CN101815919A - 具有液态中间体的紧凑、高效气体-气体复合回流换热器 - Google Patents

具有液态中间体的紧凑、高效气体-气体复合回流换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在第一壳程流体流和第二壳程流体流之间进行高效热交换的液体-环路复合回流换热器，第一壳程流体流和第二壳程液体流具有相似热容率(W/K)。复合回流换热器由至少两个用于从壳程流体，通常是气体，向中间体管程导热液(HTL)传热的流体-液体(FL)回流换热器组件组成。每个FL组件包括多个位于压力容器内的热绝缘、串联且相邻的换热器芯。芯是成排的翅片管，用于错流传热，并且它们是串接设置的，以在HTL和壳程流之间有效实现逆流换热。HTL可以是水、有机液体、熔融合金、或熔盐。

Description

具有液态中间体的紧凑、高效气体-气体复合回流换热器
相关申请的交叉引用
本申请要求在2007年12月21日提出的美国申请号为61/016,247和在2008年3月5日提出的美国申请号为61/034,148的权益，将上述二者作为参考文件引入本申请。
技术领域
本发明的领域是热交换器，特别是，利用具有液态中间体的复合回流换热器，实现洁净气体间高效、紧凑的气体-气体换热，该气体具有相似的热容率。
背景技术
具有高热效率及在成本效益上有数量级提高的气体-气体换热对满足全球能量需求是至关重要的，如在至少两个共同待决专利申请中所示。从制造前景上讲，存在的难题是：生产在管的内部和外部均具有紧密间隔的翅片的热交换器是不切实际的，且迄今为止可供替代的方法未取得很大成就。
在过去的四十年里，为实现各种目的，大量热交换器已经被很好地优化。然而，在两股流体的热容率相近的情况下，绝大多数热交换器未能实现高热效率ε。流体的热容率(heat capacity rate)W定义为GCp(其国际单位制单位为W/K)，其中G为质量流率(kg/s)，Cp为比热(J/kg-K)。根据ε的标准定义(传导的热量与理论极限的比值)，高ε值在Wmin(较弱流体的)远远小于Wmax(较强流体的)时最易实现。然而，只有在Wmin接近Wmax时，才能使热损耗最小。术语“回流换热器(recuperator)”和“回热器(regenerator)”通常意味着流体具有相似的W值，这正是本发明中主要关注的用途和条件。然而，流体不必处于相同状态，一种可以为液体，而另一种为气体。
常见的低成本但具有高热损耗的热交换器包括：汽车散热器和空调冷凝器。例如，在汽车散热器中，加热的空气在温度远低于热水流入温度的情况下流出。因此，大多数水的热(能量可用性)被损耗了，不管人们如何选择来精确限定其损耗量。其它用于不相关目的的低成本紧凑型换热器包括微通道，紧凑型流体冷却系统，如美国专利US 6,907,921中所示。
致力于高ε值的流体热交换器的子集主要有以下情况中的一种：冷凝蒸气-液体、冷凝蒸气-气体、沸腾液体-液体、沸腾液体-气体、液体-气体、或液体-液体。在所有这些情况中，至少一侧的流体的导热系数，kt，W/m-K，相当大(通常大于0.2W/m-K)，或者有一侧产生相变带动小型湍流。普通的气体-气体交换应用是在蒸汽动力-发电过热器中。然而，此处蒸汽具有高导热系数和相对高的密度(例如，在10Mpa，650K下为0.067W/m-K和40kg/m3)。此外，这里的高ε值并非要到的目的，因为烟气随后被用以实现沸腾。气体-气体交换有时还能使用于蒸汽动力发电装置的空气预热器中。此时，尽管通常烟气温度的最低值为～400K以限制酸冷凝时的腐蚀，而这限制了这些换热器的ε值，但仍可以得到适当高的ε值。
使用低泵送功率在气体-气体交换中实现高热效率已经成为一项挑战，因为体积比热要比液体的低得多且导热系数通常要低。在使用刚刚超过倾点温度时粘度值便非常高的有机液体的回流换热器中实现高ε值同样是一项挑战。
Doty在美国专利U.S.4,676,305中公开了一种对具有相似W值气体以低压降实现高效换热的简捷方法。然而，这种微管回流换热器还不能与钎焊板翅式进行商业上的竞争，钎焊板翅式可以在30-250kW及偶尔高至25MW的范围广泛应用于回热式开式布雷顿循环(Brayton cycle)。可见，例如，可以从加利福尼亚州(CA)的查兹沃斯(Chatsworth)的凯普斯通涡轮公司(Capstone TurbinesCorporation)得到微涡轮。这些同样具有有限的成本效益，且对在高温时(高于～750K)两种流体之间具有大的压差(大于～0.7MPa)情况下的应用有限制。
优化的，紧凑型高ε值气体-气体回流换热器要求低流速(声速的百分之几)，总的流程换热长度在0.1至2m的范围内，并且通道水力直径(hydraulicdiameter)为0.5-8mm，较大直径相应于将近0.1Mpa的压力，较小尺寸相应于高于0.5Mpa的压力。它们还要求使用具有相对低导热系数的建筑材料，而本发明未有此要求。
替代并联数以万计微管的是较少使用但被认为是一些紧凑型换热应用中最具竞争力的旋转蜂窝回热器，应用于一些对系统质量要求严格的涡轮发动机中。Oda等在美国专利US 4,304,585中公开了早期的一种陶瓷设计。回热器几乎没有应用，主要是由于其难以在高压流和低压流之间实现充分的隔离，还因为陶瓷颗粒的脱落导致涡轮磨损。
因为需要具有高温下的抗氧化能力和在流向上低导热系数的优点，陶瓷通常被选用于在回热航空-涡轮应用中的蜂窝回热器。旋转陶瓷蜂窝回热器的ε值超过98％，而钎焊板翅式回流换热器的ε值很少能超过87％，这主要是基于对成本和质量最优化的控制。就给定交换功率和ε值，与板翅式微涡轮回流换热器相比，蜂窝回热器以数量级程度的更紧凑及成本更低，而板翅式微涡轮回流换热器与目前多数化学工程和发电应用中的气体-气体换热器相比，也以数量级程度的更紧凑。
抗氧化能力在一些应用中是不相关的，在这些应用中，较低成本并具有较高可靠性的蜂窝回热器可以由低传导性合金蜂窝制造获得，诸如硅青铜、不锈钢、或一些镁或铝合金。硅-镍-铜制品的导热系数可以低于40W/m-K，除非为了更紧凑的应用，120W/m-K已经足够低。例如，导热系数为～90W/m-K的镁合金已经被试验性地用于直升机的涡轮轴发动机。钛合金会更好些，且在未来十年内，它们的相对成本应该会降低。与陶瓷相比，金属具有更高的热应力公差，这对于耐用性是非常有益的，因为热应力是限制陶瓷回热器设计和导致颗粒从陶瓷回热器上脱落的主要原因。
在许多移动气体-气体交换应用中，当孔隙直径约为0.7毫米时，对于给定的性能，回热器的成本典型地接近最低。已被很好地了解了三十年以上的相关设计理论最近由David G Wilson在″Design and Performance of a High-Temperature Regenerator Having Very High Effectiveness，Low Leakage andNegligible Seal Wear(具有高效率、低泄漏及可忽略密封的高温回热器的设计和性能)″(GT 2006-90096 Turbo-Expo 2006)一文中进行了评论与更新。金属在蜂窝中的使用，或许与Wilson的美国专利US 5,259,444中的创新一起，可以提供一种圆满的方案来解决较大回流换热器中，在两股流体之间具有小压差时的密封和磨损问题。
然而，旋转蜂窝回热器仍具有大量限制，或在两种流体之间有大量压差，或尺寸小(低于～100kW)，或较低压流体大于～0.4MPa。最后一个条件在限制泄漏和带出方面带来更大的困难，并且导致在蜂窝(为了足够的蓄热)中不合理的低孔隙率(或高坚固性)要求。高坚固性加重了轴向的热传导损失，并使得回热器更重，并可能更容易产生应力相关故障。当两个或更多上述条件同时存在时，蜂窝受损明显。
高ε值换热器在许多低温工艺中是必要的。在低温制冷机中一种普通且非常有效的设计是使用微-多-端口(MMP)管道，一种气体从一个方向通过一些″端口″(通道)流入，并且另外一种气体从相对的方向通过另外的端口流入。对于极高压力(大于1MPa)以及低温(低于140K)下的气体，微管(内径(ID)在1mm以下)在非常长的长度(4-20m)内的粘性损失在大多数情况下是完全可以接受的。许多低温回流换热器在这种条件下运转，其中杰出的逆流回流换热器可以用MMP管道或相似的结构来制造。对于上述条件之外的众多低温应用，本申请提出的新型复合回流换热器将是更优的。
本申请的创新基础借鉴于高度发展并最优用于空调(AC)冷凝器和汽车散热器的液体-气体换热器。为了达到在气体-液体换热中有时所需要的高ε值，仅需要以串联形式安装5至30个这样的换热器，伴随着液体从第一个连续流至最后一个，而气体则是从最后一个连续流至第一个。这种逆流换热器与具有相似流速、压降、和ε值的常规壳管式气体-液体逆流换热器相比，可以以数量级程度的减少重量及成本。
在过去四十年中，许多空调公司已经对普遍存在于AC冷凝器中的干燥-空气冷凝器进行了极大的优化。例如，大规模地制造了″80-吨″(280kW用于冷却)的空调设备。这些冷凝器中的气流通道长度通常为每排管不到3厘米；空气通道，尽管可能几厘米宽，厚度一般为～1.5mm。这相当于气流具有～3毫米的水力直径，有趣的是，这正是由Doty在美国专利US 4,676,305中提出的可替代分析预测到的在0.1Mpa的最佳值。这种装置中的冷凝器在δT(干燥空气)约10℃时排出约350kWT。一些大的商用冷冻机系统利用冷冻剂R744，CO2，其中冷凝器压力可以超过6MPa，因此，明显地，高管程压力能够由通过用于AC冷凝器芯的自动化制造工艺制造的交叉-翅片管提供。这些换热器芯通常使用远远大于其长度的双相流管程。然而，占主导地位的单相管程液体流，如美国专利US 3,922,880中举例，为在AC装置中使用而设计，同样会非常节约成本。
在美国专利US 4,831,844中，Kadle公开了对于冷凝双相管程流，通过逐级下降方法得到实质性改进，该方法中，在凝结过程中，管程蒸汽流在两个平行管中开始，随后在路程三分之二处汇集至一个单管。在AC应用中注意到有若干优点，但其中的附图也显示了在平行的翅片管排中间有交错的管程流。逐级下降和交错的管程流都将不利于单相管程液体流的高ε值换热，正如这里所提到的；但避免这种形式后，普通的AC冷凝器芯可以用作高ε值换热。
另一种提高对具有低kt值低速液体的管程热传递的常用方法是将MMP管道用于液相流，正如Guzowski等人(IMechE 1999，C543/083)和Guntly等人(美国专利US 4,998,580)中所讨论的。一种较简单的方法是插入紊流器，诸如在管内部的开放间距线圈弹簧。这些在一定条件下对液体的单相管程流是非常有益的。
使适度温度下的洁净气体壳程和液体管程之间在低成本、高ε值换热方面获得数量级改进(与壳管式换热器相比)的方案是使用若干AC冷凝器芯的串联设置(基于合理设计)，在压力容器内部串联连接。虽然上述方法对于高ε值气体-液体换热是显而易见且有优势的，但对于流经一系列热绝缘芯的液体管程却没有那么实用。壳程气体在错流管的长度方向相互交叉往来若干次的相关换热器是常见的；管往往具有翅片(尽管通常间隔3-15毫米)。然而，上述差异对于生产、紧凑性、和成本效益是相当重要的。
与适用于本发明的组件相似的单排和多排芯已经由Armstrong制造，其产品名称为DuraliteTM板翅式线圈。但显然，压力容器内部的热绝缘串联芯的值并不能达到预期设想的最佳以实现高ε值。
或许相似于用于AC冷凝器中的热绝缘芯的串联设置尚未被考虑用于高ε值气体-液体换热的原因是，大多数大的应用中还要求处理气流中的水分、酸类、和颗粒。对于多数这类情形，现有的壳管式换热器可能是最佳选择，特别是当气体压力低于0.12MPa且对高ε值没有要求时；该壳管式换热器主要发展用于冷凝壳程蒸汽，其中管直径通常为12至50毫米且壳程翅片通常间隔～6毫米。
在某种意义上，热管与在这里公开的复合换热器有关系，因为热管也使用中间体流体。然而，热管使用一种自泵双相流体管程，且非常不适合应用于气体-气体换热。因此其与热管的关系只不过很微弱。如美国专利7,296,619所示的复合、带翅片的装置冷却器中或许引入了热管，尽管该文件试图篡改并混淆″热管″的标准含义。回热器也有点相关，因为回热器利用了中间体，但其中间体是固体。
标准空调设备与本发明的复合回流换热器最相近，因为它也在两种气体之间使用流体中间体提供热传递。然而，空调设备中，每个换热器中大量的热传递包括相变，且需要一个高耗能蒸汽泵。一些在建筑中用于热量回收的空气-空气回流换热器使用了与本发明所提供的稍微相关的专有概念，但对于大多数热传递而言，所有这些显然依赖于流体中间体中的相变，且也没有证据表明它们已经实现了高ε值。
之前要求管程相变，因为它大大增加管程传热系数，ht，W/m2-K，并因此通常使换热器尺寸的显著减小。然而，本发明并不要求相变，因为它使不切实际的不可逆性最小化(因为这要求数量非常多的中间体环路)。本发明使没有相变的换热器尺寸大幅减小，且因此也易于允许高ε值。毫不奇怪，通常使用的″冷却剂″是本发明设想的应用中使用的所能想象的最差类型的流体。
值得注意的是，我们所评估的化工工艺模拟软件不能够处理错流翅片-管式换热器中管程液体流正在由气体加热的情况，如本发明所示。
两份共同待决的专利申请公开了大量新兴的用于洁净气体之间高ε值、低成本换热的应用，其中好的解决方法是目前所未有的：(A)热气流在大于550K且大于0.2MPa时进入，特别是如果气流之间的压差超过1MPa，(B)预期会在在一股或两股气流中形成液体冷凝或结霜，且(C)两股气体均处于1Mpa压力下，压差超过0.1MPa，温度高于90K，并且必须避免交叉污染。还公开了大量用于粘性有机液体的高ε值、低成本换热的应用。本发明在这里提出解决上述及许多情况的最佳方案。
实际上，本发明通常至少需要在两个单独的组件来实现，在两个组件之间具有一种或多种液体中间体环路。当然，每个独立组件可用做流体-液体回流换热器，其中壳程流体通常是气体但也可以是低导热性的粘性液体。
相关技术
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3,994,337    11/1976    Asselman et al     165/119
4,304,585    12/1981    Oda et al          65/43
4,645,700    2/1987     Matsuhisa et al    428/116
4,676,305    6/1987     Doty               165/158
4,831,844    5/1989     Kadle              62/507
5,259,444    9/1993     Wilson             165/8
5,435,154    7/1995     Nishiguchi         62/476
6,907,921    6/2005     lnsley             165/170
6,957,689    10/2005    Ambros et al       165/41
7,225,621    6/2006     Zimron et al       60/651
7,296,619    11/2007    Hegde              165/104.33
美国专利申请公开
US 2006/0211777     9/2006    Severinsky
发明内容
本发明公开了一种在具有相似热容率(W/K)的第一壳程流体流和第二壳程流体流之间进行高ε值热交换的液体-环路复合回流换热器。该复合回流换热器由至少两个流体-液体(FL)回流换热器组件组成，该换热器组件用于从壳程流体，通常为气体，向中间体管程导热液(HTL)传热。每个FL组件包括多个位于压力容器内的热绝缘的、串联的、相邻换热器芯。芯是成排的翅片管，用于错流传热，并且它们是串接安装的，以在HTL和壳程流之间有效实现逆流换热。HTL可以是水、有机液体、熔融合金、或熔盐。氧化铝弥散强化金属翅片、高温合金管、和铅-铋-锡合金HTL可以用于高温。异丙基苯可以在低温应用中作为HTL。
附图说明
图1为多级液体-环路复合回流换热器示意图；
图2为复合换热器中一部分的优选液体路线图；
图3为典型的流体-液体换热器组件的透视、剖视图；
图4为典型的单排翅片管芯图；
图5为蛇形形式翅片管芯；
图6为5个热绝缘串联管示意图；
图7为FL组件的径向流形式示意图。
具体实施方式
图1以具有2个液泵、两种不同导热液的4×3阵列12个液体-气体错流换热器芯为例，说明在两种具有低导热系数的隔离流体，气体-1和气体-2(在图中使用中空线来标识)之间实现高ε值换热的方法。这些流体具有小于0.4W/m-K的平均导热系数(H2，在～720K)，且通常是kt值小于0.06W/m-K的气体。因此，尽管在共同待决的专利申请中还提到这些流体可以是粘性有机液体，为了更清楚，在这里一般指气体。气体-1和气体-2均为壳程，有时也称为“翅片程(fin-side)”。在此实施例中，气体-1是热源流，而气体-2是冷流被加热至接近气体-1的进入温度。通常，与较冷气体相比，较热气体会在较低压力下，但是反向关系也是可能的。
在图1的实施例中，有四组换热器(A，B，C，D)。导热液(HTL)在图中使用粗实线来标识。在这里，每组都是串行导向通过三个错流换热器芯以用于各股气流。HTL全部为管程。
在这个实施例中，气体-1在760K时进入标记为D1的换热器的1号翅片程，并在400K时从换热器B3的2号翅片程离去。气体-2在320K时进入标记为A1的换热器的3号翅片程，并在约680K时从换热器C3的4号翅片程离去。对于这种具有相似W的温度，标准定义的ε值将达到约78％。
在这里，每一股气流经过6个错流换热器芯，每个液体环路的一侧有3个错流换热器芯。在实践中，这将是最少数量，尽管这还取决于如何限定错流换热器芯。例如，一种典型的AC冷凝器“芯”包含2，3或4排翅片管，通常串联连接。因此，一种典型的3排串联“AC芯”可以实现如图1所示在每个环路每侧的三个串联换热器。在这里，3排热隔离翅片管，串联连接，被认为是串联的三个错流换热器芯。对于这些排应考虑热绝缘，这需要翅片金属从一排至另一排是不连续的(至少在大多数翅片上)，并且管流形式是不交错的，也就是说管在离开第一排时不返回第一排而是去往第二排。从功能的观点上看，如果在相邻排之间的金属导热系数低于在排之间流体(壳程和管程的总和)的导热系数的2倍，则可以认为这些排是热绝缘的。
基于所介绍的变化，热绝缘、串联连接的错流换热器芯可被称作“翅片管排”。在单一HTL环路中用作一股气流的管排的完整串联集合被称为“芯组”。芯组在压力容器内部以容纳壳程压力，并且往往所有与第一股气流有关的组都将在一个压力容器内，而与第二股气流有关的组都将在第二压力容器内。例如，图1中的组B和D通常将在一个压力容器内，同时组A和C通常将在第二压力容器内。压力容器和其所包含的芯可被称为流体-液体(FL)回流换热器组件或气体-液体(GL)回流换热器组件，壳程流体通常是气体。
两个FL回流换热器组件的组合与中间体HTL的结合可以被称为液体-环路回流换热器或复合回流换热器。至少一个液泵5和产气储槽6是每个复合回流换热器所需要的。图1示出一种双环路复合回流换热器。
为了使与δT相关的不可逆性最小化，通过复合回流换热器芯组的HTL热容率WL＝GLCPL应该接近于两个壳程气流的热容率W1和W2，分别为G1CP1和G2CP2的平方根WS，即
WL～WS＝(W1W2)0.5   [1]
而且，比值W1/W2应该几乎接近于1，尽管复合回流换热器在其它条件下也是有优势的。通常，WL在0.7WS和1.4WS之间。当然，GL与nρvd2成正比，其中，n为芯中平行管的数量，ρ为流体密度，v为流速，且d为管内径(毫米)。
实际ε值限制(用于相似W)主要取决于绝缘、串联连接的翅片管(或芯)排的总数目nr，和“传热单元的数量”NTU，其中：
NTU＝htsAX/WS，   [2]
其中AX是传热表面积。对只使用了具有液体中间体的12个芯，图1所提议的ε值可能要高于对成本效益的限制，尽管这的确是可能的。另一方面，对于每组16个芯，有四组和两个液体环路，能够达到约94％实际极限。对于单一液体环路和每组32个芯，可获得同样的实际极限。当在热源气体和冷源气体之间的温差相当小时，这样的设计将成为优选，因为这仅要求一个液泵。具有多个环路，如图1中所示的多级复合换热器，允许在不同的温度区间使用不同的HTL，这将提高在大温度区间内运行的大的回流换热器的性能。
图1，尽管图按常规绘制且调整了清晰度，是可以接受，但仍未表达提高每管排的最高实际效率的流细节。图2所示流体路线更好的表达了显著提高每级效率的液体路线细节。这里，液体从相对于壳程流的同一侧进入每排，壳程流总是分布在管排表面，如使用平行气流箭头所示。目标是使沿着各排的热梯度方向一致，并且使气体温度变化在穿过各个芯表面的每排保持均匀。这样的管程流形式在AC冷凝器芯中是罕见的，因为此时ε值没有这么重要。
合适的翅片管AC冷凝器或蒸发器芯，尽管通常没有最优化的管程流路线，同样容易地在功率级从约100瓦特到数万瓦特之间实现高效热传递，且同样的成本效率，以百兆瓦特计的热传递可以通过并联数以万计合适的AC芯来实现。AC冷凝器芯在低成本上是可行的，因为在过去四十年里，基于大规模生产的竞争压力，高效生产方法已经得到了极大的优化。如美国专利US 4,676,305所举例，仅仅是将组件放置在具有合适挡板的较大压力容器中即可容易承受高壳程压力，随后将详细描述。尽管AC冷凝器芯通常设计在接近310K时运转，它们有时由铜管道构成，铜管道上具有使用液相线接近870K的填充材料钎焊的铝或铜翅片。使用90Cu-10Ni合金C706做具有铜翅片的管道并不罕见。芯在大尺寸时所使用的管道直径在9-13毫米，翅片间距(中心-中心的间隔)通常在2毫米以下。翅片在气流方向的长度通常是每排～25毫米，尽管有时高达每排80毫米。如果壳程流体是一种非常粘的液体，如是仅仅高于倾点的油，则FL回流换热器中的翅片间距可能需要达到8毫米。
只需对可现有芯做微小改进即可将其在限定压力和非氧化纯净气体下运转至约700K。而且，在许多非氧化情况下运转至900K也是可能的，通过将诸如C15720(0.4％Al2O3，其余Cu)的氧化铝弥散强化铜用作翅片，而普通的70Cu-30Ni合金C715用做管道(C715在～900K时具有～70MPa的屈服强度，相当于合金C706在～750K时)。
对于习惯于主要基于表面积来评估热传递的人而言，该方法的优点可能不会立即清楚，因为：(A)将常规的壳管式换热器转变为典型的AC冷凝器芯可能会以5-10倍的因数增加每体积的壳程表面积(从～200m2/m3至1000可能甚至2000m2/m3)，(B)管程的“紧凑比率”可能会以2倍或更多的因数减少，以及(C)热量需要转移两次。可能被忽视的是壳程的传热系数，ht，W/m2-K，也将因为通道厚度的降低而以5-10倍的因数增加，因此壳程的总体获益可以是25-100倍的因数。通过选择最佳HTL和流速，一般不需要增加管程紊流器，管程ht可以轻松实现大多数气体的30倍以上(可能甚至大于200倍)。因此，新型复合换热器与用于气体-气体换热的壳管式换热器相比(对应可比较的功率、流率、ε值、和泵送损耗)，即使热量需要转移两次，也能够在紧凑程度上实现数量级程度的提高。
与使用液体中间体的复合回流换热器有关的增加的复杂性，在一些尺寸临界值下是不合理的。临界值取决于许多变量，包括特定的ε值、温度、气体组成、质量减少的重要性、气流的洁净度、和气体压差。这还取决于在相关条件下获取合适翅片管芯，这是将来有可能改变的因素。甚至现在，复合回流换热器在许多使用非氧化气体的情况下将成为优选的，如果在下述条件下要求ε值达到70％：(A)温度低于700K，(B)换热功率高于20kW，以及(C)平均气体压力大于0.05MPa。适用于更宽范围条件下的有竞争性的复合换热器的芯有待提供。
更多说明有助于阐明本发明的价值和创新点。壳程的比热传导率(thermalspecific conductance)，W/kgK，在一般的壳程流情况(大部分为层流)下将与间距的平方成反比；但对给定芯体积，质量与间距无关。显而易见的是，基于材料不断变昂贵，将要求最小化间距，以实现每换热器质量的更高热传递。当然，对于给定流速，壳程压降与间距成反比增长。然而，在大多数应用中，壳程压力要远远超过0.2MPa，壳程泵送功率损耗将与气体密度的平方成反比。因此，与通常在AC冷凝器芯中使用的相比，只要保持大的壳程流量截面积AS(纵切面积，非AX)和短的流道长度，较小的翅片间距将是最佳选择，随后将详细论述。
在大多数现有技术中，紧凑的，高效率换热器的最小通道厚度最终受建立高均匀流的需求所限制。因此，制造公差限制了最小间距。本发明中的通道厚度公差并不重要，因为在连续的热绝缘芯之间容易发生流混合。
用于复合换热器中的当前AC冷凝器(～2毫米翅片间距)在平均气体压力为～0.3MPa，平均kt为～0.04W/m-K，且ε值为75-90％时可能接近最优。翅片间距在更高的气体压力或低温度下可以减小(用于进一步减少换热器质量和成本)。然而，还有限制，因为翅片厚度必须足以提供所需要的导热性和硬度，并且腐蚀性在一些情况下也是一个问题。与回热器相比，液体-环路复合换热器的一大优点是：为达到所要求的最高性能，能够轻易地实现用于高压气流的气体-通道厚度远远小于用于低压气流的气体-通道厚度。
在AC冷凝器所用管子中具有诸如肋，翅片或波纹的内部特征以增加htL并不罕见，尽管这增加了管道成本并提高了应力集中。这样的表面增强主要在冷凝器的初始部分和结束部分，在初始部分(管程蒸气仍然过度加热)没有冷凝产生，在结束部分(低温冷却)液体速度极低。在复合回流换热器中表面增强的益处不大，因为管程流只有液体，可更优化为基本恒速的液体。
导热液(HTL)
在HTL中的主要要求是在相关条件下的化学稳定性、低粘度、低蒸气压、高导热系数、低成本、低健康危害、及高自燃温度(AIT)。尽管可以使用解冻措施，凝固点高于最低启动温度也是有益的。AIT也是有些重要性的，因为惰性或减少气体增压将通常用于HTL；但仍然应该关心的是液体的进一步泄漏。水、有机液体、熔融合金、或熔融盐将通常被选择，主要基于其温度区间。表1给出相应数据，其中有一些是在一些500K下的HTL的基础上的估计值。标记“危险”的栏中对以下三种危害给出了单一、整体的指示：健康、可燃性及反应性。
(紊流)管程传热系数可以通过下式计算，
htL＝B1G0.8kt 0.6(CP/μ)0.4d-1.8        [3]
其中，μ是动态粘度(cP，厘泊(centipoise)，与1mPa-s或0.001kg/m-s相同)，并且B1是尺寸系数，在很宽条件范围内接近常数但随着表面特性及其他换热器设计细节变化而变化。(注意：μ＝1cP，且ρ＝1000kg/m3的流体具有运动粘度，μ/ρ，对应1cSt，厘沱(centistoke))。一些简单处理及计算是有用的：
G0.8＝B2(ρv)08d1.6                   [4]
htL＝B(ρv)0.8kt 0.6(CP/μ)0.4d-0.2    [5]
FH＝ρ0.8kt 0.6(CP/μ)0.4              [6]
htL＝Bv0.8FHd-0.2                     [7]
其中，B是尺寸常数，并且FH是合理的、综合的流体性能。内部光面管的雷诺氏数为10,000至20,000时的通常B值是～5.6，假定参数如上述组合。对于500K下的40wt机油，用于0.0077m ID(Re 15,000)的管内的v＝10m/s，这个给定的htL9000W/m2-K。作为对比，FP lncropera提供了一种翅片管内部有水的错流中气体的总ht的典型值，为～35W/m2-K，而对于蒸汽冷凝器总ht的最大值为6000W/m2-K。
从公式7和上述实施例，似乎仅需要提高HTL流速，便可以使htL与平均壳程传热系数hs(根据经济最优化需求)相比非常大，当然功率消耗几乎以v的三次方增长。泵送功率还随着ρ、μ、和流程的增加而增长。考虑到这点，与上述FH相比，用于选择的较好HTL质量指数(综合流体性能)为如下FM，
Figure GPA00001078461400151
Figure GPA00001078461400161
FM＝kt 0.6(ρCP)0.8/μ    [8]
适度的v和流程下为达到htL》hs的要求与好的W匹配的组合，对管直径和管并行方案施加约束。HTL通常以恒速穿过大多数芯，因此管直径整体接近常数。然而，在芯中包含若干个平行管，这可以使管在芯进口和出口组合，使芯间的管互联简单化。显而易见的是，互联中的HTL速度与芯中的典型值相差悬殊。
如表1所示，有机物的FM比水或熔融合金的低，但高于熔融盐，这一概念之前被曲解了。有机物的其它优点可包括：没有凝固问题、没有金属侵蚀、较低的腐蚀、较低密度、较低毒性、较低成本、较低粘度、和易于处理。加压水可以在超过500K时使用，但换热器成本因为极高的应力而提高。低蒸气压的有机物往往更好，尽管在一些应用中，诸如乙醇或甚至丙酮的低沸点流体，可以满足具体要求并优选。要注意的是HTL的品质是与温度相关的。
硅油(诸如Dow Corning 550，AIT为755K，但不适于在超过550K时长期使用)和低级烃(HC)的混合物，诸如Exxon Caloria HT-43(AIT为627K)已经使用。一些更有吸引力的具有均高于660K的n.b.p.和AIT，倾点低于320K，和可接受的化学稳定性和安全性的有机液体是：(A)聚苯醚(PPEs，航天润滑剂和扩散泵油，5-环形5P4E具有～880K的AIT，n.b.p.＝749K，倾点为290K，ΔGf～2kJ/g，无毒的，已经用于短期汽相润滑高至870K)，(B)多元醇酯(POEs，大多数类型2航空涡轮机油剂，AIT通常为～670K，但AIT和n.b.p.可超过740K)，(C)聚α-烯烃(polyalphaolefins，PAOs，是5W50合成发动机油其主要组分，在100℃16cSt，AIT通常为～650K，但在重PAOs中AIT可以至～700K)，(D)磷酸酯(用于航空液压油)，(E)苯基硅氧烷，(F)碳氟化合物，(G)聚酯(PEs)，(H)邻苯二甲酸酯，和(I)上述和高沸点烷基化多环芳香烃的混合物。两种烷基化多环芳香烃的数据见表1。
在发动机润滑应用中的多枝烷优选是正烷烃，因为它们具有更好的抗氧化性，对给定沸点具有低得多的粘度，且对脱氢作用和裂解有更好抵抗力。与PAOs相似，这样的合成油的相对价格，在接下来十年中会大幅降低。
便宜的锡-铅合金也可以作为HTL用于高温下的不锈钢管或高温合金管道。在650K下，铁在锡中的溶解度为约0.1％，这可能导致具有低合金钢管的换热器过度侵蚀(甚至在熔融合金充满铁之后，因为在液体中将存在一定热梯度)。与在锡中的溶解度相比，铁在铋和铅中的溶解度以数量级程度降低。然而，铋含量大于50％的合金在凝固时膨胀(如非立即，则在几天之后)，这会在换热器内产生不能接受的高应力。具有相对低锡含量的铅-铋-锡合金可以适用于用于管的低成本钢合金。表1所示38Pb-37Bi-25Sn合金具有优异均衡：低铁溶解度、低蒸气压、低毒、高FM、低成本和低液相线温度，降低铋和锡含量以提高铅含量以及少量锑(Sb)的加入将得到更好的均衡。
熔融盐，特别是NaNO3、KNO3、NaNO2、和Ca(NO3)2的混合物，经常被用做HTL。其中一些与铅合金相比具有较低凝固点，但它们的温度上限较低。例如，KNO3在670K分解，NaNO3在650K分解，尽管一些混合物，如表1中所列的低共熔物，具有较高的稳定温度限制。存在一些安全隐患，因为所有这些都可以很容易地制作成具有有限稳定性的强大爆炸物。而且，它们的NEPA健康级别通常是″2，高度危险″，并且它们的FM比其它选择差得多。高温时，它们与大多数泵润滑剂和弹性密封剂剧烈反应，并且慢慢地攻击许多合金的颗粒边界。盐、合金、和重多环芳香烃的另一个难题是它们在室温下是固体。
一些紧急应用中，500K下气体导热系数典型地在0.04至0.06W/m-K的范围内(对于CO，C4H10，空气和附加的一些H2/CO2混合物)，气体密度通常为～5kg/m3，CP通常为1至3kJ/kg-K，μ一般为0.01-0.03cP。对于相关壳程(基本为层流)下的气体，一种与FM相比可以更有效推定热传递的综合流体性能通过如下得到：
FG＝kt(ρCP)2/μ  [9]
在比较具有相似流动几何学(相同的水力直径、流程等等)的液体和气体热传递流时的有用表示是(FMFG)0.5，这意味着在热传递的比较中，相似几何结构的气体比液体要大出两至三个数量级程度。表1中包含一个更简单的参数，FD，用于比较不同的流体，并在最后部分涉及壳程液体应用时对其进行了讨论。这里的要点是通常不需要担心管程热传递的增强。这容许大规模生产的简单化。焦点主要是需要减少通道厚度和提高壳程的表面积。
FL组件应用
如前文所示，芯组在足以承受壳程压力的压力容器内部。往往，所有的与第一壳程流(通常是一种气体)有关的芯组都将在一个压力容器内部，而与第二壳程流有关的芯组都将在第二压力容器内部。压力容器及其所包含的芯被称为流体-液体(FL)回流换热器组件，典型的实施例在图3中粗略示出。
典型的FL换热器组件可包含30个串联的，热绝缘翅片管芯31(尽管为更清楚起见图中仅示出了8个芯)，各自典型的外形尺寸约1m×1m×0.03m。壳程入口端和出口端32、33通常在与管程入口端和出口端34、35相对的两端。一个典型的芯在图4中更好地示出，尽管同样没有按比例。每个1m×1m芯可具有40个并联的翅片管41，每个均具有8mm ID和10mm OD，每个均横向总宽度，中心-中心间隔为25毫米，管程的入口歧管和出口歧管42、43。图4，另一方面，示出了20个管和64个翅片，较接近于30cm×30cm芯，尽管翅片数目可以比所示数目甚至大2至4倍的因数。
如果翅片厚度为0.5毫米，翅片间距为1.6毫米，实施例的壳程流量截面积AS约为0.7m2且管程流量截面积AT为～0.002m2。因此As为AT的～350倍。对于先前记载的典型芯尺寸(1m×1m×0.03m)，平均壳程流程LS约为0.03m每芯，平均管程流程LT为1m每芯。因此，LT大约为LS的30倍。要注意到是，该比率与串联芯的数目无关，如两种流程以相同因数增加。流量截面积比率也与串联芯的数目无关。可能在壳程流的方向上相邻芯之间存在有实际间隙，如图3所示，用于穿过芯表面的压力均衡和一些横向混合，但壳程流基本上与压力容器轴向一致。
图3所示管程HTL流从芯一侧的出口歧管由管道36对角穿过至下一个芯的入口歧管。要注意的是HTL从同一侧进入所有芯并且从相对侧离开芯。对角线HTL管道模式是提高管程流均一性的一种办法。也可采用其它措施，通常，主要措施是翅片管41直径的正确选择，这样，在同时满足其它前述与泵送功率有关的要求，ht和WL的条件下，与歧管内的压降相比，翅片管内的流速将实现更大的压降。尽管芯明显需要支承结构，该支承结构未示出。仅仅局部示出了限制芯内壳程流的流罩37。对于通常提及的条件，壳程体积流速通常是比较高的(特别是与管程相比)，因此从进口32处至出口33的壳程压降必须是低的(以实现低泵送功率)，且罩上的差分应力容易处理。压力容器优选具有大于平均壳程相对压力两倍的爆破压力，且通常远大于0.3MPa。
可以定义相邻芯之间的HTL热导YF[W]为：
YF＝TdWL    [10]
其中，Td是在相邻芯之间的平均温差。在这里，如果芯之间通过固体材料的热传导小于三分之一YF，则相邻芯被认为是有效热绝缘的。如果超过20％的翅片在壳程流方向上从一个芯连续至相邻芯，则这个条件不易满足；但如果相邻芯之间的翅片是非连续的且相邻芯之间的管形式没有交错，则这个条件可轻易满足。然而，在多至30％的翅片在相邻排连续(除了用于横向压力均衡化的孔之外)时，充分的热绝缘有时是可能的。
并不要求所有管排均是热绝缘。为了提高芯的坚韧性，“复合芯”可能具有几排由连续翅片热耦合的翅片管。然而，实际的效率限制强烈依赖于所串联热绝缘芯的总数量。因此，尽管有时每个FL组件中少至两个热绝缘芯就足够了，通常，该数量要求超过20。复合芯包含的翅片管热耦合排一般不会超过四排。在大多数情形中，每个热绝缘芯就是一个单一翅片管排，如图3和4所示。
壳程均一性对高ε值也是不可缺少的，至少在当W值相近时。在大多数情形下，穿过表面的压力平衡就足够了，如已在相邻芯之间的翅片不连接的情况下实现的，如图3所示。在现有技术中，相邻排之间所有的翅片通常是连续的，诸如在Armstrong DuraliteTM板翅式线圈产品中所看到的一样。一小部分仍可以连续。在这种情况下，穿过热绝缘芯表面的压力平衡可以轻易地实现，如果连接相邻芯的翅片中包括孔或开洞。
对于串联错流换热器，流动均一性可以通过在芯之间的气流中嵌入紊流混合器而进一步改善(这缺少了图2中所示流线路的优势，但要优于通道的选择-因为粘度依赖于温度，当每个芯中的壳程气体被加热时，壳程速度要高于所有芯在一侧的平均值)。通过利用独立的，串联的FL组件进一步使紊流混合器嵌入壳程更简单。
图5示出了带有蛇形形式的芯的一部分，该蛇形形式可以在某些情况下更好地满足HTL速度和压降要求。如果图4中用于芯的管程流通过10个具有8mm ID的平行管代替实现，每一个以蛇形形式横向往返5次，中心-中心间隔为20mm，则管程流量截面积将达到5E-4m2。在每个端部可允许合理弯曲，每根管可能需要～6m长。在这种情况下，LT将是LS的约200倍，AS将是AT的～1400倍。如图4所示，图5中壳程流与图中的平面垂直。
一种安装热绝缘，串联且彼此之间没有歧管的翅片管的方法，如图6所示。这样的设置在一些情况下也许具有制造优势。一种选择是垂直于图6的平面堆叠大量蛇形翅片管，壳程流如图所示。对于在图4和5中假定的壳程流方向，翅片一般将在在芯中所示的管之间连续。然而，翅片在如图6所示流向上的管之间不连续，实现这些串联管之间的绝热。常规用法不涉及以单一蛇形翅片管为芯的设置情形。当垂直于图中平面大量堆叠如图6所示蛇形翅片管时，有效地形成5个热绝缘平面芯。
如前文所述，有时优选利用一个以上液体环路。因此，在一些应用，可能有两个或甚至三个液体环路服务于单一FL组件中的芯。在一些应用中，对于高温芯、中温芯和低温芯优选使用单独的压力容器，在此情况下特别是，每个FL组件具有少数热绝缘芯即可。在大的应用中，往往需要并行安装组件，因为生产比那些能被卡车轻松运送的大得多的组件可能不是最佳选择。要注意的是，并联还不会影响AS/AT或LT/LS的比率，但在最优设计中AS/LS比率随着容量增加而稳定增加。
对于非常大的组件，优选如图7所示的芯的六角形配置(没有示意密封外壳)，因为这允许在实际货运限制内有大的AS/LS比率。在这里，壳程流体流通常是径向的，假定芯配置如图6所示，也可使用如图4所示的芯配置。翅片管芯的相似配置，除了正方形而非六角形，在AC工业是常见的，其中通过冷凝器的壳程气流排入大气。然而，现有技术的冷凝器(A)利用管程相变实现大多数焓变，(B)未封装于压力容器内，(C)可不包括串联的热绝缘芯。
对于如图7所示的六角形配置，壳程面流在功能上全并联。因此，管程流也必定在功能上并联。换句话说，所有最内部的芯将连至相同的HTL端口，所有这些最外层的芯将连至相同的HTL端口。显然地，芯的五边形、八角形、或其它圆周形配置也将适用。压力容器的校直轴线垂直于通过芯的壳程流。
具有显著不同特性的芯可以被组合，或串联或并联，具有可预期的结果，尽管分析很复杂。明显地，在尺寸和形式上的许多变化是可能的，但通常As将是AT的100倍以上且LT将是LS的10倍以上。除了现有技术的多通道、翅片管、壳管式换热器外，这样的比率似乎不错。
用于恶劣条件的芯改进
为了实现苛刻条件(在高温、氧化环境、或两种气体之间存在较大压降)下的高性能，在选择管、翅片、和钎焊时需要适当改变。管材料的选择主要考虑在所需温度下的屈服强度、可成形性、钎焊接、和耐腐蚀性。翅片材料选择时主要考虑导热性、成本、耐腐蚀性、熔点、和钎焊性。有时，翅片可以按压上而非焊接上，但这种方案不适用于极端温度、薄翅片密集安置或若多振动的情况。
氧化铝弥散强化铜、铝、或镍是用于翅片的特别优选，尽管钴和合金也可以用于高温翅片。与纯金属相比，大多数高温合金在将近室温时具有弱的导热系数，一些具有高氧化性和耐腐蚀性，诸如Haynes 214(16Cr，4.5Al，3Fe，0.2Y，其余为Ni)，在高温下具有相当好的导热系数(在1255K下32.4W/m-K)。
一些高温合金，诸如Haynes 188(38Co，22Cr，22Ni，14.5W，2Fe，1Mn，0.3Si，0.1C，0.07La)，在退火状态具有好的钎焊性和可成形性以及突出的抗氧化能力和高温强度(合金188在～1400K具有70MPa屈服强度)。一种与Haynes188相似的合金非常适于高温换热器管道，尽管为减少成本和提高可成形性和焊接性的改进是优选的，特别通过减少Co、W、和Cr。管道材料可以具有弱的导热性，这在性能上具有较小影响。如果在HTL上保持流体静压将近气体气流的平均值，优选为该平均值的2倍因数，管上的应力减少。
需要与较高温度和材料能够相容的钎焊。镀镍的弥散强化铜翅片可以使用填料BNi-7(890℃液相线，85Ni，14Cr，10P)焊接。当还在高温时操作，高温合金或氧化铝弥散强化镍翅片可以使用BNi-5(1135℃液相线，70Ni，19Cr，10Si)焊接至Haynes 188或相似管道。基于现有技术，发展了将镀铬应用于翅片管排的方法。
高温下的有机HTL
如采用了适当措施，与通常推荐使用的相比，有机HTL可以在更高温下完美使用。首先，最重要的是与热油接触的表面(管道内部等等)被一种用焦炭-碳和非常重的冷凝多环芳香烃薄层(0.1微米足够)催化钝化。热(非催化)反应与催化相比需要更高温度，并且大多数金属或氧化物表面具有催化活性。其次，因为在许多金属表面上发生水催化反应，重要的是一直保持液体压力远远超过外部最大气体压力(在壳程气体-1，气体-2和环境压力中较大者)，阻止空气和水分的微量渗入。当然，重要的是确保任何有机HTL在最初时除去溶解与其中的O2和H2O。
通常，有四种主导大多数可能用于高温HTL的重HC的主要类型的热反应：裂解、脱氢作用、去异构化、及芳香族聚合或冷凝。除了去异构化(从多枝的转换为少枝的结构)外其它的都被HTL内的适度浓度的H2和CH4抑制，或者，更恰当地说是高H2和CH4浓度增加许多不良反应的逆向速率。
如前文所述，HTL需要一个小产气储槽以适应伸缩。为了延长寿命和可用温度范围，在贮液器中的气体空间7应该具有至少0.01MPa且多至5MPa的H2分压，尽管过度的H2分压将促使芳族化合物裂解(特别是正烷烃的)和氢化至低沸点环状化合物。因此，还需要同时具有有效的甲烷分压，可能多至15MPa，因为它的反应性较差。对于一些HTL，诸如水、乙二醇、邻苯二甲酸酯、硅氧烷、多元醇酯、和聚苯醚，具有氩及或许N2的部分增压可以是优选的。在HTL上保持过度的总压将增加高温芯的成本，并且使动态密封问题恶化，但是高于壳程气体压力中较高者约0.1-1Mpa的HTL静压通常只增加很少的系统成本。
溶解在HTL内的CH4和H2浓度主要由它们的分压和HTL贮液器中的液体温度所决定。H2在HC中的溶解度(A)一般在烷烃中的溶解度高于在芳族化合物中的溶解度，(B)溶解度随温度的增加而增加，(C)溶解度近似一种Henry定律性质和(D)随着HTL分子质量的提高而缓慢降低。举例来说，H2的溶解度，以摩尔H2每千克液体每MPa的形式，在460K时对应十六烷(C16H34)和1，2，3，4-四氢化萘(C10H12)的值分别是0.068和0.044。在520K时的溶解度大约高30％。在重油剂中的溶解度大约只有十六烷中的一半。甲烷溶解度是更是高得多的(在460K下或许以20倍的因数)并且更少依赖于温度。当HTL在断电的过程中冷却时，可以使H2起泡。
通常优选在如图1所示环路中的低温点设置液泵，因为这些使与动态密封有关的问题简单化。还可以优选在环路中接近低温点处设置贮液器以避免HTL中的H2在环路中更冷点过饱和，因为过饱和可以导致氢气在冷却器换热器起泡并减少热传递。然而，一定程度的H2过饱和在HC中是十分稳定的，并且这可以进一步抑制产生一些HTL的焦炭前躯物。因此，可以优选在环路的更高温度点设置产气储槽，即使这会稍微增加成本。
即使采用上述办法，在接近实际温度上限运转时将导致反应产物的产生，包括轻和重的，该反应物在超过一定程度时是不可取的，但在程度低时是可容忍的。在大多数情况下，这仅仅意味着需要周期性的HTL变化。对于大的装置，还有其他选择。裂解产生轻的烯烃，其中有一些将氢化至诸如C2H6、C3H8和C4H10的轻气体，这些并非用于贮液器增压的最佳条件。处理该问题的简易方法是不断地，缓慢地通入加压气体并使用最佳混合物的新鲜气体保持所需压力。当然，如果需要，膜及其他分离方法可用于将通入的气体分离至有用的产品流。部分烯烃将与烷烃或其它芳族化合物烷基化，成为HTL中的重HC和焦炭前躯物。一种保持HTL在可接受组成内的方法是不断地将HTL从贮液器流出并以新鲜供给来保持需求水平。可以使用各种分离方法回收使用过的流体。更多反应-产品的分离操作的实施例在有关双源有机朗肯循环(Dual-Source OrganicRankine Cycles)的共同待决的专利申请中公开。
总之，高温下使用有机物有以下要求：
1.使所有与热HTL接触的表面不发生反应。
2.保持足够的HTL压力以阻止空气和水分的微量渗入。
3.保持最佳条件下的气体混合物以加压HTL。
4.在引发过度焦化前，除去主要的HTL反应产物。
5.在最合适的气体增压下，选择一种高化学稳定性的流体。
对于在图1实施例具有合适的气体施压于HTL时指示的温度，用于组A和B的HTL可以是邻苯二甲酸二辛酯、PAO油、或POE油。用于组C和D的，可以使用熔融合金、熔盐、聚苯醚-5P4E，或可能是烷基化的多环芳族化合物。
低温应用
虽然大规模应用为化工过程和发电厂的高温下，在低温下同样有大规模应用，因为在气体间的热交换往往需要很高的ε值。而且，气体粘度(因此压降)很低，以致很难确定均匀流动条件，而这对高ε值是不可缺少的。如前文所述，通过利用单独的、串联的芯或FL组件容许在组件之间的壳程流中简单嵌入紊流混合器。
对于低温应用，翅片间距可以进一步减少，因为(A)粘性损失较小，(B)翅片金属导热系数可以是以数量级程度的更高，(C)气体导热系数往往很低，(D)HTL具有更高的FM，和(E)更容易控制腐蚀。
一种HTL，表1中异丙基苯(isoproplybenzene，C9H12)在降至130K时特别有利，及其他也适用于较低温度。比如，丙烷在降至90K时可用，且在室温下被轻易液化，因为它的临界温度Tc是370K。对于较低温度，需要Tc远低于300K的气体，这使运转复杂化，因为需要相当大的压缩-气体贮液器。对于60-130K范围，氧气(Tc＝155K)是一种优异的HTL。对于55-170K范围，氟氧化物，F2O(Tc＝215K)适用，其他气体也可以在窄的范围内使用。举例来说，H2(Tc＝33K)可以使用于大于15-30K范围。然而，在接近最大液体范围的上限冷凝气体需要非常大的压力，而这增加了换热器成本。
总体上讲，气体可用作热传递中间体，其中对于35-60K范围的明显选择是氢气。然而，以气体作为中间体，不能在气体的Tc以上实现具有低泵送功率的高的(管程)htL，因为它的密度在实际压力下太低。提高气体的htL的最好方法是使用MMP管道，其在非常高的压力下工作极好。
用于低温应用的复合换热器的最小化比较尺寸将小于高温应用中的，因为质量更重要且在气流之间的平均温差可能需要以数量级程度缩小。在许多低温回流换热器中，复合换热器可以优选降至90K，交换功率高于1kW，气体压力低于0.5Mpa。
紧凑回流换热器变化
另一个没有提及的复合换热器的优点是它可以大大减少大规模工厂中管道成本，在大规模工厂中，在一道工序中产生的热量，有可能被在数百米以至数万米之外的另一工序需要。在这种情况下，有时容易实现最佳的热平衡，通过在许多点分离并再组合HTL流，将气体的W和温度与各自组件中HTL的相匹配。当流组合时，它们的温度应该相似，以最小化热损耗。HTL的一部分可以在换热器组件中间点分离，与另一个工序交换能量，然后在合适的相似温度点再组合。
当然，使用相变(通常是水)或者液体(包括那些较早的提到可良好用于复合回流换热器的HTL)进行长距离的传热并不罕见。举例来说，Sevehnsky在美国公开US 2006/0211777中记载，使用大量不同的相变传热流体(HTF)在大工厂中传热也可以是有优势的。
虽然强调通过在热源气体和冷源气体之间存在大温差时，避免大量相变能够使热损耗最小化(因此HTL环路的数目可以减少)，在不背离本发明精神的基础上，HLT内能产生少量沸腾和冷凝。因此，HTL可以被认为是一种HTF，正如现有技术提到的，在一种高ε值回流换热器中，与温变相关的焓相比，与相变相关的焓小。
较早讨论中将壳程流体作为“洁净气体”的说明需要更进一步阐明。多数情况下可以预料冷凝、酸形成、结冰、腐蚀、和微粒的量都是较少的，尽管这些并没有排除。当脏污的机制影响甚微时，翅片间距可以减少以提高紧凑度。然而，FL换热器还将在许多应用中具有优势，其中的机制尽管不是处于主导地位也是重要的。
脏污往往仅在一股气体流中发生，并且往往仅流的热端或冷端中。复合回流换热器的一个优点是它可以轻易允许单个组件关掉-管路用于恢复(除霜、清洁、再镀层等等。)同时，一个新的组件投入使用。有时，脏污的组件可以运回工厂用于保养，但通常仅需要排水、除霜、燃烧、或溶剂洗涤。多数情况下，仅需要调整那些大量发生冷凝的组件，即可在使用中将冷凝物轻易排放，如在潮湿天气将湿气从普通AC蒸发器排放的例子。复合换热器往往允许置换换热器组件数目的大幅减少，在大型加工设备中仍需要保存大量的置换换热器组件。
壳程流体为粘性有机液体时的大规模应用也是可以预期的，因为这样的交换还受益于那些在本发明组件中可以更轻易得到的非常短的流道。虽然使用高粘度油剂效果最好，甚至中等粘度油剂，诸如1，3-联二苯丙烷，在310K，其中μ＝4.4cP，kt＝0.12W/m-K，ρ＝968kg/m3，并且CP＝2kJ/kg-K，当需要高热效率时将获益，特别是如果其中一股流起泡时。在这种情况下，一种分相器或闪蒸器可以是嵌入在组件之间，或甚至芯之间以分离产生的壳程气体，因此流体的体积流量(因此速度)保持在低值-以限制粘性损失。
一种组合流体性能也就是说在尺寸上与(FMFG)0.5相比非常简单的，并且与用于相似流动几何结构的不同流体比较时有效的是：
FD＝htρCP/μ    [11]
表1中在500K下具有最低的FD(即，最不合适)的HTL是盐(再次)，此时在这些混合降低单元中的FD＝2.7E5J2/(s-m4-K2-cP)，此处缩写为Dt(对应于Doty)。(在国际单位制单位中，1Dt＝1000J2/(kg-m3-K2))。作为对比(再次在500K下)，对于40wt机油，FD为440kDt，对于水，FD为22MDt。
相反，壳程流体具有较低的FD。之前所指的气体条件下(500K，5kg/m3，0.05W/m-K等等)的典型值将是～25kDt。用于高性能热量回收的一些液体的FD低于优选HTL的FD，在此情况下，复合回流换热器具有优势，特别是如果温度允许利用一种具有很高FD的管程HTL，诸如水或熔融合金。
以310K下二苯甲烷为例，FD为～100kDt，且1，3-联二苯丙烷的FD为52kDt。对于重油，FD可以以数量级程度的变小，在某些情况下，甚至在需要大量换热的温度下。
FL回流换热器可用于许多流体的热量回收，这些流体在操作条件下FD不到200kDt，对于有机液体这通常意味着μ＞1cP。当壳程流体具有相当高的FD(极高压力下的一些低-粘度液体和气体)时，将需要具有很高FD的管程HTF，诸如水或熔融合金。然而，当使用的壳程流体具有非常低的FD时，具有FD低至200kDt的管程HTF也就足够了。优选地，管程流体的FD将比壳程流体的FD大10倍还多(当然可以是非常悬殊的，并且在非常不同条件下)。
尽管本发明已经在这里描述并参考具体实施例，仍可以在不脱离本发明精神的基础上对技术方案进行改进和调整。所有这里改进和调整将被认为包括在随后的权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种流体-液体FL回流换热器，用于在平均流量截面积为AS的壳程流体流和平均流量截面积为AT的管程导热液HTL之间热交换，所述回流换热器包括：
多个热绝缘串联的相邻换热器芯，其中当少于30％的翅片在壳程流方向上的相邻芯之间大体连续，且在相邻芯之间的管形式不交错时，芯被认为是热绝缘的，
所述芯进一步包括至少一个大体上平面排的翅片管，该翅片管用于在平均流长度LS的壳程流和平均管程流长度LT的HTL之间传热，
所述芯进一步特征在于，在壳程流方向上每排翅片的长度小于80毫米，翅片间距小于8毫米，AS大于100AT，且LT大于10LS，
封装所述芯的圆柱形压力容器具有大于0.3MPa的爆破压力，并且被定位为使其轴线与壳程流大体平行，并且在其相对的端部附近具有壳程流体流端口，
引导壳程流大致穿过所述芯的装置，
所述FL回流换热器进一步特征在于，所述芯之间的流体流连接如此设置以实现壳程流和HTL之间大体上逆流换热。
2.如权利要求1所述的FL回流换热器，其特征在于，所述芯中，在壳程流方向上每排翅片的长度小于40毫米，翅片间距小于4毫米，AS大于200AT，且LT大于20LS。
3.如权利要求1所述的FL回流换热器，其特征在于，所述FL换热器进一步包括在热绝缘芯之间具有横向通道，用来平衡穿过所述芯表面的壳程压力。
4.如权利要求1所述的回流换热器，其特征在于，在750K利用氧化铝弥散强化金属翅片垂直钎焊到屈服强度大于70MPa的合金管子上。
5.如权利要求1所述的回流换热器，其特征在于，在1300K利用氧化铝弥散强化镍翅片垂直钎焊到屈服强度大于70MPa的高温合金管上。
6.如权利要求1所述的FL回流换热器，其特征在于，所述管具有基本平滑的内表面，该内表面具有用于催化钝化的涂层。
7.如权利要求1所述的FL回流换热器，其特征在于，该FL回流换热器包括至少5个热绝缘芯。
8.如权利要求1所述的FL回流换热器，其特征在于，该FL回流换热器包括多对用于多个液体环路的端口。
9.一种流体-液体FL回流换热器，用于在平均流量截面积为AS的壳程流体流和平均流量截面积为AT的管程导热液HTL之间热交换，所述回流换热器包括：
多个热绝缘串联的相邻换热器芯环绕配置，其中当少于30％的翅片在壳程流方向上的相邻芯之间连续，且在相邻芯之间的管形式不交错时，芯被认为是热绝缘的，
所述芯进一步包括至少一个大体上平面排的翅片管，该翅片管用于在平均流长度Ls的壳程流和平均管程流长度LT的HTL之间传热，
所述芯进一步特征在于，在壳程流方向上每排翅片的长度小于80毫米，翅片间距小于8毫米，AS大于100AT，且LT大于10LS，
封装所述芯的圆柱形压力容器具有大于0.3MPa的爆破压力，并且被定位为使其轴线与穿过所述芯的壳程流大体垂直，所述壳程流相对于所述压力容器大致上是径向的，
引导壳程流大致穿过所述芯的装置，
所述FL回流换热器进一步特征在于，所述芯之间的流体流连接如此设置以实现壳程流和HTL之间大体上逆流换热。
10.如权利要求9所述的FL回流换热器，其特征在于，所述FL回流换热器进一步包括在热绝缘芯之间具有横向通道，用来平衡穿过所述芯表面的壳程压力。
11.一种用于在第一壳程流体流和第二壳程流体流之间热交换的方法，第一壳程流体流的平均压力p1，第二壳程液体流的平均压力p2，所述方法使用：
第一组串联连接的热绝缘错流换热器芯，用于在中间体管程传热流体HTF和第一壳程流之间传热，
第二组串联连接的热绝缘错流换热器芯，用于在HTF和第二壳程流之间传热，
所述HTF特征在于，其大致上是液相贯穿所有的芯并且具有不小于370K的临界温度，
其中芯包括至少一排翅片管，
所述翅片管进一步特征在于，在壳程流方向上每排翅片管的长度一般小于80毫米并且翅片间距一般小于8毫米。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步具有多于4个热绝缘芯与每个壳程流换热，并且在设计的操作条件下热效率ε大于60％。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述壳程流体从由310K下粘度大于1cP的有机液体和压力大于0.05MPa的气体组成的集合中选择。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF进一步具有流速GLkg/s，比热CPLJ/kg-K，且WL＝GLCPL，
所述第一壳程流体具有流速G1，比热CP1，且W1＝G1CP1，
所述第二壳程流体具有流速G2，比热CP2，且W2＝G2CP2，
所述几何平均壳程条件，定义为WS＝(W1W2)0.5，
所述管程条件进一步特征在于，WL＞0.7WS且WL＜1.4WS。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF从由水、有机物、熔融合金、和熔盐组成的集合中选择，进一步地，在平均操作温度下的FD大于2E5J2/(s-m4-K2-cP)，其中，
FD＝ktρCP/μ，
此处，kt单位为W/m-K，ρCP单位为J/m3-K，μ单位为cP。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在平均操作条件下，所述管程HTF的FD要大于任何一个壳程流中的较低FD的10倍。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在操作条件下，所述每个壳程流的FD都小于2E5J2/(s-m4-K2-cP)。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括用于多种HTF循环的多个液泵和贮液器。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF主要从由聚苯醚、多元醇酯、聚α烯烃、磷酸酯、邻苯二甲酸酯、硅氧烷、碳氟化合物、聚酯、包括烷基化多环芳香烃的有机液体混合物和发动机油剂组成的集合中选择。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该方法包括具有上方气体空间的贮液器，所述气体具有大于0.01MPa的H2分压，小于1kPa的O2分压，小于10kPa的H2O分压和大于0.15MPa的总压。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF主要由铅-铋-锡合金组成。
22.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF的平均压力介于p1和p2平均值的50％到200％之间。
23.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中一种所述壳程流体为包含当流体受热时起泡的溶解气体的有机溶剂，且在芯之间具有将起泡气体从液体中分离的装置。
24.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中一种所述壳程流体为包含在流体冷却时凝结的蒸汽的气体，并具有将凝结液从芯中排放的装置。
25.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述HTF为有机液体，并包括用于将反应产物从所述HTF中分离的装置。
26.如权利要求11所述的方法，其特征在于，p2大于3p1，所述第二组芯中通常翅片间距小于所述第一组芯中通常翅片间距的70％。
27.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括在热绝缘芯之间的横向通道，用来平衡穿过所述芯表面的壳程压力，其中当少于30％的翅片在壳程流方向上的相邻芯之间连续，且在相邻芯之间的管形式不交错时，芯被认为是热绝缘的。
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