CN102980328B - 板式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种板式换热器，该板式换热器包括形成第一流体通道和第二流体通道的热交换板，并且其中所述第一流体通道具有分隔开的流体通道上游部分和流体通道下游部分，流体通道上游部分和流体通道下游部分通过流体连通装置流体连通。本发明的板式换热器不依赖分配器而获得均匀的制冷剂分配，并且基于制冷剂蒸发的相关传热机理，在通道内设置了不同的换热区域以强化传热。根据本发明的无分配器的换热器不仅降低了生产和加工上的难度，而且拓宽了产品的实际应用范围和条件。此外，由于换热器内没有分配器，制冷剂流路的总压降较其他产品低，为膨胀阀选型预留更多空间。

Description

板式换热器
技术领域
本发明涉及一种板式换热器。
背景技术
对于平行通道的换热器(蒸发器)而言，尤其是板式换热器和微通道换热器，制冷剂的分液不均(mal-distribution)是世界性的技术难题。通常进入换热器的制冷剂是以两相的形式存在的，由于应用条件和两相流动的复杂性，很难实现制冷剂的均匀分配。很多情况下，一些通道中会流入过量的液态制冷剂，而另一些通道中会流入过多的气态制冷剂，这样就大大的影响了蒸发器的整体性能。
现有产品的制冷剂分配方案是基于分配器技术实现的。常见的手段有：导流管，导流环，嵌入式分配器等。其主要思路是，将换热器每个通道的入口设置很小的流通截面，如小孔、小缝等，以控制制冷剂进入该通道的质量流量，从而均衡总体的制冷剂分配。由于分配器的孔隙尺寸通常为0.5-2.0mm，所以，这种技术对于设计和加工提出了很大的挑战。
发明内容
本发明提供了一种板式换热器，该板式换热器例如可以不依靠分配器而实现制冷剂分配。
根据本发明的一方面，本发明提供了一种板式换热器，包括：形成第一流体通道和第二流体通道的热交换板，其中第一流体在第一流体通道中流动，而第二流体在第二流体通道中流动，并且其中所述第一流体通道具有分隔开的流体通道上游部分和流体通道下游部分，流体通道上游部分和流体通道下游部分通过流体连通装置流体连通。
根据本发明的一方面，板式换热器还包括：流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口通过流体连通装置流体连通。
根据本发明的一方面，板式换热器还包括：分隔件，该分隔件将流体通道上游部分与流体通道下游部分之间分隔开。
根据本发明的一方面，板式换热器还包括：流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口邻近分隔件。
根据本发明的一方面，所述流体连通装置是通道或腔室。
根据本发明的一方面，板式换热器还包括：端板，所述端板设置在热交换板的外侧面上，并且具有凹部，凹部与热交换板的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置的腔室，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口与该腔室流体连通。
根据本发明的一方面，板式换热器还包括：端板，所述端板设置在热交换板的外侧面上；以及腔室板，该腔室板置于所述端板的外侧面上并且具有凹部，所述凹部与所述端板的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置的腔室，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口与该腔室流体连通。
根据本发明的一方面，所述凹部邻近流体通道上游部分和流体通道下游部分的分隔处。
根据本发明的一方面，热交换板为一体的。
根据本发明的一方面，所述分隔件距离第一流体通道的入口的距离是所述热交换板的长度的大约50～80％。
根据本发明的一方面，所述分隔件是焊线和金属板中的至少一个。
根据本发明的一方面，所述流体连通装置是流体混合腔室。
根据本发明的一方面，所述第一流体通道和第二流体通道在热交换板的层叠方向上交替设置。
根据本发明的一方面，所述流体通道上游部分的流阻大于所述流体通道下游部分的流阻，或者所述流体通道上游部分的单位长度流阻大于所述流体通道下游部分的单位长度流阻。
根据本发明的一方面，流体通道上游部分的出口构成上游板孔腔，流体通道下游部分的入口构成下游板孔腔，所述上游板孔腔和下游板孔腔与流体连通装置直接连接。
根据本发明的实施方式的板式换热器不依靠分配器而实现制冷剂分配，通过采用相应的强化传热手段，有效地优化了制冷剂分配和热交换板上的换热过程。
根据本发明的实施方式的板式换热器的优点在于：
1)不依赖分配器而获得均匀的制冷剂分配；
2)基于制冷剂蒸发的相关传热机理，在通道内设置了不同的换热区域以强化传热；
3)这种无分配器的换热器不仅降低了生产和加工上的难度，而且拓宽了产品的实际应用范围和条件；
4)由于换热器内没有分配器，制冷剂流路的总压降较其他产品低，为膨胀阀选型预留更多空间；
5)对于存在蒸发器作冷凝器使用的情况(系统逆向运行)而言，同样能够实现制冷剂冷凝过程的强化换热。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的板式换热器的热交换板的示意图。
图2是根据本发明第一实施例的板式换热器的端板的示意图。
图3是根据本发明第一实施例的板式换热器的另一个端板的示意图。
图4a是描述根据本发明第一实施例的板式换热器的腔室板的示意主视图，4b是沿图4a的A-A线的剖视图，图4c是沿图4a的B-B线的剖视图。
图5是根据本发明第一实施例的板式换热器的腔室板的立体示意图。
图6a是根据本发明第一实施例的板式换热器的示意主视图。
图6b是沿图6a的A-A线的剖视图。
图7是根据本发明第一实施例的板式换热器的示意立体图。
图8是描述根据本发明第一实施例的板式换热器的第一流体通道中流体流动路径的示意图。
图9是根据本发明第二实施例的板式换热器的热交换板的示意图。
图10是根据本发明第二实施例的另一种板式换热器的热交换板的示意图。
图11是根据本发明第三实施例的双流路板式换热器中的流体流动的示意图。
图12是根据本发明第三实施例的双回路板式换热器的热交换板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。需要说明的是，附图中的方位不代表板式换热器的实际使用方位，附图仅仅是示意图。
实施例1
参见图1至图8，根据本发明的实施例的板式换热器100包括：形成第一流体通道12和第二流体通道的热交换板10和端板11和13。端板11和13设置在热交换板10的外侧面上。
如图2和3所示，端板11和13分别与对应的热交换板10的侧面具有相同的通孔。热交换板10可以为一体的。板式换热器100还包括：第一流体入口1、第一流体出口7、第二流体出口2(对逆流式蒸发器)和第二流体入口6(对逆流式蒸发器)。诸如制冷剂的第一流体在第一流体通道12中流动，而诸如水的第二流体在第二流体通道中流动。第一流体入口1的孔径可以小于第一流体出口7的孔径。
热交换板10层叠在一起，由此在层叠方向上交替地形成第一流体通道12和第二流体通道。例如，图1所示的热交换板10和与图1所示的热交换板10镜像对称的热交换板10交替重叠，或者图1所示的热交换板10与另一种热交换板10交替重叠，总之，图1所示的热交换板10与另一种热交换板10配合后，形成的第一流体通道被分隔为两个区域，第二流体通道直接连通，并在第二流体通道对应的上游部分12U的出口3和下游部分12D的入口5处具有密封效果，使第二流体与第一流体不直接接触。显然，本领域技术人员可以采用多种方式形成第二流体通道，而第一流体通道12可以由图1所示的热交换板10形成。
如图1和6a至8所示，第一流体通道12具有在流体的流动方向上通过分隔件4分隔开的流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D，流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D通过流体连通装置15流体连通。例如，在热交换板10的长度方向上的或大致在第一流体通道12中的流体(例如制冷剂)流动方向上的、第一流体通道12的中部，将第一流体通道12分隔成流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D。
如图1所示，分隔件4可以是焊料形成的带或焊线或者是金属板，例如分隔件4可以沿第一流体通道12的宽度方向封闭第一流体通道12。在一对热交换板10装配后，分隔件4可以表现为一条沿热交换板10的宽度方向封闭第一流体通道12的焊线。例如，通过冲压在热交换板10上形成突起，该突起构成分隔件4，该分隔件4通过进一步焊接封闭第一流体通道12。
如图1所示，板式换热器100还包括：流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5，所述流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5通过流体连通装置15流体连通。多个流体通道上游部分12U的出口3构成上游板孔腔，流体通道下游部分12D的入口5构成下游板孔腔，所述上游板孔腔和下游板孔腔与流体连通装置连接或直接连接，或者与流体连通装置流体连通或直接流体连通。流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5邻近分隔件4分别设置在分隔件4的两侧，例如，在热交换板10的长度方向(图1中的左右方向)上或者大致在第一流体通道12中的流体流动方向上，出口3和入口5分别设置在分隔件4的两侧。流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5设置在热交换板10的侧面，并且流体连通装置15设置在热交换板10或端板11和13的侧面。例如，设置一个或多个流体连通装置15，或者在一侧或在两侧设置流体连通装置15。上游板孔腔和下游板孔腔与一侧的一个流体连通装置15连接或直接连接或者与两侧的两个流体连通装置15连接或直接连接。
如图1所示，分隔件4距离第一流体通道的入口1的距离可以是所述热交换板10的长度的大约50～80％。流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D构造成流体通道上游部分12U的流阻大于流体通道下游部分12D的流阻，或者流体通道上游部分12U的单位长度流阻大于流体通道下游部分12D的单位长度流阻。例如，流体通道上游部分12U的内壁可以具有粗糙的表面，而流体通道下游部分12D可以具有光滑的表面。
如图8所示，流体连通装置15可以是通道、腔室或流体混合腔。
根据本发明的一种示例，如图4a至7所示，板式换热器100还包括腔室板16。腔室板16置于所述端板11和13的外侧面上。该腔室板16置于所述端板11和13的外侧面上并且具有凹部161，该凹部161与所述端板11和13的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置15的腔室，流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5与腔室流体连通。例如通过所述端板11和13的、与出口3和入口5对应的开口，出口3和入口5与腔室流体连通。该对应部分邻近流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D的分隔处，或者邻近分隔件4。根据本发明的示例，在热交换板10的长度方向(图1中的左右方向)上或者大致在第一流体通道12中的流体流动方向上，该对应部分在分隔件4所处的位置。
根据本发明的另一种示例，端板11和13具有凹部，该凹部与热交换板10的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置15的腔室，所述流体通道上游部分12D的出口3和流体通道下游部分12D的入口5与该腔室流体连通。例如，该对应部分邻近流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D的分隔处，或者邻近分隔件4，根据本发明的示例，在热交换板10的长度方向(图1中的左右方向)上或者大致在第一流体通道12中的流体流动方向上，该对应部分在分隔件4所处的位置。
参见图1、6a、6b、7、8，根据本发明的示例，流体连通装置15或所述凹部邻近流体通道上游部分和流体通道下游部分的分隔处，或者所述流体连通装置15或所述凹部邻近分隔件4。在热交换板10的长度方向上或大致在第一流体通道12中的流体流动方向上所述流体连通装置15或所述凹部在分隔件4所处的位置。例如，所述凹部或所述流体连通装置15或者所述对应部分在热交换板10的长度方向上或大致在第一流体通道12中的流体流动方向上横跨分隔件4。
作为选择，流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5可以不邻近分隔件4，而是设置在其它位置。
此外，图1中所示的热交换板10为一体的，并且由分隔件4分隔成两部分。作为选择，第一流体通道12的热交换板也可以是由两个分开的部分组成。
如图1、2、11所示，在一对图1所示的热交换板10装配后，第一流体通道12被分为上游和下游两个不直接连通的换热区域，即流体通道上游部分12U和流体通道下游部分12D，第二流体通道为连通的沟槽，同时，流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5与第二流体通道隔离，使第一流体通道12和第二流体通道中的流体，例如，制冷剂和水分离。此外，上游区域可以采用压降较大的通道结构，下游区域可以采用了压降适中的通道结构。
如图1至8所示，多对热交换板10装配后，在最外两侧与端板11和13相配合。端板11和13，分别在与流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5对应的区域上开设对应的通孔。在此基础上，端板11和13与腔室板16连接。腔室板16和端板11和13密封配合。这样，流体通道上游部分12U的出口3和流体通道下游部分12D的入口5之间形成了除入口1和出口7以外的封闭流路。将接管与上述部件进行装配，形成板式换热器100。形成板式换热器100可以采用铜钎焊或镍钎焊的工艺进行装配。
下面结合制冷剂的流动和换热过程，对该板式换热器的作业原理进行解释。
图8为制冷剂在换热器内的流动示意图。参见图1、7、8，具体地，制冷剂经过膨胀阀的节流作业后，以气液两相的形式进入换热器100，在较高流速下被分配到相互平行的各个第一流体通道12中进行换热。随后，从上游区域的出口3离开流体通道上游部分12U，进入上游出口板孔腔的流路。之后，在端板上的混合腔15内做进一步掺混，并通过下游进口板孔腔，进入下游换热器区域即流体通道下游部分12D。最终，制冷剂在下游换热区域(流体通道下游部分12D)完成换热后，离开换热器100。
在制冷剂的分配方面，传统板式换热器的出口板孔腔内存在压力分布不一致性，使得每个通道的进口与出口间的压差是不同的，即驱动力不同，从而形成分液不均的结果。本发明将制冷剂通道分为两个换热区域，从上游至下游流动的过程中，通过上游板孔腔的双向流动，均匀化了不同通道之间的压差，并通过端板上的混合腔对制冷剂进行二次掺混，且在下游板孔腔内采用撞击流的方式分配制冷剂，确保了制冷剂在每个通道内的均匀分配。这样，一方面改善了压降差异，将一个制冷剂通道划分为两个区域进行制冷剂分配，降低了分液的难度；另一方面，通过设置混合腔的方式，使制冷剂在经历一段换热过程以后，重新获得掺混，从流型、气液均一性的方面改善了制冷剂的两相流特征，为进一步高效换热创造了条件。
在强化换热方面，对于一个蒸发过程而言，制冷剂以较低的干度进入换热通道，并以过热的蒸气离开换热器，期间的换热过程包含了不同的换热机理。对于较低干度的换热过程而言，主导制冷剂换热的过程是核态沸腾(nuclear boiling)。对于干度较大的换热过程而言，主导制冷剂换热的过程是对流沸腾(convection boiling)。目前，市场上已有的板式换热器，绝大部分均采用单一的通道结构，这与制冷剂的换热特征是不匹配的。本发明将制冷剂通道划分为两个独立的换热区域，即上游区域和下游区域。对核态沸腾和对流沸腾的换热机理采取了相应的匹配方案。一方面，在上游区域，以具有较高压降的通道结构，将液态制冷剂打碎，从而减薄液膜厚度，强化核态沸腾的换热。另一方面，在下游区域，采用适中压降的通道结构，匹配对流沸腾，并降低气体流速，以克服气流速度过快，产生液滴夹带，影响系统稳定性和总体换热效果。综上所述，采用本发明的板式换热器将获得高效的换热效果。
实施例2
如图9和10所示，对于长宽比较小的宽型板式换热器100，也可采用矩形流通孔或多个流通孔，以实现上游区域和下游区域的连通与混合，如图9和图10所示。即，第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5具有大致矩形形状或者板式换热器100具有多个第一流体通道上游部分12U的出口3和多个第一流体通道下游部分12D的入口5。
实施例3
本发明对双流路(dual circle)的蒸发器同样适用。图11为双流路制冷剂板式换热器100的示意图。该板式换热器100具有两个制冷剂循环回路，二者共用一个水循环系统进行加热。图11中，W表示水的回路，R1表示第一制冷剂的回路，R2表示第二制冷剂的回路。本发明对此类应用的解决方案如图12所示，对单边流动的通道，1为第一路制冷剂的入口(第一流体入口)，3和5为其上游和下游的连通板孔(第一流体通道上游部分12U的出口和第一流体通道下游部分12D的入口)，7为第一路制冷剂的出口(第一流体出口)；1′为第二路制冷剂的入口(第一流体入口)，3和5为其上游和下游的连通板孔(第一流体通道上游部分12U的出口和第一流体通道下游部分12D的入口)，7′为第二路制冷剂的出口(第一流体出口)；6为水侧的入口(第二流体入口)，2为水侧的出口(第二流体出口)。
对对角流动的通道，1为第一路制冷剂的入口(第一流体入口)，3和5为其上游和下游的连通板孔(第一流体通道上游部分12U的出口和第一流体通道下游部分12D的入口)，7′为第一路制冷剂的出口(第一流体出口)；1′为第二路制冷剂的入口(第一流体入口)，3和5为其上游和下游的连通板孔(第一流体通道上游部分12U的出口和第一流体通道下游部分12D的入口)，7为第二路制冷剂的出口(第一流体出口)；6为水侧的入口(第二流体入口)，2为水侧的出口(第二流体出口)。
由于水侧压降的限制，制冷剂通道的上游区域的热交换板，应尽量采用非对称结构，即制冷剂侧压降较大，而水侧压降较低。
上述实施例中，描述了第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5与流体连通装置15或混合腔流体连通。对于多个第一流体通道12和多个第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5，可以是所有的第一流体通道上游部分12U与所有的出口3连通，或者将多个第一流体通道上游部分12U中的部分与出口3中的部分连接，而将多个第一流体通道上游部分12U中的剩余部分与出口3中的剩余部分连接；所有的第一流体通道下游部分12D与所有的入口5连通，或者将多个第一流体通道下游部分12D的部分与多个入口5中的部分连接，而将多个第一流体通道下游部分12D的剩余部分与多个入口5中的剩余部分连接。对于流体连通装置15，可以使出口3和入口5分别相互连接，所有的出口3和所有的入口5连接，或者使一部分出口3和一部分入口5分别相互连接或相互连接，而使另一部分出口3和另一部分入口5分别相互连接或相互连接。显然，多个第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5以及流体连通装置15可以以任何合适的方式进行连接。对于多回路的系统，每一个回路的第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5以及流体连通装置15与其它回路的第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5以及流体连通装置15不连通。
尽管结合实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。例如，所有实施例中的技术特征的一部分可以相互组合而形成新的实施例。此外，本发明的热交换板也可以采用其它合适的结构实现将第一流体通道12分隔成流体通道上游部分和流体通道下游部分。再者，尽管附图中，流体连通装置15设置在热交换板10或端板11和13的外侧面，但是流体连通装置15也可以设置在换热器的内部，例如，在一个通道中设置流体连通装置15。
此外，流体连通装置15采用流体通路或管路时，第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5可以设置在远离分隔件4的位置。
再者，上述腔室或流体混合腔可以是任何仅仅与第一流体通道上游部分12U的出口3和第一流体通道下游部分12D的入口5流体连通的密封室。

Claims (14)

1.一种板式换热器，包括：
形成第一流体通道和第二流体通道的热交换板，
其中所述第一流体通道具有分隔开的流体通道上游部分和流体通道下游部分，流体通道上游部分和流体通道下游部分通过流体连通装置流体连通，
所述板式换热器还包括：分隔件，该分隔件将流体通道上游部分与流体通道下游部分分隔开。
2.根据权利要求1所述的板式换热器，还包括：流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口通过流体连通装置流体连通。
3.根据权利要求1所述的板式换热器，还包括：流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口邻近分隔件。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的板式换热器，其中所述流体连通装置是通道或腔室。
5.根据权利要求1所述的板式换热器，还包括：端板，所述端板设置在热交换板的外侧面上，并且具有凹部，所述凹部与热交换板的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置的腔室，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口与该腔室流体连通。
6.根据权利要求1所述的板式换热器，还包括：
端板，所述端板设置在热交换板的外侧面上；以及
腔室板，该腔室板置于所述端板的外侧面上并且具有凹部，所述凹部与所述端板的外侧面的对应部分形成作为所述流体连通装置的腔室，所述流体通道上游部分的出口和流体通道下游部分的入口与该腔室流体连通。
7.根据权利要求5或6所述的板式换热器，其中
所述凹部邻近流体通道上游部分和流体通道下游部分的分隔处。
8.根据权利要求1所述的板式换热器，其中热交换板为一体的。
9.根据权利要求1所述的板式换热器，其中所述分隔件距离第一流体通道的入口的距离是所述热交换板的长度的大约50～80％。
10.根据权利要求1所述的板式换热器，其中所述分隔件是焊线和金属板中的至少一个。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的板式换热器，其中所述流体连通装置是流体混合腔室。
12.根据权利要求1所述的板式换热器，其中
所述第一流体通道和第二流体通道在热交换板的层叠方向上交替设置。
13.根据权利要求1所述的板式换热器，其中
所述流体通道上游部分的流阻大于所述流体通道下游部分的流阻，或者所述流体通道上游部分的单位长度流阻大于所述流体通道下游部分的单位长度流阻。
14.根据权利要求2所述的板式换热器，其中流体通道上游部分的出口构成上游板孔腔，流体通道下游部分的入口构成下游板孔腔，所述上游板孔腔和下游板孔腔与流体连通装置直接连接。
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