CN101203727A

CN101203727A - 可变板式热交换器

Info

Publication number: CN101203727A
Application number: CNA2006800225028A
Authority: CN
Inventors: R·阿什
Original assignee: Ashe Morris Ltd
Current assignee: Ashe Morris Ltd
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2008-06-18
Also published as: EP1888994A2; JP2008540992A; US20090087355A1; WO2006120026A2; GB0509746D0; WO2006120026A3

Abstract

提供了一种热交换器，在要求特定的速度分布或者需要特殊的传热分布的情况下，其能够进行复杂的操作，如进行化学反应，其包括一个整体式热交换器(8)，该热交换器包括含有传热流体的多个不同的传热单元或者区域(6)。处理材料(1)流经所述传热单元或者区域，其中传热流体针对各传热单元或者区域单独地进行输送和排放。

Description

可变板式热交换器

技术领域

本发明涉及的是处理材料流经板表面的板式热交换器。

背景技术

这样设计的根本目的是，在要求特定的速度分布或者需要特殊的传热分布情况下，构建一种能够进行如执行化学反应等复杂操作的热交换器。这种热交换器的一些功能要求如下：

●选择由能够单独设定或者控制的多个传热单元构成的传热表面。

●选择具有可变板间隔的多级。

●选择在处理管道内不同位置上装配仪器和配件。

●选择对任何板注入或者排出处理材料。

●选择打开处理管道进行清洁或者修改。

●设计能够实施上述操作能力同时保有高度标准化和模块化结构的热交换器。

为了实现上述能力，要求一种不同种类的板式热交换器，该热交换器在本文献中进行描述。

发明内容

定义

在本文献中，在热交换器中要被加热或者冷却的材料称为“处理材料”。处理材料可以是液体、乳状液、超临界流体、蒸汽、气体、糊状物、固体微粒，或者这些东西的组合。

短语“处理管道”指的是处理材料流经的空间(如沟道、管子、板间的间隙等)。

短语“处理管道面积”指的是在给定位置处处理材料所流经的孔径的横截面面积。

在本文献中，短语“均匀流动”用来描述(以层流或者紊流形式)流经处理管道的处理材料的速度分布，该速度分布在整个处理管道的面上是基本不变的。它还意味着在处理管道内没有气穴或者无用空间。使用术语“基本”的原因是因为管道壁引起的阻力效应或者其他效应会产生速度上的某些改变。对于意欲应用本发明的多种类型的处理来说，均匀流动是希望的条件。然而，在本发明的所有应用场合中都看不到均匀流动。例如，蒸汽冷凝器可能含有气体和冷凝液体的混合物。气体和液体将以不同的速度行进。还有，本发明适合于可以使用脉动流的系统，在这种情形下，将会观察到瞬间的回流和反混。在某些情形下，由于处理管道的内部几何形状，不能实现均匀流动。在某些情形下(例如许多冷凝工作状态)，均匀流动可能不是必要的。

当流体被用来从热交换器表面传递或者去除热时，该流体在本文献中称作“传热流体”。传热流体可以是气体或者液体。本发明还能够应用于通过电加热和冷却等手段传递或者去除热的系统。

本文献中，短语“传热周长”指的是与用来把热传输到处理材料中或者把热从处理材料中传出来的处理材料发生接触的湿周长度。传热周长的长度乘以处理管道(假定其面积恒定)的给定截面长度，得出该截面的热交换面积。

本文献中，“可变容积”描述的是热交换器中沿着处理管道在不同位置上处理管道的面积不同。“可变容积”式热交换器的一个简单例子可以是圆形管子(外面绕有例如冷却或者加热套)，沿着该管子不同位置处的直径是变化的。利用直径的阶跃改变(或者逐渐改变)可以实现直径的变化。还有其他用来改变处理管道面积的方法，如使用偏移插件或者通过改变两个板(处理材料流过之间的)的空间。

本文献中，短语“可变热通量”描述的是热交换器中热交换器表面被分解成多个区域，施加到每个区域的加热量或者冷却量都能单独设定或者控制。可以认为，假定热通量将随着处理材料或者传热流体温度的变化而改变，那么热通量变化是任何热交换器的一个特征。

本文献中，“可变板式热交换器”指的是本发明所提供的新颖的热交换器设计，其适合于用作传统的热交换器，也可以用作“可变容积”或“可变热通量”式热交换器，或者这些热交换器的组合。

在本文献的情景中，短语“板间隔”描述的是两个热交换器板之间分开的距离，它用在载运处理材料的两个板之间的间隙。因此，在本文中，大的板间隙产生了相应大的处理管道面积。

本文献中，板式热交换器是具有用作传热表面的一系列扁平薄片而薄片之间的空间用作处理管道的热交换器。

本文献中，短语“板堆叠”指的是组合在一起成为单个机器的部分的一组热交换器板。

短语“可变功率”虽然没在本文献中使用，但是当“可变容积”或者“可变热通量”这些方法被用来提供非均匀加热或冷却能力时，它可结合“可变容积”或者“可变热通量”使用。

问题描述

就设计目的而言，热交换器常常被当作单级系统对待。因此，单个的设计值可以用作确定加热或者冷却能力以及/或者处理管道面积大小的基础。然而，在实践中，热交换器内不同位置上的热负荷可能有显著不同。处理材料的比容(例如气体冷却)或者质量流量(例如洗涤器)在不同位置也可能不同。如果没有考虑到这些局部上的变化，那么在某些领域(就传热能力和处理管道面积来说)，热交换器的尺寸就可能会过大，而在其他领域，可能会过小。

为了举例说明热交换器内非均匀热负荷的问题，图1示出了一种流经绕有冷却套2的长管子的处理材料1。温度探头4位于管子上，测量从冷却管子出来的处理材料的温度。来自这个温度探头的信号被送给控制器3，并用来调节套的冷却。这样做允许操作人员控制最终产品的温度。图1假定处理材料正从进入管子时的20℃被冷却而下降到从管子出来时的10℃。因此，在这种情形下，这个系统内的处理材料的温度总是在20℃和10℃之间。

现在考虑图2，其中，处理材料1是释放热的两种化学物质5、6的反应混合物。如果把热交换器设计成单级的，那么，这两种化学物质相遇的区域就会变得非常热，即使最终温度在规定范围中。在这个“热点”7中产生的热会随着处理材料流过热交换器而被逐渐去除。

可能是很不希望发生热点的，因为热点能损害产品或者促进不想要的反应。冷点也同样是不受欢迎的(在某些吸热情况下)。如果为了消除热点而施加了过多的冷却，那么，热点的下游也将受到程度更高的冷却。这会导致产品温度太低，而且可能会在热点下游区域制约希望的处理变化。另外，过量的冷却可能损害产品或者造成冰或者蜡的形成。在传热条件(例如改变冷凝负荷或者处理材料粘度发生改变的场合)发生显著改变的热交换器中，还可能遇到控制问题。如果热交换器作为单传热级运行，那么，结果会是非常有挑战性的动态温度控制，这种动态温度控制可能造成冻结、沸腾或者某些形式的热损伤(根据处理的性质)。因此，对于特定类型的处理，尤其是那些能观察到放热或者吸热行为不断变化的场合，或者物理特性在热交换器内不断变化的场合，从头到尾具有相同的处理管道几何形状并且仅仅在一个位置(通常是排放位置)控制处理温度的热交换器是不理想的。对于处理材料在流过系统时需要特殊温度分布的处理或者可能存在其他中间加热或者冷却效果(例如强搅拌)的场合，也是不理想的。

上述问题的解决方案需要使用一种更复杂的冷却(或加热)装置，能够在处理管道内的不同位置上施加不同量的加热或者冷却功率(每单位产品体积)。但这个想法并非新的。例如，连续聚合反应塔可在塔内不同级上具有多个独立控制的热交换器。在食品和塑料领域中使用的压出机可有多个独立控制的加热或者冷却单元。还有一些例子中，通过使用串行的多个热交换器实现了多极原理。本发明的优选实施例是基于热交换器内多个区域，利用调节加热和冷却的手段。通过修改处理管道面积与传热周长的比值(“可变容积”)，或者通过改变热交换器内不同加热或者冷却通量(“可变热通量”)，可以改变具体的加热和冷却特征。

在某些运行过程中，当处理材料经过热交换器时能够改变处理材料的比容(例如对气体进行冷却和加热)。在其他的情形下，流经热交换器的气体的质量可以发生改变(冷凝或者洗涤)。如果热交换器沿其长度具有小但均匀的处理管道面积，那么，处理材料的速度会在流经热交换器时发生改变。这样就会有缺陷。某些区域上速度高可能会加快侵蚀和或腐蚀。高速还可能会造成小滴被带出热交换器。高速还要求更大的压降来输送处理材料，这就使系统建造和运行起来成本更高。这个问题的解决方案是具有超大的处理管道。然而，这会在某些截面出导致非常低的处理材料速度。在这种情形下，这可能会造成处理材料以非均匀流动方式行进，这是不希望的。当处理材料以更低的速度行进时，传热效率也一般更低。除此以外，具有没必要那么大的处理管道的热交换器将会更大，制造起来成本更高。还有一些情况是，处理材料具有基本不变的比容，但是因为其他的原因，例如在物理特性或者质量流量改变了的截面上防止壅塞或者对产品造成热损伤，希望改变处理材料速度。如前所述，这些问题可以使用“可变容积”和或“可变热通量”以各种方式解决。

本发明提供了一种板式热交换器的设计，给予用户选择板间隔(均匀和非均匀板间隔两种)的完全自由。这种设计对于每个板还有单独的传热流体源，并且必要时，可以用管子把处理材料送进或者送出任何板。这种设计还具有允许用户将各种仪器或配件装配到每个板上的设计特点。这给予本发明的设计比传统热交换器更优良的能力，并使其成为用作“可变容积”和/或“可变热通量”式热交换器的理想设计。

板式热交换器是已经很好地建立起来了的概念，APV和Alfa Laval等公司已经提交了很多关于板式热交换器的专利。然而，因为很多原因，传统板式热交换器并不适合于“可变容积”或者“可变热通量”的概念。

具体实施方式

可变板式热交换器

在下面的部分中讨论这种新颖的板式设计的考虑和方案。

(a)可变板-可变容积

传统的板式交换器由板堆叠构成，其中，给定板堆叠中的各个板具有共同的板间隔(尽管几种不同类型的板堆叠可能装配在同样的交换器框架内)。

本发明的优选设计使用的是其中有两个或者更多个不同板间隔的板堆叠。处理管道还能直接穿过传热板，而且如果需要，无需在中间板管道上进行焊接或者密封就能实现这一点。按可替换方式，能在板堆叠中的任何位置处将处理管道引入或者引出板。还能从外面把传热流体管道提供给各个板而不需要通过相对于处理材料密封但被处理材料包围的空间。图10是单片具有这种可变板设计的板。它可由单块材料或者分层制成。经过板的薄面从一端到另一端附近形成了一个缝(传热流体缝)12。这个缝12用作传热流体腔。它可以密封起来形成传热流体的流动通道16。第二孔在一端径直切穿该板(处理材料缝)15，以允许处理材料13从一个板流到下一个板。密封装置14围绕着板的周边装配，以当两个板压在一起时生成一个密封的腔。按照图11的垫片或者间隔件21能控制两个板间分开的距离。处理缝置于交替的侧面上，以在每个板的整个面上产生处理流体的流动。图11表示的是多个板如何按照交替的方向堆在一起而形成大的多级可变板式热交换器。

图11示出的是由5个板组成的四级热交换器，其中，处理材料在底部18进入，在顶部19流出。端板20装配在热交换器的任意一端。板可用间隔件21和垫圈进行组装，然后使用系紧螺栓22(或者某些其他的方法)压在一起。如图所示，随着处理材料前进经过热交换器，(在这个例子中)板间隔逐渐变大(这种情况可能适合于在开始的几级热释放最强的放热反应)。在冷凝器的情况下，板间隔会趋向于在开始时大而经过热交换器时逐渐变小。

图12示出的是如何用楔形设计在整个系统上产生自由排放特征。为了图示的简单，没有画出可变板间隔。

在本发明提供的设计中，通过修改处理管道面积或者热周长(在沿着热交换器的不同位置处)可以改变处理管道面积和传热周长的比值。不过，本发明的优选设计是每单位长度管路的传热面积保持不变。

(b)可变板：“可变热通量”

上面在部分(a)中描述的设计方法还适合于用作可变通量系统。可以看出，在图10中，传热流体在流动箭头16所示的一侧单独地经一个管子输送给每个板。这种布局允许设计人员在每个传热管子上装配某种形式的控制器或者调节器。按可替换方式，他可以把不同温度的传热流体供应给各板(虽然这样做可能需要更复杂的控制系统)。独立地在各板上改变热通量的能力产生了“可变热通量”系统。

在单个板(或者若干板)上还能产生多热通量级。图18示出的是单个板如何通过把传热表面分割成若干区域38而被分解成多个热通量级。在这个例子中，在单个板上产生了三个区域38。处理材料从前面的板36经缝进入，然后沿着板表面39流动，并在缝37中流出到下一个板。在每个传热区域中，传热流体都流进入口管40然后从出口管41流出该区域。必要的话，可以把入口管子40和出口管子41接在一起，形成单个的长管道。这样的布局可以给用户以选择，以最小的修改从单个区域变化到多个区域。

(c)可变板-板分开距离

传统板式热交换器具有通常在1mm到5mm之间的均匀的板间隙。本发明的优选设计可以使用多种板间隙，可以从小于0.01mm变化到大于100mm。但典型范围是在0.5mm到50mm之间。如果处理管道内含有催化剂材料，板间隔可以从10mm(或者更小)变到300mm(或者更大)。不同板的板间隔可以按倍数2或者更大进行变化。在某些情况下，不同的板间隔可以按倍数3或者更大进行变化，而在某些情况下，不同的板间隔可以按倍数5或者更大进行变化。

板间隔由要求的速度分布确定。速度分布可以从小于0.01m·s^-1变到20m·s^-1。然而，典型情况是速度在0.05m·s^-1到10m·s^-1的范围内。当处理材料是气体或者蒸汽时，速度可以比上述数值大10倍。在板上可以使用挡板，以在整个板上形成更长的流动路径，由此增加处理材料的速度，促进均匀流动、更好的混合或者更好的传热条件。

(d)可变板-板密封

传统板式热交换器使用夹在一起的成形板和垫圈。对于可变板式热交换器可以使用同样的方案。然而，本发明的优选设计可以使用可以根据要求的板分开距离进行变化的不同方案。

对于非常小的间隔，可以用薄垫圈而不用分隔件把板压在一起。在这种情况下，板可设计成相互接触或者非常靠近，而流动沟道是通过在一个或者两个板上都切割出轮廓形状来形成。

对于稍大些的间隔，图14示出的是带间隔件的密封布局。这里，由绕着板周边的硬间隔件或者垫片30形成板分开，而在里面放一个垫圈或者O型圈29来形成密封。

图15示出的是更大的板分开布局。所示间隔件32在其顶部和底部面上具有密封装置31(在该图中，密封材料还用来保护分隔件的湿润面)。按可替换方式，可以使用O型圈。

板分隔件可设计成从板的一端到另一端逐渐变细。这样做允许传热周长和处理管道面积的比值在板上(沿着处理流动路径的方向)变化。

(e)可变板：“可变容积”和“可变热通量”级

传统板式热交换器不使用“可变容积”或者“可变热通量”概念。

本发明的优选设计将在不同板级上使用两个或者更多的传热周长和处理管道面积的比值。在某些应用场合中，优选的会是在不同板级上使用的传热周长和处理管道面积的比值为3个或者更多，4个或者更多，5个或者更多，甚至10个或者更多。

按可替换方式，本发明的优选设计将使用两个或者更多的板，它们具有独立的设定或者控制板温度的手段。在某些应用场合中，可以使用3个或者更多这样的板(或者板组)，而在某些场合中，这个数字可以是4个或者更多，5个或者更多，甚至10个或者更多。

按可替换方式，本发明的优选设计在每个板(或者某些板)上使用两个或者更多的具有能独立设定或者控制的加热(或者冷却)分布的区域。在某些应用场合中，优选的会是在每个板(或者某些板)上使用的具有能独立设定或者控制的加热(或者冷却)分布的区域为3个或者更多，4个或者更多，5个或者更多，甚至10个或者更多。

按可替换方式，本发明的优选设计在单个板级上可采用连续变化的传热周长和处理管道面积的比值。通过使用楔形处理管道能够形成这种构造。通过使用分开板用的楔形分隔件或者在板上切割出深度变化的流动凹槽，能够实现这种设计。

按可替换方式，本发明的优选设计可以使用上述级概念的组合。可变板式热交换器可具有两个或者更多到两百个之间的级。

(f)可变板：同时加热和冷却

传统板式热交换器采用加热或者冷却。当要求加热和冷却的组合时，要求板堆叠分解。可变板式热交换器设计允许每个板都能进行加热和冷却服务的任意组合，不需要对板堆叠进行分解或者专门修改。

(g)可变板：加工的标准化

对于非标准的特性，例如“可变容积”或者“可变热通量”或者更复杂的流动策略，传统板式热交换器具有有限的施展空间。例如，传统板式热交换器的板间隔由板形状本身确定。本发明的设计也可以使用同样的加工技术。但是本发明的优选设计使用单独的部件来确定板间的间隙(但这个部件在组装过程中可以焊接到一个或者两个板上)。这样允许板(它们是更贵的部件)设计成标准化的组件，并用于不同的板间隔或者不同的热通量条件。而且，通过使用楔形间隔件，处理管道面积连续改变的处理管道加工起来也简单。

而且，通过提供图10中“12”所示的用于传热的缝，各种不同的加热和冷却(加热)布局能用于标准板。例如，电加热器能用作在该空间或者开放(或者带挡板的)管道有多个小管子。

既然处理流体和传热流体的流动路径能在每个板上引入或者引出热交换器，那么这种可变板设计用标准部件还能很好地适合于更复杂的流动策略。

(h)可变板：处理管道几何形状

传统板式热交换器的各个板的侧面入口仅仅是象板间隔那么宽。在多数情况下，该入口小于5mm，而且常常是小于2mm。因为有垫圈挡道(除了所有焊接起来的系统)，进入到板里面也是个问题。这意味着，没有什么余地把仪器或者配件装配在板堆叠的里面。实际上，在板堆叠组装完后，也没有余地装配或者取下仪器。

传统板式热交换器不显著增加传热流体管道的体积容量就不能改变中间板处理管道(图10中“12”所示)的长度。而且，传热流体管道尺寸的增加还随着板空间处理管道长度变得更长而不断地变大。本发明优选设计允许中间板处理管道的长度增加，而不增加传热流体管道的容量(除了碰到由于板厚度的缘故而板的两侧要求单独供应传热流体的情况，但这是传热流体管道容量的一个偏离的阶跃增加(one off step increase))。

传统板式热交换器使用管子式的管道来输送和从板排出处理材料。改变这种管子式管道的尺寸要求垫圈尺寸不同、板上孔尺寸不同以及管子尺寸不同。本发明的优选设计通过改变单个部件就允许修改板间的处理管道的尺寸。这种优选尺寸能通过在板上加工出一个缝(图10中“15”所示)或者钻出若干孔来实现。必要的话，板可以设计为有大缝并具有插板，插板上具有用来实现该优选轮廓形状的不同尺寸的孔或者缝。本发明设计将允许仪器装配到中间板处理管道中，并允许这些仪器能位于板堆叠的主体里面，并完全由处理流体包围(如果必要)。

如果需要，图10中标号“15”所示的中间板处理管道的尺寸所具有的处理管道面积(无论是单个缝还是一系列孔)最大，这可能是具体热交换范围所要求的。这意味着对于板堆叠上的任何位置都能使用单个板设计。然而有不能采用这个原理的情形(例如中间板处理材料的总量需要最小的情况)。

在本发明的优选设计中，接近处理材料不受板间隔限制。图10的中间板处理管道15可形成为传热板的一体部分。通过使传热板更宽(及更长)，中间板处理管道可以做成要求的那么大。通过穿过板的侧面或者背面形成一个孔，象温度探头、排放装置、取样点、仪器探头、紧急泄放装置和注入点等设备可以装配在需要的地方。而且，这些仪器在板堆叠组装完后可以添加或者取下。

传统板式热交换器在板间具有处理管道，它们依赖垫圈或者焊接部把处理材料与传热流体隔离开。在本发明的优选设计中，垫圈、焊接部或者其他结合部不必用来防止传热流体和处理材料彼此发生交叉污染。而且，这种“可变板”式热交换器优选设计不要求双板设计。

还能在任何位置把处理材料引入或者引出板(如图21所示和别处所述的)。

还能在任何位置从板下面(从热交换器一侧)实现接近处理材料。在这种情况下，穿透部分通过图10中部分传热缝12。按可替换方式，可以通过间隔件上足够厚的地方的孔接近处理材料。这在图11中由“21”示出。

(i)可变板：传热流体管道几何形状

传统板式热交换器的板不是用对每个板独立的管道供给传热流体，并且传热管道通过板堆叠的主体。本发明的优选设计是，传热流体管道从侧面进入每个板，便于每个板进行独立的温度控制(或者监测)。在图11中，符号“+”表示传热流体进入系统，而符号“-”表示传热流体离开系统(传热流体的流动方向是可选的)。这允许在同一板堆叠中的不同板上同时使用加热流体和冷却流体，并允许在同一板堆叠内的各板上使用不同的传热流体和不同的温度控制策略。

(j)可变板：板尺寸

传统板热交换器的板按照不同尺寸范围构建。在本发明的优选设计中，板面积(在一个侧面上)可以同任何传统板式热交换器一样具有相同的尺寸，从小于10mm²变化到大于10m²，但通常在100mm²到1m²的范围内。

(k)可变板：内部轮廓

传统板式热交换器没有干净的、无裂缝并能完全排放的内部轮廓。本发明的优选设计针对的是可具有干净的内部轮廓、能完全排放并可没有气穴或者障碍物的热交换器。这个优选设计还应该是能够通过给每个板级(或者根据取向每隔一个板级)装配排放装置或者具有能使所有板排放到单个位置的板轮廓，而成为完全排放的。

必要时，中间板处理管道还可具有这样的轮廓：内表面没有能留住脏物或者产品的尖锐角落。

(l)可变板：清洁和拆卸

当传统板式热交换器需要打开检查、清洁或者修改处理管道表面时，必须在至少3个结合部断开密封。利用本发明的优选设计，能够打开处理板检查、清洁或者修改处理管道表面，而且这个操作通过断开不超过2个结合部就可实现。当板分隔件焊接到一个或者两个板上时，只需要断开一个结合。应该意识到，在某些应用场合下，针对本发明的优选设计可以使用两个以上的结合部。

(m)可变板：流动策略

传统热交换器限制于交叉流动、平行流动或者逆向流动等相当少的几种选择。本发明的优选设计是一个能够彻底灵活的系统，包括平行、逆向、交叉流动或者这些流动的混合(既对于处理材料也对于传热流体)。这种灵活性的原因是传热流体和处理材料能够在每个板上引入或者引出板堆叠。这为流动策略提供了彻底的灵活性。例如(可以用于放热处理)，处理材料可以流经并行的四个板，随后是并行的两个板，随后是串行的五个单个板。当在一个级上的窄的板空间代表了产能限制时，这种一起使用并行和串行流动策略的能力对于提高产能是有价值的。在某些情形下，可以跳过板或者来自一个板的处理流体能用作另一板的传热流体(为了热回收目的)。

(n)可变板：流动分配

传统板式热交换器具有流动样式，由此，处理材料经没有覆盖板整个宽度的管道进入和离开各板。类似的流动策略对于“可变容积”和”可变热通量”式热交换器来说是可接受的。但本发明的优选设计(对于多种应用场合)是维持板上均匀的处理材料速度和厚度。做不到这一点可能会导致热交换器上的处理材料温度不均匀，或者(不同反应级上的产品的)反混，以及不流动的气穴。应该认识到，很多可以使用这种设备的场合(例如化学反应)可能依赖比传统热交换系统更低的流量，而上面描述的那些问题等在低流量下通常更加普遍。跨越处理流体流动路径均匀分配处理材料和加热(或者冷却)是所希望的。

在本发明的优选设计中，通过从板的整个宽度上供给处理材料并经图10中标号15所示的板的整个宽度排出板，能够实现良好的流动分配。作为中间板缝42的替换，可以在整个板的面上钻出多个中间板孔。这些小孔可以位于一个缝中或者更大的浅孔中，以减小中间板孔附近不均匀的速度分布效应。

对于某些应用场合，较长(在处理流动分方向上)而且窄的热交换器是所希望的，因为这些热交换器为板上的交叉混合提供了更大余地，并减少了由于板宽度造成了沟流趋势。

按可替换方式，更多数量的较短的板也是所希望的，尤其是当使用窄板间隔时。通过使用短板，可减小热交换表面非理想性的影响(这将促使流动分布中的偏流)。

热交换表面的造型可用来提高传热面积、传热系数，并且诱导传热表面上处理材料的某种交叉混合。

通过设置沿着与流动相同方向的成形脊或者挡板(跨越板间隙的整个高度)能够促进良好的流动分布，因为处理材料能用来把流动路径分解成一系列平行沟道。

传统板式热交换器不使用板上整个宽度(或者几乎整个宽度)的挡板。在本发明的优选设计中，能使用整个宽度挡板和近乎整个宽度挡板。整个宽度挡板(流动控制挡板)能用来产生均匀流动(通过设置跨越整个流动路径的一系列小孔或者缝)。不同种类的挡板(混合挡板)能用来为混合目的经板上小孔抽吸所有的处理材料。必要的话，整个板上可使用多个流动控制和混合挡板。另外一种挡板(流动导向挡板)能用来引导处理材料经更长的路径(边到边或者上下)流过板。这种类型的挡板布局能用来在板间隔宽的场合下维持基本均匀的流动。

(o)可变板：热交换器

传统板式热交换器使传热流体直接通过传热板之间的整个空间。本发明的优选设计允许采用类似的方案，图10中的缝12能用作带或者不带内部挡板的增压腔(以产生优选的传热流体的流动分布)。

一种可替换技术是使用一个或者更多的小传热管道来输送传热流体。PCT公开WO2004/017007A2中描述了容积减小的热交换器。在这种容积减小的设计中，导热材料制成的中间层用来在传热流体管道和热交换表面件传递热。因为包括更有效、更均匀地传递热等多个原因，这种设计是所希望的。可以使用总量非常少的传热流体，而且即使在很低的流量下也有可能保持良好的控制和有效的热传递。后面的这个益处对于热平衡量热法是有用的。

在容积减小设计中，来自传热流体的热量用导热板传递给处理传热表面。PCT公开WO2004/017007A2描述了如何通过夹紧或者弹簧加载机构可将导热板装配到传热表面，并描述了导热垫或脂可用来排出铜板和传热表面之间的空气。在可变板设计上可以使用同样的概念。在板更小的情形下，传热管子(载运传热流体)33能从外面连接到夹在处理板之间的导热片，如图16所示。在本发明的优选设计中，能使用在传热缝内的导热板。导热板的替换方式是使用导热填料在传热流体管道和传热表面间传递热。可使用下面的选择：

·板间的空间可用金属等导热良好的材料填充。铅、银、锡、铝、铜等材料对此而言都是理想的，因为它们具有低熔点和良好的导热性。它们可以在已经插进小管子后熔化到板间的空间中(假定处理管道材料不熔化)。

·板间空间可用铜粉等导热固体填充。可使用不同粉末尺寸的混合物来实现最佳的填充密度。铜颗粒、铜粉和细碳黑等混合物也可用来实现良好的填充密度。一旦系统进行了填充，就可用插件或者其他方法压缩到位。按可替换方式，可以使用热固性材料或者热塑性材料绕着一个铜管(或者若干铜管)铸造传热单元。然后，把这个传热单元插在两个板的薄片之间、图22中“59”所示的位置。

·板间空间可用前述固体填充，然后用硅酮油等惰性液体填充以排出空气。这种填充操作可在真空和/或高温下进行以减少空气。然后，用填充材料板或者层对该系统密封。按可替换方式，导热固体可固定在塑料、合成橡胶或者聚合物材料中。按可替换方式，可以使用某些形式的油脂。

·可以用流体从传热流体管子向处理传热表面传递热。这种流体应该尽可能导热。

图17示出的是“容积减小”设计，其中，传热流体管子34夹在两个处理板之间。在这个情形中，示出了两个传热流体管子。该图所示为俯视图(示出了带处理缝35的板)，类似图10中表示的图。

传热流体可在每个板内按各种平行流、逆向流和交叉流动的构型进行输送。利用传热流体的流动增压腔，或者利用单个或多个小铜管，可实现上述情形。使用平行流和逆向流流动策略可用来减小加热或冷却的不均匀。

一些板可以只有一面加热或冷却。对于某些应用场合，可能希望具有较厚的板(例如为了产生大的中间板管道)。利用非常厚的板，为板的每面都提供单独的加热(或冷却)源可能是优选的。在其他情形下，楔形板可能是优选的。

(p)可变板：具体配件

图19示出了如何可将仪器装配到中间板缝42。探头43可装配到缝里面，以测量温度或者pH等内容。还可以为温度探头44加工一个凹坑，不一直切穿到处理管道。

处理不受板厚度的影响(除了中间级处理材料所占容积的少量增加)。于是，传热板能做得厚些(必要的话)以在中间板缝中安装更大的探头。

中间板缝42或孔还可装配有排放点，用于排放冷凝物、清洁或去污等操作。当热交换器用作冷凝器时，可以采取使处理材料沿上下方向流动经过板的取向。下中间板缝可装配有排放点。

所希望的可以是向热交换器的不同板添加处理材料。整个板上均匀添加也可能是所希望的。图20示出了如何在任何板上进行添加。在这个例子中，多个反应物注入喷嘴钻进板间的中间板缝47中。然后经公共的反应物流动缝48(用缝盖49密封)从单个反应物添加管道50供给反应物。当使用孔而不是缝时(针对处理材料在板间流动)，针对注入点的孔可钻成以直角或者更斜的角相交，以产生文丘里效应。

在某些情形下，可能需要在板的端部把处理材料引出热交换器。在例如一些(或者全部)产品需要通过仪器的情况，可能要求这样的布局。另外，用户可能希望使处理材料通过一系列并行的板(而不是串行流经各个板)。另外，用户可能希望使处理材料通过中间级增压泵以实现沿热交换器的更大的压降，但不会在最先的几个板上产生过大的压力。图21表示的是旁通布局，由此，传热区域56上方位于板一侧的产品流51到达处理缝53。然后，经一个管子在热交换器54一侧流出系统，接着流回进到在板55下侧的第二缝55。产品于是流出到板52的另一侧的传递区的下侧上。也可将处理材料管子拿到热交换器端部而不是侧面的外面。

具体配件(排放装置、取样点、添加点、温度计凹坑等)可装配在沿板的任何位置上。这是因为容易经传热增压腔或者板间隔件(足够厚的情况)接近板的侧面。

图10所示的可变板设计适合于现场清洁(CIP)系统。喷洒喷嘴可绕着处理材料缝15钻进板中，或者安装在处理缝和垫圈之间的肩上。喷洒点还可装配在分开板的分隔件内(图11标号21)。

(q)可变板：加工

可变板式热交换器可用任何通常材料构建，如塑料、钢、合金、玻璃、衬玻璃的钢、衬塑料的钢、钛、钽、特种合金、不锈钢以及各种其他材料。板还可以通过一些其他的手段加衬、浸渍或涂敷，以产生保护层。板的厚度可以从小于0.5mm厚到大于10mm厚，取决于压力、温度等运行条件。

可变板式热交换器用的板可以铸造、机加工或者按段加工然后焊起来。也可以用两层或三层材料加工，然后通过熔焊、钎焊、垫圈、胶合或一些其他方法结合起来。图22示出的是三层系统，其中，处理缝57用垫圈58密封，而形成传热缝59。在板分层加工的情况下，可提供跨越板宽度的泄放孔60，以确保传热流体或者处理流体造成的泄漏不会彼此交叉污染。

如果愿意的话，两个板及其附加的间隔件可以焊在一起。在需要进入到里面进行清洁、维护或修改的场合，板可以用垫圈压在一起。垫圈材料可以是金属、合成橡胶、塑料、几种材料的合成(如PTFE包层垫圈)。如果需要，还可以使用两个密封装置间有泄漏通道的双密封布局。

处理管道的一种可替换加工方法是把两个长条材料(如金属)折叠成一系列通道，然后用侧面板密封起来，形成密封容积。接着，从外面把传热表面插进折叠中。

可变热通量控制

这一部分内容覆盖了可变热通量控制的描述。申请人的专利申请GB0509742.3中描述了这种可变热通量控制。这部分内容能够把有价值的性能增强转移到作为本发明主题的“可变板式热交换器”设计。

可变热通量控制的原理是将传热表面分解成多个部分，每个部分都有设定或者控制传热表面温度的独立手段。图3示出了围绕着载运处理材料1的管子的多极热交换器8，其中，可用手动阀V1到V6调节给每级的冷却或者加热功率。

图3中的热交换器8被分解成6个单元。每个单元有手动操作的阀V1～V6和温度测量仪器T1～T6。可以调节级阀V1～V6，使各级的冷却功率不同。如我们前面假定的，两种化学物质5、6一起反应，而且这种运行产生热。通过接通这两种化学反应物流，能够建立起热交换器。然后，调节阀V1直到温度T1是可接受的。接着以同样的方式调节下一个阀V2。反复进行这个过程直到所有传热单元都被调过。按这种方式建立起来的热交换器将经过该热交换器给予一个均匀得多的温度分布(或者适应处理需要给予非均匀分布)。如果知道各反应热，那么，可以用惰性流体建立起反应器，使加热或者冷却条件正确。

整个热交换器上的希望温度分布可能不是平坦的，在某些情形下，甚至加热和冷却单元的组合也可以用来实现理想的温度分布。

一旦系统调整好，就可使用单个自动主阀V7接通冷却(或者加热流体)，并用温度控制器3来调节最终温度T7。应该注意，手动阀也可用作V7。这种类型的热交换器的控制特征不同于传统系统。如果调节主阀V7(适应运行条件的变化)，那么整个热交换器上的温度分布也将受到影响。即使温度分布可能在这些条件下停止优化调整，也将好过没有任何中间级调节的系统。

当针对不同处理操作使用热交换器时，手动级阀可以作为一个装备进行调整，并可针对其他处理操作用不同装备替换。

图4中所示为一个可替换设计。这个设计是使用基本恒定的传热流体流动(如果需要，传热流体可绕着热交换器循环)，但可以使用主阀V7通过在更冷(或者更热)的传热流体流中混合来修改传热流体的供给温度。

图4所示设计的优点是，不论处理热负荷如何，都可采用高流量的传热流体。

如图5所示，可用自动阀调整热交换器8。

利用图5所示设计，温度计单元T1～T6用来控制相应阀V1～V6的位置。于是，T1用来控制V1等等(为了图面清晰，没有示出各个控制器)。自动阀的优点是，可以自动设定或者修改阀位置，并能将关于阀位置的信息存储在软件中。在这个例子中，图3、4中谈及的主阀V7没有示出。对于这种设计，由于V6提供了最终处理温度的控制，所以，V7不是必须的。

如图6的简化图所示(图中，为了图面简单没有示出阀和控制细节)，“可变热通量”(或“可变容积”)式热交换器还可用作量热计。

图6中所示的仪器包括用于传热流体的质量流量m的仪器、入口传热流体温度T_in的仪器和出口传热流体温度T_out的仪器。根据已公开的技术、通过试验、或者根据已知的数学关系式，可以确定进出的传热流体的比热Cp_in和Cp_out。传热流体获得或者失去的热量q如下计算：

q＝(m·Cp_in·T_in)-(m·Cp_out·T_out) (W)

如果热交换器的控制策略基于传热流体的入口温度(而不是传热流体的质量流量)，那么，系统可以使用循环回路。在这种情形下，通过测量正在注入循环回路的新鲜传热流体的质量流量和通过测量该传热流体进入和离开时的温度差，能确定热平衡(传热流体的质量流量和温度变动)。同任何量热法一样，该系统也要针对外界损耗、泵能等调到零点。

通过类似方法也可以在处理材料上进行热平衡(当处理材料通过热交换器时通过测量质量流量和温度变化)。

整个热平衡提供了关于反应效率的信息，并允许用户就处理供给速率、运行温度、循环速率等参数做出明智决定。

一种可替换的温度控制策略是使用固定的级阀位置V1～V6，并用一个多口阀把它们级联起来打开，如图7所示。

图7所示设计是使用手动级阀V1～V6，并用先前描述的方法对这些阀进行设定。多口阀用来接通热交换器并控制离开热交换器的产品温度。多口阀允许用户控制离开热交换器的出口温度。在这个设计中，所希望的可以是，在后端提供多个类似调整的级(例如级3～6)，以针对最终温度产生线性控制。

具有若干自动级阀和一个多口阀的热交换器示出在图8中，其中，公共管子9是更热(或更冷)传热流体的源。

图8所示设计允许用户用不同的传热区把系统建立起来。这对修改量热计的灵敏性或者改变温度控制的动态过程是有用的。

可变容积式热交换器设计

这部分内容覆盖了对“可变容积”式热交换器设计原理的描述。申请人的专利申请GB0509742.3覆盖了这种”可变容积”式热交换器。这部分内容是能用作部分“可变板式热交换器”设计的概念之一。

说明“可变容积”原理的最好方法是使用表1中描述的加工过的例子。这个例子基于放热反应，其中使用的数字只是为了说明的目的生成的。

假定处理材料正通过六级板式热交换器。该反应花费1.4秒，释放出6000焦耳(每kg产品)的热量。为了设计该系统，需要更详细地检查处理数据。热负荷可分解成六个时间分量，给出可比的焓释放，如下面的表所示。热负荷可以分解成更多的分量，或者分成不同的比值(例如，可以修改焓值以补偿沿管道传热系数的变化)。

表1

反应过程中的热量释放速率

级	起始时间	终止时间	释放热量(J·kg^-1)
级	起始时间	终止时间	释放热量(J·kg^-1)	1	0	0.2	1000
2	0.2	0.6	1000	1	0	0.2	1000
2	0.2	0.6	1000	3	0.6	1.4	1000
4	1.4	3	1000	3	0.6	1.4	1000
4	1.4	3	1000	5	3	6.2	1000
6	6.2	12.6	1000	5	3	6.2	1000
6	6.2	12.6	1000	总计	11.4秒		6000

开始时的反应速率非常快，然后逐渐变慢。因此，如图9所示，冷却板10之间的优选板间隔Z需要随着处理材料移动经过热交换器而逐渐变大。

计算热交换器内每级所需的冷却功率q是可能的。为了举例计算，假定热交换器设计为六级系统，每级去除1000J(每kg)，并且产品以1kg·s^-1的速率供给反应器。

于是，根据表1，第一级上的热负荷是1000J，停留时间需要0.2秒。

在下面的方程中，注意：下标数字1、2、3、4、5、6用来表示条件应用于相关的级号。没有使用下标时，意味着同样的参数应用到所有级上。

第一级的冷却功率q是：

q＝Q/θ₁ (W)

其中，Q＝该级释放的总热量 (J)

θ₁＝第一级的停留时间 (s)

因此，q₁＝1000/0.2＝5000 (W)

计算每级所需的传热面积A是可能的。为了举例计算，假定所有级具有相同的传热面积，传热系数是1000W·m^-2·K^-1，并且该处理运行在30℃，冷却套为0℃。

各级上所需的传热面积A为：

A＝q/(U·ΔT) (m²)

其中，q＝各级的热负荷 (W)

U＝整个传热系数 (W·m^-2·K^-1)

ΔT＝各级的温度差 (K)

因此，对于第一级，A＝5000/(1000×30)＝0.167m²

注意：对于这种类型的热交换器，所有板都具有相同面积，因此，确定第一板的大小也就为所有板设定了板尺寸。

接着计算各板级的长度L。为了举例计算，假定板是其3倍宽度那么长。

各级上的板长度L为：

L＝3W (m)

其中，W＝板的宽度 (m)

第一级上的板长度也可以是：

L＝A/W (m)

其中，A＝每级的传热面积 (m²)

W＝板的宽度 (m)

注意：第一级的板面积是传热面积的一半。其原因是，在第一级的流动通道任一侧有两个并行的板。

因此，替换W，

L＝[3×0.0835]^0.5＝0.236^0.5＝0.5 (m)

接下来，计算各级的宽度W。

级的宽度是：

W＝L/3 (m)

其中，L＝各级的长度 (m)

W＝0.5/3＝0.167 (m)

然后，导出第一级上处理材料的线速度V₁。

第一级上的线速度V₁是：

V₁＝L/θ₁ (m·s^-1)

其中，L＝该级流动路径长度 (m)

θ₁＝第一级的停留时间 (s)

因此，V₁＝0.5/2＝2.5 (m·s^-1)

下一步是找出处理材料的流量G。假定处理材料的密度ρ是800kg·m^-3。

体积流量G是：

G＝m/ρ (m³·s^-1)

其中，m＝处理材料质量流量 (kg·s^-1)

ρ＝处理材料的密度 (kg·m^-3)

因此，G＝1/800＝0.00125 (m³·s^-1)

现在可以计算第一级处理管道面积a₁：

a₁＝G/V₁ (m²)

其中，G＝体积流量 (m³·s^-1)

V₁＝处理材料的线速 (m·s^-1)

a₁＝0.00125/2.5＝0.0005 (m²)

现在，可以确定第一级上板分开间隙Z₁。

板分开间隙Z₁为：

Z₁＝a₁/W

其中，a₁＝第一级处理管道面积 (m²)

W＝板的宽度 (m)

Z₁＝0.0005/0.167＝0.003 (m)

于是，用于该设计的板是500mm长，167mm宽。第一级上的板间隔是3mm。

然后按同样方法导出第二级上的板分开间隙Z₂。

使用针对第一级的同样方法：

V₂＝L/θ₂＝0.5/0.4＝1.25 (m·s^-1)

a₂＝G/V₂＝0.00125/1.25＝0.001 (m²)

Z₂＝a₂/W＝0.001/0.167＝0.006 (m)

Z₂＝6mm

针对所有级(针对3、4、5、6的计算没有示出)的速度和板间隔示出在下面的表2中。

表2

针对6级的流体速度和板间隔

级	流体速度(m·s^-1)	板间隔(mm)
级	流体速度(m·s^-1)	板间隔(mm)	1	2.50	3
2	1.25	6	1	2.50	3
2	1.25	6	3	0.63	12
4	0.31	24	3	0.63	12
4	0.31	24	5	0.16	48
6	0.08	96	5	0.16	48

从这些结果中可以看出，在后面的级中板间隔变得很大(针对这个具体的反应)。这会产生流体分布问题。一种选择是把挡板装配在后面的级中(为处理流体增加有效路径长度)。另一个选择是按不同类型的传热器件来完成最后的几级。例如，按大搅动批量槽或者使用回路设计完成最后几级。还可以用级联的中等规模搅拌容器按半批量模式完成。可替换的方式是，如果要求均匀流动，那么可在长管子中(利用冷却)或者在更短更粗的管子中利用脉动流动(利用冷却)进行反应。

可采取对各级更严格的分析来评估各板上的温度分布。这样可以揭示出，要求6个以上的级来实现足够均匀的温度分布。在某些情形下，为了产生特定温度分布，可能要以非均匀方式改变每级冷却功率。在某些情形下，这样做可能在同一热交换器上同时需要加热和冷却。当达到了合适的板布局时，“可变热通量”技术可应用于板上(必要的话)，以修改或者细调处理温度分布。这样做避免了需要进一步对板间隙的机械修改。

有人可能会主张明智的板间隔可不再需要改变传热表面的温度。实际上，可变容积设计的整个基础是，如果采用了正确的方案，那么单个的温度控制器就能给予热交换器上的优选加热或者冷却分布(即使在热交换器的不同部分上冷却或加热的要求不同)。虽然“可变容积”是一个好方案，但是，多个独立控制的传热区域这种补充或者替换选择是有价值的增强，原因有多个：

·能把表面积和板间隔的比值改变到多高是有限制的。如果把热交换器设计为一系列小管子，那么，随着管子变得很小，堵塞将会开始成为问题。如果把热交换器设计为一系列板，那么，随着板相互靠得更近，堵塞和沟流会成为问题。另一方面，如果传热周长和处理管道面积的比值变得太小，那么，会遇到流动分配问题，或者设备建造成本可能更大。

·在实践中，用户可能想要改变热交换器运行条件但不必重建热交换器。这样做可能是因为用户想要试验不同的温度分布。也可能是因为需要热交换器处置不同的产品或者不同的产品供给速率。

·确定热交换器大小的设计方法不会给真实情景的条件提供完美的解决方案。计算通常含有数值上的近似和假定。在真实情景中处理条件也可能发生改变(例如传输处理材料的温度或流量)。细调任何设计的能力是控制系统一个重要功能。

所以，结合“可变容积”使用“可变热通量”是对“可变容积”本身的所希望的设计提高(对于某些应用场合)。

“可变容积”和”可变热通量”式热交换器的设计

这部分内容概括讲述的是，虽然“可变容积”和“可变热通量”原理都能应用于多种热交换器设计，但是，本发明的“可变板式热交换器”是一种用于包含这两个原理的特别强的设计方案。

在前面部分的例子中，一个放热反应被分割成6个反应级，每个反应级在给定时间段上都有类似的焓负荷。这个问题也可能已发生在处理材料比容不断改变(例如气体冷却器)或者质量流量不断改变(例如冷凝器)或者由于其他原因要求不同的传热条件等场合。在每一种情形下，该问题最终归结为实现特定速度分布。速度对于压降、流体混合、流动分布、传热、设备大小等等都是有牵连的。最佳设计可能包括利用连续变化(例如楔形)的处理管道面积或者多个(但不同)固定处理管道面积或者这两种方法的组合来使用“可变容积”。于是，冷凝器可能具有一个或者两个楔形处理管道，跟着的是并行的处理管道(具有相同或者不同的处理管道面积)。一旦知道了所希望的速度分布，就能通过确定各级处的处理材料条件(所希望的速度、质量流量、比容)以及各级处的传热条件，为每一级确定处理管道面积。一旦级的数量已经被决定下来，就可计算每级的传热面积，或者按可替换方式，一旦每级的热交换面已经被决定下来，就可以计算级的数量。

可变容积这个概念允许用户设计出更小、更有效的热交换器。在板式热交换器的情况下，尺寸的减小可以是板数量减少的形式，或者板更小的形式或者板间间隔减小的形式。

“可变容积”和“可变热通量”的概念对于针对某些类型的处理场合的热交换器赋予了各种优点。虽然多种热交换器适合于按这些模式的任一种运行，但是有三种一般种类的热交换器，具有如下特殊的利益：

·具有插入式传热单元的热交换器

热交换器可设计成在处理材料中具有各种插入式传热表面(如内部盘管、管子或者板)。然而，由于传热表面的任何改变会影响处理管道面积，所以，插入式传热表面具有复杂的设计关系，还难以清洁并且容易堵塞，还会产生不是最优的流动分布，如非均匀流动和或不流动的气穴。这对于处理来说是不希望的，并会造成定制设计或者修改困难。

·具有简单几何轮廓的热交换器

优选的方案是在热交换器中，处理管道具有简单的内部几何形状(除了用于增强传热条件和流动特征的表面造型外)，并仅仅使用处理管道封闭表面作为传热表面，而在处理材料中没有薄片盘管或者管子等突起。这个概念的简单表现是由加热/冷却表面包围的圆形(或者其他简单几何形状)管子。对于给定的管子直径，可以施加的加热或者冷却量取决于流体速度和管子直径。通过使用一系列连起来的不同直径的管子，传热周长和处理管道面积的比值可适合于满足不同处理级处的传热需要。为了针对给定管子尺寸改变加热或者冷却能力，改了处理材料速度。不幸的是，对于给定管子直径的最佳流动能力范围是受限制的，而且传热周长和处理管道面积的比值随着直径增加而下降。由于这个原因，这种简单的管道途径具有差的提高产能或者降低产能特征。

·板设计

板式热交换器是对简单管概念的改进，其传热周长和处理管道面积间的关系简单(通过改变板间隔)，没有障碍物并容易建造和清洁。所以，板式方案是针对“可变容积”式热交换器的好方案。

处理益处

本发明的可变板式热交换器在很多方面都有超过传统板式热交换器的优点，其能按照和传统热交换器相同方式(具有均匀板间隔)针对一般的加热和冷却工作状态进行构建。然而，因为用户能定义板间隔，所以，对于给定应用场合能够利用传热大小和质量流量大小之间的理想比值把热交换器建立起来。因此，通过改变板间隔件，同样的传热板就可以用在处理材料更高或者更低的产量上。具有这种设计的热交换器还具有更好的传热特征、排放点、取样点、一个或者更多板上的在线线路仪器、添加点、中间级增压泵、以及针对传热流体和处理流体对于流动策略更灵活的选择。这种设计还提供了更清洁的内部几何形状和自由排放特征(以及必要时现场清洁)。

可变板设计对于开发“可变容积”和“可变热通量”原理也是理想的。下面讨论这些益处和所有这些益处的用途。

(a)均匀的温度控制

温度控制对很多处理操作都是基本的。传统的温度控制技术可以对最终产品提供非常好的温度控制，但是不总是擅长于防止热点或冷点。处理中的瞬间温度偏差可能是不希望的。例如，温度偏差可能以不同方式阻止反应发生或者促进错误类型的处理变化(如错误的反应)。在某些情形下，温度偏差可能引发危险的失控反应。温度偏差还可能造成不希望的变化发生，如处理中的沸腾、冻结或者燃烧。在聚合处理的情况下，不想要的瞬间温度偏差可能影响产品质量。非常好的温度控制能增强一些处理中的选择性以给出更好的产率和质量。通过使用可变容积原理，热交换器的传热能力可以按照这样的方式构造：即使是不均匀处理热负荷(在每单位容积的基础上)，也能维持热交换器上的均匀温度分布。在某些情形下，强加热或者冷却在热交换器中的一个位置处可能是希望的，但在另外的位置(例如在热敏感的产品中粘度发生变化的地方)可能造成破坏。可变容积原理允许用户在要求的地方适当地加热或者冷却。

所补充的可变热通量控制特征使用户能够在热交换器上实现近乎理想的加热或冷却分布，即使是在可变容积分布不是最佳的情况下。下面给出一些应用例子(针对放热和吸热过程)。

i)有机化学反应

ii)无机化学反应

iii)聚合

iv)结晶

v)生物过程

(b)非均匀传热条件

对于某些可能或可能不释放/吸收热的处理，为了实现处理变化必须要把处理材料置于其优选温度范围之上或者之下。为了这种操作，通常希望在完成必要改变后尽可能快地使处理温度返回到可接受的值。牛奶的巴氏杀菌是这种处理的一个例子。这种类型的操作的优选解决方案是一个单件式设备，其能在整个系统加以特定的温度分布。“可变热通量”概念对于这种运行是理想的，并允许在单个热交换器内产生复杂(和可修改)的温度分布。因为加热段和冷却段间的处理管道如此之短，所以降低温度时的延迟非常短。这就使可变容积和可变热通量概念对于食品、化工、制药以及生化处理中的某些类型的传热操作是理想的。

可变热通量式热交换器(具有或者不具有可变容积特征)还可以用于更复杂的控制策略。例如，可能希望使供给的材料的温度适当升高(通过施加非常弱的冷却)，随后在反应器末端进行强冷却。在其他情形下，可能希望同时使用加热和冷却。例如，放热性非常强的反应物会在非常冷的条件下混合在一起(以抑制反应)，然后用一小段传热表面加温以使反应开始。通过这样做，反应物能很好地混合并当反应开始时处于传热表面上的理想位置。在某些情况下，给定热交换器可能使用多次加热和冷却循环。

对于处理材料的物理特性变化可能导致问题的处理运行场合，可变容积和可变热通量概念是有益的。例如，在某些食品处理场合中，处理材料在通过热交换器时其粘度的改变可能影响传热特性，结果导致热损伤或者产品冻结或沸腾。通过使用可变容积和/或可变热通量，可在某些级上施加强加热或者冷却，而在其他地方施加要温和些的传热条件。

(c)可变容积处理

“可变容积”概念对于运送比容或者质量流量变化的处理材料是理想的。例子包括气体的加热和冷却、液体的冷凝或蒸发。用于这些应用场合的“可变容积”为优化性能、尺寸、成本、效率以及给定热交换器上的压降提供了更好的余地。这给了热交换器能提供更好性能、建造起来更便宜、运行起来能量效率更大的前景。倘若传热系数和或热负荷可能在这样的处理中变化非常显著，可变热通量可成为这种应用场合的补充优点。

在冷凝工作状态的情形下，可变容积和可变热通量的组合可用来达到良好的效果。这对于设计用来从气体中除去水分或者挥发掉若干化合物的系统来说尤其有用。在若干敏感级上可监视冰或者蜡的形成(使用温度、冷凝流、压降、接近开关在传热流体等中探测冰、电气连续性、温度变化)。当冰或蜡开始形成时，给定级(或者一组级)上的热通量会发生改变而阻止该问题。然后，在其他级上对冷却功率进行必要的增加，对此进行补偿。于是，可以用手动阀建立起热交换器或者针对结冰的迹象连续监控热交换器并进行必要调节。另一种控制策略(不必使用“可变热通量”)是针对冰的形成进行监控并调节整个系统的温度。再一种控制策略(不必使用“可变热通量”)是针对冰的形成进行监控并控制传热面积，如图7所示。

(d)改进的加热和冷却功率

对于传统热交换器设备来说某些反应释放或者吸收太多的热。这种情况的一个例子是反应的瞬间温度升高(或下降)以某种方式损害产品或者影响处理。在某些情形下，这种结果可能彻底阻止反应运行。虽然在其他的一些情形下，这个问题通过用溶剂稀释反应混合物进行控制。

当化学反应释放热量时，可以通过增加处理材料通过传热表面上时的速度、减少处理材料层的厚度，增加在给定时间内(以及每处理材料体积)施加的冷却。然而，因为速度增加和层(两个传热表面之间的)变薄，所以，使流体运动所需的压力增加。压降最终成为对于给定速度处理管道能做多薄的限制因素。如果热交换器的处理管道具有恒定的处理管道面积，那么，高压降施加在整个装置上而不是热释放(或吸收)最强烈的地方上。于是，在处理中产生的热释放(或吸收)不均匀的情况下，单单基于压降，这种可变容积设计就总是能给予更好的传热性能。这意味着，在可变容积原理上构建的热交换器能控制更强放热产生的温度或者更浓缩的反应物的混合物。这种方案有多个优点，如更快的反应、更好的选择性、稀释剂的用量减少等。

(e)构建成本和能量节约

很多传统热交换器为了标准化的好处采用了设计上的折衷。例如，用于传统板式热交换器的板按针对特定板间隔的形状冲出。在这个方面，标准化设计可能要使用比理想情况更窄的处理管道轮廓。这样做的代价将是高运行成本(由于过大的压降)。按可替换方式，选定的处理管道轮廓可宽于理想情况。在这种情况下，热交换器的构建成本和尺寸会高于理想情况。而且处理管道非最佳尺寸确定可能导致淤塞(针对低速)和侵蚀(高速)。可变容积式热交换器具有高得多的优化程度。可变板式热交换器允许这种优化以合理成本实现。结果，这种热交换器将工作得更好，而且在很多情形下，构建或者运行起来将更便宜。

(f)其他效益

可变板式热交换器中的传热流体分别用管子送进各板，这种情况用处理管道可以实现。于是，可以采用任何数量的流动策略，如热回收系统(例如，同处理排放材料对处理供给材料进行加热的场合)。

(g)改进的处理控制

在处理控制和优化中，对处理进行监测的能力是一个重要因素。可变板设计允许用户监测并评估热交换器上不同的温度分布，还提供了简单的手段在中间位置处取样分析。热交换器上的温度分布可调整成各种分布。可以监测处理释放或者吸收的热量。可变板设计还具有良好的提高产能特征(更宽的板或者多个装置)。这些特点使可变板设计成为研发、提高规模以及满容量的制造厂的理想工具。

应用场合

在下面所述的任何一种应用场合中，可变板设计都是一种理想的方案。在某些情况下，可变板式热交换器可以同或者不同“可变容积”或“可变热通量”一起使用。

·可变热通量、可变容积和可变板设计对于处理工业都是有价值的。它们可以用在批量式处理中、半连续式处理中以及连续式处理中。当和批量或者半连续式处理一起用时，优选的是，可变板、可变容积或者可变热通量式热交换器安装在一个循环回路内，实现处理表面上的流动。对于这些类型的应用场合，可以享受到更好的反应选择性、更快的处理以及减少原材料的使用等好处。就处理管道面积(即使整个板上都是均匀的)而言，这种热交换器还能针对处理工作状态进行更好的尺寸确定。

·可变容积和可变板式热交换器对于热交换器内要求特定温度分布的情况是有用的。这包括很多化学和制药以及生物制药处理，也包括很多食品工业中的处理。

·可变板式热交换器对于使用催化剂的反应是理想的。对于这种应用场合，“可变热通量”还是一个有价值的补充。催化剂材料可以涂到传热表面上或者作为某种形式的固体包含在处理管道内。

·可变容积、可变热通量和可变板式热交换器对于空间或者构建成本(尺寸造成的)是重要一个考量的应用场合是有用的。例子包括机动车、石油钻塔、轮船、飞行器、近海设备、建筑物、制冷系统、加热以及通风系统等。在大系统的情况下，通过使用大片的金属板，小铜管(用于加热或冷却)夹在板间(以及可能使用导热的填料)，可以产生低成本的传热单元。

·可变容积和可变板式热交换器对于压降是运营成本中一个重要考量的应用场合是有用的。这包括用来压缩、膨胀、加热或冷却气体的设备以及大型化工和石化工业中看到的蒸汽系统，还包括热和通气系统以及制冷系统等针对气体和蒸汽的其他大系统。

·可变板式热交换器可应用于希望有清洁的内部以及良好的自排放特性的场合(结合或者不结合可变容积或可变热通量)。对此，好的应用包括制药和精细化工应用中的处理冷凝器。

·可变板式热交换器对于希望拆卸清洁的应用场合是理想的。这包括食品工业、药品制造，但也包括其他希望间歇清洁的制造处理场合。

·可变容积、可变板和可变热通量式热交换器对于从气体流中除去水份和溶剂是理想的。在这个方面，这些热交换器可用于从化工或者制药处理中除去污染或者对燃烧处理进行冷却。

·可变板式热交换器可用于相对热传递面积要求特定管道尺寸或者要求能选择以最小的成本修改管道尺寸的传热应用场合。在这个方面，可变板式热交换器具有很多的应用，如加热和冷却大量的处理液体或水。

·可变板式热交换器和可变容积式热交换器可用在核反应堆中传热所用流的产生、水工业、化学工业和制药工业。这些热交换器可用于民用加热和冷却系统、民用水加热器和制冷器等应用场合。

Claims

1.一种整体式热交换器，包括含有传热流体的多个不同的传热单元或者区域，处理材料经所述多个传热单元或者区域流动，其中，所述传热流体单独地输送到各所述传热单元或者区域或者从各所述传热单元或者区域离开。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器是板式热交换器。

3.根据权利要求2所述的热交换器，包括两个或者更多的板。

4.根据权利要求2或者3所述的热交换器，其中，在所述热交换器的本体内设有孔，以使所述处理材料能直接从一个板传送到下一个板。

5.根据前述任一权利要求所述的热交换器，不含有防止处理材料进入传热流体管道的密封或者焊接部。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的热交换器，其中，不需要密封来防止所述传热流体进入到处理流体管道。

7.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，设有一个缝或者一系列孔，所述缝或者孔跨越了热交换器的基本整个宽度，用于使处理材料流进或者流出各板。

8.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，所述板用至少一个分隔件保持分开。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述分隔件是独立于所述传热板的物件。

10.根据权利要求8或者9所述的热交换器，其中，所述分隔件所具有的轮廓使得所述板间隔从所述处理管道的一端到另一端变化。

11.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，加热和冷却都施加于不同板或者板的不同段。

12.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，所述处理材料用管子运进或者运出所述板或者任一板。

13.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，设有从排放点、添加点或者释放管中选出的附件。

14.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，一个或者更多板设有仪器。

15.根据权利要求14所述的热交换器，其中，不需要拆开所述热交换器就能接近或者取下所述仪器。

16.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，所述处理流体能够按照并行流动或者串行流动或者二者的组合的方式通过所述热交换器。

17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，不拆开板堆叠就能改变流动样式。

18.根据权利要求16或者17所述的热交换器，其中，来自一个板或者板区域的处理流体用作另一个板或者板区域上的传热流体。

19.根据权利要求18所述的热交换器，其中，不拆开板堆叠就能够建立起流动布局。

20.根据前述任一权利要求所述的热交换器，其中，按至少三层的方式产生板组件，其中的两层用作传热层，第三层用作这两个传热层之间的分隔件。

21.根据前述任一权利要求所述的热交换器的用途，所述热交换器用作化学反应的连续式反应器。

22.根据权利要求21所述的用途，所述反应是聚合反应。

23.根据权利要求1～20中任一项所述的热交换器的用途，所述热交换器用作批量式或者连续式处理的热交换器。

24.根据权利要求1～20中任一项所述的热交换器的用途，所述热交换器用作冷凝器。

25.根据权利要求24所述的用途，所述热交换器用作用于批量式处理的塔顶产物冷凝器。

26.根据权利要求1～20中任一项所述的热交换器的用途，所述热交换器用作用于除去污染物的冷凝器。

27.根据权利要求1～20中任一项所述的热交换器的用途，所述热交换器用于制造精细化学制品和药用化合物。

28.用于制造根据权利要求1～20中任一项所述的热交换器的部件集合，包括一系列热交换器板和分隔件，所述热交换器板组装后为处理材料的流动提供通道，所述间隔件与所述热交换器板组装后为所述处理流体的流动通道限定板间隔。