CN100485300C - 具有专用板的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及板式热交换器，它包括组装的多个板(2-5)，以在它们之间限定流体循环流道(6-8)。每个板包含被限定在波纹峰线(35)与波纹谷线(32)之间的起伏(25)或波纹。板的至少一个部分含有位于波纹峰线与谷线之间的下陷变形(30，31)及升高变形(33)。这个交换器对于使这些升高的及下陷的变形相对于邻板(48，25)之间的接触点(51，54)进行布置来确定流道是值得注意的。

Description

具有专用板的热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器领域，更精确地说是涉及板式热交换器领域。这种交换器通过叠加组装的波纹板构成，所述波纹板用于在它们之间限定流体沿两个交叉回路循环的流道。

更精确地说，本发明的目的是对于关于构造在这些板上的溢流元件的布置的改进。

背景技术

通常，板式交换器包含具有起伏的波纹，使得用相邻板限定的流道具有可变的截面。通常，这些波纹相对于流体循环方向是倾斜的，并且相对于相邻板的波纹具有相反的倾斜。这些波纹常常是、但不是必须地具有人字形形状。这些不同的几何变形用于限定流道，流道的功能是干扰流动以便改善热传导。

本申请人曾在文件EP 0 737 296中描述这种对这种类型的交换器的改进，用于：一方面改善热损失，而另一方面改善在最小通道的区域中交换器堵塞的危险。这个改进在于在波纹上造成变形，以对流体循环引起附加的干扰。这些变形是在制作板时获得的，所述板的制作通常通过压力加工来完成。这些变形相对于主波纹可能是下陷的或升高的，可理解为：在板的一个表面上形成下陷的变形在同一板的相反表面上构成升高的变形。

根据这个文件的教导，升高变形较好是设置得靠近板之间的接触点，所述接触点对应于流体速度最低的区域。因此这些区域构成停流或滞流区域，其中可能要出现沉积物。因此靠近这些接触点的升高变形的布置减小了这些停流区域的体积，而因此限制了将要形成沉积物的危险，然而没有过大地增加压力损失。

在试验之后，证明了：靠近板之间接触点的升高变形的布置没有真正令人满意，特别是由于增大了压力损失。此外，出现在流道内部的升高变形对应于相邻的流道上的下陷变形，这限制了在这个相邻流道中的升高变形的有利效果。

本发明的目的是在体现交换器效率的所有因素，即所产生的热传导系数及虽然适于使堵塞率尽可能小还是存在的压力损失上来优化这种形式的交换器的性能。

发明内容

因此本发明涉及一种热交换器，它包括组装的多个波纹板，在它们之间限定流体循环的流道。

已知，每个板包括被限定在波纹峰线与波纹谷线之间的波纹。如在文件EP 0 737 296中的情况，某些或所有的这些板包含位于波纹峰线与波纹谷线之间的下陷的及升高的变形。

本发明就在于：相对于相邻板之间的接触点的连线更精确地布置各个下陷变形及升高变形。这个布置被限定在一个板的“前”表面上，即是说朝向所讨论的流道的表面，并在由确定流道的相邻板在4个连续的接触点之间限定的基本单元内部。

因此，升高的与下陷的变形设置为使得标准N＝D₁/D位于0.35与0.8之间，其中：

●D₁是距离，在平行于板主表面的平面中并且平行于波纹峰线测量，距离D₁分隔：

·最靠近一个接触点的升高变形的中心；

·距波纹峰线与波纹谷线等距离设置的参考点，所述参考点沿流体的流动方向与所述接触点对齐。

●D是距离，在平行于板主表面的平面内并且平行于波纹峰线测量，距离D分隔：

·最靠近一个接触点的升高变形的中心；

·沿波纹峰线的方向最靠近的下陷变形的中心。

换句话说，本发明在于升高变形的设置，升高变形被设置在接触点之间的中部而不靠近接触点，对应于基本为零的标准N，如专利EP 0 737 296所教导的那样。

根据本发明的这些升高变形的设置以另人惊讶的方式被表现为：首先改善热传导性能，和减小在含有这些板的交换器中测得的压力损失。

由此，实际上，板式交换器的效率已通过把传递的功率与测得的压力损失结合起来进行评估。把所述测量值与没有下陷及升高变形的波纹板相比较显示出：在所讨论的标准范围内，交换器的总效率得到了提高。在对一个特殊实施例的描述中所述人字形构造中，这个提高甚至达到约10％从而在0.55范围内优化所评估的标准。

同样地，在压力损失方面的改善被表示为在优化附近减少了百分之几十。

实际上，变形可采用取决于压力加工方法及所用材料可受到的延伸的各种各样的不同形式。不论这些变形的形式如何，为评估特性标准所需的测量这样进行：确定这些变形相对于波纹总形状的体积。这个总形状特别是在不含有下陷的或升高的变形的区域中被评估。然后这个体积被投影在板的主平面上，而这个投影的重心然后被当作是变形的中心。

实际上，可采取下陷的及升高的变形的许多位置安排，但更可取的将是保持位置图案的重复，以防止优先路径的生成和过于滞流的区域的出现。

在各种满意的几何形状之中，已经识别出这样的几何形状：升高变形被交替地并在波纹峰线两侧偏置地分布，朝向板的前表面，即直接与所讨论的流道中的流体接触的表面。

自然地，这个安排对应于靠近波纹谷线的下陷区域的形成，对于板的相反表面来说具有相同的交替分布。优选在板的前表面上的这个相同的几何形状中，下陷变形可有利地被对称分布在波纹谷线的两侧。前表面上的这些下陷变形对应于靠近相反表面的波纹峰线的升高变形。

自然地，升高的及下陷的变形在峰线与谷线之间可被布置在波纹的高度的变化的位置上。然而必须注意升高变形的体积不超过由不同波纹峰线限定的主平面，以便允许不同的板容易叠加。

实际上，在板的大多数热传导表面上的特性标准N可基本保持恒定，但同样地可形成具有不同区域的板，所述不同区域具备不同的特性标准。

由此，在一种特别的情况下，板的前表面在第一区域中具有升高变形，所述升高变形交替地及偏置地分布在波纹峰线的两侧，因此具有在有利范围内的特性标准。在第二区域中，升高变形相反地被对称地分布在波纹峰线的两侧。因此这种双构造能够在如此限定的两个区域中产生不同的压力损失。从而产生了流体的优先通过的区域，该区域能够补偿流体可能进入及离开在板长边沿的同侧的流道。

实际上，交换器可包含相同板的连接及叠加，但根据需要的交换性质也可包含不同的板的连接及叠加。

同样地，相同的板可根据具有有利范围内的特性标准的板表面的定位以不同方法来布置。

因此，在第一变型中，板被组装用来确定第一形式的流道，这第一形式可称为“对称的”，由具有基本等同的特性标准的相对表面限定。

当由优选表面限定的流道在热传导系数及压力损失上具有特别有利的性质时，随之而来，由板的相反表面构成的相邻流道，就自身而言具有低的内在性质。以这种形式的叠加构成的这些交换器特别适合于被具有不同的流动类型的流体流过的交换器，尤其是蒸发器或凝结器形式的交换器。

也可能是流体/流体交换器，其中最小压力损失的流道容纳了较高流量的循环。

在另一个变型实施中，板可以被组装成使得确定第二形式的流道，这被称为“非对称的”，其安排是这样：具有相同的特性标准N的板表面全部被定位于相同的方向上。换句话说，流道则具有基本相似的性质，因为它们由特性板前表面在一侧限定，和由原则上效率较低的相反的表面在另一侧限定。

如此制成的交换器具有性能非常相似的两个回路，而因此适合于任何形式的流体/流体交换器。

在已提及的在相同表面上具有不同性质的区域的板的情况下，如已提及的，所述板被堆叠以产生由基本平行部分构成的第一形式的及第二形式的流道。

虽然通过确保根据流道形式旋转和返回用相同的板实施交换器比所希望实施的更简单，但本发明也涵盖了一些变型，其中实施具有不同性能的板组件。

同样地，起伏的形状可根据希望的用途来调整，如在附图中所图释的，本发明不局限于人字形的波纹的情况。

附图说明

实施本发明的方式以及由此产生的优点，将在实施例的描述中清晰地产生，实施例遵照并由附图支持，其中：

图1是显示应用于板式交换器中的各种板的布置的总立体概观图；

图2及3是分别地显示了其前表面及相反表面的板的简略立体概观图；

图4是图释特有的下陷变形及升高变形的布置的详细立体概观图；

图5是图4的简略平面表示图；

图6及7是图释各种参数的演变的线图，各参数表示根据特性标准N的热传导；以及

图8、9及10表示在不同变型中根据本发明的板的组装。

具体实施方式

如图1中简略地图释的，热交换器(1)包括不同的板(2-5)，这些板组装成在它们之间限定流体循环流道(6-8)。

更精确地说，每个板(2-5)具有4个孔(10-13)，用于与两个流体回路(20，21；22，23)的进入管及流出管相连接。在每个板上，使用了周边密封件(14)来提供所生成的流道的密封，同时在所述流道中仅含有两个孔。在所图释的形式中，与同一个流道相连的孔(10，11；12，13)都在板(2)的同一个大侧面上，但本发明涵盖了变型，在变型中与流道相连的两个孔在板的对角线上。

如图1中所图释的，每个板(2-5)包括简单的人字形形式的波纹(25)。在未显示的其它变型中，波纹可相同地是复合人字形的形状。各板绕其中心交替地转动180°，使得人字形的波纹在同一个流道中相反地位于相对板的两个表面上，从而增大在流道中循环的流体的扰动水平。

如图4中所图释的，当限定流道的两个板面对时，它们各自的波纹峰线在接触点处互相接触。

根据专利EP 0 737 296的教导，板含有下陷的及升高的变形，它们分布在整个波纹上。在所有附图中，只显示了这些下陷的及升高的变形的一部分，以避免附图过于复杂和使本发明难于理解。

按惯例，如图2、3及4中所图释的，与相对于板可见表面的突出物对应的升高变形被显示为椭圆。下陷变形被显示成矩形，因此对应于在所讨论的表面上可看到的下陷入板内部的变形。

如图2中所图释的，下陷变形(30，31)被配置得靠近波纹谷线(32)，而升高变形(33，34)被布置得靠近波纹峰线(35)。在图2的板的前表面(36)上，下陷变形(30，31)被布置得相对于波纹谷线(32)彼此基本是相对的。另一方面，升高变形(33，34)被配置得相对于它们的波纹峰线(35)是偏置的。

在图3中图释了同一个板的相反表面(46)。可以看到：前表面的下陷变形(30，31)对应于相反表面上的升高变形(40，41)，它们彼此相对地被布置在相反表面(46)上的波纹峰线(42)的两侧。

以相同的方式，前表面(36)的升高变形(33，34)对应于可从相反表面(46)看到的下陷变形(43，44)。当注视相反表面(46)时，这些下陷变形(43，44)以偏置方式被配置在波纹谷线(45)的两侧，这个同一波纹谷线(46)对应于前表面(36)上的波纹峰线(35)。

如已经指出的，本发明存在于下陷的及升高的区域相对于板之间的接触点的特别布置。因此，如图4中所图释的，板(125)与板(48)接触，板(48)面朝板(125)以在多个接触点处限定流道(26)。这些接触点位于板(125)的波纹峰线(35)与板(48)的波纹峰线(49)的相交处。不同的接触点(51-54)限定了基本单元，当彼此相向的两个板的人字形具有相同的倾斜度时，所述基本单元具有平行四边形的整体形状和特别是菱形。当板的人字形彼此垂直时，这些菱形甚至是正方形。

下陷的及升高的图案的位置在投影之后位于平面P内，平面P平行于板的主平面，也平行于由所有接触点确定的平面。

通过把它们的重心投影于平面P内，在这个平面中测量下陷的及升高的变形。于是，升高变形(33)被投影于平面P的点(63)，而下陷变形(30)被投影于同一平面的点(60)。根据本发明相对于参考点(65)来确定这些下陷的及升高的变形的位置。这个参考点在板(125)上位于波纹峰线(35)与谷线(32)之间的中点。

正如相对于对应流体的流动方向的方向F参考点(65)与接触点(52)成一条直线那样，这个参考点由接触点(52)推出。

这个参考点(65)的投影(66)被表示在平面P上。

本发明在于下陷的及升高的变形相对于这个参考点的布置。因此，从流体的流动观点，这个参考点被布置在板之间的接触区域的后面。升高变形及下陷变形的距离通过在波纹峰线(35)上的投影来测量。由此，图4中图释的距离D对应于值平行于波纹峰线来测量的差值，该差值分隔升高变形(33)与后续的下陷变形(30，31)。

距离D₁对应于仍是平行于波纹峰线测量的差值，该差值分隔升高变形(33)的投影(63)与参考点(65)的投影(66)。

根据本发明，当比例D₁/D位于0.35与0.80之间，更特别地接近0.55时，从热交换器工作的观点来看，已获得良好的结果。提供这些值用于其人字形具有60°角的板。特别是，对于人字形(10)角度不同来说，这个标准N的优化也可以稍有不同。

图6图释了评估热交换器性能的参数的变化。由此，效率参数ζ通过比较根据本发明的板的性能与不含下陷的及升高的变形的板的性能来评估。更具体地说，这个参数ζ通过测量传导功率比例来计算，所述传导功率比例除以压力损失比例，所述压力损失比例是以这两种形式的板测量的；根据交换器的形式，压力损失比例在约0.33-0.37的功率下被建立。

因此，图6中所示的标准ζ非常清楚地显示了在所讨论的标准N范围内的10％的基本增益，从而当该标准N位于0.55左右时进行了优化。

在这方面应该记住：现有技术专利EP 0 737 296曾教导，升高变形恰好在板之间接触点的后面的布置，对应于特有的标准N接近零的状况。

此外，用根据本发明的板测得的压力损失，令人惊喜地具有在所讨论的特性标准范围内的非常明显的改善。这些压力损失比以下状况下测得的压力损失少约30％，所述状况对应于现有技术的上述专利的教导。

根据本发明的另一个方面，根据那些彼此相对的表面，特性板可以不同构造彼此相对地布置。为使图8-10更易理解，仅是具有升高变形的区域被围绕波纹峰线的(点)表示。由此，在图8中图释的波纹中，不同的板被布置成使得它们在附图的其可看到表面上具有这样一些表面：升高变形(70)相对于波纹峰线(71)对称地配置。图8中板的可看到表面对应于图3中图释的可看到表面。

图8的所有板(69)具有定位于同一方向的相同表面。这些板通过绕其中心点彼此相对转动被堆叠。

可以推出：每个板(69)的被隐去表面对应于图2中图释的构造，其中下陷变形相对于波纹谷线对称地配置。此外，在这个被隐去表面上的升高变形(对应于未显示在图8的可看到表面上的下陷区域)相对于波纹峰线交替地及偏置地配置，从而与图8的板的可看到表面相对。

因而如此限定的流道(73)对于两个流体回路来说基本具有非常相同的性质。

如图9中所图释的，有可能使用相反的构造。在此情况下，所示两个端部板(80，82)具有对应于图2中图释的构造的可看到表面，其中升高变形(83，84)相对于波纹峰线(85)交替地及偏置地配置。

另一方面，在图9中的中间板(81)具有对应于图3中构造的可看到表面，其中升高变形(86，87)被设置成相对于波纹峰线(88)是对称的。从而可推出：在第一板(80)与第二板(81)之间限定的流道(89)，具有对应于中间板(81)的可看到表面的两个基本相同的表面。因此，在这流道(89)处，在相对表面中的每一个上，相对于波纹峰线对称地配置升高的变形。

相反地，在中间板(81)与位于更后面的板(82)之间限定的流道(90)中，两个相对的表面具有对应于图2的构造的相同构造。

在此情况下，相对表面的升高变形(84，83)相对于波纹峰线交替地及偏置地配置。因此可想象到：如此限定的两个流道(89，90)的总热性能及压力损失是不同的，并且更适合于实施两个回路之间具有不同流动类型的交换器，例如蒸发器或冷凝器。

自然地，上述两种构造可被结合在同一个板中，如图10中所图释。由此，同一个板可在同一个表面上具有两种构造。更精确地说，如图10中所图释的，中间板(94)在一侧上具有相对于波纹峰线(96)对称地配置的升高变形(95)。

此外，在相反侧上，升高变形(97，98)以偏置及交替的方式配置。从而，在流道(101)的两个平行的纵向部分(99，100)中，如此产生的压力损失是不同的。这种安排优化用于减少对应于距流体入口点及出口点(103，104)最远的流道部分(100)的压力损失，从而尽可能使流量在流道宽度上地均匀化。

交换器的不同板通过确保它们在同一平面中绕它们的中心点转动被堆叠。

前述的结果是：含有根据本发明的板的交换器具有的性能水平，在热传导系数及压力损失水平方面同样地，明显地优于具有现有技术的板的交换器。

通过以不同方法设置特性板来构建交换器，这些板适应用于穿过所述交换器的流体及流量的类型。

Claims (11)

1.热交换器，包括多个组装的板(2，3，9，5)，所述板组装为在它们之间限定流体循环流道(6-8)，每个板包含被限定在波纹峰线(35)与波纹谷线(32)之间的起伏(25)或波纹，板的至少一部分含有位于波纹峰线与谷线之间的下陷变形(30，31)及升高变形(33)，其特征在于：在至少一个板上，在所述板的与流道相对的前表面上，和在用相邻板(48)在4个连续接触点(51，52，53，54)之间限定的确定了所述流道的基本单元的内部，升高变形(33)与下陷变形(30，31)被设置成使得标准N＝D₁/D位于0.35与0.80之间，其中：

●D₁是距离，在平行于板的主表面的平面(P)内并且平行于波纹峰线(35)测量，距离D₁分隔：

·最靠近一个接触点(52)的升高变形(33)的中心；

·位于距波纹峰线(35)及波纹谷线(32)同等距离处的参考点(65)，参考点(65)沿流体的流动方向(F)与所述接触点(52)对准；

●D是距离，在平行于板的主表面的平面内并且平行于波纹峰线(35)测量，距离D分隔：

·最靠近一个接触点(52)的升高变形(33)的中心；

·在波纹峰线(35)的方向上最靠近的下陷变形(30)的中心。

2.根据权利要求1的交换器，其特征在于：在板(125)的前表面的至少一部分处，升高变形(33，34)在波纹峰线(35)的两侧交替地及偏置地分布。

3.根据权利要求1的交换器，其特征在于：在板的前表面的至少一部分处，下陷变形(30，31)在波纹谷线(32)的两侧对称地分布。

4.根据权利要求2或3中的交换器，其特征在于：在板(94)的前表面上，在第一区域(100)中，升高变形(97，98)在波纹峰线(96)的两侧交替地及偏置地分布；在第二区域(99)中，升高变形(95)在波纹峰线(96)的两侧对称地分布。

5.根据权利要求1的交换器，其特征在于：板(80-82)被组装用于限定一种第一类型的流道(89，90)，其通过具有基本等同的标准N的相对表面限定。

6.根据权利要求1的交换器，其特征在于：在板(125)的前表面的至少一部分处，升高变形(33，34)在波纹峰线(35)的两侧交替地及偏置地分布，在板的前表面的至少一部分处，下陷变形(30，31)在波纹谷线(32)的两侧对称地分布，并且板(69)被组装用来确定第二形式的流道(73)，具有基本等同的标准N的板的表面在同一方向定位。

7.根据权利要求4的交换器，其特征在于：板(94)被组装成用来确定由第一形式及第二形式的基本平行部分构成的流道。

8.根据权利要求1的交换器，其特征在于：该热交换器由等同的板组成。

9.根据权利要求1的交换器，其特征在于：波纹(25)是简单人字形或复合人字形形式的。

10.根据权利要求1的交换器，其特征在于：人字形(25)具有60°的开口。

11.用于加入根据权利要求1-10中一项的交换器中的板。

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