CN101023315A - 具有压痕图案的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有压痕图案的热交换器，尤其是具有热交换板(1)的热交换器，所述热交换板设置有取代传统人字形图案的特殊图案。所述图案包括至少一个带有凸起(2)和凹穴(3)的部分，所述凸起和凹穴具有平的顶部和底部，以易于抵靠在对应设计的热交换板的相应凹穴和凸起上而放置。所述顶部和底部的表面面积与顶部和底部之间的距离相关，从而在凸起之间形成用于介质流动的通道(6)。

Description

具有压痕图案的热交换器

技术领域

本发明涉及一种具有压痕(indentation)图案的热交换器，且尤其涉及一种设置有取代传统人字形图案的特殊图案的热交换板，所述特殊图案包括凸起(bulge)和凹穴(hollow)。由于采用这种新型图案，所以可以获得更牢固的设计和更有利的传热特性。

背景技术

现代化的热交换器常常设置有具有所谓人字形图案(即，具有包括直的峰和谷的压痕的图案)的板。所述峰和谷在中心处改变方向，形成类似于人字形的图案。在热交换器组件中，翻转交替的板，以便压痕彼此交叉。热交换器可以完全铜焊(braze)或者设置有橡胶垫圈。

当这种类型的热交换器组件承受压力和热时，板变形，使得在板中产生弯矩。因此，为了经受高压，使用相对较厚的金属片，例如厚度为0.4mm。

当将板冲压成人字形图案时，会发生不利的物质流(materialflow)。如果冲压模具(press tool)制造得不够精确，则板中会出现裂纹。相对较厚的板在冲压模具中还需要高压。

在完全铜焊的热交换器中，接缝用置于板之间的铜焊料铜焊。焊料聚集在压痕的交叉点处。因而，焊接的表面面积和强度非常小。

流经具有人字形图案的热交换器的介质被迫流过峰并向下进入谷。没有完整的直流线。在峰的前缘处介质流速高，而在峰后面的谷中介质流速低。流速的这种变化是非常大的。在热交换器中，流速高的地方传热速率高，但流速低的地方传热速率低。与具有人字形图案的热交换器中的情况相比，较小的流速变化会更有利。

当流动介质包括两相(即气体和液体的混合物)时，峰和谷处方向的反复变化导致气体迫使液体不能与板接触。这种润湿的减少也使传热速率降低。

当介质流过热交换器时，穿过热交换器的通道的形状也使介质中产生很高的压降。这种压降与迫使介质流过热交换器所作的功成正比。因此，高压降意味着高能耗。

发明内容

本发明通过提供一种热交换板上的图案来解决上述和其它问题，所述图案包括凸起和凹穴形式的压痕，凸起与凹穴之间形成穿过热交换器的通道。通道的形状使得流过热交换器的流速发生适当的变化，从而传热较好。

本发明提供了一种热交换器，包括具有图案的热交换板，该图案包括至少一个带有凸起和凹穴的部分，所述凸起和凹穴具有平的顶部和底部，以易于抵靠在对应设计的热交换板的相应凹穴和凸起上而放置，所述顶部和底部的表面区域具有与所述顶部和底部之间的距离相关的尺寸，从而在凸起之间形成用于介质流动的通道。热交换板在凸起与凹穴之间牢固连接。

本发明由权利要求1限定，同时，优选实施例在从属权利要求中阐明。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的热交换板的平面图；

图2是穿过多个这种板的横截面；以及

图3是具有四个凸起和一个凹穴的板区域的平面图。

具体实施方式

板式热交换器是用于在两种不同介质之间传热的公知设备。板式热交换器用在许多不同场合中，且本发明不限于任何特殊应用。本发明倾向应用于全铜焊热交换器或由其它方法(诸如通过焊接、胶粘剂、或扩散)装配的热交换器。该热交换器包括板，该板具有带压痕的图案以及用于两种介质的入口和出口的连接件。所述板聚集在组件中并连接在一起，以形成完整的装置。板的连接为两种介质形成分离的通道，所述两种介质在交错的板组之间以逆流方式循环。这种技术是公知的，因而在此不再详细描述。

图1是根据本发明的热交换板1的实例的平面图。在四个角部是用于两种不同介质的入口和出口的传统连接件。取代传统的人字形图案，所述板具有带凸起2和凹穴3的图案。

从图2中很明显，凸起2以给定的高度隆起，而凹穴3以给定的深度在板中凹陷。凸起和凹穴具有平的顶部4和底部5。在图1中，凸起2用圆表示，而凹穴3用带叉的圆表示。在图1中，凸起和凹穴显示为比其在实际热交换器中的尺寸大得多。如同已有技术一样，板通过在工具中冲压而制成。与人字形图案相比，根据本发明的图案非常适合冲压工艺。

冲压模具包括带有朝上和朝下的端面立柱(facing stud)的两半工具。该立柱具有平的上表面以及具有大约45°倾角的侧面。冲压开始时，板料被锁定在立柱上，并与立柱的形状一致，从而凸起和凹穴的侧面也具有大约45°的棱角。当达到给定的冲压高度时，将料板从立柱上释放。在凸起2的顶部4与凹穴3的底部5之间的部分中，材料可以在一定程度上自由流动。这种锁定和释放的结合很大程度上降低了在板中出现裂纹的风险。

热交换器优选地通过将这种板铜焊在一起而制造。如图2所示，上板(用虚线表示)被翻转，从而其朝下指向的凹穴(底部)邻接下板(用实线表示)的朝上指向的顶部4。上板和下板铜焊在一起，如标号4所示。由于顶部和底部具有较大的表面面积，因而此处形成牢固的焊接。下板也具有凹穴5。凹穴5并不位于与顶部4相同的截面上，因此用虚线表示。凹穴5牢固地铜焊至下板的对应顶部。

在操作中，热交换器填充有增压介质，该增压介质趋于迫使板分离。板因上升的温度也会膨胀。由于带有凸起和凹穴的图案，板料中产生的所有应力都是沿着材料方向的，且不产生或者产生很小的弯矩。由于不存在弯矩，提高了结构的强度。热交换器的强度还通过改进的焊接而提高。由于强度提高，较薄的金属片可以用于热交换板。可替换地，考虑到与用于具有人字形图案且相同板厚的热交换器的200bar的爆破压力(bursting pressure)相比，上述热交换板的爆破压力为600bar，因而可以使用厚度为0.4mm的常见板。

为优化强度，凸起2的顶部4的半径可以相对于凸起2与凹穴3之间的距离而优化。图3示出了计算中使用的变量。

r＝凸起顶部的半径(＝凹穴的底部)

h＝压痕的侧面高度

b＝辅助变量(与制造有关的尺寸)

a＝h+b，即从顶部的边缘到底部的边缘的距离

σ＝材料的屈服强度或抗裂极限

k＝未垂直作用在板上的力的修正系数

压痕的侧面高度h是从顶部从板高度等于0开始上升的区域至顶部的边缘的半径距离。在由四个顶部4所限定的表面区域内，承压面积为2(2r+a)²πr²。同时，板中的阻力＝2rπdσk。

寻求r变化时的最大压力，即， $\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}=0$

因此， $r=a\sqrt{\frac{2}{8-\mathrm{\π}}}\≈0.64a$

因此，优选地，顶部和底部的半径r大约为0.64a，其中，a是从顶部的边缘到底部的边缘的距离。当r在(0.5-1)·a范围内时，也获得了极好的强度。在一个实施例中，a＝1.5mm，而h＝1.3mm，且b＝0.2mm。压痕的高度大约等于具有45°牙侧角(flank angle)的h。如果r太大，那么焊点的数量太少，而如果r太小，焊点就太不牢固。

图2示出了穿过沿图1中的虚线的几个板的截面。很显然，通道6穿过换热器而形成。在由实线表示的板的上方，通道6形成在顶部4之间。通道6还从诸如在5处的凹穴的上方和下方经过。仅示出了下面的凹穴。在由实线表示的板的下方，通道形成于凹穴5之间，同样经过顶部4。

图1和图2示出了以矩形格状对称设置的凸起2和凹穴3，其中凸起和凹穴间隔设置。从而，它们沿着多条平形线相继设置，凸起2与凹穴3之间的距离相等，且线之间的距离也相等。通道因而是直的，与热交换器的边缘成45°角延伸，一条畅通的通路贯穿该热交换器。在图1中，这种通道由虚线6表示。换句话说，介质不必如同在人字形图案中那样流经峰和谷，但只在顶部接触的焊点处以及彼此相对设置有凹穴的膨胀处遇到圆形收缩(roundedconstriction)。然而，凸起和凹穴仍然导致某种程度上的流速变化以及介质中的少许湍流(turbulence)。众所周知，因为层流传热较差，所以完全消除湍流是不可取的。对于根据本发明的图案，通过介质中的适度的流速变化获得了适度的湍流。因此，对于介质的给定平均流速，获得了经过热交换器的较低压降。迫使介质通过热交换器所需的功率也减少了。

与具有人字形图案的热交换器相比，在相同的输入功率(压降)下，上述发明可以提供更好的传热。可替换地，在较低的输入功率下，可以获得相同的传热。

如图2所示，通道6(尤其在中心处)具有用于自由流动的间隙7。此处，因为接近顶部4，所以介质不需要改变方向，但仅在某种程度上受到凹穴5的影响。如果具有这种类型通道的热交换器用于两相介质，即，包含气体和液体的介质，气相倾向于沿通道6中心处的所述间隙7流动。这意味着气体流经热交换器，而不影响液相引起的热交换板的润湿。这就提供了较好的传热。

在某些操作情况中，可能发生泡核沸腾而不是表面蒸发，尤其在流速最低的凹穴中。凹穴有利于自然沸腾。这进一步改进了传热。

尽管圆形压痕是有利的，但这并不是绝对必需的。也可以是诸如椭圆形和多边形的其它形式，例如具有彼此相对的侧边的方形。图1中的9处示出了方形顶部的实例。

在可替换的实施例中，凸起和凹穴以网格状对称设置，但与图1所示的实施例不同，网格设置成使得形成的通道与热交换器的侧边平行(未示出)。但由于顶部彼此遮掩，因而这种设置造成较小的压降，且传热速率也减小。因此，可以使用不同的设置，以引导介质沿期望的路线流动，且控制湍流和压降。

尽管对称图案提供了最大强度，但整个板上的图案不必对称。

根据本发明的图案不必覆盖整个热交换板1。图案可以结合有偏转挡板和折流板(具有完全平直的表面)，且如果出于与本发明不直接相关的原因而需要的话，还可以结合有传统的人字形图案。对于本领域的技术人员来说，很明显可以做进一步改变。本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种热交换器，包括多对热交换板(1)，所述热交换板具有包括至少一个带有凸起(2)和凹穴(3)的部分的图案，所述凸起和凹穴具有平的顶部(4)和底部(5)，以易于抵靠在对应设计的热交换板的相应凹穴和凸起上而放置，所述顶部(4)和底部(5)的表面区域具有与所述顶部和底部之间的距离相关的尺寸，从而在所述凸起(2)之间形成用于介质流动的通道(6)，其特征在于，所述热交换板(1)在顶部(4)和底部(5)处牢固地连接。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换板(1)通过铜焊牢固地连接。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换板(1)通过焊接、粘合、或扩散永久地连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述通道(6)包括允许流动而不改变方向的间隙(7)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述凸起(2)和凹穴(3)沿多条平行线相继设置，凸起(2)与凹穴(3)之间的距离相等，且线之间的距离相等。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述通道(6)与所述板的边缘形成大约45°的角度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述平的顶部(4)和底部(5)是圆形的。

8.根据权利要求5或6及7所述的热交换器，其特征在于，所述顶部和底部的半径r处于0.5×a至1×a的范围内，其中，a是从所述顶部(4)的边缘到所述底部(5)的边缘的距离。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述顶部(4)和所述底部(5)的半径大约等于0.64×a。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述平的顶部(9)和底部是多边形的。

11.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，所述平的顶部(9)和底部是四边形的，且设置成使得凸起(2)的直边面对凹穴(3)的直边。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述平的顶部(9)和底部是椭圆形的。

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