CN1293357C - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

用于在流体之间进行热交换的元件，其中流体的流动通道由位于折叠的薄板材料(1)两侧的狭缝构成，而通道的狭缝宽度(24)与狭缝深度(25)之间的比小于薄板材料厚度的0.15倍。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器元件，该元件的一种应用就是在两种介质之间进行热交换。
背景技术
热交换器是众所周知的，它应用于许多方面。现有类型的热交换器应用管材或板材作为两种介质之间的分隔壁。从热交换、重量及材料的用量等考虑出发，发展热交换器的一个目的就是使其中的分隔壁尽可能薄，但是交换器元件的组织结构仍具有足够的强度，以便能经受住各种应用期间的实际压力。
管式交换器设计成在公共外壳中有若干管子，或设计成两条同轴心的管子。此类交换器很适于经受高压，且安全可靠，能较好地防止两种介质之间的泄漏。但是，由于管材要比相应面积的板材贵得多，因此生产成本较高。
另一方面，板式交换器专门应用于这样的场合，其中对密封性没有无限的要求，且交换器的容量高。
在这两种已知类型的热交换器中，两种介质的流动剖面均远不是理想的。对于将成为比较本发明的基础的已知板式热交换器，其问题是受到薄板间有限流速的约束。此限制在于这一事实，即在几何形状方面，输入和输出通道在每一角落都是密封的，介质必须进行90°的急转弯，从而造成压降。因此，正是由于交换器中的这一几何形状问题，而不是流速，为获得可接受的压降设置了限制。
沿交换器元件的流速对介质与面积之间的热传导α值具有决定性意义，并在水的湍流流动中用于计算α值的系数，如在1m/s为1，在2m/s时为1.8。
已知的先前热交换器，其中每块板材被折叠成Z字形状，从而在其两侧形成通道，实际介质通过通道而循环，例如可参看US 1601637、EP 0197169和SE 362137。所有这些热交换器的共同点是，它们的通道剖面没有将必要的面积密度与结构强度相结合，以便能应用薄的板材，也没有结合狭的通道，以使流速将足够高。这是相当致命的，因为低的热传导将需要更大的交换器，而这将意味着流速还要更低。
蒸汽再压缩下的蒸馏原理是已知的。例如图7展示了一个腔18，它被分隔壁19所分割，在其中存在液体20，液体20被加热至沸点。从液体中出来的蒸汽21被抽吸至风机或压缩机22，并被此风机或压缩机22压入至分隔壁19之下的空间中。由于较高的压力，蒸汽在此处将在高于蒸发期间温度的温度下冷凝。
因此冷凝热将进入液体，蒸发相应数量的新液体。然后冷凝液23能流出，同时，新液体被输入至蒸发侧。
此原理在目前工业中可应用至流动物的干燥过程，例如在干牛奶、纤维素等的生产中。
过程的有效系数由蒸发能量和风机能量分别计算。对于给定量的冷凝液，风机能量决定于蒸发和冷凝之间的压力比。
压力比，因而也即能量消耗，取决于分隔板之间的必要的热传导是否能容易地产生。
最后，这可表达成，分隔壁的热传导，K值是对分隔壁上必须的面积大小的决定性准则。
对于水蒸汽，压力比对一级风机的限制为1.15，它意味冷凝温度约高出3.5℃。如蒸发温度为100℃，则冷凝将发生于103.5℃。
除了尘埃等参数外，总热传导，也即K值，将决定于：
K＝1/(1/α1+S/λ+1/α2)
其中α1＝在冷凝侧上的热传导，α2＝在蒸发侧上的热传导，S＝薄板厚度，而λ等于板材的热传导系数。
α值中的一个最低值将给出K值可能有多大的渐近边界值。
对于垂直表面，人们可获得冷凝的较高α1值。表面的高度越小，此值将越高。当高度为50mm时，α值大约为13500W/m2℃。
但是，在蒸发侧上的α2值在此处能获得的如此低的温差下，肯定是一个限制因素。该情况是，在水以汽泡从加热表面沸腾前，表面与沸点极小值之间的温差必然是7℃。在此温差下，水蒸发的真相是，它在水本身中形成小的蒸汽汽泡。这种沸腾形式称为对流沸腾，因为热传导通过对流而发生。
对温差为3.5℃时的对流沸腾，所获的α2值不会高于约1800W/m2℃。因此K值将如此低，以致在上述压力和温度下，水的蒸馏将要求每分钟8.8m2/kg的蒸馏液。对这样的蒸馏设备要获得现实的尺寸和成本，这太高了。
增加对流沸腾时热传导的唯一已知方法是借助例如搅拌装置、螺旋桨或泵使水相对于加热表面进行运动。
发明内容
这可通过应用本发明提出的热交换器而达到。
对于本发明提出的热交换器，其目的之一是通过自循环、无需机械帮助而获得更高的热传导。但是，在对流沸腾时形成于水中的水蒸汽汽泡的密度在开始时太小，以致不能获得任何正面程度的自循环。蒸汽汽泡的密度可通过增加对水的散热而增加。在给定的参数下，这只可能通过用大的供热表面围绕小量水而达到，在实际中是通过将水限制在薄板之间的狭缝内。
本发明提供了一种用于在流体之间进行热交换的元件，流体流动通道由位于折叠薄板材料两侧的狭缝构成，还在于，通道狭缝宽度与狭缝中深度的比小于薄板材料厚度的0.15倍。
本发明还提供了一种包含所述元件的蒸馏装置，该装置包含腔，该腔由分隔壁加以分割，所述装置至少有一个部分由所述元件构成；设置了风机或压缩机，用于从腔的上部中的液体抽吸蒸汽，对其加压，并将其传送至分隔壁之下，冷凝液能由此流出，同时，新液体加入至蒸发侧。
附图说明
附图中图1表示本发明提出的热交换器元件的透视图；图2表示图1中的交换器元件置于交换器壳体中；图3表示本发明应用在空气/液体热交换器中时的视图；图4表示图3的热交换器的一个截面图；图5示意地表示生产本发明提出的热交换器元件的第一阶段；图6表示生产的第二阶段；图7示意地表示该方法的原理；而图8示意地表示一种热交换器元件，它具有平面通道和元件壁。
具体实施方式
该热交换器的原理示于图8中。此处薄板被折叠成许多狭缝，狭缝具有宽度24和高度25，其中，水出现于向顶部开口的狭缝中，而冷凝蒸汽出现于向下侧开口的狭缝中。
显然，当狭缝24变得更狭时，实际热流q(W/m2)散发的热量将减少，而蒸汽汽泡的密度增加。在某一界限，蒸汽汽泡将开始结合成更大的汽泡。这将置水于强烈的运动中，热流将增加，蒸汽汽泡的量也将增加，这意味着产生自放大反应。接着，蒸汽的量将如此之大，以致在横截面的主要部分中形成两股面对面的射流，其中，蒸汽在狭缝的中间，而水的薄膜则被推至沿着表面。
试验已表明，100℃的水和1.5-2mm的狭缝宽度是温差仅为1.8-2℃的边界，而蒸发侧的α值则从约1800W/m2℃增加至18500W/m2℃。这约相当于温差约18℃或薄膜蒸发下常规快速沸腾能获得的水平，这经常用于上述工业干燥设备中。
已发现，在以下情况可获得最优结果，一种情况是位于折叠薄板材料1两侧的、用作流体流动通道的狭缝24的宽度与狭缝深度25的比，以及该比与薄板厚度的比位于某一定值。这样，狭缝宽度24与狭缝深度25之间的比应小于板材厚度的0.15倍。狭缝的高度必须加以限制，以避免获得蒸汽中过高的背压，从而下侧上的冷凝液将具有短的流出距离寿命。高度h＝50mm看来能对两侧都给出最佳结果。
在两侧上的热传导变得如此好，以致薄板厚度开始对总的K值具有负面影响。为此，也考虑到重量和成本，最好应用尽可能薄的板。目前在热交换器中经常应用0.4-0.5mm的钛板。
由于这里的狭缝必须尽可能狭，示于原理图中的直狭缝能在较小的压差下压至一起。
在本发明提出的热交换器中，已经获得了元件的制造方法，即对薄板进行波纹加工，这如图1示意地表示，这可防止压在一起，但同时又不妨碍进行清洗或堵塞介质的流通。
为使两个介质侧相互隔绝，交换器元件中的狭缝必须在末端封闭。在许多应用中，通过将末端一起模压在适当的材料中就可容易地加以解决。
末端也可通过将狭缝焊接在一起而加以封闭。另一解决办法是例如将一个橡胶盖压在末端上。
由于其高度紧凑性及能从两侧直接进行清洗，这种热交换器能很好地用作一般的热交换器，例如发动机冷却器。此时，狭缝还将给出特殊的热效应。液体的通流将造成热传导随流速而增加。当狭缝很狭时，即使平均流速相同，其靠近表面的湍流度也要高于宽的狭缝或管道的湍流度。
在此应用中，交换器元件装入在两个半罩中，在半罩的端部装备有各自的入口和出口。
可用发动机冷却器举例说明问题，其中温度将降低约5至8℃。当通道高度为50mm时，通道宽度一定不能大于1.5至2mm宽，以便获得1.5至1.8m/s的速度。这对弯曲薄板、以及随后在相对侧上缩小或封闭通道，要求最小的压差。
该元件由折叠成风箱的薄板构成，其中所有折叠样式均向同一方向弯曲。如果相邻通道中的压力不同，则通道中的压力将影响通道壁的形状。通道中的一侧试图向外伸直，而另一侧则将型面拉向内，以使力大致相互均衡。交换器元件1安装在顶罩2和底罩3之间，这两个罩在每一端部均具有输入通道和输出通道4和5。罩2、3也可向元件通道的顶部施加压力，以使元件曲线偏移，从而使结构强度进一步增加。通道壁表面的曲线最好是平行的。
对发动机冷却器已进行了原型试验，冷却器的通道尺寸如以上的实例所述，并采用厚度仅为0.5mm的钛板。此结构能经受住高于5巴的压差，而通道壁没有任何变形的迹象。与径流面积相比，高的面积密度给出的α值果然要比具有相同径流速度时的管子高30％以上。总的热传导K值大大高于普通板式热交换器。
除了液体之间的热交换外，本发明提出的热交换器元件将适用于在一侧上为通过对流、蒸发或冷凝得到的液体与在另一侧上例如为空气的气体之间的热交换。
这样的实施例表示于图3和4中。在液体侧上紧固了一块薄板6，它覆盖元件，并紧固至通道的顶部。对于十分高的压差，例如在冷却装置中，应用疣状波纹以增加有效表面是实际可行的。
本发明的某个基本点是需要有效和合理地将冷凝器和蒸发器进行结合，以便在蒸汽的再压缩期间进行蒸馏。一种这样的蒸馏装置在现实中就是热泵，其中蒸汽从蒸发侧被吸入风机，并被风机压入冷凝侧，在此处由于压力增加，冷凝在高于蒸发温度的温度下产生。从而冷凝热被传送至蒸发侧，以致一个相应的新的液体量被蒸发。用这一方式，热能在内部再循环。
例如，在船上应用的蒸馏设备，所谓的蒸发器，用以从海水制取淡水。设备利用发动机的余热作为专用锅炉的能源，并具有专用冷凝器，此冷凝器用海水加以冷却。
然而海水的蒸发在解决给出满意的热传导的同时又在保持清洁方面有很多问题。最大的问题是所谓的“结水垢”，即盐和钙沉淀，在热交换器表面上形成硬的热绝缘覆盖层。
此问题特别由这一事实引起，即当蒸汽汽泡形成于锅炉元件的表面上时，它将水内包含的盐份和干燥物质变成为结晶体留在表面上。这些沉淀物将立即形成一层被热量加以粘牢的覆盖层，因为覆盖层之下的温度由于绝缘效应时期的增加而上升。水垢通过在低温、也即在低压和投配化学制品的情况下操作和沸腾而减少。
今天，认为水垢问题在增加温度时增加，这是正确的，但是，假定温度本身是基本原因则不正确。这是由于在锅炉元件表面温度和沸点之间有差异。
对大气压下，水沸腾的不同阶段的研究清楚地表明，在对流蒸发状态，沸腾发生于温差为1与7K之间的范围，在元件表面的汽泡蒸发状态，沸腾发生于自7至26K，而在膜式蒸发状态，沸腾发生于26K以上。在不同阶段，热传导的α值变化剧烈。
普通蒸发器中，沸腾的温差位于15-20K的范围，因此，沸腾发生于汽泡蒸发阶段期间。蒸汽汽泡形成于锅炉元件的表面上，而这是结水垢问题的主要原因。
在具有蒸汽再压缩的蒸馏装置中，沸腾时由于风机的功率消耗，温差将小于1.5K，这意味沸腾将由于对流而发生，而蒸汽汽泡将形成于水中，而不是在热交换器的表面上。然后，盐和干燥物质随着蒸汽汽泡上升至表面，并随着多余的水流出。为降低浓度，如在普通蒸发器中一样，应用的给水约2倍于生产的蒸馏液量。
当温差为1.5K时，获得十分低的用于热传导的α值，即约1.5-1.8kW/m2℃。它是如此之低，以致在实践中无法应用，因为热交换器表面必须十分庞大。已表明α值能通过应用强迫循环，例如搅拌装置，而显著增大。
本发明提出的热交换器以其十分简单的结构、低的材料用量、十分优良的热传导值以及在许多领域中的大量应用而著称。
在本发明提出的热交换器中，与围绕水的大表面相比，通道对水的需求量不大。即使比加热负载W/m2十分低，与通道中的水量相比，仍将产生较大量的蒸汽。这造成湍流以改进α值。湍流将把对流蒸发的边界稍微移向更高的水平。
该类型和如上述原型实施例的热交换器已借助通过再压缩蒸汽进行蒸馏的组合式蒸发器和冷凝器而加以试验，试验表明，在100℃的海水沸腾温度和103℃的冷凝温度时，产生自放大过程，其中α值突然开始上升，湍流进一步增大，热传导增加。自放大效应由以下事实可清晰地看到，即从首批小汽泡出现直至水快速沸腾只化了几秒钟。
在具有本发明提出的热交换器的蒸馏装置的试验中，试验表明α值稳定在18.5kW/m2℃。稳定表示逼近渐近K值，因为在冷凝侧上的热传导保持相对不变。
已证实水平布置给出最好的结果，但也进行了角向布置直至垂直位置的试验，试验获得相对可接受的结果。在这些试验中，已用薄板部分地覆盖了蒸发侧，薄板在两端均有开口。下开口竖立于水柱Hwc之下，以致大部分蒸汽携带着水被驱动通过通道向上，产生诸如显著的再循环。
已表明，强大的湍流使蒸发侧保持清洁，在一段时间中没有发现结垢。
在上述温度下，从风机出来的蒸汽压力约相当1.5米水柱，自然，在此应用中，必须的结构强度也是由通道中的弯曲给出。考虑到沸腾海水的腐蚀性，钛是唯一可应用的材料，但它昂贵，且导热不良。重要的还有，薄板应尽可能制造得薄，而机械强度必须由组织结构加以解决。
由于本发明提出的交换器元件由折叠的条形薄板制成，这种元件很适合由连续的、自动控制的机器进行生产。
为此，已研制了一种专用方法，使这样的生产成为可能，其中薄板通过两台机器操作台。
在图5的操作台中，薄板首先由工具刀7急速地弯成具有两个90°弯曲的台阶形状。工具刀8和工具刀9同时下降，在前述弯曲之间成形薄板，或将薄板成形成如图1和2所示的曲线，或用不同的方法将薄板波纹加工成例如如图8所示的平行形状。同时，刀8和9使弯曲角度更尖锐。所有工具刀7、8和9对着具有相应型面的固定成型模块10向下压。进给机构11在工具刀回复至上方位置后，将薄板向前推。
图6表示一种工具，它将薄板弯成如图1和2所示的形状。工具刀8和9具有直的波纹形状，而成型模块则相应地成形有与薄板形状相对应的横切凹槽。
接着，预弯曲的薄板如图6所示地在操作台上继续向前。此处，每一弯曲在一侧压缩于两块压力板12和13之间，在另一侧压缩于两块压力板14和15之间，在这里薄板弯曲达到它们最终的宽度。当压力板12和14回复至后方位置后，压力板13和14分别向上和向下，使下一个弯曲得以进给。为确保向前的进给，进给板16和15同时分别地向上和向下。
在图6中，下压力板14位于前方位置，而上压力板12位于后方位置。当要将薄板弯曲成如此处所示那样的靠近时，即使薄板十分薄，也要求在端部有十分大的力，因为该力随弯曲半径的减小而按指数律增加。由于压力板12和14的特殊铰接，所得到的压缩力反比于压力板角度的正切。从而当角度和运动趋近零时，力趋近无穷大。
操作台最好排列成行，并同步工作。

Claims (5)

1.用于在流体之间进行热交换的元件，其特征在于，流体流动通道由位于折叠薄板材料(1)两侧的狭缝构成，还在于，通道狭缝宽度(24)与狭缝中深度(25)的比小于薄板材料厚度的0.15倍。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，截面中的元件壁成形成同样弯曲的表面。
3.如权利要求1所述的元件，其特征在于，元件壁成形成平面表面。
4.如权利要求1所述的元件，其特征在于，元件壁由钛制成。
5.包含权利要求1-4中任一项所述的元件的蒸馏装置，该装置包含腔(18)，该腔(18)由分隔壁(19)加以分割，所述分隔壁至少有一个部分由所述元件构成；设置了风机或压缩机(22)，用于从腔的上部中的液体(20)抽吸蒸汽(21)，对其加压，并将其传送至分隔壁(19)之下，冷凝液(23)能由此流出，同时，新液体加入至蒸发侧。
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