CN111886454B - 热交换器和用于从空气中提取水的装置及其制造方法 - Google Patents

热交换器和用于从空气中提取水的装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种热交换器，包括通过空隙组装到凸起板的翅片和管组的堆叠。翅片与空隙重叠，从而将翅片的外围边沿附接到围绕空隙的板上的外围边沿。还提供了包括贯通流体孔口的翅片。还提供了包括使得能够选择性地密封相邻板之间的间隙的横向外围突起的板。还公开了包括被配置为减小热交换区中的不同通道突起之间的不均匀流体质量流的均匀化突起的板。还公开了一种包括交替放置翅片和板或预组装的翅片和板组的组装方法，以及一种通过非选择性施加密封剂或热量来选择性地密封热交换器的面的方法。还公开了一种制冷装置，制冷装置包括本发明的热交换器，其使得离开热交换器的空气流穿过冷凝器或蒸发器。

Description

热交换器和用于从空气中提取水的装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及热交换器的领域。更具体地，本发明涉及热交换器装置及其制造。
背景技术
从气体中提取液体(诸如从空气中提取水)是众所周知的，并且通常涉及通过将气体的温度降低到露点温度以下来实施包含液体蒸汽的气体的冷凝状况，由此致使蒸汽冷凝并且由此从载气释放液体。尽管该方法高度可用，但使用其的一个主要障碍是需要以蒸气潜热和冷却大量载气的副产物的形式排出大量热能。高能量成本和可用系统的高成本通常使该解决方案不经济。给定量的提取水的能量成本是决定选择该解决方案的重要因素。
发明内容
本发明的实施例的描述描绘了一种热交换器和一种方法，其各自能够减小能量消耗，并且能够减小这种类型的解决方案中的提取机器的操作成本和生产成本。
当需要加热并且有可能或需要冷却回去时，本发明的另一种实施方式能够减小过程中的能量成本。
本发明涉及包括翅片和管式热交换器和板式热交换器的热交换器。所述翅片和管式热交换器包括翅片的堆叠，所述翅片包括与穿过的热交换管耦接的至少一个通孔。所述板式热交换器包括板的堆叠、至少两组流动入口和两组流动出口，所述板的至少一部分包括空隙和凸起。所述翅片和管式热交换器的所述翅片的至少一部分中的每一个至少部分地附接到所述对应板式热交换器的板或被其包围以限定翅片和板的组(SFP)，并且其中以下中的至少一个：(i)不同板的交替顺序；以及(ii)所述堆叠中的板的交替取向，适于实现在所述SFP上方和下方的(i)同时反向流体流、(ii)交叉流体流或(iii)半反向-交叉流体流中的一个或多个。具有管(例如，热交换流体管)的SFP的堆叠的组装限定了组装到板的翅片和管的热交换器(HEFTAP)。
在第一方面中，本发明公开了一种HEFTAP，所述HEFTAP包括翅片，所述翅片至少部分地与所述对应板的所述空隙重叠，并且所述翅片的外围边沿的至少一部分附接到围绕所述板的所述空隙的外围边沿的至少一部分以使得在所述板的任一侧上方流动的流体与所述翅片进行接触。
在第二方面中，本发明公开了一种HEFTAP，其中所述翅片的至少一部分包括允许流体从所述翅片的一侧传递到另一侧的至少一个贯通流体孔口。
在第三方面中，本发明提供了一种HEFTAP，其中所述板包括横向外围突起，其被设计成在所述板与另一个板堆叠时在旨在要密封的外围位置处形成以下中的至少一个：
(i)所述外围突起与面向所述外围突起的相邻板的表面之间的间隙，其为足够窄的以使得施加的粘合剂能够填充所述间隙；以及(ii)所述两个板的外横向宽度，其使得所施加的粘合剂能够环绕所述板的所述外边缘；
并且其中所述板被设计成当所述板与另一个板堆叠时，在所述间隙应当保持开放的位置处形成所述板的所述边缘和面向所述第一板的所述相邻板的所述边缘之间的间隙，所述间隙应大于允许所施加的粘合剂填充或环绕所述间隙的间隙，使得所述间隙保持打开。
在第四方面中，本发明提供了一种HEFTAP，其中所述板包括横向外围突起，其被设计成在所述板与另一个板堆叠时在旨在要密封的外围位置处形成在所述外围突起和面向所述外围突起的相邻板的表面之间的间隙，其为足够窄的以使得所述板的所述边缘在加热时能够熔化和聚结；并且
其中所述板被设计成当所述板与另一个板堆叠时，在所述间隙应当保持开放的位置处形成所述板的所述边缘和面向所述第一板的所述相邻板的所述边缘之间的间隙，所述间隙大于允许所述板的所述边缘在施加热量时熔化和聚结的间隙，使得所述间隙保持打开。
在另一个方面中，本发明提供了一种HEFTAP，其中SFP的堆叠是由具有边缘的板制备的，这些边缘在阻塞流的部分中彼此卡扣。为此，SFP的板的横向外围突起具有在板的另一平面上的对应凹陷部，使得当板被堆叠时，一个板的突起进入相邻板的对应互补凹陷部。在一些实施例中，这些突起的至少一部分被设计成当板被堆叠时沿着所述对应互补凹陷部的壁进行接触，使得沿着外围突起/凹陷部形成连续密封块。
在另一方面，本发明提供了一种HEFTAP，其包括：流体入口区、包括通道突起的第一热交换区、第二热交换区、包括通道突起的第三热交换区和流体出口区，所述流体入口区和所述流体出口区中的至少一个包括均匀化突起，所述均匀化突起被配置为减小所述第一热交换区和所述第三热交换区中的至少一个中的不同通道突起之间以及通过所述第二热交换区的不均匀流体质量流的量。
在另一方面中，本发明公开了如以上定义中任一项所限定的热交换器的板。
在另一方面中，本发明提供了一种翅片，所述翅片包括允许流体从所述翅片的一侧传递到另一侧的至少一个贯通流体孔口。
在另一方面中，本发明公开了一种用于选择性密封板式热交换器的相邻板之间的间隙的方法，包括以下步骤：
获得包括至少一个面的板式热交换器，所述至少一个面包括第三方面或第四方面所述的板的外围边缘；
根据所获得的板的类型，将粘合剂或热量施加到包括旨在被选择性密封的外围位置的所述板式热交换器的至少一个面上；
以至少在一个面处获得选择性密封的板式热交换器。
在另一方面中，本发明提供了一种制造热交换器的方法，包括以下步骤：
(a)获得如以上所定义的一个方面中所限定的热交换器的板和如第一方面所限定的翅片；
(b)任选地放置包括用于贯穿热交换流体管的通孔的端板，以及任选地通过所述通孔中的两个插入至少两个纵向热交换流体管或引导杆；
(c)在适用时将所获得的翅片铺设在组装表面的顶部上或所述端板上，同时在适用的情况下通过所述通孔插入所述引导管或杆或将所述翅片的通孔与所述端板的通孔对准；
(d)将所获得的板铺设在所述翅片上，从而使得所述板的应当与所述翅片接触的面面向所述翅片，使得所述板的所述空隙与包括用于热交换管的至少一个通孔的所述翅片部分重叠，并且当适用时包围从所述组装表面竖立的管或杆；
(e)将另一个获得的翅片铺设在步骤d中铺设的所述板上方，从而使得所述翅片的应当面向下一个板的面背离所述先前铺设的板，并且使得所述翅片的通孔与所述先前翅片的通孔对准，以使得在适用时所述通孔被所述引导管或杆穿过；
(f)重复步骤d和e，直到获得与期望长度的翅片耦接的板的堆叠；
(g)任选地用端板盖住所述堆叠；
(h)如果适用，则通过所述翅片的所述通孔插入剩余的纵向热交换流体管；以及
(i)任选地对所述热交换管进行吹气以改进管和翅片通孔之间的热传递以获得板和翅片及管组件的热交换器。
在另一方面中，本发明提供了，一种实现制冷过程的装置，包括压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器，其中：所述冷凝器是如以上所限定的HEFTAP的翅片和管式热交换器；所述蒸发器位于所述热交换器的下游，使得离开所述热交换器的空气流流过所述蒸发器。替代地，所述蒸发器是前述的翅片和管式热交换器，并且所述冷凝器位于所述热交换器的下游，并且离开所述热交换器的空气流流过所述冷凝器。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。然而，当结合附图阅读时，可以通过参考以下具体实施方式最好地理解本发明的组织和操作方法以及其目的、特征和优点。
图1A-图1B是限定根据现有技术的热交换器的翅片和板的组(SFP)的两种类型的板和翅片的正面示意图；
图1C是根据现有技术的热交换器的一对两种类型的SFP的正面示意图；
图1D是根据现有技术的热交换器的等距和局部分解图；
图1E是根据现有技术的热交换器的SFP的等距示意图，包括在热交换器的操作期间的流体泄漏的图示。
图2A和图2B分别是根据本发明的实施例的SFP的前分解示意图和后分解示意图；
图3是根据本发明的实施例的SFP的前视图。
图4A-图4F是根据本发明的实施例的翅片的前视图(图4A)、翅片的侧视图(4B图)，翅片沿图4A中的线A-A的横截面(图4C)、翅片的等轴视图(图4D)、翅片沿图4A中的线B-B的横截面(图4E)、以及横截面A-A的放大局部图(图4F)。
图5A-图5E是根据本发明的实施例的热交换器的等轴视图(图5A)；沿图5A中的平面A-A通过热交换器的翅片的局部截面图的顶视图(图5B)；热交换器板之间的间隙的可能选择性密封的侧视图(图5C)；以及在用密封剂选择性地密封间隙之前和之后的热交换器的等轴视图(分别为图5D和图5E)。
图6是描绘根据本发明的实施例的用于生产热交换器的方法的流程图。
图7是描绘根据本发明的实施例的用于生产热交换器的方法的流程图。
图8是描绘根据本发明的实施例的包括离开热交换器的空气流的装置的框图，该空气流具有以冷却在热交换器下游的冷凝器的泄漏。
应当理解，为了简化和图示的清楚起见，附图所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。另外，在认为适当的情况下，可以在附图之间重复附图标记以指示对应或相似的元件。
具体实施方式
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、规程和部件以免模糊本发明。
本发明使得能够减小热量消耗并且可以在各种类型的过程中实现，在这些过程中需要冷却流体，然后重新加热其中的至少一些(即从水-乙醇蒸气混合物中蒸馏出乙醇、从空气中提取溶剂蒸气、从空气中提取湿气等)。本发明的另一个应用涉及在需要加热流体并且随后期望对其进行冷却时的过程(即，牛奶巴氏灭菌/UHT过程、通过加热进行的空气灭菌、通过加热进行的臭氧分解等)。
为了简单起见，本说明书主要涉及具有包括热交换流体管(其包含冷的制冷剂)的热交换器的除湿器或空气中水提取装置，并且涉及作为被处理的对象流体的空气，其中空气被冷却到其露点并且空气中包含的湿气被冷凝成水。此类装置包括空调、空气干燥器、除湿机、空气中水装置等。
然而，本领域技术人员可以在当前发明的范围下使装置和方法适应其他用途，例如：当管包含冷的热交换流体时；当管包含热的热交换流体时；当对象流体与空气等不同时等。因此，在整个说明书中，术语“空气”和“流体”以及“空气流”和“流体流(fluid flow)”可互换使用。
本发明的发明人先前已在美国专利申请公开号2014/0261764中公开了一种水提取装置，其包括热交换器组件，该热交换器组件被设计为允许在预冷却入口空气与加热后出口空气之间进行有效的热交换，使得预冷却入口流到达较低温度的第二热交换器，在此处它与冷却剂交换热量。除其他功能外，还实现了高热交换效率，这是由于热交换器的结构包括两种类型的平面热交换元件(即板式热交换器的板)，包括空隙(例如，由板的内边缘限定的切口)并且区别仅在于具有两个不同的凸起形貌，其交替布置在堆叠中。由于切口全部彼此对准，因此热交换板的堆叠限定中心处具有空隙的板式热交换器。板式热交换器的堆叠中的空隙包围翅片的堆叠，该堆叠包括耦接到热交换管的通孔，其限定用作组件的冷却(或加热)芯的翅片和管式热交换器，空气流可以沿着该冷却芯经过。翅片和管式热交换器的翅片耦接到周围板式热交换器的板上，以使得耦接到板的每个翅片形成“翅片和板的组(SFP)”。具有管(例如，热交换流体管)的SFP(set of fin and plate)的堆叠的组装限定了组装到板的翅片和管的热交换器(下文中称为“HEFTAP”)。HEFTAP(heat exchanger offins and tubes assembly to plates)也可以看作是由板式热交换器包围的翅片和管式热交换器的组件，使得翅片和管式热交换器处于组件的芯。在水提取装置的操作期间，围绕芯翅片和管式热交换器的板式热交换器的组件产生交错的，在一些实施例中，彼此上方的空气的反向流，同时沿相互交替的方向流过芯的翅片。
参考图1A，其是包括板112和翅片110B的第一SFP 110的示意图，并且参见图1B，其是包括板114和另一个翅片110B的第二SFP 120的示意图。进一步参考图1C和图1D，其分别是一对的SPF 130和HEFTAP 1000的等距和局部吹气图，其中HEFTAP由多个SFP 110和120构建并且可根据现有技术的实施例操作。HEFTAP的每个SFP是耦接的一对板(分别为112和114)和一对翅片110B。板112和114都具有以切口形式的空隙，从而容纳耦接到该板的翅片110B。在图1C和图1D所描绘的实施例中，两种类型的板112和114相同，除了它们的凸起是彼此的镜像。凸起被配置为在设计的路径中引导流体流。板112和114的镜像凸起以及SFP 110和120的交替布置指示流入HEFTAP 1000的流体(诸如空气)分为两个主要流，即流A和流B。每个流A在基本平面的SFP 110的面的前面和基本平面的SFP 120的背面的后面的两个SFP之间流动。每个流B在基本平面的SFP 120的面的前面和下一个基本平面的SFP 110的背面的后面的两个SFP之间流动。流A经由流体入口区110D进入两个板112和114(仅在图1D中显示了包围流A的板114)之间的SFP 110的区域，然后被引导在第一热交换区110A上方，然后在两个翅片110B之间通过对应于翅片110B的第二热交换区，然后在两个板112之间通过第三热交换区110C并且然后通过空气出口区110E。类似地，并且在反向方向上，空气流B经由空气入口区120E进入两个板112和114之间的SFP 120的区域，然后被引导在第一热交换区120C上方，然后在两个翅片之间通过对应于翅片110B的第二热交换区，然后在两个板之间通过第三热交换区120A并且然后通过空气出口区120D。
应当注意，为了简单起见，图1A-图1B中的区被描述为彼此分开以便指示明显分开的区域。然而，应当理解，区之间的空间是两个相邻区的重叠边界的一部分。
图1C描绘了图1A和图1B的组合SFP 110和120的等轴视图，其中一个放置在另一个的前面以强调所得的组合流。尤其是由于分别在基本平面的SFP 110和120的外围上的流阻塞突起118和128而实现了流A和B的定向路径。可以清楚地看到，在交叉流方案、反向流方案或半反向-交叉方案中，空气流A和B在三个热交换区对中在彼此上方流动(术语“半反向-交叉流”意味着两个流体流的相对方向垂直于反向)：(i)110C和120C，(ii)110和120的两个翅片110B，以及(iii)110A和120A。这三个区对与入口区(110D，120E)和出口区(110E，120D)一起进行热交换，同时热量可以传递通过板和翅片。
在图1D中清晰看到空气流A在其相应基本平面的SFP 110前面的通过、空气流B在其相应基本平面的SFP 120前面的通过、以及空气流A和B的相互交互。举例来说，从流体入口区110D流向第二热交换区110B的流体流A在第一热交换区110A中通过板表面与同时在板110的另一侧上流动的反向流体流、交叉流体流或半-交叉反向流体流B交换热量，然后流体流在第二热交换区110B中与暴露翅片交换热量，然后在第三热交换区110C中通过板表面与板110的另一侧上的反向流体流、交叉流体流或半-交叉反向流体流B交换热量，并且通过流体出口区110E离开。
还描绘了热交换器端板1002(见下文)。术语“端板”是指HEFTAP的任选机械元件，该机械元件定位在SFP的堆叠的端部处并与其连接，从而使得能够将HEFTAP适配和/或固定到其位置。
用于提高能源效率，同时迫使外部起源的热交换流体通过翅片和管式热交换器的管的改进热交换单元的一个实施方式是：在第二热交换器区110B的上游以及在第二热交换器区110B中吸收来自进入流体(流A和B)(例如，湿空气)的热量，并且在第二热交换器区110B的下游进一步将其加热回去。这导致水提取过程的能量效率的改进。
用于提高能源效率，同时迫使外部热流体通过翅片和管式热交换器的管的改进热交换单元的第二实施方式是：在第二热交换器区110B的上游以及在第二热交换器区110B中加热流体A和B，即待进行巴氏灭菌的牛奶，并且在第二热交换器区110B的下游进一步将其冷却回去。这导致巴氏灭菌过程的经济效率的改进。
本发明可以进一步涉及实现廉价材料(诸如塑料板)。此外，针对要进行的能量过程所占用的体积，在给定状况下，体积占用效率提供较高的产量、较低的能耗和较低的噪声水平(如果需要)。
现在参考图1E。通过翅片和板之间存在的间隙以及阻塞突起和相邻板之间的间隙泄漏的流体的泄漏会导致热传递效率的减小，因为这些泄漏，一部分入口气体未完全遵循指定的热交换路径。例如，本文中称为“类型I”的泄漏140是空气流A的一部分，该部分从入口区和第一热交换区在板背面上方流动而到达，但没有在翅片下方经过，而是从板的一侧到另一侧穿过翅片和板之间的间隙142，在那里它与反向流体流B合并并且通过板前侧上的流出口离开板，而基本上不会在翅片上方流动。在本文中称为“类型II”的另一种类型的泄漏150是指空气，其没有通过流体进入区作为流B进入，而是通过阻塞突起和相邻板之间的间隙进入板，在板上方与主流体流B合并并且然后通过流体出口离开板，而没有根据指定的流动路径有效地进行交换热量。第二热交换区下游(即翅片下游)的位置处进入的空气可能不会与翅片进行相互作用。
因此，热交换的效率除其他因素外，还取决于周围板112、114中的空隙与对应翅片110B的对准程度，以及密封其间的间隙以减轻由于I型泄漏而引起的不足热交换的程度。通过密封一个板的阻塞突起的外边缘和相邻板的外边缘之间的间隙，执行对II型泄漏的减轻。
本发明的发明人发现了一种促进板的空隙与对应翅片对准以及间隙翅片和板之间的密封的方法，该方法通过以下方式：通过翅片的重叠外围边沿和围绕翅片耦接到的板中的空隙的边沿来将翅片物理附接到板。在一些实施例中，板中的空隙是板中的切口。在一些实施例中，板是彼此分开的至少两个子板的组合，并且空隙是至少两个子板之间的空间。在一些实施例中，板是彼此附接的至少两个子板的组合，并且空隙根据子板的边缘的轮廓生成。
现在参考图2A和图2B，它们是根据本发明的实施例的SFP的前后分解图。板212是限定板式热交换器的板堆叠中的一个板，并且翅片210B是翅片和管式热交换器的翅片堆叠中的一个翅片。板212分别包括流体入口区203A和出口区203B、第一热交换器区205A、第二热交换器区205B(其包括由板的内边缘限定的切口214并且其面积小于翅片210B的面积)、以及第三热交换器区205C。当堆叠在HEFTAP中时，SFP以类似于图1D中描述的现有技术的SFP的方式起作用，但以改进的方式。在一些实施例中，切口214在板212的中心区域处，并且在一些实施例中，切口214可以偏离中心。翅片210B包括至少一个管通孔218。每个通孔218适于容纳穿过的热交换管并与其耦接。术语“通孔”是指从制品的一侧到另一侧的孔。在一些实施例中，突出凸缘可以从通孔的圆周延伸。由于切口214的面积小于翅片210B的面积，因此在翅片附接到板的一侧以与切口214重叠时，仅翅片210B的一部分214B(通常是内部分)通过切口214暴露于板的另一侧，而翅片210B的外围边沿216B与围绕切口214的边沿216重叠。因此，在板212的任一侧上方流动的流体(例如，空气)与翅片210B进行直接接触。翅片和板的边沿之间的重叠有助于翅片与板之间的密封，并减少了现有技术SFP(其中翅片必须配合到板中的切口)中发生的泄漏的可能性。重叠边沿越宽，翅片和板之间的密封越有效，并且两者之间的耦接越牢固。另一方面，较宽的重叠边沿会使暴露翅片的区域变窄，这是发生最有效传热的地方。在一些实施例中，重叠边沿216B的宽度在1mm至5mm之间，以便减小板和翅片的重叠边沿中的流A和B之间的I型泄漏。在一些实施例中，重叠边沿216B的宽度为至少0.3至10mm。在一些实施例中，重叠边沿216B的宽度为至少0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0mm。
在一些实施例中，仅翅片的外围的一部分与板的表面重叠，而其他部分与切口的边缘紧密配合。在一些实施例中，当板和翅片彼此耦接时，翅片的外围的50％至99％与成对板的表面重叠。在一些实施例中，当板和翅片彼此耦接时，翅片的外围的至少60％、70％、80％、90％、95％、98％或99％与成对板的表面重叠。
切口214容纳翅片210B的包括至少一个热交换管的部分214B。在图2A-图2B所示的实施例中，切口214容纳包括管孔218的翅片210B的整个区域。在一些实施例中，翅片214B的部分从外围边沿216B的平面稍微升高，使得当翅片附接到板时，部分214B与板212共面。在一些实施例中，当部分214B被升高时，其有助于将翅片210B正确地定位在切口214中。在一些实施例中，边沿216从板的主平面略微升高(在一些实施例中升高0.1mm-2mm)以有助于将翅片210B放置在切口214中。
在一些实施例中，翅片210B被粘附到耦接板212的表面。在一些实施例中，将粘合剂施加到翅片210B的重叠边沿216B上，施加到围绕切口214的板212的重叠边沿216上，或者施加到两者。在一些实施例中，当翅片和板彼此附接时，在翅片210B和板212之间的边界线上方施加粘合剂。
在一些实施例中，重叠边沿216包括与翅片的边沿216B中的突起互补的凹槽，或者反之亦然，使得当翅片和板附接时，突起驻留在互补凹槽中。
使板212具有凸起以将流体流从入口区引导至板上方的第一热交换区，然后引导至两个翅片之间的第二热交换区，然后通过板上方的第三热交换区，并且然后通过流体出口区。在上述一些实施例中，存在凸起的两个可能镜像，使得当两个板以交替方式堆叠时，获得在板上方和下方的反向流体流。在一些实施例中，由于板相对于板堆叠的纵向轴线的不同取向，相同的凸起产生到不同方向的流体流。
应当注意，术语“在热交换区之间”涉及包括板和翅片本身在内的区，因为热交换也发生在翅片和板上。
在一些实施例中，板由低导热材料(诸如塑料)制成，并且翅片(以及管)由高导热材料(诸如金属或金属合金)制成。在一些实施例中，板由导热系数小于
Figure BDA0002562782130000101
在一些实施例中小于
Figure BDA0002562782130000102
在一些实施例中小于
Figure BDA0002562782130000103
在一些实施例中小于
Figure BDA0002562782130000104
的材料制成。在一些实施例中，翅片由导热系数高于
Figure BDA0002562782130000106
在一些实施例中高于
Figure BDA0002562782130000105
在一些实施例中高于
Figure BDA0002562782130000107
的材料制成。在美国专利申请公开号2014/0261764中解释了将低导热材料用于板并且将高导热材料用于翅片的优点。在一些实施例中，翅片和/或管由铝、铝合金、铜、铜合金、或不锈钢制成。在一些实施例中，板由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，在一些实施例中，板由聚苯乙烯制成。
在一些实施例中，板包括散布在围绕切口214的外围边沿区域216中的附接突起204，该外围边沿区域与翅片的外围边沿216B重叠，以用于将翅片210B压到相邻板或相同板212，如将在下文中讨论的。
在另一个方面中，本发明提供了一种HEFTAP，其包括如上所定义的本发明的SFP的堆叠。通过使SFP堆叠并对准，获得包括翅片和管式热交换器和板式热交换器的HEFTAP，其中翅片和管式热交换器的翅片的至少一部分至少部分地附接到板式热交换器的板。在一些实施例中，翅片和/或板中的一些保持不耦接。在一些实施例中，翅片和管式热交换器的翅片在翅片的所有侧面上附接到板。在一些实施例中，翅片的边缘的一部分未附接到板。
翅片的至少一部分中的每一个至少部分地附接到板以限定SFP，其中翅片至少部分地与板的空隙气密重叠，并且翅片的外围边沿的至少一部分附接到围绕板的空隙的外围边沿的一部分以使得在板的任一侧上方流动的流体与翅片进行接触。
根据一些实施例，以下中的至少一个：(i)不同凸起板的交替顺序；以及(ii)堆叠中的板的交替取向(相对于堆叠的纵向轴线)适于实现SFP上方和下方的同时的反向流体流、交叉流体流或半反向-交叉流体流。在一些实施例中，一对SFP实现了流体流方案，该流体流方案是反向流体流、交叉流体流和半反向-交叉流体流中的至少两个的组合。例如，在图1中描绘的该对SFP中，存在入口区和出口区之间的交叉流体流、翅片之间的反向流动、以及第一区和第三区之间的反向流体流和半交叉-反向流体流的组合。在一些实施例中，SFP的堆叠可以在相同HEFTAP中实现SFP上方和下方的同时的反向流体流、交叉流体流或半反向-交叉流体流中的一个以上。为此，堆叠包括至少两对相邻SFP，其各自提供反向流体流、交叉流体流或半反向-交叉流体流中的一个，其中每对提供不同类型的流体流。例如，至少一对相邻SFP提供反向流体流，而至少另一对SFP提供交叉流体流。
由于翅片和板之间的重叠，因此与现有技术的HEFTAP相比获得了改进的HEFTAP，其特征在于更少的空气泄漏、更有效的热交换，以及增加HEFTAP的结构耐用性和完整性。
在一些实施例中，交替顺序的不同凸起板适于实现板前方和后方的共存的反向流体流、交叉流体流或半-交叉反向流体流，并且向HEFTAP提供至少两组流动入口和两组流动出口，如美国专利申请公开号2014/0261764或本文进一步展示。
在一些实施例中，堆叠中的板的交替取向适于实现板前方和后方的相对反向的流体流。例如，在一些实施例中，板具有单个凸起设计，其在以头尾布置进行堆叠时实现期望的反向流体流。
现在参考图3，其描绘了根据本发明的又一方面的实施例的由耦接至翅片400的板300制成的SPF的前视图。
被定义为板300和翅片400的组合的每个SPF包括三个热交换区305A、305B和305C。热交换区305B大体对应于通过板300的切口的翅片400的暴露部分。热交换区305A和305C大体对应于板的区域，这些区域相对于热交换区305B的SPF每侧上方的流体流动方向分别位于上游和下游。三个热交换区305A、305B和305C根据所述顺序彼此连续地接合(即热交换区305A与热交换区305B接触，并且后者也与热交换区305C接触)。
在一些实施例中，沿着切口的周边，在切口附近设置有附接突起304的组，其适于保持下一个翅片在下一个板或相同板的切口周围附接到外围边沿，并且减小或消除下一个翅片与下一个板之间的间隙(即通过将“下一个翅片”推向下一个SPF的下一个板)。附接突起304还被设计为允许空气流从第一热交换器区305A传递到第二热交换器区305B，并且从第二热交换器区305B传递到第三热交换器区305C。为此，根据一些实施例，附接突起304被设计为分离点状突起的组。在图3中描绘的一些实施例中，附接突起304设置在板300的与SFP的翅片所附接到的表面相反的表面上。
根据一些实施例，附接突起设置在翅片应当被附接至的板的表面上。在这些实施例中，突起包括卡住凹槽(未示出)，其被设计为将翅片紧密接触地附接到板，同时与下一个SFP的下一个板保持一定距离。翅片可以卡住到其边缘上的凹槽中或通过其表面内的互补孔。
在一些实施例中，除了或代替分散在板上的附接突起或替代这些突起，将附接突起分散在翅片的外围边沿上(未示出)。在这些实施例的一些中，附件突起指向一侧。在一些实施例中，附接突起包括凹槽，以使得一旦通过板表面中的互补孔口按压突起就能够使突起与板表面卡住。
本发明的发明人已经发现：通过设计在流体进口区303A和/或流体出口区303B中的均匀化突起306的凸起，获得了由符合以上详细描述的大体结构的热交换板构成的热交换器中的热交换效率的增加。那些突起被配置为分别减小第一热交换区305A和第三热交换区305C中的不同通道突起316之间的非均匀流体质量流的量(即减小一个通道中的流体质量流与相同热交换区中的另一个通道相比的变化)，以及在翅片400上方沿着第二热交换区305B的量。在一些实施例中，在第一热交换区或第三热交换区中的一个缺少通道突起316的情况下，均匀化突起减小具有通道突起的热交换区中的不同通道突起316之间的不均匀流体质量流的量。通道突起316是一组平行纵向均匀分散的突起，其将流体流从入口引导到第二热交换区到其出口，或从入口以引导到第三热交换区引导到其出口。发明人进一步发现，分别在第一热交换区305A和第三热交换区305C中的沿通道316的流体质量流的均匀性(即，相同区中的不同通道具有相同或接近相同的质量流)可以通过调整通道316的形状、其相应位置、以及板300上的相邻通道之间的距离来进一步优化。在一些实施例中，第一热交换区和第三热交换区中的至少一个中的流体流通道分别包括在入口区或出口区附近的至少一个弯曲线突起。
在一些实施例中，分别在流体入口区303A和/或流体出口区303B中的均匀化突起306的拓扑(topology)包括：直线突起306A、弯曲线突起306B、点突起306C、不均匀间隔的突起线、不平行的突起线、不对准的起点和不对准的终点中的至少一个(在一些实施例中，为至少两个)。在一些实施例中，虚线突起选自L形和S形线中的至少一个。
通过运行计算机化的流体动力学(CFD)模拟来评估均匀化突起朝向更均匀质量流的上述拓扑的有效性，这些模拟在夹在两个相邻SFP之间的SFP的完整设计上执行。根据模拟结果，本领域技术人员可以修改初始拓扑并重新运行CFD模拟，以便确定该修改是否减小分别在第一热交换区305A和/或第三热交换区305C中，和/或在翅片400上方沿着第二热交换区305B的不均匀质量流。此类修改可以包括突起线的延长、更改曲线、改变突起高度、改变突起迎角、改变两个突起之间的空间或相对角度等。通过运行拓扑修改和CFD模拟的几次迭代，获得了优化的拓扑。在一些实施例中，CFD应用程序可以自动地执行对给定拓扑的微调优化以实现非均匀质量流的所述减小。
在一些实施例中，均匀化突起被设计成提供均匀流体质量流，或至少减小沿着分别在第一热交换区305A和/或第三热交换区305C中的通道突起316，和/或在翅片400上方沿着第二热交换区305B的质量流的偏差，在一些实施例中，即使在流的方向相反的情况下，即当流体从区303B流动到区303A时，也是如此。在一些实施例中，通道突起被设计为例如通过在入口和/或出口区(未示出)附近引入弯曲来减小质量流的偏差。
术语“均匀流体质量流”是指沿着热交换器区305A或305B中的通道的至少80％(在一些实施例中，至少85％、90％或95％)的与平均流速的最大质量流速偏离为30％(在一些实施例中，10％或20％)。
参考图4A-图4E，其分别描述了根据本发明另一个方面的实施例的翅片和管式热交换器的翅片400的前视图；该翅片的侧视图；翅片400的沿线A-A的局部截面；该翅片的等轴视图；翅片400的沿线B-B的局部截面；以及翅片的侧视图的局部放大图。
为了改进每个表面上方和下方的反向流动空气流之间的热交换系数，并且为了提供用于使相同的翅片上方和下方的各种空气流(具体地反向或交叉空气流)之间的气压均衡的方式，一系列贯通流体孔口(相对于翅片的主平面)404A可以在翅片和管式热交换器的翅片400中打孔，从而允许流体从翅片400的一侧传递通过到其另一侧。术语“贯通流体孔口”应当与前面提到的通孔区分开，通孔在组装热交换器时应当与热交换流体耦接并且不允许经处理流体(例如，空气)流动通过它们，而贯通流体孔口在组装和操作热交换器时保持打开状态以使经处理流体从翅片的一侧传递到另一侧。
在一些实施例中，贯通孔口404A被突起404B绕过。例如，在图4A-图4F中描绘的实施例中，孔口404为中空凹痕的形式，其具有被突起404B绕过的孔口404A，所有孔口相对于翅片400的主平面朝相同方向穿孔。孔口404A和旁路突起404B可以例如通过使用相应冲压工具来形成。在一些实施例中，穿孔可以分布在翅片的平面的上方和下方。在其他实施例中，孔口是没有绕过孔口的穿孔的翅片中的孔。在一些实施例中，通孔基本上位于一定区域中，其中缺少孔口并且具有从第一入口流向第一出口的空气流以及具有从第二入口流向第二出口的第二空气流的翅片的两侧之间的静压差约等于并且在一些实施例中小于入口和出口之间的压降的30％、在一些实施例中小于其20％、并且在一些实施例中小于其10％。术语“大约”在本文中是指与其所涉及的值相差最多20％。在一些实施例中，贯通流体孔口基本上与直线或曲线对准，其中翅片的两侧之间的静压差最小。在一些实施例中，如果翅片未包括孔口，则前述压差小于翅片两侧的相对流线之间的压降的30％、在一些实施例中小于其20％、在一些实施例中小于其15％。如本文所用的术语“基本对准”表示孔口中心位置与上述线偏离最多1mm，在一些实施例中最多2mm或最多5mm，在一些实施例中高达翅片和板上方的流线长度的1％、3％、5％、7％或10％。在一些实施例中，根据对至少三个连续的相邻SPF之间流动的空气流执行的计算机化流体动力学(CFD)模拟来确定该线。本领域技术人员将知道如何执行CFD模拟并找到相等的空气压力线。
在一些实施例中，包括贯通流体孔口的翅片的面积还大于耦接板的切口的面积。
在一些实施例中，热交换管孔402围绕至少一个贯通流体孔口均匀地分布。在一些实施例中，至少两个冷却流体管孔围绕至少一个贯通流体孔口均匀分布。
形成热交换流体管孔402以容纳贯穿热交换流体管(未示出)。如在图4F中所见，灰色箭头4000示意性地描绘了用于通过孔口404从翅片400的背面流动到其正面(反之亦然)的流体的可能路径。
参考图5A-图5C。HEFTAP 3000包括交替堆叠的一组SFP 301A和301B，每个SFP由成对板(302A或302B)和翅片400限定，并且如上所述以互换顺序交替布置。在一些实施例中，SFP 301A和301B彼此不同之处在于其相应板302A和302B的基本镜像凸起，或者至少在于具有其在堆叠时引导的流动模式的基本镜像。板302A和302B符合具有以下的大体结构：流体入口区303A、第一热交换器区305A、包括由切口曲线314限定的切口区的第二热交换器区305B、第三热交换区305C和流体出口区303B。每个SFP的板和翅片通过与板的切口周围的外围边沿重叠的翅片400的外围边沿，在SFP 301A和301B的切口区处彼此相邻地附接。
空气流510A是进入HEFTAP 3000的第一空气流。空气流510B是进入HEFTAP 3000的第二空气流。空气流510C是离开HEFTAP 3000的第三空气流，并且空气流510D是离开HEFTAP3000的第四空气流。
HEFTAP 3000的结构被设计为形成三重热交换设备。具体参考图5B，其描述了当HEFTAP 3000进行操作时在HEFTAP 3000的翅片400之间流动的各种空气流。图5C描绘了通过HEFTAP 3000并沿图5A中的横截面线AA的顶部部分和局部横截面。
空气流551是源自510A的第一空气流，其穿过第一热交换器区305A，在板302A和302B之间流动，然后通过第二热交换器区305B的第一部分的一部分，主要在翅片400之间流动，并且然后在凹痕404处，从第一空气流551分离出至少第一子流551A和第二子流552A，而第一空气流551A的一部分继续向前以与第四空气流554合并，如下文所述。
空气流552是源自510B的第二空气流，其穿过第三热交换器区305C，在板302A和302B之间流动，然后通过翅片之间的第二热交换器区305B的一部分。在凹痕404处，流至少分别分成第三子流553A和第四子流554A，而第二空气流553A的一部分继续向前以合并成第三空气流553，如下文所述。
第二子流552A和第三子流553A结合以形成第三空气流553，其在第二热交换器区305B的主要在翅片400之间的第一部分上方流动，然后沿相对于第一气流551相反的方向在第一热交换器区305A中流动，并且作为流510C离开HEFTAP。
第一子流551A和第四子流554A结合以形成空气流554，该空气流在第二SFP的所述第二区305B的一部分上方流动，然后沿相对于空气流552不同的方向在SFP的第三区305C中流动，并且作为流510D退出HEFTAP。
在每个翅片400的相对侧上方流动的空气流相对于彼此沿相反方向流动。
SFP 301A或SFP 301B的第一区305A被指定为在第一空气流551和第三空气流553之间交换热量。HEFTAP的第三区305C被设计为在空气流552和空气流554之间交换热量。取决于热交换器的应用，第二热交换器区305B被指定为冷却或加热。在一些实施例中，第二热交换器区305B是热的，例如用于巴氏灭菌。由外部冷却(或加热)流体产生的空气流和子流来自HEFTAP的外部。
不受理论的束缚，凹痕以及翅片400中的反向流/交叉流/半-反向交叉流方案(i)混合流并更新流的边界层。通过这样做，增加了翅片与流之间的热对流因数(并且在一些实施例中还有板与流之间的热对流因数)；(ii)减小第一热交换器区305A的两侧上的质量流速的偏差；以及(iii)减小第3热交换器区305C的两侧上的质量流速的偏差。
如前所述，高效的热传递在横向上(即，沿着与SFP的堆叠垂直的热交换器轴线)依赖于反向流或交叉流，或者依赖于HEFTAP的每个SFP的任一侧上的相邻通路上方的流体(具体地为空气)的部分交叉-反向流。发生在第二热交换器区305B中的流的大约一半之前的从流510A到SFP的另一侧上的相邻流510C(在一些设计中为510D)的子流交叉140(I型泄漏)，和/或发生在第二热交换区305B中的流的大约一半之前的流510B和510D(和/或在一些设计中为510C)之间的泄漏可能具有不同的影响：(i)为了使给定量的空气流通过第一热交换器区305A和第三热交换器区305C，应当增加空气流510A和510B的总容量以补偿此类泄漏，事实上增加系统的总噪声并且有时甚至增加能耗；(ii)如果流510A和510B的泄漏不是相对均匀的，则热交换器区305A和305B中的每一个将损失效率，(iii)另一方面，可以通过增加流量510C和510D来解决泄漏以便根据需要保持通过热交换器区305B的流(尽管噪声水平增加)。
使HEFTAP的反向流成为可能，这是因为阻塞和打开成对的相邻相对平面SFP之间流体通路的选择性区，SFP包括耦接到翅片的凸起板。本发明的发明人已经发现：在制备HEFTAP(诸如本发明中公开的HEFTAP)时，包括具有带适当高度的突起的外围横向凸起的相邻堆叠板之间的间隙可以通过向HEFTAP的面非选择性地施加粘合剂，在旨在为流体通过阻塞的特定位置处有效地和选择性地密封，而在旨在为流体流打开的位置处保持打开，从而暴露所述突起。
为此，在本发明的一些实施例中，HEFTAP包括具有横向外围突起的至少一个板，其中所述板被设计成在旨在当该板与另一板堆叠时要密封的外围位置处形成以下中的至少一个：
-外围突起与面向外围突起的相邻板的表面之间的间隙，其为足够窄的以使得施加的粘合剂能够填充间隙；以及
-在所述位置处的两个板的外横向宽度使得所施加的粘合剂在这些位置处环绕板的外边缘。
在本发明的一些实施例中，板被设计成在间隙应保持开放的位置(例如，入口和出口)处形成板的边缘和面向第一板的相邻板的边缘之间的间隙。所述间隙应大于允许所施加的粘合剂填充或环绕间隙的间隙，使得间隙保持打开。
术语“横向”是指沿垂直于所参考物体的主平面的方向。在横向外围突起的上下文中，措辞是指突起沿垂直于板的主平面的方向，使得当板与板堆叠在一起时，横向突起填充两个相邻板之间的间隙的至少一部分。在一些实施例中，外围突起可以另外具有平行扩展，例如，从板的主圆周边界向外。
在一些实施例中，具有如上所述的外围突起的板与翅片耦接以形成根据本发明的SFP，并且SFP堆叠以形成根据本发明或者如先前在美国专利申请公开号2014/0261764中描述的HEFTAP。
在一些实施例中，两个相邻SFP之间的间隙应保持对于流体流开放的位置以及它们应当在板的相同侧上被密封和驻留在的位置。在一些实施例中，它们驻留在HEFTAP的相同面上。
在粘合剂填充两个相邻板之间的边缘处的间隙的实施例中，不一定需要从边缘向内用粘合剂填充板之间的整个间隙。粘合剂应填充板的程度取决于许多因素，包括使用的板的特性，具体地表面的疏水性、粗糙度和表面张力，板的大小和重量，热交换器的应用，以及使用的粘合剂的类型。在一些实施例中，在板是PVC板的情况下，板之间的间隙由粘合剂在边缘处从板的圆周向内0.2mm至10mm密封。
在一些实施例中，间隙被设计成通过加热而不是使用粘合剂来选择性地密封。为此，这些板包括横向突起，这些横向突起被设计为在旨在要密封的位置处形成板的边缘和面向第一板的相邻板的边缘之间的足够窄的间隙，以使得这些板的边缘能够再施加热量时熔化和聚结，并且在旨在保持开放的位置处，板的边缘和面向第一板的相邻板的边缘之间的间隙应当宽于允许板的边缘在施加热量时熔化和聚结的间隙。当使用超声焊接时，可以应用该相同的原理。间隙在每个位置处的确切尺寸取决于所述位置处的材料类型、其宽度和所施加的热量。然而，给定这些参数，本领域技术人员将能够设计板以及用于相应地施加选择性密封的装置和方法。
使用具有窄与宽间隙的该原理的选择性密封的其他方式也在本发明的范围内，例如，通过超声焊接的密封。
参考图5A和图5C，外围突起308A-308D在板的边缘上从板的表面横向延伸。突起308A-308D位于应该阻止空气流进入板和相邻板之间的间隙的位置。突起308A-308D的垂直于板表面的侧面应当针对沿其所位于的边缘部分的空气流用作阻塞。相应地，板301A的边缘的部分308E和308F以及板301B的背面限定通路312A，该通路应当允许空气流进入或离开上述两个板之间的间隙。类似地，板301B上的对应部分和板301A的背面限定通路或间隙312B。
现在参考图5C-图5E。如前所述，为了增加反向空气流形成的效率并减小空气泄漏，在突起308A-308D的顶部(突起的面向相邻板的侧面)和所述板的表面之间的间隙514为用密封胶来密封。当使用粘合剂作为密封剂时，或者当通过施加热量来密封间隙时，满足附加目标，即将板彼此粘附增加了板堆叠的坚固性。当施加粘合剂以密封这些间隙时必须非常小心，从而不会意外地阻塞对于空气流应保持开放的间隙(例如，在板302A的边缘的部分308E与相邻板302B之间)。
本发明的发明人已经发现，如果(i)突起308A-D的顶部和相邻板之间的间隙514(图5C)在允许将粘合剂516芯吸到间隙514中的范围内，或者(ii)在要密封的位置处的两个板的外横向宽度足够小以允许粘合剂在所述位置处环绕518板的外边缘，或者(iii)两者—以芯吸到间隙中并环绕它520，则可以将粘合剂非选择性地施加到HEFTAP 3000的整个表面320(图5D)并且仅在阻塞位置322处获得选择性密封，同时保持入口和出口打开(图5E)，这是在限定流体流出口或入口的间隙(诸如312A或312B)(也参见图5A)分别足够大以避免粘合剂粘附到限定所述入口的底表面和顶表面的状况下。为了比较，HEFTAP 3000的面330将被完全密封。在一些实施例中，间隙312A或312B至少是当滴在由板302A和302B的表面的相同材料制成的表面上时形成的粘合剂的液滴的尺寸。另一方面，在旨在对于流体流被阻塞的位置处的最大间隙应当小于所述液滴的直径。在一些实施例中，横向外围突起308A-D全部相等并且确定板302A上的最高突起。因此，当两个相邻板堆叠在一起时，突起308A-D的高度确定间隙312A或312B的高度。在此类实施例中，突起308A-D的高度应当至少是当滴在由板302A和302B的表面的相同材料制成的表面上时形成的粘合剂的液滴的尺寸。在一些实施例中，粘合剂在板之间形成凸形弯月面，并且在一些实施例中，它形成凹形弯月面。在一些实施例中，当需要选择性密封时以及当需要非选择性密封时，施加不同类型的粘合剂。
有效地选择性密封需要被密封的位置而不是需要保持未密封的位置所需的间隙的确切尺寸取决于制造板的材料类型、所使用的密封剂/粘合剂、稀释溶剂和密封剂/粘合剂的浓度。本领域技术人员可以针对每种特定情况确定上述尺寸。不限于此，当施加到PVC板之间的间隙的粘合剂是从Denber Paints and Coatings Sderot Israel(以色列丹伯涂料有限公司)获得的Gray Galvanizing Totgum(灰镀锌涂料)涂料(目录号369002)，并且由甲苯/石油溶剂混合物(从Denber Paints and Coatings Sderot Israel获得的D-18)以1:2至1:3的粘合剂与稀释剂比率进行稀释时，旨在针对流体流阻塞的位置处的间隙可以达到0.7mm，并且旨在针对流体流开放的位置处的间隙至少为2.0mm。在前述示例中，通过在室温下刷涂来施加粘合剂，并通过在约60℃下施加热量来干燥粘合剂。
在一些实施例中，在两个相邻板的边缘之间的间隙足够小，并且所使用的密封剂的毛细因数允许这样的情况下，HEFTAP 3000的笔直面330(图5d)可完全浸入在液化密封剂中并拉出，并且密封剂的毛细作用将致使密封剂有效地气密填充和闭合板之间的间隙。在一些实施例中，当处理凸形面320时，其以一定速率从该面的一端到另一端顺序地浸入在液化密封剂中，该速率允许允许液化密封剂气密填充和闭合边缘之间的间隙，这些间隙是足够小的并且旨在被密封。在具有弯曲凹形面的一些实施例中，通过其他方式来处理该面(诸如用刷子刷涂)。
在一些实施例中，代替施加密封剂或粘合剂，加热板的边缘，使得小间隙聚结并闭合间隙而大间隙保持开放。这里再次，反复试验可以确定保持通路开放所需的最小间隙，以及导致边缘聚结的最大间隙，这取决于制板材料的类型、所施加的温度和施加热量的持续时间。在一些实施例中，通过超声焊接来聚结间隙。
在一些实施例中，在放置第一翅片之前将端板放置在组装表面上，并且将第一翅片铺设在所述端板(601)的顶部上。在该情况下，端板包括适于允许热交换流体管穿透该板的至少一个通孔。
根据本发明，翅片和板的对应切口的相对尺寸决定了用于生产包括翅片和板的HEFTAP的方法。现在参考图6，其描绘了描述根据本发明的用于制造HEFTAP的方法的流程图。将根据本发明的第一翅片铺设在组装表面(602)的顶部上。
在一些实施例中，在放置第一翅片之前，通过端板的通孔插入至少两个纵向引导管或杆(并且在一些实施例中，通过所述引导管或杆插入端板)，并且此后通过纵向管将翅片铺设在端板的顶部上(601)，这些纵向管用作用于将翅片(以及随后的板)铺设在正确位置的引导件。在一些实施例中，管是热交换流体管。在一些实施例中，至少两个管由圆柱形引导杆代替。在一些实施例中，端板包括相对于板的主平面为横向的外围侧壁，其适于将热交换板的第一层限制在由所述壁限定的空间内。在一些实施例中，端板包括侧壁，这些侧壁相对于板的主平面为横向的并且远离翅片延伸，从而限定用于纵向管之间的连接的壳体。在一些实施例中，具有互补结构的夹具被用作用于堆叠翅片和板(以及任选地端板)的对准辅助。
在一些实施例中，在面向端板的一侧上将粘合剂施加到翅片的边缘。
将根据本发明的热交换器的第一板放置在热交换器的第一翅片上(604)。放置该板，其中该板的面应与在先前步骤中面向翅片(即面朝下)放置的翅片接触(为方便起见，本文中参考其中竖直执行组装的实施例使用术语“向下”。然而，应当认识到其他替代方案也是可用的，诸如水平地)。将板放置在翅片上方，使得板的空隙(或切口)与翅片的一部分重叠。在一些实施例中，板的切口与包括用于热交换管的至少一个通孔的翅片部分重叠。当相关时，切口还包围从组装表面竖立的管。在一些实施例中，翅片粘附到板。为了将翅片粘附到板上，在放置板之前，在围绕切口的外围边沿的部分上方施加粘合剂。在一些实施例中，将粘合剂施加在翅片的边沿上方以与板接触。可以通过本领域已知的常规实践方法来施加粘合剂，例如可以铺设一个或多个热活性粘合剂条带，随后通过用加热器加热堆叠来激活这些条带。
在板和/或翅片包括被设计成通过卡扣来附接翅片和板的附接突起和对应凹槽的实施例中，施加足够的力以便使翅片卡扣到位。
由此获得了包括与板式热交换器(SFP)的板耦接的翅片和管式热交换器的翅片的组。
将新翅片放置在先前步骤中铺设的板上方，使得翅片的贯穿管孔被对准以使得能够在以后阶段通过孔插入热交换流体管(606)。在一些实施例中，板包括被设计成面向下一个翅片并且将下一个翅片附接到下一个板的附接突起。在这些附接突起包括用于将下一个翅片卡扣到位的凹槽的实施例中，向第二翅片施加适度的力以将第二翅片卡扣在所述凹槽中。
将新板铺设在先前步骤中铺设的翅片上方(608)。在一些实施例中，放置板以使得其与第一板完全对准。在其中板的交替布置负责每个板上方和下方的反向/交叉流(或半反向-交叉)的实施例中，不同凸起的板交替堆叠。为此，在此阶段，将具有第二类型的凸起的板(例如，第一板的凸起的镜像)放置在翅片上方。注意面向正确方向地放置板以实现反向/交叉(或半反向-交叉)空气流。在其中板的水平定位导致反向空气流的实施例中，注意将板放置在正确的取向上。
在一些实施例中，代替交替地插入板和翅片，首先将板耦接到翅片以获得SFP，并且通过纵向管插入预组装的SFP以获得SFP的堆叠。在此类实施例中，将SFP插入具有不同凸起板的SPF的交替序列中，或以适用于在每个板上方和下方产生反向/交叉流(或半反向-交叉)的交替取向插入SFP。
重复步骤606至608，直到获得期望长度的热交换SFP的堆叠(610)。堆叠的长度是从HEFTAP在其安装在的装置中的对应应用导出的。技术人员将会知道相应地限定该长度。
在一些实施例中，以相反顺序执行堆叠，首先从铺设板开始，然后是翅片，依此类推。
在一些实施例中，端板覆盖顶部热交换板(611)。在一些实施例中，通过将两个端板连接到至少一个固定连杆来压缩堆叠并且固定压缩状态。
在一些实施例中，端板还通过连接装置(诸如螺栓)组装到堆叠，例如组装到顶部和/或底部翅片或板。
通过翅片中的管孔插入热交换器流体管(612)。在一些热交换流体管在预备步骤被插入作为引导管的实施例中，则在该阶段仅插入剩余管。在一些实施例中，通过第一端板插入所有纵向热交换管，从而使该步骤无效。在一些实施例中，管的直径略小于孔的直径，并且在将管插入孔之后，管被进行吹气以膨胀并紧密地装配在容纳孔中。在一些实施例中，在组装HEFTAP之后对管吹气，以便增加翅片和管之间的热传递区域和/或以便将堆叠保持在适当位置。
在一些实施例中，管经由连接流体管彼此连接。管中的一个连接到入口管，并且管中的一个连接到出口管。在一些实施例中，如将在后面详细解释的那样，对所获得的HEFTAP的面进行处理，以便选择性地在旨在对于流体流阻塞的外围位置处密封相邻板之间的间隙。
现在参考图7，其描绘了根据本发明的又一个方面的用于选择性地密封板式热交换器的相邻板之间的间隙的方法的流程图。获得包括至少一个面的板式热交换器，该面包括宽间隙和窄间隙(702)。改变的间隙是包括符合上述状况的横向外围突起的板的边缘的结果。
将粘合剂施加到包括板边缘的板式热交换器的至少一个面(704)，以便在至少一个面处获得选择性密封的板式热交换器(或HEFTAP)。可以通过刷涂、浸入(浸入到包含粘合剂的容器中)、喷涂、注入、铺展、或本领域中任何其他已知方法来施加粘合剂。在一些实施例中，在将板设计为通过加热或通过超声焊接来选择性地聚结的情况下，则在板式热交换器的整个面上执行加热或超声焊接。
在一些实施例中，方法还包括将粘合剂施加到HEFTAP的多于一个面(706)。
在一些实施例中，方法还包括使粘合剂干燥(708)。在一些实施例中，干燥包括空气干燥。在一些实施例中，方法还包括在将粘合剂施加到HEFTAP的另一面之前使粘合剂干燥。
在一些实施例中，粘合剂选自胶和涂料中的至少一者。在一些实施例中，通过浸入、刷涂、注入和喷涂中的至少一种来施加粘合剂。粘合剂的施加可以手动或通过自动机械执行。在一些实施例中，在没有粘合剂的情况下施加密封，诸如：加热或超声焊接。在一些实施例中，对本发明的HEFTAP应用用于选择性密封的方法。
在用于选择性地密封板式热交换器的相邻板之间的间隙的另一种方法中，SFP的堆叠是由具有边缘的板制备的，这些边缘在阻塞流的部分中彼此卡扣。为此，SFP的板的外围突起308A-308D具有在板的另一平面上的对应凹陷部，使得当板被堆叠时，一个板的突起进入相邻板的凹陷部。在一些实施例中，突起被设计成当板被堆叠时沿着对应凹陷部的壁进行接触，使得沿着外围突起/凹陷部形成连续密封块。
在另一个方面中，本发明提供了一种实现制冷过程的装置，该装置包括压缩机、蒸发器、膨胀设备(例如，膨胀阀、毛细管)和蒸发器，其中冷凝器是如上所述的由板式热交换器(HEFTAP)包围的翅片和管式热交换器，其中蒸发器位于HEFTAP的下游，使得离开HEFTAP的空气流流过蒸发器。装置可以是水提取装置(大气水生成器)、干燥器(例如，衣物干燥器)或安装在除湿窑中。
在一些实施例中，HEFTAP包括允许空气泄漏的间隙，使得通过蒸发器的质量流速高于通过冷凝器的质量流速。这些泄漏是以下中的至少一个：(i)翅片和翅片上游的板之间的连接区域的至少一部分，以及(ii)阻塞突起与相邻板之间的接触线的至少一部分。
在又一个方面，本发明提供了一种实现制冷过程的装置(制冷装置)，其包括压缩机、冷凝器、膨胀设备(例如，膨胀阀、毛细管)和蒸发器，其中蒸发器是如上所述的由板式热交换器包围的翅片和管式热交换器，其中冷凝器位于HEFTAP的下游，其中离开热交换器HEFTAP的空气流流过冷凝器。在一些实施例中，热交换器HEFTAP包括允许流体(例如空气)泄漏的间隙，使得通过冷凝器的质量流速高于通过蒸发器的质量流速。这些间隙位于以下中的至少一个处：(i)翅片和翅片上游的板之间的连接区域的至少一部分，以及(ii)阻塞突起与相邻板之间的接触线的至少一部分。
现在通过示例的方式参考图8，其描绘了根据本发明的实施例的水提取装置(大气水生成器)800。装置800包括具有空气入口804和空气出口806的容器802，根据前述的本发明的实施例，容器802容纳屏障808、空气过滤器(任选)810、鼓风机812、压缩机814、冷凝器816、膨胀阀818、HEFTAP 3000，包括由板式热交换器包围的用作蒸发器820的翅片和管式热交换器，以及一组制冷剂管822、824、826和828。本领域技术人员将知道进行必要的常规调整和添加补充元件以使系统正常工作。压缩机814被配置为将制冷剂压缩为高温干燥气体，该高温干燥气体可以通过管822流向冷凝器816。在冷凝器内，制冷剂可能被冷却并且变成饱和高温液体。制冷剂液体可以流过管824，流过膨胀阀818，成为流体和气体的低温混合物，然后流过管826朝向蒸发器820，其中液体然后可以蒸发通过管828回到压缩机814的入口以完成循环。冷凝器816从制冷剂循环发出热量，并且蒸发器820将热量吸收到制冷剂循环中。
靠近容器802的出口806定位的鼓风机812被配置为通过空气过滤器810(可选的)从空气入口804激励空气流830，然后空气流830可以分成两个子流830A和830B以通过两组入口进入HEFTAP 3000，其中多个反向空气流交换热量并且被去除湿气。空气流836A和836B可以通过HEFTAP 3000的两组出口离开并且组合成空气流836，该空气流穿过位于HEFTAP3000下游的冷凝器816。从HEFTAP 3000的两组出口离开的两个空气流836A和836B可以冷却冷凝器816。图8描绘了两个子流(或空气流)836A和836B在冷凝器816下游会聚成单个838流，然而，应当理解，子流836A和836B也可以在流过冷凝器816之前会聚或开始会聚。流838进入鼓风机812并且作为流840离开装置。从HEFTAP提取的水可以被收集到储水器842中。为了补偿HEFTAP中的空气泄漏(分别为I型泄漏832和II型泄漏834)，鼓风机812抽吸额外的空气流以满足所需的水提取率。因此，由于存在泄漏，流过冷凝器816的空气质量流比流过蒸发器820的空气质量流更多。通过冷凝器的高流速有助于增加冷凝器816的热交换速率，减小其平均温度，并且由此增加系统800的COP，但同时其也增加鼓风机功率消耗。因此，本领域技术人员可以在保持一些泄漏与密封至少一部分泄漏之间找到平衡以便获得系统的最佳性能。因此，在一些实施例中，通过使前述间隙的至少一部分密封来防止部分的泄漏。
在本发明中公开的HEFTAP(其涉及食品产品或食品级产品(包括饮料和具体地包括水)的处理或提取)的实施例中，则与经处理的流体或产品接触的材料由食品级材料制成。
还应当注意，在一些实施例中，在使用升高温度的具体地此类实施例中，则在过程期间被加热的部件应由可维持这些温度的材料制成。在一些实施例中使用在50℃下稳定的材料，在一些实施例中使用在60℃下稳定的材料，并且在一些实施例中使用在90℃下稳定的材料。
示例
示例1
从空气中提取水的效率参数之一是表示在给定相对湿度和温度下从空气中提取一定量的水所投入的能量的量的图。例如，标准ANSI/AHAMDH-01-2008限定了能量因数(E.F)，该能量因数表示在26.7℃/60％RH的标准大气状况下的所提取的水量(以升为单位)除以所消耗的电功率(以KW*Hr为单位)。本发明能够使用C.O.P为3的压缩机来达到E.F＞3.3，从而抽取超过23升/天，其中在小于0.02m3的装置体积下，空气流速为约250m3/Hr，而没有冻结。如果使用现成的鼓风机和压缩机，则在空气出口中心前方一米处测量时，此类系统的噪声水平可以小于55dBA。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。

Claims (21)

1.一种热交换器，包括：
翅片和管式热交换器，所述翅片和管式热交换器包括翅片的堆叠，所述翅片包括与穿过的热交换管耦接的至少一个通孔，并且所述翅片的至少一部分包括至少一个贯通流体孔口，允许流体从所述翅片的一侧传递到另一侧；以及
板式热交换器，所述板式热交换器包括板的堆叠、至少两组流动入口和两组流动出口，所述板的至少一部分包括空隙和凸起，
其中，
所述翅片和管式热交换器的所述翅片的至少一部分中的每一个至少部分地附接到所述板式热交换器的对应的板或被该板包围，以限定翅片和板的组(SFP)，使得在所述板的任一侧上方流动的流体与所述翅片进行接触；
并且其中，(i)不同凸起的板的交替顺序和(ii)堆叠中的板的交替取向中的至少一者适于实现以下流体流中的一者或多者：在所述翅片和板的组(SFP)上方和下方的(i)同时反向流体流、(ii)交叉流体流或(iii)半反向-交叉流体流。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，
所述板的第一部分各自包括凸起，该凸起被配置为在相邻的板之间将第一流体流从第一流体入口区引向第一热交换区，然后从相邻的板之间引向第二热交换区，然后从相邻的翅片之间引向第三热交换区，并且然后引导到第一流体出口区上方；
所述板的第二部分各自包括凸起，该凸起被配置为同时在相邻的板之间将第二流体流从第二流体入口区上方引向第三热交换区，然后从相邻的板之间引向第二热交换区，然后从相邻的翅片之间引向第一热交换区，并且然后引导到第二流体出口区上方。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，从所述第一流体入口区流向所述第二热交换区的流体在所述第一热交换区中通过板表面与同时在所述板的另一侧上流动的反向流体流、交叉流体流或半-交叉反向流体流交换热量，然后所述流体流在所述第二热交换区中与暴露的翅片交换热量，然后在所述第三热交换区中通过所述板与所述板的另一侧上的反向流体流、交叉流体流或半-交叉反向流体流交换热量，并且通过所述第一流体出口区离开。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述板的所述空隙是由所述板的内边缘限定的切口，并且在所述翅片附接到所述板的情况下，所述切口的面积小于所述翅片的面积。
5.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，翅片边缘被粘附到所述板的表面。
6.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述至少一个贯通流体孔口使得来自在所述翅片上方流动的流的子流能够流过所述通孔，并且与在所述翅片后面流向另一方向的子流合并。
7.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，突起绕过所述至少一个贯通流体孔口。
8.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述至少一个流体孔口位于一区域中，其中缺少所述孔口并且具有从第一入口流向第一出口的空气流以及具有从第二入口流向第二出口的第二空气流的翅片的两侧之间的静压差小于所述入口和所述出口之间的压降的30％。
9.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述板由导热系数小于
Figure FDA0003664815270000031
的材料制成。
10.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述翅片由导热系数高于
Figure FDA0003664815270000032
的材料制成。
11.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述翅片至少部分地与所述板的所述空隙重叠，并且所述翅片的外围边沿的至少一部分被附接到所述板的所述空隙周围的外围边沿的至少一部分。
12.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述板包括横向外围突起，所述横向外围突起被设计成在所述板堆叠时形成以下项中的一个：
(a)以下项中的至少一个：
i.所述板中的第一板上的所述外围突起与面向所述外围突起的所述板中的相邻的板的表面之间的间隙，该间隙为足够窄的以使得施加的粘合剂能够填充该间隙；以及
ii.所述第一板和所述相邻的板的外横向宽度，使得所施加的粘合剂能够环绕所述板的外边缘；
在用于待密封的外围位置处，
并且其中，所述第一板被设计成当所述第一板与所述相邻的板堆叠时形成间隙，在该间隙应当保持开放的位置处该间隙位于所述第一板的边缘和所述相邻的板的面向所述第一板的边缘之间，该间隙大于这样的间隙，允许所施加的粘合剂填充或环绕该间隙，使得该间隙保持打开；
或者
(b)在所述外围突起和面向所述外围突起的所述相邻的板的表面之间的间隙，该间隙为足够窄的以使得所述板的边缘在加热时能够熔化和聚结；并且
在旨在要密封的外围位置处，
并且其中，所述第一板被设计成当所述第一板与所述相邻的板堆叠时形成间隙，在该间隙应当保持开放的位置处该间隙位于所述第一板的边缘和所述相邻的板的面向所述第一板的边缘之间，该间隙大于这样的间隙，允许所述板的边缘在施加热量时熔化和聚结，使得该间隙保持打开。
13.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述板还包括流体入口区、第一热交换区、第二热交换区、第三热交换区和流体出口区，所述流体入口区和所述流体出口区中的至少一个包括均匀化突起，所述均匀化突起被配置为减小在第一热交换区的不同流体流通道突起之间、通过所述第二热交换区、然后通过所述第三热交换区并且然后通过所述流体出口区的非均匀流体质量流的量。
14.一种根据权利要求1或2中任一项所述的热交换器的板。
15.一种启用制冷过程的装置，包括压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器，其中，所述蒸发器是根据权利要求1或2所限定的热交换器的翅片和管式热交换器，其中，所述冷凝器位于所述热交换器的下游，使得离开所述热交换器的空气流流过所述冷凝器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述热交换器包括允许流体泄漏的间隙，使得通过所述冷凝器的质量流速高于通过所述蒸发器的质量流速。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述间隙位于以下项中的至少一个处：(i)翅片和所述翅片上游的板之间的连接区域的至少一部分和(ii)阻塞突起和相邻的板之间的接触线的至少一部分。
18.一种实现制冷过程的装置，包括压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器，其中，所述冷凝器是根据权利要求1或2所限定的热交换器的翅片和管式热交换器，其中，所述蒸发器位于所述热交换器的下游，使得离开所述热交换器的空气流流过所述蒸发器。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述热交换器包括允许流体泄漏的间隙，使得通过所述蒸发器的质量流速高于通过所述冷凝器的质量流速。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述间隙位于以下项中的至少一个处：(i)翅片和所述翅片上游的板之间的连接区域的至少一部分，以及(ii)阻塞突起和相邻的板之间的接触线的至少一部分。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的装置，其中，所述装置选自大气水生成器、干燥器和除湿器。
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