CN101802538B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器单元(13)，用于在第一流体和第二流体之间交换热量。单元(13)包括：用于第一流体的流动通路和用于第二流体的流动通路，流动通路连接至热交换器单元(13)的入口(9)和出口(10)，第一和第二流体通过热交换器单元的(9)和出口(10)流进和流出热交换器单元(13)。单元(13)还包括一个或多个热传递元件(1)，其具有第一流体接触表面和第二流体接触表面，热量通过第一流体接触表面和第二流体接触表面从第一流体传导至第二流体或者反之亦然，接触表面形成至少一部分流动通路。单元(13)还包括一个或多个总压力增加装置(8)，用于至少局部地在热交换器单元(13)中增加至少一个流体的总压力；以及壳体(12)，封装所述一个或多个热传递元件(1)以及所述一个或多个总压力增加装置(8)中的一个、一些或全部。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于在至少两个流体之间交换热量的装置和方法。本发明尤其涉及一种用于在第一流体和第二流体之间交换热量的热交换器单元，该热交换器单元优选地包括：一个或多个热传递元件，该一个或多个热传递元件具有第一流体接触表面和第二流体接触表面的，热量通过流体接触表面被从第一流体传导到第二流体，或反之亦然；一个或多个总压力增加装置，用于至少局部地在热交换器单元中增加至少一个流体的总压力；以及壳体，封装一个或多个热传递元件以及一个或多个总压力增加装置。本发明还涉及热传递元件、包括这样的热传递元件的热交换器、以及至少包括一个或多个热传递元件的盒。
背景技术
流体之间的热交换发生在多个处理中。典型地，通过对于关注的流体是不可渗透的截面来将流体彼此分离，并且从一个流体至另一个的热传递通过该不可渗透截面发生。热传递速率与流经截面的流体的速度紧密相关，尤其与靠近截面的边界层中的速度紧密相关。另外，为了增加热传递速率，可以给予截面的表面特定特征，例如是波状的。
在热交换器单元的许多实际实施中，热交换器单元表现出压力损失，该压力损失需要被补偿以使得流体能够流经单元。这典型地通过将一个或多个泵分配以驱动流体经过单元而实现。通过使用管道、凸缘或类似等将多个独立的单元连接起来而相应地组装热传递系统，该多个独立单元是例如一个或多个泵和一个或多个热交换器单元等。
每个这样的连接典型地表现出例如由于流截面的变化而导致的压力损失。连接可能进一步受到密封问题的困扰，例如在管道与独立单元彼此连接的位置的密封问题。
在示意性地示出公知热交换器系统的图1a中，在通过使用管道、凸缘或类似等连接起来的系统中示出了各种流体动态处理。以三级详细程度说明该处理，在图中从上到下来更加详细地说明。在图的底部，指示示出流体的压力的图线。Ptot指的是总压力，Pstat指的是统计压力，Pdyn指的是动态压力。
如图1a所示，泵(P)设置在上游并且通过管道连接至热交换器单元(HE)，并且叶轮增加压力并且尤其增加动态压力。在泵的扩散器中动态压力被转换为静态压力。在图1a示出的例子中，具有高静态压力的流体被馈送到热交换器中，其中由于截面区域的减小流体的速度增加。因而，静态压力减小而动态压力增加。从动态压力向静态压力向动态压力的转换导致损失，通常该损失必须由例如用于驱动泵的马达的电力来平衡；这样的损失是耗能的并且因而是不期望的。
US 2006/0254752揭示了一种散热器，包括：入口头，具有中空形状并且设置具有用于冷却剂进入的入口；多个平管，一端连接至入口头；以及出口头，具有中空形状并且设置具有用于冷却剂排出的出口，出口头连接至多个平管的另一端。多个平管形成用于冷却剂的通道并且将入口头和出口头连接起来。尽管该发明可以提供一些有利的效果，似乎并不能提供设计的灵活性并且极大地依赖流体之一为气体。
另外，公知热交换器系统典型地具有在建立两个或更多个流体之间的完全热交换之前的相对长的响应时间。在家庭中，这经常意味着初始流经该单元的自来水没有到达期望温度并且因此不被使用。
另外，公知的热交换器似乎必须具有热传递上限4000W/m2k，该限制可以与连接独立单元(泵和热传递单元)的使用相关联。
因而，本发明的目的是至少部分减少通过管道、凸缘和类似等从独立单元组装的热传递系统中发生的问题。
发明内容
涉及将动态压力转换为静态压力的上述损失在本发明的优选实施例中通过将叶轮布置在热交换表面的上游(如图1b所示)而被减小或甚至被避免。图1b以与图1a相似的方式构造并且示出叶轮增加总压力并且在流体与热传递元件接触之前没有发生压力转换。
对于本发明，已经发现例如流出离心泵的叶轮的流体的旋转特性对于流体之间的热交换率有正面效果。在通过使用管道、凸缘和类似等从例如泵和热交换器单元的独立单元组装而成的系统中，由于各种管道、凸缘和类似等倾向于移除流体中的旋转分量，因此仅获得与一个或多个流体的旋转分量相联系的效果，但这种获得也非常困难。
本发明在第一方面涉及一种热交换器单元，用于在第一流体和第二流体之间交换热量，所述单元包括：
用于第一流体的流动通路和用于第二流体的流动通路，用于第一流体的流动通路和用于第二流体的流动通路连接至热交换器单元的入口和出口，第一和第二流体通过热交换器单元的入口和出口流进和流出所述热交换器单元；
多于一个的热传递元件，具有第一流体接触表面和第二流体接触表面，热量通过第一流体接触表面和第二流体接触表面从第一流体传导至第二流体或者反之亦然，接触表面形成至少一部分流动通路；
多于一个的总压力增加装置，用于至少局部地在热交换器单元中增加多于一个的流体的总压力；以及
壳体，封装所述多于一个的热传递元件以及所述多于一个的总压力增加装置，
其中，所述总压力增加装置为叶轮，以及
所述单元包括多个单独的非同心轴，分别用于第一和第二流体的叶轮被布置在所述轴上，所述轴被连接到马达，用于旋转所述叶轮。
因而，通过使用根据本发明的热交换器单元，比起当第一流体和第二流体通过入口进入热交换器单元时，当第一流体和第二流体通过出口离开热交换器单元时它们的温度是不同的。在热交换器单元内，由总压力增加装置至少局部地增加至少一个流体的总压力。
在优选实施例中，总压力增加装置在至少一个流体中提供旋转流动，其中旋转流动已经被发现为对于流体之间的热交换具有正面效果。
根据本发明的优选实施例，热交换器单元具有壳体，壳体优选地可以被认为是类似容器的结构，在壳体内布置了一个或多个热传递元件以及一个或多个总压力增加装置。因而可以不用通过管道连接独立单元来提供热交换器单元，并且可以提供紧凑单元，该紧凑单元可以提供满足给定热交换需求的好的可能性。
流体之间的热交换典型地会导致例如犹如包括弯曲和类似等的流动路径导致的压力损失，并且总压力增加装置优选地用于至少克服由流经热交换器单元的至少一个流体导致的压力损失。
因而，尽管已知的热交换器单元是通过经过管道连接多个独立单元而组装而成的，本发明被设计使得优选地包括压力承载壳体，在该壳体内布置热传递元件和总压力增加装置，从而单元能够被制造得更紧凑和高效。由于热传递元件的数目可以选择，单元的效率可以进一步增加，从而与从多个独立单元构造热交换单元相比，能够更加准确地匹配给定需求。
在本揭示中，使用了多个术语，尽管这些术语以本领域普通技术人员熟知的方式使用，下面对一些术语给出简单说明。
“流体”用于指至少液体、气体、流态的介质或上述的组合。
“流动通路”优选地用于指中空空间，流体通过该中空空间流进热交换器单元。流动通路优选地包括一个或多个通道，其中该通道平行和/或串行布置。典型地，通道包括流体接触表面，热量通过该流体接触表面传导。
“壳体”优选地用于指热交换器单元的壁，其中该壁限定热交换器单元中的流体，从而流体可以通过壳体中设置的一个或多个入口和出口流进/流出处理单元。因而，壳体形成了热交换器单元的密封的封装。壳体可以优选地包括多个壁元件。至少部分壳体可以优选地组成热交换器的部分流动通路。
“盒”优选地用于指包含一个或多个热交换器元件、或者适配于接收一个或多个热传递元件、或者具有两者功能的元件。盒典型地包括布置用于形成至少部分壳体的外部外壳、一个或多个入口、以及一个或多个出口。外部外壳可以优选地是承载压力的，从而不需要另外的壳体来承受盒的内部和外部之间的压力差。另外，外部外壳典型地和优选地有助于限定经过单元的流动通路。盒的形状使得包括从其入口至其出口的经过盒的一个或多个流动通路，其中一个或多个流动通路形成单元内的一个或多个流动通路的一部分。盒的入口和出口被优选地设置使得当两个盒组合时，一个盒的出口与另一个盒的入口直接连接，并且反之亦然。“直接连接”优选地用于指一种情形：流出出口的流体的速度和压力与流进入口的流体的速度和压力相同，“直接连接”可以通过将出口和入口彼此相连而不需要之间的中间管道来提供。另外，当组合两个或更多个盒时，盒的外部外壳优选地被组合以形成处理单元的至少部分压力承载壳体。另外，由于盒经常包括克服由于流经盒的流体导致的压力损失的总压力增加装置，组装的单元对于将要操作的处理可以经常是压力适中的。另外，当在盒中存在总压力增加装置时，盒优选地被设计使得经过盒的至少一个流体的流是压力适中的，或者流经盒的关注中的流体的压力甚至增加。
“总压力增加装置”优选地用于指增加流体的总压力(停滞压力)的元件。总压力增加装置优选地是或包括速度导流轮，例如叶轮。
“速度导流轮”优选地用于指将速度引入流体从而流体的方向和/或总压力被改变的元件。流体速度导流轮优选地是叶轮。
“入口/出口”优选地用于指流体流进或流出例如盒或单元的元件的截面或区间。入口/出口可以优选地是管道、通道等的端截面或区间。入口/出口可以优选地被认为是控制容积的部分，控制围绕关注的元件或单元的容积，流体通过入口/出口流进流出元件。
根据本发明许多优选实施例，在流体具有相对高的速度并且至少一个或两个流体典型地也以漩涡运动流动的位置发生热传递；两个流动方式对于热传递速率都是有利的。
根据实际使用，单元可以被配置使得流体中的任一个或两个都由布置在单元内的总压力增加装置泵送通过单元。因而，本发明典型地提供紧凑热交换器单元，该单元可以被适于对于处理可以是压力适中的，即不需要例如泵的另外的加压装置来将流体驱动通过单元。
另外，根据本发明的热交换器单元能够容易地被扩展以满足给定热传递需求。例如，可以通过在热传递元件适合的壳体中布置共同满足热传递需求的多个热传递元件来构造单元；或者可以通过堆叠包含多个热传递元件的多个盒来构造单元。
在优选实施例中，热传递元件可以优选地是板形的并且包括流体通道，所述流体通道形成用于第一和第二流体的一部分流动通路。这些通道优选地从热传递元件的一侧延伸至热传递元件的另一侧。从而，第一和第二流体通过热传递元件从热传递元件的一侧流至另一侧。
优选地，每个热传递元件的第一流体接触表面可以是热传递元件中设置的至少一个通道的内表面，其中所述至少一个通道具有通道入口和通道出口。
根据本发明的热交换器单元可以优选地包括至少两个热传递元件的堆叠，所述至少两个热传递元件是可连接的从而第一流体从一个热传递元件的通道出口流至相继的热传递元件的通道入口。
优选地，一个通道的出口通过连接短管连接至或可连接至相继的通道的入口，并且其中第一流体通过连接短管从入口管道流至第一热传递元件并且通过连接短管从最后一个热传递元件流至出口管道。
在热交换器单元的优选实施例中，可以由布置在热交换器单元的壳体外部的泵将第一流体泵送通过热传递单元。
在许多优选实施例中，热传递元件可以是实质上的碟形(不必然地具有圆形外边缘)并且包括优选地布置在中央的孔，其中至少一个总压力增加装置被放置使得从热传递元件的一侧向另一侧传输第二流体流。
在优选实施例中，热传递元件可以包括引导板，所述引导板形成将第二流体引领朝向总压力增加装置的通道。
优选地，至少部分壳体形成用于第二流体的一部分流动通路。
一个或多个总压力增加装置可以优选地适于将第二流体的压力增加至至少部分地克服由于流经热交换器单元的流体导致的压力损失的程度。另外，一个或多个总压力增加装置适于将第二流体的压力增加至至少克服由于流经热交换器单元的流体导致的压力损失的程度。
优选地，总压力增加装置可以包括一个或多个流体速度导流轮和/或由一个或多个流体速度导流轮组成。一个或多个流体速度导流轮可以优选地适于以一个速度接收流体之一并以更高的速度传送该流体。
一个或多个流体速度导流轮相对于第二流体接触表面而布置，从而当流体初始地接触第二接触表面时与当流体离开流体速度导流轮时第二流体的动态压力实质上相同。
优选地，一个或多个流体速度导流轮中的一个或多个或在有的实施例中全部是叶轮。叶轮优选地是具有马达驱动的旋转运动的叶轮。在优选实施例中，将叶轮安装到马达驱动的轴上使得轴和叶轮的旋转轴一致。
壳体可以优选地是压力承载壳体，适于抵抗热交换器单元中的流体的压力和热交换器单元外的压力之间的压力差。在优选实施例中，壳体或至少部分壳体是管状的。
壳体可以优选地包括加压级，所述加压级优选地包括一个或多个叶轮，所述加压级被放置使得至少一个流体在流至所述一个或多个热传递元件之前经过所述加压级。
多个热传递元件可以优选地彼此之间具有间距地堆叠，以提供两个相邻元件之间的通道，所述通道是用于第一和第二流体的至少一部分流动通路，并且朝向所述通道的热传递元件的表面形成至少部分流体接触表面，每个热传递元件优选地在自己的边缘上密封至壳体，并且所述单元包括多个连接短管，允许流体从一个通道流至位于相邻通道的上游的通道。总压力增加装置可以优选地被布置在一个或多个通道中并且热传递元件可以优选地是碟形的(不必须具有圆形外部边缘)。
热传递元件通常可以适于被旋转。
第一流体接触表面和/或第二流体接触表面的至少部分表面被制造具有平滑或粗糙的粗糙度。当粗糙度元件的高度k的rms值比粘性壁层的厚度(即K+＝Utk/v＜1)小时，表面典型地被认为是平滑的。可选地或与其相组合，第一流体接触表面和/或第二流体接触表面的至少部分表面是波状的。
热传递元件的材料可以优选地从金属、复合材料、涂层材料、塑料、陶瓷或上述的组合中选择。
在根据本发明的热交换器单元的优选实施例中，单元可以优选地包括每个都包括多个热传递元件的一个或多个盒。与其相组合，一个或多个盒的外部外壳形成壳体的至少部分外部表面。可选地或与其相组合，形成至少部分壳体的一个或多个盒的外部外壳邻接壳体的内部表面。
一个或多个盒可以优选地包括总压力增加装置。
一个或多个盒适于在一个或两个流动通路的至少部分中保持和/或提供旋转流动，例如漩涡流动。
一个或多个盒可以优选地适于接收或包括流体速度导流轮，所述流体速度导流轮形成一个或两个流动通路中的至少部分。流体速度导流轮可以优选地适于以一个速度接收流体并以更高的速度传送该流体。
在本发明的优选实施例中，第一和第二流体接触表面对于流体是不可渗透的。
在根据本发明的热交换器单元的优选实施例中，包括接触表面的至少部分流动通路在一个几何平面以弯曲的方式延伸。
根据本发明的热交换器单元可以优选地适于提供经过至少一个或两个接触表面的旋转流动，例如漩涡流动。
在优选实施例中的总压力增加装置可以适于增加流经单元的流体的总压力，从而离开单元的流体比流进单元时的流体具有更高的总压力。
在第二方面，本发明涉及一种热传递元件，包括第一流体接触表面和第二流体接触表面，热量通过第一流体表面和第二流体表面从第一流体传导至第二流体或者反之亦然，其中：
第一接触表面是设置在热传递元件中的至少一个通道的内表面，所述通道具有入口和出口；
第二接触表面是设置在热传递元件中的至少一个通道的至少部分外表面。
热传递元件可以优选地是实质上的碟形(不必须具有圆形外部边缘)并且包括优选地布置在中央的孔，其中至少一个总压力增加装置被放置使得从热传递元件的一侧向另一侧传输流体。
根据本发明第二方面的热传递元件可以优选地包括本发明的第一方面揭示的一个或多个上述特征。
在第三方面，本发明涉及一种包括本发明第一和/或第二方面揭示的一个或多个特征的盒。
在第四方面，本发明涉及一种在第一和第二流体之间交换热量的方法，所述方法包括将流体馈送到根据本发明上述方面所述的热交换器单元。
附图说明
下面将参考附图详细地描述本发明，尤其是本发明的优选实施例，在附图中：
图1a示意性地示出了公知热交换器系统并且图1b示意性地示出了在根据本发明优选实施例的热交换器中的流动；
图2示出了根据本发明实施例的热交换器单元的热传递元件，热传递元件是分别从斜上方(图2a)和斜下方(图2b)看过去的；
图3是根据本发明优选实施例的热交换器单元的热传递元件的堆叠的示意图，为了清楚起见，元件被示为间隔开的，但是在实际中如图7所示元件彼此邻接，另外，已经移走部分壳体以使得热传递元件可见。
图4示出了从斜下方看过去的图3中的热传递元件，并且出于清楚起见移走了壳体；
图5说明了在如图3所示的热传递元件的通道中流动的第一流体的流路径；
图6说明了在如图3所示的热传递元件间流动的第二流体的流路径；
图7示出了根据本发明的热交换器单元的一部分的实施例，图7a是俯视图，图7b是沿图7a的线A-A的截面图；
图8示意性地示出了根据本发明的热交换器单元的侧视图；
图9示意性地示出了根据本发明的热交换器单元的一部分的截面图，具有用于将流体之一泵送通过热交换器单元的加压级；
图10示出了根据本发明的具有叶轮的热交换器单元的一部分的实施例的分解图，叶轮用于将两个流体泵送通过单元，该单元包括用于将两个流体泵送通过单元的叶轮；
图11示意性地示出了根据本发明的热交换器的实施例，其中单元由多个盒制成；
图12示出了图11所示的热交换器单元的截面图；
图13示出了根据本发明的热交换器单元的一部分的优选实施例的分解图，该热交换器用于交换三个流体之间的热量，该单元包括用于将三个流体泵送通过单元的叶轮；以及
图14示出了根据本发明的热交换器单元的一部分的另一个实施例的分解图。
具体实施方式
根据本发明优选实施例的热交换器单元3(见图8)包括至少一个并且优选地更多个的热传递元件1，热传递元件1可以具有图2所示的设计。图2a和图2b示出了分别从斜上方和斜下方看过去的热传递元件1；“上方”和“下方”指的是图7中的热交换单元的定向。热交换元件1具有通道2，通道2用于沿着第一流体接触表面引导第一流体，该表面是通道2的内表面并且因而在图中不是直接可见的。如图中所见的，通道2在一个几何平面以弯曲的方式延伸。每个通道2包括通道入口3和通道出口4，第一流体通过通道入口3进入通道2并且通过通道出口4退出通道2。通道出口4和通道入口3包括以连接短管5形式的流体引导件(见图3)，连接短管5是可连接的，从而热传递元件1是可堆叠的，并且第一流体能够从一个热传递元件1的通道2流到连续布置的热传递元件1的通道2。下面更加详细地描述。热传递元件1优选地邻接并因而在支撑凸耳6支撑彼此，但是在本发明的范围内热传递元件1可以仅在通道入口和出口(3，4)邻接。热传递元件1包括用于放置叶轮8的中央孔7(见图4)，叶轮8的功能将在下面描述。
图3示出了三个热传递元件1的堆叠，一起具有用于第一流体的入口和出口管9、10。出于清楚起见，热传递元件1被示为彼此间隔开并且叶轮8被移走(见图4)，但是在实际中如图7所示元件彼此邻接。热传递元件1的边缘11邻接圆周的壳体12并且优选地在边缘11与壳体密封。在图中，已经移走部分壳体12以使得热传递元件1可见。对于壳体12的更多细节，请见图8及其描述。
以叶轮8形式的流体速度导流轮沿着可旋转的公共轴(未示出，见图9)布置，从而当轴典型地由马达(未示出，见图8)旋转时，叶轮8将第二流体从热交换器单元13的底(相对于图的定向)向顶运输。流体速度导流轮增加流经流体速度导流轮的总压力。当第二流体离开叶轮8时，第二流体与热传递元件1的第二流体接触表面接触，该表面是外部表面并且因而是直接可见表面，即在图中可见。
图4示出了从斜下方看过去的图3的热传递元件1，其中出于清楚起见移走了壳体12并且安装了叶轮。在所示的实施例中，引导板14已经被安装到每个热传递元件1的通道2中用于将第二流体引导朝向叶轮8。在可选实施例中，该引导板14与剩余的热传递元件1制成一体。
在图5中以虚线示出经过图3和4中的热交换器单元13的第一流体的流动通路。该流动通路通过入口管道9的形式的入口进入热交换器单元13，从该入口它经过一个或多个连接短管5流进上部热交换器元件1的通道2。第一流体如图所示流经相继的热交换器元件1，并且从最后一个热传递元件1，它通过出口管道10形式的出口流出。第一流体的流动典型地由放置在热交换器单元13外部的泵(未示出)引起，但是泵也可以集成在热交换器单元13中，例如以与图9揭示的(加压级25)或图10所示的相似的方式。如所提及的，第一流体与在热传递元件1之间(即沿着它们的第二流体接触表面)流动的第二流体交换热量/能量。
第二流体的流动通路在图6中示意性地示出。第二流体进入第一叶轮8的中央区域，第一叶轮8是可通过例如马达驱动的轴(未示出；见图8、9)被旋转的。该轴的中心轴线与叶轮8的中心轴线重合，并且第二流体优选地沿着轴的整个边界流动朝向叶轮8。在图中仅为了说明的目的，由一个中央箭头指示。边缘11与壳体密封，从而限定两个相邻热传递元件1之间的通道。
叶轮8将能量引入第二流体，该能量使第二流体流动朝向热传递元件1的边缘11。从这里，第二流体流进由引导板14部分地限定的空间。主要通过放置在连续热传递元件1中的叶轮8的汲取而获得该流动，并且从那儿重复流动方式。
上述图示出了第一流体和第二流体在相对整体方向流动，即相对于图的向上和向下方向。然而，在本发明的范围内也能使两个流体在相同的整体方向流动。
因而，如图5和6所示，热传递元件1是板形元件，具有分别用于第一和第二流体的通道，形成用于第一和第二流体的部分流动通路并且从热传递元件的一侧向热传递元件的另一侧延伸，从而第一和第二流体能够从元件的一侧流动至另一侧。通道之一是通道2，具有通道入口3和通道出口4，并且另一个通道由部分由引导板14、孔7和叶轮8(如果有的话)限定的空间限定。
图7示出了根据本发明的热交换器单元13的实施例的一部分。在图7a中，热交换器单元13的一部分是从上面看过去的，并且图7b是沿着图7中的线A-A的截面图。最后一个热传递元件1的通道2比其它的略长，因为如图7b所示，该通道2连接至出口管道10。热交换器单元13的一部分被示为与壳体元件17、19形成为一体，在图8中壳体元件17、19包括用于第二流体的入口15和出口16。
沿着第二流体接触表面的第二流体的流动具有径向和切向速度分量。另外，流出叶轮的第二流体与第二流体接触表面直接接触，在表面和流体之间的接触发生之前没有动态压力至静态压力的转换。
图8示出了根据本发明的热交换器单元的优选实施例。热交换器单元13包括壳体12，壳体12具有三个壳体元件：第一壳体元件17、中间壳体元件18以及第二壳体元件19。术语“中间”即用作第一壳体元件17和第二壳体元件19之间的元件的位置的参考。
热传递元件1布置在中间壳体元件18之内，中间壳体元件18的形状是具有开口端的圆柱。将第一流体引导进入热传递元件1和引导出热传递元件1的入口和出口管道9、10延伸通过第一壳体元件17的壁，如图8所示。第一壳体元件17还包括布置在第一壳体元件17的第一突起20中的用于第二流体的出口16。用于将马达22连接至单元的固定设备21放置在第一突起20上。马达22用于驱动布置在热交换器单元13内的叶轮8，其中叶轮8布置在从马达22延伸通过突起20的壁并且典型地进入但是不通过第二壳体元件19的轴23上。
第二壳体元件19包括如图8所示用于第二流体的入口15并且将第二流体引导至布置在中间壳体元件18中布置的热传递元件1。
如图9所示，通过将中间壳体元件18插入到第一和第二壳体元件17、19而组装图8所示的热交换器单元。中间壳体元件18与第一和第二壳体元件17、19之间的分别密封可以通过将例如O形环的密封垫(未示出)布置在彼此邻接的表面中的槽(未示出)来实现。
在本发明的优选实施例中，壳体12是一个压力承载壳体，其适于抵抗热交换器单元13中的流体的压力与周围环境压力(即热交换器单元13外部的压力)之间的压力差。
如果期望，在本发明的范围内可以确保在第二流体流经热传递元件1之前，在热交换器单元13中的第二流体的压力增加。这样的压力增加可以如图9所示建立，图9示出了根据本发明的热交换器单元13的细节的截面图。示出的细节包括中间壳体元件18的一部分、第二壳体元件19、以及具有叶轮8的四个堆叠的热传递元件1。第二壳体元件19具有第二突起24，第二突起24包括具有三个叶轮8以及轴23的加压级25，在轴23上布置了所有的叶轮8。轴23由如图8所示的马达22旋转。比起克服由于流经热交换单元而导致的损失所需的压力，加压级可以优选地用于对流体加压至更高。
图10示出了另一个实施例，其中通过使用内部放置的多个叶轮8将两个流体泵送经过单元13；该图以分解图示出了实施例，其中热传递元件30分隔开并且除了端壳体部件12a、12b以外的壳体被移除以使得热传递单元的内部可见。热交换器单元13包括形成作为碟的多个热传递元件30。请注意在当前上下文中“碟”的使用并不必须意味着圆形结构；相反并且如图10所示，碟可以例如具有八边形形状周边。结果，热传递元件30可以被描述作为板形。热传递元件被堆叠以提供图中所示的相邻元件30之间的通道31。通过该配置，朝向通道的热传递元件30的表面形成分别用于第一和第二流体的流体接触表面。
提供了将流体从一个通道31引导至位于相邻通道的上游的另一个通道31的连接短管32；如图所示，连接短管32可以被布置在一些元件上或者连接短管32是分离的片段以适合元件30中设置的匹配连接。连接短管32连接至邻近热传递元件30中的孔32a。每个热传递元件30在边缘33邻接壳体。边缘33优选地密封至壳体。
在图10中示出了两个流体的流动路径，其中示出了第一流体通过入口短管从下面(参考图10的定向)进入热交换器单元13，并且流经连接短管32进入通过连接短管32连接的通道31并进入叶轮8。在叶轮8已经增加第一流体中的总压力之后，流体以漩涡运动朝向连接短管32流动并且经过连接短管32(应当注意当流经连接短管32时流动可以变直)并且进入下一通道31。在该下一通道中，流体朝向下一连接短管32流动并且经过下一连接短管32，该下一连接短管32引导至叶轮。在第一流体经过出口短管流出单元之前，通过堆叠更多的热传递元件30可以重复多次该方式。
第二流体通过入口短管从上方流进热交换器单元并通过连接短管32流至叶轮8。在叶轮8之后，第二流体以漩涡运动流动进入通道31，朝向将流体引导至下一通道31的连接短管。流体流经下一通道31并且朝向和经过将流体引导至叶轮8的连接短管32。在第二流体经过出口短管流出单元之前，通过堆叠更多的热传递元件可以重复多次该方式。
如同从图10中能够实现的，第一流体在其中流动的通道被布置在第二流体流动经过的通道31之间(根据考虑的流体是哪一个，反之亦然)，并且当流体具有不同的温度时，在流经热传递元件30的流体之间的热交换将发生。
图10所示的实施例被示为具有当从上方看过去时的八角形截面。然而，截面可以具有例如正方形或圆形的其它形状。外部壳体12优选地被制造为管子，具有布置在图10中示为12a和12b的管子的两端上的板形式的端壳体部分。端壳体部分包括作为入口/出口的连接短管，通过该连接短管第一和第二流体被馈送进入和流出单元，并且端壳体部分可以被形成为如图8所示的形状。端壳体部分还包括穿孔，其上布置了叶轮的多个轴23通过该穿孔延伸。可以通过布置在端壳体中的轴承47(见图12关于此的例子)来提供多个轴23的悬挂，并且在多个轴23与端壳体之间设置了密封圈，轴23从端壳体延伸通过壳体以避免流体泄漏出单元。
本发明的优选实施例可以用一种方式来体现，其中热交换器单元由多个盒制成。这样的盒典型地包括多个热传递元件，并且盒适于被组合(典型地被堆叠)以形成热交换器单元。图11中示出了一个这样的例子。在其它实施例中，包括热传递元件的一个或多个盒与包括用于与流体互动的其它装置的盒组合。
图11示意性地示出了根据本发明的热交换器单元。图11所示的单元形成为细长单元，该细长单元具有圆筒形外部壳体12并包括5个盒40、一个入口元件41(与图8的第二壳体元件19相似)、一个出口元件42(与图8的第一壳体元件17相似)以及马达22。马达22布置在固定设备21上。在图11所示的实施例中，壳体包括盒40的外部外壳、入口元件41、出口元件42。在盒40中，布置了多个热传递元件1和叶轮8(见例如图4)，其中叶轮8布置在从马达22向布置在入口元件41中的轴承(见图12)延伸的公共轴23上，从而当马达22旋转时，它旋转所有的叶轮8。
第二流体通过入口元件41中设置的入口15(见图11)进入热交换器单元13，流经热交换器单元13并通过出口元件42中设置的出口16(见图11)离开热交换器单元13。
盒40之一包括连接，该连接是图3所示的管道9、10的端部。
图12示意性地示出了根据本发明的热交换器单元13的纵向截面，并且尤其示出了一种组装图11所示的单元的方法。单元形成为细长单元，该细长单元具有圆筒形外部壳体并包括6个盒40、一个入口元件41、一个出口元件42以及马达22，其中马达22布置在固定设备21上，固定设备21具有轴23，轴23用于旋转热交换器单元13中布置的叶轮(未示出)。热传递元件1以及叶轮8在图中未示出。入口元件41和出口元件42的外部外壳被认为是壳体12的一部分。
在图12所示的实施例中，盒40以及元件41、42由热交换器单元组装固定设备而组装，该热交换器单元组装固定设备包括穿透夹44以及多个沿着热交换器单元13的纵向方向延伸的拉杆螺栓43。在拉杆螺栓43的端部提供了螺帽45从而当拧紧螺帽45时，夹44将向热交换器单元13提供纵向力，从而元件41、42和盒40在纵向方向被保持在一起。
在垂直于热交换器单元13的纵向方向的方向紧固元件41、42和盒40被示作由环形引导件46提供，元件41、42和盒40紧密地适合环形引导件46。通过应用O形环来提供热交换器单元的密封，其中O形环设置例如在环形引导件46中的槽中。
包含盒的热交换器单元的结构也可以被应用在图10所示的热交换器单元中。
热传递元件的流体接触表面的表面可以被制造为具有选择的特征。典型地，流体接触表面的粗糙度能够被变得平滑、粗糙和/或表面可以是波状的。当粗糙度元件的高度k的rms值比粘性壁层的厚度(即K+＝Utk/v＜1)小时，表面典型地被认为是平滑的。
另外，热传递元件的材料可以从具有特定性质的材料中选择，特定性质指的是热传递系数和/或抵抗例如化学暴露以避免例如热传递元件的腐蚀的抵抗能力。
这里示出的实施例集中在两个流体之间交换热量。然而，本发明也可以用于交换多于两个流体之间的热量。这能够例如通过布置热传递元件1、30和连接短管5、32以将流体引导至通道来实现，其中邻近通道包含流体要与之交换热量的流体。这样的例子在图13中示出。
图13示出了一个实施例，其中通过使用内置的叶轮8将三个流体泵送通过单元13；该图以分解图示出了实施例，其中热传递元件30间隔开并且除了端壳体部分12a、12b以外的壳体被移走以使得热传递单元的内部可见。端壳体部分12a、12b可以例如如图8所示成形。热交换器单元13包括形成为具有边缘33的碟的多个热传递元件30，热传递元件被堆叠以提供图中所示的相邻元件30之间的通道31。热传递元件31位于和壳体密封的它们的边缘33。通过该配置，朝向通道的热传递元件30的表面形成用于流体的流体接触表面。
也是在该实施例中，热传递单元包括入口和出口短管，流体通过入口和出口短管流进和流出单元13。在该图中，示出三个流体的流动路径。如图10所示，如上述例如结合图10所描述的，通过轴承和密封圈在单元中布置包含连接至马达的多个轴23的单元，马达用于旋转叶轮和这些轴。
尽管所有这三个流体被示为前进通过热交换器单元，在流体之一到达端壳体部分12a或12b之前可以被取出单元。在这样的实施例中，仅在两个流体之间交换热量的热传递单元的一部分可以体现为与结合图10揭示的相似。
尽管已经典型地参考实施例揭示了本发明，其中叶轮或类似等被布置用于驱动至少一个流体通过单元，但是从这里给出的热传递元件可以构造不存在这样的加压装置的实施例。在这种情况下，应当布置流体引导件以将流体指引通过单元，并且在单元外部布置一个或多个泵以克服单元中的压力损失。
图14示出了根据本发明的热交换器单元的一部分的另一个实施例的分解图。与图10所示的实施例中相同的部件具有相同的附图标记，并且省略其详细描述。与图10所示的实施例相似，在图中没有示出包括部分12a和12b的壳体部分，以使得热交换器单元的内部结构可见。
如在图10所示的实施例中，热交换器单元包括形成为碟的多个热传递元件30，热传递元件被堆叠以提供图14中所示的相邻元件30之间的通道31。通过该配置，朝向通道的热传递元件30的表面形成分别用于第一和第二流体的流体接触表面。
在该实施例中，在有的通道31中布置叶轮对(两个叶轮8)。尽管优选地将叶轮对的叶轮与沿着图14所示的半径的它们的中心对称地布置，但是叶轮可以被不同地布置。叶轮对的叶轮布置在可旋转的多个轴23上。如图14所示，轴23’驱动叶轮8’并且轴23驱动叶轮8。
通过热交换器单元的流体的流动路径在图14中由标记为第一和第二的线示出。如同能够从图14所实现的，典型地在壳体中设置连接，将流体从单元的一个水平引领至另一个水平，这样的连接在图14中被标记为50。
在轴23旋转时，在叶轮对中的每个叶轮生成漩涡，漩涡将彼此互动从而叶轮对中每个叶轮生成的漩涡彼此叠加导致单个漩涡。这样的漩涡与单个叶轮生成的漩涡相似，该单个叶轮被布置使得中心与热传递元件的中心重合。
与结合图5和图6揭示的相似，图10、13和14示出热传递元件31是板形元件，具有分别用于第一、第二和图13中第三流体的通道，该通道形成通过单元的流动通路的部分并且从热传递元件的一侧延伸到热传递元件的另一侧。在图10、13和14中，通道由孔32a、连接短管32以及叶轮8(如果有的话)限定。
这里描述的各个实施例集中在从热交换器单元的入口流至出口(例如图8中的9、10、15和16)的所有流体。然而，应当提及可以设置连接，允许流体在到达出口10和/或16之前离开单元。另外，通过在例如单元的入口或出口布置节流阀可以提供流体的节流。还应当提及根据本发明的热交换器单元可以用于冷凝液体和非冷凝液体。
尽管已经结合指定实施例描述了本发明，不应当认为本发明以任何方式限于所述的例子。本发明的范围由所附的权利要求限定。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”并不排除其它可能的元件或步骤。同时，不应当认为对于例如“一”、“一个”的引用排除多个。在权利要求中使用关于图中指示的元件的附图标记不应当被认为限制本发明的范围。另外，在不同权利要求中提及的各个特征可以被有利地组合，并且在不同的权利要求中对这些特征的提及不排除特征的组合是不可能的及无利的。

Claims (35)

1.一种热交换器单元，用于在第一流体和第二流体之间交换热量，所述单元包括：
用于第一流体的流动通路和用于第二流体的流动通路(31)，用于第一流体的流动通路和用于第二流体的流动通路连接至热交换器单元的入口和出口，第一和第二流体通过热交换器单元的入口和出口流进和流出所述热交换器单元；
多于一个的热传递元件(30)，具有第一流体接触表面和第二流体接触表面，热量通过第一流体接触表面和第二流体接触表面从第一流体传导至第二流体或者反之亦然，接触表面形成至少一部分流动通路；
多于一个的总压力增加装置，用于至少局部地在热交换器单元中增加多于一个的流体的总压力；以及
壳体(12)，封装所述多于一个的热传递元件(30)以及所有所述多于一个的总压力增加装置，
其中，所述总压力增加装置为叶轮(8)，以及
所述单元包括多个单独的非同心轴(23)，分别用于第一和第二流体的叶轮被布置在所述轴上，所述轴被连接到马达，用于旋转所述叶轮(8)。
2.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件是板形的并且包括流体通道，所述流体通道形成用于第一和第二流体的一部分流动通路并且从热传递元件的一侧延伸至热传递元件的另一侧。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器单元，其中每个热传递元件的第一流体接触表面是热传递元件中设置的至少一个通道的内表面，其中所述至少一个通道具有通道入口和通道出口。
4.根据权利要求1所述的热交换器单元，包括至少两个热传递元件的堆叠，所述至少两个热传递元件是可连接的从而第一流体从一个热传递元件的通道出口流至相继的热传递元件的通道入口。
5.根据权利要求4所述的热交换器单元，其中一个通道的出口通过连接短管连接至相继的通道的入口，并且其中第一流体通过连接短管从入口管道流至第一热传递元件并且通过连接短管从最后一个热传递元件流至出口管道。
6.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中由布置在热交换器单元的壳体外部的泵将第一流体泵送通过热交换器单元。
7.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件是碟形并且包括孔，其中多于一个的总压力增加装置被放置使得它从热传递元件的一侧向另一侧传输第二流体流。
8.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件包括引导板，所述引导板形成将第二流体引导朝向总压力增加装置的通道。
9.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中至少部分壳体形成用于第二流体的一部分流动通路。
10.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中所述多于一个的总压力增加装置适于将第二流体的压力增加至至少部分地克服由于流经热交换器单元的流体导致的压力损失的程度。
11.根据权利要求10所述的热交换器单元，其中所述多于一个的总压力增加装置适于将第二流体的压力增加至至少克服由于流经热交换器单元的流体导致的压力损失的程度。
12.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中壳体是压力承载壳体，适于抵抗热交换器单元中的流体的压力和热交换器单元外的压力之间的压力差。
13.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中至少部分壳体是管状的。
14.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中壳体包括加压级，所述加压级包括一个或多个叶轮，所述加压级被放置使得至少一个流体在流至所述多于一个的热传递元件之前经过所述加压级。
15.根据权利要求10所述的热交换器单元，其中多个热传递元件彼此之间具有间距地堆叠，以提供两个相邻元件之间的通道，所述通道是用于第一和第二流体的至少一部分流动通路，并且朝向所述通道的热传递元件的表面形成至少部分流体接触表面，每个热传递元件在自己的边缘上密封至壳体，并且所述单元包括多个连接短管，允许流体从一个通道流至位于相邻通道的上游的通道。
16.根据权利要求15所述的热交换器单元，其中总压力增加装置被布置在一个或多个通道中。
17.根据权利要求15或16所述的热交换器单元，其中热传递元件是碟形的。
18.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件适于被旋转。
19.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中第一流体接触表面和/或第二流体接触表面的至少部分表面被制造成具有粗糙度。
20.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中第一流体接触表面和/或第二流体接触表面的至少部分表面是波状的。
21.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件的材料从金属、塑料、陶瓷或上述的组合中选择。
22.根据权利要求1所述的热交换器单元，所述单元包括每个都包括多个热传递元件的一个或多个盒。
23.根据权利要求22所述的热交换器单元，其中一个或多个盒的外部外壳形成至少部分壳体，形成壳体的至少部分外部表面。
24.根据权利要求22或23所述的热交换器单元，其中一个或多个盒包括总压力增加装置。
25.根据权利要求22或23所述的热交换器单元，其中一个或多个盒适于在一个或两个流动通路的至少部分中保持和/或提供旋转流动。
26.根据权利要求25所述的热交换器单元，其中所述旋转流动为漩涡流动。
27.根据权利要求22或23所述的热交换器单元，其中一个或多个盒适于接收或包括流体速度导流轮，所述流体速度导流轮形成一个或两个流动通路中的至少部分。
28.根据权利要求27所述的热交换器单元，其中流体速度导流轮适于以一个速度接收流体并以更高的速度传送该流体。
29.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中第一和第二流体接触表面对于流体是不可渗透的。
30.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中包括接触表面的至少部分流动通路在一个几何平面以弯曲的方式延伸。
31.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热交换器单元适于提供经过至少一个或两个接触表面的旋转流动。
32.根据权利要求7所述的热交换器单元，其中所述孔被中心地布置。
33.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件的材料为复合材料。
34.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中热传递元件的材料为涂层材料。
35.根据权利要求31所述的热交换器单元，其中所述旋转流动为漩涡流动。
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