CN103256839B - 折返流板翅式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种折返流板翅式换热器，其换热芯体的连接于高温端与低温端，换热芯体由多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接形成，水平换热段与竖直换热段的结合之处采用切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的一种或多种的组合；各个水平换热段的通道宽度设置从高温端到低温端逐渐减小，各个竖直换热段的通道宽度的设置从高温端到低温端逐渐减小。本发明通过各换热段通道宽度随温度变化而不同的设计，实现了流体流速调配，提高换热器效率，且其水平换热段与竖直换热段的串接匹配方式，可节省空间占用，亦显著的减少制造成本与维护成本。

Description

折返流板翅式换热器

技术领域

本发明涉及一种板翅式换热器，尤其涉及一种折返流板翅式换热器。

背景技术

板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点，与传统的管壳式换热器相比，其传热效率提高20-30%，成本可降低50%，现已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天等领域。

受限于板翅式换热器本身的特点以及目前的焊接工艺和制作水平，对于特定的换热器，换热芯体的宽度维持恒定，但其内部流体的平均密度在换热芯体的进口和出口处往往存在显著的差异，相应的流体体积流量也存在显著的差异。这将导致换热器内部流体的流速沿着流动的方向发生显著变化。由于实际的工程应用要求流体流经换热器的压降不能太大，因此限定换热器内部的流体流速不能太高；此外涉及两相流的板翅式换热器在流速低时会出现积液现象并降低换热效率，因此限定换热器内部的流体流速不能太低。当参与换热的流体在入口处和出口处的体积流量存在较大差异时，流体流速难以控制在要求范围内，即不能过高也不能过低。

现有的方法是使用多个不同规格的板翅换热器进行串联连接，组成板翅式换热器组，设置原则是：流体体积流量越大处，其流通面积越大。相对于单个板翅换热器，板翅式换热器组在应用中存在显著的缺点，例如：平均换热效率低，生产成本显著增大，占用空间大，制作工序复杂且难度大，且因其有更多的焊接接口和连接管道而导致使用寿命更短且故障率更高。

因此，当换热器中参与换热的流体在入口处和出口处的体积流量存在较大差异的时候，单个板翅式换热器如何将流体流速控制在要求范围内成为板翅式换热器的一个研究方向。

发明内容

本发明针对此问题，提供了一种结构新颖、制作简单、成本低廉的折返流板翅式换热器。

本发明的折返流板翅式换热器，包括换热芯体、封头，所述换热芯体是由多个通道分层叠置起来钎焊而成，所述通道是由相邻两隔板间放置传热翅片及封条组成的夹层，所述封头分别将热流体入口和冷流体出口与所述换热芯体的高温端连接、以及分别将热流体出口和冷流体入口与所述换热芯体的低温端连接，所述低温端包括热流体出口与冷流体入口，其特征在于：所述换热芯体由多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接形成，其结构如下：所述的多个水平换热段和多个竖直换热段具有相同层数的通道，对于同层的通道，所述水平换热段与所述竖直换热段的结合之处采用切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的一种或多种的组合；所述各个水平换热段的通道宽度设置从高温端到低温端逐渐减小，所述各个竖直换热段的通道宽度的设置从高温端到低温端逐渐减小。

优选地，所述的多个水平换热段和多个竖直换热段的在同层通道的高度均相等；沿着流体流动的方向，在同一流动截面处，各层通道在该处宽度相等。

优选地，所述减小是渐变式或分段式的。

优选地，所述水平换热段与所述竖直换热段的数量相同或相差1个。

优选地，切掉重叠部分的传热翅片对接的实现方式包括：水平换热段和竖直换热段在连接处有两个直角，其直角顶点相连接形成一条线段，水平换热段和竖直换热段内的传热翅片都在这条线段处斜切去掉一个角，斜切后的水平换热段内传热翅片和竖直换热段内传热翅片进行连接。

优选地，所述离散型传热翅片包括离散分布的长方体、正方体、圆柱体、三棱柱体、五棱柱体、六棱柱体传热翅片或其混合搭配。

优选地，通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的实现方式包括：在所述水平换热段与竖直换热段的交接处，形成一个外直角一个内直角，在所述内直角顶点分别向外直角的两条边引垂线，这两条垂线与外直角的两条边形成一个矩形，线段连接内直角顶点和外直角顶点，将所述矩形分割成2个直角三角形区域；将2块直角三角形的传热翅片置于该区域中，且该三角形传热翅片之间留有满足流体混流的间隙。

优选地，其安装方式包括：(1)换热芯体的水平换热段与地面平行、竖直换热段与地面垂直；或(2)将(1)向左或向右旋转90度，使水平段与地面垂直，竖直换热段与地面平行；或(3)将(1)向后推倒，使所有换热段皆与地面平行。

本发明的又一折返流板翅式换热器，包括换热芯体，所述换热芯体连接于至少一组高温端和一组低温端，所述高温端包括热流体入口与冷流体出口，所述低温端包括热流体出口与冷流体入口，其特征在于：所述换热芯体由多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接形成，其结构如下：所述的多个水平换热段和多个竖直换热段具有相同层数的通道，对于同层的通道，所述水平换热段与所述竖直换热段的结合之处采用切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的一种或多种的组合；所述各个水平换热段的横截面设置从高温端到低温端逐渐减小，所述各个竖直换热段的横截面设置从高温端到低温端逐渐减小。

本发明的折返流板翅式换热器，通过各换热段通道宽度随温度变化而不同的设计，实现了流体流速调配，提高换热器效率，且其水平换热段与竖直换热段的匹配连接方式，可节省空间占用，亦显著的减少制造成本与维护成本。

附图说明

图1是本发明实施方式中折返流板翅式换热器的结构示意图。

图2是本发明实施方式中折返流换热器内部传热翅片的布置示意图。

图3a与图3b是本发明实施方式中折返流板翅式换热器的换热芯体示意图。

图4a至图4c是本发明实施方式中折返流换热器中换热段间的匹配方式的示意图。

图5是本发明实施方式中折返流换热芯体的分段示意图。

图6a至图6c是本发明实施方式中折返流换热芯体安装后状态的正视图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的实施方式所提供一种折返流板翅式换热器，可用于深冷多元混合工质节流制冷系统，实现100K温区制冷。

折返流板翅式换热器包括换热芯体10与封头21-24等元件。其中封头21和22将换热芯体10的一端连接于高温端A，其中，高温端A包括热流体入口31与冷流体出口33；封头22和24将换热芯体10的另一端连接于低温端B，其中，低温端B包括热流体出口32与冷流体入口34。

其中，热流体从高温端A的热流体入口31进入，经封头21分配后流入换热芯体10，并在低温端B经过封头22后由热流体出口32流出。冷流体从低温端B的冷流体入口34进入，经由封头24分配后流入换热芯体10，并在高温端A经过封头23后由冷流体出口33流出。

换热芯体10从构造上包括：隔板101、传热翅片102、封条103。其中在相邻两隔板101间放置传热翅片102及封条103组成一夹层，称为通道（未标示），多个通道分层叠置起来钎焊成一整体，即为换热芯体10。

请同时参阅图2，换热芯体10在形状上由多个水平换热段11和多个竖直换热段12以蛇形垂直串接形成，其结构如下：

多个水平换热段11和多个竖直换热段12具有相同层数的通道。水平换热段11和竖直换热段12的同层通道的高度均相等，且同层通道与相邻通道之间的隔板，在水平换热段和竖直换热段串联处，是一体相连的。

通过多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接方式，在同层通道内流动的流体，其依次流经各水平换热段和竖直换热段，隔板将各层通道的流体分隔开，沿着流体流动的方向，在同一流动截面处，各层通道在该处宽度相等。各个水平换热段的通道宽度设置从高温端到低温端逐渐减小，各个竖直换热段的通道宽度的设置从高温端到低温端逐渐减小。即，各水平换热段11与竖直换热段12的横截面积皆随温度的降低而减小。换热芯体由10多个水平换热段11和多个竖直换热段12以蛇形垂直串接匹配形成。在本实施方式中，折返流板翅式换热器采用蛇形设计，增加了换热器的往返折流，增加流体扰动，强化传热，同时还可以降低换热器整体高度。

请参阅图2，本发明中皆以5个水平换热段11与4个竖直换热段12为例对发明点进行阐述。在其他实施方式中，该数量可随着设计需要进行调节。在本实施方式中，水平换热段11内设置的传热翅片110都是水平方向，流体在水平换热段11内的主流方向是水平方向。竖直换热段12内设置的传热翅片120都是竖直方向，流体在4个竖直换热段12内的主流方向是竖直方向。

其中，对同层的通道，水平换热段11与竖直换热段12的结合之处，其内部的传热翅片的设置通常采用的方式包括：切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接中的一种或多种的组合。

请参阅图3a，所示形状为水平换热段与竖直换热段的数量相差1个。请参阅图3b，所示为水平换热段与所述竖直换热段的数量相同。其中封头既可以设置在如图3a与图3b所示的两端A或B处，也可以如目前产业上常见的方式多增加几个分布在换热芯体10的任一位置，根据换热芯体的形状或换热器的形状而定。

请参阅图4a，切掉重叠部分的传热翅片对接的实现方式包括：水平换热段和竖直换热段在连接处有两个直角，其直角顶点相连接形成一条线段，水平换热段和竖直换热段内的传热翅片都在这条线段处斜切去掉一个角，斜切后的水平换热段内传热翅片和竖直换热段内传热翅片进行连接。

请参阅图4b，所述离散型传热翅片包括离散分布的长方体、正方体、圆柱体、三棱柱体、五棱柱体、六棱柱体传热翅片或其混合搭配。

请参阅图4c，通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的实现方式包括：在水平换热段11与竖直换热段12的交接处，形成一个外直角一个内直角，在所述内直角顶点分别向外直角的两条边引垂线，这两条垂线与外直角的两条边形成一个矩形，线段连接内直角顶点和外直角顶点，将所述矩形分割成2个直角三角形区域；将2块直角三角形的传热翅片置于该区域中，且该三角形传热翅片之间留有满足流体混流的间隙。

在本实施方式中，上述匹配连接方式的好处在于：（1）不需额外焊接，制造与维护成本低；（2）与管道连接相比，保持各通道之间的相互密封，不需要重新分配内部流体；（3）水平和竖直传热翅片的对接方式保持流体的均匀分配。

在本实施方式中，水平换热段11与竖直换热段12的横截面积的设置随着流体温度的变化而改变。具体而言，各个水平换热段11的横截面积的设置从高温端A到低温端B逐渐减小，各个竖直换热段12的横截面积的设置从高温端A到低温端B逐渐减小。其中，该横截面积的改变大致为三种情况。请参阅图5，所示为本发明实施方式中换热芯体10的示例图，用于分段说明本发明中各水平换热段11与竖直换热段12的横截面变化规律。故请忽略图中各段之间的比例差异。此外，由于横截面积与通道宽度的关系是呈正比，故此处以各段的通道宽度来说明各段横截面积的对比。

实施例一

整体换热芯体10的横截面积从高温端A到低温端B呈分段式减小：

在本实施例中，第一水平换热段111的宽度为100mm，第一竖直换热段121的宽度为95mm，第二水平换热段112的宽度为90mm，第二竖直换热段122的宽度为85mm，第三水平换热段113的宽度为80mm，第三竖直换热段123的宽度为75mm，第四水平换热段114的宽度为70mm，第四竖直换热段124的宽度为65mm，第五水平换热段115的宽度为60mm。

实施例二

整体换热芯体的横截面积从高温端A到低温端B呈逐渐式减小：

在本实施例中，为方便描述定义其中流体流动时更靠近A的为起始端，更靠近B的为结束端。

第一水平换热段111的起始端宽度为100mm，结束端宽度为95mm；第一竖直换热段121的起始端宽度为95mm，结束端宽度为90mm；第二水平换热段112的起始端宽度为90mm，结束端宽度为85mm；第二竖直换热段122的起始端宽度为85mm，结束端宽度为80mm；第三水平换热段113的起始端宽度为80mm，结束端宽度为75mm；第三竖直换热段123的起始端宽度为75mm，结束端宽度为70mm；第四水平换热段114的起始端宽度为70mm，结束端宽度为65mm；第四竖直换热段124的起始端宽度为65mm，结束端宽度为60mm；第五水平换热段115的起始端宽度为60mm，结束端宽度为55mm。

实施例三

换热芯体的水平换热段与竖直换热段的横截面积从高温端A到低温端B各自呈分段式减小：

在本实施例中，第一水平换热段111的宽度为120mm，第二水平换热段112的宽度为110mm，第三水平换热段113的宽度为100mm，第四水平换热段114的宽度为90mm，第五水平换热段115的宽度为80mm。第一竖直换热段121的宽度为80mm，第二竖直换热段122的宽度为70mm，第三竖直换热段123的宽度为60mm，第四竖直换热段124的宽度为50mm。

实施例四

换热芯体的水平换热段11与竖直换热段12的横截面积从高温端A到低温端B各自呈渐进式减小。由于此种方案的实施较上述三者更为复杂和繁琐，故，此处仅作说明，不进行具体举例。

在其他实施方式中，以该等比例或类似尺寸进行缩放、扩大、或调整，皆在本发明所揭示的发明精神之内。

依照上述实施例中的换热芯体10在工作时，温度低的低压制冷剂流体由下（低温端B）至上（高温端A）流经换热器，该股低压制冷剂在下端入口处的温度低，以液相为主，其在换热器换热芯体的下端平均密度大，体积流量较小。随着换热的进行，该股低压制冷剂逐渐沸腾蒸发，至出口处以汽相为主，其平均密度沿流动的方向逐渐减小，体积流量逐渐增大。同时，换热器换热芯体的5个水平换热段宽度沿流动方向逐渐增大，4个竖直热段沿流动方向逐渐增大。因此，该股低压制冷剂的体积流量和其在换热器内的流通面积沿流动方向都呈增大趋势，该股低压制冷剂在整个换热芯体内的流速都控制在要求的范围之内。

温度较高的高压制冷剂流体由上（高温端A）至下（低温端B）流经换热器，该股高压制冷剂在上端入口处的温度高，以汽相为主，其在换热器换热芯体的上端平均密度小，体积流量较大。随着换热的进行，该股高压制冷剂逐渐冷凝，至出口处以液相为主，其平均密度沿流动的方向逐渐增大，体积流量逐渐减小。同时，换热器换热芯体的5个水平换热段宽度沿流动方向逐渐减小，4个水平换热段沿流动方向逐渐减小。因此，该股高压制冷剂的体积流量和其在换热器内的流通面积沿流动方向都呈减小趋势，使该股高压制冷剂在整个换热芯体内的流速都控制在合理范围之内。

在本实施方式中，水平换热段与竖直换热段之间为垂直连接，其结构简单，易于批量生产，使用最常见的长方形传热翅片切角即行。

此外，请分别参阅图6a至6c，所示为折返流板翅式换热器的正视图，用以展示其安装后的状态。即，其安装方式主要包括：

(1)如图6a所示，换热芯体的水平换热段与地面平行、竖直换热段与地面垂直；

(2)如图6b所示，将(1)向左或向右旋转90度，使水平段与地面垂直，竖直换热段与地面平行；

(3)如图6c所示，将(1)向后推倒，使所有换热段皆与地面平行。

本发明的折返流板翅式换热器与多个不同宽度的板翅式换热器串联形成的换热器组相比，平均换热效率高，生产成本低，占用空间小，制作工序简单且技术难度小，且因为焊接接口和连接管道更少，其使用寿命更长且故障率更低。

上述公开内容完整地描述了本发明的基本特征，本领域的技术人员可以通过这些内容理解本发明的基本思想，并且会承认，其他本发明未提及的具体实施形式，如不同的翅型（例如平直形、锯齿形、波纹形、多孔形、百叶窗形中的一种或多种的组合）、封头等部件的具体结构形式，不同的多股流布置等也是在本发明精神和权利要求范围内的。

Claims (9)

1.一种折返流板翅式换热器，包括换热芯体、封头，所述换热芯体是由多个通道分层叠置起来钎焊而成，所述通道是由相邻两隔板间放置传热翅片及封条组成的夹层；所述封头分别将热流体入口和冷流体出口与所述换热芯体的高温端连接、以及分别将热流体出口和冷流体入口与所述换热芯体的低温端连接，所述低温端包括热流体出口与冷流体入口，其特征在于：所述换热芯体由多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接形成，其中：

所述的多个水平换热段和多个竖直换热段具有相同层数的通道，同层通道中，所述水平换热段与所述竖直换热段的结合之处采用切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的一种或多种的组合；

所述各个水平换热段的通道宽度设置从高温端到低温端逐渐减小，所述各个竖直换热段的通道宽度的设置从高温端到低温端逐渐减小；

水平换热段内设置的传热翅片都是水平方向，竖直换热段内设置的传热翅片都是竖直方向。

2.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，所述的多个水平换热段和多个竖直换热段的在同层通道的高度均相等；沿着流体流动的方向，在同一流动截面处，各层通道在该处宽度相等。

3.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，所述通道宽度的减小是渐变式或分段式的。

4.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，所述水平换热段与所述竖直换热段的数量相同或相差1个。

5.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，切掉重叠部分的传热翅片对接的实现方式包括：水平换热段和竖直换热段在连接处有两个直角，其直角顶点相连接形成一条线段，水平换热段和竖直换热段内的传热翅片都在这条线段处斜切去掉一个角，斜切后的水平换热段内传热翅片和竖直换热段内传热翅片进行连接。

6.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，所述离散型传热翅片包括离散分布的长方体、正方体、圆柱体、三棱柱体、五棱柱体、六棱柱体传热翅片或其混合搭配。

7.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的实现方式包括：

在所述水平换热段与竖直换热段的交接处，形成一个外直角一个内直角，在所述内直角顶点分别向外直角的两条边引垂线，这两条垂线与外直角的两条边形成一个矩形，线段连接内直角顶点和外直角顶点，将所述矩形分割成2个直角三角形区域；

将2块直角三角形的传热翅片置于该区域中，且该三角形传热翅片之间留有满足流体混流的间隙。

8.如权利要求1所述的折返流板翅式换热器，其特征在于，其安装方式包括：

方式 1 ：换热芯体的水平换热段与地面平行、竖直换热段与地面垂直；或

方式 2 ：将 方式 1向左或向右旋转90度，使水平换热段与地面垂直，竖直换热段与地面平行；或

方式 3：将 方式 1向后推倒，使所有换热段皆与地面平行。

9.一种折返流板翅式换热器，包括换热芯体，所述换热芯体连接于至少一组高温端和一组低温端，所述高温端包括热流体入口与冷流体出口，所述低温端包括热流体出口与冷流体入口，其特征在于：所述换热芯体由多个水平换热段和多个竖直换热段以蛇形垂直串接形成，其中：

所述的多个水平换热段和多个竖直换热段具有相同层数的通道，同层通道中，所述水平换热段与所述竖直换热段的结合之处采用切掉重叠部分的传热翅片对接、或在拐角处设置离散型传热翅片或通过三角形的传热翅片组成的矩形进行连接的一种或多种的组合；

所述各个水平换热段的横截面设置从高温端到低温端逐渐减小，所述各个竖直换热段的横截面设置从高温端到低温端逐渐减小；

水平换热段内设置的传热翅片都是水平方向，竖直换热段内设置的传热翅片都是竖直方向。