专利名称：圆板式热交换器的热交换的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改进板式热交换器的传热的方法和装置，其中该板式热交换器包括圆形传热板，在该传热板上热传递发生在传热介质之间，这些传热介质例如是气体和/或液体物质，即在圆板式热交换器内的传热板之间的空间流动的流体，该圆板式热交换器包括一组设置在框架部分内并且构成圆形开槽的传热板的板，该传热板至少在板的直径方向上带有孔，这些孔彼此位于传热板的相对边上，并且传热板的中心部分设有孔用于引导传热介质流进和流出板之间的空间。本发明也涉及传热板。
传统的板式热交换器的形状是带有圆形边缘的矩形。典型的传热板为了初级和次级液流而设置了四个孔。该组叠置的板由橡胶密封件或类似物密封，并且端板之间的夹紧螺栓将叠置的板拧紧。在这种热交换器中，在整个液流的移动长度上液流的横截面总是恒定的。特别地，这种热交换器适用于具有长且窄形状的板的板式热交换器。该传热板通常设有围绕初级和次级液流的开口的径向或曲线槽，以便在传热板之间尽可能均匀地分布液流。因为热交换器的直部分相对于液流是均匀的，因此，液流和传热在该直部分是平衡的。传热板上的槽的各种形状和样式已是公知的。最普通的槽的样式由各种直构件形成，例如人字形或类似形。
装有密封件的板式热交换器的缺点是抗压、抗温和抗腐蚀性能差。然而传统的管式热交换器设置于圆形壳体内，相对于压力容器技术来说这种结构是有优点的。并且，圆板式热交换器是公知的，这种热交换器的叠置的板装配于圆形壳体内。例如在FI79409，FI84659，WO97/45689H和FI974476中已经公开了这种类型的板式热交换器。
专利FI79409中的热交换器中，叠置的板由具有圆形或规则的多边形形状的传热板组成，这些传热板的外周界相互焊接。传热板不包括任何孔，但是初级和次级液流从传热板的外周界被引入传热板之间的空间。这些板的整个表面上设置有平坦的槽。因为热交换器是圆形的，流速和传热性在板的不同点上是不同的。在WO97/45689的解决方法中，由圆形传热板构成的叠置的板装配在一圆柱形壳体内，这种设置结构与专利FI84659中的设置结构一样。在每一个公开专利的设置结构中，在直径上，传热板的相对边上有若干个用于第二传热介质液流的孔。在上述公开专利中的热交换器结构中都使用了板，这些板的槽是直的且从板的一边线性延伸到另一边。在专利FI974476中的热交换器中，传热板上设有中心孔，这种结构与其它公开专利中的结构不同。
本发明的目的是提供一种用于改进热交换器的热传递的方法和装置，该目的容易实现，从而在圆形传热板上能均匀地进行传热。
本发明的典型实施例是根据以下方面进行的为了补偿在传热介质的流动状态下由圆形板引起的改变，在传热介质的次级液流方向上改变传热板上的槽的密度或形状，和/或相邻传热板上的槽之间的脊角α。若使用带有中心孔的圆形传热板，在径向流动的情况下，典型地，根据液流是直接朝传热板上的中心孔流动还是直接离开传热板的中心孔，从而液流截面增加或减少。然而，当使用没有中心孔的传热板时，其中流动平行于直径，典型地，液流截面朝传热板的中心增加，随后液流截面再次减少。
为了更准确地说明，用于改进圆板式热交换器的传热的方法和装置及本发明的传热板的特征在于独立权利要求的特征部分。
与现有技术相比，本发明将带来显著的有益效果。通过采用圆形传热板，在整个传热面上能有效地进行热传递。圆形板的特征是从内周界朝外周界移动时，径向上的液流的流速自然减小。在本发明的方法和装置中，由于液流的流速减小而引起的热传递的减少被液流设置有效地补偿，例如紊流和/或流控制及传热板上的各种流动方式。相邻传热板上的槽之间形成的方形或菱形脊线将在叠置的板上的矩形构件的端点处提供机械支撑点。这些构件形成一个格栅，在该格栅内，叠置的板的内部机构支撑是牢固的，从而能抵抗高压。从分布的通道流到板之间的空间和流到输出导管的液流以这种方式实现使得流体尽可能均匀地在板之间的不同空间和在板之间每一空间的每一点上流动。气流中的压力损失是不重要的，因为气流通道内没有引起不必要压损的结构。
在本发明的典型实施例中，没有设置中心孔，该板的样式由部分抛物线组成，这些抛物线部分在板的中心部分使液流中的压损大。板的这种结构可以补偿由环形传热板内流动长度引起的压差。
下面参照附图更详细地描述本发明，其中
图1示意性地表示了本发明的板式热交换器的一侧的横截面图，图2示意性地表示了叠置的板的顶视图，该板由具有中心孔的传热板构成并具有改进的渐开线形状的槽，图3示意性地表示了叠置的板的顶视图，该板由具有中心孔的传热板构成并具有通常的渐开线形状的槽，图4示意性地表示了叠置的板的顶视图，该板由具有中心孔的传热板构成并具有双曲线形状的槽，图5示意性地表示了叠置的板的顶视图，该板由未设有中心孔的传热板构成。
图1表示了本发明的圆板式热交换器1的横截面侧视图。壳体单元2用作带有板结构的热交换器1的压力容器，该壳体单元2包括一个壳体3和以固定方式固定于壳体3上的端板4和5。壳体单元2容纳形成传热表面10的叠置的板6，该叠置的板能被移动以便于清洁和维护，例如，通过法兰接头将端板4、5之一连接到壳体3。在叠置的板6内流动的传热介质形成初级液流，初级液流通过端板5上的入口通道7被引流向叠置的板6并且如箭头9所示通过出口通道8被排出。
叠置的板6形成板式热交换器1的传热面，该叠置的板6由互相连接并带有圆形槽的传热板10构成。传热板10通过在液流开口11和12的外周界焊接而成对地连接在一起，并且通过在传热板的外周界13焊接而将成对的板互相连接。液流开口11和12构成叠置的板6内的初级液流的输入通道和输出通道，通过这些通道传热介质被引入由传热板10形成的导管中或从该导管排出。
在图1的实施例中，次级液流如箭头14所示。次级液流的传热介质通过端板5上的输入通道15被引入到由叠置的板6上的中心孔所形成的中心导管16中，传热介质通过壳体3上的输出通道17以径向方式从中心导管16排出。在本发明的实施例中，没有设置中心孔，次级液流的输入通道和输出通道设置在壳体3上，并且液流导向器装配在壳体3和叠置的板6之间的空间中以阻止旁路流动。
图2示意性地表示了本发明的叠置的板，开的槽带有修正渐开曲线18。在图中，实线表示形成在一个传热板上的槽之间的脊线18，虚线表示相对放置的板的脊线18。这些相邻板的脊线18之间的角度以字母α表示。由相同的传热板10通过以如此方式相对于前一个板10转动每个第二个传热板，从而使另外的相同的板10的两个上或下表面总是互相抵靠着放置形成的叠置的板6。该对板的脊线18的支撑点形成图案构件例如十分类似于菱形或矩形，从而上述图案构件的表面面积是相同的。图案构件各边之间的角度范围优选是70°-110°。脊线样式在板表面半径的中间点是正交的，当朝着传热板10的内边缘19或外边缘13移动时与正交稍稍不同。在每一个圆形扇区流体的径向流动是相同的，这些扇区的大小等于相邻渐开线之间的角度；优选地，这个角度不大于几度。由于整个板表面上的结构形式几乎相同，在传热板10的所有部分，按热交换器10的单位半径计算的传热效率是恒定的。由于流速减小、流体径向流动引起的紊流减小及气体冷却引起的容积改变，将导致传热效率局部地在径向上稍稍减小。
图3示意性地表示了一个理想的渐开线族，其中单一渐开线中的点由笛卡尔坐标系中的一对方程决定，其中转动方向由用于计算y坐标的公式的符号决定x＝±r(cosΘ+ΘsinΘ)y＝±r(sinΘ-ΘcosΘ)其中，Θ是点和原点之间的线与x轴线之间的角度，以弧度表示，r是曲线族的内半径。通过线性水平变换，转动和复制单一的渐开线曲线，其中该单一的渐开线曲线在两个方向上转动，即可在圆柱坐标系内形成相对原点的渐开线族。由理想的渐开线族和类似菱形形状形成的图案构件的表面面积在半径方向上不是固定的，构件形状与二次形状的差别随着偏离内径而增大。而且在相对方向延伸的曲线交叉后不会形成正交状。图案构件表面积之间的差异及曲线与正交系统之间的差别就越大，半径之间的比率R/r越大。
如图2所示，由槽和/或槽之间的脊线18形成的修正渐开线族是由在相对方向上延伸的理想渐开线族形成，通过这种方式修正单一曲线会使矩形构件的表面面积恒定，并且与方形形状的偏离尽可能的小，弯曲也尽可能接近正交系统。
在图4中，通过槽和/或槽之间的脊线18形成的双曲线形族由笛卡尔坐标系中的公式Y＝±A/x决定，其中参数A随着在负和正值范围内进行线性水平变换而改变，x是范围[-R，R](R＝0)内的移动变量，其中R是曲线族的外径。通过以同样的45°旋转放置在曲线族顶部的一个相同的第二曲线图族获得一个完全正交的曲线图族，其中所有的曲线彼此横向交叉。图4所示叠置的板的样式通过旋转每一个传热板使其相对于在前的传热板10相移10°到45°而形成。该对板的脊线的支撑点以这样的方式形成方形或类似方形的四边形使得当从板的中心朝着边缘移动时图案构件的面积在板的径向方向上减少。图案构件各边之间的角度近似90°。脊线样式完全是正交。流体的径向流动在圆形的每个45°扇区是相同的，但在扇区内的流动在不同通道内有不同程度的变化。随着脊线密度增加，当在径向上从内周界向外周界移动时传热板10的实际表面面积相对于轮廓表面面积逐渐增加。这将补偿局部热传递效率稍稍径向减少，该减少是由于流速减少和紊流减小而引起的，这两者的减小是由于气体冷却引起的流体的径向流动和体积改变导致的。因此，热交换器1的按单位半径计算的传热效率保持稳定。
图5中的曲线族由槽和/或脊线18之间形成的斜字母S状部分抛物线构成。在点x＝0，即在垂直中线，抛物线方程被变成另一个。当槽和脊线18之间的相交角α以这种方式改变以至于在小孔之间的线上，即在垂直线上x＝0时，直线距离最短，在点-R，0和R，0间直线距离最长。当流动距离最短时，压力损失最大，也就是说，在小孔11和12之间的直线上，液流能较好地分布在边缘。图5的形状非常适于在逆流和顺流热交换器中使用。作为一个交叉流动热交换器，本发明的该实施例会不像带有中心孔的实施例一样好。
附图和各个描述仅仅用于阐述本发明。更详细地说，用于改进圆形热交换器热传递及传热板的方法和装置可以在从属权利要求中所限定的发明思想范围内改变。传热板10上的槽可以不同于上述描述，而采用不同的曲线族，这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
权利要求
1.一种用于改进圆板式热交换器(1)的热传递的方法，该热交换器(1)包括圆形传热板(10)，在该方法中热传递发生在圆板式热交换器中的传热板(10)之间的空间内流动的固体、气体、液体或相应的热传递媒体之间，该热交换器还包括一个用作框架(2)的壳体(3)，和由带有圆槽的传热板(10)组成的叠置的板(6)，在叠置的板中-设置传热板(10)，传热板的中心部分带有中心孔(16)，传热介质流相对于传热板(10)径向地从该中心孔(16)被引导到板之间的空间中，或者传热板(10)的相对侧设置有孔(11，12)，传热介质流从该孔被引导沿圆板式热交换器(1)的周边方向流动，传热板(10)的相对侧设置有孔(11，12)，传热介质流动从该孔被引导沿圆板式热交换器(1)的周边方向流动，和-传热板(10)的相对侧的的孔(11，12)和中心孔(16)构成传热介质的输入通道和输出通道，其特征在于为了改进热传递，圆形传热板的槽(18)以如此方式设置，以至于，在径向上朝传热板(10)的外周边(13)移动时，在圆板式热交换器(1)的径向上流动的传热介质的传热系数保持不变或增加。
2.根据权利要求1的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的方法，其特征在于在内周边(19)的所有点和在外周边(13)的所有点传热介质的径向流动是恒定的或几乎是恒定的。
3.根据权利要求1或2的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的方法，其特征在于为了在传热介质和传热板(10)之间平稳紊流，改变传热板(10)的脊线角α或传热板(10)样式。
4.根据权利要求1至3之任一个的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的方法，其特征在于传热介质在传热板的半径方向上基本沿着部分弯曲的渐开线曲线或修正渐开线曲线流动。
5.根据权利要求1至4之任一个的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的方法，其特征在于传热介质在传热板的半径方向上基本沿着至少部分弯曲的抛物线或双曲线流动。
6.一种用于改进圆板式热交换器(1)的传热的装置，在该装置中热传递发生在圆板式热交换器(10)中的传热板(10)之间的空间内流动的固体、气体、液体或相应的热传递媒体之间，该装置还包括一个用作框架(2)的壳体(3)和由带有圆槽的传热板(10)组成的叠置的板(6)，在叠置的板中-设置传热板(10)，传热板的中心部分带有中心孔(16)，传热介质流动相对于传热板(10)径向地从该中心孔(16)被引导到板之间的空间中，或者传热板(10)的相对侧设置有孔(11，12)，用于引导传热介质流沿圆板式热交换器(1)的周边方向流动，传热板(10)的相对侧设置有孔(11，12)，传热介质流从该孔被引导沿圆板式热交换器(1)的周边方向流动，和-传热板(10)的相对侧的的孔(11，12)和中心孔(16)构成传热介质的输入通道和输出通道，其特征在于在热交换器(1)的传热板(10)上的槽和/或脊线(18)形成一个样式，在两个相邻的传热板(10)内，该样式是正交或至少尽可能接近正交，其中相邻的传热板的槽和/或脊线(18)之间的脊线角α在70°和110°之间变化。
7.根据权利要求6的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的装置，其特征在于传热板(10)的槽和/或槽之间的脊线(18)在其纵向上至少部分地是弯曲的渐开线曲线或修正渐开线曲线。
8.根据权利要求6的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的装置，其特征在于传热板(10)的槽和/或槽之间的脊线(18)在其纵向上至少部分地是弯曲的抛物线或双曲线，这些曲线在圆形传热板(10)上形成几个相同的扇区。
9.根据权利要求6的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的装置，其特征在于传热板(10)的槽和/或槽之间的脊线(18)的理想渐开线形状已经以如此方式被改变使得传热板(10)和相对于该传热板(10)转动180°的相邻的传热板(10)的修正渐开线族形成了一个格栅，格栅的四边形元件在传热板(10)的外周边和内周边的中点几平是方形，在外周边和内周边的附近是菱形，并且在传热板(10)的整个表面这些图案元件的面积是恒定的或几乎是恒定的，并且传热板(10)的半径内的方形数目是一个整数N+1/2，该半径是从曲线起点开始画的。
10.根据权利要求6的用于改进圆板式热交换器(1)的传热的装置，其特征在于由传热板(10)的槽和/或槽之间的脊线(18)形成的双曲线族以这种方式构成使得传热板(10)和相邻传热板(10)的双曲线族形成一个格栅，该格栅的四边形元件是方形的或几乎是方形的，并且当在传热板(10)的半径方向从内周边移动到外周边时这些方形面积减少。
11.一种传热板(10)，包括至少两个孔(11，12)，这些孔形成传热介质的输入通道和输出通道，传热板(10)主要包括其平面上的槽和槽之间的脊线(18)，沿着该槽传热介质趋向于在所述孔之间流动，其特征在于该槽和/或槽之间的脊线在其纵向上至少是部分地弯曲的渐开线曲线或修正渐开线曲线
12.一种传热板(10)，包括至少两个孔(11，12)，这些孔形成传热介质的输入通道和输出通道，传热板(10)主要包括其平面上的槽和槽之间的脊线(18)，沿着该槽传热介质趋向于在所述孔之间流动，其特征在于该槽和/或槽之间的脊线在其纵向上至少是部分地弯曲的抛物线或双曲线，这些曲线在圆形传热板(10)上形成几个相同的扇区。
全文摘要
本发明涉及一种用于改进圆板式热交换器(1)的传热的方法和装置，也涉及适用于该热交换器的传热板。本发明以这样的方式在径向上改变流动条件以使传热平稳。传热板(10)的槽之间的脊线的形状可以是渐开线曲线或类似曲线。
文档编号F28D9/00GK1608193SQ02826104
公开日2005年4月20日 申请日期2002年12月27日 优先权日2001年12月27日
发明者J·莱恩, M·康图 申请人:瓦特鲁斯公司