CN103994675B - 热交换器 - Google Patents

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CN103994675B CN201410054197.7A CN201410054197A CN103994675B CN 103994675 B CN103994675 B CN 103994675B CN 201410054197 A CN201410054197 A CN 201410054197A CN 103994675 B CN103994675 B CN 103994675B
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F·沃兰特斯
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博萨尔排放控制系统公司
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Abstract

本发明涉及一种热交换器,其包括冷导管(2、3)、热导管(4)和布置在该冷导管和热导管之间的热交换元件(1)。该热交换器还包括至少一个另外的导管(3、2),所述另外的导管在热交换元件(1)的与所述相应的冷导管或热导管相同的一侧上布置成与该冷导管(2、3)或热导管(4)相邻。该另外的导管通过分离器(5)与相应的冷导管或热导管分离,该分离器包括两个分离元件(51、52),这两个分离元件布置成相互隔开一定距离并且在它们之间形成空腔(53),分离器限制流体流入空腔(53)中或在空腔中流动以便限制在热交换元件(1)的同一侧上的另外的导管(3、2)和相应的冷导管或热导管之间的热交换。

Description

热交换器
技术领域
[0001]本发明涉及热交换器的领域。尤其是,本发明涉及多流热交换器。
背景技术
[0002] 存在热交换器模块,其中两种冷流体由一种热流体加热。当一个冷流体应被加热 得少于另一个冷流体时,所述一个流体被布置在热流体的已经冷却下来的一侧处,而所述 另一个冷流体被布置在热流体的热进口侧处。这些热交换器模块适于加热两个冷流体但是 针对从热流体的热回收未被优化。
[0003] 存在已知的应用,例如,燃料电池的操作,这些燃料电池提供处于升高的温度下两 种排出或排放流体。通过将每一个流体引导进入热交换器使存储在这些流体中的热可用于 进一步使用。紧跟在几个热交换器昂贵且需要空间的事实之后的是,这些排出流体常常处 于不同温度,当优化热交换过程时这必须被考虑到。
[0004] 因此,需要一种考虑了现有技术的缺点的热交换器。尤其是,需要一种节省重量和 空间并且允许降低生产成本的热交换器。
发明内容
[0005] 在本发明的第一方面中,提供了 一种热交换器。该热交换器包括冷导管,该冷导管 适于将冷流体引导通过该冷导管,该冷导管具有冷流体进口和冷流体出口。该热交换器还 包括热导管,该热导管适于将热流体引导通过该热导管,该热导管具有热流体进口和热流 体出口。在冷导管和热导管之间布置有用于在冷流体和热流体之间进行热交换的热交换元 件。该热交换器还包括至少一个另外的导管,该另外的导管用于将流体引导通过该另外的 导管。另外的导管具有流体进口和流体出口。另外的导管在热交换元件的与所述相应的冷 导管或热导管相同的一侧上布置成与冷导管或热导管相邻。另外的导管通过分离器与相应 的冷导管或热导管分离,该分离器包括两个分离元件,这两个分离元件相互隔开一定距离 布置并且在这两个分离元件之间形成空腔。分离器限制流体流入空腔中或在空腔中流动或 者为两者,以便限制布置在热交换元件的同一侧上的另外的导管与相应的冷导管或热导管 之间的热交换。
[0006] 通过根据本发明的热交换器,几个流体流,优选地三个或多个流体流结合到一个 热交换器中。这降低了生产和制造成本,这是因为不必针对两个流分别制造或组装单独的 热交换器。因此,还仅需要一个壳体,该壳体例如可以是钢外壳。这进一步降低了材料成本 和重量。另外,可以节省空间,尤其是还因为不存在几个单独的部件并且在这些结合在根据 本发明的热交换器中的单独部件中的至少一些部件之间不需要连接管。虽然优选地另外的 导管是第二冷导管,从而使得两个冷导管布置成彼此相邻且通过分离器与位于热交换元件 的相反侧上的一个热导管分离,但是本发明不限于此。另外的导管还可以是热导管,使得两 个热导管布置成彼此相邻且通过分离器与仅位于热交换元件的相反侧上的一个冷导管分 离。根据应用,两个以上的冷导管或两个以上的热导管可以分别布置成彼此相邻,其中一个 或多个热导管或冷导管布置在热交换元件的相反侧上。优选地,相邻导管中的流体在温度、 聚集状态或化学组成中的至少一者方面是不同的。然而,可以实现这样的实施方式,其中一 个流由分离器分离以在相邻导管中流动,如下面将描述的。
[0007] 通过设置在分离元件之间形成空腔的分离器,不仅两个流体流可以以流密的方式 分离,而且,在热交换元件的同一侧上从一个流到另一个流的热传递可以被最小化。与使用 布置在两个流体流之间的单个间隔件相比,可以实现到达或超过10倍的热传递降低。另外, 可以降低由于相邻流体流中的大温差而造成的热交换元件中的机械应力。相邻流体流中的 大温差可以导致低距离范围内的大温度梯度。由大温度梯度导致的机械应力在薄热交换元 件的情况下尤其难以处理,薄热交换元件优选地用来使从热交换元件的冷侧到热交换元件 的热侧的热传递最大化。
[0008] 分离器的两个分离元件之间的距离大于〇mm以便沿着两个分离元件的整个长度形 成空腔。两个分离元件之间的距离可以变化并且可以适于例如热交换器的尺寸或用于热交 换中的不同流体的温度状态。然而,在优选实施方式中,两个分离元件之间的距离在大约 5mm至大约50mm之间的范围内,更优选地在大约10mm至大约35mm之间的范围内,最优选地在 大约15mm至大约30mm之间的范围内,例如25mm。
[0009] 虽然整个分离器可以由两个分离元件构成,从而在两个分离元件之间形成空腔, 但是分离器的仅一部分也可以由这样的布置形成。因此,分离器的空腔形成部分可以是整 个分离器或仅分离器的一部分。因而分离器的其余部分可以优选地由另外的分离元件(例 如单个间隔件)形成。虽然两个导管之间的边界部分(该边界部分由分离器的空腔形成部分 形成)越大分离器将越有效,但是在仅分离器的一部分是空腔形成部的情况下分离器的优 点会起作用。优选地,空腔形成部形成两个相邻导管之间的边界的40%至100%之间,更优选 地边界的至少一半,例如在70%至100%之间。
[0010] 可以仅利用几个并且优选地结构上简单的部件制造根据本发明的热交换器。容易 的机构允许将热交换元件的整个表面用于从热交换器的冷侧到热侧的热传导。
[0011] 术语“热流体”和“冷流体”在本文用来描述流体,该流体可以是气体、液体或其混 合物,从而允许在热交换器中从热流体到冷流体的热传递。冷流体的温度低于热流体的温 度。虽然基本上对于热流体和冷流体之间的温差或它们的温度范围没有限制,但是在一些 优选实施方式中,“热流体”在热流体进口处的温度在500摄氏度至1000摄氏度之间的范围 内,例如大约800摄氏度。在一些优选实施方式中,冷流体在冷流体进口处的温度在环境温 度和几十摄氏度之间,并且在冷流体出口处大约为几百摄氏度,例如700摄氏度。在一些使 用两种气体的优选实施方式中,一种气体可以具有几百摄氏度(例如100至300摄氏度)的出 口温度,而另一种气体可以处于几百摄氏度(例如500至800摄氏度)的出口温度。因此,两种 气体的温差可以在达到几百摄氏度(例如,300至500摄氏度)的范围内。在一些使用两种液 体的优选实施方式中,这些液体例如可以具有仅几十摄氏度(例如30至60摄氏度)的温差。 优选地,两种液体的温度也仅处于几十摄氏度,例如对于一种液体为几十摄氏度(例如15至 40摄氏度)并且对于第二流体50至90摄氏度。
[0012]术语“相邻导管”或“布置成彼此相邻的导管”在下文中用于在热交换元件的与由 分离器分离的导管同一侧上布置成彼此相邻的两个或多个导管。由此,相邻导管位于同一 平面中,优选地沿与热交换元件接触的方向。
[0013]根据依照本发明的热交换器的一方面,分离器以流密的方式将另外的导管与相应 的冷导管或热导管分离,其中至少一个分离元件以流密的方式与热交换元件连接。如果不 同的流体被引导通过相邻的导管,例如如果流体的温度、聚集状态或化学成分不同,则这样 的流密连接尤其有利或者甚至可以被要求。
[0014]为了实现两个导管之间,即,另外的导管与冷导管或热导管之间的流密连接,例如 通过焊接或铜焊以流密的方式将位于分离元件的上长度侧和下长度侧上的分离器的仅一 个分离元件与热交换元件连接是足够的。如果分离器的第二分离元件未以流密的方式连接 至热交换元件,则这些泄漏部可以服务在相邻导管中流动的流体以通过这些泄漏部进入和 离开在分离器的两个分离元件之间形成的空腔。空腔和一个相邻导管之间的这样的流体连 通用作压力补偿但是不允许空腔和相邻导管之间或在空腔内和沿着空腔的高度热交换。由 此,保证了通过空腔的热传导保持最小值。
[0015]为了空腔y其中一个导管之间的压力补偿,在根据本发明的热交换器的一些优选 实施方式中,在分离器中设置至少一个开口。由此在空腔或相应的冷导管或热导管之间提 供流体连通,该冷导管或热导管通过分离器与另外的导管分离。
[0016]至少一个开口优选地布置在分离器的分离元件中。至少一个开口设计成允许压力 补偿。其仅允许少量流体流进入空腔或少量流体流或无流体流过空腔以便限制或抑制通过 分离器的热传导。开口还可以是位于空腔的一端处的敞开空腔。
[0017]根据依照本发明的热交换器的另一方面,分离器包括适于限制流体流入空腔中或 在空腔中的流动的阻碍部。为了限制流体在空腔中的流动,阻碍部可以例如布置在分离器 的壁部中,优选地布置在热交换元件的形成空腔的部分的那些壁部分中。阻碍部还可以布 置在分离器的开口中或该开口附近以阻碍流体流未受千扰地进入或离开空腔。优选地,阻 碍部是缺口、凹部、凹槽、突起或随意或规则顺序的波纹。优选地,阻碍部被结合到热交换器 的壁中,例如结合到热交换板中。然而,阻碍部也可以是布置在分离器中,优选地布置在空 腔中的单独部件,例如,由板材(诸如金属板)制成的波状条。
[0018] 空腔或分离器中的泄漏部、开口、阻碍部等允许空腔和相邻导管或热交换器的出 口之间的压力补偿并且允许限制或抑制空腔中的流。分离器的两个分离元件以及这些元件 优选地布置成并定尺寸成,使得没有流体流通过空腔存在或者通过空腔或空腔的部分的流 体流基本上少于相邻导管中的流体流。优选地,空腔中的流体流的速度最大为相邻导管(尤 其是空腔被限制与其流体连通的相邻导管)中流体流的速度的5%,更优选地小于1 %至2%。
[0019] 根据依照本发明的热交换器的另一方面,在热交换元件的相反一侧上布置另外的 分离器。优选地,该另外的分离器分别分离冷导管或热导管中的相同的流体流,该另外的分 离器布置在热交换元件的相反一侧上。优选地,这样的另外的分离器在热交换器中布置在 与该分离器相比相同的位置(相同的取向和位置,但位于热交换元件的相反一侧)。也就是 说,优选地,该分离器和另外的分离器上下布置,仅由热交换元件分离。该另外的分离器可 以与所述分离器相同。然而,因为相同的流体在另外的分离器的相邻导管中被引导,因此, 可以允许或者甚至希望相邻导管中两个相同流之间的某一受限的流交换。因此,另外的分 离器可以不以流密的方式分离相邻导管,而是优选地在相邻导管之间具有预设的流体交换 率。另外的分离器的设置为热交换器提供了机械支撑,该另外的分离器包括两个分离元件, 这两个分离元件布置成相互隔开一定距离并且在它们之间形成布置在热交换元件的相反 侧处的空腔。这在具有大温差和因此具有兀件的变形的热交换器中是尤其有利的。然而,另 外的分离器的布置,尤其是在与只位于热交换元件的相反两侧上的分离器相比相同的位置 处的布置提供了对热交换器中的热状态的更多控制。两个相反空腔可以具有比例如位于与 整个热侧相反的冷侧上的一个空腔更适度的温差。
[0020]根据依照本发明的热交换器的另一方面,热交换元件包括可延伸结构,例如波纹, 其适于允许热交换元件在热膨胀时变形。在加热时,材料的膨胀于是由可延伸结构吸收,因 此,该结构膨胀,而热交换元件的材料没有经受机械应力或破裂。在冷却下来时,热收缩再 次由热交换元件的可延伸结构吸收。热交换元件的可延伸结构优选地允许在热交换元件 (例如热传导板)的平面中纵向和/或横向膨胀和收缩。在优选实施方式中,可延伸结构形成 空腔的侧壁,并且优选地可延伸结构由热交换元件的位于空腔的位置处的部分直接形成。 可延伸结构也可以用作阻碍部以影响空腔中的流体流。
[0021]在根据本发明的热交换器的另一方面中,分离器还包括另外的分离元件。为了从 相应的相邻冷或热导管分离另外的导管,该分离器可以包括另外的分离元件,诸如单个间 隔件。另外的分离元件优选地布置成分离相邻导管的进口或出口。在构造简单的布置中,分 离器的空腔形成部沿着热交换元件的一部分(例如长度的至少一半)从热交换元件的一端 延伸。另外的分离元件基本上正交于分离器的该空腔形成部延伸到热交换元件的一个横向 侧,由此通过分离器使一个导管与另一个导管完全分离,然而,仅分离器的一部分经受分离 器的空腔形成部的影响。
[0022]在根据本发明的热交换器的实施方式中,其中分离器沿着热传导元件的整个长度 延伸,在它们之间形成空腔的两个分离元件也沿着热传导元件的整个长度延伸。
[0023]分尚器也可以用作导管中的偏流器。因此两个相邻导管,但尤其是导管自身的构 造变化可以被加倍。这样,可以实现根据本发明的热交换器的热侧和冷侧的布置的许多更 多组合,包括鉴于例如热传递的流体选择和优化,以及根据本发明的热交换器的应用。
[0024]举例来说,相对于仅一个冷导管可以实现具有热流的一个单个方向的同流和逆流 布置。
[0025]因此,根据依照本发明的热交换的另一方面,另外的导管包括相互平行布置且通 过分离器相互分离的第一导管部和第二导管部。由此使得流体能够在第一导管部中沿一个 方向流动并且在第二导管部中沿与第一导管部的一个方向相反的方向流动。在另外的导管 的所述第一导管部和第二导管部之间布置有端口导管部。
[0026]在另外的f管中,流体在第一导管部和第二导管部中沿逆流方向流动。当在热交 换元件的相反侧上采取热流的平行流动方向(平行于冷导管中的另一流体流动方向)时,则 另外的导管包括相对于热交换应用的在第一导管部和第二导管部中的同流和逆流布置。与 热流体结合,这可以被认为是两个单独的热交换器(一个热交换器由第一导管部形成并且 另一个热交换器由第二导管部形成),但是结合在根据本发明的热交换器中并且由端口导 管部连接。因此,在基本布置中,不仅两个热交换器结合在根据本发明的热交换器中,而且 三个热交换器结合在根据本发明的热交换器中,其中它们中的两个热交换器由内部端口连 接。这样的布置允许大量的应用和变化,从而需要非常低的空间和低的制造成本以及材料 成本。
[0027]显然,如果另外的导管是冷导管或热导管或者如果分离器是相同的相邻流之间的 另一分离器则可以应用相同的方案。
[0028] 根据依照本发明的热交换器的另一方面,热交换元件包括轮廓结构。冷导管、热导 管或另外的导管的下长度侧的轮廓结构在形状、尺寸和布置中的至少一方面与冷导管、热 导管或另外的导管的上长度侧的轮廓结构不同。
[0029] 轮廓结构可以用来导致流体流中的湍流以影响流动动力学并且优选地支持热交 换器的热侧和冷侧之间的热交换。轮廓结构优选地提高热交换元件的表面的尺寸。轮廓结 构可以是相应的导管的壁或壁的部分的表面结构。轮廓结构也可以是轮廓壁。轮廓结构的 示例是位于表面上的下沉部、缺口、翼片或凹槽或者冲压的波状或“人字形”图案。
[0030] 在根据本发明的热交换器的一些优选实施方式中,热交换元件是热传导板,并且 在一些优选实施方式中,根据本发明的热交换器构造为多堆叠热交换器。板式热交换器由 于它们的可用于热传递的大表面积而非常有效。板装置的制造是方便的并且可以容易地被 延伸到多个堆叠。尤其是在多个堆叠中,为了堆叠的机械稳定性而可以在堆叠的每个板之 间设置分离器。
[0031] 根据依照本发明的热交换器的一方面,多个热交换元件(优选地为热传导板)以及 多个分离器以交替方式布置,从而形成热导电板之间的相应的多个冷导管和热导管并且形 成与分离器相邻的相应的多个另外的导管。在多堆叠热交换器中,优选地冷流体进口被并 入冷流体进口收集器中,冷流体出口被并入冷流体出口收集器中,热流体进口被并入热流 体进口收集器中,热流体出口被并入热流体出口收集器中,另外的流体进口被并入另外的 进口收集器中并且另外的流体出口被并入另外的出口收集器中。优选地,所有进口都被并 入一个相应的进口收集器中并且所有出口都被并入一个相应的出口收集器中。由此该布置 形成多流热交换器的多个堆叠。通过设置收集器,对于多个导管可以仅需要一个供给部和 一个排放部。在一个变型中,热交换器的每层均包括将两个不同的流相互分离或将同一流 分成两个或更多个流的分离器(或者另外的分离器)。在另一变型中,分离器布置在每个其 它热传导板之间,使得仅与另外的导管不同的流(诸如冷/热导管)通过分离器分离。
[0032] 根据本发明的热交换器的板布置允许热交换器容易地延伸以形成多堆叠的平行 布置的热交换器。由此,热交换板彼此相邻地堆叠,通过分离器并且通过间隔件相互隔开。
[0033] 虽然根据本发明的热交换器可以以成本有效的方式制造,但是如果制造根据本发 明的多堆叠的热交换器,则该成本效率甚至更可察觉到。相同的或者优选地两种类型的热 传导板可以以交替顺序堆叠,所述热传导板适于在热传导板的两侧(前侧和相反侧)上的导 管布置。而且可以使用相同的并且仅几种类型的另外的分离元件。对于根据本发明的热交 换器或结合多个热交换器的多个堆叠仅需要一个外壳。对于连接单独的热交换器不需要组 装成本,这是因为设备被制造为单个部件。
[0034] 根据依照本发明的热交换器的另一方面,在多堆叠热交换器中,两种不同的热传 导板以交替方式布置,并且大多数或优选地所有的布置在相邻热传导板之间的分离元件是 I形的或L形的。这样的布置在制造和生产方面是非常成本有效的。热传导板可以在一个工 序中例如通过冲压或切割而设置有可延伸的结构和/或轮廓结构。I形和L形的分离元件的 制造可以以节省材料的方式进行,而没有浪费或仅有少量浪费,例如通过从一片材料(例如 金属板或陶瓷板)切割相应的分离元件来执行,所述分离元件然后被附接至热传导板。然 而,分离元件也可以在进行热传导板的冲压或切割之前被设置在热传导板中。这例如可以 以拼焊毛坯的形式来实现,其中分离元件优选地以连续方式,例如通过激光焊接附接至一 片热传导材料。
[0035]相邻热传导板优选地相对于结构(可延伸结构、轮廓结构或两者)的布置和形式是 不同的。这是由于以下事实,g卩,导管的下侧和上侧(典型地相邻热传导板的壁部)优选地设 置有不同的结构。优选地,这样的结构布置成使得相互面对的结构在两个相邻的热传导板 被挤压在一起时不能够落入自身。例如,当通过流体流在导管中产生欠压时,薄的热传导板 或热交换元件可以被相互压靠并且可以部分地或完全地关闭导管。通过轮廓结构关闭导管 例如可以通过布置轮廓结构使得突起和凹槽不会确切地相互面对来防止。例如波纹可以以 倾斜角度布置,其中在安装状态下布置在导管上方的一个板的波纹图案的倾斜角可以是正 的,而在安装状态下布置在导管下方的相邻板的波纹图案的倾斜角可以是负的,例如+/一 20 至45度。
[0036] 通过矩形的热传导板,导管优选地还布置成不包括角度或仅包括90度角。由此,传 导板的所有边缘均可以由I形或L形分离元件关闭,并且布置在传导板的更中央的区域中的 分离器也可以仅由I形或可以仅由L形分离元件形成。单独的分离元件可以被焊接或铜焊在 接触区域中以便提供连接,优选地为流密连接。
[0037]根据本发明的另一方面,提供一种用于在冷流体和热流体以及至少一个另外的流 体之间交换热的方法。该方法包括将热交换元件布置在冷流体流和热流体流之间的步骤。 该方法还包括将另外的流体流引导成与冷流体流相邻或与热流体流相邻的步骤,其中另外 的流体流沿着热交换元件的与所述相应的冷流体流或热流体流相同的一侧被引导。该方法 还包括优选地通过以下步骤以流密的方式将另外的流体流与相应的冷流体流或热流体流 分离的步骤:在另外的流体流和相应的冷或热流体流之间布置空腔并且通过限制流体进入 空腔中或流体在空腔中的运动来限制通过分离器的热传导。
[0038]该方法的这些方面的优点已经在热交换器的方面的情况下被讨论过并且将不再 重复。
[0039] 根据依照本发明的方法的另一方面,至少一个另外的流体在温度或聚集状态中的 至少一者方面不同于冷流体或热流体。优选地,液体或气态流体同时用于根据本发明的热 交换器或方法中的不同导管中。优选地,用于相邻导管,g卩,热导管或冷导管中的液体或气 体具有不同的温度。根据本发明的热交换器和方法尤其适于相邻流体流的高温差,诸如达 到几百摄氏度(例如达到500摄氏度)的温差。
[0040]在根据本发明的方法中,另外的流体或相应的冷或热流体被允许进入空腔,但是 流体流在空腔中的运动被限制并且还优选地流体流进入到空腔中和通过该空腔也被限制, 这取决于分离器和空腔的布置。
[0041] 根据依照本发明的方法的另一方面,该方法包括将另外的分离器布置在热交换元 件的相反侧上的步骤。
[0042] 根据本发明的设备和方法有利地与一个或多个燃料电池结合使用,所述燃料电池 优选地为诸如固体氧化物燃料电池(SOFC) oSOFC燃料电池通常需要两个预热的引入气体流 体并且提供两个热气体出口,该气体流可以被冷却以用于热量再生。然而,在这些热流和待 被加热冷流之间存在大温差。仅举例来说,热阴极气体以大约950摄氏度离开S0FC并且可以 由气体-气体热交换器冷却到150至250摄氏度。气体由气体/水热交换器进一步冷却以回收 余热。其中,水仅从大约20至25_3〇摄氏度被加热约5至10度。这可以被结合在利用两个气体 流(来自S0FC的空气和热气出口)和一个液体流(冷水)的根据本发明的热交换器中。由冷水 和热气体之间的大温差引起的高机械应力可以由分离器的特定结构处理,如在本申请中描 述的。在与S0FC结合的热交换器的本示例中,水和空气可以在相应的第一和第二“冷”导管 中在相同侧被引导。因此热气体可以在一个热导管中在热传导板的相反侧上沿着热交换器 的整个长度被引导。虽然水可以在热气体的已经冷却的区域上以交叉流布置被引导,但是 空气可以在两个横向侧被引入热交换器中并且从热交换器排出,但是优选地相对于热气体 沿基本上逆流的方向被引导。因此空气可以从几十摄氏度(例如50摄氏度)被加热达到几百 摄氏度(例如700至750摄氏度),而热气体从大约900摄氏度被冷却到大约50至80摄氏度。
附图说明
[0043] 借助附图示出了根据本发明的设备的下列实施方式,附图中:
[0044]图1示出了具有在相同平面中平行地被引导的两个流体流的热交换器的视图; [0045]图2是包括具有一个热流和两个冷流的收集器的处于逆流布置的热交换器的略 图;
[0046]图3是包括流偏差的热交换器的视图;
[0047]图4是用于根据本发明的热交换器的热传导板的一部分的示意图,包括沿着线I-I (沿着空腔)和线II-II (与正交于空腔的热传导板交叉)的剖面图。
具体实施方式
[0048]在图1中,示出了板式热交换器的视图,该热交换器具有用于平行流动的第一流体 2〇和第二流体3〇且彼此相邻的第一导管2和第二导管3。由诸如薄金属板之类的热传导材料 制成的热传导板1包括布置于其上的分离器5。分离器5以及两个间隔件55沿着热传导板1的 整个长度布置。分离器优选地以流密的方式使第一导管2和第二导管3相互分离。根据分离 器5的相对于热传导板1的横向侧的位置,可以限定导管2、3的宽度。两个间隔件55沿着热传 导板1的两个横向侧沿着边缘布置,以沿着这些横向侧优选地以流密的方式关闭第一导管2 和第二导管3。分离器5包括两个布置成相互隔开一定距离的分离元件51、52,例如间隔件。 在两个分离元件51、52之间形成有空腔53。空腔53可以在一端或两端处相对于两个导管2、3 的上游或下游端如图1所示敞开。因此,流体被允许进入和离开空腔53以便允许空腔中流体 的压力补偿,然而,通过空腔的流体流至少由于其受限的尺寸而被限制,因此提供第一导管 2和第二导管3之间的低热交换。空腔53也可以在其上游或下游端中的一者或两者处被关 闭。因此,优选地,分离元件51、52中的一个分离元件设置有至少一个开口,所述开口例如被 设置为沿着分离元件的宽度的一个凹槽或多个凹槽或者由于所述分离元件与热传导板1的 非流密连接而设置在敞开路径中。这样的开口允许通过相应的分离元件中的凹槽的空腔53 与相邻第一导管2或第二导管3之间的小的流体交换。空腔和导管之间的敞开空腔端或开口 被设计成允许压力调节但是优选地没有或仅有低流体流通过空腔53。而且空腔53的内部的 设计可以适于减少空腔中的流体流。这例如可以通过设置缺口、凹部或机械阻碍而阻止流 流动来进行。在热传导板1的相反侧(绘制平面的背侧)上的一个、两个或更多的流体流可以 以同向流动、逆向流或彼此交叉的流布置方式布置或者相对于图1所示的位于热传导板!的 则的两个流2〇、30布置。热传导板1的相反侧上的两个或更多个流也可以由分离元件分 离。优选地,这样的分离元件相对于热传导板1布置在相同的位置处。虽然第一、第二和可能 的另外的相邻导管优选地用于不同流体流,但是位于热传导板的背侧的一个或两个或更多 个导管优选地用于相同的流体流。
[0049]图2是具有矩形热传导板1的热交换器的示意性贯穿图。在热传导板1的前(上)侧 (相对于绘制平面),第一冷导管2和第二冷导管3彼此相邻地布置并且由分离器5分离(为了 简单起见如仅单线所绘)。第一冷流体20在布置于热交换板1的一个横向侧处的第一冷流体 进口 21处进入第一冷导管2。第二冷流体30在布置于热传导板1的同一横向侧处的第二冷流 体进口 31处进入第二冷导管3。第二冷流体进口 31布置到热交换板1的一个更下游端,相对 于下面所述的热流体流的下游。两个冷流沿着热传导板1的长度通过它们相应的导管2、3以 相邻的同向流布置平行地流动。在第二冷流体30的情况下,流体沿着热传导板的整个长度 流动并且在热传导板1的相反横向侧处的第二冷流体出口 32处离开第二冷导管3。在第一冷 流体20的情况下,所述冷流体20仅沿着热传导板1的长度的一部分流动并且在布置于热传 导板1的与第一冷导管进口 21相同的横向侧处的第一冷导管出口 22处离开第一冷导管2。两 个冷导管2、3的面积(宽度乘长度)总计达到热传导板的整个面积,忽略不计分离器5和间隔 件的面积。在热传导板1的相反或相对侧上,热导管4中的热流体40相对于冷流体流20、30沿 相反方向流动。热导管4在热传导板1的整个长度和宽度范围内延伸并且在布置于热交换器 的下游和上游端处的相应的热导管进口 41和热导管出口 42处进入和离开热导管。
[0050] 第一冷导管2不仅短于第二冷导管3,而且宽度也小于第二冷导管。通过改变长度 和宽度,流体在导管中的停留时间、流体经受与热流体的热交换的时间以及流体应该被暴 露的特定温度状态的位置可以被选择和改变。质量流、热交换、背压等可以适于热交换器的 所需用途,考虑到在多流热交换器的导管中使用的流体的种类,例如气体或液体或两者。 [0051] 所有进口 21、31、41以及出口 22、32、42设置有相应的进口收集器213、313、413以及 出口收集器223、323、423。在收集器中,热交换器的堆叠的相应的进口和出口分别被“收集” 在每个进口或出口的一个单个收集器中。由此,热交换器的堆叠必须仅设置有每个导管一 个供应部和一个排放部以用于待被供应到热交换器和从热交换器排放的流体。
[0052]图2中的分离器5包括沿着热交换板1的长度延伸的纵向部分51和横向于热交换板 1延伸的横向部分52。优选地,仅分离器5的纵向部分51设置有空腔。然而,空腔也可以或仅 沿着分离器5的横向部分52延伸,例如被设计为单独的空腔。
[0053]虽然仅可以设置一个热导管4,但是热导管例如也可以由分离器分割。该分离器可 以例如仅沿着纵向部分51布置,然而布置在热传导板1的相反侧上。
[0054]在图3中,分离器5不仅分离并且优选地还隔离和补偿机械应力,分离器5充当第二 流30的偏流器。分离器5平行于热传导板1的两个相反横向侧10、11布置。分离器5从热传导 板1的下侧12 (相对于附图)延伸达到上侧13,但是不沿着板1的整个长度延伸。分离器5布置 成更靠近横向侧10,由此将热传导板1的平面不完全地分离成在较小部分和较大部分。分离 器5的分离元件51、52之间的空腔53在其上端处对第二导管3敞开,使得第二流体30可以通 过空腔的所述敞开端进入和离开空腔53。
[0055] 流体进口 21、31两者都布置在横向侧1〇处。第一流体2〇进入第一导管2,沿向上方 向在间隔件55 (沿着板1的整个下边缘I2布置)和分离器5之间穿过并且在布置在相同的横 向侧10处但是与第一进口21间隔开一定距离的第一出口22处离开第一导管2。第一进口21 和第一出口 22之间的距离对应于关闭第一导管2的横向间隔件55相对于横向侧1〇的长度。 第二流体30在横向侧1〇处进入第二导管3并且然后由分离器5被迫沿向上方向(相对于板1 的上边缘13)流动。在分离器5的上端和热传导板1的上边缘13之间的端口导管部302处,第 二流30被迫围绕分离器5并且沿向下方向进入到第二出口32,该第二出口布置在与热传导 板1的下边缘12相邻的相反横向侧11处。在该实施方式中,第二流30自身包括在向上导管部 301和向下导管部303中的逆流方向。这两个流部301、303可以与位于热传导板1的相反侧上 的热流体(或相应地为冷流体)结合而被认为是两个单独的热交换器,但是结合在根据本发 明的热交换器中并且由端口导管部3〇2连接。端口导管部302用作上导管部301和下导管部 303之间的端口或者相应的向上和向下的第二流部之间的端口。以简单的构造,即,具有仅 布置在热传导板1的相反侧上的一个流体导管,三个热交换器可以结合在根据本发明的一 个热交换器中。显然,这种布置允许大量应用和变化,从而需要非常低的空间和低成本。
[0056] 第一进口 21和第二进口 31由单个间隔件54分离,间隔件53正交于两个分离元件 51、52延伸。如果需要增加进口 21、31的区域中的第一流20和第二流30之间的热绝缘,则单 个间隔件54也可以被设计为包括空腔的分离器5。
[0057] 在图4中,示出了热传导板1的一部分以及穿过沿着空腔(I-I)且正交于空腔(II-II)的板的截面。板1优选地通过冲压设置有几个结构14、15。优选地,所有结构都在一个工 序中被引入板中。热传导板1的形成空腔的一侧的一部分例如由沿着空腔以规则方式布置 的单独的缺口或突起以口琴式方式形成,这样构造的空腔作为风箱14工作。该风箱部分14 允许板1的该部分在板1的热加热和冷却时膨胀和收缩,而没有破坏热传导板1的材料。热传 导板1的形成流体导管的侧壁的部分设置有轮廓部15,例如缺口、凹槽或其他适合作为轮廓 部的结构。图4中的波纹15的规则布置从竖直或水平轴线(长度或宽度)优选地倾斜30度。因 为流体流优选地主要或完全平行于板1的长度或宽度流动,因此波纹15用来改变导管中的 流体流。导管部中的轮廓部优选地对于相邻导管或对于冷或热导管是不同的并且优选地在 热传导板1的前(上)侧16和相反(下)侧17上是不同的。因此,导管中的流不会在流的上侧和 下侧看到相同的结构,这可能影响流动特性。在图4中,波纹以规则方式布置。它们可以与其 他结构一起也可以不规则布置或者形成不规则布置。
[0058]已经参照附图中所示的实施方式描述了本发明。然而,对于本领域技术人员来说 显而易见的是,在没有脱离本发明的范围的情况下可以进行多种变化、修改或改变。仅举例 来说,冷流体和热流体的路径的布置可以针对热交换过程被优化,可以适于期望的热交换 率,可以适于单独导管中的质量流或压降,可以适于所使用的流体,或者冷流的导管布置可 以应用于热导管。而且分离器的布置和特定特征不限于附图中所示的示例并且用于分离不 同流体流但是也可以例如用于分离相同的流体流。

Claims (15)

1. 一种热交换器,该热交换器包括: -冷导管,该冷导管适于将冷流体引导通过该冷导管,该冷导管具有冷流体进口和冷流 体出口; -热导管(4),该热导管适于将热流体引导通过该热导管,该热导管具有热流体进口 (41)和热流体出口(42); -热交换元件,该热交换元件布置在所述冷导管和所述热导管(4)之间用于在所述冷流 体和所述热流体之间进行热交换,所述热交换器还包括: 至少一个另外的导管,所述另外的导管用于将流体引导通过该另外的导管,所述另外 的导管具有流体进口和流体出口,其中所述另外的导管在所述热交换元件的与相应的所述 冷导管或所述热导管相同的一侧上布置成与所述冷导管或所述热导管(4)相邻,并且其中 所述另外的导管通过分离器(5)与相应的所述冷导管或所述热导管分离,所述分离器包括 两个分离元件(51,52),这两个分离元件布置成相互隔开一定距离并且在这两个分离元件 (51,52)之间形成空腔(53),所述分离器限制流体流入所述空腔(53)中或在所述空腔中流 动以便限制布置在所述热交换元件的同一侧上的所述另外的导管和相应的所述冷导管或 所述热导管之间的热交换。
2. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述分离器(5)以流密的方式将所述另外的 导管与相应的所述冷导管或所述热导管⑷分离,其中至少一个分离元件(51,52)以流密的 方式与所述热交换元件连接。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的热交换器,其中,在所述分离器(5)中设置至少 一个开口,以提供所述空腔(53)和通过该分离器(5)与所述另外的导管分离的相应的所述 冷导管或所述热导管⑷之间的流体连通。
4. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述分离器(5)包括适于限制流体流入所述 空腔(53)中或在所述空腔中流动的阻碍部。
5. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述热交换元件包括适于在热膨胀时允许所 述热交换元件变形的可延伸结构。
6. 根据权利要求5所述的热交换器,其中,所述可延伸结构形成所述空腔(53)的侧壁。
7. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述分离器⑸还包括另外的分离元件(54)。
8. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述另外的导管包括平行地布置并且由所述 分离器(5)相互分离的第一导管部(301)和第二导管部(303),其中使得流体能够在所述第 一导管部(301)中沿一个方向流动并且使得流体能够在所述第二导管部(303)中沿与所述 第一导管部(301)的所述一个方向相反的方向流动,并且其中在所述另外的导管的所述第 一导管部(301)和所述第二导管部(303)之间布置有端口部(302)。
9.根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述热交换元件包括位于所述冷导管、所述 热导管(4)或所述另外的导管中的轮廓结构(15),并且其中位于所述冷导管、所述热导管 (4)或所述另外的导管的下长度侧上的所述轮廓结构(15)在形状、尺寸和布置中的至少一 者方面与位于所述冷导管、所述热导管(4)或所述另外的导管的上长度侧上的所述轮廓结 构(15)不同。
10. 根据权利要求1所述的热交换器,其中,所述热交换元件是热传导板(1)。
11. 根据权利要求10所述的热交换器,该热交换器包括多个热传导板(1)以及多个分离 器(5),其中所述热传导板⑴和所述分离器⑸以交替方式布置,从而在这些热传导板(1) 之间形成相应的冷导管和热导管⑷并且形成与所述分离器⑸相邻的另外的导管,其中冷 流体进口并入冷流体进口收集器(213,313)中,冷流体出口并入冷流体出口收集器(223 , 323)中,热流体进口(41)并入热流体进口收集器(413)中,热流体出口(42)并入热流体出口 收集器(423)中,另外的流体进口并入另外的进口收集器(313,213)中,并且其中另外的流 体出口并入另外的出口收集器(323,223)中。
12.根据权利要求11所述的热交换器,其中,两个不同的热传导板(1)以交替方式布置, 并且其中布置在相邻热传导板(1)之间的所有分离元件(51,52,54,55)是I形的或L形的。
13.—种用于在冷流体和热流体以及至少一个另外的流体之间进行热交换的方法,该 方法包括以下步骤: _将热交换元件布置在冷流体流和热流体流之间; _将另外的流体流引导成与所述冷流体流相邻或与所述热流体流相邻,其中所述另外 的流体流沿着所述热交换元件的与相应的所述冷流体流或所述热流体流相同的一侧被引 导, -通过分离器(5)将所述另外的流体流与相应的所述冷流体流或所述热流体流分离,所 述分离^包括两个分离元件(51,52),这两个分离元件布置成相互隔开一定距离并且在这 两个分离元件(51,52)之间形成空腔(53),以及 -通过限制流体运动到所述空腔中或在所述空腔中的运动来限制通过所述分离器(5) 的热传导。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述至少一个另外的流体在温度或聚集状态中 的至少一者方面与所述冷流体或所述热流体不同。
15.根据权利要求13或14所述的方法,该方法还包括在所述热交换元件的相反侧上布 置另外的分离器的步骤。
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