TWI712767B - 用於太陽能加熱的板式熱交換器 - Google Patents

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TWI712767B TW106129339A TW106129339A TWI712767B TW I712767 B TWI712767 B TW I712767B TW 106129339 A TW106129339 A TW 106129339A TW 106129339 A TW106129339 A TW 106129339A TW I712767 B TWI712767 B TW I712767B
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佩爾 斯傑丁
曼特斯 尼爾森
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瑞典商阿爾法拉瓦公司
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Abstract

本發明提供用於太陽能加熱的板式熱交換器(1、1')，其包含在一入口(5)與一出口(6)之間延伸以用於引導一熱傳遞流體的複數個通道(4)。該複數個通道(4)界定於一第一板(2)與一第二板(3)之間，該第一及第二板(2、3)由不鏽鋼形成。該複數個通道(4)中之每一者在該入口(5)與該出口(6)之間具有一單一彎曲延伸部，如在對應於該第一及第二板(2、3)之主表面延伸部的一平面A中所見。該複數個通道(4)中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有一三角形或一倒角三角形橫截面或者一平行四邊形或一倒角平行四邊形橫截面。兩個相鄰通道(4)之側壁(10)界定對應於或小於100度且更佳地小於90度之一角度α。

Description

用於太陽能加熱的板式熱交換器
本發明係關於用於太陽能加熱的板式熱交換器，以及此類板式熱交換器與太陽能反射器一起之使用。
提供平板太陽能收集器以用於加熱水或其它流體係此技術領域中眾所周知的。收集器用於高太陽輻射區域中且用以提高效率，可藉由使用反射器將光線引導至收集器上。
根據US 4 007 728已知太陽能收集器之一個實例。收集器包含具有中空內部之構件，該構件包含具有塗佈有熱量吸收材料之外部平坦表面的面板。該面板進一步包含自該面板突出之複數個錐形反射器主體。反射器主體分佈在面板之表面上。錐形反射器主體之外部表面將入射至所述外部表面的輻射朝向面板之平坦表面反射。循環通過中空構件之流體亦循環通過反射器主體之內部。雖然可保留此部分先前技術之解決方案以藉由在複數個反射器主體之間反射入射光線來提高功率效率，但藉由衝壓薄片金屬來產生表面圖案而不開裂係極其複雜的。又，控制熱傳遞流體自入口至出口之流動以及使用全部可用熱傳遞表面係極其困難的。
EP 1 811 245 B1揭示太陽能收集器之另一實例，其中太陽能 收集器由具有帶有選擇性吸收塗層之上部吸收器薄片及下部薄片之硬焊板式熱交換器形成。一個或兩個薄片具有壓印。該兩個薄片藉由硬焊接合從而定界一個或若干個通道。在一個通道的情況下，該通道可曲折成形。亦揭示複數個平行通道之實例。此類型之太陽能收集器在其設計方面大體上對應於傳統的單流型板式熱交換器，且允許熱傳遞流體之受控輸送量。然而，就使用入射光線之可用能量而言效率較低。
WO 79/00881公開了一種根據其請求項1的前言部分所述的用於太陽能加熱的板式熱交換器。
本發明之目的在於解決上文所提及的至少一部分問題。
更確切而言，一個目的為提供一種太陽能收集器，其提供熱傳遞流體之充分受控輸送量。另一態樣為應以受控方式使用太陽能收集器之可用熱傳遞區域。又一目的為太陽能收集器應容易生產且成本較低。
根據第一態樣，本發明係關於一種用於太陽能加熱的板式熱交換器，其包含入口及出口，以及在該入口與該出口之間延伸以用於在該入口與該出口之間引導熱傳遞流體的複數個通道，其中該複數個通道界定於第一板與第二板之間，該第一及第二板由不鏽鋼形成；該複數個通道中之每一者在該入口與該出口之間具有單一彎曲延伸部，如在對應於該第一及第二板之主表面延伸部之平面中所見；該複數個通道中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有三角形或倒角三角形橫截面或者平行四邊形或倒角平行四邊形橫截面；並且兩個相鄰通道之側壁界定對應於或小於100度且更佳地小於90度之角度。
該板式熱交換器意欲與太陽能反射器一起使用，該反射器將太陽光反射至板式熱交換器之表面上。太陽能將從而加熱流動通過入口與出口之間的通道之熱傳遞流體。藉由板式熱交換器包含具有單一彎曲延伸部之複數個通道，可在較大程度上覆蓋由熱交換器之邊界界定之可用區域，同時亦確保流體之較大輸送量。又，流體流動將得到極充分地控制。試驗已展示，藉由本發明，如在每一通道之出口處所量測的流體溫度將實質上相同，其指示跨所有通道之平等效率。藉由兩個相鄰通道之側壁界定對應於或小於100度且更佳地小於90度之角度，反射至板式熱交換器上之光線在與單一彎曲通道之側壁中的一個接觸時將被該一個側壁反射且隨後撞擊相對的側壁。取決於光線之入射角，光將進一步在通道之單一彎曲延伸部內且沿該延伸部反射。因此，可增加光線之滯留時間，且藉此增加光線與熱傳遞流體之間的熱傳遞。作為又一優點，作為複數個通道之效果，相較於使用在衝壓期間不具有材料開裂之錐形圖案的情況，板厚度可減小。此外，與太陽能反射器一起使用可使板式熱交換器之尺寸小於先前已知的板式熱交換器。此將節省材料、成本及空間。
複數個通道中之兩者可具有相同曲率或不同曲率。
如在沿在入口與出口之間延伸的對稱線之第一側上所見的第一組通道與如在沿該對稱線之第二側上所見的第二組通道可相對於彼此成鏡像。當使用板式熱交換器時，此對稱性由於可簡化安裝而為有利的。
複數個通道可經配置以相對於入口發散且經配置以相對於出口會聚。
單一彎曲延伸部可包含第一直線部分及第二直線部分，其分 別合併至單一彎曲部分中。該第一直線部分及該第二直線部分可具有相同長度。此有助於提供對稱性。
更遠離入口與出口之間的對稱線的通道之最大寬度可大於更接近該對稱線的通道之最大寬度。藉此可跨所有通道提供均一流動分佈及滯留時間。
在複數個通道中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有倒角三角形橫截面或倒角平行四邊形橫截面之情況下，倒角可平行於對應於第一及第二板之主表面延伸部的平面延伸。通道之倒角橫截面有助於跨所有通道提供均一流動分佈，且從而均一地使用全部可用加熱區域。倒角亦有助於衝壓。
第一板及/或第二板之通道藉由深度拉伸平坦薄片坯料而形成，且相較於未衝壓之平坦薄片坯料，深度拉伸進行至表面擴大至少120%之程度，如跨由對稱線之相對側上的最外通道之最外邊界線定界的區域所量測。表面擴大產生擴大的可用熱傳遞區域，其可提高熱交換器之效率。
複數個通道中之每一者沿其縱向延伸部在入口與出口之間進一步具有單一彎曲延伸部，如在橫向於對應於第一及第二板之主表面延伸部的平面之方向上所見，以及如平行於在入口及出口的中心之間延伸的虛線所見，且每一通道可在其縱向延伸部一半處具有最大深度。因此，衝壓區域整體上將呈略微圓頂狀。已顯示此輪廓提供熱傳遞區域之表面擴大，其引起所有通道之間的均一流動分佈且亦有助於衝壓。
第一板及第二板可相同，或替代地，複數個通道可配置於第一板中而第二板係平坦的。
至少第一板可藉由使用塗料或藉由使用表面修飾而變黑。
板式熱交換器可藉由硬焊、焊接、黏接或膠合而永久接合。
根據另一態樣，本發明係關於如上文所描述之板式熱交換器與太陽能反射器一起之使用。
本發明之另一適用範圍將自下文所給出之詳細描述而變得顯而易見。然而，應瞭解，詳細描述及特定實例雖然指示本發明之較佳實施例，但僅以說明方式給出，此係因為此技術領域中具有通常知識者根據此詳細描述將顯而易見本發明之範圍內的各種改變及修改。
因此，應理解，本發明不限於所描述裝置之特定組成部件或所描述方法之步驟，此類裝置及方法可變化。亦應理解，本文中所使用之術語僅出於描述特定實施例之目的，且不意欲為限制性的。必須注意，如在本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，除非上下文另外明確指示，否則冠詞「一(a/an)」、「該/該等(the/said)」欲意謂存在元件中之一或多者。因此，舉例而言，對「一單元」或「該單元」之提及可包括若干裝置及其類似者。此外，詞語「包含」、「包括」、「含有」及類似措辭並不排除其它元件或步驟。
1:板式熱交換器
1':板式熱交換器
1":板式熱交換器
2:第一板
3:第二板
4:通道
4a:第一組通道
4b:第二組通道
5:入口
6:出口
7:配件
8:谷
9:倒角
10:側壁
10a:第一側壁
10b:第二側壁
11:周向邊緣
12:外部表面
13:反射器
40:最外通道
A:平面
BL:最外邊界線
L1:第一直線部分
L2:彎曲部分/中心部分
L3:第二直線部分
RoL:入射光線
SL:對稱線
w:寬度
w1:最大寬度
w2:最大寬度
x:寬度
x1:最大寬度
x2:最大寬度
y:深度
α:角度
現將參看展示本發明實施例之附圖更詳細地描述本發明之此等及其他態樣。提供諸圖以說明本發明實施例之一般結構。相同元件符號始終指代相同元件。
圖1a及圖1b示意性地揭示本發明板式熱交換器之第一實施例。
圖2揭示本發明板式熱交換器之第一實施例的橫截面II-II。
圖3a及圖3b示意性地揭示本發明板式熱交換器之第二實施例。
圖4揭示本發明板式熱交換器之第二實施例的橫截面III-III。
圖5示意性地揭示本發明熱交換器之第三實施例。
圖6a揭示本發明板式熱交換器之第三實施例的橫截面IV-IV。
圖6b揭示本發明板式熱交換器之第三實施例的橫截面V-V。
圖7高度示意性地揭示與傳入光線交互之複數個通道。
圖8高度示意性地揭示主要熱傳遞區域。
現將參看附圖在下文中更全面地描述本發明，該等附圖中展示本發明之當前較佳實施例。然而，本發明可以許多不同形式體現且不應解釋為限於本文中所闡述之實施例；實情為，出於徹底性及完整性而提供此等實施例，且提供此等實施例以向熟習此項技術者完整地表達本發明之範疇。
自圖1a及圖1b開始，揭示了板式熱交換器1之第一實施例之一般設計。
板式熱交換器1包含上部第一板2及下部第二板3，兩者都由薄片金屬製成。第一板2具有包含複數個通道4之衝壓圖案，且第二板3係平坦的。第一板2中之複數個通道4被基本平坦的周向邊緣11包圍。
材料為不鏽鋼。兩個板2、3經揭示為正方形，然而其他幾何結構係可能的，諸如矩形、橢圓形或圓形。
第一板2具有複數個通道4以用於在共同入口5與共同出口6之間引導熱傳遞流體。入口5及出口6具有硬焊或焊接至第一板2之配件 7。配件7在與平面A垂直之方向上延伸，該平面A對應於第一板2及第二板3之主表面延伸部。複數個通道4經配置以相對於共同入口5發散且經配置以相對於共同出口6會聚。
對稱線SL與在入口5及出口6之中心之間延伸的虛線重合。第一組通道4a配置在沿對稱線SL的第一側上，且第二組通道4b配置在沿對稱線SL的第二側上。兩組通道4a、4b相對於彼此成鏡像。
複數個通道4中之每一者在入口5與出口6之間具有單一彎曲延伸部，如平面A中所見。單一彎曲延伸部具有第一直線部分L1及第二直線部分L3，其分別合併至單一彎曲部分L2中。在所揭示之實施例中，第一直線部分L1及第二直線部分L3具有相同長度。然而，將理解，直線部分L1、L3可具有不同長度。在所揭示之實施例中，複數個通道之彎曲部具有不同曲率。然而，將理解，其可具有相同曲率。
現轉至圖2，單一通道之寬度w沿其延伸部在入口5與出口6之間不同。在本申請案之上下文中，量測橫向於兩個相鄰通道4之間形成的兩個谷8之中心點之間的通道4之縱向延伸部的寬度w。在所揭示之實施例中，通道4沿中間部分(亦即，沿中心部分L2)最寬，而朝向其對應入口/出口5、6變窄。
又，複數個通道之寬度w不同。更遠離對稱線SL之通道4之最大寬度w2大於更接近對稱線之通道4之最大寬度w1。
複數個通道4中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有倒角三角形橫截面。倒角9之寬度x沿個別通道之縱向延伸部變化。更遠離對稱線SL之倒角9之最大寬度x2大於更接近該對稱線SL之倒角之最 大寬度x1。複數個通道之倒角表面經配置以與彼此齊平。
兩個相鄰通道4之側壁10界定對應於或小於100度且更佳地小於90度之角度α。當第一板2配置於第二板3之上方時，形成於兩個相鄰通道之間的每一谷8之底部經配置以與第二板3齊平。
第一板2及第二板3較佳地藉由硬焊或焊接而永久地接合，例如本身係熟習此項技術者熟知之接合方法的雷射焊接。亦可使用膠合黏接。第一板2配置於第二板3之上方，其中複數個通道4之谷8及邊緣11鄰接平坦的第二薄片3。當使該配置受熱時，兩個板2、3將永久地接合且形成複數個不透流體之通道4。該接合將沿鄰接的接觸表面發生，亦即沿谷8以及沿邊緣11發生。在雷射焊接或膠合黏接的情況下，藉由略微平坦化沿谷8之接觸表面來增大該接觸表面可為有利的。
可同時或在單獨步驟中安裝配件7。
現轉至圖3a、圖3b及圖4，揭示板式熱交換器1'之第二實施例。此實施例與第一實施例之不同之處在於第一板2及第二板3(亦即，上部板及下部板)相同。其結果為，複數個通道4將具有倒角平行四邊形橫截面，而非具有倒角三角形橫截面，參見圖4。在流體及/或板式熱交換器自身之溫度變得較高之應用中，板之對稱構造係尤其有利的。在此實施例中，板式熱交換器在三個方向上對稱，亦即在與連接處成直線之方向上、與該直線成90度之方向上以及與板2及3成90度之方向上對稱。歸功於對稱圖案及構造，該等板可由於高溫而具有高耐熱疲勞性。
現轉至圖5，揭示板式熱交換器1"之第三實施例。第一板2具有複數個通道4以用於在共同入口5與共同出口6之間引導熱傳遞流體。 第二板3經揭示為平坦的，但應理解，第二板可與第一板2相同。
如圖6a中所說明，通道4在此實施例中各自具有三角形橫截面，如橫向於通道4之縱向延伸部所見。
單一通道之寬度w沿其延伸部在入口5與出口6之間不同。在所揭示之實施例中，通道4沿中間部分最寬，而朝向其對應入口/出口5、6變窄。
如圖6b中所說明，複數個通道中之每一者沿其縱向延伸部在入口5與出口6之間具有單一彎曲延伸部，如在橫向於平面A之方向上所見。單一彎曲延伸部為每一通道4在其縱向延伸部一半處提供最大深度y。曲率高度增大。又，每一通道4較佳地具有相同單一彎曲延伸部，如在此方向上所見，意謂每一通道4之最上點較佳地與彼此齊平，如橫向於複數個通道之縱向延伸部所見。
現轉至圖7，將論述彼此相鄰配置的複數個單一彎曲通道4之作用。藉由兩個相鄰通道4之側壁10界定對應於或小於100度且更佳地小於90度之角度α，來自反射器13之入射光線RoL可由第一側壁10a朝向相對的第二側壁10b反射，該第二側壁又將該入射光線朝向第一側壁10a反射回來。此重複反射可取決於曲率及入射角而改進光線RoL與所關注之兩個通道4內部之熱傳遞流體之間的能量交換。應理解，板式熱交換器1、1'、1"或反射器(未揭示)可經配置成在角度上可調整以最佳化傳入光之捕捉。
現轉至圖8，第一板及/或第二板2之通道4藉由深度拉伸形成。相較於未衝壓的平坦薄片坯料(未揭示)，深度拉伸進行到表面擴大至 少120%的程度，如跨由對稱線SL之相對側上的最外通道40之最外邊界線BL定界的區域所量測。在圖8中以灰階說明在板式熱交換器之操作期間對應於主要熱傳遞表面之區域。
熱傳遞流體之非限制性實例為水或熱油。
為增加熱吸收，第一板2之外部表面12可至少部分地具有黑色塗料。黑色塗料較佳地用於具有低於200℃之溫度的應用。對於高於200℃之溫度，典型地為使用熱油之情況，可用表面修改替換塗料。藉助於實例，表面修改可藉由產生朝向表面反射光之表面圖案(諸如錐形)的雷射加工提供。可在衝壓之前或之後進行表面修改。
可藉由硬焊或焊接(例如雷射焊接)進行兩個板2、3之永久接合。銅硬焊可用於低於225℃之應用，該溫度由於抗潛變性而為銅硬焊之限制。對於更高溫度之應用，板材料可為不鏽鋼或高溫不鏽鋼。硬焊可藉由使用基於鎳之硬焊填料、基於鐵之硬焊填料或熔點抑制劑而執行。硬焊填料或熔點抑制劑可藉由對板之間的接觸表面進行輥軋或網板印刷而塗覆。作為又一替代例，可用黏接材料對中間平板(未揭示)進行網板印刷且將其配置於第一板2與第二板3之間。不言而喻，此類中間平板必須具有用於流體流動之開口。又，此類中間平板亦將充當機械加強層。
在所揭示之實施例中，複數個通道4覆蓋正方形區域。較佳地，該區域具有對應於反射器之投影區域的幾何形狀。投影區域意謂反射器配置於其上以將傳入光線反射至板式熱交換器上的區域。其他幾何形狀之實例為圓形、橢圓形或矩形。作為一非限制性實例，如沿外周邊所量測，正方形板式熱交換器可具有30×30cm之大小。
根據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之研究，在此技術領域中具有通常知識者可在實踐所主張之本發明時理解並實現所揭示之實施例的變化。
1‧‧‧板式熱交換器
L1‧‧‧第一直線部分
L2‧‧‧彎曲部分/中心部分
L3‧‧‧第二直線部分

Claims (13)

  1. 一種用於太陽能加熱之板式熱交換器(1、1')，其包含一入口(5)及一出口(6)，以及在該入口(5)與該出口(6)之間延伸以用於在該入口(5)與該出口(6)之間引導一熱傳遞流體的複數個通道(4)，其中該複數個通道(4)界定於一第一板(2)與一第二板(3)之間，該複數個通道(4)中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有一三角形或一倒角三角形橫截面或者一平行四邊形或一倒角平行四邊形橫截面，其中兩個相鄰通道(4)之側壁(10)界定等於或小於100度之一角度α，該第一板和該第二板(2、3)之該等通道(4)，或者該第一板或該第二板(2、3)之該等通道(4)，係藉由深度拉伸一平坦薄片坯料而形成，且其中相較於一未衝壓之平坦薄片坯料，該深度拉伸的程度係使得在該入口(5)與該出口(6)之間延伸的一對稱線(SL)的相對側上橫跨由最外通道(4)的最外邊界線(BL)界定的區域上所量測的表面擴大至少為120%，其特徵在於：該第一及第二板(2、3)由不鏽鋼形成，其中從對應於該第一及第二板(2、3)之主表面延伸部的一平面A中觀察時，該複數個通道(4)中之每一者在該入口(5)與該出口(6)之間具有一第一單一彎曲延伸部，且其中，從橫向於對應於該第一及第二板(2、3)之該主表面延伸部之該平面(A)的一方向上觀察以及從平行於在該入口(5)及該出口(6)的中 心之間延伸的一虛線觀察時，該複數個通道(4)中之每一者可沿其縱向延伸部在該入口與該出口之間進一步具有一第二單一彎曲延伸部，且其中每一通道(4)在其縱向延伸部一半處具有一最大深度(y)。
  2. 如申請專利範圍第1項之板式熱交換器，其中該複數個通道(4)中之兩者的第一單一彎曲延伸部具有相同曲率或不同曲率。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中沿著在該入口(5)與該出口(6)之間延伸的該對稱線(SL)之一第一側上看見的一第一組通道(4a)與沿著該對稱線之一第二側上看見的一第二組通道(4b)相對於彼此成鏡像。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中該複數個通道(4)配置成相對於該入口(5)發散且配置成相對於該出口(6)會聚。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中該第一單一彎曲延伸部包含一第一直線部分(L1)及一第二直線部分(L3)，其分別合併至一單一彎曲部分(L2)中。
  6. 如申請專利範圍第5項之板式熱交換器，其中該第一直線部分(L1)及該第二直線部分(L3)具有相同長度。
  7. 如申請專利範圍第3項之板式熱交換器，其中更遠離該入口(5)與該出口(6)之間的該對稱線(SL)的一通道(4)之最大寬度(w2)大於更接近該對稱線的一通道(4)之最大寬度(w1)。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，在該複數個通道(4)中之每一者沿其縱向延伸部之至少一部分具有一倒角三角形橫截面或一倒角平行四邊形橫截面之情況下，其中該倒角(9)平行於對應於該 第一及第二板(2、3)之該主表面延伸部的該平面延伸。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中該角度α小於90度。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中該第一板及該第二板(2、3)相同，或其中該複數個通道(4)配置於該第一板(2)中且其中該第二板(3)係平坦的。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中至少該第一板(2)藉由使用一塗料或藉由使用一表面修飾而變黑。
  12. 如申請專利範圍第1項或第2項之板式熱交換器，其中該板式熱交換器藉由硬焊、焊接、黏接或膠合而永久接合。
  13. 一種使用方法，其係將如申請專利範圍第1項至第12項之板式熱交換器與一太陽能反射器(13)一起使用，其中來自該太陽能反射器之入射光線可由該板式熱交換器的通道的第一側壁朝向相對的第二側壁反射，該第二側壁又將該入射光線朝向該第一側壁反射回來。
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