CN101825409B - 一种具有发电结构的板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有发电结构的板式换热器，由多块换热板夹紧在两块夹板之间并通过螺杆穿过换热板和夹板的固定孔、螺栓紧固构成，所述换热板的四个角处设置有通孔，换热板的中部为换热区，两个夹板的外侧面分别连接着进口管和出口管，夹板与换热板之间、换热板间放置有密封垫，所述通孔与换热区之间依次设置有导流区和发电区，所述发电区上呈行列分布有温差发电模块，该温差发电模块穿过发电区的基板并镶嵌在基板上，且每行温差发电模块串联后通过导线与储电装置相连。本发明的温差发电模块紧凑度高，与基板一起形成特殊的流道结构，在较低雷诺数下可以预先提高流体进入换热区的紊流程度，既有利于强化传热，又达到储存电能的目的。

Description

一种具有发电结构的板式换热器

技术领域

本发明涉及板式换热器，具体涉及一种具有发电结构的板式换热器。 

背景技术

节能、减排、降耗是我国的基本国策，当前在军事装备、低排放动力电厂、石油炼制、工业炉、加热炉、煤化工、化纤、水泥工业热量回收领域面临的挑战是改善设备和工艺流程的高效性、成本的经济性，使能源效率最大化。近年来发展迅速，在工业中的应用日益广泛。 

目前在各种板式热交换设备和加热设备中，主要有钎焊板式换热器、复合波纹板束换热器、外通道和焊接结构的板式换热器、整体钎焊结构的板式换热器、折流板换热器、板翅式换热器、圆点式宽流道全焊式换热板、螺旋板式换热器等，换热板采用各式各样的强化换热技术，在换热板上安装温差发电模块，不仅可以利用板两侧的温差发电，将部分热能直接转化为电能，而且温差发电模块对流体也增加了流体的扰动，使得流体流出温差发电区域后的速度明显增加，从而增加了流体在换热区域的扰动程度，进一步减薄换热区域的流体边界层的厚度，强化了换热区域的传热，使整个换热器的效率提高10%～20%。国内外的专利情况及相关文献资料表明，在换热板上安装温差发电模块，通过换热板两侧流体的温差来发电的研究显然远远不够充分。相关文献资料表明，在较低流速下使板间流体具有较大的扰动，以及利用温差发电模块增加换热区流体扰动程度，从而增加换热区流体的扰动程度的研究还很少。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有发电结构的板式换热器，利用冷热流体的温差来发电，储存电能，进一步提高换热器的整体性能；同时利用温差发电模块增加流体扰动程度，进一步提高换热能力。本发明可以广泛应用于板式换热器中。本发明的目的通过如下技术方案实现。 

一种具有发电结构的板式换热器，包括多个换热板、两块夹板和螺杆，螺杆穿过换热板和夹板的固定孔，所述多个块换热板通过螺杆两端的螺栓夹紧在两块夹板之间，所述换热板的四个角处设置有通孔，换热板的中部为换热区，两块夹板中的一块夹板开有两个流体进口，该两个流体进口和紧贴该夹板的换热板的通孔相连通（相互正对，供流体流入换热板），另一块夹板开有两个流体出口，该两个流体出口和紧贴该夹板的换热板的通孔相连通（相互正对，供流体流出换热板），换热区与换热区两侧的通孔之间的区域设置有导流区，换热区的一侧与导流区之间的区域还设有发电区，所述发电区上呈行列分布有多个温差发电模块，温差发电模块穿过发电区所在的基板并镶嵌在基板上，温差发电模块的两端分别位于基板的两侧，一端与基板一侧的冷流体接触，另一端与基板另一侧的热流体充分接触。本发明还可以有如下进一步改进的技术方案。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板为长方形，所述发电区上的温差发电模块沿平行于换热板短边或长边方向的中心线在基板中心面的投影处设有导线筒；导线筒的中心线平行于基板，且沿平行于换热板短边方向的第一行和最后一行的导线筒在基板内延伸到换热板的边缘，形成用于与储电装置连接的导线孔。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，夹板为长方形，所述两个流体进口位于一块夹板的同一短边处，两个流体出口位于另一块夹板的同一短边处，板式换热器的冷热流体采用顺流方式； 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板的同一面上位于同一对角线上的两组所述通孔中，有且只有一组通孔与导流区之间设有用于阻隔流体的密封凸台；有且只有一组通孔与导流区之间是相通的，换热板边缘也设有用于阻隔流体的密封凸台。

上述的一种具有发电结构的板式换热器，位于两块夹板之间的多个换热板之间的结构关系是：一块换热板上设有密封凸台的通孔与相邻的换热板上设有密封凸台的通孔正对紧贴在一起，且相邻两块换热板之间设有密封垫。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板的四个角处设置有的通孔分别为第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，冷液体流入第一通孔、热流体流入第二通孔，第一通孔和第二通孔位于换热板的同一短边处，冷流体流出第三通孔，热流体流出第四通孔，第三通孔和第四通孔位于换热板的另一短边处。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板上发电区的发电模块沿换热板长边方向上成行分布，最靠近流体流入通孔的一行温差发电模块为第一行，远离流体流入通孔的温差发电模块行依次为第二、三……行；温差发电模块沿换热板短边方向上成列分布，在从用于流入热流体的通孔到用于流入冷流体的通孔的方向上，依次为第一列、第二列……，行距为8～15mm，列距为8～12mm。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，在每行温差发电模块沿换热板短边方向都有一条中心线，这条中心线在基板中心面的投影上设有导线筒，导线筒的中心线平行于基板；第一列从本列第二个温差发电模块开始，最后一列从本列第一个温差发电模块开始，每相邻的两个温差发电模块为一组，且已经成组的温差发电模块不能再与其它温差发电模块成组，每组温差发电模块之间的基板上设有所述导线筒，并且导线筒在该列方向的中心线上；导线筒直径为0.5～0.8mm；导线筒分布在基板内。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板上发电区的温差发电模块通过导线沿导线筒串联连接；发电区上，第一行与第一列交叉处的温差发电模块附近的基板，沿该第一行方向上的导线筒在基板内延伸到换热板边缘，形成导线孔；最后一行的第一个和最后一个在列方向上没有导线筒的温差发电模块附近的基板上，沿该最后一行方向上设有导线筒，导线筒在基板内延伸到换热板边缘形成导线孔。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板上的发电区呈矩形、扇形或环形，发电区靠近用于流入冷热流体的通孔处。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，换热板上发电区的温差发电模块为圆柱体，高8～12mm，直径为5～10mm；温差发电模块穿过发电区的基板并且镶嵌在基板上，发电模块在基板两侧突出的高度一致，突出高度可调。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板的基板厚度为1～2mm。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板上的通孔分别分布在换热板的四个角附近，通孔直径为100～200mm；并且冷流体流入通孔和热流体流入通口分布在换热板的同一短边处，冷流体流出通孔和热流体流出通孔分布在换热板的另一短边处； 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板的冷流体侧，冷流体流入的通孔与导流区之间、冷流体流出的通孔与导流区之间不设密封凸台；换热板的热流体侧，热流体流入的通孔与导流区之间、热流体流出的通孔与导流区之间设密封凸台；密封凸台高出基板表面4～8mm。

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板上的发电区呈矩形，并且靠近冷热流体流入通孔侧；发电区和换热区在换热板长边方向的长度比为1:5～1:10，第一列温差发电模块沿换热板长边方向的中心线离换热板较近的长边的距离为20～30mm，最后一列温差发电模块沿换热板长边方向的中心线离换热板较近的长边的距离也为20～30mm；发电区的温差发电模块为圆柱体，高8～12mm，直径为5～10mm；温差发电模块穿过发电区的基板并且镶嵌在基板上，温差发电模块在基板两侧突出的高度一致，突出高度为3～5mm或可调。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板上发电区的温差发电模块通过导线沿导线筒串联连接；发电区的第一行与第一列交叉处的温差发电模块附近的基板，沿该行方向上设有导线筒，导线筒在基板内延伸到换热板边缘，形成导线孔；最后一行的第一个和最后一个在列方向上没有导线筒的温差发电模块附近的基板，沿该行方向上设有导线筒，导线筒在基板内延伸到换热板边缘形成导线孔。 

上述的一种具有发电结构的板式换热器，所述换热板上除发电区外的其余部分由基板双面冲压一体构成，发电区基板厚度与换热板基板厚度一致，发电区的基板由模具浇注而成后将温差发电模块焊接在相应位置。 

由上述的换热板构成的换热器，其由两块夹板和至少两块所述换热板叠加而成，板与板之间加密封垫片，由固定螺杆和螺栓紧固。 

本发明对换热板上的发电区结构进行设计和优化，通过温差发电模块提高流体扰流程度，从而提高换热区流体的扰动程度，进一步提高换热区的换热性能；又利用冷热流体的温差达到储存电能的目的。 

总的来说，与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果： 

（1）温差发电模块紧凑度高，与基板一起形成特殊的流道结构，在较低雷诺数下可以预先提高流体进入换热区的紊流程度，有利于强化传热；

（2）本发明的发电区位于换热区的一侧与导流区之间的区域，发电区尺寸相对于换热区尺寸相对较小，发电区温差发电模块的紧凑度不会明显提高机械损耗；

（3）本发明的冷热流体采用顺流方式，可以提高发电区处板两侧流体的温差，从而提高温差发电模块的发电效率。

附图说明

图1是具体实施方式中的换热器的结构示意图。 

图2是图1中的换热板的结构示意图。 

图3是图2中的换热板的发电区的正面放大图。 

图4是图2中的换热板的发电区的剖视图。 

图5是图2中换热板的发电区和密封凸台的剖视图。 

图6是图2中换热板的导线通孔局部示意图。 

图7是图2中的换热板的发电区的温差发电模块示意图。 

图中，1换热板，2密封垫，3固定螺杆，4螺栓，5进口管， 6出口管，7夹板，8基板，9通孔，10导流区，11发电区，12换热区，13密封凸台，14固定孔，9-1第一通孔，9-2第二通孔，9-3第三通孔， 9-4第四通孔，19温差发电模块，20导线筒，21导线孔，191P结，192N结，193导电片，194绝缘导热层，195导线。    

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的具体实施和保护范围不限于此。 

如图1所示，本实施方式中的具有发电结构的板式换热器，由多块换热板1夹紧在两块夹板7之间并通过螺杆3穿过换热板1和夹板7的固定孔14、螺栓4紧固构成。如图2所示，换热板1的四个角处设置有通孔9，换热板1的中部为换热区12，两块夹板7中的一块夹板开有与进口管5连接的两个流体进口，该两个流体进口与紧贴该夹板7的换热板1的两个通孔相对；另一块夹板开有与出口管6连接的两个流体出口，该两个流体出口与紧贴该夹板7的换热板1的两通孔相对；换热区12与换热区12两侧的通孔9之间的区域设置有导流区10。夹板7与换热板1之间、换热板1间放置有密封垫2，所述通孔9与换热区12之间依次设置有导流区10和发电区11，所述发电区11上呈行列分布有温差发电模块19（如图3），该温差发电模块19穿过发电区11的基板8并镶嵌在基板8上，且每行温差发电模块19串联后通过导线与储电装置相连。 

本板式换热器的换热板的基板厚度为1～2mm。换热板上的通孔分别分布在换热板的四个角附近，通孔直径为100～200mm；发电区呈矩形，并且靠近冷热流体流入通孔侧；发电区和换热区在换热板长边方向的长度比为1:5～1:10，第一列温差发电模块沿换热板长边方向的中心线离换热板较近的长边的距离为20～30mm，最后一列温差发电模块沿换热板长边方向的中心线离换热板较近的长边的距离也为20～30mm；所述换热板上除发电区外的其余部分由基板双面冲压一体构成，发电区基板厚度与换热板基板厚度一致，发电区的基板由模具浇注而成后将温差发电模块焊接在相应位置。 

如图6所示，所述发电区11的每行和每列温差发电模块19沿换热板1的短、长边方向的中心线在基板8中心面的投影处设有导线筒20（如图4），所述导线筒20的中心线平行于基板8，且导线筒20在基板8内延伸到换热板1的边缘，形成导线孔21（如图5），导线孔21和导线筒20的直径一致，为0.5～0.8mm。 

本实施方式中的换热板1的发电区11为矩形，其上呈行列分布温差发电模块19的行距为8～15mm，列距为8～12mm，温差发电模块19在基板8两侧突出的高度一致，为3～5mm或可调；基板8厚度为1～2mm；每行温差发电模块19沿换热板1的短边方向并且垂直于基板的中心面与基板8厚度方向中心面的交线，和导线筒20的轴线重合。 

如图2，本实施方式中所述通孔9包括冷液体流入第一通孔9-1、热流体流入第二通孔9-2、冷流体流出第三通孔9-3和热流体流出第四通孔9-4，所述冷液体流入通孔第一9-1、热流体流入第二通孔9-2位于换热板1的同一短边处，冷流体流出第三通孔9-3和热流体流出第四通孔9-4位于换热板1的另一短边处；换热板1的边缘和热流体侧、热流体流入第二通孔9-2与导流区10之间、热流体流出第四通孔9-4与导流区10之间设有密封凸台13，密封凸台13厚度为8～15mm，密封凸台高出基板表面4～8mm。 

如图7所示，发电区的温差发电模块为圆柱体，高8～12mm，直径为5～10mm；温差发电模块穿过发电区的基板并且镶嵌在基板上，温差发电模块在基板两侧突出的高度一致，突出高度为3～5mm或可调。温差发电模块19由大量P结191和N结192通过导电片193串联连接，两头用导线195引出，以实现和其它温差发电模块19的串并联，外层用绝缘导热层194密封。 

温差发电模块19穿过发电区11的基板8并且镶嵌在基板8上，在基板8两侧突出的高度一致，为3～5mm或可调；基板8厚度为1～2mm；每行温差发电模块19沿换热板1的短边方向并且垂直于基板的中心面与基板8厚度方向中心面的交线，和导线筒20的轴线重合。基板8上的导线筒20，在第一行第一列的温差发电模块19沿该行的方向延伸并穿过密封凸台13，在密封凸台上形成导线孔21，导线孔21和导线筒20的直径一致，为0.5～0.8mm。导线孔21分布在密封凸台侧面沿厚度方向的中心线上。温差发电模块19，高8～12mm，直径为5～10mm；由大量P结191和N结192通过导电片193串联连接，两头用导线195引出，以实现和其它温差发电模块19的串并联，外层用绝缘导热层194密封。 

本换热器的工作过程如下：当冷热流体经进口管5以顺流方式进入换热区时，温差发电模块的一端与板一侧的冷流体充分接触，另一端与板另一侧的热流体充分接触，发电模块两端就会形成温差，根据赛贝克效应，发电模块在温差下进行热电转换，输出电能储存到储电装置上。 

Claims (10)

1.一种具有发电结构的板式换热器，包括至少两块换热板（1）、两块夹板（7）和螺杆（3），螺杆（3）穿过换热板（1）和夹板（7）的固定孔（14），多块换热板（1）通过螺杆（3）两端的螺栓（4）夹紧在两块夹板（7）之间，所述换热板（1）的四个角处设置有通孔（9），换热板（1）的中部为换热区（12），两块夹板（7）中的一块夹板开有两个流体进口，该两个流体进口与紧贴该夹板（7）的换热板（1）的两个通孔相对；另一块夹板开有两个流体出口，该两个流体出口与紧贴该夹板（7）的换热板（1）的两通孔相对；换热区（12）与换热区（12）两侧的通孔（9）之间的区域设置有导流区（10），其特征在于换热区（12）的一侧与导流区（10）之间的区域还设有发电区（11），所述发电区（11）上呈行列分布有多个温差发电模块（19），温差发电模块（19）穿过发电区（11）所在的基板（8）并镶嵌在基板（8）上，温差发电模块（19）的两端分别位于基板（8）的两侧，一端与基板（8）一侧的冷流体接触，另一端与基板（8）另一侧的热流体充分接触。

2.根据权利要求1所述的一种具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板（1）为长方形，所述发电区（11）上的温差发电模块（19）沿平行于换热板（1）短边或长边方向的中心线在基板（8）中心面的投影处设有导线筒（20）；导线筒（20）的中心线平行于基板（8），且沿平行于换热板（1）短边方向的第一行和最后一行的导线筒（20）在基板（8）内延伸到换热板（1）的边缘，形成用于与储电装置连接的导线孔。

3.根据权利要求1所述的一种具有发电结构的板式换热器，其特征在于夹板为长方形，所述两个流体进口位于一块夹板的同一短边处，两个流体出口位于另一块夹板的同一短边处，板式换热器的冷热流体采用顺流方式；每块换热板（1）的同一面上位于同一对角线上的两组所述通孔中，有且只有一组通孔与导流区（10）之间设有用于阻隔流体的密封凸台（13）；有且只有一组通孔与导流区（10）之间是相通的，换热板（1）边缘也设有用于阻隔流体的密封凸台（13）。

4.根据权利要求3所述的一种具有发电结构的板式换热器，其特征在于位于两块夹板（7）之间的多个换热板（1）之间的结构关系是：一块换热板（1）上设有密封凸台（13）的通孔与相邻的换热板（1）上设有密封凸台（13）的通孔正对紧贴在一起，且相邻两块换热板（1）之间设有密封垫（2）。

5.根据权利要求4所述的一种具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板（1）的四个角处设置有的通孔（9）分别为第一通孔（9-1）、第二通孔（9-2）、第三通孔（9-3）和第四通孔（9-4），冷流体流入第一通孔（9-1）、热流体流入第二通孔（9-2），第一通孔（9-1）和第二通孔（9-2）位于换热板（1）的同一短边处，冷流体流出第三通孔（9-3），热流体流出第四通孔（9-4），第三通孔（9-3）和第四通孔（9-4）位于换热板（1）的另一短边处。

6.根据权利要求5所述的具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板上发电区的发电模块沿换热板长边方向上成行分布，最靠近流体流入通孔的一行温差发电模块为第一行，远离流体流入通孔的温差发电模块行依次为第二行、……至最后一行；温差发电模块沿换热板短边方向上成列分布，在从用于流入热流体的通孔到用于流入冷流体的通孔的方向上，依次为第一列、第二列……至最后一列，行距为8～15mm，列距为8～12mm。

7.根据权利要求6所述的具有发电结构的板式换热器，其特征在于在每行温差发电模块沿换热板短边方向都有一条中心线，这条中心线在基板中心面的投影上设有导线筒，导线筒的中心线平行于基板；第一列从本列第二个温差发电模块开始，最后一列从本列第一个温差发电模块开始，每相邻的两个温差发电模块为一组，且已经成组的温差发电模块不能再与其它温差发电模块成组，每组温差发电模块之间的基板上设有所述导线筒，并且导线筒在该列方向的中心线上；导线筒分布在基板内。

8.根据权利要求7所述的具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板上发电区的温差发电模块通过导线沿导线筒串联连接；发电区上，第一行与第一列交叉处的温差发电模块附近的基板，沿该第一行方向上的导线筒在基板内延伸到换热板边缘，形成导线孔；最后一行的第一个和最后一个在列方向上没有导线筒的温差发电模块附近的基板上，沿该最后一行方向上设有导线筒，导线筒在基板内延伸到换热板边缘形成导线孔。

9.根据权利要求1～8任一项所述的具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板（1）上的发电区（11）呈矩形、扇形或环形，发电区（11）靠近用于流入冷热流体的通孔处。

10.根据权利要求9所述的具有发电结构的板式换热器，其特征在于换热板上发电区的温差发电模块为圆柱体，高8～12mm，直径为5～10mm；温差发电模块穿过发电区的基板并且镶嵌在基板上，发电模块在基板两侧突出的高度一致，突出高度可调。

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