CN105571361A - 板式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有堆叠的板式热交换器，所述堆叠的板具有在板之间形成接触面的凹部。为了获得在强度与流动状态之间的良好平衡，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且其中C/X1在1.03-2.27的范围内。

Description

板式热交换器
技术领域
本发明涉及一种堆叠多个板且所述多个板由于表面结构形成在相邻板之间的流动路径的类型的热交换器。
具体地，本发明涉及一种板式热交换器，其中所述板在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部。第一组凹部中的凹部形成第一组接触面，所述第一组接触面中的每一个被布置成抵靠相邻板的接触面，并且第二组凹部中的凹部形成第二组接触面，所述第二组接触面中的每一个被布置成抵靠相邻板的接触面。
背景技术
板式热交换器使用板在两个介质(典型地在分开的第一和第二流动路径中流动的流体)之间输送热量。与传统的热交换器相比较，流体暴露于板表面限定的大的表面积。这增加了流体之间的热能的交换。
板式热交换器通常用于热水锅炉，尤其是用于家用热水等的瞬时制备。
重要因素是热交换、流动阻力、价格、尺寸和耐用性。
流动路径每一个连接到一次流体连接部或二次流体连接部，例如用于提供加热流体或家用热水。第一和第二流动路径在板的相对侧，并且所述板带有许多不同结构，例如鱼骨形或鲱骨状皱折。例如，当堆叠的鱼骨形热交换器板被定位成使得所述热交换器板接入皱折的相交点时且由于皱折形成相对的尖端顶部，相邻板的顶部之间的接触面积变小且较少有明显边界。
由于在这些接触区没有直接的热传递，因此小接触面积是理想的。另一方面，所述接触区吸收板的力，从而抵消第一和第二流动路径中的流体的压力。
如果接触面积过小，则减小的强度必须通过增加板厚度来补偿以防止变形。通常，所述板具有0.4mm或更大的厚度。热传递通过增加板厚度基本上被减小。
微凹图案的概念使得可以设计具有界限分明区域的接触区，并且因此界限分明且优化强度和水力特性。
由于介质通过热交换器型面时出现减速变化，与传统的鱼骨形图案相比，微凹图案的剖面高度可以被通常减小30％，并且仍然保持相同的压降。减小的剖面高度造成大约两倍的硬焊点数量，因此增加强度。可选地，可以应用较薄板。
此外，介质在通过热交换器时出现的减速变化对于给定的压力损失导致更高的对流换热比。这能够设计界限分明的硬焊区域而不会降低基于微凹图案的热交换器的总性能。
椭圆形凹部的益处是增加的微凹圆周，产生更高的强度且同时减小接触面积，从而导致增加的热传递面积并因此增加总效率。
鲱骨状皱折的另外缺点是引导流体沿着Z字形路径，从而产生不受欢迎的阻力和压力下降。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有良好的导热性、良好的强度重量比的板式热交换器并提供一种容易制造且耐用的板式热交换器。
在第一方面中，本发明提供一种具有凹部的板式热交换器，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1.03-2.27的范围内，例如在1.1-2.3的范围内。相应地，C/X2可以优选地还在1.1-4.32的范围内，例如在1.2-4.0的范围内。
通过主张的保护范围，本发明令人吃惊地提供了一种具有高强度且具体地对重量和成本因素具有高强度的热交换器板。
本发明尤其与衬垫式交换器有关，其中堆叠的热交换器板通过外力保持在一起，例如当挤压在顶板与底板之间时通过螺栓固定，并且基于在构建坚固的热交换器发现的要点，该要点是如果顶部分别为凹部的底部，则最重要的不是表面积而是其圆周的长度。然而，本发明还可以被应用于板粘合连结的情况。热交换器可以具体地包括具有小于0.30mm的厚度的板。在这种情况下，与平坦微凹区域的强度相比，凹部圆周的强度通常变成关键。
在此，矩阵图案是行和列的二维表格状图案，矩阵图案可以具体地为平行的行和平行的列，且可以具体地为垂直于列的行。
通过限定，每一个凹部可以在朝向相邻行中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r1。在行垂直于列的实施例中，最短的方向将为从一行中的第n个凹部的中心到直接相邻的行中的第n个凹部的中心的直线方向。
通过限定，每一个凹部可以在朝向相邻列中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r2。在行垂直于列的实施例中，最短的方向将为从一列中的第n个凹部的中心到直接相邻的列中的第n个凹部的中心的直线方向。
具体地，已经发现C/X1有利地可以选择为在上边界与下边界之间，所述上边界由-0.2*(r1/r2)+2.4的函数限定，所述下边界由-0.03*(r1/r2)+1.23的函数限定。
图17的表格1显示根据本发明的所有应用的不同强度间隔。
在另一个实施例中，C/X2可以被选择为在上边界与下边界之间，所述上边界由0.9*(r1/r2)+1.36的函数限定，所述下边界由0.27*(r1/r2)+0.95的函数限定。
第一组接触面中的每一个接触面可以至少形成对称的第一和第二垂直轴线，从而限定例如具有圆形或椭圆形的凹部。具体地，对称轴线可以具有不同的长度，例如在达到1∶4、例如1∶3或1∶2的范围内的长度，从而限定例如椭圆形。
第一组接触面中的接触面可以被布置成抵靠相邻板的第二组接触面中的接触面，并且所有板可以是相同的。
在第二方面，本发明提供一种用于板式热交换器的板，所述板在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部，第一组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，第二组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1.1-2.3的范围内。
通过应用到根据本发明的第一方面的热交换器的限定，C/X1可以优选地被选择成在上边界与下边界之间，所述上边界由-0.2*(r1/r2)+2.4的函数限定，所述下边界由-0.03*(r1/r2)+1.23的函数限定。C/X2可以被选择成在上边界与下边界之间，上边界由0.9*(r1/r2)+1.36的函数限定，并且下边界由0.27*(r1/r2)+0.95的函数限定。
在第三方面，本发明提供一种设计板式热交换器的方法，所述板式热交换器具有多个板，每一个板都在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部，第一组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，第二组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面，其特征在于，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1、1-2、3的范围内。
再次，通过应用到根据本发明的第一方面的热交换器的限定，C/X1可以优选地被选择成在上边界与下边界之间，所述上边界由-0.2*(r1/r2)+2.4的函数限定，所述下边界由-0.03*(r1/r2)+1.23的函数限定。C/x2可以被选择成在上边界与下边界之间，上边界由0.9*(r1/r2)+1.36的函数限定，并且下边界由-0.27*(r1/r2)+0.95的函数限定。
附图说明
图1显示根据本发明的热交换器的立体图；.
图2显示根据本发明的板式热交换器的俯视图；.
图3显示用于热交换器的板；.
图4以侧视图显示堆叠的板；.
图5和图6显示一个板的四边形部分；
图7-9显示对三个不同的r1/r2比值的计算；
图10-12显示对圆周长/X1和圆周长/X2的计算；
图13显示r1/a数值的上限和下限；
图14显示圆周长/a数值的上限和下限；
图15-20显示分别对于不同强度间隔的圆周长/X1和圆周长/X2的数值；以及
图21包括具有根据本发明全部适用的不同的强度间隔的表格。
具体实施方式
应该理解的是详细说明和具体的示例虽然表示本发明的实施例，但仅是作为示例提供，这是因为本发明的精神和保护范围内的各种变化和变型对于本领域的技术人员从详细说明中都是清楚的。
图1显示板式热交换器1，所述板式热交换器包括沿着箭头3显现的堆叠方向堆叠的多个热交换器板2。所述热交换器板以顶部抵靠底部的方式堆叠。
图2显示热交换器的俯视图。热交换器板具有用于连接到流体连接部的四个拐角开口4、5、6、7，使得两个开口4、7通过入口和出口将第一流体供给源连接到所述板的上侧一从入口到出口的整体流动方向由实线箭头显示。第二供给源在所述板的下侧连接到两个开口6、5。从入口到出口的整体流动方向以虚线箭头显示。所述流为横向逆流。另外，逆流为一种选择，其中4+6和7+5相连接。
具有微凹顶部和底部的微凹结构由白色和黑色椭圆形标记9、10显示。所述凹部沿着相反的方向突出。所述板可以例如由平坦的板制成，所述平坦的板通过冲压加工变形，以形成相对于原始平坦板的中心面沿着相反的方向延伸的凹部。
图3显示单个板。以数字11标记的虚构平面显示每一个板限定的中心面。所述板形成第一组凹部12和第二组凹部13。第一和第二组凹部在相反的方向上从虚构的中心面远离所述中心面延伸。所述板且因此还有凹部可以通过例如在模具中将例如为不锈钢、铝、铜、黄铜、锌或塑料的金属薄板挤压成期望的形状而制成。所述板还可以通过成型、例如通过在模具或冲模中对塑料压力成型来制成。
图3显示侧视图且凹部可以具有为任何形状的顶面，例如根据本发明的例示实施例的凹部的椭圆形设计。其它形状也可以采用，例如超椭圆形、矩形等，只要凹部在第一方向上具有界限分明的延伸部，且在正交于第一方向的第二方向上具有界限分明的延伸部即可。
图4显示4个板14、15、16、17，并且显示微凹顶部18如何被放置在上部相邻的板的微凹底部19上且以同样方式将微凹底部20连接到下部相邻板的微凹顶部21。
图4还显示了凹部的侧壁大致呈45度，如角度标示。这样，顶部和底部的凹部尽可能相互靠近。这产生更高数量的凹部和更高的强度。45度的角度由例如不锈钢材料的最大伸长度来限制。对于实际的原因，例如由于挤压工具的公差，通常应用更小的角度。所述壁通过材料的自由浮动而平滑地形成，除了在微凹顶部和微凹底部处(即一个板遇到相邻板的位置处)显现的那些之外，不具有锐边且不具有平坦板或平面板区段。
任何这种额外的平坦区段将具有产生的危险剖面且在第一和第二路径中的流体之间可以具有允许的压力差以使板变形-潜在地，板在边缘处可能会凸起和开裂。由于相同的流体在连接部的相对两侧处以相同的压力流动，因此连接的顶部和底部上不具有压力梯度。
图4中显示的结构能够获得减小的板厚度。由于微凹顶部和底部之间缺少边缘和平坦区段，压力以其中所述压力基本上被吸收而不会造成塑性变形的方式被引导到凹部的壁中。另外，所有连接部相对于鱼骨形结构都具有增大的接触面积，并且压力因此分配到更大的区域上。
然而，一个缺点是相对大的接触面积减少了从一个路径到另一个路径的热分布。该缺点通过对于给定压力损失增加的对流换热以及减少再次有助于增加的热传递的板厚度的能力来抵消。
在图4显示的板式热交换器中，图3显示类型的板中的每一个被布置成使得第一组凹部中的凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，而第二组凹部中的凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面。
图5a显示一个板的四边形部分。所述四边形部分以表示加压区的白色直线22标记，所述加压区必须由4个四分之一凹部来承载。在该部分中，第一组凹部中的凹部的接触面构成由一个单个凹部形成的接触区的面积的四分之一的4倍，即一个完整凹部的总面积但被分成接触面的四个同样大的区段。
相邻板的接触面通常通过粘合剂或者通过焊接连结，或者所述板可以仅被朝向彼此挤压，例如通过绕着板边缘延伸的框架等。
图5b显示以直线23标记的四边形部分内的矩阵图案。
在图6中显示相邻行中的凹部的中心之间以及相邻列中的凹部的中心之间的距离X1和X2。黑色凹部向上延伸，而白色凹部在相反的向下方向上延伸。
图6还显示参数‘a’，所述参数为第一或第二方向上的两个相邻凹部(相邻凹部分别为微凹顶部和微凹底部)之间的边到边距离。‘r1’和‘r2’是顶面和底面分别从其中心至第一和第二方向上看到的边缘的延伸长度，在具有椭圆形顶面和底面的所示示例中，这对应于两个半径，第一和第二分别对应于最长的延伸长度和最短的延伸长度。在大多数实施例中，这将限定第一和第二方向。‘a’的值对于凹部行和列之间的距离可以不同。
在r1/r2不等于1的情况下，连接四个黑色椭圆的线形成矩形或菱形。该矩形内的区域可以相当于“热传递单元”，其中该热传递单元然后包括对热传递不起作用的微凹顶部和四个四分之一微凹底部。
使用椭圆形顶部/底部区域作为用于计算的形状，计算单元可以承受的最大压力的公式变为：
椭圆形区域：
A＝πr1r2
根据拉马努金(Ramanujan)的椭圆形圆周长，第一近似值：
C = π ( 3 ( r 1 + r 2 ) - ( r 1 + 3 r 2 ) ( 3 r 1 + r 2 ) )
圆周强度：
s＝tCσ
其中，t为板厚度，C为凹部圆周长，σ为板材料强度。
一个单元的加压面积：
Ap＝2X1X2-πr1r2
单元可以承受的最大压力接着由以下公式给出：
对于特定情况，其中a对于行和列的方向为相同的值：
X1＝2r1+a和X2＝2r2+a
图7-9显示取决于r1/a的对于三个不同的r1/r2比值(r1/r1＝1，2和3)的计算，并且可以看到所有都显示单独r1/a值下的最大值。然而，根据最大值来设计不总是有优势。大约为最大值的允许范围被设置到在最大值的90％-100％内的r1/a范围，每一个都提供r1/a和r2/a的上限和下限。
图10-12显示相似的图，但是现在归纳圆周长/X1。
假设具有给予力的其需要承受的足够距离，那么其它方面还影响最终设计，例如抵抗增加顶部/底部微凹表面的面积的工件的板的热传递效率。因此，下一步是围绕最大值限定允许范围，所述允许范围被设置成在最大值的90％-100％内的r1/a范围，每一个都提供r1/a和r2/a的上限和下限。
图13显示r1/a数值的上限和下限且还暗含了r2/a以及对于不同r1/r2设计的最大强度的几何结构，其中图14同样显示，看到圆周长/a作为r1/r2的函数。
图15-20分别显示用于不同强度间隔的作为圆周长/X1和圆周长/X2的数值。
这些中的每一个接着适用于直线Y＝A(r1/r2)+B，例如上限直线Y上限＝A上限(r1/r2)+B上限，下限直线Y下限＝A下限(r1/r2)+B下限，并且热交换器板接着被设计成具有设计成落入Y上限和Y下限内的凹部。

Claims (19)

1.一种板式热交换器，包括多个板，所述多个板在堆叠方向上堆叠，每一个所述板都在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部，所述第一组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，所述第二组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1.03～2.27的范围内。
2.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，每一个所述凹部都在朝向相邻行中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r1，并且其中每一个所述凹部都在朝向相邻列中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r2，其中C/X1被选择为处于上边界和下边界之间，所述上边界由-0.23*(r1/r2)+2.50的函数限定，而所述下边界由-0.02*(r1/r2)+1.10的函数限定。
3.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，每一个所述凹部都在朝向相邻行中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r1，并且其中每一个所述凹部都在朝向相邻列中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r2，其中C/X2被选择为处于上边界和下边界之间，所述上边界由0.98*(r1/r2)+1.38的函数限定，而所述下边界由0.22*(r1/r2)+0.88的函数限定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，所述第一组接触面中的每一个接触面至少形成对称的第一垂直轴线和第二垂直轴线。
5.根据权利要求4所述的板式热交换器，其中，所述对称的第一垂直轴线和第二垂直轴线具有不同长度。
6.根据权利要求5所述的板式热交换器，其中，所述第一轴线的长度最多比另一个轴线长4倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，所述第一组接触面中的接触面被布置成抵靠相邻板的第二组接触面中的接触面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，所述板是相同的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，C/X2在1.10～4.32的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，所述凹部具有圆周长C，并且其中C/X1在1.1～2.3的范围内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的板式热交换器，其中，C/X2在1.2～4.0的范围内。
12.一种用于板式热交换器的板，所述板在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部，所述第一组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，所述第二组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1.03～2.27的范围内。
13.根据权利要求12所述的板，其中，所述凹部具有圆周长C，并且其中C/X1在1.1～2.3的范围内。
14.根据权利要求12或13所述的用于板式热交换器的板，其中C/X2在1.10～4.32的范围内。
15.根据前述权利要求12-14中任一项所述的用于板式热交换器的板，其中，C/X2在1.2～4.0的范围内。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的用于板式热交换器的板，其中，每一个所述凹部都在朝向相邻行中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r1，并且其中每一个所述凹部都在朝向相邻列中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r2，其中C/X1被选择为处于上边界和下边界之间，所述上边界由-0.23*(r1/r2)+2.50的函数限定，而所述下边界由-0.02*(r1/r2)+1.10的函数限定。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的用于板式热交换器的板，其中，每一个所述凹部都在朝向相邻行中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r1，并且其中每一个所述凹部都在朝向相邻列中的凹部的中心的最短的方向上形成从该凹部的中心到该凹部的接触面的边缘的距离r2，其中C/X2被选择为处于上边界和下边界之间，所述上边界由0.98*(r1/r2)+1.38的函数限定，而所述下边界由0.22*(r1/r2)+0.88的函数限定。
18.一种设计板式热交换器的方法，所述板式热交换器具有多个板，每一个所述板都在相反的方向上限定第一组凹部和第二组凹部，所述第一组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第一接触面，所述第二组凹部中的每一个凹部形成布置成抵靠相邻板的接触面的第二接触面，其特征在于，所述凹部被布置成矩阵图案，并且在相邻行中的凹部的中心之间具有距离X1且在相邻列中的凹部的中心之间具有距离X2，其中所述凹部具有圆周长C且C/X1在1.03～2.27的范围内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，C/X2在1.10～4.32的范围内。
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