CN100478639C - 用于热交换器的翅片和具有这种翅片的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种限定总的波纹方向(D1)的翅片，该翅片包括多个通过波峰(121)和波谷(122)交替联接的波纹侧壁(123)。该翅片仅由烧结的金属微粒制成。本发明适用于通过低温蒸馏来分离空气或H2/CO混合物的设备的板式热交换器。

Description

用于热交换器的翅片和具有这种翅片的热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于板-片式热交换器的波纹翅片，并涉及一种包括这种翅片的蒸发器/冷凝器。
背景技术
板-片式热交换器有多种类型，每种类型都适合于某一应用领域。本发明有利地适用于通过低温蒸馏来分离空气或主要包含氢气和一氧化碳的混合物的设备的蒸发器/冷凝器。
本发明尤其适用于空气蒸馏设备的主蒸发器/冷凝器。通过冷凝在与氧流动通道相邻的通道中流动的中压氮(通常绝对压力为5至6巴)，这些蒸发器/冷凝器使收集在塔的底部的低压液态氧(通常略高于大气压力)蒸发。所述中压氮通常在中压空气蒸馏塔的顶部以气态被抽出，上述低压塔与该中压空气蒸馏塔相连。所述氮在通过蒸发器/冷凝器并在所述蒸发器/冷凝器中至少部分地冷凝后，被送到中压塔。下面将在该应用的情况下详细地说明本发明，应理解可考虑在其它情况下应用本发明。
术语“蒸发器/冷凝器”还适用于这样的蒸发器：该蒸发器中的加热流体是在该蒸发器中被过冷的液体，而不是在该蒸发器中冷凝的气体。
术语“蒸发器/冷凝器”还适用于在低压塔顶部的中间蒸发器/冷凝器、在氩气塔顶部的蒸发器/冷凝器、在Etienne塔顶部并在容器中的蒸发器/冷凝器以及在简易塔顶部的蒸发器/冷凝器。
双塔类型的低温空气分离设备包括空气压缩机，该空气压缩机的动力消耗尤其取决于在低压塔中蒸发的氧和在中压塔中以冷凝形式存在的氮之间的温度差。该温度差本身与两塔之间的压力差相关联。减小温度差可以显著改善空气压缩机的动力消耗，该空气压缩机因此需要被供以比在较高温度差的情况下压力低的空气。
为此，必须在蒸发器/冷凝器中应用最好的热交换器，换句话说，在其各个部分内都获得高的传热系数。
传热系数的这种优化使得蒸发器/冷凝器的设计相对复杂，因为在设备的所有位置处通过蒸发器/冷凝器的流体不在相同的物理状态下。尤其是，蒸发器/冷凝器底部的氧完全呈液态，当氧由于被氮气加热产生的热虹吸效应而在设备中上升时，其蒸气比例逐渐增加。
通常用于这些相变热交换器的技术是具有硬钎焊的板和翅片的铝热交换器的技术，这些板和翅片用于获得提供大的热交换面积的紧凑部件。这些热交换器包括板，在板之间插有褶皱或翅片，由此形成蒸发“通道”和冷凝“通道”的叠层。翅片有多种类型，例如平直的翅片(图1)、鲱鱼骨状(hareng)的翅片(图2)以及有孔的或锯齿状的翅片(图3)。
浸没式蒸发器/冷凝器的蒸发侧具有两个单独的热交换区：
о在蒸发器下部的对流热交换区。翅片与液相接触并将其加热到其饱和温度。
о从成核位置产生蒸气气泡的沸腾区。翅片与两相(液/气)混合物接触。发生热交换的高度越高，气体的比例就越高。
局部过热一达到称为ΔTonset boiling的特定值(局部过热是壁温Tp与流体饱和温度Tsat之间的温度差ΔTsat)，在壁上就出现蒸气气泡。所述值根据流体以及所采用材料的结构和类型而变化。
传统沸腾理论表明，对于壁与饱和流体之间的温度差ΔTsat，存在一定范围的易于提供成核位置的空腔。该范围由两个极限半径rmin和rmax限制。对于半径rcav在两个极限值之间的、将要活跃的空腔，空腔中必须稳定地存在液体-蒸气界面。某些空腔形状可以提高液体-蒸气界面的稳定性。如果该界面被破坏，则需要更大的温度差来重新形成所述位置。因此，空腔的形状是成核位置的稳定性和热交换表面的性能的重要因素。凹腔可以获得高的界面稳定性。
促进沸腾的热交换区域必须具有以下特征：
о高密度的空腔；
о适于流体的空腔尺寸和形状；
о更易于重新形成的相互连接的空腔。
这些特征通过第一气泡的温度差(ΔTonset boiling)的降低和热交换效率的升高来反映。
现有技术描述了多种用于制造加强沸腾的表面的方法。这些制造方法可分为以下主要的三类：
机械处理方法：
-US-A-6 119 770：在管的内部或外部具有多孔表面的管的制造。凹槽充满金属微粒并变形。
-US-A-4 216 826：形成垂直的凹槽并通过辊子变形。
-US-A-4 060 125
-GB-B-1 468 710
-US-A-3 906 604、US A-3 454 081和US A-3 457 990。
蚀刻方法：
-US-A-4 846 267：在加热和冷却步骤后，用酸性溶液对所述表面进行化学蚀刻。
-WO 0 223 115(缺少数字！！)：整体循环的表面的改进。通过激光蚀刻形成空腔。
表面沉积方法：
-EP-A-0 303 493：将金属微粒与塑料微粒的混合物喷到传导表面上。塑料微粒在500/600℃下蒸发后，所述表面呈现出多孔层。
-US-A-4 371 034：板式蒸发器在蒸发侧使用多孔表面构造。多孔层是通过熔化的微粒高速撞击平的表面或将微粒粘结到壁上而形成的。
-FR-A-2 443 515：铜制多孔表面的制造。该方法是用网状有机泡沫覆盖管或板，并向泡沫内部沉积电解铜涂层。然后热解泡沫。
-US-A-4 064 914：在铜基体或铜合金基体上形成铜制或钢制多孔层。该多孔层由通过粘结并然后硬钎焊聚集的金属粉末构成。
-US-A-3 384 154：用于使液体沸腾的多孔层的应用。该多孔层必须联接到传导金属壁上并包括连接到一起并形成相互连接的空腔的传导微粒。制造程序优选烧结、焊接、硬钎焊和其它方法。该多孔层的厚度必须大于所述微粒的直径，并优选小于所述微粒直径的三倍。
问题是获得同时满足以下要求的热交换区域：
о可以硬钎焊在热交换器-尤其是蒸发器/冷凝器-中的类型的翅片的总体几何形状。
о强化沸腾的结构，该结构的特征是高的空腔密度、适于流体的空腔尺寸和形状以及相互连接的空腔。
通过机械处理的制造方法需要传导表面具有一定厚度。这些机械处理难以应用到用于蒸发器/冷凝器的翅片，因为板的厚度在0.2mm和0.5mm之间变化。
化学和激光蚀刻的方法产生受限制的表面光洁度，因为它们具有表面高度唯一并且相互不连接的空腔。
只有表面沉积提供了最大的空腔复杂性，以促进泡核沸腾。然而，现有技术提出的工艺是不能简单地应用于翅片型热交换表面的方法。
波纹形式的烧结多孔结构用以获得具有由多个相互连接的空腔直径形成的多孔层的翅片型热交换表面：
烧结多孔结构通常用于气体和液体过滤工业。标准产品由不锈钢和青铜制造。然而，由高传导材料(例如铜或铝)制造在技术上是可行的。这些多孔材料可以由金属微粒或金属纤维或甚至金属织物制造。
根据本发明，这些高传导材料的多孔结构用于热传递，更准确地，用于液体的泡核沸腾。
下文描述所述高传导材料的多孔结构以插入到硬钎焊的板-片式蒸发器/冷凝器的翅片的形式的应用。
改变烧结材料的孔隙率的参数之一是所采用的金属微粒的尺寸。实际上，烧结后的空腔直径直接取决于所用的金属微粒的尺寸。
可以选择金属微粒的尺寸，以得到具有所需要的平均直径的空腔。
这(主要)涉及尺寸在45μm和200μm之间(15％＞200μm并且15％＜45μm)的铝微粒。
孔隙率(烧结后)是20％。
由于多种空腔直径可促进沸腾，因此也可以使用多个金属微粒尺寸，以得到某一范围的空腔直径。
如果金属微粒提前混合，则空腔直径(微粒尺寸)的分布是不均匀的(随机的)。
波纹可以通过使用波纹模具在烧结过程中直接形成，或通过在烧结厚的多孔板后进行凹槽加工(电火花加工)形成。
典型的热交换器由相同的平行矩形板的叠层构成，这些矩形板为间接热交换关系共同确定了多个流体通道。这些通道是用于第一流体、第二流体和第三流体的连续循环通道。
每个通道由封闭件限定其边界，所述封闭件一方面限制所述通道，而另一方面留出相应流体自由出入的入口/出口型窗口。在每个通道中设置有波纹间隔件或翅片，以用作板之间的翅片和间隔件，尤其在硬钎焊期间，以避免在使用压力流体期间板产生任何变形，也用作流体流动的导向件。
板的叠层、封闭件和波纹间隔件通常用铝或铝合金制造，并通过炉内钎焊在单个操作中组装。
然后，将大体为半圆柱状的流体入口/出口箱焊接到如上形成的热交换器体部上，以覆盖相应的入口/出口窗口的范围，并将所述入口/出口箱连接到流体进入和流出管路。
在该工业领域中，通常使用锯齿状的、平直的或有孔的平直的波纹间隔件。
这些波纹通常用铝带制造，并使用具有三角形或正弦曲线形截面的沟槽并且密度有限的滚花轮制造或通过挤压制造。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种能够克服现有技术缺陷的翅片，所述翅片可用于工业热交换器中，尤其是用于通过低温蒸馏来分离空气或H2/CO混合物的设备中的板-片式热交换器，并尤其用于蒸发器/冷凝器。
为此，本发明涉及一种用于板-片式热交换器的具有总的主波纹方向的波纹翅片，所述翅片包括多个通过波峰和波谷交替联接的波纹侧壁，其特征在于，波纹侧壁、波峰和波谷由烧结金属微粒带形成。
根据本发明的其它特征，单独或全部考虑到的技术上可能的组合：
-波纹侧壁、波峰和波谷形成平直段，波峰和波谷在相对于主波纹方向的截面中相互平行；
-微粒是铝、包含摩尔百分比至少为90％的铝的铝合金、铜或包含摩尔百分比至少为90％的铜的合金；
-翅片厚度在0.25mm和0.6mm之间；并且
-在翅片中形成的孔的直径在10μm和100μm之间。
根据本发明的另一目的，提供一种蒸发器/冷凝器，这种类型的蒸发器/冷凝器包括平行板叠层、封闭件和可选地波纹间隔件，所述间隔件限定用于流体源供给的待蒸发流体的第一组通道以及与第一组通道相邻的、用于至少一种流体的第二组通道，所述至少一种流体用于加热所述待蒸发流体，所述第一组通道从蒸发器/冷凝器的底部到顶部分为三个连续的区域：
-构造成通过对流促进热交换的第一区域；
-构造成促进泡核沸腾的第二区域；
-构造成促进对流沸腾的第三区域；
其特征在于，至少第二区域和可选地第三区域包括与权利要求1至5中任一项相一致的翅片。
优选地，所述蒸发器是浸没式蒸发器。
根据本发明的另一目的，提供一种薄膜蒸发器类型的蒸发器/冷凝器，该蒸发器/冷凝器包括与权利要求1至5中任一项相一致的翅片。
根据本发明的另一目的，提供一种用于通过低温蒸馏来分离空气的设备，该设备包括至少一个如权利要求6至8中任一项所述的蒸发器/冷凝器。
该设备可以包括至少两个通过如权利要求6至8中任一项所述的蒸发器热联接到一起的塔。
所述翅片可以是锯齿状的、平直的或有孔的平直的。
本发明还涉及一种安装有至少一种上述翅片的热交换器。
附图说明
通过阅读下面参考附图的描述，可以更好地理解本发明，其中，图1至图3示出根据本发明的翅片，图4示意性地示出根据本发明的蒸发器/冷凝器的通道，氧在该通道中以液态和气态流动。
具体实施方式
根据本发明的翅片具有由波纹的平的水平顶部限定的波峰121。该翅片还具有由波纹的平的水平底部限定的波谷122。所述波峰和波谷交替地与平的竖直的波纹侧壁123相连，该波纹侧壁的中面垂直于D1方向延伸。图1至图3中的翅片的厚度t在0.25mm和0.6mm之间，并且形成在翅片中的孔(未示出)的直径在10μm和100μm之间。关于根据本发明的用于空气蒸馏的蒸发器/冷凝器的总体设计的进一步的细节，可以以非限制性的方式参考申请EP-A-1088578。
图4中的蒸发器/冷凝器几乎全部浸没于收集在空气蒸馏设备的低压塔的贮液槽中的液态氧中。通道“作为来源”被供以液态氧。该液态氧首先进入通道2的第一区域，以被在蒸发器/冷凝器的相邻通道中流动的氮加热。在该第一区域中，对流热交换被促进，并且制造该区域的材料具有使这种类型的热交换最大化的结构。典型地，该第一区域设置有具有大的热交换面积、但不会造成过大的压降的热交换片，例如，限定了大量用于液态氧通过的狭窄通道的锯齿状翅片(图3)、有孔的或者无孔的(图1)平直翅片、或者“鲱鱼骨状的”翅片(图2)。推荐密度为至少10fpi(每英寸宽度10个翅片或每厘米3.9个翅片)，优选在14fpi和30fpi之间(每厘米5.5至11.8个翅片)。例如，可以每间隔1/8英寸(3.18mm)使用26fpi(每厘米10.2个翅片)的锯齿状翅片。在所述第一区域中，主要目的是快速加热液态氧，以将其加热到饱和温度。该第一区域可以延伸到大于蒸发器/冷凝器的总高度的约1/3处，例如对于1.20m高的蒸发器冷凝器，该高度大于40cm，其中，1.2m是空气分离设备的常规尺寸。作为变型，热交换波纹可以由金属泡沫或材料-例如铝-层(garnissage)代替。
在通道中上升的氧然后进入第二区域3，在该区域，在位于通道中的翅片的壁上形成的氧气泡促进了泡核沸腾。为此，使用由烧结铝微粒制成的翅片，以便翅片的孔使得潜在的开始位置的数量增加。也可以在限定通道的热交换器板的壁上设置孔或微小起伏。实际上，限制流体压降甚至比在所述第一区域中更重要，以避免阻碍液态氧/气态氧的混合物向上流动。
以液态和气态形式在通道中上升的氧最终进入第三区域4，在该区域，与流经相邻通道的流体的热交换被再次促进。目标是在该区域获得对流沸腾的条件。也可以在该区域安装由烧结的铝微粒制成的翅片，以促进氧气气泡的生长。翅片和板的壁上覆盖有液态氧层，通过该液态氧层进行热交换。该液态氧层的厚度主要取决于液态氧-气态氧的混合物的流动情况。较高的流体速度可促进热交换。因此，当氧上升通过所述第三区域时，使氧的压降最小化是重要的。为此，为了在低的压降和良好的热传递之间获得令人满意的折衷，可取的是，在所述第三区域设置平直的-可选地有孔的-翅片，所述翅片的密度大于10fpi(每厘米3.9个翅片)，但小于或等于第一和可选地第二区域中使用的翅片的密度。有孔5％的、密度为10fpi至40fpi(每厘米3.9至5.5个翅片)的平直翅片将符合上述例子。此处不推荐锯齿状翅片，由于它们会产生相当高的压降。
所述第三区域的高度可以是所述通道的总高度的大约一半，或者说，对于1.20m高的蒸发器/冷凝器，该高度是60cm。
在第三区域4的出口处，气态氧OG从蒸发器/冷凝器排出并上升到所述低压塔的顶部，而液态氧OL下降到同一塔的贮液槽中。
显然，上文给出的例子是非限制性的，可以设想其它结构。尤其是，上述每个区域都可以分为多个具有以不同方式构造的热交换表面的子区域，只要在每个子区域中都能够有效地促进相应区域的过程：第一区域的对流热交换、第二区域的泡核沸腾、第三区域的对流沸腾。
如果本发明的优点能够被利用，则本发明也可以用于处理除氧气以外的其它气体的蒸发器/冷凝器中。

Claims (8)

1.一种蒸发器/冷凝器，所述蒸发器/冷凝器包括平行板叠层、封闭件以及可选地波纹间隔件，所述间隔件限定用于流体源供给的待蒸发流体的第一组通道以及与第一组通道相邻的、用于至少一种流体的第二组通道，所述至少一种流体用于加热所述待蒸发流体，所述第一组通道从蒸发器/冷凝器的底部到顶部分为三个连续的区域：
-构造成通过对流促进热交换的第一区域(2)；
-构造成促进泡核沸腾的第二区域(3)；
-构造成促进对流沸腾的第三区域(4)；
其特征在于，至少第二区域和可选地第三区域以及甚至可选地第一区域包括波纹翅片，该波纹翅片具有总的主波纹方向(D1)并包括多个通过波峰(121)和波谷(122)交替联接的波纹侧壁(123)，所述翅片仅由烧结的金属微粒制成。
2.根据权利要求1所述的蒸发器/冷凝器，其特征在于，波纹侧壁(123)、波峰(121)和波谷(122)形成平直段，所述波峰和波谷在相对于主波纹方向(D1)的截面中相互平行。
3.根据权利要求1或2所述的蒸发器/冷凝器，其特征在于，所述微粒是铝、包含摩尔百分比至少为90％的铝的铝合金、铜或者包含摩尔百分比至少为90％的铜的合金。
4.根据权利要求1或2所述的蒸发器/冷凝器，其特征在于，所述翅片的厚度(t)在0.25mm和0.6mm之间。
5.根据权利要求1或2所述的蒸发器/冷凝器，其特征在于，在所述翅片中形成的孔的直径在10μm和100μm之间。
6.根据权利要求1所述的蒸发器/冷凝器，其特征在于，所述蒸发器/冷凝器是浸没式蒸发器。
7.一种用于通过低温蒸馏来分离空气的设备，该设备包括至少一个如权利要求1至6中任一项所述的蒸发器/冷凝器。
8.根据权利要求7所述的空气分离设备，其特征在于，该设备包括至少两个通过如权利要求1至6中任一项所述的蒸发器热联接到一起的塔。
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