CN100383485C - 用于热交换器的百叶窗式肋片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种百叶窗式肋片，其包括一组由波纹顶部(121)和波纹凹部(122)交替连接的波纹侧翼(123)，而且其中波纹侧翼(123)设有在所述波纹侧翼(123)中切出并相对于主波动方向(D1)倾斜一角度的翼片(125)。在相对于波纹主方向(D1)的横截面中，波纹侧翼(123)、顶部(121)和凹部(122)形成若干直的部分，而且所述顶部和凹部相互平行，波纹侧翼(123)全都互相平行并垂直于波纹凹部(122)，因此肋片具有方形波状的波纹，波纹侧翼(123)具有厚度e，和相对于波纹总体主方向(D1)的平均横向间隔w，该间隔限定了通道的宽度和一间距p，其中翼片(125)具有长度ls，所述长度ls比所述间距p大。

Description

用于热交换器的百叶窗式肋片
技术领域
本发明涉及一种用于板片式热交换器的波纹状肋片/翅片。
背景技术
目前存在各种类型的板片式热交换器，各自适合一种应用领域。特别是，本发明有利地用于通过低温蒸馏分离空气或H2/CO(氢/一氧化碳)混合物的热交换器设备。
这种热交换器可以是一种主热交换管路或者是一种重沸器/冷凝器。
图1为局部剖透视图，表示这种传统结构的热交换器的一个例子，其中本发明将应用到其上。
所述热交换器1由一组平行的矩形板2组成，这些板完全相同，在它们之间限定了多个被以间接热交换关系放置的流体的通道。在所述的例子中，这些通道为接连的并循环的用于第一流体的通道3，用于第二流体的通道4和用于第三流体的通道5。
各通道3至5通过闭合杆6邻接，所述杆限定了各通道的界限，留出未封住的、用于相应流体的入口/出口7。设置在各通道中的是支撑波纹或波纹状肋片8，它们同时用作热交换肋片，用作板之间的支撑，特别是在(硬)钎焊期间，并用以防止使用压力流体时板的任何变形，而且还用于引导流体的流动。
所述板组、闭合杆和支撑波纹通常由铝或铝合金制成，而且通过炉中钎焊在一次操作中组装。
然后以这样一种方式将半圆柱总体形状的流体入口/出口箱9焊接到交换器体部上，以便使该箱位于若干排相应入口/出口孔旁边，而且这些箱9被连接到用于供给和排出流体的管10上。
由于被处理流体的高流率，和为了在交换器的入口和出口侧之间产生非常高的温差而需要的热交换量，这些交换器会引起特定的问题：
-为了得到所需的热交换，以及为了处理相当大流率的流体，如参照图1所述的低温型交换器具有大尺寸(数米长)，而且可能由以上所述的若干独立体部构成。因此这种热交换器的体积非常大；
-高的流率和长的热交换长度导致压力降低，这导致主压缩机处高的能量损耗。
为了减小交换器的体积和/或设备的功率消耗，在压降方面，装配到交换器中的热交换波纹的性能非常重要。
在此工业领域中，通常使用的是锯齿状的直型或多孔的直型支撑波纹8。
最常用的锯齿状波纹传热非常有效，但在压降方面，其性能有些不佳。
已知的还有用在汽车工业中来生产空调回路蒸发器的其它热交换器。这些交换器及其波纹通常由铝片制成，与低温交换器的不同之处在于：它们尺寸小，测量值为数厘米(最大约10厘米)；由于它们在接近大气压力的压力下工作，所以它们不经受大的机械应力；而且就压降而言，对它们的需求不同。
使用带有沟槽(具有三角形或正弦曲线截面和有限的密度)的机轮、用薄带(约0.1mm厚)制造用在汽车工业中的所述类型的交换器波纹。
在汽车领域中，尤其使用被称作“百叶窗式(louvered)波纹”的支撑波纹，如图2所示。
百叶窗式波纹具有波纹的总体主方向D1，该方向限定了流体流动的总方向F。在垂直于波纹总体主方向D1的平面P中，波纹具有沿高度方向伸展的正弦曲线形横截面。这样限定的正弦曲线沿垂直于方向D1的方向D2延伸，为了便于描述，这两个方向被假定为水平方向，如图2中所示。
所述波纹具有由正弦曲线的波峰限定的波纹顶部21，和由正弦曲线的波谷限定的波纹凹部22。顶部21和凹部22交替地连接波纹侧翼23，侧翼23各自具有一垂直于方向D2的中间(mean)垂直面。
两个连续的波纹侧翼23在它们之间限定了一相对于流动总方向F的流体通道。
从各波纹侧翼23上切出一系列翼片25，它们互相平行并相对于中间垂直面和波纹的总体主方向D1倾斜。翼片25限定了构成流体主要是沿横向从一个通道到相邻通道的副通路的开口。这些翼片25仅在波纹侧翼的部分高度上延伸。
由于下述原因，以上所述的百叶窗式、三角形或正弦曲线形波纹迄今没有被用在工业规模的板式热交换器中。
首先，无论波纹是三角形的还是正弦曲线形的，波纹顶部和凹部仅在分界板上提供钎焊线，而且因此仅提供非常小的表面积来和所述板机械连接。因此，这种肋片几何形状不适合工业交换器中通常为6～10巴，有时高达80巴的高压。
其次，用在汽车工业中的百叶窗式波纹的形状与使用机轮(wheel)的制造方法密切相关，所述方法尤其适用于高的生产量。其它波纹形状可以使用这种包括机轮的方法制造，只是难度大些。使用这种制造方法，可以仅在波纹侧翼的部分高度上准确地进行翼片的切割。这种切割不足以达到工业交换器中所需的热交换性能级别。
第三，制造百叶窗式波纹的传统方法，即，使用机轮的制造方法，难以适应0.2～0.5mm的大的带厚，其中具有这些厚度的带被用在工业交换器中以便承受肋片上的机械应力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种百叶窗式肋片，特别是就压降而言该肋片的性能比锯齿形波纹的好，而且该肋片可以被用在工业交换器中，尤其是用于通过低温蒸馏分离空气或H2/CO(氢/一氧化碳)混合物的板片式热交换器设备，不管这是在主热交换管路中还是在重沸器/冷凝器中。
为此，本发明的主题是一种用于板片式热交换器的波纹状肋片，这种类型的肋片具有限定波纹总体主方向的百叶窗，该肋片包括一组由波纹顶部和波纹凹部交替连接的波纹侧翼，所述侧翼设有翼片，这些翼片切割自所述波纹侧翼并相对于波纹的主方向倾斜一角度，其特征在于：在相对于波纹主方向的横截面中，波纹侧翼、波纹顶部和波纹凹部形成直的部分，这些顶部和凹部相互平行，波纹侧翼全都互相平行并垂直于波纹凹部，因此肋片具有方形波状的波纹，波纹侧翼具有厚度，和相对于波纹总体主方向的平均横向间隔，该间隔限定了通道的宽度和一间距，其中翼片具有长度，所述长度比所述间距大。
因此，该肋片提供一钎焊区域，该区域容许所述肋片被用在前述类型的交换器中。
根据本发明的其它特征，单独考虑或技术上相结合：
-波纹侧翼全都互相平行并垂直于波纹凹部，因此肋片具有方形波状的波纹；
-沿波纹侧翼所限定的笔直部分的方向，基本在所述部分的整个长度上切出各翼片；和
-所述肋片具有0.2～0.5mm的基本均匀的壁厚。
波纹状肋片设计中的一个重大困难在于：在压降性能和波纹热效率性能之间得到最佳的折衷方案。问题是，当生产这种肋片时，生产者期望流体在通道内的湍流效果和再混合效果，以便增加流体和壁之间的局部温度差，并因此促进热交换。但是，必需控制流体的这些湍流和再混合效果，从而限制由肋片产生的压降。尤其是在工业设备中，例如在用于通过低温蒸馏分离空气或H2/CO混合物的设备中，必需限制用来将运动中的流体保持在热交换器中的功率消耗。
本发明的另一目的是提供一种上述类型的百叶窗式肋片几何形状，其可以限制肋片中引起的压降并得到良好的热交换性能，以达到这样一种程度，以使得这种类型的肋片可用在工业低温交换器中。
为此，提供了一种根据本发明的肋片，其中波纹侧翼具有厚度e；相对于波纹总体主方向的平均横向间隔w，该间隔限定了通道的宽度和一间距p，而且翼片具有长度ls，其特征在于翼片的长度比所述间距大。
根据本发明的肋片的其它特征：
-翼片的长度满足下述关系：
ls≥1.1p；
-就绝对值而言，翼片的倾斜角严格地位于一最小值和一最大值之间，这些值为正值并由下述公式限定：
sinαmin＝e/ls
和
tanαmax＝p/ls
-就绝对值而言，各翼片的倾斜角基本等于由下述公式定义的角度：
tanα1＝p/2ls以及
-翼片的倾斜角满足下述条件：
p≥lssin|α|+ecos|α|。
本发明还涉及一种由板形扁平制品连续制造用于板式热交换器的百叶窗式波纹肋片，特别是上述肋片的方法，所述类型的肋片包括若干从波纹侧翼切割的翼片。
根据本发明的所述方法，所述制品逐步通过一冲压工具，该工具至少包括一运动的工具部件，该部件具有往复运动，所述工具部件在同一运动中对肋片压制波纹并切割翼片。
根据本发明的其它特征：
-当所述运动工具部件是活动的(active)时，通过一保持装置将扁平制品定位在所述运动工具部件的上游，而且当运动工具部件是不活动的(inactive)时，扁平制品被松开以继续其行程，并将成型的波纹从工具取出，
-所述保持装置和运动工具部件由指令控制装置驱动并同步。
本发明还涉及一种用于实施上述方法的设备。
该设备包括一冲压工具，和一用于连续地向所述工具供应板状扁平制品的装置，所述工具包括彼此互补的至少一个冲头和一个冲模，所述冲头能沿基本垂直于板形扁平制品表面的方向被赋予一相对于冲模的相对直移运动。
其特征在于，所述冲头沿纵向总体方向(overall direction)延伸并具有多个平面，至少一个平面指向冲头的直移方向和所述总体方向，用于形成翼片的至少另一个平面指向冲头的直移方向和相对于总体方向倾斜的方向。
根据本发明的设备的其它特征：
-沿直移方向和基本垂直于总体方向的方向，所述冲头在两个连续的平面之间包括一平的缩进部；
-在平面和缩进部之间，所述冲头具有沿直移方向延伸的沟槽；
-所述设备包括一用于将板形扁平制品保持在工具上游的装置，容许扁平制品选择地相对于工具被固定或者被释放以使它前进；以及
-所述设备包括用于驱动所述工具和保持装置并使它们同步的指令控制装置。
附图说明
下面参照附图3至8描述本发明的一个示例性实施例，其中：
-图3为根据本发明的波纹状肋片的部分透视图；
-图4为图3所示的垂直平面V上的放大截面图；
-图5为图3所示波纹的水平平面H上的局部剖放大示意图，仅示出三个波纹侧翼；
-图6为放大尺寸的类似局部视图；
-图7为根据本发明的用于制造百叶窗式波纹的设备的示意图；
-图8为从上方观察的分别用在图7的设备中的冲头、导引件，和出口、中央及入口支撑的组合视图。
具体实施方式
图3描述了一种根据本发明的百叶窗式波纹，其具有一波纹的总体主方向D1，和一呈方形波形式的横截面(图4)，如此限定的方形波沿垂直于方向D1的方向D2延伸。在此，为了便于描述，还将这两个方向假定为水平方向。
术语“方形波”此处表示水平和垂直段的一种连续、交替，所述水平段彼此对齐。
肋片具有由方形波波峰限定的波纹顶部121，它们为平坦且水平的。肋片还具有由方形波波谷限定的波纹凹部122，它们也是平坦且水平的。顶部121和凹部122交替连接波纹侧翼123，这些侧翼为垂直而平坦的，侧翼的中间面(mean plane)垂直于方向D2延伸。
切割自波纹侧翼123的是一系列翼片125，它们互相平行并相对于所述垂直平面和波纹的总体方向D1倾斜。翼片125限定了构成流体主要沿横向从一通道到与其相邻的通道的副通路的开口。
从图3和4可以看出，波纹侧翼的翼片125是在由波纹侧翼的中间面(以横截面考虑)限定的笔直段的整个高度上(或者几乎在整个高度上)切出的。
与仅在部分高度上切割翼片的百叶窗式波纹相比，这种设置可以增加流经肋片的流体的再混合效果。
参照图5，下面将描述一系列参数，这些参数表现了上述百叶窗式波纹的特征，并在压降和热效率方面影响其性能。
图5为一在图3所示波纹的对称水平面(H)上的剖面示意图，此处仅示出三个波纹侧翼。
参考标号130所表示的线代表波纹侧翼123的垂直平面，相对于该平面定义翼片125的倾斜角α。
波纹间距被标记为p，该间距与对应于两个相邻的波纹侧翼123的两个相邻平面130的间隔对应。
波纹壁厚e假定为恒定。因此，由两个相邻波纹侧翼123限定的通道的宽度为w＝p-e。
在本发明的应用类型中，厚度e为0.2～0.5mm，基本上如此设定是为了在机械完整性和肋片密度之间达到一折衷。
沿着波纹，在波纹方向D1上，翼片125以一种将周期∏作为特征的几何周期性重复的图案构造。该图案包括两组六个翼片，这些翼片分别以正角α和负角α倾斜，两组之间为指向方向D1的平面状区域132、134。两个横向相邻的波纹侧翼123是相同的，而且因此由同样顺序的图案形成，这些图案在没有相对偏移或位移(shift)的情况下周期地重复。
在平面状区域132、134中，相应的波纹侧翼没有开口。
以下主要参照图6。
本发明的一方面在于百叶窗式波纹的一些几何参数，如上所述，它们对于肋片的热性能和压降性能具有重大的影响。
已经发现，当翼片125的长度ls比间距p大或者甚至比平均横向间隔w和厚度e之和大时，也就是说当长度ls满足下述关系：
ls≥p或者ls≥w+e
时，所述性能提高。
优选的是，翼片长度ls被如下选择：
ls≥1.1p
更优选的是：
ls≥1.2p
因此可以生产具有与同一热交换器中通道的不同操作模式相对应的变化密度的交换波纹的低温交换器，尤其是具有因通道而不同的压力的低温交换器，这些压力能高达数十巴。例如，可以生产具有短翼片长度的高密度肋片，或者生产具有长翼片长度的低密度肋片。
根据本发明的另一方面，当翼片α的倾斜角严格地位于最小值αmin和最大值αmax之间时，得到最优的肋片性能，所述最大和最小值为正值并由下述公式定义：
sinαmin＝e/ls
和
tanαmax＝p/ls
这些条件中的第一个条件|α|＞αmin给出了一个在位于同一波纹侧翼上的两个相邻翼片125A、125C之间的绝对正的开口v，即它限定了翼片的取向，该取向排除了第一翼片125A的后边缘和第二翼片125C的前边缘之间的接触。
角α的最大值αmax对应于两个相邻波纹侧翼的两个相邻翼片125B、125C的对准角，而且第二个条件|α|＜αmax确保这样一种开口，即相邻波纹侧翼中的通道不对准，而且因此产生湍流。
优选的是，通过选择翼片的倾斜角α的绝对值基本等于角α1，一些肋片被居中设置在由属于一个连续波纹侧翼的两个相应肋片限定的通道中，所述角α1由下述等式定义：tanα1＝l/2ls。
为了保证流体在由翼片125所形成的副通道中的最佳循环，倾斜角α被如此选择，以便满足下述条件：
p≥lssin|α|+ecos|α|。
另外，该条件可以确保轻易地制造波纹和绝对为正的两排翼片125之间的间隔ec。
本发明还旨在提供一种类型的低温板式热交换器，其包括一组具有扁平整体形状的限定了多个流体循环通道3～5的平行板2；限定这些通道的闭合杆6；和设置在所述通道中的波纹状肋片8，其特征在于至少一些波纹状肋片8为上述类型的肋片。
下面将参照图7描述一种设备或机器，它容许制造一种百叶窗式波纹状肋片，特别是参照图3～6所描述的类型的肋片，并尤其是一种厚壁肋片。
该设备包括一冲压工具，该工具主要包括一冲模201和一冲头202，它们可以进行相对的直移运动。
为了便于描述，假定冲模201被固定，而冲头202可以运动。冲头202可以被赋予假定为垂直的往复直移运动。冲头202和冲模201具有互补的形状。
所述工具具有一个入口203和一个出口204，待处理的板状形式的金属制品连续地经过它们。
所述设备具有用于使金属板205在一假定为水平的平面上运动并导引它的装置，这容许所述金属板有规则地、逐步通过所述工具。
通过与冲模201协作，冲头202以一定的间隔使连续进给至工具的金属板成型。
所述设备还包括用于将板保持在入口203上游的装置210，容许板选择地相对于工具被固定或被释放以前进。
保持装置210例如可以基本上由两个夹紧钳构成，在板205的两侧各有一个该夹紧钳。
所述设备还包括能响应测量过的和/或预记录的参数命令工具操作，在该情况下为冲头202和保持装置210的运动，的指令控制装置220。
用于此目的的指令控制装置包括一个感测冲头202位置的传感器221，和一个感测保持装置210的位置或状态的传感器222。
指令控制装置220还包括一个连接到位置传感器221、222的计算机225，用以接收它们各自的检测信号S1、S2。
计算机225还被设计成用以接收其它预记录参数Pi和预编程指令法则Li。计算机225给向冲头202即它们的驱动元件和保持装置210发送相应的指令信号C1、C2，信号C1、C2是基于检测信号S1、S2，预记录的外部参数Pi，和指令法则Li确定的。
为简便起见，已经假定冲模201是固定的，但实际上它可以和冲头202交替运动。在这种情况中，冲模201由一驱动元件驱动，该元件也从计算机225接收指令信号。
下面将参照图8描述模具(或该工具的固定部件)201和冲头(或该工具的运动部件)202的一些构成元件。
冲模201包括一个入口支撑231，一个中央支撑232和一个出口支撑233，而冲头202包括第一冲头部件241(或“第一冲头”)和第二冲头部件242(或“第二冲头”)。
这些元件231，232，233，241，242中的每个在水平的总体方向D上都是细长的。
入口支撑231和中央支撑232彼此平行设置，从而在它们之间限定一种形状的空间245，这种形状和第一冲头241互补。同样，中央支撑232和出口支撑233彼此平行设置并以这样一种方式隔开，以便在它们之间限定一和第二冲头242互补的通道246。
如参照图7所述，冲头202相对于冲模201的运动，即垂直于板205表面的往复垂直运动，和冲头部件241、242垂直于图8平面的往复一体运动相对应。
在支撑231、232之间由第一冲头241对金属板进行的第一次冲压可以实现第一波纹加工和翼片切割工序，而在由第二冲头241和中央支撑232及出口支撑233形成的工具部件上进行的第二冲压工序容许波纹被加工出确定的形状。
第一冲头241和第二冲头242具有基本相同的形状，而支撑231、232、233具有互补的形状，这意味着将有益于仅描述一个冲头的形状，例如第一冲头241。
在所述的例子中，该第一冲头241具有可形成一方形波百叶窗式波纹的形状。它具有多个接连的垂直平面，其中平面251沿冲头的总体纵向D延伸。该“直”的平面251与没有翼片的波纹侧翼部分的形状对应。冲头241具有其它平面状侧面252，它们为相对于该主方向D倾斜的平面，而且被用来切出翼片。在两个相邻的平面之间，无论是两个倾斜平面252还是一个倾斜平面252和一个“直”平面251，冲头具有一个缩进部253，该缩进部分呈垂直于总体方向D的平面状垂直面。
在缩进部253和平面251或252之间形成一垂直沟槽255，该沟槽容许翼片被从波纹侧翼切出。
下面将更详细地描述所述设备的操作，应该理解，这种操作在金属板经过工具期间高速重复很多次。
在通过刚才所述的设备加工波纹状肋片的方法中，进行下述步骤，从冲头202相对于冲模201处于抬起位置开始，即位于不活动位置或上死点位置(冲头的任何其它位置将被称为“活动的”)：
-金属板205的行进由保持装置210中止；
-冲头202被致动，朝向冲模201垂直直移运动，使第一冲头241和第二冲头242作相同的运动，从而在冲头202的同一运动中使肋片成波纹状并切出翼片；
-板205被从保持装置210释放，以便容许它前进通过工具，并使已经成型的波纹被从工具取出；和
-在前述操作以同样的顺序重复之前，通过一个工序使金属板205前进。
应该理解，预记录参数Pi和指令法则Li与波纹状肋片的基准几何形状对应。这些法则和参数根据被制造的波纹形状和所需的波纹状肋片的热性能，或者根据所需的流体流动特性变化。
在每个时刻，计算机225使用传感器221、222所提供的信号S1、S2使冲头202和保持装置210的运动同步。
已经描述的方法和设备容许由大厚度的金属板连续地制造百叶窗式波纹肋片，尤其是方形波波纹。
因此，该方法和设备可以生产能被用在工业交换器中的百叶窗式波纹，与制造用在汽车工业中的百叶窗式肋片相比，其具有高的生产量。

Claims (9)

1.一种用于板片式热交换器的波纹状肋片，这种类型的肋片具有限定波纹总体主方向(D1)的百叶窗，所述肋片包括一组由波纹顶部(121)和波纹凹部(122)交替连接的波纹侧翼(123)，所述侧翼(123)设有翼片(125)，这些翼片切割自所述波纹侧翼(123)并相对于波纹的主方向(D1)倾斜一角度α，其特征在于：在相对于波纹主方向(D1)的横截面中，波纹侧翼(123)、波纹顶部(121)和波纹凹部(122)形成若干直的部分，而且所述顶部(121)和凹部(122)相互平行，波纹侧翼(123)全都互相平行并垂直于波纹凹部(122)，因此肋片具有方形波状的波纹，波纹侧翼(123)具有厚度e，和相对于波纹总体主方向(D1)的平均横向间隔w，该间隔限定了通道的宽度和一间距p，其中翼片(125)具有长度ls，所述长度ls比所述间距p大。
2.如权利要求1所述的波纹状肋片，其特征在于：沿波纹侧翼(123)所限定的笔直部分的方向，在所述部分的整个长度上切出各翼片(125)。
3.如权利要求1或2所述的波纹状肋片，其特征在于：所述肋片具有0.2～0.5mm的均匀的壁厚e。
4.如权利要求1所述的波纹状肋片，其特征在于：所述翼片的长度ls满足下述关系：
ls≥1.1p。
5.如权利要求1或4所述的波纹状肋片，其特征在于：就绝对值而言，所述翼片的倾斜角α严格地位于一最小值αmin和一最大值αmax之间，这两个值为正值并且由下述公式限定：
sinαmin＝e/ls
和
tanαmax＝p/ls。
6.如权利要求1或4所述的波纹状肋片，其特征在于：就绝对值而言，各翼片(125)的倾斜角α等于由下述公式定义的角度α1：
tanα1＝p/2ls。
7.如权利要求1或4所述的波纹状肋片，其特征在于：  翼片(125)的倾斜角α满足下述条件：
p≥lssin|α|+ecos|α|。
8.一种用于通过低温蒸馏分离空气或H2/CO混合物的板片式热交换器设备，其包括一组平行板(2)，它们限定了多个流体循环通道(3～5)；限定这些通道的闭合杆(6)；和设置在所述通道中的波纹状肋片(8)，其特征在于至少一些波纹状肋片(8)为权利要求1至7中任一所述的肋片。
9.如权利要求8所述的板片式热交换器设备，其特征在于，它是一种主热交换管路或者是一种重沸器/冷凝器类型的交换器。
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