CN87102842A - 逆流式板型热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明的逆流式板型热交换器主要用于热回收领域，其中设有由支承部件作弹性支撑的一批导热的浮动板，使流体在紧接其流入该热交换器的前后，在换热时的流动方向为相互正交。在上述浮动板之间形成有通道，使温度不同的流体在此种通道长向所定的区间内朝相互相反的方向流过，而这种浮动板有效部分的长短边之长度比为2.5∶7。各浮动板上设有一批凹座，它们的高度即界定了浮动板间的间隙。恰当地排列这些凹座还可有效地控制流体的流动。

Description

本发明是关于板型热交换器的，特别涉及到这样一种浮动板型热交换器，它具有以支承部件作弹性支撑的一批导热板，且各种流体至少是在紧接着其流入该热交换器的前后，它们进行换热时的流动方向是相互正交的。

更详细地说，本发明的热交换器，是以用于热回收领域为其主要目的，例如是一种在处理部流出的高温流体与流入处理部的低温流体之间，从事热交换的设备。

在可以有利地用于热回收领域的热交换器中，那种通过支承部件将其热交换板作弹性支撑的浮动板型热交换器，业已公开在日本专利局公布的特许公报500580号中。见之于该公开特许公报中的浮动板型热交换器，它的大致结构如图6所示。

实际上，图6所示的立体图，是把浮动板型热交换器一个单元内的一部分予以略去的结果。此图中所示的浮动板型热交换器取这样一种构件形式，它有一对矩形端部壁10，而在这些个矩形端部壁10的各个角部，装配上条材12，使与矩形端部壁相结合而形成筐体。

作为热交换介质的一批矩形板14，配置在矩形端部壁10之间，和此端部壁10平行，且相互隔开。在各矩形板14一侧的面上，为了与其相邻的一对矩形板之间生成间隙，而设置有一批形成通道的凹座16，这些凹座16大致呈椭圆形，它们突出在各矩形板一侧的面上，且相互平行。

图7（a）与（b）示明构成上述热交换器的热交换板之形状。

如图7（a）与（b）所示，在相邻的矩形板之间，这些个凹座是以相互正交的方式配置，而各个矩形板的和上述凹座长径方向平行的边缘则弯折成直角形式，构成了紧接各矩形板下方通道的侧壁。此时，凹座能具有作为一种支撑构件的功能，抵抗着矩形板面上的垂直方向上的力。

而各凹座，它们在突出的通道内的流体流动方向上形成长的椭圆形时，将不会对流体流动构成大的阻力。因而在图7（a）中，有利于流体沿箭头×的方向流动;而在图7（b）中，有利于流体沿箭头Y的方向流动。图7（c）为这种热交换器的热交换板之部分板平面上的垂直剖面图。

此外，在图6中尚未示明的有，在矩形板14的各个之间，配置了弹性的隔层，使矩形板14相对于各面，在垂直方向上受到弹性的支承，处于保持着一定间隔的位置。由于这样的弹性支承，在相对于矩形板面的垂直方向上的热膨胀被吸收，形成了一种能防止热交换器外壳发生热变形的结构。

而且如图6所示，在各矩形板14的角部，装配有呈L型断面的密封带18，此种密封带的外侧与条材12的内面之间，插有将弹性金属薄板卷绕一圈以上所成的涡卷形卷簧20。在此卷簧20的外侧，配置有阻挡件22，防止卷簧20的松脱。

这样，通过此卷簧20，加上在密封带18的外面与角部的条材12内面之间已被密封，而形成了一种使和矩形板14的面相平行之方向上的热膨胀能被吸收的结构。

取上述结构的浮动板型热交换器，在形成于各矩形板14之间的相互正交的通道之内，对其中有同一方向的所有通道，例如有高温流体流过，而在与之正交的所有通道，例如有低温流体流过，这样，在这两种流体之间，借助于矩形板便进行着热交换。

上面描述的是，日本专利局公布的特许公报500580号中所公开的浮动板型热交换器，它具有这样的特征：热变形或由此而引起的破损是极小的，并且容易组装。

为了更好地充分利用这类浮动板型热交换器，本项专利的申请人虽然已提出过若干结构上的改进，但其中任何一项，都未能对图6所示的浮动板型热交换器做出根本的改进。

这就是说，如上所述，是在既有的浮动板型热交换器中，便起到传热与受热作用的各流体，通过矩形板而相互正交地流动（以下称这种流动方式为正交流动方式）。但是，和那种使温度不同的两类流体通过板件而相互流向对方的逆流式热交换器相比，这种正交流动式的热交换器，从原理上说，能实现的温度效率是颇低的，在一个单元的正交流动式热交换器装置中，仅仅靠扩大传热面积，在多数情况下是不能获得所要求的热交换量的。

于是，在实际的使用中，正交流动型热交换器，一般是把一批单元以管连接起来，而能够作多段式使用。在图9（a）与（b）中，概略地示明了多段式热交换器的结构，图9（a）中示明了以导管41相连接的两个热交换单元40，或者，为了获得必要的热交换量，可采取图9（b）所示的，以两根导管41相连接的三个热交换单元。

但是，这样的结构会加大热交换器的外形尺寸与重量，显然会不利于它的应用。此外，当流体流过多段式热交换器时，由于流体在各段传热元件之间出入时的收缩及扩散，会增大流体的动压损失，将进一步降低热交换器的效率。还有，当用于热交换的流体为气体时，尚不得忽视通过导管内时的摩擦压力损失。

下面就上述问题作一详细解释，根据“日本机械学会”热传输工艺学资料（184～190页），在热交换器中，所交换的热量Q可用平均温度差△tm表示如下：

Q＝KF△tm    （1）

式中，F为电热面积（平方米），

Q为每单位时间所交换的热量（千卡/小时），

K为系数。

于是在式（1）中，当掌握了系数K后，Q和所要求的传热面积F之关系便可确定。

图3是根据上述同一资料，示明了逆流式热交换器中的温度差变化，以此为基准，将高温流体W与低温流体W′的温度差△tm，作为热交换器端部处各流体的温度t₁、t₁′、t₂、t₂′的函数，可由下式给出：

$\mathrm{△\; tm\; =}\frac{{△}_1{\mathrm{-\; △}}_2}{{\mathrm{2.303\; log}}_{\mathrm{10}}{\mathrm{(\; △}}_1{\mathrm{/△}}_2)}\mathrm{(2)}$

此时，△₁、△₂如图3所示，为此两流体在入口与出口处的温度差。

此外，当把这种正交流动式的热交换器，以多数个相连接而构成多段式情形，则能根据下式求出△tm。

这就是说，可以在逆流式的△tm中乘以修正系数φ来求出，而此修正系数φ，在图4所示的正交流动式热交换器中，则可以根据表明两种流体在热交换时尚未混合时的修正系数之曲线而求出。

另一方面，这种浮动板型热交换器，虽然多数情况下是用作为锅炉和加热炉等的空气预热器，但在这类情形下，实际的热流量比R约为0.8，若是把低温侧的温度效率取作0.8左右，则根据图4，修正系数成为0.65。即，依照与此种正交流动式热交换器有相同热交换量为目标时，所设计出的逆流式热交换器的传热面积为65%。

另一方面，当把完整的正交流动式热交换器构成多段型时，为了获得所希望的热交换量，通过使图4中的φ减小来达到改进修正系数便成为目标所在。这就是说，为了使温度效率保持为0.8，作为两段式热交换器，最好使各段的温度效率为0.4，此时若从图4来求修正系数，则分别可得φ＝0.96。即传热面积可减少0.65/0.95。

但是，与逆流式热交换器相比，假定依然是上述情况，则1/0.96＝1.04，而仅仅是面积增大，因此虽然是多段型，就产生的各种问题来说，同于已叙述过的情形。

于是，浮动板型热交换器，即使着重为上述现有技术所述的各种改进，与逆流式热交换器相比，依旧是不利的。

为此，本发明的目的即在于，继续保持着现有的浮动板型热交换器不因热而变形或受热而破损，且容易组装的优点，同时实现在热交换效率方面有利的逆流式热交换器。

按照本发明，将一对平行分隔的矩形壁部件，以及和这对壁部件相对应地至少是连接其各个角部的四根条材组成为筐体，在此种条材的内侧，通过弹性部件一一连接，且至少是将此各条材的内侧封闭，此外，相对于上述壁部件的中心连接线而处于对角位置的一对，在由上述壁部件的长边与上述条材形成的一对面上，空留出该面的一部分，而有四根延伸的密封带将该面尽可能地密封住，且在这些密封带和上述壁部件构成的空间内，装有三块以上互相隔离的浮动板，它们和前述的壁部件相平行并与前述的密封带密切接触，在这些浮动板相互之间形成的通道内，备有保持着它们相互留有间隙的分隔装置，且备有控制流体在该通道内流动装置，而在互邻的通道内，温度不同的流体即流过各浮动板的表面与里面，这样便构成了一种浮动板型热交换器，它在上述各流体之间，通过前述的各块浮动板进行着热交换，而这里提供的上面说及的逆流式板型热交换器的结构特征即在于：在至少相当于前述通道长边的2/3之区间内，温度不同的流体是沿相互相反的方向流动。

作为上述这种逆流式浮动板型热交换器之浮动板的长边和短边，根据本发明人等的实验结果，它们的合适长度比可以推荐为2.5∶7。

上述各浮动板大致呈椭圆形，且设有朝向该浮动板表面和/或里面突出的一批椭圆形凹座，形成了相互邻接的浮动板的间隙，而且，通过有效地配置这些凹座，就能有利地形成控制前述流体流动的手段。

除此，可在流体流入口的近旁和/或在流体流出口的近旁，分别配置板状部件来作为控制这些流体流动的手段，也可兼用前述的凹座与这些板状部件。

这就是说，根据本发明所提供的浮动板型热交换器，是将这些浮动板叠层，而交互形成的通道之水平断面为矩形，同时设有使流体从该长方向的短边流入而从处于相对位置的短边流出的通道;以及使流体从该通道下流侧长边的一部分的流入，而且相对长边上流侧流出的通道。从而使得从该长边侧流入或流出的流体，在从流入到流出的一段期间内，能和从短边侧流入及流出流体按相反方向流动，实现逆流式的热交换。此时，矩形浮动板的传热面，其长边长度与短边长度之比，根据实验结果已知，以在2.5∶7以上为宜。

如上所述，本发明的逆流式浮动板型热交换器的组合结构，采用了与日本专利局公布的特许公报500580号中所公开的正交流动式浮动板型热交换器相同的形式，保持了浮动板型的特点，即依然具有不发生热变形或由此而引起破损的有利结构，与此同时，在这样的形式的结构下，还适用来实现已提出过的各项改进。

这就是说，为了能更为有利地充分地利用这类浮动板型热交换器，本项专利申请人已提出过：比保持矩形板的间隙之部件更要牢靠的稳定结构（日本，昭和61年公开实用新型公报第204186号）;或者例如图8中由矩形板24组成的通道断面所示，把形成在各矩形板24中的凹座26形成于各矩形板面的外表与内部，通过使相邻矩形板的凹座底面相互接触，扩大各矩形板的间隔，而成为增加了各通道厚度的结构（日本，昭和61年公开实用新型公报第204187号）;而且在由矩形板所形成的热交换部和该热交换部的支承结构之间配置有隔热材料，成为一种能在排除热对支承结构影响的同时提高热回收效率的结构（日本，昭和61年公开实用新型公报第204188号）;进一步有，把前述矩形板集成体同增强部件以及设于矩形板中的凹座组合成的结构（日本，昭和61年公开实用新型公报第204189号）;还进一步提出了，设置防止各矩形板边缘弯曲的结构，提高矩形板抗弯曲刚度的结构（日本，昭和61年公开实用新型公报第204185号）等，对于本项申请所涉及的逆流式浮动板型热交换器，则能适用于以上所说的任何一项改进。

还有，本发明的热交换器，它的热交换部是取作矩形的，就从其长边侧流入的流体而言，由于采用了密封带限制了这种流体的流入和流出范围，就在此矩形的热交换部中央附近，使流体的相互流动方向对流化了。

同时在热交换过程中，在紧接着流入之后和流入之前的流体，它们在热交换器朝向逆流部分或来自逆流部分，都使流动方向转过      90°。此时，在图5中以虚线所围出的a部与b部中，不会有流体充分流动。因而根据本发明，有利于在通道内设置流体的扩散与整流手段。

这种整流手段是形成在热交换板中的，可通过调整在各通道内突出的凹座之排列及方向，能容易而有效地在通道内形成。

这就是说，由于形成在浮动板中的凹座是突出在通道内，并且其形状略呈椭圆形，当着流体的流动方向和凹座的长径方向一致时，对于流体流动的阻力就最小。于是，按照使流体在通道内具有最适当的流谱来确定凹座的排列及方向，也就能使凹座具有作为流体的扩散与整流的手段之功能。设置有此种凹座的浮动板，易采用周知的钢板材料压制成形方法等制成。

还要指出，就上述整流而言，本发明则提出了更为精密的控制方法。就是说，即使采用上述结构，由于在局部上仍然会发生流体的偏流，为了对此作出更强有力的控制，在相应通道内的上述有关位置处，附加以板状的整流手段则更为有利。

据上所述，按照本发明，能提供一种热交换效率高的浮动板型热交换器。

图1为示明本发明的逆流式浮动板型热交换器的一种优选形式而其中一部分已取出时的立体图;

图2（a）与（b）表示的是，形成在图1所示之逆流式浮动板型热交换器各浮动板上的凹座之排列与方向的一种形式;

图3为表明逆流式热交换器中流体温度变化的曲线图;

图4是用于算出正交流动式热交换器中修正系数的曲线图;

图5为矩形通道内流体流动形式的示意图;

图6示明现有的正交流动式浮动板型热交换器之结构且其中一部分已除去的立体图;

图7（a）、（b）与（c）示意地表明了图6所示之正交流动式浮动板型热交换器的浮动板形状，图7（a）与（b）表示各浮动板的外形，图7（c）表明叠层的浮动板的断面;

图8是对于已提出的浮动板型热交换器的一种建议形式的说明图，其中表明了浮动板的断面;

图9（a）与（b）表明了正交流动式浮动板型热交换器作为多段型时的连接形式，图9（a）与（b）分别表明2段型与3段型的结构。

下面举出本发明的一种优选形式，以对本发明作出较具体的详细叙述，虽然如此，但以下所示的内容仅仅是本发明的一个实施例，并不对本发明的技术范围作出任何限制。

图1所示的是本发明的一种优选形式但其中一部已取下的立体图，表明了具有宽1200毫米，长2635毫米热交换面的逆流式浮动板型热交换器的结构。

如图1所示，本发明的热交换器具有与传统的浮动板型热交换器相似的结构。

这就是说，由壁部件101与102以及条材103、104、105和106结合各角部而形成筐体，而以之作为热交换器的支承结构体。在此实施例中，上述条材中的104与106是沿着该壁部件101与102的长边侧延伸，分别到达流体的流入口107与流出口108（在图1中处于朝向图面的一侧，故不能看见）。

上述形式在作为图1所示之热交换器的水平截面图的图2（a）与（b）中，更加清楚。此外，在图1与图2（a）与（b）中，对同样的部件附以同样的参考数号。

如以上两图所示，各条材103、104、105、106，以隔热性填料109与一批卷簧110为中介，而把密封带111与113压向结构体内部，且对内部的浮动板114a与114b从侧面加以弹性支持。于是，此种密封带111与113的热膨胀即由卷簧110吸收。因此，密封带112与113不会因热的影响而发生挠曲或脱落等，也不会把热膨胀的影响波及到支持结构体。除此，在上述条材103、104、105、106的端部，设置有板状的阻挡件115a、115b以防止卷簧110脱落。

另一方面，在上述的四条密封带内，处于相互相对位置的一对113，分别沿着浮动板的边缘延长，在由壁部件101与102的长边和各条材103、104、105、106形成的一对面上，形成有处于相互反向位置的流体流入口107与流出口108。

此外，在各浮动板的相互之间，尚有图中未标明的弹性隔板在常态下压缩穿插于其中，由此，在保持浮动板间隔的同时，还能吸收浮动板厚度方向上的热膨胀。

这筐的浮动板114a与114b，分别与图7（a）与（b）所示的现有的热交换器之浮动板相同，分别以其一对长边或一对短边垂直地立起，并分别密接紧其上面或下面的浮动板边缘，而形成相互正交的通道。

现在称图2（a）所示的浮动板为空气板，在紧接此空气板之上，有从热交换器长边侧流入的温度较低的流体流过。称图2（b）所示的浮动板为全板，在紧接其上，则有从短边侧流入的温度较高的流体流过。

各浮动板114a与114b都在朝向其表面与里面的方向，于前方设有突出的凹座。图2（a）所示的是，在使从浮动板长边侧流入或流出之流体流过的通道内，有关凹座的方向与排列的情形;图2（b）所示的是，在从浮动板短边侧流入而从其相对位置处短边侧流体的通道内，相应凹座的方向与排列情况。这里，在各浮动板中，如前所述，虽然是朝向它们的表面与里面形成有突出的凹座，但在图2（a）与图2（b）中，为了能清楚地示明这两种凹座的排列，分别相对于图面仅仅描绘出突出在前方一侧的凹座。

各个凹座都大致呈椭圆形，而显然当流体的流动方向与凹座的长向一致时，阻力最小。这里，依据流体在通道内沿着其所希望的流动方向来探讨凹座的方向与排列时，可得如下结论：图2（a）与图2（b）所示的排列与方向乃是所希望的形式之一。

在图2（a）中，凹座131沿横向开向空气通路，由于具有某种程度的压力损失，就能起使空沿着逆流部分均匀流动的分配器的作用。此外，凹座133在出口侧也能制约空气的流量。

同时凹座134还具有导阀的作用，在逆流部分内，使流入的空气平行地引导到上部。凹座132，用来使供给到流入部的空气所具有的动压不受损失，而导入到热交换器的内部，在流出部，如图5所示，流体朝着斜方向，不发生短路，沿着垂直方向上变化着它的流动方向而导入。

除此，在图2（b）所示的浮动板114b之上，凹座132总体来说要构造成，使它的长径与流体的流向一致，一定不要有碍于流体的流动。

还使这些凹座的各个底部分别与邻近的浮动板对接，作为保持各浮动板之间间隙的分隔件，并具有作为热交换器垂直方向上加强件的功能。

更进一步，本实施例所示的热交换器就流体的整流而言，具有更精密的控制性能。即以前述的结构而论，由于在空气侧的通道内流体仍存在着局部的短路，故在该部分中可安装长度可调的梳形缓冲板，从而能更精密地控制流体的流动。这种梳形缓冲部，在本实施例中，可以把图1所示用来防止卷簧110脱落的阻挡件115b，向相应的通道内加以延长来实现。

按照本发明如上所述制成的逆流式浮动板型热交换器，具有容易组装的结构且与对流形式无关，能发挥逆流式热交换器的高效率的热交换性能。

下面描述它在工业上利用的可能性。

本发明的热交换器，如上所述，首先与热交换板熔接于支承部件上的热交换器相比，能经受较大的温差，而且配置有一系列凹座的热交换板，由于高温流体与低温流体的接触面积大，热效率良好，且因可通过把钢板模压成形来形成凹座，故在组装时于热交换板之间安装增强件之类的独立分隔件时，省除了安装手续，总的说来，能够更充分地利用既有的浮动板型热交换器的优点。

同时，本发明的浮动板型热交换器，在原理上是采用了热交换效率高的逆流式的结构。从而与正交流动式的热交换器相比，能缩小导热面积，还由于不必要采取多段式结构，故不需管道工程。

这样，按照本发明，可以实现高性能且易于制造的理想的热交换器。这种热交换器，例如可以有效地用作为加热炉、锅炉、焚烧炉、蒸馏器等的空气预热手段，同时也能广泛而有效地用于其它领域。

Claims (6)

1、一种逆流式浮动板型热交换器，它的结构如下：

由平行分开的一对矩形壁部件以及与该对壁部件相对应且至少是将其各个角部连接的四个条材形成筐体，

在前述条材的内侧，通过弹性部件一一连接，且至少是将此各条材的内侧封闭，此外，相对于上述壁部件的中心连接线而处于对角位置的一对，在由上述壁部件的长边与上述条材形成的一对面上，空留出该面的一部分，而有四根延伸的密封带将该面尽可能地密封住，

在上述密封带和前述壁部件构成的空间内，装有三块以上互相隔离的浮动板，它们和前述的壁部件相平行并与前述的密封带密切接触，

在这些浮动板相互之间形成的通道内，备有保持着它们相互留有间隙的分隔装置，

在该通道内则设有控制流体流动的装置，

在相互邻接的通道内，温度不同的流体部流过各浮动板的表面与里面，这样构成的一种浮板型热交换器，它在上述流体之间，通过前述的各块浮动板进行着热交换，

上述逆流式浮动板型热交换器的特征为：它构造成，使温度不同的流体在前述通道的长边方向所定区间内，而相互沿相反的方向流过。

2、按权利要求1所述的一种逆流式浮动板型热交换器，其特征为：前述浮动板的有效部分之长边和短边的长度比为2.5∶7。

3、按权利要求1或2所述的一种逆流式浮动板型热交换器，其特征为：上述各浮动板分别都设有朝向这种浮动板表面或里面突出的一批椭圆形凹座，而由这些凹座的高度形成相互邻接的浮动板的间隙。

4、按权利要求1至3中任何一项所述的一种逆流式浮动板型热交换器，其特征为：上述凹座经有效地排列，可以形成为控制上述流体流动的手段。

5、按权利要求1至4中任何一项所述的一种逆流式浮动板型热交换器，其特征为：上述的控制流体流动的手段乃是分别配置在流体流入口近旁和/或在流出口近旁的板状部件。

6、按权利要求1至5中任何一项所述的一种逆流式浮动板型热交换器，其特征为：在上述密封带与上述壁部件以及条材之间，插入有隔热材料。

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