CN105308406A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换器，所述热交换器在第一材料流和第二材料流之间传递热量。所述热交换器包括主体部分，所述主体部分包括排放通道，所述排放通道被构造为使所述第一材料流穿过所述主体部分。所述主体部分还包括进料通道，所述进料通道被构造为使所述第二材料流穿过所述主体部分。所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述第一材料流和所述第二材料流中的至少一者与所述第一材料流和所述第二材料流中的另一者传递热量。所述进料通道中的每个具有入口，所述入口具有一横截面积，其中所述进料通道中的至少一个的所述入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述入口的所述横截面积，以便将所述第二材料流通过所述进料通道的流速归一化。

Description

热交换器

本发明涉及热交换器。更具体地讲，本发明涉及具有多个进料通道和多个排放通道以用于在第一材料流和第二材料流之间传递热量的热交换器。

具有多个通道以用于在第一材料流和第二材料流之间传递热量的热交换器是已知的。然而，随着材料流的流速增加，大多数材料流仅使用少数的通道，材料流的流速增加在连续推进流程以增加容量的工业设备中是典型的。换句话讲，随着材料流的流速增加，材料流在通道之间的分布减少，从而让其中一些通道几乎完全未被使用。材料流在通道内的不均匀分布降低了热交换器的效率，这是因为热交换器的有效表面积以及材料流在热交换器内的停留时间减少。因此，仍然需要提高热交换器的效率，同时增加材料流通过热交换器的流速。

热交换器用于在第一材料流和第二材料流之间传递热量。热交换器包括主体部分，该主体部分包含导热材料。主体部分还包括多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使第一材料流穿过主体部分。主体部分还包括多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分。进料通道被构造为使第二材料流穿过主体部分。进料通道与排放通道间隔开并且热连通，使得主体部分内的第一材料流和第二材料流中的至少一者与第一材料流和第二材料流中的另一者传递热量。进料通道中的每个具有用于允许第二材料流进入进料通道的入口。入口具有一横截面积，其中进料通道中的至少一个的入口的横截面积不同于进料通道中的另一个的入口的横截面积，以便将第二材料流通过主体部分的进料通道的流速归一化。将第一材料流通过进料通道的流速归一化增加了热交换器的效率。

反应器系统用于处理原料气。反应器系统包括反应室，该反应室具有进入端口和排出端口，所述进入端口用于将包含原料气的第二材料流引入到所述反应室中，所述排出端口用于在处理第二材料流的原料气之后将第一材料流从反应室排出；热交换器，该热交换器具有包含导热材料的主体部分，所述主体部分包括：多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使所述第一材料流穿过所述主体部分；多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分并且被构造为使所述第二材料流穿过所述主体部分，其中所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述主体部分内的所述第一材料流和所述第二材料流中的至少一者与所述第一材料流和所述第二材料流中的另一者传递热量。所述进料通道中的每个具有用于允许所述第二材料流进入所述进料通道的进料入口，其中所述进料入口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料入口的所述横截面积，以便将所述第二材料流通过所述主体部分的所述进料通道的流速归一化。

本发明的其他优点将易于认识到，因为结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式可更好地理解本发明，其中：

图1为热交换器的示意性剖视图；

图2为热交换器的示意性透视图，该热交换器具有多个排放通道和多个进料通道，其中排放通道基本上垂直于进料通道；

图3为热交换器的示意性透视图，其中排放通道基本上平行于进料通道；

图4为热交换器的示意性透视图，其中排放通道基本上平行于进料通道；

图5为热交换器的主体部分的示意性俯视图；

图6为热交换器的主体部分的俯视图；

图7为图6的热交换器的一部分的放大俯视图；

图8为沿着图5的线8-8截取的热交换器的示意性剖视图；

图9为热交换器的示意性剖视图，其示出进料通道的至少一个进料入口，所述至少一个进料入口相对于另一个进料入口具有不同的横截面积；

图10为热交换器的示意性剖视图，其示出排放通道的至少一个排放入口，所述至少一个排放入口相对于另一个排放入口具有不同的横截面积；

图11为热交换器的示意性剖视图，该热交换器具有基本上相互垂直的排放通道和进料通道；

图12为热交换器的示意性剖视图，该热交换器具有三个进料入口，其中进料入口中的每个的横截面积彼此不同；

图13为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料分配器块；

图14为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料分配器块和排放分配器块；

图15为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料分配器块和排放分配器块；

图16为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料过渡块和排放过渡块；

图17为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料过渡块和排放过渡块；

图18为热交换器的示意性剖视图，该热交换器包括进料过渡块和排放过渡块；

图19为进料过渡块的平面图；

图20为图19的进料过渡块的剖视图；

图21为反应器系统的示意图，该反应器系统包括热交换器；

图22为第一检测热交换器的示意图；

图23为第二检测热交换器的示意图；

图24为第三检测热交换器的示意图；以及

图25为第四检测热交换器的示意图。

参见附图，其中在若干视图中类似的数字表示类似或对应的部分，热交换器30一般以图1的剖视图示出。热交换器30用于在第一材料流32和第二材料流34之间传递热量。更具体地讲，第一材料流32和第二材料流34各自同时穿过热交换器30，第一材料流32和第二材料流34被壁36分开以防止第一材料流32和第二材料流34的混合。应当理解，热交换器30可为任何合适类型的热交换器30，诸如块式热交换器、板式热交换器，以及壳管式热交换器。另外，热交换器30可具有任何合适的构型，诸如矩形、圆形、椭圆形和多边形。

通常，第一材料流32和第二材料流34以不同温度进入热交换器30。应当理解，第一材料流32和第二材料流34可呈任何可能的物态。然而，第一材料流32和第二材料流34通常呈液态或气态。

热量然后通过热交换器30的壁36在第一材料流32和第二材料流34之间传递。一般来讲，热交换器30在系统内使用，在该系统中从一个材料流回收热量以加热另一材料流是有利的。从一个材料流回收热量提高了系统的整体效率，这是因为只需消耗较少的能量来加热其他材料流。

第一材料流32和第二材料流34在进入热交换器30之前具有一定的速度。通常，第一材料流32和第二材料流34的速度大于5米/秒，更典型地为约5至30米/秒，并且甚至更典型地为约10至15米/秒。通常，第一材料流和第二材料流中的至少一者包含选自以下物质的组分：一种或多种氯硅烷物质，诸如四氯化硅、三氯硅烷、二氯硅烷、和单氯硅烷，氢，氮，氯化氢，一种或多种含聚硅烷物质，诸如六氯二硅烷；甲烷，以及一种或多种含碳氯硅烷物质，诸如甲基三氯硅烷或甲基二氯硅烷。

热交换器30包括主体部分38，该主体部分限定多个排放通道40和多个进料通道42。更具体地讲，多个排放通道40被限定通过主体部分38。同样，多个进料通道42被限定通过主体部分38。通常，排放通道40和进料通道42具有圆形横截面。然而，应当理解，排放通道40和/或进料通道42可具有其他横截面构型，诸如立方形。

进料通道42与排放通道40间隔开并且热连通。一般来讲，热交换器30的主体部分38的壁36分开排放通道40和进料通道42。通常，排放通道40被构造为使第一材料流32穿过主体部分38，而进料通道42被构造为使第二材料流34穿过主体部分38。因为排放通道40与进料通道42在主体部分38内邻近，所以第一材料流32和第二材料流34互相传递热量。换句话讲，热量可从热交换器30的所述主体部分38内的第一材料流32和第二材料流34中的至少一者传递到第一材料流32和第二材料流34中的另一者。例如，来自第一材料流32的热量可被传递到第二材料流34以用于加热第二材料流34。作为另外一种选择，来自第二材料流34的热量可被传递到第一材料流32以用于加热第一材料流。还应当理解，在这个流程期间，加热第一材料流32和第二材料流34中的一者可以交替，使得第一材料流32由第二材料流34加热，然后，在稍后的时间，第二材料流34可由第一材料流32加热。

应当理解，第一材料流32和第二材料流34可以任何合适的方式流动通过热交换器30的主体部分38以传递热量。例如，热交换器30的示意图示于图2-图4中，其中图2-图4中的每个示出第一材料流32与第二材料流34之间的不同关系。更具体地讲，图2示出热交换器30的示意图，该热交换器在第一材料流32与第二材料流34之间具有交叉流动关系，其中排放通道40和进料通道42彼此垂直。图3示出热交换器30的示意图，该热交换器在第一材料流32和第二材料流34之间具有逆流流动关系，其中排放通道40和进料通道42相互平行，并且其中第一材料流32和第二材料流34的流动在相反方向上。图4示出热交换器30的示意图，该热交换器在第一材料流32和第二材料流34之间具有平行流动关系，其中排放通道40和进料通道42相互平行，并且第一材料流32和第二材料流34的流动在相同方向上。应当理解，图2-图4旨在为第一材料流32与第二材料流34之间可能关系的示例性例子。

为了有助于第一材料流32与第二材料流34之间的热交换，主体部分38包含导热材料。换句话讲，主体部分38由这样的材料制成，所述材料允许并且甚至增强主体部分38内的第一材料流32与第二材料流34之间的热传递。一般来讲，主体部分38的导热材料选自碳、石墨、碳纤维、陶瓷、陶瓷基质复合材料，以及金属，诸如碳钢、不锈钢、铝、铜、镍、钼、钨、钽、钛，以及它们的合金。另外，主体部分38，并且更具体地讲，主体部分38的导热材料可包括保护涂层，例如热解碳或碳化硅涂层。当放置在某些形式的碳、石墨、碳纤维、陶瓷、或陶瓷基质复合材料上时，保护涂层提供对于腐蚀性和、或高温化学品(诸如氯硅烷、氯化氢，以及通常用于化学工业和多晶硅工业中的其他化学品)的化学防护。

参照图2-图4，进料通道42中的每个具有用于允许第二材料流34进入进料通道42的进料入口44。进料通道42中的每个还具有与进料入口44相对以用于允许第二材料流34离开排放通道40的进料出口46。进料通道42中的每个具有位于进料入口44与进料出口46之间的主要进料部分48。换句话讲，进料通道42包括三个部分，即进料入口44、主要进料部分48和进料出口46。进料入口44、主要进料部分48、和进料出口46相互连通，使得第二材料流34在进料入口44处进入热交换器30的主体部分38，穿过主要进料部分48，并且在进料出口46处离开热交换器30的主体部分38。

类似于上述进料通道42，排放通道40中的每个具有用于允许第一材料流32进入排放通道40的排放入口50。排放通道40中的每个还具有与排放入口50相对以用于允许第一材料流32离开排放通道40的排放出口52。排放通道40中的每个具有位于排放入口50与排放出口52之间的主要排放部分54。换句话讲，排放通道40包括三个部分，即排放入口50、主要排放部分54和排放出口52。排放入口50、主要排放部分54、和排放出口52相互连通，使得第一材料流在排放入口50处进入热交换器30的主体部分38，穿过主要排放部分54，并且在排放出口52处离开热交换器30的主体部分38。

应当理解，排放通道40和进料通道42在热交换器30的主体部分38内可基本上相互平行，如图3和图4所示。作为另外一种选择，排放通道40在热交换器30的主体部分38内可基本上彼此垂直，如图2所示。

主体部分38包括排放表面56以及与排放表面56间隔开的进料表面58。在一个实施例中，排放表面56限定排放通道40中的每个的排放入口50，而进料表面58限定进料通道42中的每个的进料入口44。当排放通道40和进料通道42基本上互相平行时，排放表面56与进料表面58间隔开并且相对，如图3和图4所示。当排放通道40和进料通道42基本上彼此垂直时，排放表面56基本上垂直于进料表面58，如图2所示。

参照图5和图8，其示出热交换器30的主体部分38的进料表面58，进料入口44彼此间隔开，并且如果存在，所述进料入口与排放出口52间隔开。进料入口44和/或排放出口52的间距在进料表面58上呈现出图案。更具体地讲，进料入口44和排放出口52形成图案。为了简化说明，将由进料表面58呈现出的图案布置成两行，其中每行具有进料入口44中的两个和排放出口52中的两个。然而，如图6和图7所示，应当理解，该图案可与布置成交替图案的进料入口44和排放出口52复合。应当理解，在图6和图7中，仅为了说明目的将用于进料通道42的进料入口44填满黑色填充物以易于区分进料入口44和排放出口52。应当理解，进料入口44和排放出口52的图案可为线性图案、同心图案、以及沿着进料表面58的径向图案。

如上所述，进料通道42具有三个部分，即进料入口44、主要进料部分48和进料出口46，并且排放通道40具有三个部分，即排放入口50、主要排放部分54、和排放出口52。排放通道40和进料通道42中的每个部分具有一横截面积。更具体地讲，参照排放通道40，排放入口50、主要排放部分54、和排放出口52各自具有一横截面积。另外，参照进料通道42，进料入口44、主要进料部分48、和进料出口46各自具有一横截面积。应当理解，排放通道40和进料通道42的不同部分的横截面积基于各个部分而不是排放通道40或进料通道42中任一者的所有部分的总和。例如，排放入口50的横截面积针对的是单独的排放入口50而不是所有排放入口50的总横截面积。

第一材料流和第二材料流34各自具有流速。第一材料流32和第二材料流34的流速为材料流通过排放通道40和进料通道42的速度。材料流通过排放通道40和进料通道42的流速取决于在用于进料通道42的进料入口44处以及用于排放通道40的排放入口50处的压差。

不希望受到理论的束缚，据信降低进料入口44之间的压差将导致第二材料流34通过进料通道的归一化流速。换句话讲，据信降低进料入口44之间的压差将导致第二材料流34通过进料通道42中的每个的流速是彼此均匀的。将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化确保了进料通道42中的每个被同等地用于通过热交换器30的主体部分38传递第二材料流34。换句话讲，将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化提供了第二材料流34在进料通道42内的均匀分布。确保进料通道42中的每个被同等地使用增加了第一材料流32与第二材料流34之间的热传递的效率，这是因为热交换器30的有效表面积以及第二材料流34在热交换器30内的停留时间增加。

一般来讲，已经确定第二材料流34通过单独进料通道42的流速可通过以下方式来实现：使第二材料流34易于或难于进入单独进料通道42的进料入口44。换句话讲，可通过改变单独进料入口44的横截面积来修改单独进料入口44的压差。在一个实施例中，进料入口44为孔，并且通过改变孔的直径来修改所选择的进料入口44的横截面积。然而，应当理解，进料入口44可为除了孔之外的其他构型，诸如狭槽，并且仍将应用修改横截面积的相同原理。

一般来讲，如果第二材料流34通过对应进料通道42的流速高于第二材料流34通过所有进料通道42的平均流速，则进料入口44的横截面积减小。相反，如果第二材料流34通过对应进料通道42的流速低于第二材料流34通过所有进料通道42的平均流速，则进料入口44的横截面积增加。

通常，进料入口44的横截面积以与第二材料流34通过对应进料通道42的流速和第二材料流34通过所有进料通道42的平均流速之间的差值成正比的比率减小或增加。

可将上述用于将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化的原理应用于排放通道40以将第一材料流32通过排放通道40的流速归一化。另外，可在任何热交换器上采用上述用于将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化的原理。

通常，进料入口44和/或排放入口54的横截面积小于约0.5平方英寸，更典型地在0.008至约0.5平方英寸之间，并且更典型地为约0.008至约0.2平方英寸。

参照图5和图8，其示出热交换器30的示意图，进料通道42中的至少一个的进料入口44的横截面积不同于进料通道42中的另一个的进料入口44的横截面积，以便将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化。换句话讲，进料入口44中的至少一个的横截面积不同于其余进料入口44的横截面积。参照图9，应当理解，排放通道40中的至少一个的排放入口50的横截面积可不同于排放通道40中的另一个的排放入口50的横截面积，以便将第一材料流32通过排放通道40的流速归一化。还应当理解，进料通道42和/或排放通道40的任何部分的横截面积可不同，以便将第一材料流32或第二材料流34中任一者的流速归一化。

参照图10，进料通道42中的至少一个的进料出口46的横截面积可不同于进料通道42中的另一个的进料出口46的横截面积。换句话讲，进料出口46中的至少一个的横截面积不同于其余进料出口46。类似地，排放通道40中的至少一个的排放出口52的横截面积可不同于排放通道40中的另一个的排放出口52的横截面积。

通常，进料入口44的横截面积减小以将第二材料流34通过进料通道42的流速归一化。因此，进料通道42中的至少一个的主要进料部分48的横截面积可大于进料通道42的进料入口44的横截面积，如图9和图10所示。同样，排放通道40中的至少一个的主要排放部分54的横截面积可大于排放通道40的排放入口50的横截面积。据信可对进料通道42的主要进料部分48或排放通道40的主要排放部分54的横截面积进行修改以将第二材料流34和第一材料流32分别通过进料通道42和排放通道40的流速归一化。在这样的实施例中，主要进料部分48或主要排放部分54的横截面积可分别大于或小于进料入口44和排放入口50的横截面积。应当理解，进料通道42的主要进料部分48以及排放通道40的主要排放部分54的横截面积在进料入口44和进料出口46之间，或者在排放入口50和排放出口52之间可为均匀的。对主要进料部分48和主要排放部分54的横截面积进行选择以在第一材料流32和第二材料流34之间产生所需热连通。

虽然排放通道40和进料通道42在图8-图10中被示为在第一材料流32和第二材料流34之间具有逆流流动关系，但应当理解，排放通道40和进料通道42还可具有如图11所示的交叉流动关系、或平行流动关系。

应当理解，所有进料入口44的横截面积可彼此不同。例如，如图12所示，应当理解，三个不同进料通道42的进料入口44的横截面积全部可彼此不同。在图12中，进料入口44被示为具有沿着进料表面58从左到右移动而减小的横截面积。类似地，三个不同排放通道40的排放入口50的横截面积全部可彼此不同。

如上所述并且如图5-图7所示，进料入口44和排放出口52在热交换器30的主体部分38的进料表面58上呈现出图案。参照图6和图7，进料入口44和排放出口52的序列60可呈现在该图案内。进料入口44和排放出口52的横截面积可沿着序列60改变，如图7中最佳示出。例如，进料入口44沿着序列60的横截面积在序列60朝向进料表面58的中心前进时随着每个进料入口44减小。然后，进料入口44的横截面积开始沿着序列60朝向进料表面58的中心增加。

应当理解，热交换器30可包括用于实现上述用于将第一材料流32和第二材料流34中的一者或两者通过排放通道40和进料通道42的流速归一化的原理的分配器块。换句话讲，分配器块可用于改变进料入口44和排放入口50中的一个或两个的横截面积，以用于将第一材料流32和第二材料流34中的一者或两者通过排放通道40和进料通道42的流速归一化。相对于试图制造进料入口44具有不同横截面积的热交换器30的主体部分38，进料入口44具有不同横截面积的分配器块更易于制造并且制造成本更低。

分配器块还可用于允许改型应用以便实现上述用于将通过排放通道40和进料通道42的流速归一化的原理。例如，可将分配器块添加到现有的热交换器30以便实现上述用于将通过排放通道40和进料通道42的流速归一化的原理。这种效果对于专用石墨块式热交换器尤其如此，该专用石墨块式热交换器由石墨材料制成并且可能涂覆有耐化学层。此类热交换器可见于腐蚀性化学品工业、多晶硅生产工业以及其他工业中。诸如这些的材料在生产尺寸上受限，并且因此不能放大来避免较高流速的流动分布问题。

如图13所示，在一个实施例中，热交换器30的分配器块可进一步限定为进料分配器块62，其中进料分配器块62邻近主体部分38设置。当存在时，进料分配器块62限定进料通道42中的每个的进料入口44。在这样的实施例中，由进料分配器块62限定的进料入口44与主体部分38内的进料通道42的主要进料部分48对齐。应当理解，排放通道40的排放出口52可由进料分配器块62限定，如图13所示。作为另外一种选择，当采用进料分配器块62时，排放出口52可由热交换器30的主体部分38限定，如图14所示。应当理解，当进料分配器块62限定进料入口44和排放出口52时，进料分配器块62呈现进料入口44和排放出口52的图案。

参照图14和图15，在另一个实施例中，热交换器30还可包括排放分配器块64，该排放分配器块限定排放通道40中的每个的排放入口50。在这样的实施例中，由排放分配器块64限定的排放入口50与主体部分38内的排放通道40的主要排放部分54对齐。当排放分配器块64存在时，进料出口46可由热交换器30的主体部分38限定，如图14所示，或者进料出口46可由排放分配器块64限定，如图15所示。

应当理解，热交换器30的主体部分38和/或分配器块可由多个部件形成，使得至少两个部分连接在一起以形成主体部分38和/或分配器块。

如上所述，第一材料流32和第二材料流34由壁36分开以防止第一材料流32和第二材料流34的混合。因此，参照图16-图18，热交换器30可包括邻近进料表面58设置的进料过渡块66以及邻近主体部分38的排放表面56设置的排放过渡块68。应当理解，进料过渡块66和排放过渡块68在图16中示意性地示出。进料过渡块66和排放过渡块68沿不同方向导向第一材料流32和第二材料流34以保持第一材料流32和第二材料流34在进入热交换器30之前或在离开热交换器32之后彼此分开。

进料过渡块66和排放过渡块68各自具有由分隔壁74分开的第一路径70和第二路径72。如图16所示，第一材料流32流动通过进料过渡块66的第一路径70并且离开端口76。第二材料流34在端口78处流动进入进料过渡块66的第二路径72。端口76、78彼此分开以维持第一材料流32和第二材料流34的分离。参照图16的排放过渡块68，第一材料流32在排放端口76处进入排放过渡块68的第一路径70，而第二材料流34流动通过第二路径72并且离开进料端口78。

应当理解，具有进料过渡块66和排放过渡块68的热交换器30的另外的实施例在图17和图18中示意性地示出。当存在时，排放分配器块64设置在排放过渡块68与热交换器30的主体部分38之间。还可以将进料分配器块62放置在进料过渡块66与热交换器30的主体部分38之间。应当理解，排放分配器64和进料分配器62可独立地使用或同时使用。应当理解，热交换器30可包括任何数量的进料过渡块66或排放过渡块68。

参照图6和图7，进料入口44和排放出口52的图案可使得进料入口44和排放出口52在热交换器30的主体部分38的进料表面58处混合在一起。为了防止第一材料流32和第二材料流34的混合，进料过渡块66和排放过渡块68可包括多个第一路径70和多个第二路径72，如图19和图20所示。另外，进料过渡块66或排放过渡块68中的任一者或两者还可充当分配器块。作为另外一种选择，将第二进料分配器块或排放分配器块添加到进料过渡块和/或排放过渡块的入口以提供一系列进料分配器块和/或过渡分配器块。分配块的这种级联使用可多次执行以影响改善的分布。另外的进料分配器块或排放分配器块还包括多个路径，所述路径将第一材料流32和/或第二材料流34路由到进料过渡块和排放过渡块。应当理解，另外的进料分配器块或排放分配器块的路径中的至少一个具有不同于至少另一个路径的横截面积。以这种方式，实现了第一材料流32和第二材料流34的级联分布。

参照图21，在一个实施例中，热交换器30在反应器系统80中使用以用于处理原料气82。例如，热交换器30可在反应器系统80中使用以用于氢化四氯化硅。然而，应当理解，热交换器30可在任何系统中使用，在所述系统中，期望在两个或更多个材料流之间交换热量。

反应器系统80包括反应室84，该反应室具有进入端口86以用于将第二材料流34引入到反应室84中。通常，第二材料流34包含原料气82。反应室84还限定用于将第一材料流32从反应室84排出的排出端口88，该第一材料流包含原料气82和/或反应室84内的反应的产物和/或副产物。通常，第一材料流32在原料气82的处理进行之后穿过排出端口88。

在存在反应室84的实施例中，进料通道42的进料出口46与反应室84的进入端口86连通，使得第二材料流34在进入反应室84之前穿过热交换器30。另外，排放通道40的排放入口50与反应室84的排出端口88连通，使得第一材料在从反应室84排出之后穿过热交换器30。通常，将原料气82在反应室84内加热。因此，离开反应室84的第一材料流32比进入反应室84的第二材料流34更热。在该实施例中，第一材料流32将热量传递到第二材料流34以用于在第二材料流34进入反应室84之前加热第二材料流34。换句话讲，离开反应室84的更热的第一材料流32加热在热交换器30内的第二材料流34，并且因此加热原料气82，以用于减少加热反应室84内的原料气82所需的能量。

这些例子旨在说明本发明的一些实施例，而不应解释为限制权利要求书中所述的本发明的范围。参考例子不应该认为是现有技术，除非这样指明。

第一计算流体动力学模拟在第一检测热交换器86和第二检测热交换器88上进行。第一检测热交换器86和第二检测热交换器88两者均在第一材料流32和第二材料流34之间具有交叉流流动关系。第一检测热交换器86不包括分配器块。第一检测热交换器86的进料入口44各自具有0.40英寸的直径。第一检测热交换器86的示意图示于图22中。

第二检测热交换器88包括限定进料入口44的进料分配器块66。第二检测热交换器88的进料入口44的直径具有在0.24和0.40英寸之间改变的直径。第二检测热交换器88的示意图示于图23中。

以10千克/立方米的密度和1.75E-5Pa-s的粘度进入到第一检测热交换器86和第二检测热交换器88中的进料速度为10米/秒。下表1列出了进料入口44的直径以及通过第一检测热交换器86和第二检测热交换器88的进料通道42的所得流速。

	入口44的直径	流速	入口44的直径	流速
					1	0.40英寸	1.97lb/s	0.24英寸	1.55lb/s
2	0.40英寸	2.01lb/s	0.26英寸	1.50lb/s
					3	0.40英寸	1.98lb/s	0.28英寸	1.63lb/s
4	0.40英寸	1.93lb/s	0.30英寸	1.73lb/s
					5	0.40英寸	1.85lb/s	0.31英寸	1.79lb/s
6	0.40英寸	1.75lb/s	0.33英寸	1.82lb/s
					7	0.40英寸	1.61lb/s	0.35英寸	1.82lb/s
8	0.40英寸	1.45lb/s	0.37英寸	1.78lb/s
					9	0.40英寸	1.26lb/s	0.38英寸	1.69lb/s
10	0.40英寸	1.01lb/s	0.40英寸	1.50lb/s

表1

通过第一检测热交换器86的进料通道42的平均所得流速为1.68lb/s。通过第一检测热交换器86的进料通道42的最大流速比第一检测热交换器86的平均所得流速高20％。通过第一检测热交换器86的进料通道42的最小流速比第一检测热交换器86的平均所得流速低40％。另外，通过第一检测热交换器86的进料通道42的最大流速比通过第一检测热交换器86的进料通道42的最小流速高99％。

通过第二检测热交换器88的进料通道42的平均所得流速为1.68lb/s。通过第二检测热交换器88的进料通道42的最大流速比第二检测热交换器88的平均所得流速高8％。通过第二检测热交换器88的进料通道42的最小流速比第二检测热交换器88的平均所得流速低11％。另外，通过第二检测热交换器88的进料通道42的最大流速比通过第二检测热交换器88的进料通道42的最小流速高21％。

因此，由于相对于第二检测热交换器88的平均流速的最大和最小流速之间的差值不如相对于第一检测热交换器86的平均流速的最大和最小流速之间的差值大，所以可以得出结论：与第一检测热交换器86的进料通道42的流速相比，第二检测热交换器88在进料通道42内具有更均匀分布的流速。

第二计算流体动力学模拟在第三检测热交换器90和第四检测热交换器92上进行。第三检测热交换器90和第四检测热交换器92两者均在第一材料流32和第二材料流34之间具有逆流流动关系。第三检测热交换器90不包括分配器块。第三检测热交换器90的进料入口44各自具有0.40英寸的直径。第三检测热交换器90的示意图示于图24中。

第四检测热交换器92包括限定进料入口44的进料分配器块66。第四检测热交换器92的进料入口44的直径具有在0.23和0.40英寸之间改变的直径。第四测热交换器92的示意图示于图25中。

以10千克/立方米的密度和1.75E-5Pa-s的粘度进入到第三检测热交换器90和第四检测热交换器92中的进料速度为10米/秒。下表2列出了进料入口44的直径以及通过用于第三检测热交换器90和第四检测热交换器92的进料通道42的所得流速。

编号	入口44的直径	流速	入口44的直径	流速
					1	0.40英寸	1.27lb/s	0.40英寸	1.75lb/s
2	0.40英寸	1.17lb/s	0.36英寸	1.58lb/s
					3	0.40英寸	1.65lb/s	0.31英寸	1.62lb/s
4	0.40英寸	2.08lb/s	0.27英寸	1.74lb/s
					5	0.40英寸	2.23lb/s	0.23英寸	1.71lb/s
6	0.40英寸	2.23lb/s	0.23英寸	1.71lb/s

7	0.40英寸	2.08lb/s	0.27英寸	1.74lb/s
					8	0.40英寸	1.65b/s	0.31英寸	1.62lb/s
9	0.40英寸	1.17lb/s	0.36英寸	1.58lb/s
					10	0.40英寸	1.27lb/s	0.40英寸	1.75lb/s

表2

通过第三检测热交换器90的进料通道42的平均所得流速为1.68lb/s。通过第三检测热交换器90的进料通道42的最大流速比第三检测热交换器90的平均所得流速高33％。通过第三检测热交换器90的进料通道42的最小流速比第三检测热交换器90的平均所得流速低33％。另外，通过第三检测热交换器90的进料通道42的最大流速比通过第三检测热交换器90的进料通道42的最小流速高90％。

通过第四检测热交换器92的进料通道42的平均所得流速为1.68lb/s。通过第四检测热交换器92的进料通道42的最大流速比第四检测热交换器92的平均所得流速高4％。通过第四检测热交换器92的进料通道42的最小流速比第四检测热交换器92的平均所得流速低6％。另外，通过第四检测热交换器92的进料通道42的最大流速比通过第四检测热交换器92的进料通道42的最小流速高11％。

因此，由于相对于第四检测热交换器92的平均流速的最大和最小流速之间的差值不如相对于第三检测热交换器90的平均流速的最大和最小流速之间的差值大，所以可以得出结论：与第三检测热交换器90的进料通道42的流速相比，第四检测热交换器92在进料通道42内具有更均匀分布的流速。

本文所公开的热交换器和反应器系统包括至少以下实施例：

实施例1：用于在第一材料流和第二材料流之间传递热量的热交换器，所述热交换器包括：包含导热材料的主体部分，所述主体部分包括：多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使第一材料流穿过所述主体部分；多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分并且被构造为使第二材料流穿过所述主体部分，其中所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述主体部分内的第一材料流和第二材料流中的至少一者与第一材料流和第二材料流中的另一者传递热量，其中所述进料通道中的每个具有用于允许第二材料流进入所述进料通道的进料入口，其中所述进料入口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料入口的所述横截面积，以便将第二材料流通过所述主体部分的所述进料通道的流速归一化。

实施例2：如实施例1中所述的热交换器，其中所述进料通道中的每个具有进料出口，所述进料出口与所述进料通道的所述进料入口相对以用于允许第二材料流离开进料通道，其中所述进料通道中的每个的所述进料出口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料出口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料出口的所述横截面积。

实施例3：如实施例2中所述的热交换器，其中所述进料通道具有位于所述进料通道的所述进料入口和所述进料出口之间的主要进料部分，其中所述进料通道的所述主要进料部分具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述主要进料部分的所述横截面积大于所述进料通道的所述进料入口的所述横截面积。

实施例4：如实施例1至3中任一项所述的热交换器，其中所述排放通道中的每个具有用于允许第一材料流进入所述排放通道的排放入口，其中所述排放通道的所述排放入口具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述排放入口的所述横截面积不同于所述排放通道中的另一个的所述排放入口的所述横截面积，以便将第一材料流通过所述主体部分的所述排放通道的流速归一化。

实施例5：如实施例4中所述的热交换器，其中所述排放通道中的每个具有排放出口，所述排放出口与所述排放通道的所述排放入口相对以用于允许第一材料流离开排放通道，其中所述排放通道中的每个的所述排放出口具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述排放出口的所述横截面积不同于所述排放通道中的另一个的所述排放出口的所述横截面积。

实施例6：如实施例5中所述的热交换器，其中所述排放通道具有位于所述排放通道的所述排放入口和所述排放出口之间的主要排放部分，其中所述排放通道的所述主要排放部分具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述主要排放部分的所述横截面积大于所述排放通道中的另一个的所述排放入口的所述横截面积。

实施例7：如实施例4中所述的热交换器，其中所述主体部分包括限定所述进料通道的所述进料入口的进料表面，并且所述主体部分包括与所述进料表面相对的排放表面，其中所述排放表面限定所述排放通道的所述排放入口，并且其中所述主体部分内的所述进料通道基本上平行于所述排放通道。

实施例8：如实施例4中所述的热交换器，其中所述主体部分包括限定所述进料通道的所述进料入口的进料表面，并且所述主体部分包括基本上垂直于所述进料表面的排放表面，其中所述排放表面限定所述排放通道的所述排放入口，并且其中所述主体部分内的所述进料通道基本上垂直于所述排放通道。

实施例9：如实施例1至8中任一项所述的热交换器，还包括串联并且与所述主体部分相邻设置的至少一个进料分配器块，并且所述进料分配器块限定所述进料通道的所述进料入口。

实施例10：如实施例9中所述的热交换器，还包括串联并且与所述主体部分相邻设置的与所述进料分配器块相对的至少一个排放分配器块，其中所述排放分配器块限定所述排放通道的所述排放入口。

实施例11：如实施例1至10中任一项所述的热交换器，其中所述进料通道中的每个的所述进料入口沿着所述主体部分线性地、同心地和/或径向地间隔开。

实施例12：如实施例1至11中任一项所述的热交换器，其中所述进料通道中的所述一者的所述进料入口的所述横截面积与第二材料流通过所述进料通道的平均流速和通过所述进料通道中的所述一者的实际流速之间的差值成比例地减小。

实施例13：如实施例1至12中任一项所述的热交换器，其中所述主体部分的所述导热材料选自碳、石墨、碳纤维、陶瓷、陶瓷基质复合材料，以及金属。

实施例14：如前述实施例中任一项所述的热交换器，其中所述进料入口的横截面积小于约0.5平方英寸。

实施例15：用于处理原料气的反应器系统，所述反应器系统包括：反应室，该反应室具有进入端口和排出端口，所述进入端口用于将包含原料气的第二材料流引入到所述反应室中，所述排出端口用于在处理第二材料流的原料气之后将第一材料流从反应室排出；热交换器，该热交换器具有包含导热材料的主体部分，所述主体部分包括：多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使所述第一材料流穿过所述主体部分；多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分并且被构造为使所述第二材料流穿过所述主体部分，其中所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述主体部分内的所述第一材料流和所述第二材料流中的至少一者与所述第一材料流和所述第二材料流中的另一者传递热量，其中所述进料通道中的每个具有用于允许所述第二材料流进入所述进料通道的进料入口，其中所述进料入口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料入口的所述横截面积，以便将所述第二材料流通过所述主体部分的所述进料通道的流速归一化。

虽然已结合示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明作出多种更改，并且可用等同物替代本发明的要素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以作出许多修改，以使特定情况或材料适应于本发明的教导内容。因此，本发明旨在不限于所公开的作为实施本发明的最佳预期方式的具体实施例，然而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于在第一材料流和第二材料流之间传递热量的热交换器，所述热交换器包括：包含导热材料的主体部分，所述主体部分包括：多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使所述第一材料流穿过所述主体部分，

多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分并且被构造为使所述第二材料流穿过所述主体部分，其中所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述主体部分内的所述第一材料流和所述第二材料流中的至少一者与所述第一材料流和所述第二材料流中的另一者传递热量，

其中所述进料通道中的每个具有用于允许所述第二材料流进入所述进料通道的进料入口，其中所述进料入口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料入口的所述横截面积，以便将所述第二材料流通过所述主体部分的所述进料通道的流速归一化。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述进料通道中的每个具有进料出口，所述进料出口与所述进料通道的所述进料入口相对以用于允许所述第二材料流离开所述进料通道，其中所述进料通道中的每个的所述进料出口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料出口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料出口的所述横截面积。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其中所述进料通道具有位于所述进料通道的所述进料入口和所述进料出口之间的主要进料部分，其中所述进料通道的所述主要进料部分具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述主要进料部分的所述横截面积大于所述进料通道的所述进料入口的所述横截面积。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中所述排放通道中的每个具有用于允许所述第一材料流进入所述排放通道的排放入口，其中所述排放通道的所述排放入口具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述排放入口的所述横截面积不同于所述排放通道中的另一个的所述排放入口的所述横截面积，以便将所述第一材料流通过所述主体部分的所述排放通道的流速归一化。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述排放通道中的每个具有排放出口，所述排放出口与所述排放通道的所述排放入口相对以用于允许所述第一材料流离开所述排放通道，其中所述排放通道中的每个的所述排放出口具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述排放出口的所述横截面积不同于所述排放通道中的另一个的所述排放出口的所述横截面积。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其中所述排放通道具有位于所述排放通道的所述排放入口和所述排放出口之间的主要排放部分，其中所述排放通道的所述主要排放部分具有一横截面积，并且其中所述排放通道中的至少一个的所述主要排放部分的所述横截面积大于所述排放通道中的另一个的所述排放入口的所述横截面积。

7.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述主体部分包括限定所述进料通道的所述进料入口的进料表面，并且所述主体部分包括与所述进料表面相对的排放表面，其中所述排放表面限定所述排放通道的所述排放入口，并且其中所述主体部分内的所述进料通道基本上平行于所述排放通道。

8.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述主体部分包括限定所述进料通道的所述进料入口的进料表面，并且所述主体部分包括基本上垂直于所述进料表面的排放表面，其中所述排放表面限定所述排放通道的所述排放入口，并且其中所述主体部分内的所述进料通道基本上垂直于所述排放通道。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器，还包括串联并且与所述主体部分相邻设置的至少一个进料分配器块，并且所述进料分配器块限定所述进料通道的所述进料入口。

10.根据权利要求9所述的热交换器，还包括串联并且与所述主体部分相邻设置的与所述进料分配器块相对的至少一个排放分配器块，其中所述排放分配器块限定所述排放通道的所述排放入口。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的热交换器，其中所述进料通道中的每个的所述进料入口沿着所述主体部分线性地、同心地和/或径向地间隔开。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器，其中所述进料通道中的所述一者的所述进料入口的所述横截面积与所述第二材料流通过所述进料通道的平均流速和通过所述进料通道中的所述一者的实际流速之间的差值成比例地减小。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的热交换器，其中所述主体部分的所述导热材料选自碳、石墨、碳纤维、陶瓷、陶瓷基质复合材料，以及金属。

14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中所述进料入口的所述横截面积小于约0.5平方英寸。

15.一种用于处理原料气的反应器系统，所述反应器系统包括：

反应室，所述反应室具有进入端口和排出端口，所述进入端口用于将包含所述原料气的第二材料流引入到所述反应室中，所述排出端口用于在处理所述第二材料流的所述原料气之后将第一材料流从所述反应室排出，

热交换器，所述热交换器具有包含导热材料的主体部分，所述主体部分包括：多个排放通道，所述多个排放通道被限定通过所述主体部分，其中所述排放通道被构造为使所述第一材料流穿过所述主体部分，

多个进料通道，所述多个进料通道被限定通过所述主体部分并且被构造为使所述第二材料流穿过所述主体部分，其中所述进料通道与所述排放通道间隔开并且热连通，使得所述主体部分内的所述第一材料流和所述第二材料流中的至少一者与所述第一材料流和所述第二材料流中的另一者传递热量，

其中所述进料通道中的每个具有用于允许所述第二材料流进入所述进料通道的进料入口，其中所述进料入口具有一横截面积，并且其中所述进料通道中的至少一个的所述进料入口的所述横截面积不同于所述进料通道中的另一个的所述进料入口的所述横截面积，以便将所述第二材料流通过所述主体部分的所述进料通道的流速归一化。