CN110177987B

CN110177987B - 换热器

Info

Publication number: CN110177987B
Application number: CN201780075493.7A
Authority: CN
Inventors: 马里努斯·亨利库斯·约翰尼斯·范卡斯特伦
Original assignee: Raycaire Ltd
Current assignee: Raycaire Limited
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2037-11-27
Also published as: CA3045422A1; EP3551954A1; US11168947B2; US20190368825A1; DK3551954T3; LT3551954T; WO2018106102A1; JP2020513531A; EP3551954B1; NL2017947B1; ES2824526T3; JP7017571B2; CN110177987A

Abstract

一种换热器，其包括相邻的片，在相邻的片之间形成用于空气的流动通道。片设置有包括峰、谷和直侧面的波状轮廓。片的峰和谷位于与片的中心平面的距离相等的位置处。相邻的侧面经由峰或谷彼此直接连接。在相邻的侧面之间，形成第一通道管道部分和第二通道管道部分，该第一通道管道部分和第二通道管道部分在一个端部处由峰或谷界定并且在与峰相对的端部处开放。在与中心平面成直角的方向上，与相邻的片相关的峰和谷以如下方式相对于彼此对准：使得片的第一通道管道部分和与相邻的片相关的第二通道管道部分经由连接通道部分彼此连通，该连接通道部分在与一个片相关的谷和与另一片相关的峰之间延伸。第一通道管道部分、第二通道管道部分和两个片之间的连接通道部分一起形成流动通道。限定连接通道部分的相应的峰和谷之间的最小距离大于相邻的侧面之间的距离的40％。

Description

换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器(recuperator)，其包括相邻的片，相邻的片彼此平行地延伸并且在相邻的片之间形成用于空气(air)的流动通道，各片均设置有具有峰、谷和至少彼此大致平行延伸的直侧面(straight flank)的波状轮廓，其中各侧面使峰和谷互连并且与和相关的片平行地延伸的中心平面相交，片的峰和谷位于与片的中心平面距离相等的位置处，相邻的侧面经由峰或谷彼此直接连接，在经由峰彼此连接的相邻的侧面之间形成第一通道管道部分，该通道管道部分均在一个端部处由相应的峰界定并且在与该峰相对的端部处开放，在经由谷彼此直接连接的相邻的侧面之间形成第二通道管道部分，该第二通道管道部分均在一个端部处由相应的谷界定并且在与该谷相对的端部处开放，此外，在与中心平面成直角的方向上，以如下方式，与相邻的片相关的峰相对于彼此对准，并且与相邻的片相关的谷相对于彼此对准：使得片的第一通道管道部分和与相邻的片相关的第二通道管道部分经由连接通道部分彼此连通，该连接通道部分在与一个片相关的谷和与另一片相关的峰之间延伸，第一通道管道部分、第二通道管道部分和两个片之间的连接通道部分一起形成流动通道。

背景技术

国际专利申请WO 2013/093375 A1提供了这种换热器的说明。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率增加的换热器。为此，限定所述连接通道部分的相应的峰和谷之间的最小距离大于在相关的中心平面的位置处的相邻的侧面之间的距离的40％。其中，相邻的侧面之间的距离通常如下所述，这应被理解为指的是相邻的侧面之间的在相关的中心平面的位置处的距离。本发明基于如下令人惊讶的见解：限定连接通道部分的峰和谷之间的距离与相邻的侧面之间的距离的比(一方面)和换热器能够***作的效率(另一方面)之间存在关系。在该情况下，本发明首先基于以下见解：随着两个相邻的片之间的空气的最大速度降低，通过通道管道部分和两个相邻的片之间的连接通道部分的空气流的均匀性增加。通常，在与片的距离相对大的情况下，有效地实现两个相邻的片之间的空气的最大速度。在直接与片邻接的区域中，空气速度实际上低甚至为零。本发明其次基于以下见解：随着两个相邻的片之间的空气流的均匀性增加，换热器的效率提高。这意味着，在换热器的两个相邻的片之间的空气的最大速度与换热器的效率之间存在反比关系。借助于计算机模拟，确定了在限定连接通道部分的峰和谷之间的距离与相邻的侧面之间的距离的比在20％和40％之间的区域中，两个片之间的最大空气速度保持大致相同。如果相应的比大于40％，则观察到最大空气速度的降低，这使得效率提高。

当上述比进一步增加到大于60％时，最大空气速度进一步降低，因此效率增加。

此外还发现，如果上述比是85％，则最大速度相对高，其结果是换热器的效率相对低。如果比从85％增加，则最大速度也快速增加。然而，如果比从85％降低，则最大速度最初也将快速降低，其结果是效率将增加。在该方面，可以优选的是，限定连接通道部分的峰和谷之间的最小距离小于相邻的侧面之间的距离的80％。

鉴于上述情况，在如下区域中实现最大效率：在该区域中，一方面限定连接通道部分的相应的峰和谷之间的最小距离与另一方面相邻的侧面之间的距离之间的比在40％与85％之间，更具体地在60％与80％之间。另外，在连接通道部分中发生不可预见的局部冻结征兆的情况下，空气能够容易地避开流动通道中的冰，从而降低堵塞的风险。

已经发现，特别地，如果中心平面和相关的峰或谷的端部之间的距离与在中心平面与两个相邻的侧面相交处测量的两个相邻的侧面之间的距离的比至少为1、优选地至少为1.5，则能够在换热器必须满足的各种需求(诸如片的可制造性、期望实现遍及换热器的低压降和换热器的期望效率)之间实现令人满意的折中方案。

如果峰和/或谷包括经由尖缘彼此邻接并且围成角度的两个带尖的侧面(pointedflank)，则能够获得在实践中可以生产的实施方式。根据本发明，两个带尖的侧面的使用提供了对限定连接通道部分的峰和谷之间的距离与相邻的侧面之间的距离的比进行确定的好机会。在片彼此堆叠的情况下(如以下实施方式中的情况)，本实施方式进一步提供了如下优点：相邻的片之间经由峰和谷的尖缘的接触是点接触。如果片的峰承载(bearagainst)相邻的片的谷，则可以以简单的方式实现相邻的片的相互正确的定位。以该方式，片能够彼此堆叠。

如果第一通道管道部分和第二通道管道部分遵循蜿蜒图案并且特别地如果与片相关的第一通道管道部分和第二通道管道部分关于相邻的片镜像对称地蜿蜒，则能够特别有效地实现这种堆叠。

如果蜿蜒图案包括直部分，沿着直部分的长度，与片相关的第一通道管道部分和第二通道管道部分平行于与相邻的片相关的第一通道管道部分和第二通道管道部分地延伸，则对于换热器的效率是有益的。于是，在直部分的区域中，连接通道部分具有恒定的形状和尺寸。

为了实现高效率，可以优选的是，在横截面中侧面彼此平行地延伸。

如果在横截面中侧面或至少所述侧面的延续部分彼此围成最大20度的角度，则片的可制造性、特别地借助于模具执行的片的制造可以受益。

通常，如果相邻的片的中心平面之间的距离在2mm与20mm之间和/或如果波的单个周期的长度在1mm与10mm之间，则在例如关于可制造性和效率，换热器必须满足的各种需求之间可以实现令人满意的折中方案。

附图说明

将参照以下附图、借助于根据本发明的换热器的可能实施方式的说明更详细地解释本发明：

图1a等距示出了形成根据本发明的换热器的一部分的两个片的部分的分解图。

图1b示出了根据图1a的堆叠于彼此的两个片的两个尖缘的俯视图；

图2示出了根据图1a的堆叠于彼此的片的截面的一部分；

图3示出了横轴为d相对于D的百分比、纵轴为单位为米每秒的最大流速的曲线图；

图4a至图4f分别示出了编号为1至6的六个截面，这些编号与根据图3的曲线图中的实线中示出的位置1至6相关；

图5示出了片的可选实施方式的像图2那样的截面，其中片的可选实施方式可以形成根据本发明的可选换热器的一部分。

具体实施方式

图1a示出了顶片1和底片2、更具体地它们的两部分的分解图。片1、2形成堆叠片的集合体的一部分，进而形成换热器的一部分。片的集合体典型地包括10个至200个或者甚至400个之间的多个片。片之间形成流动通道，将更详细地解释流动通道的形状。在使用中，空气沿流动方向21流过流动通道，或者相反地，沿与流动方向21相反的方向流过流动通道。相邻的流动通道中的空气沿相反流动方向流动。

各片具有波状轮廓。波状轮廓由峰3、谷4和直侧面5构成。侧面5在图2的横截面中彼此平行地延伸。侧面5使峰3和谷4彼此连接。由平行于相关的片延伸的假想中心平面6(参照图2)将各侧面沿其纵向延伸的中央分开。峰3和谷4位于中心平面的相反侧、与中心平面的距离相等。在本发明的上下文中，侧面5还能够不精确平行、而是例如镜像对称，以彼此围成最大20度的相对小的角度。在片的生产过程中，这种轮廓有助于片1从模具的分离。

第一通道管道部分7位于经由峰3而彼此直接连接的相邻的侧面之间。在与相应的峰3相反定位的端部处，在截面中各第一通道管道部分7是开放的。第二通道管道部分8形成在经由谷4而彼此直接连接的相邻的侧面5之间，该第二通道管道部分8在与槽4相反定位的端部处也是开放的。

峰3包括两个带尖的侧面3a、3b(参照图2)，两个带尖的侧面3a、3b关于与中心平面6成直角延伸的镜面镜像对称。在纵向边缘3c、3d中的一者上，带尖的侧面与侧面5邻接。在与纵向边缘3c、3d相反定位的边缘上，带尖的侧面3a、3b在尖缘3e的位置处彼此邻接。以类似的方式，谷4包括两个带尖的侧面4a、4b，两个带尖的侧面4a、4b的纵向边缘4c，4d分别与侧面5邻接并且两个带尖的侧面4a、4b经由尖缘4e彼此邻接。

如特别地在图2中能够观察到的，在与中心平面6成直角的方向上观察，片的峰3和片的谷4两者相对于彼此对准。这种对准使得顶片1的第一通道管道部分7和与底片2相关的第二通道管道8经由连接通道部分9而彼此连通。这些连接通道部分9在与顶片1相关的谷4和与底片2相关的峰3之间延伸。如前所述，第一通道管道部分7、第二通道管道部分8以及两个相邻的片1、2之间的连接通道部分9全部一起形成流动通道。因而，流动通道几乎延伸跨过片的整个宽度，片的整个宽度应当被理解为意思是在与流动方向21成直角且与中心平面6平行的方向上观察到的片的尺寸。沿上述宽度方向观察，在片的端部处，相邻的片1、2以气密方式彼此邻接。本领域技术人员清楚的是，流动通道的端部是开放的，并且沿流动方向21观察，流动通道的端部彼此相对地定位。

在俯视图中，第一通道管道部分7和第二通道管道部分8遵循蜿蜒图案。该蜿蜒图案包括经由蜿蜒部分11a、11b彼此连接的直部分10。如图1b所示，与相邻的片相关的第一通道管道7和第二通道管道部分8相对于彼此镜像对称地蜿蜒。图1b更具体地示出了底片2的峰3的尖缘3e和与顶片1相关的谷4的尖缘4e。顶片1的尖缘4e经由点接触而置于底片2的尖缘3e，并且这适用于两个相邻的片的所有组合。如本领域技术人员将理解的，尖缘3e和4e具有与相关的第一通道管道部分7和第二通道管道部分8相同的蜿蜒图案。在直部分10的长度内，如图2中部分地示出的(参照格子部分)，流动通道的截面是恒定的，这使得d和D的值在所述长度内也是恒定的。

对于宽度和高度的比为4比10的矩形区域，图2的截面显然按照比例以正确的比表示。该区域的宽度对应于波的两个周期。该区域的高度对应于相邻的片1、2的两个轮廓的高度。4乘10的区域实际上对应于4mm乘10mm的区域。

两个相邻的侧面5之间的距离用“D”表示。前述的峰3和谷4(峰3和谷4限定连接通道部分9)之间的最小距离由“d”表示。图3示出作为换热器的数值模拟的结果的曲线图，其中该换热器的具有根据图1a至图2的轮廓的片形成一部分。横轴以百分数示出距离d相对于距离D的比。如示出了与图2中的截面类似的六个不同截面的图4a至图4f所示，可以通过使带尖的侧面3a和3b之间以及带尖的侧面4a和4b之间的角度变化来使该比变化。从图4a中的截面1到图4f中的截面6，相应的比从大约20％增加到几乎90％。

图3中的纵轴示出了以米每秒为单位的空气在流动通道中的最大流速。在该情况下的基础(starting point)为：通过两个相邻的片1、2之间的管道的空气流是层流的并且以1m/s的平均速度行进。由于阻力，在流动通道内部，片附近的空气的速度将小于距片距离较远处的空气的速度。在图4a至图4f中的各截面1至6中均示出了等速线，对于该等速线，流速度等于1米每秒。在一方面通过相应的片(换言之通过相应的片的侧面、峰和谷)而另一方面通过等速线界定的区域中，流速小于1米每秒。对于因而位于等速线内侧的流经表面的其余部分，流速因此大于1米每秒。

图3的曲线图中的实线与如图2所示的4乘10的区域相关。然而，如在前述段落中解释的，距离d与距离D之间的比变化。如实线所示，在20％至40％之间的区域中，最大流速保持大致相同。从40％开始，最大速度降低，直到前述比为70％。从70％开始，最大速度相对快速增加，其中在大约78％以上时的最大流速大于在20％时的值。

最大速度是相应的空气流的均匀性的指标。该最大空气速度越低，流动通道内的空气流越均匀，并且遍及流动通道的流经表面的空气分布越好。遍及流经表面的空气分布越好，换热器将能够越好地使位于片的两侧的两个空气流之间换热。

图3中的曲线图还示出了与具有与上述轮廓的尺寸不同的尺寸的轮廓相关的四条线。4mm乘6mm的尺寸的波高度小于4mm乘10mm的尺寸的波高度，而4mm乘6mm的尺寸的波高度实际上大于4mm乘14mm的波高度。然而，相应波的波的周期长度保持不变。对于3mm乘10mm和5mm乘10mm的尺寸，前述距离实际上不改变，即分别较小和较大。然而，波的高度保持不变。

这些变型的四条曲线(graph line)示出了与4mm乘10mm情况的不中断的曲线大致相同的画面：从20％降至位于65％和72％之间的区域中的谷，以及相对快速增加到其上。仅通过曲线图来看，在利用该变型使最大流速最低的方面，具有3mm乘10mm的尺寸的波示出了有利的画面。

最后，当决定换热器的最优设计、更具体地用于片的轮廓的最优设计时，更多方面将发挥作用，例如特定轮廓的片的可制造性以及对实现流动通道的开放端部之间受限压降的期望。

图5以截面示出了根据可选实施方式的两个相邻的片31、32的一部分。片31、32的轮廓不同于上述片的轮廓。各片31、32均具有峰33、谷34和侧面35。与峰33或谷34邻接的相邻的侧面35在具有10度的角度的相应峰33或谷34的方向上朝向彼此倾斜。峰33和谷34是相同且不对称的。峰33具有带尖的侧面33a和33b，带尖的侧面33a和33b在横截面上长度不相等并且在尖缘33e的位置处彼此邻接。带尖的侧面34a以侧面35的延续部分的方式延伸。谷34具有同样长度不等的带尖的侧面34a和34b，以及在带尖的侧面34a和34b彼此邻接处的尖缘34e。带尖的侧面34b以侧面35的延续部分的方式延伸。图5还示出了与片31、32相关的中心平面36、在相关的中心平面36的位置处测量的相邻的侧面35之间的距离D以及在片的峰33与相邻的片的相对的谷34之间的最小距离d。

Claims

1.一种换热器，其包括相邻的片，所述相邻的片彼此平行地延伸并且在所述相邻的片之间形成用于空气的流动通道，各片均设置有具有峰、谷和直侧面的波状轮廓，其中

各侧面使峰和谷互连并且与和相关的片平行地延伸的中心平面相交，

片的峰和谷位于与所述片的中心平面距离相等的位置处，

相邻的侧面经由峰或谷彼此直接连接，

在经由峰彼此连接的相邻的侧面之间形成第一通道管道部分，该通道管道部分均在一个端部处由相应的峰界定并且在与该峰相对的端部处开放，

在经由谷彼此直接连接的相邻的侧面之间形成第二通道管道部分，该第二通道管道部分均在一个端部处由相应的谷界定并且在与该谷相对的端部处开放，

此外，在与所述中心平面成直角的方向上，以如下方式，与相邻的片相关的峰相对于彼此对准并且与相邻的片相关的谷相对于彼此对准：使得片的第一通道管道部分和与相邻的片相关的第二通道管道部分经由连接通道部分彼此连通，该连接通道部分在与一个片相关的谷和与另一片相关的峰之间延伸，

所述第一通道管道部分、所述第二通道管道部分和两个片之间的所述连接通道部分一起形成流动通道，

其特征在于，

限定所述连接通道部分的相应的峰和谷之间的最小距离大于相邻的侧面之间的在相关的中心平面的位置处的距离的40％。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，限定所述连接通道部分的峰和谷之间的最小距离大于相邻的侧面之间的所述距离的60％。

3.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，限定所述连接通道部分的峰和谷之间的最小距离小于相邻的侧面之间的所述距离的85％。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，限定所述连接通道部分的峰和谷之间的最小距离小于相邻的侧面之间的所述距离的80％。

5.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，中心平面和相关的峰或谷的端部之间的距离与在所述中心平面与两个相邻的侧面相交处测量的所述两个相邻的侧面之间的距离的比至少为1。

6.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，中心平面和相关的峰或谷的端部之间的距离与在所述中心平面与两个相邻的侧面相交处测量的所述两个相邻的侧面之间的距离的比至少为1.5。

7.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，所述峰和/或所述谷包括经由尖缘彼此邻接并且围成角度的两个带尖的侧面。

8.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，片的所述峰承载相邻的片的所述谷。

9.根据权利要求8所述的换热器，其特征在于，所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分遵循蜿蜒图案。

10.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，与片相关的所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分关于相邻的片镜像对称地蜿蜒。

11.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，所述蜿蜒图案包括直部分，沿着所述直部分的长度，与片相关的所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分平行于与相邻的片相关的所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分地延伸。

12.根据权利要求10所述的换热器，其特征在于，所述蜿蜒图案包括直部分，沿着所述直部分的长度，与片相关的所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分平行于与相邻的片相关的所述第一通道管道部分和所述第二通道管道部分地延伸。

13.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，在横截面中所述侧面彼此平行地延伸。

14.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，在横截面中，所述侧面或至少所述侧面的延续部分彼此围成最大20度的角度。

15.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，相邻的片的中心平面之间的距离在2mm与20mm之间。

16.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，所述波的单个周期的长度在1mm与10mm之间。