專利名稱：板式熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以用在一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)中的板式熱交換器。該熱交換器可以用來蒸發(fā)或冷凝一種流動(dòng)的流體，特別是適用于一種由能相互溶解的具有不同沸點(diǎn)的多種致冷劑物質(zhì)混合組成的流體(這種混合物在整個(gè)溫度范圍內(nèi)蒸發(fā)或冷凝)。該熱交換器能夠用于，例如，空調(diào)機(jī)，制冷機(jī)，熱泵或者類似裝置。本發(fā)明還涉及一種包括一臺板式熱交換器的蒸汽壓縮系統(tǒng)，以及一種蒸汽壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行方法。
板式熱交換器包括多塊以面對面方式逐塊連接的板；和它們之間的密封，例如，以焊接粘接或壓緊的方式。這些板被做成適當(dāng)?shù)谋砻嫘螤?，以便在每對連接在一起的板之間形成一個(gè)確定的通道，流體可以從進(jìn)口一端流過通道到出口一端。熱交換器通常被排列成這樣，即兩塊以上的板形成介于每對交叉的板之間的通道或通路，這些通道可以流過兩種有熱交換關(guān)系的不同的流體。其中一種流體是一種經(jīng)歷了一個(gè)相變過程的致冷劑，另一種流體將是一種工作流體，它可以是一種在可能的場合被加熱或者冷卻的液體(如水)或一種氣體(如空氣)。
熱交換的表面積可以通過肋片來增加。肋片可以用于流過板之間通道的熱交換的流體(如致冷劑)，也可以用于被加熱或冷卻的工作流體(例如水或者空氣)。
這種形式的熱交換器常常被布置成有熱交換關(guān)系的兩種流體之間逆流。一種熱交換介質(zhì)的兩相最好在通道內(nèi)順流，這樣，在通道內(nèi)的任何一點(diǎn)，分離的相各自很好地混合，且相與相之間可有效地混合。這種情況關(guān)系到均衡蒸發(fā)或者冷凝。它能夠?qū)崿F(xiàn)，例如液體和氣體順相流動(dòng)時(shí)，氣體在通道腔中流動(dòng)，而液體沿著通道壁流動(dòng)，實(shí)際上形成了一個(gè)厚度變化的膜包圍著流動(dòng)的氣體。蒸發(fā)或者冷凝的均衡狀態(tài)最好一直保持到大體上通過整個(gè)蒸發(fā)器或者冷凝器(按可能的情況)的長度。這是很難獲得的，因?yàn)橄嘧儼殡S著體積的巨變，而這將影響兩相的流動(dòng)狀態(tài)。
當(dāng)熱交換器中的一種或每種流體包括一種由能相互溶解的具有不同沸點(diǎn)的多種致冷劑物質(zhì)組成的混合物，且混合物不形成共沸物，則蒸發(fā)和冷凝的均衡狀態(tài)就尤其需要。這種混合物的沸點(diǎn)相隔至少約10℃，例如至少約20℃。沸點(diǎn)的差值常常小于約70℃，最好是小于約60℃，例如小于約50℃。它能使液體混合物沿著它們的沸點(diǎn)序列發(fā)生最佳熱交換，這又能用來與工作流體的溫度范圍相適應(yīng)，工作流體通過熱交換器時(shí)與其有熱交換關(guān)系。因此要求通道內(nèi)熱交換流體的兩相安排為順流，而且最好也能同速流動(dòng)，盡管出現(xiàn)有大的體積流量的變化。這能減少相分離，或者富集混合物中的一種特定組分。
本發(fā)明提供了一種板式熱交換器，其通道的形狀是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的流體的阻力在朝向一個(gè)末端的第一區(qū)域比朝向另一個(gè)末端的第二區(qū)域大。
于是，一方面本發(fā)明提供了一種熱交換器，它包括至少兩塊以面對面方式逐塊連接的板，這些板在它們之間的空間確定一個(gè)通道，熱交換的流體可以從進(jìn)口端流過板間空間到出口端。而這些板的外表面可以用來與另一種流體熱交換，通道的形狀是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的熱交換流體的阻力，在朝向一個(gè)末端的第一區(qū)域比朝向另一個(gè)末端的第二區(qū)域大，至少其中一個(gè)板有可以增大通過通道的流體流動(dòng)阻力的表面形狀，這種表面形狀被配置成沿通道流動(dòng)的熱交換流體的阻力在沿通道長度上的一個(gè)區(qū)域比另一個(gè)區(qū)域大。
本發(fā)明提供了一種熱交換器，它使處于液相和氣相的熱交換流體在熱交換器中的整個(gè)通道長度很容易實(shí)現(xiàn)順向流動(dòng)，結(jié)果大體沿整個(gè)熱交換器的長度實(shí)現(xiàn)了有效均衡的凝結(jié)或者蒸發(fā)，其中的熱交換流體的兩相一起流動(dòng)，這樣，沿通道的任何一點(diǎn)，分離的相各自很好地混合而且相之間有效地混合。具體來講，熱交換器能調(diào)節(jié)熱交換流體發(fā)生凝結(jié)或者蒸發(fā)時(shí)的體積變化可根據(jù)可能的情況出現(xiàn)在熱交換器的長度上。所以，當(dāng)流體的兩相相對比例發(fā)生改變時(shí)，通道提供的流動(dòng)阻力的變化能保證液體和氣體連續(xù)地有效混合。
本發(fā)明的熱交換器有特別的優(yōu)越性，它使得應(yīng)用寬沸點(diǎn)的多種致冷劑物質(zhì)的混合物變得簡便，這些混合物要求在可能的場合下，整個(gè)長度的蒸發(fā)器或冷凝器在接近均衡的狀態(tài)下蒸發(fā)或凝結(jié)。本發(fā)明的這個(gè)特性是非常重要的，它能保證沿通道流動(dòng)的致冷劑的流量較均勻，從而致冷劑的液相和氣相的分離最小。它有利于致冷劑的氣相和液相順向流動(dòng)，使氣體沿通道腔流動(dòng)而液體沿通道壁有效地流動(dòng)并形成一層厚度變化的膜包圍著氣體，并且使這種情況可能大體包括整個(gè)通道的長度。通過這種方法，蒸發(fā)或者冷凝的均衡狀況能一直保持通過致冷劑混合物溫度范圍的相變過程。
熱交換器的通道的形狀是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的熱交換流體的阻力在朝向一個(gè)末端的一個(gè)區(qū)域比朝向另一個(gè)末端的一個(gè)區(qū)域大。這可以通過許多方法中的一種來實(shí)現(xiàn)。例如，朝向一端的通道的截面面積比朝向另一端的大。因此，當(dāng)熱交換器是一個(gè)蒸發(fā)器時(shí)，朝向出口一端的截面面積比朝向入口端的大；當(dāng)熱交換器是一個(gè)冷凝器時(shí)，朝向進(jìn)口一端的截面面積比朝向出口一端的大。通道截面積的變化可以通過板的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。此外，這種變化也可以通過位于板間的限定部件，例如內(nèi)壁構(gòu)成合適的通道來實(shí)現(xiàn)。
該板或每塊板應(yīng)有延伸出板平面之外的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)沿著至少通道長度的一部分形成了通道的壁。這些結(jié)構(gòu)可以通過板的材料的適當(dāng)變形提供，例如，采用波紋板。波紋板可以是水平的，盡管波紋板的“波紋”可以影響流動(dòng)的阻力。這些形狀可以壓制出來而且造成流體流動(dòng)沿長度方向不連續(xù)。這些結(jié)構(gòu)可以包括供流體從板的一邊流過另一邊的孔。這些結(jié)構(gòu)的形狀是這樣的，它們提供給熱交換流體的阻力沿通道的長度在一個(gè)區(qū)域比另一個(gè)區(qū)域大。這種適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可由波紋板構(gòu)成，波紋板沿至少部分地與流體通過通道流動(dòng)的方向橫向地布置。流體流過通道時(shí)要經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)，至少沿著通道長度的一部分流過，但是最好沿著通道的大體整個(gè)長度流過。
這些結(jié)構(gòu)可以通過在一塊板或每塊板的一個(gè)面上提供材料來構(gòu)成，例如通過粘接(例如用一種粘合劑、焊接、釬接或者其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù))將一片帶波紋形狀的材料粘到所述的表面上。
這些結(jié)構(gòu)最好由形成通道的兩塊板來構(gòu)成，這些板共同來滿足流體沿通道流動(dòng)的阻力要求。然而，在某些應(yīng)用中，這種阻力也可以用一個(gè)平板和一個(gè)具有這些結(jié)構(gòu)形狀的板相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。
除了影響流動(dòng)阻力外，一塊板或每塊板提供的結(jié)構(gòu)還能夠加固板，從而使板能承受熱交換器使用時(shí)必須承受的壓力。
通道的所述區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)的形狀變化應(yīng)當(dāng)具有如下特性(a)該結(jié)構(gòu)與熱交換流體的流動(dòng)的角度，(b)結(jié)構(gòu)的深度，(c)該結(jié)構(gòu)的波長。例如，流體流動(dòng)的阻力可以通過增加該結(jié)構(gòu)與流體流動(dòng)方向傾角的角度來增加。此外，流體流動(dòng)阻力的增加也可以通過增加流體沿通道流動(dòng)時(shí)必須流過的結(jié)構(gòu)的深度來實(shí)現(xiàn)。另外，流體流動(dòng)阻力的增加可以通過縮短結(jié)構(gòu)序列中的相鄰波峰的距離，即縮短結(jié)構(gòu)的“波長”實(shí)現(xiàn)。
板間可設(shè)置肋片。它們可以設(shè)置在熱交換流體流動(dòng)的通道里。此外，它們也可以設(shè)置在工作流體流動(dòng)的通道里。肋片可以引導(dǎo)從肋片上流過的流體的流動(dòng)。它們也能影響流體流動(dòng)的阻力，例如通過摩阻效應(yīng)，或者通過改變流體流過的通道的截面積來影響。
當(dāng)為熱交換流體和工作流體都提供肋片時(shí)，適于一種流體的肋片形狀可不同于適于另一種流體的肋片形狀。例如，熱交換流體的肋片形成一個(gè)通道，其中的流體交替的向上和向下流動(dòng)而工作流體的通道可以大體筆直地流過熱交換器。
加設(shè)肋片的好處是它們能加固熱交換器，增大它在使用時(shí)須經(jīng)受的承壓能力。
設(shè)置的具有不同流動(dòng)阻力的通道的第一和第二區(qū)域使流體從通道的進(jìn)口端到出口端順序地從一個(gè)區(qū)域流到另一個(gè)區(qū)域。這些區(qū)域不需要延伸到通道末端。例如，通過各種各樣的與進(jìn)口或出口或兩者連接的區(qū)域，流體被分配到每對板之間的平行的通道之間。在各種各樣的區(qū)域里都可以影響(增大或減小)流動(dòng)阻力。
沿通道流動(dòng)的熱交換流體的阻力可以沿著至少通道長度的一部分，在有些情況下，沿著大體整個(gè)通道長度連續(xù)變化。所述流動(dòng)的阻力可以沿著通道長度上的特定的點(diǎn)劇烈變化。這樣的點(diǎn)的數(shù)目決定于，例如，要求的覆蓋整個(gè)通道長度的所有阻力變化和每一個(gè)這樣的點(diǎn)處的阻力變化。它可以是和熱交換器結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的沿通道長度的至少兩個(gè)點(diǎn)處的阻力變化，例如在三個(gè)或四個(gè)點(diǎn)，這樣就有沿通道長度的三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)不同阻力水平的區(qū)域。
由板決定的通道的路徑是左右交互的。該路徑包括第一和第二組平行交替的支通道。支通道可以布置成流體橫向流過第一組成第二組或兩組支通道。最好是流體通常在至少第一和第二組中的一組支通道中垂直流動(dòng)，例如，通常在第一組支通道中向下流動(dòng)而在第二組中向上流動(dòng)。垂直流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是使致冷劑氣相和液相的分離最小，尤其是重力作用下的垂直流動(dòng)。
另一方面，本發(fā)明提供了一種運(yùn)行一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括至少兩塊以面對面方式逐塊連接的板，這些板在板之間的空間形成一個(gè)通道，熱交換流體可以從進(jìn)口一端流經(jīng)該空間到出口一端，通道的形狀是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的流體的阻力在朝向通道一端的第一區(qū)域比朝向另一端的第二區(qū)域大，該方法包括在熱交換流體流過通道時(shí)，使其大體上垂直向上流動(dòng)，并和另一種流體有熱交換關(guān)系。
在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的方法運(yùn)行的蒸汽壓縮系統(tǒng)中，在熱交換器的通道中，致冷劑氣體可能會帶動(dòng)致冷劑液體以和氣體大體相同的速度向上流動(dòng)，特別是這樣就可以有效地均衡沿通道內(nèi)向上流動(dòng)的分支且最好也沿著向下的分支發(fā)生的凝結(jié)或蒸發(fā)。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種熱交換器，它包括至少兩塊以面對面方式逐塊連接的板，這些板在它們之間的空間形成一個(gè)通道，熱交換流體可以從進(jìn)口一端流過該空間到出口一端，板的外表面可以實(shí)現(xiàn)和另一種流體的熱交換，通道的路徑左右交互，所以包括第一和第二組平行交替的支通道，在第一組中的每個(gè)支通道里流動(dòng)的致冷劑流體的阻力比第二組相應(yīng)的相鄰支通道中流動(dòng)的流體的阻力大。
支通道可由板上的結(jié)構(gòu)限定。它們可以由板之間的確定通道的結(jié)構(gòu)來限定。它們可以由位于板之間的肋片限定，或者使流體沿它們流動(dòng)。
沿第一組分通道流動(dòng)的致冷劑流體的阻力最好比沿第二組分通道流動(dòng)的阻力大。這樣，當(dāng)流體在通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在第一組支通道內(nèi)對流體的流量進(jìn)行控制，同時(shí)流體能夠較容易地流過第二組支通道。采用這種布置方式，熱交換將優(yōu)先在第一組支通道中發(fā)生，通道被配置成當(dāng)熱交換流體在所述的第一組的支通道中流過時(shí)進(jìn)行熱交換。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是液相和氣相的流體可能在低阻力的支通道中混合，從而使在高阻力支通道中平衡凝結(jié)或蒸發(fā)變得容易。當(dāng)?shù)谝唤M和第二組的支通道的流動(dòng)阻力不同時(shí)，最好是高阻力的那組中的流體大體向下流動(dòng)而低阻力的那組中流體大體向上流動(dòng)，這樣重力作用下的相分離最小。
通道的形狀最好是這樣的，第一組支通道包括至少兩個(gè)支通道，例如三個(gè)或四個(gè)支通道，并與第二組支通道相連接。
當(dāng)通道包括有兩個(gè)或者更多支通道的第一組時(shí)，熱交換流體的阻力變化被引入到第一組的連續(xù)的支通道之間，使于每個(gè)支通道的流動(dòng)阻力大體上穩(wěn)定。這種變化可以把致冷劑流過熱交換器時(shí)的液態(tài)和氣態(tài)的致冷劑比例變化考慮進(jìn)去。
熱交換器最好包括最少三塊板，第一對板之間確定的通道流過熱交換流體，相鄰的一對板之間的通道流過另一種流體，它和第一對板之間的熱交換流體進(jìn)行熱交換。通常，熱交換器包括多塊板，在相間的每對板之間形成供兩種進(jìn)行熱交換的流體通過的通道。然而本發(fā)明也包括一個(gè)由兩塊板組成的熱交換器，兩板間形成的空間供熱交換流體通過，與流過上述板上面的工作流體進(jìn)行熱交換。
熱交換器最好包括至少兩對連接在一起的四塊板，進(jìn)行熱交換時(shí)，所述的另一種流體流過兩對板之間形成的路徑，而熱交換流體流過兩對板形成的左右交互的通道。
本發(fā)明提供了一種在一個(gè)熱交換器的通道之間分配液態(tài)和氣態(tài)致冷劑的裝置，它包括(a)一根分配管，(b)致冷劑從該管流到熱交換器通道中的孔，致冷劑氣體流出的孔的尺寸是受限制的，使致冷劑流過孔時(shí)有一個(gè)壓降，和(c)一個(gè)致冷劑進(jìn)入分配管的進(jìn)口，進(jìn)口的形狀使致冷劑進(jìn)入分配管時(shí)是紊流的而且致冷劑的液相和氣相在管中是均衡的。
該裝置分配致冷劑可以通過分開的兩對板間的空間形成的通道實(shí)現(xiàn)，例如一個(gè)四個(gè)板的組中的兩對。
最好，把致冷劑朝著管子的一端由此排入到管子里時(shí)，致冷劑變?yōu)槲闪鳡顩r，這樣它就可以直接從進(jìn)口流向管子的端壁。例如，這可以通過在進(jìn)口端設(shè)一個(gè)彎頭來獲得，或者在進(jìn)口管的一邊從進(jìn)口開一個(gè)致冷劑的出口。最好，這種裝置的管子的致冷劑流出的一端是擴(kuò)大的，尤其是一般的圓形。
最好，管子上的出口是環(huán)形地布置在管子周圍，這樣一些用來流出液態(tài)致冷劑，一些用來流出氣態(tài)致冷劑。管子上的朝著底部的孔用來流出液態(tài)致冷劑而管子上朝著頂部的孔用來排出氣態(tài)致冷劑。最好，管子上朝著頂部的孔比朝著底部的孔大，這樣可控制排出的液態(tài)和氣態(tài)致冷劑的相對比例。
可以為獨(dú)立的通道設(shè)置管子上的孔，或者位于每對通道之間，這樣致冷劑沿著管道在特定點(diǎn)從孔中流出時(shí)就流入兩個(gè)相鄰的通道。
本發(fā)明的熱交換器可以用來在一種流過板之間通道的致冷劑與一種工作流體之間換熱，工作流體可以是，例如液相或氣相。提供給工作流體的路徑的形狀取決于諸如工作流體相態(tài)的一些特點(diǎn)。流體可以沿著每對板之間的通道流動(dòng)；這種結(jié)構(gòu)非常適合于一種液相的工作流體，而對于工作流體來說它在液態(tài)和氣態(tài)之間的相變則是通過熱交換實(shí)現(xiàn)的。后面的這種情況，適合于工作流體的流動(dòng)阻力在通道中的朝向一端的一個(gè)區(qū)域比朝向另一端的一個(gè)區(qū)域大的情況，如上文所討論過的。
工作流體流過的路徑可以基本上打開，讓工作流體流過形成通道的板，通常在板的表面上設(shè)有肋片來優(yōu)化熱交換。這種結(jié)構(gòu)很適合于與氣體的或氣相的工作流體進(jìn)行熱交換。
通過板時(shí)有熱交換關(guān)系的一種和最好每一種流體的流動(dòng)阻力在相應(yīng)的通道中，最好一端比另一端阻力大，使這種換熱器更適合于熱交換過程中都有相變的兩種物質(zhì)之間的熱交換。
另一方面，本發(fā)明提供了一種熱交換器，包括若干限定通道的板，這些通道用于至少兩種熱交換流體在相鄰對的板間供相應(yīng)流體進(jìn)行熱交換，當(dāng)熱交換器使用時(shí)，它們處于熱交換關(guān)系。供第一種流體流過的通道被放入到第二種流體的通道之間，其中(a)第一種流體的每一條通道構(gòu)成一個(gè)位于通道進(jìn)口和出口之間的左右交互的路徑，它的截面積從路徑的一端到另一端逐漸增加，和(b)第二種流體的每個(gè)通道有一個(gè)大致筆直的通路。
一種根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面的熱交換器能夠用于一種熱交換流體如一種致冷劑和一種工作流體如壓縮氣體之間進(jìn)行熱交換，尤其是它要被大量冷卻時(shí)。
最好，第一組的每個(gè)通道都由許多平行的支通道構(gòu)成，這些支通道足夠窄來防止致冷劑分離成氣態(tài)和液態(tài)。
最好，熱交換器布置成第一組的通道為致冷劑流動(dòng)的垂直通路，大致上向上和向下。
最好，供第一種和第二種流體中的一種或兩種流體流動(dòng)的通道包含有肋片，尤其是大體沿通道延伸的板至少有一些肋片。
另一方面，本發(fā)明提供了一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)，包括一臺上文討論過的類型之一的熱交換器。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，熱交換器起著一個(gè)蒸發(fā)器的功能，它接收至少主要為液態(tài)的致冷劑，放出致冷劑蒸汽(最好有一點(diǎn)濕)。所述的熱交換器也可以起著冷凝器的功能，它接收致冷劑蒸汽而排出至少主要是液態(tài)的致冷劑。系統(tǒng)可以包括一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器，其中每一個(gè)的型式都是以上討論過的。
熱交換器最好安裝成熱交換器流體大體上向下流動(dòng)并和要交換熱量的流體有熱交換關(guān)系。
在單一制冷系統(tǒng)中適合用做致冷劑的物質(zhì)的例子包括標(biāo)記為R22和R134a的物質(zhì)。本發(fā)明的這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是適用于寬沸點(diǎn)和非共沸的混合致冷劑，象人們特別希望的那樣，無論在蒸發(fā)器還是冷凝器中，液態(tài)和氣態(tài)的致冷劑一起順向流動(dòng)且保持均衡，而致冷劑混合流與進(jìn)行熱交換的流體基本上逆向流動(dòng)。適合于混合的致冷劑的例子包括那些被標(biāo)記為R23/R134a，和R32/R227的物質(zhì)?？梢岳斫?，詞條“致冷劑”，用在本文件中指在蒸汽壓縮系統(tǒng)中循環(huán)的流體，也適用于作為空調(diào)或熱泵功能的系統(tǒng)中循環(huán)的流體。
現(xiàn)在參考附圖通過舉例來對本發(fā)明進(jìn)行描述，其中

圖1是一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)的示意圖，其中的冷凝器和蒸發(fā)器都是按照本發(fā)明構(gòu)成的；圖2是圖1所示系統(tǒng)中的冷凝器或蒸發(fā)器的軸側(cè)圖；圖3是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的示意圖，適合于用作一個(gè)冷凝器，特別是用在小規(guī)模中的冷凝器；圖4是和圖1中所示一樣的熱交換器的示意圖，適于用作一個(gè)蒸發(fā)器，特別是用在小規(guī)模中的蒸發(fā)器；圖5是圖2和圖3所示的熱交換器的軸側(cè)圖；圖6是一個(gè)熱交換器的示意圖，適合于和氣相的工作流體熱交換，尤其在規(guī)模較大時(shí)；圖7是圖6所示的熱交換器的局部剖視的軸側(cè)圖；圖8是一個(gè)熱交換器中致冷劑分離通道間分配致冷劑的裝置的縱斷面圖。
參考附圖，圖1表示了一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)包括一臺壓縮機(jī)2，用于增加致冷劑蒸汽的壓力，一個(gè)冷凝器4，用于接收從壓縮機(jī)來的高壓致冷劑，和一個(gè)蒸發(fā)器6，用于接受從冷凝器來的液態(tài)致冷劑。一個(gè)膨脹裝置8，以浮球閥(專利W0-A-92/06339公開的通用型式)的形式保持冷凝器和蒸發(fā)器之間的壓差并控制液態(tài)致冷劑從冷凝器中的抽取。
一個(gè)接收器10位于蒸發(fā)器6的下游。該接收器包括一個(gè)貯液池12，它收集從蒸發(fā)器流入該貯液池的液態(tài)致冷劑。這樣，供給壓縮機(jī)的液態(tài)致冷劑減小到最少。
每一臺冷凝器4和蒸發(fā)器6由一組以面對面方式布置的板組成。致冷劑流過熱交換器(冷凝器4和蒸發(fā)器6)的相間的每對板之間，與流過介于其中間的每對板的工作流體逆向流動(dòng)。致冷劑和工作流體彼此相對地逆向流動(dòng)。
構(gòu)成熱交換器的板做成波紋14的形式。沿每對板之間形成的通道流動(dòng)的致冷劑在流過每個(gè)通道時(shí)被強(qiáng)制流過這些波紋。
波紋14的型式在冷凝器4的第一和第二區(qū)域16，18之間變化，也在蒸發(fā)器6的第一和第二區(qū)域20，22之間變化。在冷凝器中，波紋型式的變化使致冷劑流動(dòng)的阻力在冷凝器出口處比進(jìn)口處大。蒸發(fā)器正好相反，流動(dòng)阻力的改變由至少以下因素之一的改變引起波紋和致冷劑流動(dòng)方向的角度，波紋的深度，和波紋的波長。
在多個(gè)進(jìn)口和出口之間有兩種以上的波紋型式是較為適當(dāng)?shù)摹?br> 圖2表示了圖1示出系統(tǒng)中的冷凝器，和致冷劑的流動(dòng)方向和與其進(jìn)行熱交換的流體的流動(dòng)方向。致冷劑向下流動(dòng)而另一種流體(如水)向上流動(dòng)，流動(dòng)方向彼此基本相對。
以上參考圖1和圖2所描述的一種蒸汽壓縮系統(tǒng)的一個(gè)合適的應(yīng)用是用在一臺冷水機(jī)組，比如可用于建筑物的空氣調(diào)節(jié)。
圖3表示了一塊適用冷凝器結(jié)構(gòu)的壓制的板。冷凝器由若干成對堆疊布置的板組成。一對一對的板由被加熱的流體如空氣或水流過的通路分開。通路里設(shè)有肋片，以增加與所述工作流體進(jìn)行熱交換的表面積。當(dāng)致冷劑流過每對板形成的通道時(shí)，就發(fā)生熱交換。致冷劑通過一個(gè)進(jìn)口32供給相應(yīng)的每對板之間的通道。進(jìn)口穿過有肋片的通路跨接。同樣，致冷劑通過一個(gè)出口34從相鄰的板之間的通道流出。進(jìn)口32和出口34延伸穿過整個(gè)板組。
每對板之間的致冷劑流動(dòng)的通道的方向使流體交替地大致向上和向下流動(dòng)。它包括第一和第二組交替的平行支通道。從進(jìn)口32流過通道的致冷劑首先流入支通道36，沿著它向上流動(dòng)，所受流動(dòng)阻力最小。向上伸展的支通道的低阻力導(dǎo)致了支通道內(nèi)流體的高速流動(dòng)。這便利了流體的氣相和液相的混合，也利于在接下來的向下伸展的支通道里均衡蒸發(fā)或者冷凝。在支通道36的頂部，致冷劑流入一個(gè)截面積較大的支通道38，當(dāng)致冷劑沿支通道38向下流動(dòng)時(shí)，具有波紋結(jié)構(gòu)的板給致冷劑以流動(dòng)阻力。
這種克服最小的流動(dòng)阻力而向上流動(dòng)，和克服波紋造成的阻力而向下流動(dòng)區(qū)兩種交替發(fā)生的型式，在分別通過支通道組36a，36b和38a，38b時(shí)重復(fù)地進(jìn)行。
致冷劑的流動(dòng)阻力在通過有波紋的支通道38時(shí)，與通過第一個(gè)這樣的支通道相比較，通過最后一個(gè)所述的支通道時(shí)的阻力要增加。這種阻力的變化可以通過從進(jìn)口32到出口34的整個(gè)通道長度上逐漸減小支通道的截面積來獲得。這種阻力的改變也可以用上文所述的一般的方法通過改變波紋的型式獲得。
圖4表示了一塊可以用來構(gòu)成蒸發(fā)器型式的板40。蒸發(fā)器由若干堆疊布置的這樣的板構(gòu)成，其方法與圖3所示的用板構(gòu)成冷凝器的方法相似。
圖4所示的板包括一個(gè)進(jìn)口42和一個(gè)出口44，進(jìn)口和出口沿整個(gè)板組延伸。每對板之間的從進(jìn)口到出口延伸的通道，包括支通道46，46a，48b，致冷劑沿其向上流動(dòng)，克服的阻力最小。通道還包括支通道48，48a，48b，致冷劑沿其向下流動(dòng)，克服波紋的阻力。
當(dāng)致冷劑沿整個(gè)通道流動(dòng)而流過所述支通道時(shí)，致冷劑的流動(dòng)阻力沿支通道48，48a，48b減少。流動(dòng)阻力的減小主要是通過逐次增加支通道的截面積來獲得的。流動(dòng)阻力的減小也可以用上文討論過的方法通過改變波紋型式來實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)口42的結(jié)構(gòu)是這樣的，氣相的和液相的致冷劑都被大致相等地分配到每對板之間。進(jìn)口的管道的截面足夠大，使氣相和液相的致冷劑都可以流入。當(dāng)成對的板一個(gè)接一個(gè)連接在一起時(shí)，在集管的徑線處或靠近徑線處設(shè)有一些孔。致冷劑蒸汽將趨向于在等直徑的孔中等量流動(dòng)，液體也將趨向于在孔中等量流動(dòng)，液體就被卷起來隨蒸汽流走。
圖3和圖4所示的熱交換器促成了原地的叉流，它發(fā)生在板間通道內(nèi)的致冷劑流和每對板之間形成的通路中流動(dòng)的工作流體之間。但是，由于包括多條支通道，例如所示的六條支通道，所以使所有流體間的總接觸過程都基本是逆流。致冷劑和被交換熱量的流體的流動(dòng)特性表示在圖5中。
圖6表示了一臺適用于一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)的蒸發(fā)器，可以用來冷卻壓縮的氣體。它適合用來冷卻大比例壓縮的空氣。
該系統(tǒng)包括連接在一起的一組板，板間形成供流體流動(dòng)的通道。肋片用來增加每種流體的用于熱交換的面積。肋片的型式因流體的不同而不同。這種結(jié)構(gòu)類型可以用來在三種或更多種流體間進(jìn)行熱交換；以下的描述限定于兩種流體間的交換，即一種致冷劑和被冷卻的氣體。
一個(gè)進(jìn)口集管62供將被冷卻的氣體進(jìn)入，一個(gè)出口集管供未凝結(jié)的氣體流出。進(jìn)口集管62包括一個(gè)適當(dāng)?shù)亩瞬縼肀ＷC空氣被大體均勻地分配到板之間的通道里。以同樣的方式，出口集管64聚集從板之間排出的空氣。出口集管包括一個(gè)排凝結(jié)水分的凝結(jié)水出口66。借助于從布置成一組的板之間通過的致冷劑，空氣可以在蒸發(fā)器的通道中被冷卻。致冷劑在致冷劑進(jìn)口68和致冷劑出口70之間的相鄰的每對板之間的通道里流動(dòng)。每對板之間的通道有一個(gè)左右交互的路徑。在致冷劑進(jìn)口68和致冷劑出口70之間，通道的截面積逐漸地增加。通道中的肋片用來引導(dǎo)致冷劑的流動(dòng)和增加利于致冷劑熱交換的面積，尤其是在通道里的向上和向下的支流中，但不是必須也在向上和向下的支流之間的橫向的支流中。因?yàn)橥ǖ赖慕孛娣e變化，使隨著致冷劑沿通道流動(dòng)，致冷劑沿通道的流動(dòng)阻力逐漸減小。
要被冷卻的空氣在空氣進(jìn)口集管62和空氣出口集管64之間的形成致冷劑通道的每對板之間的空間流動(dòng)。設(shè)在所述空間內(nèi)的肋片用來優(yōu)化與空氣的熱交換和加強(qiáng)板，以使它們能承受兩種流體流動(dòng)的壓力。肋片基本筆直地延熱交換器伸展，從進(jìn)口集管62朝向出口集管64。肋片可以做成適當(dāng)?shù)男螤顏硎篃醾鬟f最佳，用波紋、階梯結(jié)構(gòu)、打孔或者其他在實(shí)際中采用的特征。
圖7表示了圖6中的蒸發(fā)器和致冷劑流動(dòng)路徑與將被熱交換的流體流動(dòng)路徑之間的關(guān)系。
當(dāng)圖1所示的蒸汽壓縮系統(tǒng)包括致冷劑流動(dòng)阻力變化的冷凝器和蒸發(fā)器時(shí)，它可以適用于一些只有一臺以這種方式工作的熱交換器的系統(tǒng)(蒸發(fā)器或冷凝器)。另一臺熱交換器可以是其他的型式。例如，當(dāng)被冷卻的是空氣而不是水時(shí)，一臺上述類型的冷凝器可以和一臺肋管式蒸發(fā)器一起使用。在另一種布置中，一臺上述類型的蒸發(fā)器可以和一臺肋管式冷凝器在一臺空冷的冷水機(jī)組中一起使用。
圖8表示了一種在一個(gè)蒸發(fā)器里的致冷劑通道之間分配致冷劑的裝置，例如，圖4和圖5所表示的類型，致冷劑在相鄰的每對板里面流動(dòng)，而與致冷劑有熱交換關(guān)系的流體在每對板之間流動(dòng)。該裝置包括一個(gè)兩端都封閉的分配管80。該裝置安裝成分配管沿蒸發(fā)器的進(jìn)口延伸。致冷劑通過一個(gè)末端稍微彎曲的進(jìn)口管82進(jìn)入該管，這樣致冷劑朝著分配管的一個(gè)端頭84橫向流入分配管。那個(gè)端頭是擴(kuò)大的且通常是圓形的。當(dāng)致冷劑沖擊管子的端部時(shí)，引起紊流，這樣氣相和液相的致冷劑就保持彼此均衡。
一系列的出口孔86、88存在于分配管上，使致冷劑能流出進(jìn)入到蒸發(fā)器的通道里。管子頂部的孔86比管子底部的孔88大，這樣致冷劑的氣相和液相的相對比例就可以控制。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，包括至少兩塊的面對面方式逐塊連接的板，這些板在它們之間的空間形成通道，熱交換流體從進(jìn)口端流過該空間到出口端，板的外表面可以用來和另外一種流體進(jìn)行熱交換，通道的形狀的是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的熱交換流體的阻力在朝向通道一端的第一區(qū)域比朝向通道另一端的第二區(qū)域大，至少其中一塊板具有使流過通道的流體的流動(dòng)阻力增加的表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)沿整個(gè)通道的長度設(shè)置，熱交換流體沿通道的流動(dòng)阻力在一個(gè)區(qū)域比另一個(gè)區(qū)域大。
2.一種如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中表面結(jié)構(gòu)至少構(gòu)成沿通道長度的一部分。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其中通道的有效截面積在朝向進(jìn)口端和出口端之一時(shí)比朝向所述的另一端截面積大。
4.一種如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其中所述的區(qū)域在下列條目至少一條不同時(shí)，其結(jié)構(gòu)形式不同(a)該結(jié)構(gòu)與熱交換流體流動(dòng)的角度，(b)該結(jié)構(gòu)的深度，(c)該結(jié)構(gòu)的波長。
5.一種如權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中通道的路徑左右交互，這樣就包括第一和第二組交替的平行的支通道。
6.一種權(quán)利要求5所述的熱交換器，其中致冷劑沿第一組中的每個(gè)支通道的流動(dòng)阻力比沿相鄰的第二組的支通道的流動(dòng)阻力大，最好是至少其中一組支通道的有效截面積在朝向通道的進(jìn)口端和出口端之間時(shí)比朝向所述的另一端的截面大。
7.一種如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的熱交換器，其中通道為進(jìn)行熱交換而設(shè)置，當(dāng)熱交換流體在通道里時(shí)它處于所述的第一組的支通道里。
8.一種如權(quán)利要求5～7中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中所述的支通道被布置成，流體在其中流動(dòng)時(shí)，交替地大致向上和向下流動(dòng)。
9.一種如權(quán)利要求5～8中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中所述的第一組包括至少兩條支通道。
10.一種如權(quán)利要求5～9中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中第二組中每一個(gè)支通道的截面積比第二組中與之相鄰的支通道的截面積小。
11.一種如權(quán)利要求1～10中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中通道里包括若干肋片，供通道里熱交換的流體流過。
12.一種如權(quán)利要求1～11中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中包括若干肋片，供與熱交換流體有熱交換關(guān)系的流體流過。
13.一種如權(quán)利要求1～12中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，包括至少三塊所述的板并限定第一對板之間形成供熱交換流體流動(dòng)的通道，以相相鄰的一對板之間形成供另一種流體流動(dòng)的通道，它與第一對板之間的熱交換流體進(jìn)行熱交換。
14.一種蒸汽壓縮系統(tǒng)，包括一臺如權(quán)利要求1～13中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中熱交換器中的熱交換流體是一種致冷劑。
15.一種如權(quán)利要求14所述的蒸汽壓縮系統(tǒng)，其中所述的熱交換器被設(shè)置成使流入交換器的致冷劑比從交換器中流出的致冷劑保持更多的液體。
16.一種如權(quán)利要求14所述的蒸汽壓縮系統(tǒng)，其中所述的熱交換器被設(shè)置成使流入交換器的致冷劑比從交換器中流出的致冷劑保持更少的液體。
17.一種如權(quán)利要求14～16中任何一項(xiàng)所述的蒸汽壓縮系統(tǒng)，其中熱交換器被安裝成使熱交換流體大致向下流動(dòng)，并和將被換熱的另一種流體有熱交換關(guān)系。
18.一種運(yùn)行一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)的方法，包括至少兩塊以面對面方式逐塊連接的板，板之間的空間里形成一個(gè)通道，熱交換流體從進(jìn)口端流過該空間到出口端，通道的形狀是這樣的，通道提供給沿其流動(dòng)的熱交換流體的流動(dòng)阻力在朝向通道一端的第一區(qū)域比朝向通道另一端的第二區(qū)域大，該方法包括引起熱交換流體在通道中大致垂直地向上流動(dòng)，并和另一種流體有熱交換關(guān)系。
19.一種熱交換器，包括至少兩塊以面對面方式逐塊連接的板，板間的空間形成一個(gè)通道，熱交換流體從進(jìn)口端流過該空間到出口端，板的外表面可以用來和另一種流體進(jìn)行熱交換，通道的路徑左右交互，這樣就包括第一和第二組交替的平行的支通道，其中致冷劑流體沿第一組中的每個(gè)支通道流動(dòng)的阻力比沿相鄰的第二組的支通道流動(dòng)的阻力大。
20.一種如權(quán)利要求19所述的熱交換器，其中通道為進(jìn)行熱交換而設(shè)置，當(dāng)熱交換流體在通道里時(shí)它處于所述的第一組的支通道里。
21.一種如權(quán)利要求20所述的熱交換器，其中熱交換流體被設(shè)置成在第一組的支通道里時(shí)大致向下流動(dòng)。
22.一種如權(quán)利要求19～21中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中支通道被設(shè)置成流體在其中流動(dòng)時(shí)，交替地大致向上和向下流動(dòng)。
23.一種如權(quán)利要求19～22中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中所述的第一個(gè)組包括至少兩個(gè)支通道。
24.一種如權(quán)利要求19～23中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，包括至少由兩對連接在一起的四塊所述的板，當(dāng)它與左右交互的通道中流動(dòng)的熱交換流體有熱交換關(guān)系時(shí)，兩對板之間形成的路徑供所述的流體流過。
25.一種如權(quán)利要求24所述的熱交換器，其中供所述的另一種流體流動(dòng)的所述路徑是由介于每對板之間的暴露的表面上延伸的細(xì)長的構(gòu)件決定的，通常垂直于所述的支通道。
26.一種如權(quán)利要求24或25所述的熱交換器，包括一個(gè)在兩對板限定的通道間分配液相的和氣相的致冷劑的裝置，它包括(a)一根分配管，(b)致冷劑從管中流出進(jìn)入通道的孔，孔的孔徑限制致冷劑氣體的排出，使通過那些孔時(shí)有一個(gè)壓降，和(c)一個(gè)致冷劑進(jìn)入分配管的進(jìn)口，它被做成當(dāng)致冷劑進(jìn)入分配管時(shí)呈紊流狀態(tài)，這樣分配管中的致冷劑的液相和氣相是均衡的。
27.一種如權(quán)利要求26所述的熱交換器，其中致冷劑從管子的一端被送入，并且從進(jìn)口被引向分配管的一個(gè)端壁。
28.一種如權(quán)利要求27所述的熱交換器，其中分配管在致冷劑被送入的一端是擴(kuò)大的。
29.一種如權(quán)利要求26～28中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中排出孔是環(huán)形地布置在管子周圍，這樣一些孔可以用來排出液態(tài)致冷劑，一些孔可以用來排出氣態(tài)致冷劑。
30.一種如權(quán)利要求29所述的熱交換器，其中朝向管子底部的排出孔比朝向管子頂部的排出孔提供給致冷劑的流動(dòng)阻力大。
31.一種熱交換器，包括若干限定通道的板，通道供至少兩種流體在相鄰的分別供各自的流體流動(dòng)的板之間進(jìn)行熱交換，當(dāng)熱交換器使用時(shí)，它們有熱交換關(guān)系；供第一種流體流過的通道被放入到第二種流體的通道之間，其中(a)第一種流體的每一條通道構(gòu)成一個(gè)位于通道進(jìn)口和出口之間的左右交互的路徑，它的截面積從路徑的一端到另一端逐漸增加，和(b)第二種流體的每一個(gè)通道有一個(gè)大致筆直的通路。
32.一種如權(quán)利要求31所述的熱交換器，其中第一組的每個(gè)通道都由許多平行的支通道構(gòu)成，這些支通道足夠窄來防止致冷劑分離成氣態(tài)和液態(tài)。
33.一種如權(quán)利要求31或32所述的熱交換器，布置成第一組的通道為致冷劑流動(dòng)的垂直通路，大致向上和向下。
34.一種如權(quán)利要求31～33中任何一項(xiàng)所述的熱交換器，其中供第一種和第二種流體中的一種或兩種流體流動(dòng)的通道中包含有肋片。
35.一種如權(quán)利要求34所述的熱交換器，其中大體沿通道延伸的板上至少有一些肋片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種板式熱交換器(4,6),它調(diào)節(jié)液相和氣相致冷劑的相對比例變化,使得兩相的致冷劑保持均衡地通過熱交換器(4,6)的流動(dòng)通道。流動(dòng)的通道左右交互,包括第一和第二組交互平行的支通道(36,38,46,48),其中致冷劑流體沿第一組中的每一個(gè)支通道(38,48)的流動(dòng)阻力比沿相鄰的第二組的支通道(36,46)的流動(dòng)阻力大,熱交換器(4,6)中致冷劑流過的通道的形狀被布置成使致冷劑流動(dòng)的阻力在朝向一端時(shí)比朝向另一端大。這可以通過一塊或更多有表面結(jié)構(gòu)(14)的板來獲得,它被設(shè)置成熱交換流體沿通道的流動(dòng)阻力在通道長度上的一個(gè)區(qū)域(18,20)比另一個(gè)區(qū)域(16,22)大。
文檔編號F25B9/00GK1172525SQ9519699
公開日1998年2月4日 申請日期1995年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月23日
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