CN1886631B - 热交换板和具有这种板的板式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换板(1)，该热交换板包括若干从热交换板的平面(3)突出的湍流促进凸起(4)。凸起(4)具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓(6)。本发明还涉及一种具有这种热交换板(1)的板式热交换器。

Description

热交换板和具有这种板的板式热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换板，该热交换板包括多个从热交换板的平面突出的湍流促进凸起。本发明还涉及一种具有这种板的板式热交换器。
背景技术
板式热交换器经常在食品工业中用来例如对牛奶和汁液进行热处理。在其最简单的实施例中，板式加热器包括多个具有中间填料的波纹板。该板在台中与用于两种流体进入和流出的管接头压制在一起，该流体也就是要调和的流体和用于调和的流体。使这两种流体在板的两侧上流动，使得一种流体在每隔一对板之间流动，而另一种流体在邻接对板之间流动。尤其是，板的数量及其尺寸取决于流速、流体的物理性质、压降和流体的进口和出口温度。
板的波纹产生湍流通过两个板之间的间隙横截面的主要部分以及还有大的比面积，湍流产生高的传热能力。在这个领域中发现有大量文献，证明各种波纹的迅猛发展。
例如，文献US 4,569,391公开一种板式热交换器，其中，每个板设有半球形凸起。第一板中的凸起布置成邻接，它们的凸形圆周表面位于邻接的第二板的凸起之间。
US 2,306,526中公开另一变型。该文献公开一种板式热交换器，其中，具有半球形凸起的第一板布置成邻接具有相应凸起的第二板，其方式为第一和第二板中的凸起都定向在完全相反的方向上。
第三篇文献US 2,281,754公开一种板式热交换器，其中，板包括半球形凸起。该板彼此相对布置，使得第一板中的凸起邻接第二板背面上的平坦部分。
这些解决方案的共同特点是，板包括用于在通过两个邻接板之间间隙横截面的主要部分中产生湍流的半球形凸起。然而，最好使传热能力得到进一步提高。
发明内容
本发明的一个目的是对热交换板以前已知的几何结构提供进一步发展和替换的解决方案。
另一目的是获得有助于增大湍流和促进层状边界层分离的热交换板。
本发明的又一目的是提供一种增大比面积的热交换器板。
本发明的再一目的是提供一种具有改进的传热性质的板式热交换器。
为了达到从下面描述中出现的上述目的和另外未提及的目的，本发明涉及一种热交换板，该热交换板包括若干从热交换板的平面突出的湍流促进凸起，其中凸起具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓，并且表面轮廓包括球截形或椭球截形。本发明还涉及一种板式热交换器，该板式热交换器包括具有湍流促进凸起的热交换板，所述湍流促进凸起布置在每个热交换板中，其中每个凸起具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓，所述表面轮廓包括球截形或椭球截形。
更准确地说，提供一种热交换板，该热交换板包括多个从热交换板的平面突出的湍流促进凸起。热交换板的特征在于，凸起具有用于促进层状边界层分离(break-up)的表面轮廓，并且表面轮廓包括球截形(spherical segment)或椭球截形。
在流体力学中，经常使用术语“层状边界层”。这个术语通常并且在本申请中涉及流体流动体积中如此靠近边界表面以致粘性力超过其它力的那部分。因此，低流速意味着，与边界表面相邻的流体体积的这部分以层状的方式流动，而流体体积的其余部分以湍流的方式流动。在板状热交换器中，这种层状边界层因此沿着热交换板的表面产生，所述热交换板一起构成板式热交换器。在本发明中，凸起的圆周表面的表面轮廓因而形成促进层状边界层分离的“表面粗糙度”。换言之，这种分离促进通过由两个热交换板限定的间隙横截面全部或主要部分的流体体积中的湍流产生。通过全部或主要部分的间隙横截面且湍流地流动的流体体积导致流体非常有效的混合，并因此导致要调和的流体的有效调和，而且还导致来自/朝向用于调和的流体的有效传热。表面轮廓具有球截形或椭球截形的事实有助于热交换板不具有任何锐边或锐角转角，而锐边或锐角转角可能产生传统清洁方法不能达到的死区。从食品卫生方面来说，这非常重要，因为死区可能导致细菌和其它有机物的不需要的滋生。从成形技术方面来说，坡度小的几何形状也是有利的。
应当明白，根据制造各个热交换板的方式，其前面和背面将具有不同的轮廓。压制的热交换板例如一侧具有凹状轮廓，而另一侧具有凸状轮廓。因而，流体的流型在两侧上将不同。哪种流体与热交换板的哪一侧相接触根据具体情况确定，凸起和表面轮廓的几何形状和轮廓深度也是如此。
表面轮廓还增大比面积，这进一步有利于要调和流体的调和，并且还有利于来自/朝向用于调和的流体的传热。
比表面积表示在运行中暴露于流过板式热交换器的流体的每个表面。热交换板的前面和背面因而具有它们的比面积。增大的湍流与增大的比面积结合一起增大板式热交换器的总传热能力，这使能更快的流动并因此实现更高的生产能力。
在一个优选实施例中，热交换板与多个同样的热交换板结合一起可这样堆叠，使得第一热交换板中的凸起被部分地容纳在第二热交换板中的凸起内。凸起还优选地对称布置。通过热交换板这样堆叠，利用传统的填料和垫片可以保证各板之间合乎要求的间隙宽度和合乎要求的间隙横截面。而且，获得紧凑又节省空间的板式热交换器。
在另一优选实施例中，表面轮廓的轮廓深度显著小于凸起的高度。因此表面轮廓应如此精细，使得与凸起相比能够打破并可能消除与热交换板相邻的层状边界层。层状边界层的厚度对于热交换板的每一结构都是独特的，并因此根据要调和的流体或用于调和的流体来调节热交换板，所以不能给出表面轮廓的轮廓深度与凸起高度的尺寸或比率。重要参数的示例是流体的速度和粘性。
在又一优选实施例中，表面轮廓相对于凸起以凹状或凸状布置。
还优选地，热交换板的平面与凸起之间的几何形状渐变段设有倒圆(radius)，并且如上所述表面轮廓包括球截形或椭球截形。表面轮廓与凸起结合一起因而能在这些所述优选实施例中形成高尔夫球状结构。由于倒圆与球形或椭球形结合一起，热交换板不具有任何可能产生死区的锐边或锐角转角，传统的清洁方法不能达到所述死区。从食品卫生方面来说，这非常重要，因为死区可能导致细菌和其它有机物的不利滋长。从成形技术方面来说，坡度小的几何形状也是有利的。
根据另一方面，本发明涉及一种板式热交换器，该板式热交换器包括具有湍流促进凸起的热交换板，所述湍流促进凸起布置在每个热交换板中。板式热交换器的特征在于，每个凸起具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓，并且所述表面轮廓包括球截形或椭球截形。
板可以各种方式布置在板式热交换器中。例如，热交换板可布置成使得与堆叠相关的第一热交换板中的凸起被部分地容纳在第二热交换板中的凸起内。热交换板例如也可成对地布置，有第一对板和与第一对板邻接的第二对板，在成对的板中，第一板和第二板布置有彼此背离朝向的凸起，并且在成对的板中，在第一板与第二板之间布置有间隙。后一种变型允许板式热交换器中所用的两种流体可以布置成流过不同间隙的横截面并因此获得不同的流型。
附图说明
下面将以举例的方式并参照附图更详细地描述本发明，附图中示出目前的优选实施例。
图1是根据本发明的板的实施例示意图。
图2a和2b示出在板式热交换器中堆叠板的两个示例。
图3示出根据图1的板中凸起的局部放大图。
具体实施方式
参照图1，图中概略地示出用于板式热交换器(未示出)中的根据本发明的热交换器板1(以下称为板)的一部分。板1按传统的方式包括板元件2，该板元件具有多个从板的平面3突出的凸起4。在所示实施例中，凸起4具有球截形的形状。然而，应当明白，其它几何形状的凸起也是可能的。凸起4的主要作用是它们应促进流过由两个邻接板1限定的间隙中流体的湍流。
根据板1预定堆叠如何形成板式热交换器，板1的凸起4可以不同的方式定向，本领域的熟练技术人员最理解这些方式，因而产生不同的间隙横截面X、Y，参见图2a和2b。
例如，如果凸起4对称地布置并设计成使得第一板1A中的凸起4部分地容纳在由第二板1B中的凸起4形成的凹口4′内，参见图2a，那么就获得非常节省空间的板式热交换器。在两个板1A和1B之间形成间隙，板式热交换器中所用的流体可流过该间隙。因此，在板式热交换器中所用的流体将因此流过相同的或基本上相同的间隙横截面X、Y。
板1还可堆叠成使得热交换器板1成对地布置有第一对板10和与第一对板邻接的第二对板10’，在对板10、10’中，第一板1A和第二板1B布置有彼此背离朝向的凸起4，参见图2b。在每对板10、10’中的第一板1A与第二板1B之间以及在各个对板之间布置有间隙。间隙形成具有间隙横截面X、Y的通道，在板式热交换器中所用的流体可流过该通道。因此，在这个变型中，在板式热交换器中所用的两流体将流过不同的间隙横截面X、Y。
应当明白，板1可以无限量的方式堆叠，并且本发明不应限于在板式热交换器中所用的流体在凸起4的侧上流过的那一侧。还应当明白，不同的板无需具有它们的相同的几何形状的凸起。
参照图3，板1的平面3与各个凸起4之间的几何形状渐变段5布置有倒圆或者有以其它形式坡度小的几何形状。从卫生方面来说，坡度小的几何形状渐变段最重要，因为板式热交换器在用于食品工业时要求经常且非常仔细的清洁。任何尖锐几何形状的渐变段将会产生死区，而该死区会形成滋长细菌和其它有机物的区域。然而，将会明白，坡度小的几何形状渐变段还会降低有害于增大的湍流的流动阻力。
凸起4可包括隔离区域，比如球截形或椭球截形，但是也可以包括呈例如波或槽、即以某种方式起皱的表面状态的全部或部分的连续区域。
凸起4适合通过压制形成，从而使凸起形成杯形隆起。这样板1的一侧将具有凸起4，而另一侧则具有相应的凹口4’。
凸起4设置有表面轮廓6，其在图3中更清楚地示出。该表面轮廓的主要作用是进一步便于和促进与板相邻的层状边界层分离，并因而促进或强迫湍流通过所有间隙横截面X、Y或间隙横截面X、Y的主要部分。
在其最简单的实施例中，表面轮廓6包括若干凸起4的圆周表面7上的球截形或椭球截形。然而，可以明白，其它几何形状也是可能的，比如十字形、星形或其它棱柱形。正如本领域的熟练技术人员将认识到的，可以接受的几何形状的数量是无限的。因而，表面轮廓6相对于凸起4可以是凹状的，也可以是凸状的，或者为交替地凹状和凸状。如果表面轮廓6凹状地布置，其可以与高尔夫球的表面相似，即凸起4的圆周表面7是有凹痕的。如果表面轮廓6凸状地布置，凸起4的圆周表面7可以与粒状或“瘤状”表面相似。当然，可以明白，通过优选地压制形成的板1，一侧将获得凹状表面轮廓，而另一侧将相应地获得凸状表面轮廓。本发明不应限于哪一侧面对要调和的流体。
并且，如同凸起4一样，表面轮廓6最易于通过压制形成，但是其也可包括例如蚀刻或异型叠层(profiled laminate)的表面。在后一种情况下，“背面”将完全光滑。
凸起4与表面轮廓6一起不仅通过分离层状边界层促进了湍流，而且还增加了比面表积，即暴露于在板式热交换器中传送的流体的表面。比面越大，传热就越高。
表面轮廓6的轮廓深度显著小于凸起4的高度。然而，可以明白，轮廓深度、轮廓紧密度和朝向的选择取决于因素：比如板式热交换器中传送的流体的物理性质(例如流变性和粘性)、所需的湍流程度、压降和流率。这些是板式热交换器用于运行的状况中的具体因素。因此，表面轮廓必须调整到每种情况，以便能促进层状边界层的分离，并因而提供或促进通过整个间隙横截面的层流。
板1的材料应当是抗腐蚀且适用于食品工业又具有高度导热性的材料。所选择的材料厚度应当相对较薄，以增加热传导。
本发明还涉及一种板式热交换器(未示出)，该板式热交换器由所需数量的如上述设计的板1制成。板1的数量尤其取决于板式热交换器的能力，这里不再详细描述。板1可以多种方式堆叠，其中两种在参照图2a和2b的描述中举例说明。根据板1的堆叠方式，会获得不同的间隙横截面X、Y，并因此为用于板式热交换器的流体获得不同的流型。堆叠任选项的数量很多，并且不应限于本发明。
借助于填料、小珠、垫片或其它类似物保证邻接板之间用作预定流体通道的预定间隙宽度和预定间隙横截面X、Y。
作为要调和的流体的示例，可以提及牛奶、汁液、汤或酱泥。作为用于调和的流体的示例，可以提及水。
总而言之，因此本发明包括板式热交换器中使用的板1、还有使用这种板的板式热交换器。板1包括若干产生湍流的凸起4。凸起4具有表面轮廓6，其促进与板1的表面相邻的层状边界层的分离。表面轮廓6的轮廓深度调节到板式热交换器的预定运行状态，但是应当显著小于凸起4的高度并且举例说明形成高尔夫球状结构。表面轮廓6可相对于凸起4呈凹状和凸状。板1、凸起4和它们的表面轮廓6一起形成没有尖锐几何形状渐变段的表面，这种表面易于清洁并因此防止不需要的细菌滋生。
凸起4与表面轮廓结合一起形成很大的比面，这促进在板式热交换器中被传送的流体之间的热传导。而且，表面轮廓通过促进与板的表面相邻的层状边界层的分离而使湍流增强，这更进一步促进热传导。
应当明白，本发明不限于所示和所述实施例的板和由这种板制成的板式热交换器。本发明的观念可以例如在稍微修改之下应用于其它类型的热交换器，例如管状热交换器，其中所包括的管设有凸起，该凸起具有促进层状边界层分离的表面轮廓。因此，若干变型和改进都是可能的，并且因而本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (14)

1.一种热交换板(1)，该热交换板包括若干从热交换板的平面(3)突出的湍流促进凸起(4)，其特征在于，
具有隔离区域形式的凸起(4)具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓(6)，并且，
表面轮廓(6)包括球截形或椭球截形。
2.如权利要求1所述的热交换板(1)，该热交换板与多个同样的热交换板(1)一起可堆叠成使得第一热交换板(1)中的凸起(4)被部分地容纳在第二热交换板(1)中的凸起(4)内。
3.如权利要求1所述的热交换板(1)，其中，凸起(4)对称布置。
4.如权利要求1所述的热交换板(1)，其中，表面轮廓(6)的轮廓深度显著小于凸起(4)的高度。
5.如权利要求1所述的热交换板(1)，其中，表面轮廓(6)相对于凸起(4)以凹状或凸状布置。
6.如权利要求1所述的热交换板(1)，其中，热交换板(1)的平面(3)与凸起(4)之间的几何形状渐变段设有倒圆。
7.如权利要求1所述的热交换板(1)，其中，表面轮廓(6)与凸起(4)一起形成高尔夫球状结构。
8.一种板式热交换器，该板式热交换器包括具有湍流促进凸起(4)的热交换板(1)，所述湍流促进凸起布置在每个热交换板(1)中，其特征在于，
每个具有隔离区域形式的凸起(4)具有用于促进层状边界层分离的表面轮廓(6)，所述表面轮廓(6)包括球截形或椭球截形。
9.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，热交换器板(1)布置成使得与堆叠相关的第一热交换板(1)中的凸起(4)被部分地容纳在第二热交换板(1)中的凸起(4)内。
10.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，热交换板(1)成对地布置有第一对板(10)和与第一对板邻接的第二对板(10’)，其中，在这成对的板(10，10’)中，第一板(1A)和第二板(1B)布置有彼此背离朝向的凸起(4)，并且在该成对的板中，在第一板(1A)与第二板(1B)之间布置有间隙。
11.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，每个热交换板(1)中的凸起(4)对称布置。
12.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，表面轮廓(6)的轮廓深度显著小于凸起(4)的高度。
13.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，每个凸起(4)的表面轮廓(6)相对于凸起(4)以凹状或凸状布置。
14.如权利要求8所述的板式热交换器，其中，凸起(4)与表面轮廓(6)一起形成高尔夫球状结构。
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