專利名稱：熱交換板和具有這種板的板式熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換板，該熱交換板包括多個從熱交換板的平面突出的湍流促進凸起。本發(fā)明還涉及一種具有這種板的板式熱交換器。
背景技術(shù)：
板式熱交換器經(jīng)常在食品工業(yè)中用來例如對牛奶和汁液進行熱處理。在其最簡單的實施例中，板式加熱器包括多個具有中間填料的波紋板。該板在臺中與用于兩種流體進入和流出的管接頭壓制在一起，該流體也就是要調(diào)和的流體和用于調(diào)和的流體。使這兩種流體在板的兩側(cè)上流動，使得一種流體在每隔一對板之間流動，而另一種流體在鄰接對板之間流動。尤其是，板的數(shù)量及其尺寸取決于流速、流體的物理性質(zhì)、壓降和流體的進口和出口溫度。
板的波紋產(chǎn)生湍流通過兩個板之間的間隙橫截面的主要部分以及還有大的比面積，湍流產(chǎn)生高的傳熱能力。在這個領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)有大量文獻，證明各種波紋的迅猛發(fā)展。
例如，文獻US 4,569,391公開一種板式熱交換器，其中，每個板設(shè)有半球形凸起。第一板中的凸起布置成鄰接，它們的凸形圓周表面位于鄰接的第二板的凸起之間。
US 2,306,526中公開另一變型。該文獻公開一種板式熱交換器，其中，具有半球形凸起的第一板布置成鄰接具有相應凸起的第二板，其方式為第一和第二板中的凸起都定向在完全相反的方向上。
第三篇文獻US 2,281,754公開一種板式熱交換器，其中，板包括半球形凸起。該板彼此相對布置，使得第一板中的凸起鄰接第二板背面上的平坦部分。
這些解決方案的共同特點是，板包括用于在通過兩個鄰接板之間間隙橫截面的主要部分中產(chǎn)生湍流的半球形凸起。然而，最好使傳熱能力得到進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是對熱交換板以前已知的幾何結(jié)構(gòu)提供進一步發(fā)展和替換的解決方案。
另一目的是獲得有助于增大湍流和促進層狀邊界層分離的熱交換板。
本發(fā)明的又一目的是提供一種增大比面積的熱交換器板。
本發(fā)明的再一目的是提供一種具有改進的傳熱性質(zhì)的板式熱交換器。
為了達到從下面描述中出現(xiàn)的上述目的和另外未提及的目的，本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1限定特點的熱交換板。根據(jù)權(quán)利要求9，本發(fā)明還涉及一種具有這種熱交換板的板式熱交換器。
更準確地說，提供一種熱交換板，該熱交換板包括多個從熱交換板的平面突出的湍流促進凸起。熱交換板的特征在于，凸起具有用于促進層狀邊界層分離(break-up)的表面輪廓，并且表面輪廓包括球截形(spherical segment)或橢球截形。
在流體力學中，經(jīng)常使用術(shù)語“層狀邊界層”。這個術(shù)語通常并且在本申請中涉及流體流動體積中如此靠近邊界表面以致粘性力超過其它力的那部分。因此，低流速意味著，與邊界表面相鄰的流體體積的這部分以層狀的方式流動，而流體體積的其余部分以湍流的方式流動。在板狀熱交換器中，這種層狀邊界層因此沿著熱交換板的表面產(chǎn)生，所述熱交換板一起構(gòu)成板式熱交換器。在本發(fā)明中，凸起的圓周表面的表面輪廓因而形成促進層狀邊界層分離的“表面粗糙度”。換言之，這種分離促進通過由兩個熱交換板限定的間隙橫截面全部或主要部分的流體體積中的湍流產(chǎn)生。通過全部或主要部分的間隙橫截面且湍流地流動的流體體積導致流體非常有效的混合，并因此導致要調(diào)和的流體的有效調(diào)和，而且還導致來自/朝向用于調(diào)和的流體的有效傳熱。表面輪廓具有球截形或橢球截形的事實有助于熱交換板不具有任何銳邊或銳角轉(zhuǎn)角，而銳邊或銳角轉(zhuǎn)角可能產(chǎn)生傳統(tǒng)清潔方法不能達到的死區(qū)。從食品衛(wèi)生方面來說，這非常重要，因為死區(qū)可能導致細菌和其它有機物的不需要的滋生。從成形技術(shù)方面來說，坡度小的幾何形狀也是有利的。
應當明白，根據(jù)制造各個熱交換板的方式，其前面和背面將具有不同的輪廓。壓制的熱交換板例如一側(cè)具有凹狀輪廓，而另一側(cè)具有凸狀輪廓。因而，流體的流型在兩側(cè)上將不同。哪種流體與熱交換板的哪一側(cè)相接觸根據(jù)具體情況確定，凸起和表面輪廓的幾何形狀和輪廓深度也是如此。
表面輪廓還增大比面積，這進一步有利于要調(diào)和流體的調(diào)和，并且還有利于來自/朝向用于調(diào)和的流體的傳熱。
比表面積表示在運行中暴露于流過板式熱交換器的流體的每個表面。熱交換板的前面和背面因而具有它們的比面積。增大的湍流與增大的比面積結(jié)合一起增大板式熱交換器的總傳熱能力，這使能更快的流動并因此實現(xiàn)更高的生產(chǎn)能力。
在一個優(yōu)選實施例中，熱交換板與多個同樣的熱交換板結(jié)合一起可這樣堆疊，使得第一熱交換板中的凸起被部分地容納在第二熱交換板中的凸起內(nèi)。凸起還優(yōu)選地對稱布置。通過熱交換板這樣堆疊，利用傳統(tǒng)的填料和墊片可以保證各板之間合乎要求的間隙寬度和合乎要求的間隙橫截面。而且，獲得緊湊又節(jié)省空間的板式熱交換器。
在另一優(yōu)選實施例中，表面輪廓的輪廓深度顯著小于凸起的高度。因此表面輪廓應如此精細，使得與凸起相比能夠打破并可能消除與熱交換板相鄰的層狀邊界層。層狀邊界層的厚度對于熱交換板的每一結(jié)構(gòu)都是獨特的，并因此根據(jù)要調(diào)和的流體或用于調(diào)和的流體來調(diào)節(jié)熱交換板，所以不能給出表面輪廓的輪廓深度與凸起高度的尺寸或比率。重要參數(shù)的示例是流體的速度和粘性。
在又一優(yōu)選實施例中，表面輪廓相對于凸起以凹狀或凸狀布置。
還優(yōu)選地，熱交換板的平面與凸起之間的幾何形狀漸變段設(shè)有倒圓(radius)，并且如上所述表面輪廓包括球截形或橢球截形。表面輪廓與凸起結(jié)合一起因而能在這些所述優(yōu)選實施例中形成高爾夫球狀結(jié)構(gòu)。由于倒圓與球形或橢球形結(jié)合一起，熱交換板不具有任何可能產(chǎn)生死區(qū)的銳邊或銳角轉(zhuǎn)角，傳統(tǒng)的清潔方法不能達到所述死區(qū)。從食品衛(wèi)生方面來說，這非常重要，因為死區(qū)可能導致細菌和其它有機物的不利滋長。從成形技術(shù)方面來說，坡度小的幾何形狀也是有利的。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種板式熱交換器，該板式熱交換器包括具有湍流促進凸起的熱交換板，所述湍流促進凸起布置在每個熱交換板中。板式熱交換器的特征在于，每個凸起具有用于促進層狀邊界層分離的表面輪廓，并且所述表面輪廓包括球截形或橢球截形。
板可以各種方式布置在板式熱交換器中。例如，熱交換板可布置成使得與堆疊相關(guān)的第一熱交換板中的凸起被部分地容納在第二熱交換板中的凸起內(nèi)。熱交換板例如也可成對地布置，有第一對板和與第一對板鄰接的第二對板，在成對的板中，第一板和第二板布置有彼此背離朝向的凸起，并且在成對的板中，在第一板與第二板之間布置有間隙。后一種變型允許板式熱交換器中所用的兩種流體可以布置成流過不同間隙的橫截面并因此獲得不同的流型。


下面將以舉例的方式并參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，附圖中示出目前的優(yōu)選實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的板的實施例示意圖。
圖2a和2b示出在板式熱交換器中堆疊板的兩個示例。
圖3示出根據(jù)圖1的板中凸起的局部放大圖。
具體實施例方式
參照圖1，圖中概略地示出用于板式熱交換器(未示出)中的根據(jù)本發(fā)明的熱交換器板1(以下稱為板)的一部分。板1按傳統(tǒng)的方式包括板元件2，該板元件具有多個從板的平面3突出的凸起4。在所示實施例中，凸起4具有球截形的形狀。然而，應當明白，其它幾何形狀的凸起也是可能的。凸起4的主要作用是它們應促進流過由兩個鄰接板1限定的間隙中流體的湍流。
根據(jù)板1預定堆疊如何形成板式熱交換器，板1的凸起4可以不同的方式定向，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員最理解這些方式，因而產(chǎn)生不同的間隙橫截面X、Y，參見圖2a和2b。
例如，如果凸起4對稱地布置并設(shè)計成使得第一板1A中的凸起4部分地容納在由第二板1B中的凸起4形成的凹口4′內(nèi)，參見圖2a，那么就獲得非常節(jié)省空間的板式熱交換器。在兩個板1A和1B之間形成間隙，板式熱交換器中所用的流體可流過該間隙。因此，在板式熱交換器中所用的流體將因此流過相同的或基本上相同的間隙橫截面X、Y。
板1還可堆疊成使得熱交換器板1成對地布置有第一對板10和與第一對板鄰接的第二對板10’，在對板10、10’中，第一板1A和第二板1B布置有彼此背離朝向的凸起4，參見圖2b。在每對板10、10’中的第一板1A與第二板1B之間以及在各個對板之間布置有間隙。間隙形成具有間隙橫截面X、Y的通道，在板式熱交換器中所用的流體可流過該通道。因此，在這個變型中，在板式熱交換器中所用的兩流體將流過不同的間隙橫截面X、Y。
應當明白，板1可以無限量的方式堆疊，并且本發(fā)明不應限于在板式熱交換器中所用的流體在凸起4的側(cè)上流過的那一側(cè)。還應當明白，不同的板無需具有它們的相同的幾何形狀的凸起。
參照圖3，板1的平面3與各個凸起4之間的幾何形狀漸變段5布置有倒圓或者有以其它形式坡度小的幾何形狀。從衛(wèi)生方面來說，坡度小的幾何形狀漸變段最重要，因為板式熱交換器在用于食品工業(yè)時要求經(jīng)常且非常仔細的清潔。任何尖銳幾何形狀的漸變段將會產(chǎn)生死區(qū)，而該死區(qū)會形成滋長細菌和其它有機物的區(qū)域。然而，將會明白，坡度小的幾何形狀漸變段還會降低有害于增大的湍流的流動阻力。
凸起4可包括隔離區(qū)域，比如球截形或橢球截形，但是也可以包括呈例如波或槽、即以某種方式起皺的表面狀態(tài)的全部或部分的連續(xù)區(qū)域。
凸起4適合通過壓制形成，從而使凸起形成杯形隆起。這樣板1的一側(cè)將具有凸起4，而另一側(cè)則具有相應的凹口4’。
凸起4設(shè)置有表面輪廓6，其在圖3中更清楚地示出。該表面輪廓的主要作用是進一步便于和促進與板相鄰的層狀邊界層分離，并因而促進或強迫湍流通過所有間隙橫截面X、Y或間隙橫截面X、Y的主要部分。
在其最簡單的實施例中，表面輪廓6包括若干凸起4的圓周表面7上的球截形或橢球截形。然而，可以明白，其它幾何形狀也是可能的，比如十字形、星形或其它棱柱形。正如本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將認識到的，可以接受的幾何形狀的數(shù)量是無限的。因而，表面輪廓6相對于凸起4可以是凹狀的，也可以是凸狀的，或者為交替地凹狀和凸狀。如果表面輪廓6凹狀地布置，其可以與高爾夫球的表面相似，即凸起4的圓周表面7是有凹痕的。如果表面輪廓6凸狀地布置，凸起4的圓周表面7可以與粒狀或“瘤狀”表面相似。當然，可以明白，通過優(yōu)選地壓制形成的板1，一側(cè)將獲得凹狀表面輪廓，而另一側(cè)將相應地獲得凸狀表面輪廓。本發(fā)明不應限于哪一側(cè)面對要調(diào)和的流體。
并且，如同凸起4一樣，表面輪廓6最易于通過壓制形成，但是其也可包括例如蝕刻或異型疊層(profiled laminate)的表面。在后一種情況下，“背面”將完全光滑。
凸起4與表面輪廓6一起不僅通過分離層狀邊界層促進了湍流，而且還增加了比面表積，即暴露于在板式熱交換器中傳送的流體的表面。比面越大，傳熱就越高。
表面輪廓6的輪廓深度顯著小于凸起4的高度。然而，可以明白，輪廓深度、輪廓緊密度和朝向的選擇取決于因素比如板式熱交換器中傳送的流體的物理性質(zhì)(例如流變性和粘性)、所需的湍流程度、壓降和流率。這些是板式熱交換器用于運行的狀況中的具體因素。因此，表面輪廓必須調(diào)整到每種情況，以便能促進層狀邊界層的分離，并因而提供或促進通過整個間隙橫截面的層流。
板1的材料應當是抗腐蝕且適用于食品工業(yè)又具有高度導熱性的材料。所選擇的材料厚度應當相對較薄，以增加熱傳導。
本發(fā)明還涉及一種板式熱交換器(未示出)，該板式熱交換器由所需數(shù)量的如上述設(shè)計的板1制成。板1的數(shù)量尤其取決于板式熱交換器的能力，這里不再詳細描述。板1可以多種方式堆疊，其中兩種在參照圖2a和2b的描述中舉例說明。根據(jù)板1的堆疊方式，會獲得不同的間隙橫截面X、Y，并因此為用于板式熱交換器的流體獲得不同的流型。堆疊任選項的數(shù)量很多，并且不應限于本發(fā)明。
借助于填料、小珠、墊片或其它類似物保證鄰接板之間用作預定流體通道的預定間隙寬度和預定間隙橫截面X、Y。
作為要調(diào)和的流體的示例，可以提及牛奶、汁液、湯或醬泥。作為用于調(diào)和的流體的示例，可以提及水。
總而言之，因此本發(fā)明包括板式熱交換器中使用的板1、還有使用這種板的板式熱交換器。板1包括若干產(chǎn)生湍流的凸起4。凸起4具有表面輪廓6，其促進與板1的表面相鄰的層狀邊界層的分離。表面輪廓6的輪廓深度調(diào)節(jié)到板式熱交換器的預定運行狀態(tài)，但是應當顯著小于凸起4的高度并且舉例說明形成高爾夫球狀結(jié)構(gòu)。表面輪廓6可相對于凸起4呈凹狀和凸狀。板1、凸起4和它們的表面輪廓6一起形成沒有尖銳幾何形狀漸變段的表面，這種表面易于清潔并因此防止不需要的細菌滋生。
凸起4與表面輪廓結(jié)合一起形成很大的比面，這促進在板式熱交換器中被傳送的流體之間的熱傳導。而且，表面輪廓通過促進與板的表面相鄰的層狀邊界層的分離而使湍流增強，這更進一步促進熱傳導。
應當明白，本發(fā)明不限于所示和所述實施例的板和由這種板制成的板式熱交換器。本發(fā)明的觀念可以例如在稍微修改之下應用于其它類型的熱交換器，例如管狀熱交換器，其中所包括的管設(shè)有凸起，該凸起具有促進層狀邊界層分離的表面輪廓。因此，若干變型和改進都是可能的，并且因而本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種熱交換板(1)，該熱交換極包括若干從熱交換板的平面(3)突出的湍流促進凸起(4)，其特征在于，凸起(4)具有用于促進層狀邊界層分離的表面輪廓(6)，并且，表面輪廓(6)包括球截形或橢球截形。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，該熱交換板與多個同樣的熱交換板(1)一起可堆疊成使得第一熱交換板(1)中的凸起(4)被部分地容納在第二熱交換板(1)中的凸起(4)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，其中，凸起(4)對稱布置。
4.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，其中，表面輪廓(6)的輪廓深度顯著小于凸起(4)的高度。
5.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，其中，表面輪廓(6)相對于凸起(4)以凹狀或凸狀布置。
6.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，其中，熱交換板(1)的平面(3)與凸起(4)之間的幾何形狀漸變段設(shè)有倒圓。
7.如權(quán)利要求1所述的熱交換板(1)，其中，表面輪廓(6)與凸起(4)一起形成高爾夫球狀結(jié)構(gòu)。
8.一種板式熱交換器，該板式熱交換器包括具有湍流促進凸起(4)的熱交換板(1)，所述湍流促進凸起布置在每個熱交換板(1)中，其特征在于，每個凸起(4)具有用于促進層狀邊界層分離的表面輪廓(6)，所述表面輪廓(6)包括球截形或橢球截形。
9.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，熱交換器板(1)布置成使得與堆疊相關(guān)的第一熱交換板(1)中的凸起(4)被部分地容納在第二熱交換板(1)中的凸起(4)內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，熱交換板(1)成對地布置有第一對板(10)和與第一對板鄰接的第二對板(10’)，其中，在這成對的板(10，10’)中，第一板(1A)和第二板(1B)布置有彼此背離朝向的凸起(4)，并且在該成對的板中，在第一板(1A)與第二板(1B)之間布置有間隙。
11.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，每個熱交換板(1)中的凸起(4)對稱布置。
12.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，表面輪廓(6)的輪廓深度顯著小于凸起(4)的高度。
13.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，每個凸起(4)的表面輪廓(6)相對于凸起(4)以凹狀或凸狀布置。
14.如權(quán)利要求8所述的板式熱交換器，其中，凸起(4)與表面輪廓(6)一起形成高爾夫球狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱交換板(1)，該熱交換板包括若干從熱交換板的平面(3)突出的湍流促進凸起(4)。凸起(4)具有用于促進層狀邊界層分離的表面輪廓(6)。本發(fā)明還涉及一種具有這種熱交換板(1)的板式熱交換器。
文檔編號F28D9/00GK1886631SQ200480035167
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者漢斯·勞辛 申請人:?？啤とR安研究與開發(fā)有限公司