TW202332878A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種熱交換器。該熱交換器包括用於輸送一第一流體之第一組第一導管，第一導管具有一三角形橫截面部分；及用於輸送一第二流體之第二組第二導管，該等第二導管具有一三角形橫截面部分，其中相鄰的第一導管藉由一中介第二導管隔開。以此方式，該等導管可與一空間有效結構設計緊密地定位在一起，此有助於改良在該等第一與第二流體之間之熱交換，同時亦提供使用於建構該熱交換器之材料量最小化之一緊湊配置。
Description
本發明係關於熱交換器。
熱交換器係已知的。熱交換器通常接收第一流體及一第二流體，且將該等流體輸送透過一結構，以在第一與第二流體之間交換熱量。儘管存在此等熱交換器，但其等各具有其等各自的缺點。因此，期望提供一種改良的熱交換器。
根據一第一態樣，提供一熱交換器，其包括：用於輸送一第一流體之第一組第一導管，第一導管具有一三角形橫截面部分；及用於輸送一第二流體之第二組第二導管，該等第二導管具有一三角形橫截面部分，其中相鄰的第一導管藉由一中介第二導管隔開。
第一態樣辨識到，現存熱交換器之一問題係其等效率可低於所期望的，且在其等建構中其等可較大且需要較所期望更多的材料。因此，提供一熱交換器。熱交換器可包括第一組導管、通道或管道。第一組導管可輸送一第一流體。第一導管可具有一三角形橫截面部分。熱交換器可包括第二組導管、通道或管道。第二組導管可輸送一第二流體。第二導管可具有一三角形橫截面部分。相鄰的第一導管可藉由一中介第二導管隔開、隔開或偏移。以此方式，導管可與一空間有效結構設計緊密地定位在一起，此有助於改良在第一與第二流體之間之熱交換，同時亦提供使用於建構熱交換器之材料量最小化之一緊湊配置。
中介第二導管可與一第一相鄰的第一導管共用一第一共同面，且仲介第二導管可與一第二相鄰的第一導管共用一第二共同面。換言之，一第一面可界定一個第一導管及第二導管兩者之部分，而另一面可界定另一第一導管及第二導管之部分兩者。
第一導管及第二導管可配置在至少一個具有交替相鄰的第一及第二導管之方格列中。此提供一特別緊湊配置，其改良在第一與第二導管之間之熱傳遞，且減少用於熱交換器之材料量。
各方格列中之相鄰的第一及第二導管可共用兩個共同頂點及一共同面。
熱交換器可包括複數個方格列。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得各第一導管之一頂點定位於沿一相鄰列中之各第一導管之一面的中間。同樣，此提供一特別緊湊配置，其改良在第一與第二導管之間之熱傳遞，且減少用於熱交換器之材料量。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得各第二導管之一頂點定位於沿一相鄰列中之各第二導管之一面的中間。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得各第一導管之一面與一相鄰列中之一第二導管共用。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得各第二導管之一面與一相鄰列中之一第一導管共用。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得第二導管被四個相鄰的第一導管圍繞。
各方格列中之第一導管及第二導管可在空間上對準，使得第一導管被四個相鄰的第二導管圍繞。
第一及第二導管之一第一端可界定具有一三角形橫截面之一第一孔徑。
第一及第二導管可具有朝向界定一第二孔徑之一第二端之一縮窄部分。
第一及第二導管可具有該縮窄部分及朝向該第二端之一相鄰擴大部分。
各第二孔徑可經結構設計用於流體連通。換言之，第一或第二流體可穿過各第二孔徑。
各第二孔徑可定位成界定一共同面，流體可透過該共同面輸送。
縮窄部分可自三角形橫截面過渡至非三角形橫截面。過渡可為一放樣過渡。
非三角形橫截面可包括一圓形橫截面。
相鄰的擴大部分可過渡至界定第二孔徑之一非圓形橫截面。過渡可為一放樣過渡。
相鄰的擴大部分可過渡至界定第二孔徑之一方形橫截面。過渡可為一放樣過渡。
各方形橫截面可以一方格圖案定位，以界定共同面，第一及第二流體中之一對應流體可透過其輸送。此提供一方便的結構，流體可透過該結構用導管輸送。
第一組第一導管可在一第一方向上自第一端延伸至第二端，且第二組第二導管可在一第二方向上自第一端延伸至第二端，第二方向與第一方向相反。換言之，第一導管及第二導管可以相反、相對或不同定向對準。
第一組第一導管可朝向第二組第二導管延伸，使得第一導管之三角形橫截面部分與第二導管之三角形橫截面部分嵌套。換言之，一些相鄰導管之三角形橫截面可形成其他導管之三角形橫截面。
第二組第二導管之縮窄部分可在縮窄部分之外表面之間界定一第一空隙，且第一組第一導管之第一孔徑經定位成與第一空隙流體相連通，用於輸送第一流體。換言之，第二導管之縮窄部分可提供一空間，第一流體可在其中輸送。
第一組第一導管之縮窄部分可在縮窄部分之外表面之間界定一第二空隙，且第二組第二導管之第一孔徑經定位成與第二空隙流體相連通，用於輸送第二流體。換言之，第一導管之縮窄部分可提供一空間，第二流體可在其中輸送。
熱交換器可包括一第一外殼部分，該第一外殼部分包圍第二組第二導管之縮窄部分，且界定一第一埠，第一流體可透過該第一埠輸送。換言之，第一外殼部分與第二組第二導管之縮窄部分一起可界定一充氣室，第一流體可透過該充氣室在第一埠與第一組第一導管之第一孔徑之間輸送。
第一外殼部分可與用於輸送第一流體之第一組第一導管之第一孔徑流體相連通。
第一外殼部分可至少在第一組第一導管之三角形橫截面部分與第二組第二導管之第二孔徑之間延伸。
第一外殼部分可包圍第一空隙。
熱交換器可包括一第二外殼部分，該第二外殼部分包圍第一組第一導管之縮窄部分，且界定一第二埠，第二流體可透過該第二埠輸送。換言之，第二外殼部分與第一組第一導管之縮窄部分一起可界定一充氣室，第二流體可透過該充氣室在第二埠與第二組第二導管之第一孔徑之間輸送。
第二外殼部分可與用於輸送第二流體之第二組第二導管之第一孔徑流體相連通。
第二外殼部分可至少在第二組第二導管之三角形橫截面部分與第一組第一導管之第二孔徑之間延伸。
第二外殼部分可包圍第二空隙。
在隨附獨立及附屬技術方案中闡述進一步特定及較佳態樣。附屬技術方案之特徵可適當與獨立技術方案之特徵相組合，且以除技術方案中明確闡述之該等以外的組合。
在一設備特徵被描述為可操作以提供一功能之情況下，應暸解，此包含提供該功能或經調適或結構設計成提供該功能之一設備特徵。
在任何更詳細地討論實施例之前，首先將提供一概述。一些實施例提供一熱交換器。通常，熱交換器作為一逆流熱交換器操作，用於在一第一流體與一第二流體之間交換熱量，儘管亦考慮一共同流動配置。熱交換器包括數個第一導管及數個第二導管。第一導管輸送第一流體，且第二導管輸送第二流體。該等導管之至少一部分具有一三角形橫截面。三角形橫截面部分通常經方格化，使得攜載第一流體之導管相鄰攜載第二流體之導管。通常，相鄰的三角形部分共用一共同面，以促進在第一與第二流體之間之熱交換。與一些現存配置比較，此一配置提供一緊湊的結構，其具有在導管之間改良的接觸表面積、在導管之間減小的材料厚度及一低熱質量。儘管一歧管配置係可能的，其可與第一及第二導管之各端耦合，以促進輸送分開的第一及第二流體，但一有效的配置設想使第一及第二導管之一端縮窄，此產生與第一及第二導管之另一端處之一孔徑流體相連通的一空間，以使流體能夠被輸送。通常，該等空間藉由具有輸送各自流體之一孔徑或埠之一各自外殼包圍。藉由在相對端處使導管縮窄，可提供兩個此等外殼，以促進第一及第二流體之輸送。
熱交換器
圖1示意性地繪示根據一個實施例之一熱交換器10。熱交換器10具有一外殼20。在外殼20之一個面中設置一組第二孔徑30，一第一流體40透過該等孔徑輸送。外殼20在另一面上設有一埠50，第一流體透過該埠輸送。另一組第二孔徑(未展示)設置在另一面上，一第二流體60透過該等孔徑輸送。另一埠70設置在外殼20之另一面上，第二流體60透過該埠輸送。儘管第一流體40繪示為自該組第二孔徑30流向第一埠50，且第二流體60展示為自該組第二孔徑(未展示)流向第二埠70，應暸解，第一流體40及第二流體60之方向獨立可逆，也就是說，熱交換器10不需要如圖1中繪示作為一逆流熱交換器操作，而亦可作為一共流熱交換器操作。
圖2A繪示已移除外殼20之熱交換器10，以便展示內部結構設計。圖2B係已移除外殼20之熱交換器10之一橫截面視圖。如可見，提供一組第一導管80，其等與一組第二導管90嵌套且延伸至其中。
各第一導管80在其第二孔徑30與其第一孔徑150之間延伸，第一孔徑150終止於在第二導管90之間之一空隙中。各第二導管90在其第二孔徑100與其第一孔徑110之間延伸。如可見，第一孔徑110定位於第一導管80之間之一空隙中。
圖3A至圖3D更詳細地繪示該組第二導管90之結構設計。如自圖2可見，該組第一導管80具有一類似結構設計。圖3A係一透視俯視圖，圖3B係一透視仰視圖，圖3C係朝向第二孔徑100看之一視圖，且圖3D係朝向第一孔徑110看之一視圖。
如可見，各第二導管90在第一孔徑110與第二孔徑100之間延伸。第一孔徑110具有一三角形橫截面。第二導管90具有一三角形橫截面部分120，該部分自第一孔徑110沿一長形軸朝向第二孔徑100延伸。與三角形橫截面部分120相鄰的係一縮窄部分130。縮窄部分130之橫截面或面積朝向第二孔徑100減小。如上文所說明，此產生與第一導管80之第一孔徑150流體相連通之一空隙。與縮窄部分130相鄰的係一擴大部分140。擴大部分140之橫截面或面積朝向第二孔徑100增加。第二導管90之縮窄提供與第一導管80之第一孔徑150流體相連通的一空隙。擴大部分140使第二孔徑100能夠形成一共同面，第二流體60可透過該共同面輸送。在此實例中，縮窄部分130自相鄰三角形橫截面部分120之一三角形橫截面過渡至相鄰擴大部分140之一圓形橫截面145。然而，應暸解，其他橫截面形狀係可能的。此外，擴大部分140在第二孔徑100處自一圓形橫截面過渡至一方形橫截面。然而，應暸解，可提供除方形以外之橫截面形狀。具有一方形橫截面積對於第二導管90之均勻配置特別方便，提供一緊湊的方格化配置，且有助於最佳化第二流體60透過其輸送之面積。
現參考圖2及圖3A，如可見，第一導管80之三角形橫截面部分120B(其一個端在圖3A中藉由一x表示) 定位在一系列方格列中之第二導管90之相鄰三角形橫截面部分120B之間。事實上，在此實施例中，三角形橫截面部分120B係藉由相鄰三角形橫截面部分120之面界定。
在操作中，第一流體40經由第二孔徑30進入第一導管80，穿過其擴大部分、其縮窄部分、三角形橫截面部分120B，且穿過其第一孔徑150離開至藉由第二導管90之縮窄部分130產生之空隙中，且接著穿過第一埠50。同時，第二流體60經由第二孔徑100進入第二導管90，穿過擴大部分140、縮窄部分130及三角形橫截面部分120，且接著經由第一孔徑110離開，且進入藉由第一導管80之縮窄部分界定之空隙，且穿過第二埠70。此提供一逆流熱交換器，其中第一及第二流體保持分開，但促進在第一與第二流體之間經由第一及第二導管之熱交換。
一些實施例提供經設計用於自一催化反應器回收熱量之一高效率逆流熱交換器。可透過催化劑達成燃燒副產物(例如NOx)之減量，但此需要在高溫下操作，因此可需要加熱。破壞反應通常係放熱的，所以若熱量可回收，則一系統可自我維持。一些實施例之此一熱交換器理想地係低質量/體積但係高效率的。添加製造技術可用於製造此一結構。
在一些實施例中，熱交換器之芯體包括在重合壁之間形成之一組三角形通路。各壁為在一正向流與逆向流通路(或一熱流及一冷流)之間之一邊界。通路通常具有相同的橫截面積。熱通路在其等入口及出口處組合在一起，同樣，冷通路在其等入口及出口處組合在一起。藉由將三角形輪廓轉變為面積減小之一圓形輪廓，接著膨脹成一方形輪廓，使得各個方形通路之邊界壁彼此重合，從而達成此組合。若此形成一出口，則接著入口包括圍繞在過渡特徵之間形成之填隙通路之一環形結構或帶。此等通路與穿過熱交換器芯體之流動方向垂直。增加過渡之圓形部分之高度及/或減小其直徑改良結構之透氣性。
一類似結構可設想成方形通路，然而，計算表明三角形配置具有一更高的傳熱係數，且因此更具空間效率。熱交換器之一上格柵面可用作催化劑床之支撐。取決於通路與催化劑粒子之相對尺寸，額外結構可將方形出口通路細分以形成一格柵，防止催化劑進入管狀熱交換通路。作為一實例，用於流速約為600 slpm之氣體之一熱交換器，包括4800個間距為2.5 mm、有效長度為45 mm之三角形通路，應能夠交換約5 kW之熱量。此導致一50°C的溫差。因此，若離開一催化劑床之氣體溫度為450°C，則接著呈現至催化劑之預熱氣體之溫度將為400°C。
在一些實施例中，三角形形式給出緊湊的幾何形狀。另外，積體格柵為催化劑床提供支撐。垂直通路與一催化反應器之預期形式相配合，以簡化其整合——管道/連接所涉及的最小空間/工作量。
應暸解，改變通路之間距(面積)、熱交換元件之高度及過渡之形式係可能的。此外，使用三角形、方形或其他橫截面形狀之通路係可能的。
儘管已參考隨附圖式詳細揭示本發明之說明性實施例，但應暸解，本發明不限於精確的實施例，且熟悉此項技術者在不脫離隨附發明申請專利範圍及其等同物所界定之本發明範疇之情況下，可在其中進行各種改變及修改。
10:熱交換器
20:外殼
30,100:第二孔徑
40:第一流體
50,70:埠
60:第二流體
80:第一導管
90:第二導管
110,150:第一孔徑
120,120B:三角形橫截面部分
130:縮窄部分
140:擴大部分
145:圓形橫截面
現將參考隨附圖式進一步描述本發明之實施例，其中：
圖1示意性地繪示根據一個實施例之一熱交換器；
圖2A繪示已移除外殼之熱交換器；
圖2B係已移除外殼之熱交換器之一橫截面視圖；及
圖3A至圖3D更詳細地繪示第二導管組之結構設計。
10:熱交換器
20:外殼
30:第二孔徑
40:第一流體
50:埠
60:第二流體
70:埠
Claims (14)
- 一種熱交換器，其包括： 用於輸送一第一流體之一第一組之第一導管，第一導管具有一三角形橫截面部分；及 用於輸送一第二流體之一第二組之第二導管，該等第二導管具有一三角形橫截面部分，其中相鄰的第一導管藉由一中介第二導管隔開。
- 如請求項1之熱交換器，其中該等第一導管及該等第二導管配置在至少一個具有交替相鄰的第一導管及第二導管的方格列中。
- 如請求項1或2之熱交換器，其包括複數個方格列。
- 如前述請求項中任一項之熱交換器，其中該等第一及第二導管之一第一端界定具有一三角形橫截面之一第一孔徑。
- 如前述請求項中任一項之熱交換器，其中該等第一及第二導管具有朝向界定一第二孔徑之一第二端之一縮窄部分。
- 如請求項5之熱交換器，其中該等第一及第二導管具有該縮窄部分及朝向該第二端之一相鄰擴大部分。
- 如前述請求項中任一項之熱交換器，其中該第一組之該等第一導管在一第一方向上自該第一端延伸至該第二端，且該第二組之該等第二導管在一第二方向上自該第一端延伸至該第二端，該第二方向與該第一方向相反。
- 如前述請求項中任一項之熱交換器，其中該第一組之該等第一導管朝向該第二組之該等第二導管延伸，使得該等第一導管之該三角形橫截面部分與該等第二導管之該三角形橫截面部分嵌套。
- 如請求項5至8中任一項之熱交換器，其中該第二組之該等第二導管之該等縮窄部分在該等縮窄部分之外表面之間界定一第一空隙，且該第一組之該等第一導管之該等第一孔徑經定位成與該第一空隙流體相連通，用於輸送該第一流體。
- 如請求項5至9中任一項之熱交換器，其中該第一組之該等第一導管之該等縮窄部分在該等縮窄部分之外表面之間界定一第二空隙，且該第二組之該等第二導管之該等第一孔徑經定位成與該第二空隙流體相連通，用於輸送該第二流體。
- 如請求項5至10中任一項之熱交換器，其包括一第一外殼部分，該第一外殼部分包圍該第二組之該等第二導管之該等縮窄部分，且界定一第一埠，該第一流體可透過該第一埠輸送。
- 如請求項11之熱交換器，其中該第一外殼部分與用於輸送該第一流體之該第一組之該等第一導管之該等第一孔徑流體相連通，且較佳地，其中該第一外殼部分包圍該第一空隙。
- 如請求項5至12中任一項之熱交換器，其包括一第二外殼部分，該第二外殼部分包圍該第一組之該等第一導管之該等縮窄部分，且界定一第二埠，該第二流體可透過該第二埠輸送。
- 如請求項13之熱交換器，其中該第二外殼部分與用於輸送該第二流體之該第二組之該等第二導管之該等第一孔徑流體相連通，且較佳地，其中該第二外殼部分包圍該第二空隙。
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