CN113375485A - 热交换器芯体、热交换器及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换器芯体、热交换器及换热方法，该热交换器包括制冷剂/空气热交换器芯体和空气/空气热交换器芯体，每个热交换芯体至少具有一个制冷剂通道和一个并排设置的板之间的第一空气通道、第二空气通道。制冷剂通道由带有腹板、隔板、第一凸缘、第二凸缘和凸台的挤压型材形成。制冷剂通道的端部由外板包围，并且交替的隔板部分被缩短构成第一间隔，从而形成用于制冷剂通过的单向蛇形路径。本发明用于压缩空气的换热，具备换热效率高、结构紧凑的特点。

Description

热交换器芯体、热交换器及换热方法

技术领域

本发明涉及一种制冷剂/空气热交换器及其换热方法，属于热交换技术领域。

背景技术

热交换器芯体制成的热交换器可用于压缩空气系统中。在很多领域，例如食品工业、造纸工业和医疗领域，都需要干燥的压缩空气，而压缩空气主要由空气压缩机产生。众所周知，空气压缩机将空气吸入后，将空气压缩为高温高压的压缩空气，此时的压缩空气为湿空气，高温高压的压缩空气通过冷却器后，降为常温高压的压缩空气，此过程中会析出一部分水，所以还需要进一步干燥。

常见的处理方法是将空气继续通过一个包括空气/空气与制冷剂/空气热交换器的装置，使压缩空气在与制冷剂热交换的过程中，温度降低到3～10℃以下，析出冷凝水，再通过水分离器将冷凝水排除，最终得到常温干燥的压缩空气。

空气/空气热交换器通常以传统结构的板式热交换器的方式制造，而制冷剂/空气热交换器通常是以管/板式热交换器的结构制造，其具有板式的空气通道，两空气通道之间有管结构的制冷剂通道。两种不同的换热结构如何高效结合是面临的难题之一，另一方面，管/板式热交换器结构中存在的缺点是，各管路末端的弯曲偏转部分通常位于实际换热空间之外，不参与热交换，造成额外成本，同时管路的截面是全封闭的，制冷剂在与空气换热时的热阻较大。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种热交换器芯体及热交换器以及用于压缩空气的换热方法，使得制冷剂管路末端的弯曲偏转部分参与到换热过程中来，并且改变制冷剂流道的截面特性，提高换热效率，提高换热器的紧凑程度，降低使用成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

热交换器芯体，包括，

至少三块平行且间隔布置的板，三块相邻的板之间形成了长度和宽度相等的第一间隔区域和第二间隔区域；

所述第一间隔区域内设置有第一气态换热介质流道，第一气态换热介质流道包括位于第一间隔区域长度方向表面的第一入口和第一间隔区域宽度方向表面的第一出口；

所述第二间隔区域内设置有第二气态换热介质流道和液态换热介质流道，第二气态换热介质流道包括位于第二间隔区域长度方向不同表面的第二入口和第二出口，液态换热介质流道包括位于第二间隔区域长度方向同一表面但位置不重合的第三入口和第三出口；

所述液态换热介质流道为单向蛇形流道(单向的意思是指不回流，单一进口，单一出口)，单向蛇形流道包括平行于第二间隔区域宽度方向的多条直线流道，以及连通相邻两条直线流道的转弯流道，转弯流道位于第二间隔区域内部。

进一步，所述第一间隔区域内设置有封条，且封条沿着第一间隔区域的外轮廓走向布置，封条在第一入口和第一出口处断开，封条与形成第一间隔区域的两块相邻的板构成了单向流动的第一气态换热介质流道。

进一步，所述第二间隔区域内设置有封条，且封条包括，

沿着第二间隔区域的外轮廓走向布置的封条，封条在第二入口、第二出口和转弯流道处断开；

位于液态换热介质流道和第二气态换热介质流道之间并将二者分隔开的封条。

进一步，所述第二间隔区域内设置有型材，且型材包括，

腹板，所述腹板紧贴形成第二间隔区域的两块板中的一块，腹板沿着板宽度方向延伸，腹板的长度等于板的宽度；

隔板，所述隔板位于形成第二间隔区域的两块板之间，隔板的一端与板连接，另一端与腹板连接，且隔板沿着板宽度方向延伸，隔板平行于板宽度方向的一个末端距离板长度方向的轮廓边缘有一段第一间隔，且相邻隔板末端的第一间隔不在同一侧；

第一凸缘，所述第一凸缘位于隔板远离腹板并与板连接的一端，且沿着板的长度方向向左凸起；

第二凸缘，所述第二凸缘位于隔板远离腹板并与板连接的一端，且沿着板的长度方向向右凸起；

凸台，所述凸台位于隔板平行于板宽度方向的末端，且延伸至板长度方向轮廓的外侧，每两块相邻的隔板末端各有一个凸台，且两个凸台不在两块相邻隔板的同一侧末端；

腹板、两块相邻的隔板、第一凸缘和第二凸缘围合成的区域形成单向蛇形流道中的直线流道，直线流道的截面为凸字形，且第一凸缘和第二凸缘之间有一条缺口；

隔板末端的第一间隔连通该隔板两侧的直线流道，形成转弯流道。

进一步，热交换器芯体还包括外板，所述外板位于两个同侧并相邻的凸台之间，且沿着板的厚度方向延伸。外板作用与封条类似，封堵制冷剂通道的两端，需要通过焊缝(例如手工氩弧焊)将存在的间隙填满，保证制冷剂不泄漏。

进一步，所述型材通过整体挤压成型。

进一步，所述型材为铝或铝合金。

进一步，所述第一间隔和凸台通过铣削型材上的隔板和腹板获得。

以上仅描述了两块板之间只有一个液态换热介质流道和一个气态换热介质流道的情况，本发明还可以扩展为两块板之间有多个液态换热介质流道和多个气态换热介质流道的情况，例如液态换热介质流道和气态换热介质流道在两块板之间间隔交替布置的方式，此时，第三入口、第三出口、第二入口和第二出口相应调整。

一种热交换器，包括前述的热交换器芯体，其中，

所述第一出口与液态换热介质流道位于板长度方向的同一侧；

所述第一入口和第二入口位于板宽度方向的同一侧，且第二入口靠近液态换热介质流道，而第一入口远离液态换热介质流道；

所述第二出口、第三入口和第三出口位于板宽度方向的同一侧，且与第一入口和第二入口不在同侧，第二出口远离液态换热介质流道。

一种采用前述热交换器的换热方法，用于压缩空气的换热，其中，

加热后的压缩空气通过第一入口进入热交换器芯体并从第一出口流出；

回流空气通过第二入口进入热交换器芯体并从第二出口流出；

制冷剂从第三入口进入热交换器芯体并从第三出口流出；

所述回流空气为第一出口流出的空气。

本发明基于解决现有技术中存在的问题，设计了一种紧凑的，低成本的制冷剂/空气热交换器芯体，用于热交换器和压缩空气的热交换。

本发明使用的挤压成型的型材形成多个平行的流动管道作为液态换热介质流道中的直线流道，每个流通管道通过隔板到板之间的第一间隔形成偏转部分，从而作为转弯流道连接两侧的直线流道，进而便于形成用于制冷剂通过的蛇形路径。由于结构中，所有直线流道和转弯流道都在两块板内部，所以都能参与热交换，提高了换热效率。

型材可以通过挤压和铣削产生，型材与板通过钎焊焊接到一起，可大大减少焊接时间，降低成本。

型材中的腹板、两块相邻的隔板、第一凸缘和第二凸缘围合成的区域形成单向蛇形流道中的直线流道，且第一凸缘和第二凸缘之间不闭合，形成一条缺口，缺口的存在，使得缺口处的制冷剂与板另一侧的空气换热时，其传热过程为：板另一侧的空气将热量传递到板，然后直接从板传递到缺口处的制冷剂，该传热过程减少了挤压型材缺口处材料的热阻，从而提高了换热效率。

采用本发明的热交换器芯体和热交换器，可以提高压缩空气的热交换效率，提高热交换器的紧凑程度，减少热交换器的空间占用，降低能耗和换热成本。

附图说明

图1是用于压缩空气系统中干燥机的热交换器的示意图；

图2和图3分别是沿图1中A-A截面和B-B截面的剖面图；

图4是图1热交换器的制冷剂/空气热交换器芯体放大正视图；

图5是图4中C-C截面的剖面图；

图6是图4制冷剂/空气热交换器芯体的制冷剂通道的部分放大前视图；

图7是图6的制冷剂通道的平面图；

图8是本发明中型材的平面图；

图9是图8中D-D截面的放大剖面图；

图10是型材的立体结构图；

图中：1-制冷剂/空气热交换器芯体；2-空气/空气热交换器芯体；3-热交换器芯体；4-板；5-第一封条；6-第二封条；7-第三封条；8-第一空气通道；9-第一空间；10-第一入口；11-第一出口；12-第四封条；13-第五封条；14-第六封条；15-第七封条；16-第二空气通道；17-第二空间；18-第二入口；19-第三空间；20-第二出口；21-第八封条；22-外板；23-制冷剂通道；24-第三入口；25-第三出口；26-型材；26a-腹板；26b-隔板；26c-第一凸缘；26d-第二凸缘；26e-凸台；27-缺口；28-流通管道；29-凹槽；29a-半凹槽；30a-第一端部；30b-第二端部。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

需要说明的是，本实施例中，板4的长度方向是指图2和图3中箭头X的方向，板4的宽度方向是指图2和图3中箭头Y的方向，板4的厚度方向是指垂直于箭头X和箭头Y共同确定的平面的方向(即板4的厚度)。第一(第二)间隔区域长度方向表面是指两块板4之间形成的长方体区域中平行于箭头X方向的长方体外表面，同理，第一(第二)间隔区域宽度方向表面是指两块板4之间形成的长方体区域中平行于箭头Y方向的长方体外表面。

如图1～图9所示，为用于压缩空气系统中的冷冻式干燥机的组合热交换器，包括图1～图3中左侧部分的“制冷剂/空气热交换器”，以及右侧部分的“空气/空气热交换器”。图1～图3中展示了制冷剂/空气热交换器芯体1和邻接的空气/空气热交换器芯体2的主体结构，这两者结合在一起以形成整体的换热器单元，并形成一个单个连续的热交换器芯体3。当然，也可以将制冷剂/空气热交换器芯体1和空气/空气热交换器芯体2作为单独的单元生产和操作。

如图1，制冷剂/空气热交换器芯体1和空气/空气热交换器芯体2主要由相互平行的、矩形的板4在空间间隔布置而成。任意三块板4之间形成了两个换热区域，其中一个区域内包含空气换热流道，另一个区域内同时包含空气换热流道和制冷剂换热流道。

根据图1和图3，板4的一部分，一方面，在其右侧端部与第一封条5连接。在另一方面，在其前、后端部分别与第二封条6、第三封条7连接，并以一定距离成对保持。并且，板4之间的第一空气通道8上的第三封条7略短，可以在右侧端部与第三封条7之间形成空间9作为第一入口10，空气从箭头处的第一入口10进入热交换器芯体3，从箭头处的第一出口11离开热交换器芯体3。

板4的另一部分被示出在图1和图2中，板4在其右侧端部与第六封条14连接，在空气/空气热交换器芯体2与制冷剂/空气热交换器芯体1连接的分界部分，与第四封条12连接，第四封条12、第六封条14以一定距离成对保持，在其前、后端部分别与第五封条13、第七封条15连接，以一定距离成对保持。并且，板4之间的第二空气通道16上的第五封条13略短，可以在右侧端部与第六封条14之间形成第三空间19作为第二出口20，第七封条15略短，可以在空气/空气热交换器芯体2左侧端部与第四封条12之间形成第二空间17作为第二入口18，空气从箭头处的第二入口18进入热交换器芯体3，从箭头处的第二出口20离开热交换器芯体3。

在制冷剂/空气热交换器芯体1中，限定第二空气通道16的板4同样用于形成蛇形的制冷剂通道23。制冷剂通道23从左侧端部的第八封条21延伸到中间第四封条12，制冷剂从箭头处的第三入口24进入热交换器芯体3，从箭头处的第三出口25离开热交换器芯体3。

在上述结构中，一块板4与第一空气通道8、另一块板4交替，第二空气通道16和制冷剂通道23处于叠加平面中，其中，在每一个平面中存在至少一个第一空气通道8或第二空气通道16、制冷剂通道23。

箭头处标记的第一入口10,第一出口11,第二入口18,第二出口20,第三入口24,第三出口25的输入和输出端连接到图中未示出的封头结构。

如图8和图10所示，为型材26的俯视平面图和立体图，型材26的两端分别为第一端部30a和第二端部30b(第一端部30a和第二端部30b也是腹板26a的两端)，凸台26e超出了第一端部30a和第二端部30b外侧一段距离，而隔板26b到第一端部30a或第二端部30b之间有一段第一间隔(由于第一端部30a和第二端部30b分别对齐板4长度方向的轮廓边，所以第一间隔也等价于隔板26b末端到第一端部30a或第二端部30b的间隔距离)。型材26为铝或铝合金材质，挤压成型时没有第一间隔和凸台26e，后续通过铣削去除腹板26a和隔板26b一部分长度形成了第一间隔和凸台26e。腹板26a是一块完整、无间断的平面板，其与板4的表面贴合，贴合的板4另一侧为第一空气通道8。

如图6～图10所示，单向蛇形流道中的直线流道由腹板26a、隔板26b、第一凸缘26c、第二凸缘26d围合而成，构成了制冷剂通道23，如图9，制冷剂通道23的截面由流通管道28和缺口27共同组成，第一凸缘26c与第二凸缘26d不连接，从而形成了缺口27，如图6，缺口27对应接触的板4另一侧(图6中缺口27的上方)为第一空气通道8，使得制冷剂与第一空气通道8中空气换热时的热阻减少，即去除了缺口27处对应材料的热阻。如图7和图8，转弯流道包括凹槽29，凹槽29是由两个半凹槽29a组成，半凹槽29a是有相邻两块隔板26b、第一间隔组成，最后配合外板22形成封闭的转弯流道，需要说明的是，外板22与型材26的第一端部30a、第二端部30b、凸台26e焊接，其中通过焊缝封堵外板22与型材26之间的缝隙，包括外板22与两个凸台26e之间的间隙，以及外板22与第一端部30a、第二端部30b的间隙，从而形成封闭的制冷剂通道23，制冷剂在制冷剂通道23中沿直线流道和转弯流道单向流动，无泄漏。

制冷剂通道23的第一端部30a、第二端部30b由外板22包围，并且在两块交替的隔板26b中的一块末端被缩短，从而形成半凹槽29a，两个半凹槽29a组成一个完整的凹槽29，最终形成转弯流道。

如图8和图10，两个相邻的流动管道28的前端和后端都是敞开的，在垂直于流通管道28的端面第一端部30a和第二端部30b处，型材26中流通管道28没有类似于外板22这种结构去堵住流通管道28，后期通过焊接外板22将流通管道28堵住，防止制冷剂泄漏，凸台26e的作用一方面是定位外板22，另一方面是通过延长到板4外侧的一段距离封闭流通管道28。

本实施例中，挤压型材26代替了传统的管结构制冷剂通道，缺口27和转弯处的凹槽29，半凹槽29a都能参与换热并增强换热效率。同时，凹槽29和半凹槽29a配合外板22形成偏转区域，这个结构可以使热交换器的结构更加紧凑。

制冷剂/空气热交换器芯体1和空气/空气热交换器芯体2组成的用于压缩空气系统的热交换器的基本工作流程如下：

压缩空气系统沿箭头处的第一入口10供应约35～55℃的加热的压缩空气，使其流过第一空气通道8。在这种情况下，空气首先在空气/空气热交换器芯体2中与箭头处第二入口18方向上的回流空气进行热交换，然后继续沿着第一空气通道8前进，在制冷剂/空气热交换器芯体1中与箭头处的第三入口24方向上的制冷剂进行热交换，空气在这里逐渐冷却到其压力露点，析出水分，在箭头处第一出口11的位置，水分被供给到水分离器的结构未示出，低温的压缩空气(回流空气)被引入到空气/空气热交换器芯体2的箭头指向的第二入口18处，使其流过第二空气通道16，在箭头所指的第二出口20处流出。在这种情况下，选择该布置，使得在出口处的空气大约再次被加热到室温，得到干燥的压缩空气。

根据图4和图5，制冷剂/空气热交换器芯体1主要由平行布置的型材26和交替布置的板4构成。型材26在厚度方向上与板4连接，在左侧与第八封条21连接，在右侧与第四封条12连接，在前、后方向与板22连接，以此形成制冷剂通道23。制冷剂由箭头处第三入口24进入制冷剂/空气热交换器芯体1，在第一个凹槽29处改变流动方向，并继续向前流动，在第二个凹槽29处又改变方向，如此循环，在箭头所指的第三出口25流出制冷剂/空气热交换器芯体1。

如图1，热交换器芯体3具有至少三板4和布置在板4之间并具有多个平行流通管道28和缺口27的制冷剂通道23，流通管道28形成在至少一个型材26并且具有垂直于板4布置的隔板26b之间，每相邻两个隔板26b，其中一个隔板26b顶部的第一凸缘26c和另一个隔板26b顶部的第二凸缘26d之间形成缺口27。垂直于板4布置的隔板26b沿板4宽度方向限定流动管道28，腹板26a在底部配合第一凸缘26c、第二凸缘26d在顶部共同限定流动管道28。在型材26的第一端部30a或第二端部30b处，隔板26b的一个端部交替地设置了半凹槽29a，两个半凹槽29a形成偏转区域并且流动管道28以类似蛇形的方式彼此连接，在隔板26b的另一个端部处延伸出一个凸台26e。两个相邻的流动管道28的前端和后端都是敞开的。型材26的顶部和底部分别与板4通过钎焊焊接在一起，型材26端面的两凸台26e之间与板4通过外板22氩弧焊焊接在一起。制冷剂通道23由一个型材26或者多个彼此相邻的型材26组成。

Claims (10)

1.热交换器芯体，其特征在于：包括，

至少三块平行且间隔布置的板(4)，三块相邻的板(4)之间形成了长度和宽度相等的第一间隔区域和第二间隔区域；

所述第一间隔区域内设置有第一气态换热介质流道，第一气态换热介质流道包括位于第一间隔区域长度方向表面的第一入口(10)和第一间隔区域宽度方向表面的第一出口(11)；

所述第二间隔区域内设置有第二气态换热介质流道和液态换热介质流道，第二气态换热介质流道包括位于第二间隔区域长度方向不同表面的第二入口(18)和第二出口(20)，液态换热介质流道包括位于第二间隔区域长度方向同一表面但位置不重合的第三入口(24)和第三出口(25)；

所述液态换热介质流道为单向蛇形流道，单向蛇形流道包括平行于第二间隔区域宽度方向的多条直线流道，以及连通相邻两条直线流道的转弯流道，转弯流道位于第二间隔区域内部。

2.根据权利要求1所述的热交换器芯体，其特征在于：所述第一间隔区域内设置有封条，且封条沿着第一间隔区域的外轮廓走向布置，封条在第一入口(10)和第一出口(11)处断开，封条与形成第一间隔区域的两块相邻的板(4)构成了单向流动的第一气态换热介质流道。

3.根据权利要求1所述的热交换器芯体，其特征在于：所述第二间隔区域内设置有封条，且封条包括，

沿着第二间隔区域的外轮廓走向布置的封条，封条在第二入口(18)、第二出口(20)和转弯流道处断开；

位于液态换热介质流道和第二气态换热介质流道之间并将二者分隔开的封条。

4.根据权利要求1所述的热交换器芯体，其特征在于：所述第二间隔区域内设置有型材(26)，且型材(26)包括，

腹板(26a)，所述腹板(26a)紧贴形成第二间隔区域的两块板(4)中的一块，腹板(26a)沿着板(4)宽度方向延伸，腹板(26a)的长度等于板(4)的宽度；

隔板(26b)，所述隔板(26b)位于形成第二间隔区域的两块板(4)之间，隔板(26b)的一端与板(4)连接，另一端与腹板(26a)连接，且隔板(26b)沿着板(4)宽度方向延伸，隔板(26b)平行于板(4)宽度方向的一个末端距离板(4)长度方向的轮廓边缘有一段第一间隔，且相邻隔板(26b)末端的第一间隔不在同一侧；

第一凸缘(26c)，所述第一凸缘(26c)位于隔板(26b)远离腹板(26a)并与板(4)连接的一端，且沿着板(4)的长度方向向左凸起；

第二凸缘(26d)，所述第二凸缘(26d)位于隔板(26b)远离腹板(26a)并与板(4)连接的一端，且沿着板(4)的长度方向向右凸起；

凸台(26e)，所述凸台(26e)位于隔板(26b)平行于板(4)宽度方向的末端，且延伸至板(4)长度方向轮廓的外侧，每两块相邻的隔板(26b)末端各有一个凸台(26e)，且两个凸台(26e)不在两块相邻隔板(26b)的同一侧末端；

腹板(26a)、两块相邻的隔板(26b)、第一凸缘(26c)和第二凸缘(26d)围合成的区域形成单向蛇形流道中的直线流道，直线流道的截面为凸字形，且第一凸缘(26c)和第二凸缘(26d)之间有一条缺口(27)；

隔板(26b)末端的第一间隔连通该隔板(26b)两侧的直线流道，形成转弯流道。

5.根据权利要求4所述的热交换器芯体，其特征在于：还包括外板(22)，所述外板(22)位于两个同侧并相邻的凸台(26e)之间，且沿着板(4)的厚度方向延伸。

6.根据权利要求4所述的热交换器芯体，其特征在于：所述型材(26)通过整体挤压成型。

7.根据权利要求4所述的热交换器芯体，其特征在于：所述型材(26)为铝或铝合金。

8.根据权利要求4所述的热交换器芯体，其特征在于：所述第一间隔和凸台(26e)通过铣削型材(26)上的隔板(26b)和腹板(26a)获得。

9.一种热交换器，其特征在于：包括权利要求1所述的热交换器芯体，其中，

所述第一出口(11)与液态换热介质流道位于板(4)长度方向的同一侧；

所述第一入口(10)和第二入口(18)位于板(4)宽度方向的同一侧，且第二入口(18)靠近液态换热介质流道，而第一入口(10)远离液态换热介质流道；

所述第二出口(20)、第三入口(24)和第三出口(25)位于板(4)宽度方向的同一侧，且与第一入口(10)和第二入口(18)不在同侧，第二出口(20)远离液态换热介质流道。

10.一种采用权利要求9所述热交换器的换热方法，其特征在于：用于压缩空气的换热，其中，

压缩空气通过第一入口(10)进入热交换器芯体并从第一出口(11)流出；

回流空气通过第二入口(18)进入热交换器芯体并从第二出口(20)流出；

制冷剂从第三入口(24)进入热交换器芯体并从第三出口(25)流出；

所述回流空气为第一出口(11)流出的空气。

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