CN1981175B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于接受三种介质并由两种板型构成的永久相连的热交换器预期用在锅炉上。该热交换器设计成可消除和防止在家用热水制成过程中石灰沉积的发生(水垢形成)。该热交换器的板一起构成了彼此层叠的盒。第一板型构成第一盒型，其包围由第二板型构成的第二盒型。用于接受热废气的第一通道在第一盒型之间形成。用于接受中央加热热水的第二通道在构成第一和第二盒型的板之间的空间中形成。用于接受家用热水的第三通道在第二盒型内形成。从第一通道中的已加热废气至第三通道中的家用热水的传热经由第二通道中的中央加热热水来进行，这一情形就防止了家用热水例如由于废气的不均匀加热循环所引起的温度突变。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器，具体涉及板式热交换器以及在板式热交换器中传热的方法。
包括盒(cassette)的板式热交换器通常具有由大量以板的叠组形式彼此层叠的板构成的盒。在板的叠组中，两个或多个板连接在一起并构成盒。这种连接通常通过已知的连接方法来实现，例如焊接、钎焊、通过粘合剂粘接等等。在上述的板式热交换器中，盒通常彼此机械连接。这些盒通常通过某些直接接触形式、例如通过上述连接技术而彼此连接。另一种备选方案是在盒之间设置某些形式的填料。具有盒的热交换器的另一种常见备选方案是，盒在其传热部分之间没有相互接触。在后一种情况下，盒通常成为热交换器的一部分，该热交换器的盒被容器包围，该容器例如包含填充在盒之间的区域中的介质。
背景技术
包括盒的板式热交换器是众所周知的，这种盒由以板的叠组形式彼此层叠的两个不同板型组成。该说明书里的术语“板型”指的是利用特定成形工具通过塑性变形所获得的异型板，也就是说，每种板型在不同的成形工具中压制而成。例如通过压制、轧制、锻造或冲压来实现塑性变形。一种板型的两块板彼此永久式连接，以便构成第一盒型。另一种板型的两块板彼此永久式连接，以便构成第二盒型。
美国专利说明书US 4002201涉及一种用于接受各种介质的板式热交换器，该板式热交换器由构成相互盒叠组的板组成。在相同的盒之间设置有金属嵌板，该金属嵌板与相应的两个相邻盒机械接触。美国专利US 4002201的缺点是，该热交换器设计为在盒之间接受气态介质、例如空气，而并不适于接受其它类型的介质。另一个缺点是，盒内介质的温度不能以易控的方式调节。该温度直接取决于中间嵌板中气体的温度。气体温度的任何变化会直接影响盒中介质的温度。美国专利US 4002201的另一个缺点是，只有一种板型用于构成热交换器的盒构造，该盒只产生了一种盒型，从而使得不可能制造出具有不同盒型的热交换器。
公布号为JP 2003-148881的日本专利申请涉及一种用于接受三种介质的热交换器，其中辐射热量的介质流经位于两个相邻通道之间的通道，并且这两个相邻的通道位于所述通道外部。日本专利申请JP2003-148881的热交换器的缺点是，其盒由至少三种构成不同通道的不同板型组成。具有大量的不同板型使得热交换器造价昂贵。另一个缺点是其工作模式，其中位于两个外部通道中的介质的温度直接取决于中间通道中的介质的温度。中间介质温度的任何变化直接影响相邻通道中的介质的温度。日本专利申请JP2003-148881的另一个缺点是，在盒的相应顶部和下侧具有通道连接的端口，从而使得不可能叠放两个或更多的盒。
英国专利说明书GB 2332508描述了一种可以接受三种不同介质、并包括一个居中加热回路的铸造热交换器。英国专利GB 2332508的缺点是，热交换器是铸造的。这使得热交换器造价昂贵，并带来从制造角度来看很困难的大量工作。另一个缺点是，热交换器中的铸造部件带来修理和维修的困难，因此使得这些工作成本更高。
公布号为JP 02-254291的日本专利描述了一种用于接受三种以填充物形式提供的介质的板式热交换器。该板式热交换器用于液体食物的加热消毒，食物被食物附近的热水回路加热。该发明的缺点是，它没有盒，而是在板之间具有填充物，从而表现出热交换器的温度敏感性。由于填充物材料的缘故，填充物不能应付过量的温度变化或过高的温度。这种设有填充物并用于食品用途的热交换器的另一个缺点是，填充物的沉淀可能导致在热交换器中进行处理的食物味道的改变。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有盒并因此而消除了上述问题的热交换器。
本发明的另一个目的是提供一种热交换器，该热交换器实现间接传热，并防止在打开和关闭热源、例如气体燃烧器时，在排出的介质中出现较大的温度变化。
本发明的另一个目的是提供一种热交换器，该热交换器执行在两个单独的传统热交换器与所谓的锅炉、即设有用于产生家用热水和中央供热热水的气体燃烧器的装置一起使用时的相同功能。
本发明的另一个目的是提供一种由两种盒型组成的热交换器，该热交换器用于接受三种不同的、彼此不可能混和的介质。
本发明的另一个目的是提供一种成本效率和性能优于现有热交换器的热交换器。其它的目的是，该热交换器应该易于制造并且制造省时。
本发明上述目前以及其它目的通过在序言中描述过、并且具有下述特征的板式热交换器来实现。
根据本发明，提供了一种板式热交换器，包括由永久式相连的第一和第二板型组成的盒的叠组，所述盒为第一盒型和第二盒型，因此所述第一盒型包括第一板型的板，所述第二盒型包括第二板型的板，其中，所述第一盒型包围每一个所述第二盒型。
根据本发明的另一方面，所述第一盒型与第一通道相邻。
根据本发明的另一方面，所述第一盒型之间形成了通道。
根据本发明的另一方面，所述盒呈现为相同型式的两块板的形式，这两块板通过其彼此面对的相应内侧而相互连接。
根据本发明的另一方面，多个第一盒型和第二盒型一起限定了第二通道，多个第二盒型一起限定了第三通道，所述第二通道和第三通道形成了用于不同介质的流路径。
根据本发明的另一方面，所述第一通道与热源连通，所述第二通道是闭合回路，所述第三通道包含家用热水。
根据本发明的另一方面，所述板式热交换器用于锅炉。
根据本发明，还提供了一种用于在锅炉中的永久相连的板式热交换器中传热的方法，所述热交换器包括第一和第二盒型的盒，其中，所述第一盒型包括第一型式的板，所述第二盒型包括第二型式的板，在所述盒之间及其内部包括用于接受不同介质的不同通道，其中，第一盒型包围每一个第二盒型；并且从第一通道中的第一介质至第三通道中的第三介质的传热借助于第二通道中的第二介质来进行。
根据如上所述的热交换器所获得的优点是，只需两种板型就可构成根据本发明的可接受三种彼此分开介质的热交换器。
根据如上所述的热交换器所获得的另一个优点是，对离开热交换器的介质如家用热水的温度只有“轻微的”影响。盒彼此围绕的事实导致在周围周边的盒中形成热介质的缓冲，该热介质包围并传输热量给输出介质。除了输出介质不承受较大的温度变化外，还消除了在周围盒中产生石灰的沉积。
本发明的另一个目的是消除和防止在热交换器中产生因流过热交换器的介质温度大幅和快速变化所引起的石灰沉积。
本发明上述目的以及其它目的通过在序言中描述过并如上所述的在热交换器中传热的方法来实现。
本发明的方法导致了热交换器中的石灰沉积得以延迟和阻止，因为间接传热导致更缓慢的温度变化。水通常含有取决于水硬度的不定量石灰。硬水富含石灰，软水的相应特征是，软水中含有较少量的石灰。当水例如因加热而承受温度变化时，水中的石灰发生沉积。水经受强烈且快速的加热会导致比相应缓慢加热更快速的石灰沉积。
本发明的热交换器包括围绕在其它第二盒型包围的第一盒型。这些盒彼此上下地排列并构成叠组，也称为板叠组。如果需要，盒可以堆叠放置，以便有助于形成热交换器的一部分、例如板组。
根据本发明的热交换器由两种板型构成，其中第一盒型由第一板型组成，第二盒型由第二板型组成。每一个板都具有一个传热面和一条边缘，该边缘定义为环绕板的周边延伸并位于传热面外侧的那部分。该边缘由缘边形式的第一部分以及位于缘边与传热面之间的腹板形式的第二部分构成。该腹板与传热面所在平面倾斜成一定角度。这可以比作承载咖啡杯的普通托盘，其具有环绕其周边并向上倾斜的边缘。在托盘上，该边缘与用于放置咖啡杯的平面倾斜成一定角度。板的内侧定义为位于上弯边缘内的那一侧。板的外侧因此定义为位于板另一侧的侧面。
本发明导致通过将两个相同型式的板结合在一起并且其各自的内侧彼此面对，从而形成了相应的盒型。因此，边缘相互接触，并且可以连接在一起。
优选实施例包括包围在第二盒型周围的第一盒型的事实，使得必须具有两种不同的板型。对于构成能够包围第二盒型的第一盒型的板而言，第一盒型的结构必须与构成第二盒型的板不同。尤其是，第一板型的边缘必须比第二板型的边缘更大，这是因为第一板型的板的侧面一起包围了第二板型的板。对于能够彼此邻靠并构成第二盒型的第二板型的各自内侧而言，它们的边缘不能高于这些板的传热结构的顶部。
如果要求热交换器只可接受两种介质，那么热交换器可以通过改变具有平面传热面并由第一板型组成的第一盒型来实现。使用平面板型减小或消除了在装配阶段位于第一盒之间的第一通道。结果，第一盒将不与任何真正的中间空间相邻。这种解决方案可以在其中两种介质之间进行传热但需要可靠地防止介质混和的情况下使用。这个情况的一个示例是，当介质相互接触时，介质可能导致爆炸的危险。适于接受两种介质的本发明使得甚至在这些介质之间也可以实现安全的传热。
在涉及所谓锅炉的根据本发明的热交换器的一个优选实施例中，通过位于盒邻近区域、并传输流入热交换器中的热废气的热源、例如气体燃烧器，来提供热量。热源当然还可以是其它类型的生热装置的形式。例如，气体燃烧器也可以放置在盒上方。来自气体燃烧器的热气其大致初始温度为大约为1200℃，并且被迫向下进入所限定的与该热源连通的第一通道中。在这些第一通道中，气体将其热量传输给在盒的板的另一侧上流动、即流向第一盒内侧的第二通道中的介质。在经过盒后，气体就从该装置中排出。
使用传统热交换器的问题在于，热源直接并且立即影响家用热水温度。热源热量的中断通常立即影响离开热交换器的介质的温度，该介质可能是例如一定不能过热而导致烫伤危险的家用热水。根据本发明的该优选实施例在热交换器中具有在本发明中定义为第二通道的闭合回路，这一事实消除了这种与热源的直接关系。闭合回路还可以用作中央加热回路。在第二通道中，不与其它介质相混和的介质在热交换器中流动。在该第二通道中的介质通过上述第一通道中的介质来加热。第二通道中的介质的温度在60℃-90℃之间。由于该第二通道是设有一个或多个散热器的闭合回路，因此改变其温度的最简单且最便利的方式是通过用泵使其循环流动的介质来实现的。在该第二回路中的介质以存储热能的形式来充当缓冲。热量从该第二通道传输至流过根据本发明优选实施例所限定的第三通道中的第三介质。如前面所描述，在第二通道中的温度范围相对稳定。这意味着从第二通道至第三通道介质的传热可以以稳定和可控的方式来产生。其结果将是，离开第三通道的介质只呈现微小的温度变化，并且其温度范围可在50℃-70℃之间。
该优选实施例的优点是，上述设计导致经由第二介质从第一介质至第三介质的间接传热，从而防止了在打开和关闭气体燃烧器时在输出的第三介质中出现大幅和快速的温度波动。因此，就延迟和防止了热交换器中石灰沉积的发生。
本发明的优选实施例还有助于盒的设计，使得可以实现热交换器制造的定制。热交换器中的盒数量可以根据客户的要求而增加或减少。
附图说明
将参考示意性附图在下面详细描述根据本发明优选实施例的装置和方法，其中附图只显示了理解本发明所必需的部分。
图1描述了从前面看去的具有外壳的锅炉，其包括根据本发明的热交换器和位于热交换器上方的风扇和气体燃烧器。
图2描述了在本发明的热交换器中包围另一盒(虚线)的盒，其中第一剖面线穿过热交换器的入口端口，第二剖面线穿过热交换器的出口端口。
图3以剖面图显示了图1中具有热交换器的锅炉，其中剖面是沿着图2中的剖面线III的剖面。
图4以剖面图显示了图1中具有热交换器的锅炉，其中剖面是沿着图2中的剖面线IV的剖面，气体燃烧器和风扇位于该热交换器的上方。
具体实施方式
图1描述了包括本发明第一实施例热交换器(2)的锅炉(1)。锅炉(1)被外壳(3)包围。气体燃烧器(4)位于热交换器(2)上方。风扇(5)位于气体燃烧器(4)上方。分别供家用热水入口(7)和中央加热入口(8)使用的两个入口端口(7和8)位于热交换器(2)的前面(6)。在外壳(3)内设有用于废气出口(9)和冷凝物出口(10)的凹口。如图1中虚线所示的分别供家用热水出口(13)和中央加热出口(14)使用的两个出口端口(13和14)位于热交换器(2)的后面。
图1和图2中的热交换器(2)包括两种盒型、即第一盒型(15)和第二盒型(16)。第一盒型(15)包围第二盒型(16)。在图1和图2中，第二盒型(16)用虚线表示，因为其被第一盒型(15)包围。
如图3和图4中可见，热交换器(2)中的盒包括两种板型(17和18)，即第一板型(17)和第二板型(18)。
热交换器(2)中围绕其周边延伸的每一块板都具有与该板的平面倾斜成一定角度的边缘(21和22)。如前面所述，板可以比作具有外侧和内侧的托盘。上弯的边缘内部表示板的内侧。因此外侧就是该板的另一侧。如前面所述，第一盒型(15)包围第二盒型(16)。第一盒型(15)包括第一板型(17)的两块板，其各自的内侧相互面对。所构成的第二盒型(16)包括其各自内侧(20)彼此面对的第二板型(18)的两块板。
如图3和图4中所示，热交换器(2)包括如上所述彼此连接的盒型(15和16)。第一通道(X)形成于每一对相互直接相邻的第一盒型(15)之间。第二通道(Y)形成于不同的盒型之间、即处在第一盒型(15)的壁之内但在第二盒型(16)的壁之外形成。第三通道(Z)在每一个第二盒型(16)的壁内形成。
第一通道(X)与气体燃烧器(4)连通，以便能够接受来自气体燃烧器(4)的加热气体，并导引其通过热交换器(2)。为了更好和更有效的传热，板的传热面是波纹状的(图中未显示)。压入板中的波纹状结构是这样的，即当第一盒型(15)彼此贴靠地放置时，面向第一板型(17)外侧的凸脊相互紧靠。波纹状结构以已知的方式相对于相邻板的波纹状结构倾斜成一定角度，以便凸脊的顶部构成了接触点。位于波纹状结构接触点之间的凹谷就形成了以上所述的第一通道(X)。
图2中及图3中沿着剖面线III所示的第二通道(Y)被定位为位于第一盒型(15)的板与第二盒型(16)的板之间的空间，并用于接受中央加热热水或散热器水。第二通道(Y)通过用于中央加热入口(8)的端口通道(23)而与位于热交换器(2)后面(6)的中央加热入口(8)连通。图2中及图4中沿着剖面线IV所示的第二通道(Y)也通过用于中央加热出口(14)的端口通道(24)而与位于热交换器后面的中央加热出口(14)连通。
图2中及图3中沿着剖面线III所示的第三通道(Z)被定义为在第二盒型(16)内部形成的空间，并用于接受家用热水。第三通道(Z)通过用于家用热水入口(7)的端口通道(25)而与位于热交换器(2)后面(6)的家用热水入口(7)连通。图2中及图4中沿着剖面线IV所示的第三通道(Z)还通过用于家用热水出口(13)的端口通道(26)而与位于热交换器后面的家用热水出口(13)连通。
这些盒型一起构成了盒的叠组，其中板和盒通过钎焊而相互连接在一起。本发明不仅仅限于所述的连接方法，也可使用其它的连接方法，例如焊接、钎焊、通过粘合剂的粘接等等。
热交换器(2)上的所有板(17和18)和盒(15和16)通过板的波纹状结构的接触点而相互钎焊在一起，这出现在当这些板的凸脊相互邻靠地放置时。另外，以下的钎焊是在热交换器中的这些接触点处实现的：
如图3和图4所示，用于第二盒型(16)的第二板型(18)在环绕其周边边缘(22)处以及在环绕用于第二通道(Y)入口和出口的板凹口处彼此钎焊在一起。用于第一盒型(15)的第一板型(17)通过放置在第二盒型(16)每一侧上的第一板型(17)而钎焊在所述第二盒型(16)上。第一板型(17)的边缘(21)钎焊在第二盒型(16)的边缘(22)上，该钎焊位置位于环绕在用于第二盒型(16)的第三通道(Z)入口和出口的板上的凹口处，环绕在用于第一盒型(15)的第三通道(Z)入口和出口的板上的凹口处，以及环绕在用于第一盒型(15)的第二通道(Y)入口和出口的板上的凹口处。
热交换器(2)与锅炉(1)的外壳(3)机械连接。属于锅炉(1)的废气出口(9)和冷凝物出口(10)通过钎焊连接在外壳(3)上。
上述热交换器在锅炉运转过程中以下述模式工作。
见图3和图4，气体燃烧器(4)传输向下穿过热交换器(2)的第一通道(X)的热气，其中该第一通道形成在第一盒型(15)之间。热气通过位于气体燃烧器(4)上方的风扇(5)而被迫向下进入第一通道(X)中。在第一通道(X)中，已加热的气体将其热量传递给处在第一盒型(15)内侧、但在构成第二盒型(16)壁外侧的第二通道(Y)中的中央加热热水。中央加热热水通过图3中的中央加热入口(8)而流入热交换器(2)中，并进入第一盒型(15)的第二通道(Y)中，随后通过图4的中央加热出口(14)而流出热交换器(2)。由于中央加热热水在闭合回路中循环地流入和流出热交换器(2)，因此就可以调节其温度以便将其维持在规定的水平。
在热交换器(2)中，中央加热热水将其热量传递给处在第二盒型(16)的第三通道(Z)中的家用热水。
家用热水通过图3中的家用热水入口(7)而流入热交换器(2)中，并流入第二盒型(16)的第三通道(Z)中，之后通过图4中家用热水出口(13)从热交换器(2)中流出，而到达例如调节已被加热的家用热水流量的水龙头。
上面描述的使热量通过从加热介质通过另一个介质而传递给家用热水的功能，可以使输出家用热水保持稳定和可控的温度，同时消除和防止了热交换器中石灰沉积的发生。
在锅炉(1)中设置气体燃烧器(4)和风扇(5)的备选方案是将它们定位在盒下面，而不是象优选实施例中所述的那样定位在盒上面。这就导致已加热的气体被引导向上通过第一通道(X)(图中未显示)。这就使得省略风扇(5)成为可能。
热交换器(2)结构的另一个备选方案是第一盒型(15)未永久连接在一起。相反，盒之间可以设计成具有填充物，以便允许已加热的气体从上方进入盒之间，并从下方排出(图中未显示)。根据气体燃烧器(4)和风扇(5)的位置，气体也可以从下向上引入。上述包含填充物的实施例的优点在于，可以将盒分开，以便例如进行盒(15)之间的空间的维护或清洗。
本发明并不仅仅限于以上所述的实施例，而是可在所附权利要求的范围内进行变更和修改。

Claims (8)

1.一种板式热交换器(2)，包括由永久式相连的第一和第二板型(17和18)组成的盒(15和16)的叠组，所述盒(15和16)为第一盒型(15)和第二盒型(16)，因此所述第一盒型(15)包括第一板型(17)的板，所述第二盒型(16)包括第二板型(18)的板，其特征在于，
所述第一盒型(15)包围每一个所述第二盒型(16)。
2.根据权利要求1所述的板式热交换器(2)，其特征在于，所述第一盒型(15)与第一通道(X)相邻。
3.根据权利要求1所述的板式热交换器(2)，其特征在于，所述第一盒型(15)之间形成了第一通道(X)。
4.根据权利要求1所述的板式热交换器(2)，其特征在于，所述盒(15和16)呈现为相同型式的两块板(17和18)的形式，这两块板通过其彼此面对的各自内侧而相互连接。
5.根据权利要求2所述的板式热交换器(2)，其特征在于，多个第一盒型(15)和第二盒型(16)一起限定了第二通道(Y)，多个第二盒型(16)一起限定了第三通道(Z)，所述第二通道和第三通道(Y和Z)形成了用于不同介质的流路径。
6.根据权利要求5所述的板式热交换器(2)，其特征在于，所述第一通道(X)与热源(4)连通，所述第二通道(Y)是闭合回路，所述第三通道(Z)包含家用热水。
7.根据权利要求1所述的板式热交换器(2)，其特征在于，所述板式热交换器(2)用于锅炉。
8.一种用于在锅炉中的永久相连的板式热交换器(2)中传热的方法，所述热交换器(2)包括第一和第二盒型(15和16)的盒(15和16)，其中，所述第一盒型(15)包括第一型式(17)的板，所述第二盒型(16)包括第二型式(18)的板，在所述盒(15和16)之间及其内部包括用于接受不同介质的第一通道(X)、第二通道(Y)和第三通道(Z)，其特征在于，
第一盒型(15)包围每一个第二盒型(16)；并且
从第一通道(X)中的第一介质至第三通道(Z)中的第三介质的传热借助于第二通道(Y)中的第二介质来进行。
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