CN101871739A - 具有型材的板式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板式热交换器和一种用于制造板式热交换器的方法。该板式热交换器包括多个叠堆形设置的通道(1a，1b)，这些通道通过隔板(2)彼此隔开。这些通道(1a，1b)在此包括多个并排设置的空心型材(5)。

Description

具有型材的板式热交换器

技术领域

本发明涉及一种用于在至少两个介质之间进行热交换的板式热交换器，该板式热交换器包括多个叠堆形设置的通道，这些通道通过隔板彼此隔开，其中，这些通道被结构化。本发明还涉及一种用于制造板式热交换器的方法。本发明借助于铝制板式热交换器进行描述，但是原则上可以应用于任意的、具有权利要求1前序部分特征的板式热交换器。本发明特别是适合于使用在由优质钢或耐高温钢制成的板式热交换器中，其以所谓的棒-板-原理为基础。

背景技术

通常，用于在至少两个介质之间进行热交换的铝制板式热交换包括多个叠堆形设置的通道，这些通道通过隔板彼此隔开。各个通道原则上类似地且平行地设置。参与热交换的介质之间的热交换在此在相邻的通道之间进行，其中，这些通道并且从而这些介质或压力空间通过通常称为隔板的板彼此隔开。借助于经由隔板的热传递进行热交换。

按照现有技术，在各个通道内部存在一个波纹状的结构，所述结构形成用于引导介质的通道。所述波纹状的结构的波峰与分别相邻的隔板连接。参与热交换的介质因此与所述波纹状的结构直接热接触，从而通过波峰与隔板之间的热接触保证热传导。为了优化热传递，所述波纹状结构的定向根据应用情况被这样选择，使得在相邻的通道之间允许同向流、十字交叉流、逆向流或十字交叉逆向流。该现有技术也在DE 103 43 107中有所描述。

通道内部的波纹状的结构满足三个任务。第一，通过波纹状的结构与隔板之间的热接触保证相邻通道中的两个介质之间的热交换。第二，所述波纹状的结构产生通往隔板的连接。第三，所述波纹状的结构的侧壁用于将通过内压力产生的力导入到波峰、焊料和隔板之间的连接中。按照该现有技术，将焊料施加在隔板两侧、施加到波峰上或者在焊接过程之前放入波纹结构与隔板之间，由此在隔板与波峰之间产生直接接触。通过这种方式产生的、由具有波纹状的结构和隔板的通道构成的叠堆可以接着按照现有技术作为整个叠堆放入用于焊接该叠堆的焊接炉中。

按照该现有技术，所述波纹状的结构由薄板制成，所述薄板用压力机或其他适于变形的工具成形为波纹状的结构。通过在成形过程中需遵守的边界条件如波峰和侧壁之间的过渡部的半径和在成形过程中出现的、在要实现的理想形状方面的公差，热交换器的机械强度受到限制，这在应用处于高压、高温或高温高压组合的介质时出现问题。为了进一步改善此类板式热交换器的机械强度，DE 103 43 107建议，所述波纹状的结构由厚板制成，所述厚板要么热挤出要么用切削方法制造。在此，建议了波纹状的结构本身的厚度与其分度即波长和波幅之间的比例的另外的参数。

发明内容

因此，本发明的任务在于这样设计一种板式热交换器和一种用于制造此类板式热交换器的方法，使得提高处于高压下的板式热交换器的强度。

所述任务通过以下方式解决，即，至少一个通道包括多个型材。

在本发明的范围内，空间术语如上、下或侧面涉及在这样的平面中观察通道，参与热交换的介质在所述平面中流动。

与现有技术不同的是，通道内部的波纹状的结构不是通过成形的板而是通过型材构成。在现有技术中试图制造基本上波纹状的结构，其具有直角的侧壁，以便在焊料与隔板之间产生足够大的接触面并且在隔板上实现尽可能垂直的力导入。但是，这在制造技术上是难以实现的。在由弯曲的板制成的波纹结构中两个边缘通常不相互垂直，而是在连接中具有半径和倾斜的侧壁。虽然这可以用DE 103 43 107中建议的切削方法避免，但是在此矩形形状通常由于焊接过程而失去。通过波纹状的结构上的半径，在所述波纹状的结构与隔板之间形成角焊缝。焊料与波纹状结构和隔板的基材相比通常具有显著不均匀的结构。在凹槽中积聚的脆组织在该板式热交换器在高机械负荷下运行时导致焊接由于角焊缝中的裂缝而损坏。由此，不仅波纹状结构的基材被削弱而且此外通往隔板的连接也被损坏。

在本发明的热交换器中避免了该缺点。按照本发明，波纹状的结构通过单个的型材来代替，这些型材并排地设置。通过按照本发明使用型材显著增大了隔板与通道结构之间的接触面。此外，在市场上存在具有良好角度和强度的型材，从而所述接触面在焊接过程之后也基本上具有像焊接过程之前那样的形状。角焊缝在高压力载荷下容易撕裂，通过本发明将角焊缝的形成降到最低。此外，所述力导入由此更有利，因为接片在所述型材中几乎垂直并且从而使两个接触面彼此间的剥离变得困难。

按照本发明的一个优选构型，至少一个、优选所有的通道通过并排设置的空心型材构成。优选这些彼此连接的空心型材具有正方形或矩形的横截面。通过使用具有正方形或矩形横截面的空心型材得到平坦的或者说平的面，所述面非常适合于用焊料润湿并且由此适于使空心型材与相邻的隔板接触。所使用的空心型材在此可以是一件式的(即由一个件构成)或者是多件式的(即由彼此焊接的型材部分组成)。通过使用正方形或矩形的空心型材，在本发明的该构型中与现有技术相比在结构类似的情况下使得隔板与通道型材之间的接触面加倍。在现有技术中仅仅一个边缘具有与上隔板或下隔板的接触，在本发明的该构型中的矩形或正方形型材中，所述型材的两个对置的侧分别具有与隔板的接触。由此，显著提高了该热交换器的稳定性。

有利的是，所述空心型材这样设置，使得在其间不形成中间空间，也就是说，两个相邻的空心型材在其侧边缘上彼此对接。在本发明的该构型中，参与热交换的介质在空心型材内部流动。因此，压力载荷也基本上由空心型材承受。也就是说，在本发明的该构型中，压力不是像在现有技术中那样主要作用在波纹状的结构与隔板之间的连接上，而是通过空心型材本身显著更均匀地分布并且被导入到所述结构中。因此，空心型材与隔板之间的连接遭受显著更低的负荷，由此再次显著降低了空心型材与隔板之间的连接剥离的风险。由此，本发明的该构型的板式热交换器的机械强度与现有技术相比显著提高。此外，降低了由于空心型材与隔板之间的连接恶化而使热传导恶化的风险。

在本发明的另一构型中，至少一个、优选所有的通道通过并排设置的双T型材构成。在本发明的该构型中，通道型材与隔板之间的接触面也比现有技术显著高。所述双T型材在此这样地设置在这个/这些通道中，使得该双T的两个横梁对接到隔板上并且这些横梁之间的接片垂直地立于所述隔板上。隔板与型材之间的接触通过该双T的两个横梁进行。在本发明的该构型中，这些型材优选也这样设置，使得在它们之间不形成中间空间，也就是说，所述双T的两个横梁在相邻双T的两个横梁上对接。因此，在本发明的该构型中，压力也基本上由型材本身承受并且不作用在型材与隔板之间的连接上。

因此，视该板式热交换器的机械负荷的高低而定，不仅空心型材而且双T型材可以对接地或彼此隔开距离地设置。

按照本发明的一个构型，所述型材在不与隔板连接的侧上具有穿孔。这些侧向的穿孔、即在参与热交换的介质所在的通道平面中的型材的开口允许在通道中流动的介质的横向混合。由此，进一步改善了热传导。

按照本发明的另一构型，一个通道的空心型材在侧面被完全地或部分地封闭。

有利的是，所述型材由铝、钢、优质钢、耐高温钢和/或镍基合金构成。在此，所述的材料也可以组合，例如所述型材可以由钢制成并且隔板由耐高温钢构成。

本发明的板式热交换器特别有利地是在空气分离设备、石油化学设备、氢设备或天然气设备中的不同过程段中使用的板式热交换器。在此，在天然气设备中例如通过所述热交换器从天然气中取走热并且由此使天然气液化并且与副产品分开。在合成气体设备中也可以使用这种板式热交换器特别是用于分开和进一步利用物质(H2、CO、CO2、CH4)或者用于预热填料。在乙烯设备中，此类热交换器被用来分离乙烯，在空气分离设备中板式热交换器在冷凝器和蒸发器中应用。一般来说，期望的物质流可以借助于所述板式热交换器被有效地加热或冷却。

在方法方面，所提出的任务通过一种用于制造板式热交换器的、具有下述特征的方法解决：

a)并排地设置多个型材，

b)在一隔板上在与一焊料接触的情况下设置所述型材，

c)在所述多个型材上在与一焊料接触的情况下设置一隔板，

d)在产生一个由并排设置的型材构成的叠堆的情况下重复所述步骤a)至c)，其中，所述并排布置的型材的各个层通过隔板隔开，和

e)在一焊接炉中焊接整个叠堆。

按照这个本发明的方法，多个型材并排地设置、与焊料接触并且安置在一隔板上。紧接着的隔板在与焊料接触的情况下被放置在所述并排设置的型材上。然后将并排设置的型材的下一个层在与一焊料接触的情况下安置在该隔板上。这样继续进行地产生一个由多个通道构成的叠堆，这些通道通过隔板隔开。这些在此产生的通道通过多个并排设置的型材构成。于是整个叠堆可通过放置到一个焊接炉中彼此焊接。这些型材在此可以对接地、即在相邻型材之间无中间空间地或者以一个中间空间并排地设置。如果这些型材以一个中间空间并排地设置，则其彼此间的连接通过与所述隔板的共同连接进行。所述焊料可以不仅施加在型材上而且施加在隔板上。优选所述焊料施加在隔板上。

这些通道可以在侧面通过边缘条、即所谓的边条限制。在本发明的范围内，边缘条应理解为任意的由实心材料构成的型材，该型材具有与形成通道的型材相同的高度。

有利的是，所述型材并排地对接设置。在本发明的该构型中，空心型材有利地在并排设置时彼此优选借助于焊点连接。由此，在本发明的该构型中，各个通道的叠堆被简化。但是这些型材不一定非得彼此连接，因为它们在叠堆焊接后也通过隔板连接。

借助本发明特别是提供了一种板式热交换器，其适合于在处于高机械负荷下的介质之间进行热交换。本发明板式热交换器的机械稳定性与现有技术相比显著改善。

附图说明

下面借助于本发明的实施例与现有技术的比较详细阐述本发明。其中：

图1是现有技术的板式热交换器的通道，

图2是本发明的板式热交换器的一个构型的通道，其具有空心型材，

图3是本发明的板式热交换器的一个构型的通道，其具有双T型材。

具体实施方式

图1示出现有技术的板式热交换器的通道1a和1b。在通道1内部具有波纹状的结构3，该结构由弯曲的(金属)板制成。相邻的通道1a和1b通过隔板2彼此隔开。在所述波纹状的结构3与隔板2之间的接触部位4上施加焊料。通过所述焊料部位的焊接使整个热交换器彼此连接。如果将两个用于热交换的介质在压力下导入到通道1a和1b中，则整个通道1a、1b处于压力下。在此，该压力特别是作用于波纹状的结构3与隔板4之间的连接部位上。

图2示出本发明的板式热交换器的一个构型的通道1a和1b。这些通道1a和1b具有多个彼此连接的空心型材5，这些空心型材具有矩形的横截面。这些空心型材在此分别在所述接触部位4上通过焊料与所述隔板2连接。在本发明的该构型中，一方面接触面并且从而隔板2与通道1a和1b的结构之间的连接面与现有技术相比显著提高。另一方面，与现有技术不同的是基本上仅仅所述空心型材5处于压力下。因此，当在相邻通道1a和1b中的两个介质之间进行热交换时，仅仅是型材5处于介质的高压下。空心型材5与隔板2之间的连接部位4不遭受压力。

图3示出本发明的板式热交换器的另一构型的通道1a和1b。这些通道1a和1b具有多个彼此连接的双T型材6。这些双T型材在此在所述接触部位4上通过焊料与所述隔板2连接。在本发明的该构型中，一方面接触面并且从而隔板2与通道1a和1b的结构之间的连接面与现有技术相比显著提高。另一方面，与现有技术不同的是基本上仅仅所述双T型材6之间的空间处于压力下。因此，当在相邻通道1a和1b中的两个介质之间进行热交换时，也仅仅是双T型材6处于介质的高压下。双T型材6与隔板2之间的连接部位4不遭受压力。

Claims (9)

1.一种板式热交换器，用于在至少两个介质之间进行热交换，该板式热交换器包括多个叠堆形设置的通道(1a，1b)，这些通道通过隔板(2)彼此隔开，其中，这些通道(1a，1b)被结构化(3，5)，其特征在于，至少一个通道(1a，1b)包括多个型材(5，6)。

2.根据权利要求1所述的板式热交换器，其特征在于：至少一个、优选所有的通道(1a，1b)通过并排设置的空心型材(5)构成。

3.根据权利要求2所述的板式热交换器，其特征在于：这些并排设置的空心型材(5)具有正方形或矩形的横截面。

4.根据权利要求1所述的板式热交换器，其特征在于：至少一个、优选所有的通道(1a，1b)通过彼此并排设置的双T型材(6)构成。

5.根据权利要求1至4之一所述的板式热交换器，其特征在于：所述型材(5，6)在未与所述隔板连接的侧上具有一些穿孔。

6.根据权利要求1至5之一所述的板式热交换器，其特征在于：所述隔板(2)和型材(5，6)由铝、钢、优质钢、耐高温钢和/或镍基合金制成。

7.一种用于制造板式热交换器的方法，该方法具有下述步骤：

a)并排地设置多个型材(5，6)，

b)在隔板(2)上在与一焊料接触的情况下设置所述型材(5)，

c)在所述多个型材(5，6)上在与一焊料接触的情况下设置一隔板(2)，

d)在产生一个由并排设置的型材(5，6)构成的叠堆的情况下重复所述步骤a至c，其中，所述并排布置的型材(5，6)的各个层(1a，1b)通过隔板(2)隔开，和

e)在一焊接炉中焊接整个叠堆。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：这些型材(5，6)在并排地设置时对接地设置。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：这些型材(5，6)在对接地设置时优选借助于焊点连接。

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