TWI712771B - 用於板式熱交換器之入口分佈器 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種用於板式熱交換器之入口分佈器，其中板式熱交換器包含板片組，並於板片之間皆形成有流體通道，且板片上具有多個第一流體開口及第二流體開口，以形成供流體交替進入與排出流體通道之多個入口管道及出口管道，而入口分佈器包括集流管及設置於集流管的管道壁面上之至少一片水平隔板，便可將集流管安裝於入口管道之入口端處，並使水平隔板同軸延伸至入口管道中，當流體流入集流管內，可由水平隔板先將通過的流體之二相液、汽體分離後，使汽體沿著水平隔板引導至遠離入口端不同位置的流體通道內，達到液體與汽體混合在中、低流量下均勻的分佈之目的，且因水平隔板造成流體的壓降增加小，確實可有效提升整體熱傳性能之效果。

Description

用於板式熱交換器之入口分佈器

本發明係提供一種用於板式熱交換器之入口分佈器，尤指可利用分佈器之水平隔板先將通過集流管內之流體二相液、汽體分離後，使汽體引導至板式熱交換器遠離入口端不同位置的流體通道內，達到液體與汽體混合在中、低流量下均勻的分佈且熱傳性能增加之效果。

按，近年來板式熱交換器被廣泛應用於製冷、冷凍空調、熱泵系統、熱處理、石化、能源、廢熱回收等產業中，其構造及工作原理為利用具有一定波紋形狀的金屬薄板片疊裝而成，並在各板片之間形成有流體通道，便可利用板片的熱傳性質將二種流體(如液對液或液對汽)進行熱交換動作，達成加熱或冷卻之目的，並具有結構緊湊、熱傳效率高、體積小及易於維修檢驗等優點。

如第十圖所示，其中該板式熱交換器A包含板片組A1，並於板片組A1的各二相鄰板片之間皆形成有流體通道A10，且各板片在四個角落上對應的開口形成有供流體B進入與排出流體通道A10進行熱交換之多個入口管道A2及出口管道A3，在實際的應用上，板式熱交換器A之流體B通常為二相(液體與汽體)混合而非單相流體，當二相流體(如冷媒)經由板式熱交換器A之入口集管流入時，由於液體(如液態 冷媒)的慣性力與重力比蒸汽(如汽態冷媒)大，便會因液體的動量遠大於蒸汽的動量，導致使大部分液體向前流動到板式熱交換器A後端遠離入口集管之入口管道A2中，而大部分蒸汽則在板式熱交換器A前端入口集管附近之入口管道A2中向上流動，造成液體與蒸汽流入至各流體通道A10內的流量分佈不均勻，並影響到整體之熱傳性能，從而降低板式熱交換器A之熱交換效率。

因此，為了解決板式熱交換器在流道入口處存在著流體分佈不均之問題，目前大多是在流道入口處設置有一分佈器，並利用現有的分佈器來縮小流體入口的面積，藉以限制其流入流道內的流量，或是提升流體在流道內之流速，期望達到流道內之流體分佈均勻之目的，惟該入口分佈器的設計，不但會影響到流體流入板式熱交換器內時所產生的壓降，更會對流體在各個流道之間的分佈是否均勻有絕對的影響，當板式熱交換器之板片數量較多時，壓降會集中在流道入口處，所以流道入口處的壓降也是決定板式熱交換器整體熱傳性能是否良好的一個重要因素，現有的分佈器縮小流體入口的面積設計，雖然可以有效提升流體在流道內之流速，但流動的壓降也相對增加，反而會影響流動，並產生不必要的壓力損失，同時形成流體分佈不均的現象，進而影響整體之熱傳性能，則有待從事於此行業者重新設計來加以有效解決。

故，發明人有鑑於上述習用之問題與缺失，乃搜集相關資料經由多方的評估及考量，並利用從事於此行業多年研發經驗進行設計，始有此種用於板式熱交換器之入口分佈器的發明專利誕生。

本發明之主要目的乃在於板式熱交換器位於板片組各二相鄰板片之間為形成有流體通道，並於板片上具有多個第一流體開口及第二流體開口，以形成供流體交替的進入與排出流體通道來進行熱交換之多個入口管道及出口管道，而入口分佈器包括集流管及設置於集流管的管道壁面上之至少一片水平隔板，便可將集流管連同水平隔板安裝於入口管道之入口端處，並使水平隔板同軸延伸至入口管道中，當流體流入集流管內，可由水平隔板先將通過的流體之二相液、汽體分離後，使汽體沿著水平隔板引導至遠離入口端不同位置的流體通道內，達到液體與汽體混合在中、低流量下均勻分佈之目的，且因水平隔板為薄片狀金屬(如薄鋼片)造成流體的壓降增加小，確實可有效提升整體熱傳性能之效果。

本發明之次要目的乃在於入口分佈器可依據流體二相液、汽體在高速流動時，液體會分佈在管壁上的特性，使流體通過集流管內可利用多片不同長度的水平隔板先將流體之二相液、汽體分離後，再引導至板式熱交換器內不同的位置，藉此可控制流體流入至流體通道內之流量，且各水平隔板的數量與長短可依據板式熱交換器的大小而改變，或是入口管道之入口端大小、集流管之管道形成的開口面積大小設置有一片或多片水平隔板，也可依據板式熱交換器或板片組的總長度、疊裝的片數多寡作適配性的調整。

1‧‧‧集流管

11‧‧‧管道

111‧‧‧第一開口

112‧‧‧第二開口

2‧‧‧水平隔板

3‧‧‧板式熱交換器

31‧‧‧板片組

310‧‧‧流體通道

311‧‧‧板片

312‧‧‧第一流體開口

313‧‧‧第二流體開口

32‧‧‧入口管道

321‧‧‧入口端

33‧‧‧出口管道

331‧‧‧出口端

34‧‧‧前端板

341‧‧‧第一流體接口

342‧‧‧第二流體接口

35:後端板

4:流體

A:板式熱交換器

A1:板片組

A10:流體通道

A2:入口管道

A3:出口管道

B:流體

第一圖 係為本發明板式熱交換器安裝有入口分佈器之剖面示意圖。

第二圖 係為本發明第一圖A部分之局部放大圖。

第三圖 係為本發明板式熱交換器之正視圖。

第四圖 係為本發明較佳實施例入口分佈器之立體外觀圖。

第五圖 係為本發明較佳實施例入口分佈器之正視圖。

第六圖 係為本發明另一較佳實施例入口分佈器之立體外觀圖。

第七圖 係為本發明另一較佳實施例入口分佈器之正視圖。

第八圖 係為本發明安裝有入口分佈器對冷媒壓降的影響之比較圖。

第九圖 係為本發明入口分佈器對冷媒熱傳係數的影響之比較圖。

第十圖 係為習用板式熱交換器之剖面示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二、三、四、五圖所示，係分別為本發明板式熱交換器安裝有入口分佈器之剖面示意圖、第一圖A部分之局部放大圖、板式熱交換器之正視圖、較佳實施例入口分佈器之立體外觀圖及入口分佈器之正視圖，由圖中可清楚看出，本發明之用於板式熱交換器之入口分佈器包括：一集流管1，該集流管1內部形成有管道11，並於管道11二端處分別形成有第一開口111及第二開口112；及至少一片水平隔板2係呈一長矩形薄片狀，並由不銹鋼、鐵、鐵鈀、鎳或鎳基合金(如鎳、鉬、鉻合金)等材質所製成，而水平隔板2一端之短邊處或一端相對之二長邊處則可利用焊接、鉚接、嵌合卡固 或其他結合的方式設置於管道11或第二開口112內壁面上，且各水平隔板2之另端處為延伸出管道11外部形成懸空狀態。

本發明上述之入口分佈器係可應用於製冷(用作冷凝器和蒸發器)、暖通空調(如配合鍋爐或高層建築使用的中間換熱器)、工業(如機械、冶金、燃氣渦輪、電力等)用冷卻和供熱設備或其他需要利用板式熱交換器3進行加熱或冷卻之場合，其中該板式熱交換器3包含面對面間隔設置之板片組31，並於板片組31的各二相鄰板片311之間皆形成有彼此分隔之流體通道310，且各板片311在四個角落上具有對應之多個第一流體開口312及第二流體開口313，再於各二相鄰板片311之間亦可進一步設置有墊圈進行密封，或是可採用板對板直接焊接的方式結合成為一體，使多個第一流體開口312與第二流體開口313可以形成供一種以上流體4(如水、冷媒、水對冷媒或其他具有液、汽體二相混合之工作流體等)交替的進入與排出流體通道310進行熱交換之多個入口管道32及出口管道33，同時確保各板片311間之密合而不致發生側漏或互通之缺失，又板片組31也可透過框架(如上、下支撐架)和螺栓鎖緊固定於前端板34及後端板35上，並於前端板34上具有分別對應於入口管道32、出口管道33處之多個第一流體接口341及第二流體接口342。

當流體4經由前端板34下方之第一流體接口341流入至入口管道32之入口端321內，並交替流經板片組31於各板片311下方之第一流體開口312流入至流體通道310內後，可由板片311上方之第一流體開口312排出至出口管道33內，再經由出口端33 1及前端板34上方之第一流體接口341排出，以形成供流體4進入與排出板式熱交換器3之第一流道；同樣地，當另一流體4經由前端板34上方之第二流體接口342流入至另一入口管道32之入口端321內，並交替流經板片組31於各板片311上方之第二流體開口313流入至流體通道310內後，可由板片311下方之第二流體開口313排出至另一出口管道33內，再經由出口端331及前端板34下方之第二流體接口342排出，以形成供另一流體4進入與排出之第二流道，且該第一流道與第二流道互不連通。

在本實施例中之板式熱交換器3採用的板片311型式可為山型紋、Z型或突出和凹入式，並不以此為限，而板式熱交換器3依不同的設計亦可提供不同的型式(如帶密封墊圈之板式熱交換器、焊接板式熱交換器、螺旋板式熱交換器或板捲式熱交換器等)和板片311數量，且該細部之構成並非是本案訴求之重點所在，其僅只需提供板式熱交換器3可利用多個金屬板片311的熱傳性質將流體4經由至少二個互不連通的流道進行熱交換快速加熱或冷卻即可，故在本案以下之說明書內容中皆一起進行說明，合予陳明。

當本發明於組裝時，係先將入口分佈器之集流管1為利用焊接、螺絲鎖固或其他結合的方式安裝於板式熱交換器3底部其中一入口管道32之入口端321，或者是前端板34與入口端321相連通之第一流體接口341內，並由水平隔板2延伸出第二開口112處之另端同軸穿入至入口管道32中，同時使水平隔板2的板面為對應於板片組31之多個流體通道310處，便完成本發明整體之組裝。

在本實施例中，當流體4經由前端板34之第一流體接口341處流入至板式熱交換器3內部時，可利用入口分佈器安裝於入口管道32之入口端321處，依據流體4之二相液、汽體(如蒸汽)在高速流動時液體會分佈在管壁上的特性，使流體4在入口端321處通過集流管1之管道11內後，可利用至少一片水平隔板2先將流體4之二相液、汽體分離，使更多的汽體分別流入至每一片水平隔板2的上方與下方(如第二圖所示)，並將汽體沿著水平隔板2而引導至入口管道32遠離入口端321不同位置的流體通道310內，藉此可控制液體與汽體混合後流入至各流體通道310之流量，達到流體4均勻分佈在各流體通道310內之目的，使整體之熱傳性能明顯增加，且因水平隔板2係一薄片狀不銹鋼材質所製成，可使流體4在高流量或黏滯狀態下所造成的壓降增加小，以有效提高板式熱交換器之熱交換效率。

再者，板式熱交換器3之板片組31的板片311數量較佳實施可為20~70片，但於實際應用時，亦可依板式熱交換器3不同設計提供不同的片數，並於板片組31、前端板34與後端板35之間皆形成有60個流體通道310，且入口管道32之入口端321處安裝有一入口分佈器，而入口分佈器之集流管1內壁面在垂直方向上則可設置有二片非等距分佈之水平隔板2，並由二片水平隔板2分隔管道11形成供流體4通過的三個不同面積的開口，可使流體4通過時產生三個流動流，且各開口的面積大小關係也可隨著水平隔板2設置的數量作適當的調整，藉以限制流體4沿著多片水平隔板2引導至入口管道32內之流量，或是提升流速，使流體4更能夠均勻地分佈。

此外，上述入口分佈器在集流管1內設置的上下二片水平隔板2為分別從板式熱交換器3之入口端321處延伸到第20個和第40個流體通道310位置，並使上方水平隔板2之長度L1為短於下方水平隔板2之長度L2，但於實際應用時，亦可在集流管1內設置有多片水平隔板2，並使水平隔板2之長度由上向下依序層層遞增，且水平隔板2之長度與板片組31之板片311設置的數量成正比；又，在本實施例中之上下二片水平隔板2之間為相隔有一間距D1，並使二片水平隔板2與管道11壁面處在垂直方向上為分別具有最大間距D2、D3，且二片水平隔板2之間距D1大於上方水平隔板2與管道11壁面處在垂直方向所形成之最大間距D2，但是該間距D1小於下方水平隔板2與管道11壁面處在垂直方向所形成之最大間距D3，即可透過集流管1內非等距分佈之二片水平隔板2，藉以限制流體4通過之流量或提升其流速。

另請搭配參閱第六、七圖所示，係分別為本發明另一較佳實施例入口分佈器之立體外觀圖及正視圖，由圖中可清楚看出，本發明之入口分佈器與上述第四、五圖之入口分佈器結構大致相同，其中該集流管1內壁面在垂直方向上設置有二片等距分佈之水平隔板2，並由二片水平隔板2分隔管道11形成供流體4通過的三個相同面積的開口，所以二者結構主要僅有水平隔板2所分隔集流管1形成的開口面積大小不同而已，即上下水平隔板2間之間距D1為等於上方水平隔板2與管道11壁面處間之間距D2，並等於下方水平隔板2與管道11壁面處間之間距D3，使流體4通過水平隔板2在入口管道32內流動時形成穩定的層流狀態，且壓降增加小。

此外，上述入口分佈器於集流管1之管道32壁面上為設置有至少一片水平隔板2，並將集流管1安裝於板式熱交換器3於入口管道32供流體4流入之入口端321處，且各水平隔板2為延伸出管道32同軸穿入至入口管道32中，而水平隔板2的數量可以依據入口管道32之入口端321大小設置有一片或多片水平隔板2，並使各水平隔板2的長度亦可依據板片組31之板片311設置的數量多寡成正比增加作適配性調整，且水平隔板2的長度也可為板式熱交換器3或板片組31總長度的1/3至2/3，如集流管1內設置之二片水平隔板2的長度較佳實施可分別為板片組31總長度的1/3與2/3，又水平隔板2在本實施例中係為一薄鋼片，但於實際應用時，並不以此為限，舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

請搭配參閱第八、九圖所示，係分別為本發明入口分佈器對冷媒壓降的影響之比較圖及對冷媒熱傳係數的影響之比較圖，由圖中可清楚看出，在本實施例中，主要是以實驗方法對板式熱交換器作相關的性能測試及分析，並探討本發明之板式熱交換器3在流體入口處安裝有上述之水平隔板式入口分佈器(如第一、二圖所示)與無分佈器(如第十圖所示)相比，在不同的雷諾數(Re_r)變化下對冷媒壓降(△P_r)、熱傳係數(W/m²‧℃)的影響。

可根據上述之實驗結果看出，板式熱交換器內安裝有水平隔板式入口分佈器與無分佈器相比隨著雷諾數變化的增加，其冷媒壓降持續的提高，但冷媒壓降增加小，二者間並無太大差異，而板式熱交換器在 高流量下(如雷諾數從560增加至860時)，因流體之二相液、汽體混合度佳，流體在板式熱交換器內的分佈較均勻，所以水平隔板式入口分佈器與無分佈器相比，其熱傳係數相當接近，但在中、低流量下(如雷諾數從160增加至560時)，則板式熱交換器安裝有水平隔板式入口分佈器與無分佈器相比，其熱傳係數明顯提高許多，因此流體在板式熱交換器內更能均勻地分佈，使整體熱傳性能之效果也越好，確實可有效提高板式熱交換器之熱交換效率。

是以，本發明主要針對板式熱交換器3之流體4入口處為安裝有入口分佈器之集流管1，並於集流管1之管道11內壁面上設置有至少一片水平隔板2，當流體4經由集流管1流入板式熱交換器3之入口管道32內的過程中，可由水平隔板2先將通過的流體4混合之二相液、汽體分離，使汽體沿著水平隔板2的板面而引導至遠離入口端321不同位置的流體通道310內，以達到液體與汽體混合在中、低流量下均勻分佈之目的，且因水平隔板2造成流體的壓降增加小，使整體之熱傳性能明顯的增加，進而有效提高熱交換效率。

上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。

綜上所述，本發明上述之用於板式熱交換器之入口分佈器使用時為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，實符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案， 以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

1‧‧‧集流管

11‧‧‧管道

2‧‧‧水平隔板

3‧‧‧板式熱交換器

31‧‧‧板片組

310‧‧‧流體通道

311‧‧‧板片

312‧‧‧第一流體開口

313‧‧‧第二流體開口

32‧‧‧入口管道

321‧‧‧入口端

33‧‧‧出口管道

331‧‧‧出口端

34‧‧‧前端板

341‧‧‧第一流體接口

342‧‧‧第二流體接口

35‧‧‧後端板

4‧‧‧流體

Claims (10)

1. 一種用於板式熱交換器之入口分佈器，其中板式熱交換器包含面對面間隔設置之板片組，並於該板片組的各二相鄰板片之間皆形成有流體通道，且該板片上具有多個第一流體開口及第二流體開口，用以形成供一種以上流體交替進入與排出該流體通道進行熱交換之多個入口管道及出口管道，而入口分佈器包括：一集流管，係安裝於該入口管道之入口端處，並於該集流管內部形成有供該流體通過之管道；及至少一片水平隔板，其一端係設置於該管道內壁面上，並由該水平隔板之另端延伸出該管道而同軸穿入至該板片組的入口管道中，且該水平隔板板面係對應於該流體通道處，用以將通過該水平隔板處的流體所具之二相液:汽體分離，並使該汽體沿著該水平隔板而引導至遠離該入口端不同位置的該流體通道內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該集流管內壁面在垂直方向上為設置有多片非等距分佈之水平隔板，並由該多片水平隔板分隔該管道形成供該流體通過的多個不同面積之開口，且各該水平隔板之長度由上向下依序層層遞增。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該集流管內為設置有上下二片相隔一間距之水平隔板，並於該二片水平隔板之間距大於該上方水平隔板與該管道壁面處在垂直方向上所形成之最大間距，但是小於下方水平隔板與該管道壁面處在垂直方向上所形成之最大間距。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該集流管內壁面在垂直方向上為設置有多片等距分佈之水平隔板，並由該多片水平隔板分隔該管道形成供該流體通過的多個不同面積之開口，且各該水平隔板之長度由上向下依序層層遞增。
5. 如申請專利範圍第4項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該集流管內為設置有上下二片相隔一間距之水平隔板，並於該二片水平隔板之間距等於該上方水平隔板與該管道壁面處在垂直方向上所形成之最大間距，以及下方水平隔板與該管道壁面處在垂直方向上所形成之最大間距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該水平隔板長度係該板片組總長度的1/3至2/3。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該水平隔板長度係該板片組總長度的1/3。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該水平隔板長度係該板片組總長度的2/3。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該水平隔板係一薄片狀之金屬材質。
10. 如申請專利範圍第7項所述之用於板式熱交換器之入口分佈器，其中該水平隔板係不銹鋼、鐵、鐵鈀、鎳或鎳基合金材質。

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