專利名稱:逆流式板型熱交換器的制作方法
本發(fā)明是關于板型熱交換器的，特別涉及到這樣一種浮動板型熱交換器，它具有以支承部件作彈性支撐的一批導熱板，且各種流體至少是在緊接著其流入該熱交換器的前后，它們進行換熱時的流動方向是相互正交的。
更詳細地說，本發(fā)明的熱交換器，是以用于熱回收領域為其主要目的，例如是一種在處理部流出的高溫流體與流入處理部的低溫流體之間，從事熱交換的設備。
在可以有利地用于熱回收領域的熱交換器中，那種通過支承部件將其熱交換板作彈性支撐的浮動板型熱交換器，業(yè)已公開在日本專利局公布的特許公報500580號中。見之于該公開特許公報中的浮動板型熱交換器，它的大致結構如圖6所示。
實際上，圖6所示的立體圖，是把浮動板型熱交換器一個單元內的一部分予以略去的結果。此圖中所示的浮動板型熱交換器取這樣一種構件形式，它有一對矩形端部壁10，而在這些個矩形端部壁10的各個角部，裝配上條材12，使與矩形端部壁相結合而形成筐體。
作為熱交換介質的一批矩形板14，配置在矩形端部壁10之間，和此端部壁10平行，且相互隔開。在各矩形板14一側的面上，為了與其相鄰的一對矩形板之間生成間隙，而設置有一批形成通道的凹座16，這些凹座16大致呈橢圓形，它們突出在各矩形板一側的面上，且相互平行。
圖7(a)與(b)示明構成上述熱交換器的熱交換板之形狀。
如圖7(a)與(b)所示，在相鄰的矩形板之間，這些個凹座是以相互正交的方式配置，而各個矩形板的和上述凹座長徑方向平行的邊緣則彎折成直角形式，構成了緊接各矩形板下方通道的側壁。此時，凹座能具有作為一種支撐構件的功能，抵抗著矩形板面上的垂直方向上的力。
而各凹座，它們在突出的通道內的流體流動方向上形成長的橢圓形時，將不會對流體流動構成大的阻力。因而在圖7(a)中，有利于流體沿箭頭×的方向流動;而在圖7(b)中，有利于流體沿箭頭Y的方向流動。圖7(c)為這種熱交換器的熱交換板之部分板平面上的垂直剖面圖。
此外，在圖6中尚未示明的有，在矩形板14的各個之間，配置了彈性的隔層，使矩形板14相對于各面，在垂直方向上受到彈性的支承，處于保持著一定間隔的位置。由于這樣的彈性支承，在相對于矩形板面的垂直方向上的熱膨脹被吸收，形成了一種能防止熱交換器外殼發(fā)生熱變形的結構。
而且如圖6所示，在各矩形板14的角部，裝配有呈L型斷面的密封帶18，此種密封帶的外側與條材12的內面之間，插有將彈性金屬薄板卷繞一圈以上所成的渦卷形卷簧20。在此卷簧20的外側，配置有阻擋件22，防止卷簧20的松脫。
這樣，通過此卷簧20，加上在密封帶18的外面與角部的條材12內面之間已被密封，而形成了一種使和矩形板14的面相平行之方向上的熱膨脹能被吸收的結構。
取上述結構的浮動板型熱交換器，在形成于各矩形板14之間的相互正交的通道之內，對其中有同一方向的所有通道，例如有高溫流體流過，而在與之正交的所有通道，例如有低溫流體流過，這樣，在這兩種流體之間，借助于矩形板便進行著熱交換。
上面描述的是，日本專利局公布的特許公報500580號中所公開的浮動板型熱交換器，它具有這樣的特征熱變形或由此而引起的破損是極小的，并且容易組裝。
為了更好地充分利用這類浮動板型熱交換器，本項專利的申請人雖然已提出過若干結構上的改進，但其中任何一項，都未能對圖6所示的浮動板型熱交換器做出根本的改進。
這就是說，如上所述，是在既有的浮動板型熱交換器中，便起到傳熱與受熱作用的各流體，通過矩形板而相互正交地流動(以下稱這種流動方式為正交流動方式)。但是，和那種使溫度不同的兩類流體通過板件而相互流向對方的逆流式熱交換器相比，這種正交流動式的熱交換器，從原理上說，能實現(xiàn)的溫度效率是頗低的，在一個單元的正交流動式熱交換器裝置中，僅僅靠擴大傳熱面積，在多數(shù)情況下是不能獲得所要求的熱交換量的。
于是，在實際的使用中，正交流動型熱交換器，一般是把一批單元以管連接起來，而能夠作多段式使用。在圖9(a)與(b)中，概略地示明了多段式熱交換器的結構，圖9(a)中示明了以導管41相連接的兩個熱交換單元40，或者，為了獲得必要的熱交換量，可采取圖9(b)所示的，以兩根導管41相連接的三個熱交換單元。
但是，這樣的結構會加大熱交換器的外形尺寸與重量，顯然會不利于它的應用。此外，當流體流過多段式熱交換器時，由于流體在各段傳熱元件之間出入時的收縮及擴散，會增大流體的動壓損失，將進一步降低熱交換器的效率。還有，當用于熱交換的流體為氣體時，尚不得忽視通過導管內時的摩擦壓力損失。
下面就上述問題作一詳細解釋，根據(jù)“日本機械學會”熱傳輸工藝學資料(184～190頁)，在熱交換器中，所交換的熱量Q可用平均溫度差△tm表示如下Q＝KF△tm (1)式中，F(xiàn)為電熱面積(平方米)，Q為每單位時間所交換的熱量(千卡/小時)，K為系數(shù)。
于是在式(1)中，當掌握了系數(shù)K后，Q和所要求的傳熱面積F之關系便可確定。
圖3是根據(jù)上述同一資料，示明了逆流式熱交換器中的溫度差變化，以此為基準，將高溫流體W與低溫流體W′的溫度差△tm，作為熱交換器端部處各流體的溫度t1、t1′、t2、t2′的函數(shù)，可由下式給出△ tm =△1- △22.303 log10( △1/△2)(2)]]>
此時，△1、△2如圖3所示，為此兩流體在入口與出口處的溫度差。
此外，當把這種正交流動式的熱交換器，以多數(shù)個相連接而構成多段式情形，則能根據(jù)下式求出△tm。
這就是說，可以在逆流式的△tm中乘以修正系數(shù)φ來求出，而此修正系數(shù)φ，在圖4所示的正交流動式熱交換器中，則可以根據(jù)表明兩種流體在熱交換時尚未混合時的修正系數(shù)之曲線而求出。
另一方面，這種浮動板型熱交換器，雖然多數(shù)情況下是用作為鍋爐和加熱爐等的空氣預熱器，但在這類情形下，實際的熱流量比R約為0.8，若是把低溫側的溫度效率取作0.8左右，則根據(jù)圖4，修正系數(shù)成為0.65。即，依照與此種正交流動式熱交換器有相同熱交換量為目標時，所設計出的逆流式熱交換器的傳熱面積為65%。
另一方面，當把完整的正交流動式熱交換器構成多段型時，為了獲得所希望的熱交換量，通過使圖4中的φ減小來達到改進修正系數(shù)便成為目標所在。這就是說，為了使溫度效率保持為0.8，作為兩段式熱交換器，最好使各段的溫度效率為0.4，此時若從圖4來求修正系數(shù)，則分別可得φ＝0.96。即傳熱面積可減少0.65/0.95。
但是，與逆流式熱交換器相比，假定依然是上述情況，則1/0.96＝1.04，而僅僅是面積增大，因此雖然是多段型，就產(chǎn)生的各種問題來說，同于已敘述過的情形。
于是，浮動板型熱交換器，即使著重為上述現(xiàn)有技術所述的各種改進，與逆流式熱交換器相比，依舊是不利的。
為此，本發(fā)明的目的即在于，繼續(xù)保持著現(xiàn)有的浮動板型熱交換器不因熱而變形或受熱而破損，且容易組裝的優(yōu)點，同時實現(xiàn)在熱交換效率方面有利的逆流式熱交換器。
按照本發(fā)明，將一對平行分隔的矩形壁部件，以及和這對壁部件相對應地至少是連接其各個角部的四根條材組成為筐體，在此種條材的內側，通過彈性部件一一連接，且至少是將此各條材的內側封閉，此外，相對于上述壁部件的中心連接線而處于對角位置的一對，在由上述壁部件的長邊與上述條材形成的一對面上，空留出該面的一部分，而有四根延伸的密封帶將該面盡可能地密封住，且在這些密封帶和上述壁部件構成的空間內，裝有三塊以上互相隔離的浮動板，它們和前述的壁部件相平行并與前述的密封帶密切接觸，在這些浮動板相互之間形成的通道內，備有保持著它們相互留有間隙的分隔裝置，且備有控制流體在該通道內流動裝置，而在互鄰的通道內，溫度不同的流體即流過各浮動板的表面與里面，這樣便構成了一種浮動板型熱交換器，它在上述各流體之間，通過前述的各塊浮動板進行著熱交換，而這里提供的上面說及的逆流式板型熱交換器的結構特征即在于在至少相當于前述通道長邊的2/3之區(qū)間內，溫度不同的流體是沿相互相反的方向流動。
作為上述這種逆流式浮動板型熱交換器之浮動板的長邊和短邊，根據(jù)本發(fā)明人等的實驗結果，它們的合適長度比可以推薦為2.5∶7。
上述各浮動板大致呈橢圓形，且設有朝向該浮動板表面和/或里面突出的一批橢圓形凹座，形成了相互鄰接的浮動板的間隙，而且，通過有效地配置這些凹座，就能有利地形成控制前述流體流動的手段。
除此，可在流體流入口的近旁和/或在流體流出口的近旁，分別配置板狀部件來作為控制這些流體流動的手段，也可兼用前述的凹座與這些板狀部件。
這就是說，根據(jù)本發(fā)明所提供的浮動板型熱交換器，是將這些浮動板疊層，而交互形成的通道之水平斷面為矩形，同時設有使流體從該長方向的短邊流入而從處于相對位置的短邊流出的通道;以及使流體從該通道下流側長邊的一部分的流入，而且相對長邊上流側流出的通道。從而使得從該長邊側流入或流出的流體，在從流入到流出的一段期間內，能和從短邊側流入及流出流體按相反方向流動，實現(xiàn)逆流式的熱交換。此時，矩形浮動板的傳熱面，其長邊長度與短邊長度之比，根據(jù)實驗結果已知，以在2.5∶7以上為宜。
如上所述，本發(fā)明的逆流式浮動板型熱交換器的組合結構，采用了與日本專利局公布的特許公報500580號中所公開的正交流動式浮動板型熱交換器相同的形式，保持了浮動板型的特點，即依然具有不發(fā)生熱變形或由此而引起破損的有利結構，與此同時，在這樣的形式的結構下，還適用來實現(xiàn)已提出過的各項改進。
這就是說，為了能更為有利地充分地利用這類浮動板型熱交換器，本項專利申請人已提出過比保持矩形板的間隙之部件更要牢靠的穩(wěn)定結構(日本，昭和61年公開實用新型公報第204186號);或者例如圖8中由矩形板24組成的通道斷面所示，把形成在各矩形板24中的凹座26形成于各矩形板面的外表與內部，通過使相鄰矩形板的凹座底面相互接觸，擴大各矩形板的間隔，而成為增加了各通道厚度的結構(日本，昭和61年公開實用新型公報第204187號);而且在由矩形板所形成的熱交換部和該熱交換部的支承結構之間配置有隔熱材料，成為一種能在排除熱對支承結構影響的同時提高熱回收效率的結構(日本，昭和61年公開實用新型公報第204188號);進一步有，把前述矩形板集成體同增強部件以及設于矩形板中的凹座組合成的結構(日本，昭和61年公開實用新型公報第204189號);還進一步提出了，設置防止各矩形板邊緣彎曲的結構，提高矩形板抗彎曲剛度的結構(日本，昭和61年公開實用新型公報第204185號)等，對于本項申請所涉及的逆流式浮動板型熱交換器，則能適用于以上所說的任何一項改進。
還有，本發(fā)明的熱交換器，它的熱交換部是取作矩形的，就從其長邊側流入的流體而言，由于采用了密封帶限制了這種流體的流入和流出范圍，就在此矩形的熱交換部中央附近，使流體的相互流動方向對流化了。
同時在熱交換過程中，在緊接著流入之后和流入之前的流體，它們在熱交換器朝向逆流部分或來自逆流部分，都使流動方向轉過 90°。此時，在圖5中以虛線所圍出的a部與b部中，不會有流體充分流動。因而根據(jù)本發(fā)明，有利于在通道內設置流體的擴散與整流手段。
這種整流手段是形成在熱交換板中的，可通過調整在各通道內突出的凹座之排列及方向，能容易而有效地在通道內形成。
這就是說，由于形成在浮動板中的凹座是突出在通道內，并且其形狀略呈橢圓形，當著流體的流動方向和凹座的長徑方向一致時，對于流體流動的阻力就最小。于是，按照使流體在通道內具有最適當?shù)牧髯V來確定凹座的排列及方向，也就能使凹座具有作為流體的擴散與整流的手段之功能。設置有此種凹座的浮動板，易采用周知的鋼板材料壓制成形方法等制成。
還要指出，就上述整流而言，本發(fā)明則提出了更為精密的控制方法。就是說，即使采用上述結構，由于在局部上仍然會發(fā)生流體的偏流，為了對此作出更強有力的控制，在相應通道內的上述有關位置處，附加以板狀的整流手段則更為有利。
據(jù)上所述，按照本發(fā)明，能提供一種熱交換效率高的浮動板型熱交換器。
圖1為示明本發(fā)明的逆流式浮動板型熱交換器的一種優(yōu)選形式而其中一部分已取出時的立體圖;
圖2(a)與(b)表示的是，形成在圖1所示之逆流式浮動板型熱交換器各浮動板上的凹座之排列與方向的一種形式;
圖3為表明逆流式熱交換器中流體溫度變化的曲線圖;
圖4是用于算出正交流動式熱交換器中修正系數(shù)的曲線圖;
圖5為矩形通道內流體流動形式的示意圖;
圖6示明現(xiàn)有的正交流動式浮動板型熱交換器之結構且其中一部分已除去的立體圖;
圖7(a)、(b)與(c)示意地表明了圖6所示之正交流動式浮動板型熱交換器的浮動板形狀，圖7(a)與(b)表示各浮動板的外形，圖7(c)表明疊層的浮動板的斷面;
圖8是對于已提出的浮動板型熱交換器的一種建議形式的說明圖，其中表明了浮動板的斷面;
圖9(a)與(b)表明了正交流動式浮動板型熱交換器作為多段型時的連接形式，圖9(a)與(b)分別表明2段型與3段型的結構。
下面舉出本發(fā)明的一種優(yōu)選形式，以對本發(fā)明作出較具體的詳細敘述，雖然如此，但以下所示的內容僅僅是本發(fā)明的一個實施例，并不對本發(fā)明的技術范圍作出任何限制。
圖1所示的是本發(fā)明的一種優(yōu)選形式但其中一部已取下的立體圖，表明了具有寬1200毫米，長2635毫米熱交換面的逆流式浮動板型熱交換器的結構。
如圖1所示，本發(fā)明的熱交換器具有與傳統(tǒng)的浮動板型熱交換器相似的結構。
這就是說，由壁部件101與102以及條材103、104、105和106結合各角部而形成筐體，而以之作為熱交換器的支承結構體。在此實施例中，上述條材中的104與106是沿著該壁部件101與102的長邊側延伸，分別到達流體的流入口107與流出口108(在圖1中處于朝向圖面的一側，故不能看見)。
上述形式在作為圖1所示之熱交換器的水平截面圖的圖2(a)與(b)中，更加清楚。此外，在圖1與圖2(a)與(b)中，對同樣的部件附以同樣的參考數(shù)號。
如以上兩圖所示，各條材103、104、105、106，以隔熱性填料109與一批卷簧110為中介，而把密封帶111與113壓向結構體內部，且對內部的浮動板114a與114b從側面加以彈性支持。于是，此種密封帶111與113的熱膨脹即由卷簧110吸收。因此，密封帶112與113不會因熱的影響而發(fā)生撓曲或脫落等，也不會把熱膨脹的影響波及到支持結構體。除此，在上述條材103、104、105、106的端部，設置有板狀的阻擋件115a、115b以防止卷簧110脫落。
另一方面，在上述的四條密封帶內，處于相互相對位置的一對113，分別沿著浮動板的邊緣延長，在由壁部件101與102的長邊和各條材103、104、105、106形成的一對面上，形成有處于相互反向位置的流體流入口107與流出口108。
此外，在各浮動板的相互之間，尚有圖中未標明的彈性隔板在常態(tài)下壓縮穿插于其中，由此，在保持浮動板間隔的同時，還能吸收浮動板厚度方向上的熱膨脹。
這筐的浮動板114a與114b，分別與圖7(a)與(b)所示的現(xiàn)有的熱交換器之浮動板相同，分別以其一對長邊或一對短邊垂直地立起，并分別密接緊其上面或下面的浮動板邊緣，而形成相互正交的通道。
現(xiàn)在稱圖2(a)所示的浮動板為空氣板，在緊接此空氣板之上，有從熱交換器長邊側流入的溫度較低的流體流過。稱圖2(b)所示的浮動板為全板，在緊接其上，則有從短邊側流入的溫度較高的流體流過。
各浮動板114a與114b都在朝向其表面與里面的方向，于前方設有突出的凹座。圖2(a)所示的是，在使從浮動板長邊側流入或流出之流體流過的通道內，有關凹座的方向與排列的情形;圖2(b)所示的是，在從浮動板短邊側流入而從其相對位置處短邊側流體的通道內，相應凹座的方向與排列情況。這里，在各浮動板中，如前所述，雖然是朝向它們的表面與里面形成有突出的凹座，但在圖2(a)與圖2(b)中，為了能清楚地示明這兩種凹座的排列，分別相對于圖面僅僅描繪出突出在前方一側的凹座。
各個凹座都大致呈橢圓形，而顯然當流體的流動方向與凹座的長向一致時，阻力最小。這里，依據(jù)流體在通道內沿著其所希望的流動方向來探討凹座的方向與排列時，可得如下結論圖2(a)與圖2(b)所示的排列與方向乃是所希望的形式之一。
在圖2(a)中，凹座131沿橫向開向空氣通路，由于具有某種程度的壓力損失，就能起使空沿著逆流部分均勻流動的分配器的作用。此外，凹座133在出口側也能制約空氣的流量。
同時凹座134還具有導閥的作用，在逆流部分內，使流入的空氣平行地引導到上部。凹座132，用來使供給到流入部的空氣所具有的動壓不受損失，而導入到熱交換器的內部，在流出部，如圖5所示，流體朝著斜方向，不發(fā)生短路，沿著垂直方向上變化著它的流動方向而導入。
除此，在圖2(b)所示的浮動板114b之上，凹座132總體來說要構造成，使它的長徑與流體的流向一致，一定不要有礙于流體的流動。
還使這些凹座的各個底部分別與鄰近的浮動板對接，作為保持各浮動板之間間隙的分隔件，并具有作為熱交換器垂直方向上加強件的功能。
更進一步，本實施例所示的熱交換器就流體的整流而言，具有更精密的控制性能。即以前述的結構而論，由于在空氣側的通道內流體仍存在著局部的短路，故在該部分中可安裝長度可調的梳形緩沖板，從而能更精密地控制流體的流動。這種梳形緩沖部，在本實施例中，可以把圖1所示用來防止卷簧110脫落的阻擋件115b，向相應的通道內加以延長來實現(xiàn)。
按照本發(fā)明如上所述制成的逆流式浮動板型熱交換器，具有容易組裝的結構且與對流形式無關，能發(fā)揮逆流式熱交換器的高效率的熱交換性能。
下面描述它在工業(yè)上利用的可能性。
本發(fā)明的熱交換器，如上所述，首先與熱交換板熔接于支承部件上的熱交換器相比，能經(jīng)受較大的溫差，而且配置有一系列凹座的熱交換板，由于高溫流體與低溫流體的接觸面積大，熱效率良好，且因可通過把鋼板模壓成形來形成凹座，故在組裝時于熱交換板之間安裝增強件之類的獨立分隔件時，省除了安裝手續(xù)，總的說來，能夠更充分地利用既有的浮動板型熱交換器的優(yōu)點。
同時，本發(fā)明的浮動板型熱交換器，在原理上是采用了熱交換效率高的逆流式的結構。從而與正交流動式的熱交換器相比，能縮小導熱面積，還由于不必要采取多段式結構，故不需管道工程。
這樣，按照本發(fā)明，可以實現(xiàn)高性能且易于制造的理想的熱交換器。這種熱交換器，例如可以有效地用作為加熱爐、鍋爐、焚燒爐、蒸餾器等的空氣預熱手段，同時也能廣泛而有效地用于其它領域。
權利要求
1.一種逆流式浮動板型熱交換器，它的結構如下由平行分開的一對矩形壁部件以及與該對壁部件相對應且至少是將其各個角部連接的四個條材形成筐體，在前述條材的內側，通過彈性部件一一連接，且至少是將此各條材的內側封閉，此外，相對于上述壁部件的中心連接線而處于對角位置的一對，在由上述壁部件的長邊與上述條材形成的一對面上，空留出該面的一部分，而有四根延伸的密封帶將該面盡可能地密封住，在上述密封帶和前述壁部件構成的空間內，裝有三塊以上互相隔離的浮動板，它們和前述的壁部件相平行并與前述的密封帶密切接觸，在這些浮動板相互之間形成的通道內，備有保持著它們相互留有間隙的分隔裝置，在該通道內則設有控制流體流動的裝置，在相互鄰接的通道內，溫度不同的流體部流過各浮動板的表面與里面，這樣構成的一種浮板型熱交換器，它在上述流體之間，通過前述的各塊浮動板進行著熱交換，上述逆流式浮動板型熱交換器的特征為它構造成，使溫度不同的流體在前述通道的長邊方向所定區(qū)間內，而相互沿相反的方向流過。
2.按權利要求
1所述的一種逆流式浮動板型熱交換器，其特征為前述浮動板的有效部分之長邊和短邊的長度比為2.5∶7。
3.按權利要求
1或2所述的一種逆流式浮動板型熱交換器，其特征為上述各浮動板分別都設有朝向這種浮動板表面或里面突出的一批橢圓形凹座，而由這些凹座的高度形成相互鄰接的浮動板的間隙。
4.按權利要求
1至3中任何一項所述的一種逆流式浮動板型熱交換器，其特征為上述凹座經(jīng)有效地排列，可以形成為控制上述流體流動的手段。
5.按權利要求
1至4中任何一項所述的一種逆流式浮動板型熱交換器，其特征為上述的控制流體流動的手段乃是分別配置在流體流入口近旁和/或在流出口近旁的板狀部件。
6.按權利要求
1至5中任何一項所述的一種逆流式浮動板型熱交換器，其特征為在上述密封帶與上述壁部件以及條材之間，插入有隔熱材料。
專利摘要
本發(fā)明的逆流式板型熱交換器主要用于熱回收領域，其中設有由支承部件作彈性支撐的一批導熱的浮動板，使流體在緊接其流入該熱交換器的前后，在換熱時的流動方向為相互正交。在上述浮動板之間形成有通道，使溫度不同的流體在此種通道長向所定的區(qū)間內朝相互相反的方向流過，而這種浮動板有效部分的長短邊之長度比為2.5∶7。各浮動板上設有一批凹座，它們的高度即界定了浮動板間的間隙。恰當?shù)嘏帕羞@些凹座還可有效地控制流體的流動。
文檔編號F28D9/00GK87102842SQ87102842
公開日1987年11月18日 申請日期1987年4月18日
發(fā)明者石河是孝, 松本健男 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan