PL/EP 1700079 PL/EP 1700079 T3
advertisement
RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 24.11.2004 04800375.0 (19) PL (11) PL/EP (13) (51) 1700079 T3 Int.Cl. F28D 9/00 (2006.01) F28F 3/08 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (54) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 15.09.2010 Europejski Biuletyn Patentowy 2010/37 EP 1700079 B1 F28F 9/22 (2006.01) Tytuł wynalazku: Płytowy wymiennik ciepła (30) Pierwszeństwo: 10.12.2003 SE 20030003307 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.09.2006 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2006/37 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: PL/EP 1700079 T3 31.03.2011 Wiadomości Urzędu Patentowego 2011/03 (73) Uprawniony z patentu: SWEP International AB, Landskrona, SE (72) Twórca(y) wynalazku: SVEN ANDERSSON, Hörby, SE HANS ANDRE, Ramlösa, SE TOMAS DAHLBERG, Helsingborg, SE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Dorota Rzążewska JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ul. Żurawia 47/49 00-680 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich). 11652/10/P-RO/DR/MA EP 1 700 079 Płytowy wymiennik ciepła Opis [0001] Przedmiotowy wynalazek dotyczy płytowego wymiennika ciepła przystosowanego do wymiany ciepła pomiędzy co najmniej jednym płynem o wysokiej temperaturze i co najmniej jednym płynem chłodzącym, zawierający wiele ustawionych jedna na drugiej płyt, z których każda posiada: (a) otwór wlotowy dla płynu o wysokiej temperaturze, (b) otwór wylotowy dla płynu chłodzącego, (c) otwór wylotowy dla płynu o wysokiej temperaturze oraz (d) otwór wlotowy dla płynu chłodzącego, kanały ograniczające ustawionych jedna na drugiej płyt wymiennika ciepła dla co najmniej dwóch płynów wymiany ciepła, w których pary płyt są ze sobą zlutowane wzdłuż obszarów styku tworząc kołnierze rozciągające się do wlotu płynu o wysokiej temperaturze. [0002] Wspomnianym płynem o wysokiej temperaturze może być gaz powstający podczas spalania paliwa, takiego jak olej czy gaz ziemny, a płynem chłodzącym może być woda używana do ogrzewania domów mieszkalnych. Bardzo pożądane jest opracowanie jak najmniejszego i jak najtańszego w produkcji wymiennika ciepła. Cel ten można osiągnąć, kiedy wymiennik będzie mógł pracować z gazami o bardzo wysokiej temperaturze. [0003] Graniczną temperaturę gorących gazów ustala np. zastosowanie materiału lutowniczego do łączenia sąsiadujących płyt wymiennika dookoła otworów, przez które przepływa tenże gorący gaz. Materiał lutowniczy – często miedź lub nikiel – ulega zmęczeniu, kiedy poddany jest wpływowi szybko zmieniających się temperatur, czyli dużych gradientów temperatury. Nawet materiał używany do wykonania płyt wymiennika - z reguły stal wystawiony na działanie dużych i szybkich zmian temperaturowych ulega zmęczeniu. Z tego powodu z reguły okres eksploatacji wymiennika jest tym krótszy, im wyższa jest temperatura płynu wysokotemperaturowego przepływającego przez wymiennik. 2 [0004] Przedmiotem wynalazku jest opracowanie wymiennika ciepła typu opisanego powyżej, w którym gradienty temperatury materiału, z którego jest wykonany, mogłyby być znacząco obniżone i którego okres eksploatacji mógłby być znacznie wydłużony. [0005] Zgodnie z wynalazkiem, cel ten osiąga się stosując dwa oddzielne kanały płynu chłodzącego przylegające do wspomnianych obszarów styku tworzących kołnierz rozciągający się do wlotu płynu o wysokiej temperaturze, przy czym wspomniane dwa oddzielne kanały płynu chłodzącego posiadają wspólny wlot i wspólny wylot, a wspólny wlot znajduje się w miejscu wyższego ciśnienia przepływu niż wspólny wylot, przy czym jeden z tych kanałów jest częściowo ograniczony grzbietem uformowanym w jednej z płyt tworzących wspomniane pary płyt płynu chłodzącego, gdzie wspomniany grzbiet jest przystosowany do styku z odpowiednim grzbietem na drugiej płycie we wspomnianej parze płyt, a kanał przylegający do uformowanego grzbietu posiada mniejszą wysokość niż ten grzbiet. [0006] W ten sposób zapewnia się równomierny przepływ środka chłodzącego pomiędzy płytami połączonymi przez lutowanie wzdłuż obszarów przyległych do otworów wlotowych przepływu wysokotemperaturowego, przy czym przepływ środka chłodzącego odbywa się w pobliżu złącz lutowanych i materiału płyty wystawionego na działanie maksymalnych gradientów temperatury w wymienniku. [0007] Wynalazek opisany jest bardziej szczegółowo w odniesieniu do załączonego rysunku, na którym: Figura 1 to schematyczny widok w rzucie poziomym płyty tradycyjnego wymiennika ciepła stosowanego do podgrzewania wody przez gorące spaliny. Figura 2 to schematyczny widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła według wynalazku. Figura 3 to schematyczny widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła przystosowanej do umieszczenia na płycie typu pokazanego na Figurze 2 w wymienniku ciepła według wynalazku. Figura 4 to przekrój poprzeczny wymiennika ciepła według wynalazku wzdłuż linii X-X na Figurach 2 i 3. Figura 5 przedstawia widok rozłożonych płyt wymiennika ciepła pokazanych na Figurze 4. Figura 6 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym odpowiadającej płycie pokazanej na Figurze 1. 3 Figura 7 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym według wynalazku przedstawiający sposób, w jaki można ulepszyć chłodzenie kołnierzy we wlocie płynu grzewczego w porównaniu z zastosowaniem z Figury 6. Figura 8 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym posiadającej centralnie umieszczony otwór wlotowy płynu grzewczego. Figura 9 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym według wynalazku przedstawiający sposób, w jaki można ulepszyć chłodzenie kołnierzy we wlocie płynu grzewczego w porównaniu z zastosowaniem z Figury 8. Figura 10 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym, w którym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy jednym płynem chłodzącym a dwoma płynami grzewczymi. Figura 11 to widok w rzucie poziomym płyty wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym według wynalazku przedstawiający sposób, w jaki można ulepszyć chłodzenie kołnierzy we wlotach dwóch płynów grzewczych w porównaniu z zastosowaniem z Figury 10. Figura 12 to przekrój poprzeczny wzdłuż linii Y-Y na Figurze 11. [0008] Płyta tradycyjnego wymiennika ciepła przedstawiona na Figurze 1 posiada uformowane grzbiety i zagłębienia ułożone w „jodełkę” – schematycznie pokazane i oznaczone numerem 2. Płyta 1 pokazana jest od góry, a jej górna strona przystosowana jest do ograniczania przepływu wody chłodzącej, a druga strona przystosowana jest do ograniczania przepływu gorącego gazu, o temperaturze np. 1300 °C. Płyta 1 posiada cztery otwory 3-6: otwór 3 to wlot płynu o wysokiej temperaturze, otwór 4 to wylot wody chłodzącej, otwór 5 to wylot płynu o wysokiej temperaturze, a otwór 6 to wlot wody chłodzącej. [0009] Przepływ wody chłodzącej w płycie 1 pokazany jest wieloma strzałkami 7 i 8 – większe strzałki 7 pokazują większy przepływ pod względem masy, podczas gdy mniejsze strzałki 8 znacznie mniejszy przepływ pod względem masy. Otwór 3 ograniczony jest okrągłą krawędzią 9 płyty 1 przylutowanej do sąsiedniej płyty wymiennika - niepokazanej na Figurze 1 - wzdłuż pierścieniowego obszaru 10 pomiędzy krawędzią 9 a linią 11 przylegającą do rogu 13 płyty 1. Pierścieniowy obszar 10 obu połączonych przez lutowanie płyt utworzy kołnierz, który na obu stronach będzie stykał się z gorącymi gazami i będzie chłodzony poprzez przewodzenie ciepła do przyległych części płyty wystawionych na działanie wody chłodzącej. [0010] Jednakże przepływ wody chłodzącej wzdłuż części 12 płyty 1 jest bardzo wolny obszar zakreskowany na Figurze 1. Z tego powodu materiał lutowniczy - miedź lub nikiel stosowany do łączenia płyt w obszarze 10, a także materiał płyty w obszarze 10 osiągnie temperaturę przekraczającą limit dla materiału lutowniczego i często w połączeniu z dużym 4 gradientem temperatury w materiale, z którego wykonane są płyty wymiennika ciepła. Może to spowodować zmęczenie materiału i w ten sposób znacznie skrócić czas eksploatacji wymiennika ciepła. [0011] Na Figurach 2 i 3 przedstawiono sposób wyeliminowania tej wady poprzez zastosowanie konstrukcji zgodnej z wynalazkiem. [0012] Figura 2 przedstawia płytę 21 do zastosowania w wymienniku ciepła według wynalazku. Elementy i szczegóły znane już z Figury 1 oznaczone są tymi samymi numerami. Płyta 21 pokazana jest od góry, a woda chłodząca przepływa w jej górnej części, podczas gdy gorący gaz przepływa w części dolnej. Grzbiet 22 utworzony jako część pierścienia został uformowany do góry do poziomu „szczytów” grzbietów 2. Szczyt tego grzbietu 22 styka się ze szczytem odpowiedniego grzbietu w sąsiedniej płycie - co zostanie wyjaśnione poniżej w odniesieniu do Figury 3 - i ogranicza oddzielny kanał 23 znajdujący się pomiędzy grzbietem 22 i wspomnianym kołnierzem jako część obszaru pierścieniowego 10. Jak widać na Figurze 2, kanał 23 posiada wlot 24 oddalony od otworu wylotowego 4 wody chłodzącej, oraz wylot 25 w pobliżu wspomnianego otworu wylotowego 4. Część wody chłodzącej wpływającej przez wlot 24 kanału 23 przepłynie przez kanał 26 pomiędzy wspomnianym kołnierzem w części obszaru pierścieniowego 10 a przyległym rogiem 13 płyty 21. Rozumie się, że ciśnienie wody chłodzącej na wlocie 24 będzie wyższe niż na wylocie 25, co spowoduje przepływ przez kanały 23 i 26. [0013] Figura 3 przedstawia płytę wymiennika 31 do umieszczenia na płycie 21 pokazanej na Figurze 2. Na Figurze 3 płyta 31 pokazana jest od góry, a woda chłodząca przepływa w jej dolnej części. Zgodnie z często stosowanym rozwiązaniem „jodełkowy” wzór 2 płytki 31 ustawiony jest odwrotnie niż na Figurze 2. Wspomniany powyżej grzbiet o kształcie niepełnego pierścienia oznaczono numerem 32 i jest on uformowany w dół, aby stykać się ze szczytem grzbietu 22 przedstawionego na Figurze 2. W ten sposób dwa łukowate grzbiety 22 i 32 wspólnie ograniczają kanał 23. Wlot kanału 24 i wylot kanału 25 ponownie przedstawione są na Figurze 3. [0014] Figura 4 to przekrój poprzeczny wymiennika ciepła według wynalazku wzdłuż linii XX na Figurach 2 i 3. Pokazany wymiennik posiada dziesięć płyt z kanałami wykonanych z cienkiej blachy i połączonych razem poprzez lutowanie w miejscach, w których płyty stykają się ze sobą. Jak widać na Figurze 4, końcowe płyty wymiennika są cięższe – końcowa płyta górna 101 i końcowa płyta dolna 102. Końcowa płyta górna 101 zawiera armaturę 103, 104 w celu podłączenia do źródła dostarczającego gorące gazy i do odprowadzenia podgrzanej wody. Numery 105 i 106 oznaczają pierścienie dystansowe. Przepływy wymiany ciepła oznaczono różnymi typami zakreskowania. 5 [0015] Kanały wody chłodzącej 23 i 26 zostaną umieszczone w pobliżu złącz lutowanych i części narażonych na przepływ gorącego gazu, np. kołnierzy utworzonych przez obszary pierścieniowe 10 płyt z kanałami. W ten sposób kanały te będą obniżać maksymalną temperaturę materiału lutowniczego i materiału kołnierzy. [0016] Dodatkowo, wysokość kanałów 23 i 26 ustalona przez zagłębienia w płytach w pobliżu obszaru 10 powinna być mniejsza niż wysokość grzbietów 22 lub zagłębień 32 w celu nieblokowania przepływu środka wysokotemperaturowego. [0017] Figura 5 przedstawia oddzielone od siebie płyty wymiennika ciepła przedstawione na Figurze 4. Płyty o kształcie przedstawionym na Figurze 2 oznaczono literą A, a płyty w kształcie przedstawionym na Figurze 3 oznaczono literą B. Wysokość łukowatego grzbietu 22 w płycie typu A i odpowiedniego łukowatego zagłębienia 32 w płycie typu B powinna być równa wysokości ułożonego w „jodełkę” grzbietu 2 na płytach. Przepływ gorącego gazu oznaczono strzałkami podwójnymi, a wody chłodzącej strzałkami pojedynczymi. [0018] Oczywistym jest, że urządzenie opisane powyżej i przedstawione na Figurach 2 – 5 może być stosowane do innych celów niż kotły do ogrzewania mieszkań. Może zostać z powodzeniem wykorzystane w każdym zastosowaniu, w którym czynnik grzejny posiada tak wysoką temperaturę, że może okazać się szkodliwy dla materiału zastosowanego w pobliżu otworów wlotowych tego czynnika. [0019] Figury 2 – 5 przedstawiają zastosowanie wynalazku dla wymiennika ciepła z obiegiem podwójnym. Figura 6 przedstawia problem chłodzenia kołnierzy płyty rozciągających się do otworu wlotowego płynu grzewczego w wymienniku ciepła z obiegiem potrójnym. Znany wymiennik ciepła tego typu został opisany na przykład w patencie USA nr 6.305.466. W takim typie wymiennika ciepła płyn grzewczy chłodzony jest dwoma oddzielnymi płynami o niskiej temperaturze. Każdy przepływ chłodzący ograniczony jest parą płyt połączonych ze sobą przez lutowanie dookoła otworów wlotowych płynu grzewczego i tworzących kołnierze rozciągające się do otworów wlotowych płynu grzewczego. Zazwyczaj wlot i wylot płynu grzewczego ustawia się pomiędzy wylotami i wlotami dwóch płynów chłodzących. Oczywistym jest, że przepływ płynu chłodzącego pomiędzy jego wlotem 6 a wylotem 4 będzie w zakreskowanym obszarze raczej wolny. [0020] Jak przedstawiono na Figurze 7, można zastosować oddzielne kanały 23 i 26 posiadające wspólny wlot i wylot odpowiednio 24 i 25 i częściowo ograniczone przez grzbiet 22. W ten sposób poprawi się chłodzenie obszaru płyty 10 tworzącego kołnierze rozciągające się do otworu wlotowego 3 płynu gorącego, w sposób podobny do chłodzenia opisanego powyżej w związku z Figurami 2 – 5. Obszar oznaczony liczbą 27 to obszar płyty uformowany do wysokości grzbietu 22. Należy zauważyć, że obszar 27 nie wymaga specjalnego chłodzenia. 6 [0021] Figura 8 przedstawia płytę wymiennika ciepła z obiegiem potrójnym posiadającą centralnie umieszczony otwór wlotowy płynu grzewczego 3 oraz dwa otwory wylotowe 5a i 5b. Wymiana ciepła zachodzi z dwoma przepływami chłodzącymi o wlotach 6 i 6’ oraz wylotach 4 i 4’. W obszarach zakreskowanych na Figurze 8 przepływ płynu chłodzącego będzie raczej słaby. [0022] Jak przedstawiono na Figurze 9, przepływ płynu chłodzącego dookoła wlotu płynu grzewczego 3 można poprawić stosując kanały 23 i 26 posiadające wspólny wlot i wylot odpowiednio 24 i 25 i częściowo ograniczone grzbietami 22 i 22’. [0023] Figura 10 przedstawia problem chłodzenia dwóch wlotów płynu chłodzącego w wymienniku ciepła z obiegiem potrójnym, w którym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy jednym płynem chłodzącym a dwoma płynami grzewczymi. Zakreskowane obszary na Figurze 10 oznaczają obszary słabego chłodzenia na skutek niskiej prędkości płynu chłodzącego. [0024] Figura 11 przedstawia sposób polepszenia chłodzenia w sposób podobny jak w poprzednich przykładach wykonania wynalazku. Zastosowano podobne części oznaczone tymi samymi liczbami. W celu lepszego zrozumienia tej kwestii na Figurze 12 pokazano przekrój poprzeczny wzdłuż linii Y-Y na Figurze 11. [0025] Na Figurze 12 każdy z dwóch płynów grzewczych oraz jeden płyn chłodzący zaznaczono innym kreskowaniem. Kanały 23 i 26 znajdują się blisko kołnierzy 10. Każdy kołnierz składa się z czterech płyt połączonych przez lutowanie. Dorota Rzążewska Rzecznik patentowy 7 Zastrzeżenia patentowe 1. Płytowy wymiennik ciepła przystosowany do wymiany ciepła pomiędzy co najmniej jednym płynem o wysokiej temperaturze i co najmniej jednym płynem chłodzącym zawierający wiele ustawionych jedna na drugiej płyt (21, 31), z których każda zawiera: (a) otwór wlotowy (3) dla płynu o wysokiej temperaturze, (b) otwór wylotowy (4) dla płynu chłodzącego, (c) otwór wylotowy (5) dla płynu o wysokiej temperaturze oraz (d) otwór wlotowy (6) dla płynu chłodzącego, kanały ograniczające ustawionych płyt wymiennika ciepła dla co najmniej dwóch płynów wymiany ciepła, w których pary kanałów ograniczających płyt płynu chłodzącego są ze sobą zlutowane wzdłuż obszarów styku (10) tworząc kołnierze rozciągające się do wlotu płynu o wysokiej temperaturze, znamienny tym, że zastosowano w nim dwa oddzielne kanały płynu chłodzącego (23, 26) przylegające do wspomnianych obszarów styku (10) tworzących kołnierz rozciągający się do wlotu płynu o wysokiej temperaturze (3), przy czym wspomniane dwa oddzielne kanały płynu chłodzącego (23, 26) posiadają wspólny wlot (24) i wspólny wylot (25), a wspomniany wspólny wlot (24) znajduje się w miejscu wyższego ciśnienia przepływu niż wspólny wylot (25), przy czym jeden (23) ze wspomnianych kanałów (23, 26) jest częściowo ograniczony grzbietem (22) uformowanym w jednej (21) ze wspomnianych płyt (21, 31) tworzących pary kanałów ograniczających płyt dla płynu chłodzącego, gdzie wspomniany uformowany grzbiet (22) jest przystosowany do stykania się z odpowiednim grzbietem (32) na drugiej płycie (31) wspomnianej pary płyt (21, 31), przy czym kanał (23) przylegający do uformowanego grzbietu (22) posiada mniejszą wysokość niż ten grzbiet (22). 2. Płytowy wymiennik ciepła według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że w każdej płycie wymiennika wspomniany otwór wlotowy (3) dla wspomnianego płynu o wysokiej temperaturze posiada większą powierzchnię niż otwór wylotowy (5) dla wspomnianego płynu o wysokiej temperaturze. 3. Płytowy wymiennik ciepła według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że dostosowany jest do gazu o temperaturze takiej jak wspomniany płyn o wysokiej temperaturze. 8 4. Płytowy wymiennik ciepła według dowolnego z zastrzeżeń 1 - 3, znamienny tym, że każda płyta wymiennika jest zasadniczo kształtu prostokątnego oraz tym, że otwory wlotowe i wylotowe (3 – 6) dla wymieniających ciepło płynów umieszczone są w pobliżu rogów płyty. 5. Płytowy wymiennik ciepła według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że skonstruowany jest dla trzech wymieniających ciepło płynów: (i) jednego płynu grzewczego o wysokiej temperaturze, oraz (ii) dwóch płynów chłodzących (Figura 7). 6. Płytowy wymiennik ciepła według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że wlot (3) płynu grzewczego znajduje się w oddaleniu od wlotu (6) i wylotu (4) jednego lub dwóch płynów chłodzących (Fig. 9). 7. Płytowy wymiennik ciepła według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że skonstruowany jest dla trzech wymieniających ciepło płynów: (i) dwóch płynów grzewczych i (ii) jednego płynu chłodzącego, przy czym otwory wlotowe (3, 3’) i wylotowe (5, 5’) płynu grzewczego umieszczono po obu stronach otworów (4, 6) płynu chłodzącego (Fig. 11). Dorota Rzążewska Rzecznik patentowy 9 10 11 12 13 FIG. 5 14 15 16 17 18 19 20
