CN101871744A - 具有在通路中形成多个通道的热交换结构的板式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钎焊板式换热器，其包括：一堆限定多个大致扁平的流体循环通路的平行板件、界定所述通路的封闭板条、用于向第一系列通路的每个通路分配流体的分配装置、以及用于向第二系列通路输送另一流体的装置；其中，至少一个通路包含结构化的热交换结构(15)，该热交换结构在通路的宽度上形成多个通道(19)，并且还在通路的高度上形成至少三个通道(19)。本发明可用于通过低温蒸馏的空气分离。

Description

具有在通路中形成多个通道的热交换结构的板式换热器
本申请为申请号为200680020242.0的、申请日为2006年6月6日的、发明名称为“具有在通路中形成多个通道的热交换结构的板式换热器”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种板翅式换热器(échangeur de chaleur àplaques etailettes)。
背景技术
存在各种类型的板翅式换热器，每一种适用于特定领域中的应用。具体地，本发明有利地应用于一种用于通过低温蒸馏分离空气或H2/CO(氢/一氧化碳)的单元的换热器。
所述换热器可以是空气分离装置的主要的热交换管路、过冷器或蒸发冷凝器，该主要热交换管路通过与源自蒸馏塔的低温产品间接进行热交换来冷却来流空气。
这些换热器中的常用技术是铝制钎焊板翅式换热器技术，该技术使得可以获得具有大的换热面积的非常紧凑的部件。
这些换热器由在其间插入有波纹薄板或翅片的板件组成，从而形成一堆被称为“冷”通路和被称为“热”通路的通路。
通常使用的热交换翅片是直翅片、穿孔翅片和齿形翅片。
这些波纹翅片用如下参数表征：
h(mm)：波纹翅片的高度(3-10mm)
e(mm)：波纹翅片的厚度(0.2-0.6mm)
n(m-1或inch-1)：单位长度上的波纹翅片的数量(每米177-1102个波纹)
perf(％)：穿孔度(对于穿孔翅片而言为5％)
ls(mm)：齿形长度(就齿形翅片而言)
这样，在钎焊板翅式换热器中通常使用的翅片的水力直径(Dh)的范围为1至6mm。目前，这些波纹形热交换翅片是冲压成型的。
存在各种增大换热面积的方法。
分隔两流体的换热面积由被称为“主面积”的面积和被称为“第二面积”的面积构成，“主面积”对应于两流体间的平面面积，“第二面积”通常由翅片组成，所述翅片垂直于主面积并从而形成波纹形热交换翅片。所插入的翅片的数量(翅片密度)和翅片的高度使得换热面积增大。
翅片组越密，则换热面积越大。但是，存在制造方面的限制，且存在与方法有关的约束。用于制造波纹翅片组的冲压工具所能实现的最大密度为1023-1102个波纹每米。当偏向于限制压降时，所选择的翅片密度可以更低。另外，在一定的操作条件下、例如在浸没式蒸发冷凝器中，与安全有关的约束将每米的波纹数量限制在远低于在制造中所能达到的最大值的数值。
所述翅片具有温度梯度。当超过一定翅片高度时，翅片的中间区域以及附近的任何地方都不进行热交换。因此，存在对应于最佳翅片系数的最佳翅片高度。通常采用的翅片的高度范围在3mm到10mm之间变化。
还可增大热交换系数。
流体扰动越剧烈，则热交换系数越佳。可通过改变通道的形状或通过插入生成湍流的障碍物(如穿孔的直翅片、齿形翅片、人字形翅片、百叶窗板式翅片或通过插入小型翅片、孔洞等)生成所述湍流。
当流体蒸发时，具有较高数量的成核部位的表面显示出较好的热交换系数。这些成核部位是存在于表面或穿过多孔层的具有多种尺寸和形状的微型空腔(凹状空腔)。
当流体凝结时，液膜厚度对热交换系数具有不利影响。因此，利用沟槽、穿孔或高低起伏将液体排出是有利的。
最近出现了一类被称为微尺度换热器的换热器。
这是一种水力直径小于1毫米的通道的换热器。减小通道的尺寸使得有可能增大换热面积(使该装置更加紧凑)。于是，热交换系数实际上与水力直径成反比。
S.Kandlikar在2003年第一届关于微通道与小型通道的国际会议上“Extending the applicability of the flow boiling correlation to lowReynolds number flows in microchannels(流动沸腾关系式在微通道内低雷诺数流动中的应用)”中基于通道的水力直径提出如下分类：
○1mm＜Dh＜3mm的小型通道(对应于本文波纹翅片组的Dh值)
○200μm＜Dh＜1mm的小型通道
○Dh＜200μm的微通道
对于小型通道(200μm＜Dh＜3mm)，用于常规管的流体动力学定律仍然适用。
对于微通道(Dh＜200μm)，表面效应相当重要，常规的流体动力学定律不再适用。
EP-A-1008826描述了一种板式换热器，其中，至少一个通路包含管状的封闭的辅助通路，其最大宽度大于两相邻板件之间的距离的50％。
通过换热器交换的(热)通量由下式给出：
φ＝k×S×ΔT
对于给定的ΔT，仅通过增大热交换系数(k)和/或通过增大换热面积(S)便可以提高(热)交换。
在钎焊板翅式换热器的情况下，由于制造和/或与方法有关的约束，利用所谓的“第二”面积增大换热面积达到其极限。通过产生湍流来增大热交换系数是有利的，但是具有两个主要的缺陷：
●增加湍流会增大压降；
●由于有关的几何结构的复杂性而使制造成本增加。
因此，创造一种新形状的波纹翅片组不能使热交换系数显著增加到超出现有翅片组所能达到的水平。至于产生成核部位和液体排出部位，这两种方法只涉及特定类型的热交换，主要是蒸发或冷凝。
因此，按照与上文所述相同的路线继续开发，看来将很难使钎焊板翅式换热器有实质性的改进。
另外，微通道类型的技术非常昂贵(通道的微型加工)，且对于尺寸很小的换热器当前尚有所保留：它目前不适用于诸如流量和温差很大的空气分离的应用。
发明内容
所提出的方案旨在通过向已经存在的(“主”和“第二”)面积中结合以被称为“第三面积”的第三换热面积来增大换热面积。
本发明提出了使得向当前用于钎焊板翅式换热器的波纹热交换翅片组增添“第三”面积成为可能的三种设计：
●“多级波纹翅片组”交换通路；
●“小型通道”热交换翅片组，挤制的翅片组；
●“小型通道”热交换翅片组，毛细管。
本发明的一个主题涉及一种钎焊板式换热器(échangeur de chaleur àplaques brasées)，该换热器类型包括一堆限定多个具有扁平的总体形状的流体循环通路的平行板件、界定这些通路的封闭板条、以及用于向第一系列通路的每个通路分配流体的分配装置、和用于向第二系列通路输送另一流体的装置；在该换热器中，至少一个通路包含至少一个结构化的(热)交换结构，该热交换结构在通路的宽度上形成多个通道，每个通道或者与至少两个其它通道接触、或者与至少一个其它通道和一个板件接触，该换热器的特征在于，所述结构还在通路的高度上形成至少三个通道、优选地至少五个通道。
优选地，每个通道与至少三个其它通道、或者一个板件和两个其它通道接触。所述板件可以是限定通路的板件，或者是位于通路中的第二板件。
根据其它的可选方面：
-所述结构由多个圆筒构成；
-在通路内部存在至少一个第二板件，该第二板件具有扁平的总体形状且与限定通路的板件平行；
-所述结构由波纹热交换翅片组叠置形成，每一对相邻的波纹热交换翅片组可由第二板件进行分隔；
-所述结构由包含多个通道的单一体形成；
-通道具有1-6mm的水力直径；
-通道具有200μm-1mm的水力直径；
-通道具有小于200μm的水力直径；
-通路具有3-18mm的高度；
-所述通道具有圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形或菱形的横截面。
本发明的另一主题是一种包括至少一个如上所述的换热器的低温分离设备。
本发明的另一主题是一种空气分离设备，其中，主要热交换管路和/或蒸发冷凝器和/或过冷器是如上所述的换热器。
附图说明
下面将参考附图更加详细地说明本发明，其中：
图1示出波纹翅片几何结构参数；
图2示出本发明所适用的这种具有常规结构的换热器的一个示例的局部剖开的透视图；
图3A、4A和5A描绘了沿流体流动方向看去的根据现有技术的换热器的通路，图3B、4B、4C和5B描绘了沿流体流动方向看去的根据本发明的换热器的通路。
具体实施方式
在图2中，所示换热器1包括一堆完全相同的平行的矩形板件2，这些板件2在其间限定有多个用于使流体处于间接热交换关系的通路。在所示的示例中，这些通路相继并循环地为用于第一流体的通路3、用于第二流体的通路4、以及用于第三流体的通路5。应理解到，本发明涵盖只包括两种流体的换热器或包括任意种数的流体的换热器。
每个通路3-5的侧面设置有界定该通路的封闭板条6，使入口/出口7为相应的流体敞开。在每个通路中具有间隔波纹或波纹翅片8，其作为热翅片、特别是在钎焊时作为所述板件之间的间隔件、并在使用受压流体时作为防止板件的任何变形的方法、以及作为引导流体流动的引导件。
板件堆、封闭板条和间隔波纹通常由铝或铝合金制成，并通过炉中钎焊在单次操作中进行组装。
然后将总体形状为半圆柱体的流体入口/出口室9焊接到换热器体部，这样，把入口/出口室9装配到相应排的入口/出口孔上，并连接到供给和排出流体的管子10上。
可使用各种技术——例如在“Techniques de l’Ingénieur，06-2002”中由Anton GRUSS在“Micro échangeurs thermiques”中描述的那些技术——形成通道。
图3B的方案利用类型相同但翅片高度更短的多个波纹热交换翅片组13来代替图3A中使用的传统的波纹热交换翅片组。这些插入换热器的一个通路且为同一通路中的新翅片组利用覆盖有钎焊金属13的薄板进行组装。这些被称为“第三面积板”的薄板构成所谓的“第三”附加面积。在该示例中，具有将三个翅片组分隔开的两个薄板。
可以使用市面上能得到的所有类型的波纹翅片组，而只需修改和改变翅片的高度。因此，可以对构成波纹翅片组类型的几何结构的所有参数(厚度、密度、翅片的穿孔等)进行调整。其它参数包括：
●通路高度；
●每个通路中换热器翅片的数量；
●第三面积板的厚度(理论上等于波纹翅片组的厚度)；
●第三面积板的形状：是实心的或者具有精心定位的穿孔。
对于该“多级波纹翅片组”技术，其水力直径与传统的波纹翅片的通道的宽度具有相同的数量级(1/n-e)。
下表给出与相等密度n的传统翅片组相比较对于多种翅片高度的换热面积的增加：
Figure GSA00000078129100061
Figure GSA00000078129100071
Figure GSA00000078129100072
Figure GSA00000078129100073
n＊＝通路的高度方向的翅片的数量(第三面积板的厚度为0.2mm)
w＝通道的宽度
h通道＝通道的高度
此处，通道的高度(h通道)限制成最小为2mm(由于钎焊的原因)。
对于相同的容积，增加堆叠于换热器中的翅片的数量会增加其制造成本。但是，安装成本保持不变。
图4B的方案利用包含大量方形横截面的小型通道19的结构化的波纹翅片组17来代替图4A中使用的传统的波纹热交换翅片组。该波纹翅片组可通过挤压制得。
所述挤压制造方法意味着可设想任意的通道横截面(矩形、三角形、圆形、菱形等)。图4C示出三角形横截面的通道。
主要参数包括通路的高度、单位通路高度的通道数量、每1米宽的通路的通道的数量、以及与所使用的通道的几何形状相关的所有参数(通道高度、宽度、直径等)。
该制造方法还使得可以在通道内插入微翅片或小型翅片，以进一步增大换热面积和/或以排出液体。
通道长度(流体热交换长度)可被分成几个挤压制成的波纹翅片组模块，各模块隔开数毫米远以允许通道间的连通。
存在三类根据通道的水力直径(Dh)进行区分的通道几何结构：
-Dh与传统的波纹翅片组的通道宽度具有相同的数量级的通道(w＝1/n-e)；
-Dh的范围为200微米至1毫米的通道(小型通道)；
-Dh小于200微米的通道(微通道)。
上文提及的三类(通道几何结构)所获得的换热面积的增加如下：
对于Dh与传统的波纹翅片组的通道宽度具有相同的数量级的通道(w＝1/n-e)，本文提供了对于多种翅片高度且相对于具有相同高度和相等密度n的传统翅片组的换热面积(se)的增加。
Figure GSA00000078129100081
Figure GSA00000078129100092
对于Dh的范围为200微米至1毫米的通道(小型通道)，本文提供了对于多种翅片高度且相对于相同高度和具有高密度n的传统波纹翅片组的换热面积(se)的增加。
Figure GSA00000078129100093
Figure GSA00000078129100094
Figure GSA00000078129100101
对于Dh小于200微米的通道(微通道)，本文提供了对于多种翅片高度且相对于相同高度和具有高密度n的传统波纹翅片组的换热面积(se)的增加。
Figure GSA00000078129100102
Figure GSA00000078129100103
Figure GSA00000078129100104
图5B的方案利用合适数量的毛细管来代替图5A中使用的传统的波纹热交换翅片组。这些毛细管由于其形状而易于以有序的方式布置。这些毛细管覆有钎焊金属并以机械方式组装成一体。
可调节的参数包括通路的高度、毛细管的直径、毛细管的厚度或每平方米的毛细管的数量。
本文提供了对于多种翅片高度且相对于相等密度的传统波纹翅片组的换热面积(se)的增加。Dext是毛细管的外径。
Figure GSA00000078129100111
Figure GSA00000078129100112
Figure GSA00000078129100113
在每个示例中，为获得相对于传统方案的换热面积的增加，毛细管的直径等于最大直径；较小的直径将使换热面积的增加远不够明显。

Claims (7)

1.一种钎焊板式换热器，该类换热器包括：一堆限定多个具有扁平的总体形状的流体循环通路(3，4，5)的平行板件(2)、界定这些通路的封闭板条、用于向第一系列通路(3，5)的每个通路分配流体的分配装置、以及用于向第二系列通路(4)输送另一流体的装置，在该换热器中，至少一个通路(3)包含至少一个结构化的热交换结构(15，17，21)，该热交换结构在通路的宽度上形成多个通道(19)，每个通道(19)或与至少两个其它通道接触，或与至少一个其它通道和一个板件(2，13)接触，该换热器的特征在于，横跨通路的整个宽度，所述热交换结构还在通路的高度上形成具有相同横截面形状的至少三个通道，所述热交换结构由多个圆筒(21)构成。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，通道(19)具有1-6mm的水力直径。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，通道(19)具有200μm-1mm的水力直径。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，通道(19)具有小于200μm的水力直径。
5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述通道(19)具有圆形横截面。
6.一种低温分离设备，包括至少一个根据权利要求1至5之一所述的换热器。
7.根据权利要求6所述的低温分离设备，其特征在于，主要热交换管路和/或蒸发冷凝器和/或过冷器是根据权利要求1至5之一所述的换热器。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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