PL249987B1 - Płyta wymiennika ciepła i sposób jej wytwarzania, oraz wymiennik ciepła - Google Patents

Abstract

Konstrukcja powierzchni wymiany ciepła ze strukturą żebrową, charakteryzuje się tym, że strukturę żebrową stanowią elementy turbulizujące (4), usytuowane w rzędach, tak, że elementy turbulizujące (4) w sąsiednich rzędach usytuowane są naprzemiennie względem siebie. Korzystnie przekrój poprzeczny elementów turbulizujących (4) ma kształt profilu lotniczego, lub elipsy, lub okręgu. Sposób wytwarzania płyty ze wspomnianą konstrukcją żebrową polega na tym, że elementy turbulizujące (4) i ramkę wycina się z arkusza blachy, a następnie wytworzone elementy turbulizujące (4) i wytworzoną ramkę nakłada się na powierzchnię płyty i je pozycjonuje, a następnie poddaje łączeniu z korpusem płyty przy pomocy technologii spajania dyfuzyjnego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest płyta wymiennika ciepła i sposób jej wytwarzania, oraz wymiennik ciepła.

Wynalazek znajduje zastosowanie w efektywnych energetycznie urządzeniach i układach do wytwarzania i przetwarzania energii.

W stanie techniki znane są liczne konstrukcje żebrowe powierzchni wymiany ciepła w wymiennikach ciepła, charakteryzujące się różnymi kształtami żeber raz ich konfiguracją. Wiadomo, że kształt, wielkość oraz konfiguracja żeber mają wpływ na parametry wymiany ciepła, jednak wykorzystanie żeber nie tylko jako powierzchnia poprawiająca wymianę ciepła, ale także powierzchnia konstrukcyjna, jest obszarem nowym.

Znane są płaskie płytowe wymienniki ciepła, które zwykle składają się ze stosu płyt zamontowanych w ramie. Wymienniki ciepła można zaprojektować tak, aby zapewniały przeciwprądowe, krzyżowe lub współprądowe ścieżki przepływu płynów dla gorących i zimnych strumieni płynów. Znane płyty wymienników ciepła mają kanały przepływu płynu umieszczone na powierzchni płyty, przy czym strumienie zimnego i gorącego płynu są odizolowane od siebie. Znane są także wymienniki gdzie kształt płyt umożliwia intensyfikację procesu wymiany ciepła dla poszczególnych strumieni bądź wymianę ciepła między więcej niż dwoma strumieniami.

Z dokumentu patentowego EP 4 130 627 A1, znany jest układ wymiany ciepła oraz konstrukcja żebrowa wymiennika ciepła. Strukturę żebrową stanowią żebra o kształcie falistym usytuowane równolegle względem siebie w określonych odstępach, tworząc kanały przepływu dla czynnika roboczego. Kanały przepływu dla czynnika roboczego skonfigurowane są do wykorzystania w trybie naturalnej jak i wymuszonej konwekcji wymiany ciepła.

Z dokumentu patentowego EP 4 089 359 A1, znana jest płyta dla wymiennika ciepła, która wyposażona jest w wiele pofałdowań w kształcie wzniesień i obniżeń, które wyznaczają ścieżki przepływu wzdłuż powierzchni płyty, przy czym wzniesienia i/lub obniżenia mają kształt asymetryczny względem linii środkowej wzniesienia i/lub obniżenia. Płyty zestawione są ze sobą tworząc wymiennik ciepła i mogą być połączone ze sposób trwały lub nietrwały.

Z dokumentu patentowego EP 2 878 910 A1, znana jest struktura mikrokanałowa dla wymiennika ciepła która jest utworzona pomiędzy wieloma warstwami płyt wymiany ciepła ułożonych w stos, przy czym na płycie wymiany ciepła utworzonych jest wiele jednostek żeber, przy czym jednostki żeber ułożone są równomiernie w wiele grup jednostek żeber w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu płynu, a grupy jednostek żeber są ułożone w sposób schodkowy i oddalone od siebie o odległość w kierunku przepływu płynu. Tylny koniec jednostki żeber po stronie wlotowej jest umieszczony w położeniu pośrednim pomiędzy dwoma sąsiednimi jednostkami żeber po stronie wylotowej. Jednostka żeber obejmuje co najmniej dwa żebra, przy czym sąsiednie żebra są oddalone od siebie a kanały płynu pomiędzy sąsiednimi jednostkami żeber i pomiędzy sąsiednimi żebrami tworzą strukturę mikrokanałową.

Z dokumentu patentowego US 2009145581 A1, znany jest nieliniowy radiator żebrowy do równomiernego rozpraszania/usuwania ciepła z urządzenia, w przypadku gdy generowanie ciepła nie jest równomierne w obrębie danego urządzenia. Radiator ma wydłużone wypustki na powierzchni, które są optymalnie ukształtowane pod kątem konwekcyjnego przenoszenia ciepła, przewodzenia ciepła i oporu przepływu. Układ żeber charakteryzuje się nieliniowym kształtem, odstępami i wzorem wysokości.

Z dokumentu patentowego CN 107687780 A, znana jest płyta wymiany o opływowej konstrukcji oraz wymiennik ciepła w postaci płyty drukowanej o takiej samej konstrukcji. Pierwszy segment górnego łuku i pierwszy segment dolnego łuku żebra opływowego rozciągają się do położenia maksymalnego okręgu wpisanego od przedniej krawędzi formy skrzydła. Każdy pierwszy segment jest wypukłą gładką krzywą, tylny koniec każdej wypukłej gładkiej krzywej jest styczny do maksymalnego okręgu wpisanego, drugie segmenty rozciągają się do tylnej krawędzi formy skrzydła od maksymalnego okręgu wpisanego, każdy drugi segment jest wklęsłą gładką krzywą, przedni koniec każdej wklęsłej gładkiej krzywej jest styczny do maksymalnego okręgu wpisanego, a gładka ciągła krzywa jest tworzona przez każdy pierwszy segment i odpowiadający mu drugi segment w położeniu maksymalnego okręgu wpisanego.

Z dokumentu patentowego US 2007084593 A, znany jest wymiennik ciepła który składa się z kilku płyt, z których każda ma na odwrocie pierwszą i drugą powierzchnię wymiany ciepła. Płyty są ułożone w stos, zachowując odstępy między zwróconymi ku sobie powierzchniami wymiany ciepła sąsiadują cych płyt. Naprzemienne odstępy w stosie zapewniają odpowiednio pierwszą ścieżkę płynu dla pierwszego płynu i drugą ścieżkę płynu dla drugiego płynu. Płytki są ułożone w kilku grupach, z których każda składa się z co najmniej dwóch płytek a pomiędzy płytami usytuowane są kołki które łączą płyty.

Z dokumentu patentowego US 2006126308 A1, znane jest urządzenie chłodzące oraz sposób jego wytwarzania, umożliwiające usuwanie ciepła z urządzeń elektronicznych wytwarzających ciepło. Urządzenie chłodzące obejmuje podstawę przewodzącą ciepło, posiadającą zasadniczo płaską powierzchnię główną oraz kilka żeberek przewodzących ciepło, połączonych drutem z powierzchnią główną podstawy przewodzącej ciepło i rozmieszczonych w sposób ułatwiający przenoszenie ciepła z podstawy przewodzącej ciepło. Podstawa przewodząca ciepło może być częścią chłodzonego urządzenia elektronicznego lub osobną konstrukcją połączoną z chłodzonym urządzeniem elektronicznym. Połączone drutem żeberka szpilkowe to oddzielne, pętlowe żeberka, oddzielnie połączone drutem z główną powierzchnią.

Z dokumentu patentowego CN 114370777 B, znana jest struktura kanału płynu w wymienniku ciepła na płytce drukowanej oraz wymiennika ciepła na płytce drukowanej. Struktura kanału płynu wymiennika ciepła na płytce drukowanej obejmuje wiele płyt wymiany ciepła, przy czym wiele rzędów żeber jest rozmieszczonych na każdej płycie wymiany ciepła w kierunku długości płyty wymiany ciepła, przy czym każde dwa sąsiednie rzędy żeber są ułożone w sposób schodkowy, a kanał płynu jest utworzony przez szczelinę między każdymi dwoma sąsiednimi żebrami w każdym rzędzie żeber. Długość i szerokość każdego rzędu żeberek stopniowo zwiększają się w kierunku przepływu czynnika roboczego. Zgodnie ze strukturą kanału płynu wymiennika ciepła na płytce drukowanej, wiele żeber o stopniowo zwiększanych rozmiarach jest ułożonych w kierunku przepływu czynnika roboczego, w kierunku wlotowym kanału płynu rozmiary żeber są małe, odstępy między żebrami są duże, a wymagania dotyczące redukcji hałasu o niskiej częstotliwości są spełnione. W kierunku wylotowym kanału płynu rozmiar żeber jest duży, odstępy między żebrami są małe, a wymagania dotyczące redukcji hałasu o wysokiej częstotliwości są spełnione, a zatem wydajność eliminacji i redukcji hałasu wymiennika ciepła na płytce drukowanej jest poprawiona.

Z dokumentu patentowego GB 2000268 A, znane są elementy wymiennika ciepła oraz wymienniki ciepła zawierające pewną liczbę podobnych elementów. Elementy wymiennika ciepła posiadają pierwotne i wtórne powierzchnie wymiany ciepła, które są odlane ze sobą integralnie, przy czym wtórne powierzchnie wymiany ciepła są wykonane za pomocą kołków zwłaszcza metodą odlewania precyzyjnego.

W stanie techniki znane jest zastosowanie metody spajania dyfuzyjnego w procesie wytwarzania płytowych wymienników ciepła. Na przykład, z dokumentu patentowego US 2022011053A1, znany jest wymiennik ciepła, w którym wiele płyt ze ścieżkami przepływu dla czynnika roboczego, ułożonych jest w stos i połączonych ze sobą metodą spajania dyfuzyjnego.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie konstrukcji żebrowej powierzchni wymiany ciepła do zastosowania jej w szczególności w płytowych wymiennikach ciepła pracujących przy wysokich ciśnieniach i cieczach w stanie nadkrytycznym, zdolnej do zapewnienia zarówno intensyfikacji wymiany ciepła, jak również wzmocnienia konstrukcji wymiennika ciepła, prowadzącej do ograniczenia ilości niezbędnego materiału. Ponadto celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania płyty z taką konstrukcją żebrową dla wymiennika ciepła. Wynalazek rozwiązuje problem redukcji wielkości oraz wagi płyt dla wymienników ciepła a tym samym zmniejszenia wielkości oraz wagi wymienników ciepła zawierających takie płyty, przeznaczonych do pracy pod wysokimi ciśnieniami.

Cel ten osiągnięto przez opracowanie kształtu żeber, ich wielkości oraz rozmieszczenia względem siebie oraz względem przepływu czynnika roboczego, jak również opracowanie doboru różnych technologii dla poszczególnych etapów w procesie wytwarzania płyty dla wymiennika ciepła oraz wymiennika ciepła zwierającego takie płyty.

Według przedmiotowego wynalazku płyta wymiennika ciepła zawierająca powierzchnię wymiany ciepła ze strukturą żebrową którą stanowią elementy turbulizujące o łukowej powierzchni bocznej, usytuowane w rzędach tak, że elementy turbulizujące w sąsiednich rzędach usytuowane są naprzemiennie względem siebie oraz zawierająca co najmniej jedno przyłącze wlotowe i co najmniej jedno przyłącze wylotowe dla czynnika roboczego, przy czym korpus płyty ma kształt prostokąta z parami otworów usytuowanych w przeciwległych po przekątnej narożach płyty, do których zamontowane są odpowiednio przyłącza, wlotowe oraz wylotowe dla danego czynnika, przy czym korpus płyty po jednej stronie ma elementy turbulizujące a po przeciwnej stronie względem elementów turbulizujących jest gładki, charakteryzuje się tym, że na obwodzie korpusu płyty usytuowana jest ramka, której wysokość odpowiada odpowiednio wysokości elementów turbulizujących, przy czym odpowiednio jedna para naprzeciwległe leżących po przekątnej płyty otworów zamknięta jest za pomocą ramki a druga para tworzy kanały dla przepływającego przez tę płytę czynnika. Korzystnie, wykonane są z tego samego materiału jak korpus płyty.

Korzystnie, ramka jest jednoczęściowa.

Korzystnie, ramka wykonana jest z tego samego materiału jak korpus płyty.

Przedmiotem wynalazku jest także wymiennik ciepła zawierający płyty według wynalazku, opisane wyżej, przy czym wspomniane płyty ułożone są w pakiet naprzemiennie tak, że sąsiadujące ze sobą płyty obrócone są względem siebie o 180° w odniesieniu do kierunku przepływu przez nie czynnika, przy czym elementy turbulizujące danej płyty przylegają do gładkiej strony sąsiedniej płyty w miejscu usytuowania elementów turbulizujących sąsiedniej płyty albo w miejscu usytuowania części elementów turbulizujących sąsiedniej płyty. Wysokość elementów turbulizujących na płytach dla pierwszego czynnika może być inna niż wysokość elementów turbulizujących na płytach dla drugiego czynnika.

Ponadto, przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania płyty według wynalazku, o konstrukcji opisanej wyżej, polegający na tym, że elementy turbulizujące struktury żebrowej i ramkę wycina się z arkusza blachy a następnie wytworzone elementy turbulizujące i wytworzoną ramkę nakłada się na powierzchnię płyty tak, że elementy turbulizujące w sąsiednich rzędach usytuowane są naprzemiennie względem siebie i je pozycjonuje za pomocą elementów montażowych będących szablonem nakładanym na płytę, o kształcie i wymiarach odpowiadającym kształtowi i wymiarom płyty, a następnie poddaje łączeniu z korpusem płyty przy pomocy technologii spajania dyfuzyjnego.

Konstrukcja powierzchni wymiany ciepła płyty według wynalazku posiada szereg zalet w stosunku do znanych rozwiązań.

Geometria elementów turbulizujących według przedmiotowego wynalazku pozwala na 4-krotne zintensyfikowanie współczynników przejmowania ciepła w stosunku do znanych rozwiązań przy zachowaniu zbliżonych oporów przepływu.

Zastosowanie elementów turbulizujących z tego samego materiału co korpus płyty zapewnia znacząco lepszą wymianę ciepła w wymienniku, a rozkład elementów turbulizujących bez wyznaczonych kanałów pozwala na przepływ czynnika w różnych kierunkach w zależności od stanu pracy wymiennika. Zastosowanie dużej ilości małych elementów turbulizujących, pełniących jednocześnie funkcję łączenia sąsiadujących płyt podpieranych przez elementy turbulizujące, umożliwia zastosowanie materiałów płyt o znacząco mniejszych grubościach w stosunku do znanych wymienników, prowadząc do ograniczenia wagi oraz kosztu wymiennika.

Umieszczenie elementów turbulizujących w pakiecie płyt „nad sobą”, zapewnia najbardziej efektywne wykorzystanie przewodzenia ciepła przy jednoczesnej poprawie własności wytrzymałościowych powierzchni wymiany ciepła, ponieważ wymiana ciepła w tym obszarze wymaga tylko przewodzenia ciepła wykorzystując najkrótszą drogę, bez dodatkowych oporów przejmowania ciepła. Efektem jest znacząca redukcja masy i objętości wymiennika według niniejszego wynalazku w stosunku do standardowych znanych wymienników dostępnych na rynku, dochodząca do 50%.

Możliwość zastosowania różnych technik w procesie wytwarzania jednego wymiennika w odniesieniu do technik dotychczasowo stosowanych, prowadzi do optymalizacji czasu, kosztu i ilości materiału użytego do realizacji wynalazku. Na przykład, wykonanie małych elementów przy pomocy laserowego druku przyrostowego bazującego na materiale rodzimym umożliwia wykonanie bardzo małych elementów przy niewielkim zużyciu materiału, kiedy to wycinanie laserowe ramek zapewnia adekwatną precyzję i bardzo krótki czas wykonania tych większych elementów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym:

Fig. 1 - przedstawia wycinek powierzchni wymiany ciepła w widoku z góry

Fig. 2 - element turbulizujący w widoku z góry

Fig. 3 - element turbulizujący w widoku z boku

Fig. 4 - płytę z powierzchnią wymiany ciepła jak na Fig. 1, w widoku przestrzennym z góry

Fig. 5 - położenie elementów turbulizujących dwóch sąsiednich płyt wymiennika ciepła

Fig. 6 - stos płyt w widoku przestrzennym

Fig. 7 - wymiennik ciepła w widoku przestrzennym

Fig. 8 - wymiennik ciepła w przekroju poprzecznym

Fig. 9 - wymiennik ciepła w przekroju poprzecznym

Fig. 10 - schemat blokowy przykładowego sposobu wykonania wymiennika ciepła.

Przykłady wykonania wynalazku

Z blachy nierdzewnej (SA-240 316L) o grubości 0,5 mm na przykład przy pomocy lasera wycina się prostokątne płyty 1A, 1B o wymiarach 122 mm x 280 mm. Następnie przy pomocy lasera, w każdym narożu prostokątnych płyt 1A, 1B wycina się otwory 2, 2’ usytuowane po przeciwnej stronie wzdłuż jednej przekątnej oraz otwory 3, 3’ usytuowane po przeciwnej stronie wzdłuż drugiej przekątnej, zachowując minimalną odległość od krawędzi płyty 1A, 1B, równą 8 mm. Wspomniane otwory 2, 2’, 3, 3’, mają kształt okręgu o średnicach 24 mm dla jednego czynnika roboczego oraz 30 mm dla drugiego czynnika roboczego, których zadaniem jest równomierne doprowadzenie i odprowadzanie czynnika roboczego do/z płyty 1A, 1B, wymiennika ciepła. Następnie za pomocą metody na przykład laserowego druku przyrostowego, wykorzystującej taki sam materiał jak materiał płyty tj. proszek SA-240 316L, na jedną ze stron każdej z płyt 1A, 1B nanosi się elementy turbulizujące 4 z łukowymi powierzchniami bocznymi, które usytuowane są w rzędach, tak, że elementy turbulizujące 4 w sąsiednich rzędach każdej płyty 1A, 1B, usytuowane są naprzemiennie względem siebie oraz elementy turbulizujące 4 we wszystkich rzędach każdej płyty 1A, 1B, spozycjonowane są w tym samym kierunku względem kierunku przepływu czynnika. Elementy turbulizujące 4 rozmieszczone są równomiernie na płytach 1A, 1B, oraz usytuowane są w szyku opartym na trójkącie równobocznym o długości boku na przykład 5,5 mm w taki sposób, że odległość k pomiędzy rzędami jest równa wysokości trójkąta równobocznego o wierzchołkach położonych na końcach sąsiadujących ze sobą dwóch elementów turbulizujących 4 tego samego rzędu oraz odpowiednim końcem elementu turbulizującego 4 usytuowanego w rzędzie sąsiednim pomiędzy wspomnianymi elementami turbulizującymi 4, co przedstawiono na Fig. 1. Elementy turbulizujące 4 oraz ramkę 5 można wyciąć z arkusza blachy a następnie wytworzone elementy turbulizujące 4 oraz ramkę 5 nałożyć na powierzchnię płyty 1A, 1B na przykład według wzoru opisanego wyżej i poddać łączeniu z korpusem płyty 1A, 1B, przy pomocy technologii spajania dyfuzyjnego.

W jednym przykładzie wykonania, przekrój poprzeczny elementów turbulizujących 4 ma kształt symetrycznego profilu lotniczego, co przedstawiono na Fig. 1 i Fig. 2. W tym przykładzie wykonania, krawędź natarcia n elementu turbulizującego 4 ma kształt łuku oraz krawędź spływu s elementu turbulizującego 4 ma kształt łuku, przy czym promień krawędzi spływu sjest mniejszy niż promień krawędzi natarcia n (Fig. 2).

Szerokość b elementów turbulizujących 4 jest nie większa niż 7 mm, w tym przykładzie 1,2 mm, a ich długość 1 jest nie większa niż 15 mm, w tym przykładzie 6 mm.

Maksymalna szerokość b elementów turbulizujących 4 znajduje się w odległości do 0,5 długości 1 elementu turbulizującego 4 licząc od krawędzi natarcia n, korzystnie w 0,10 długości 1. Stosunek maksymalnej szerokości b elementu turbulizującego 4 do długości 1 wynosi 1:5.

Elementy turbulizujące 4 na płytach 1A, 1B, usytuowane są częścią o większej szerokości w stronę napływającego czynnika, a więc przeciwległe dla CO2 i wody ze względu na przeciwny kierunek przepływu w stosunku do długości wymiennika.

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% tej powierzchni.

Na jednej płycie 1A, 1B, może znajdować się 950 elementów rozłożonych równomiernie i naprzemiennie.

W innych przykładach wykonania, przekrój poprzeczny elementów turbulizujących 4 ma kształt okręgu, którego średnica jest nie większa niż 15 mm, albo elipsy której szerokość jest nie większa niż 7 mm, długość 1 jest nie większa niż 15 mm.

Jeszcze w innych przykładach wykonania przekrój poprzeczny elementów turbulizujących może mieć kształt dowolnej figury.

W jednym wykonaniu, wysokość h elementów turbulizujących 4 we wszystkich rzędach jest taka sama (Fig. 8), a w innych przykładach wykonania wysokość h elementów turbulizujących 4 w następujących po sobie rzędach jest większa w kolejnym rzędzie względem rzędu poprzedniego o tę samą wartość, a w jeszcze innym wykonaniu wysokość h elementów turbulizujących 4 w następujących po sobie rzędach jest mniejsza w kolejnym rzędzie względem rzędu poprzedniego o tę samą wartość, w odniesieniu do kierunku przepływu czynnika roboczego (Fig. 9).

Wysokość h elementów turbulizujących 4 zależy od czynnika roboczego i wynosi 1 mm dla CO2 i 2 mm dla wody.

Na każdą z płyt 1A, 1B, nanosi się elementy turbulizujące 4 o wysokości h odpowiadającej przepływającemu przez nią czynnikowi. Następnie w równoległym procesie cięcia laserowego uzyskiwane są z takiego samego materiału jak płyty 1A, 1B, ramki 5 płyt 1A, 1B wymiennika ciepła. Ramki 5 mają grubość 8mm na obwodzie otworów 2, 2’, 3, 3’ oraz 3 mm w pozostałych miejscach. Obwód i kształt ramek 5 jest taki sam jak obwód i kształt płyt 1A, 1B. Dwa otwory 2, 2’, albo 3, 3’, umieszczone w narożach po przekątnej każdej z płyt 1A, 1B, zamknięte są dodatkowym elementem ramki 5, uniemożliwiając wzajemne mieszanie się czynników roboczych przepływających przez płyty 1A, 1B. Wysokość każdej z ramek 5 odpowiada wysokości h elementu turbulizującego 4 na odpowiadającej mu płycie 1A oraz 1B. W przypadku gdy wysokość h elementów turbulizujących 4 wzrasta/maleje wzdłuż długości płyty 1A, 1B, wysokość ramki 5 wzrasta/maleje odpowiednio wraz ze wzrostem/spadkiem wysokości h elementów turbulizujących 4. Tak przygotowane ramki 5 układane są za pomocą elementów montażowych będących szablonem nakładanym na każdą płytę 1A, 1B, o kształcie i wymiarach odpowiadającym kształtowi i wymiarom płyty 1A, 1B, pozwalającym odpowiednio spozycjonować wszystkie elementy także turbulizujące 4 znajdujące się na każdej płycie 1A, 1B.

Przykładowy wymiennik ciepła zawiera dwa rodzaje płyt 1A i 1B, w tym przykładzie, płyty CO2 oraz płyty wodne. Każda z płyt 1A, 1B, ma otwarte tylko dwa przeciwległe otwory 2, 2’ albo 3, 3’, leżące po przekątnej każdej płyty 1A, 1B. Pozostałe dwa otwory są zaślepione. Przeciwległe kanały zaślepione na płycie wodnej są otwarte na płycie CO2 i odwrotnie tj. przeciwległe kanały zaślepione na płycie CO2 są otwarte na płycie wodnej. Następnie płyty 1A, 1B, układane są naprzemiennie, jedna na drugą w stos (Fig. 6), zgodnie z założonym kierunkiem przepływu przez nie czynników roboczych, zachowując przeciwprądowy przepływ czynników roboczych, za pomocą formy wyposażonej w charakterystyczne elementy konstrukcyjne - zamki, elementy ustalające, których kształt odzwierciedlony zostaje na powierzchni płyt 1A, 1B, a który uniemożliwia nieprawidłowe ułożenie płyt w stosie. Płyty 1A, 1B, układane są gładką stroną kolejnej płyty do elementów turbulizujących 4 poprzedniej płyty.

W jednym przykładzie wykonania elementy turbulizujące 4 danej płyty 1A, 1B, przylegają do gładkiej strony sąsiedniej płyty 1A, 1B, w miejscu usytuowania elementów turbulizujących 4 sąsiedniej płyty 1A, 1B, (Fig. 5), a w innym przykładzie wykonania elementy turbulizujące 4 danej płyty 1A, 1B, przylegają do gładkiej strony sąsiedniej płyty 1A, 1B, w miejscu usytuowania części elementów turbulizujących 4 tej płyty, to jest z niewielkim przesunięciem względem siebie elementów turbulizujących 4 stykających się ze sobą płyt 1A, 1B, (nie pokazane na rysunku).

Dodatkowo wymiennik ciepła wyposażony jest w dwie płyty zamykające 6, które układane są na górze i dole stosu również za pomocą formy. Płyty zamykające 6 mają grubość 8 mm, są wykonane z takiego samego materiału co pozostałe elementy wymiennika ciepła oraz mają taki sam obwód i kształt jak płyty 1A, 1B wymiennika ciepła. W każdej z płyt końcowych (zamykających) 6 wycięte są także otwory w miejscu otworów 2, 2’, 3, 3’, doprowadzających i odprowadzających odpowiednie czynniki. Po złożeniu odpowiedniej ilości płyt 1A, 1B, zależnej od oczekiwanej mocy wymiennika, całość zostaje przeniesiona do pieca i w wyniku zapewnienia warunków do procesu spajania dyfuzyjnego zostaje połączona w jedną całość. Proces spajania zachodzi dla materiału SA-240 316L w temperaturze 1050°C - 1070°C i trwa od 30-120 minut. Spajanie dyfuzyjne zapewnia stałe połączenie wszystkich stykających się ze sobą elementów wymiennika ciepła. Po tym czasie wymiennik zostaje poddany szybkiemu chłodzeniu przez 240 minut. Następnie w procesie spawania do wymiennika ciepła dołączone zostają przyłącza wlotowe i wylotowe dla czynników roboczych 20, 20’, 30, 30’, które umożliwiają doprowadzenie i odprowadzenie czynników roboczych do/z wymiennika ciepła.

Schemat blokowy przykładowego sposobu wykonania wymiennika ciepła przedstawiono na Fig. 9.

Przewiduje się, że kształt przekroju poprzecznego elementów turbulizujących 4 we wszystkich płytach 1A, 1B, wymiennika ciepła może być taki sam albo różny.

Elementy turbulizujące 4 na jednej płycie 1A, 1B, mogą mieć ten sam kształt lub różny.

Ponadto, ramkę 5 płyt 1A, 1B, można wytworzyć za pomocą technologii druku przyrostowego stosując ten sam materiał jak materiał płyty.

Elementy turbulizujące 4 mogą być wycinane z arkusza blachy a następnie nałożone na powierzchnię płyt 1A, 1B i poddane łączeniu z korpusem płyt 1A, 1B, na przykład za pomocą spajania dyfuzyjnego albo za pomocą lutowania, albo mogą być zakuwane na powierzchni płyty, albo nanoszone za pomocą druku przyrostowego.

W procesie wytwarzania wymiennika ciepła według wynalazku przewiduje się zastosowanie różnych technik dla poszczególnych etapów procesu, co opisano wyżej.

Obieg czynników roboczych w rozwiązaniu według niniejszego wynalazku jest następujący. Dostarczona króćcem wlotowym 30 na przykład zimna woda, omywa płyty 1A, w tym samym czasie króćcem wlotowym 20 dostarczany jest przeciwprądowo względem kierunku przepływu wody, gorący czynnik na przykład superkrytyczny dwutlenek węgla (SCO2), który omywa płyty 1B. Woda przepływając przez płyty A1 ogrzewa się, a dwutlenek węgla przepływając przez płyty 1B chłodzi się. Ogrzana woda opuszcza wymiennik króćcem wylotowym 30’, a ochłodzony dwutlenek węgla opuszcza wymiennik króćcem wylotowym 20’.

Wymiennik ciepła według wynalazku może pracować w zakresie temperatur od -200°C do +230°C oraz ciśnienia do 150 bar.

Wykaz oznaczeń

A - płyta wymiennika ciepła

1B - płyta wymiennika ciepła

- otwór wlotowy dla pierwszego czynnika ’ - otwór wylotowy dla pierwszego czynnika

- otwór wlotowy dla drugiego czynnika ’ - otwór wylotowy dla drugiego czynnika

- elementy turbulizujące

B - szerokość elementów turbulizujących h - wysokość elementów turbulizujących k - odległość między rzędami elementów turbulizujących l - długość elementów turbulizujących n - krawędź natarcia elementu turbulizującego s - krawędź spływu elementu turbulizującego

- ramka

- płyty końcowe

- przyłącze wlotowe dla pierwszego czynnika ’ - przyłącze wylotowe dla pierwszego czynnika

- przyłącze wlotowe dla drugiego czynnika ’ - przyłącze wylotowe dla drugiego czynnika

Claims (7)

1 . Płyta wymiennika ciepła zawierająca powierzchnię wymiany ciepła ze strukturą żebrową którą stanowią elementy turbulizujące (4) o łukowej powierzchni bocznej, usytuowane w rzędach tak, że elementy turbulizujące (4) w sąsiednich rzędach usytuowane są naprzemiennie względem siebie, oraz zawierająca co najmniej jedno przyłącze wlotowe (20, 30) i co najmniej jedno przyłącze wylotowe (20’, 30’) dla czynnika roboczego, przy czym korpus płyty (1A, 1B) ma kształt prostokąta z parami otworów (2, 2’; 3, 3’) usytuowanych w przeciwległych po przekątnej narożach płyty (1A, 1B), do których zamontowane są odpowiednio przyłącza, wlotowe (20, 30) oraz wylotowe (20’, 30’) dla danego czynnika, przy czym korpus płyty (1A, 1B) po jednej stronie ma elementy turbulizujące (4) a po przeciwnej stronie względem elementów turbulizujących (4) jest gładki, znamienna tym, że na obwodzie korpusu płyty (1A, 1B) usytuowana jest ramka (5), której wysokość odpowiada odpowiednio wysokości elementów turbulizujących (4), przy czym odpowiednio jedna para naprzeciwległe leżących po przekątnej płyty (1A, 1B) otworów (2, 2’; 3, 3’) zamknięta jest za pomocą ramki (5) a druga para (2, 2’; 3, 3’) tworzy kanały dla przepływającego przez tę płytę czynnika.

2 . Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że elementy turbulizujące (4) wykonane są z tego samego materiału jak korpus płyty (1A, 1B).

3 . Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że ramka (5) jest jednoczęściowa.

4 . Płyta według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że ramka (5) wykonana jest z tego samego materiału jak korpus płyty (1A, 1B).

5 . Wymiennik ciepła zawierający płyty według któregokolwiek z zastrz. 1 do 4, w którym wspomniane płyty (1A, 1B) ułożone są w pakiet naprzemiennie tak, że sąsiadujące ze sobą płyty obrócone są względem siebie o 180° w odniesieniu do kierunku przepływu przez nie czynnika, przy czym elementy turbulizujące (4) danej płyty (1A, 1B) przylegają do gładkiej strony sąsiedniej płyty (1A, 1B) w miejscu usytuowania elementów turbulizujących (4) sąsiedniej płyty albo w miejscu usytuowania części elementów turbulizujących (4) sąsiedniej płyty.

6 . Wymiennik według zastrz. 5, znamienny tym, że wysokość (h) elementów turbulizujących (4) na płytach (1A) dla pierwszego czynnika jest inna niż wysokość (h) elementów turbulizujących (4) na płytach (1B) dla drugiego czynnika.

7 . Sposób wytwarzania płyty według któregokolwiek z zastrz. 1 do 4, w którym elementy turbulizujące (4) struktury żebrowej i ramkę (5) wycina się z arkusza blachy a następnie wytworzone elementy turbulizujące (4) i wytworzoną ramkę (5) nakłada się na powierzchnię płyty (1A, 1B) tak, że elementy turbulizujące (4) w sąsiednich rzędach usytuowane są naprzemiennie względem siebie i je pozycjonuje za pomocą elementów montażowych będących szablonem nakładanym na płytę, o kształcie i wymiarach odpowiadającym kształtowi i wymiarom płyty, a następnie poddaje łączeniu z korpusem płyty (1A, 1B) przy pomocy technologii spajania dyfuzyjnego.