po stronie drugiego czynnika, gdzie obecny tam R513A jest w stanie gazowym, który charakteryzuje się niemal 10-krotnie mniejszym współczynnikiem wnikania ciepła niż w trakcie procesu odparowania. Mniejszy przekrój czynny dla przepływu wody powoduje zintensyfikowanie współczynnika wnikania ciepła po jej stronie, dzięki czemu wymagana powierzchnia wymiany ciepła w tym obszarze może być mniejsza niż w przypadku przestrzeni przepływu o stałym przekroju poprzecznym, co skutkuje redukcją masy i objętości modułu, a w przypadku multiplikacji modułów, redukcją masy i objętości wymiennika. Zwiększający się przekrój czynny z kolei pozwala zniwelować duże opory przepływu, które spowodowane byłyby zbyt dużą prędkością przepływu wody, która nie jest konieczna do wydajnej pracy urządzenia w obszarach, gdzie R513A odparowuje i charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem wnikania ciepła.Turbulence elements 2, where the working fluid is R513A, are characterized by increasing height in the direction of fluid flow. This is advantageous because the fluid changes state from liquid to gas during operation, increasing its volume 1.5-fold. In the case of a flow space with a constant cross-section, the resistance caused by the change in the velocity of the boiling fluid would be 2.25 times higher if the same fluid were flowing in the liquid state. For this reason, the flow space for this fluid is characterized by a variable cross-section. The height h of the first row of turbulence elements 2 is 1 mm, while the height of the last row of turbulence elements 2 is 2 mm, resulting in a cross-sectional area twice as large at the plate outlet, which allows for a four-fold reduction in flow resistance. For the second fluid, water, the flow space also has a variable cross-section. The first row of turbulence elements 2 has a height of 2 mm, while the last row has a height of 3 mm. This is advantageous because the area of lower height of the turbulence elements on the water side corresponds to the area on the second medium side, where the R513A present is in a gaseous state, which is characterized by a heat transfer coefficient almost 10 times lower than during the evaporation process. The smaller cross-section for water flow intensifies the heat transfer coefficient on the water side, allowing the required heat transfer surface in this area to be smaller than in the case of a flow space with a constant cross-section. This reduces the mass and volume of the module, and in the case of multiplying modules, reduces the mass and volume of the exchanger. The increasing cross-section, in turn, helps reduce high flow resistance caused by excessively high water flow velocity, which is not necessary for efficient operation in areas where R513A evaporates and is characterized by a very high heat transfer coefficient.

Wykaz oznaczeńList of markings

1A - płyta modułu1A - module board

1B - płyta modułu1B - module board

- elementy turbulizujące b - szerokość elementów turbulizujących- turbulence elements b - width of turbulence elements

- długość elementów turbulizujących h - wysokość elementów turbulizujących k - odległość między rzędami elementów turbulizujących n - krawędź natarcia elementu turbulizującego s - krawędź natarcia elementu turbulizującego- length of the turbulence elements h - height of the turbulence elements k - distance between the rows of the turbulence elements n - leading edge of the turbulence element s - leading edge of the turbulence element

- ramka d - szerokość ramki- frame d - frame width

- otwór wlotowy dla pierwszego czynnika ’ - otwór wylotowy dla pierwszego czynnika- inlet opening for the first factor ’ - outlet opening for the first factor

- otwór wlotowy dla drugiego czynnika ’ - otwór wylotowy dla drugiego czynnika- inlet for the second medium ’ - outlet for the second medium

- płyty krańcowe modułu- module end plates

- płyta rozdzielająca- separation plate

- przyłącze wlotowe dla pierwszego czynnika ’ - przyłącze wylotowe dla pierwszego czynnika- inlet connection for the first medium ' - outlet connection for the first medium

- przyłącze wlotowe dla drugiego czynnika ’ - przyłącze wylotowe dla drugiego czynnika- inlet connection for the second medium ' - outlet connection for the second medium

Claims

Patent claims

1. A plate heat exchange module comprising two plates with a ribbed structure, each plate being provided with an inlet port and an outlet port for the working medium flowing through the plate, wherein the ribbed structure comprises turbulence elements (2) arranged in rows on one side of each plate (1A, 1B) and the other side of each plate (1A, 1B) is smooth, wherein the height (h) of the turbulence elements (2) in successive rows differs from the adjacent row by the same amount, wherein the plates (1A, 1B) are arranged in such a way that on the side of one plate with the lowest turbulence elements (2) there is the side of the other plate with the highest turbulence elements (2), characterized in that the turbulence elements (2) have an arcuate lateral surface, and the cross-section of the turbulence elements (2) has the shape of an airfoil or an ellipse with a width (b) of not more than 7 mm and a length of not more than 15 mm or a circle with a diameter of not more than 15 mm, wherein the turbulent elements (2) of one plate (1A) are located at the location of the turbulent elements (2) of the other plate (1B) or at the location of part of the turbulent elements (2) of the other plate (1B).

2. A module according to claim 1, characterized in that the smooth side of one plate (1A) is in contact with the turbulent elements (2) of the other plate (1B).

3. Module according to claim 1, characterized in that between the plates (1A, 1B) with a rib structure there is a separating plate (7) located between the rib structures of the plates (1A, 1B).

4. Module according to claim 1, characterized in that the turbulent elements (2) are evenly distributed on the surface of the plate (1A, 1B).

5. Module according to any of claims 1 to 4, characterized in that the turbulence elements (2) are arranged in an array based on an equilateral triangle in such a way that the distance (k) between the rows is equal to the height of an equilateral triangle with vertices located at the ends of two adjacent turbulence elements (2) of the same row and the corresponding end of the turbulence element (2) arranged in the adjacent row between said turbulence elements (2).

6. Module according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the turbulent elements (2) are arranged on the plates (1A, 1B) according to the same pattern.

7. Module according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the cross-sectional shape of the turbulence elements (2) in both plates (1A, 1B) is the same.

8. Module according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the cross-sectional shape of the turbulence elements (2) in both plates (1A, 1B) is different.

PL 248910 Β1

9. Module according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the height (h) of the turbulence elements (2) in one plate (1A) is different from the height of the turbulence elements in the other plate (1B).

10. Module according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the rib structure comprises from 16,000 to 39,000 turbulence elements (2) with respect to 1 m ² of surface without turbulence elements (2).

11. A module according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the end plates (6) of the module are parallel to each other.

12. Module according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the plates (1A, 1B) and the turbulence elements (2) are made of the same material.

13. A module according to any of claims 1 to 12, characterized in that each plate (1A, 1B) has a frame (3) located on the perimeter of the plate (1A, 1B) the height of which changes with the change of the height (h) of the turbulent elements (2), and in the corners of each plate (1A, 1B) is provided with openings (4, 4', 5, 5'), two of which are opposite and located diagonally to each plate (1A, 1B) and are closed by a frame (3), and the remaining two openings form channels for the medium flowing through the plate.

14. Module according to claim 13, characterized in that the frame (3) is made of the same material as the plate (1A, 1B).

15. Module according to claim 13 or 14, characterized in that the frame (3) is one-piece.

16. A heat exchanger comprising modules according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the modules are stacked so that the inlet (4) and outlet (4') openings for the first medium in the plates (1 A) are connected by common inlet (40) and outlet (40') connections for the first medium, and the inlet (5) and outlet (5') openings for the second medium are connected by common inlet (50) and outlet (50') connections for the second medium.