CN106536082A - 构造用于热交换的工程填料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

装置包括入口、出口、以及靠近热传递表面设置的薄层，该薄层定向在一薄平面内，该薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度。该装置还包括附着于该薄层上的多个空格，这些空格位于各个空格平面上，其中这些空格平面和薄平面相交构成各个相交处，这些空格平面和薄平面的相交处大致平行，空格平面和薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°，并且这些多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。

Description

构造用于热交换的工程填料的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及热交换和非绝热催化反应器领域，更具体地，涉及构造用于热交换的工程填料的系统和方法。
背景技术
已知通过工程填料提升热传递表面与流体之间的热传递的各种系统和方法，其中该工程填料引导流体冲击该表面并由此破坏阻止热传递的边界层。例如，采用这种技术的装置包括美国专利US 7,566,487、7,976,783和8,257,658所教导的方案。这三份专利公开了提供有益流动模式的工程填料结构，该流动模式由流道所创建，该流道以与热传递表面成斜角的角度输送流体进出该表面，该表面大致平行于流体从热交换设备的入口到出口的一般路径，该热交换设备例如用于管或环或平板之间的热传递。
一般，热传递系数或努塞尔特数(Nu)以及压降(ΔP)均随着速度增大而增大，但是Nu/ΔP之比随速度增大而减小。相比其他换热器，上述专利利用冲击流，以在相对低的表面速度下产生高的Nu/ΔP比值。这些专利在更长的停留时间内在两种或多种流体之间实现了有效的热传递，同时需要更少的热传递表面主面积，并允许使用比较便宜的热传递设备。在板式和翅片换热器中，扩展受热面也是已知的，但这一般仅在扩展受热面材料的导热系数远远超过流体与次级表面之间的热传递的导热系数的情况下有用，通常情况是扩展受热面由铜、铝或贵金属组成并用于与气体进行热传递。铝制板式和翅片换热器使得一般在200℃的温度以下的非腐蚀性流体，特别是气体的换热器的结构更紧凑更便宜。当扩展受热面必须由碳钢、不锈钢、镍合金、或导热系数相对低的其他材料组成，且用于腐蚀性或高温应用场合时，使用该面是比较不利的。
发明内容
根据本实施例，提供了一种具有改进了的热传递的装置。该装置包括入口、出口、以及靠近热传递表面设置的薄层，该薄层定向在一薄平面内，该薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度。该装置还包括附着于该薄层上的多个空格，这些空格位于各个空格平面上，其中这些空格平面和薄平面相交构成各个相交处，这些空格平面和薄平面的相交处大致平行，空格平面和薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°，并且这些多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
在一实施例中，该装置还包括靠近热传递表面设置的第二薄层，该第二薄层定向在第二薄平面内，该第二薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度，还包括附着于该第二薄层上的多个第二薄空格，这些空格位于各个第二薄空格平面上，其中这些第二薄空格平面与该第二薄平面相交构成各个第二相交处，这些第二薄空格平面与该第二薄平面的第二相交处大致平行，第二薄空格平面与第二薄平面的第二相交处与热传递表面的角度小于88°；并且这些多个第二薄空格共同构成第二通道，引导流体从入口流到出口以流出热传递表面。
在另一实施例中，该薄平面从热传递平面的所在平面移位大约90°的角度。
在另一实施例中，空格平面与薄平面之间的角度大于5°。
在另一实施例中，空格平面与薄平面之间的角度大约为90°。
在另一实施例中，相交处与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
在另一实施例中，通道与热传递表面之间的角度小于88°。
在另一实施例中，通道与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
在另一实施例中，通过对薄层进行冲裁和折弯操作来形成空格。
在另一实施例中，该装置包括在该装置与该热传递表面之间的一个或多个间隙，从入口流到出口的流体通过这些间隙从通道流到第二通道。
在另一实施例中，空格具有宽度，并且宽度逐渐变小以形成弧形装置，并且各个成型薄层在该装置的内圈直径上比在该装置的外圈直径上更紧靠在一起。
根据另一实施例，提供了一种具有改进了的热传递的装置。该装置包括入口、出口、以及靠近热传递表面设置的多个薄层，这些多个薄层各自定向在各个薄平面内，该薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度。该装置还包括附着于这些多个薄层上的多个空格，这些空格位于各个空格平面上，其中各个空格平面和相应的薄平面相交构成各个相交处，空格平面和相应的薄平面的相交处大致平行，空格平面和相应的薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°，并且这些多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
参照下文的具体实施方式以及所附附图，本发明的上述及其他优点将明示于本领域普通技术人员。
附图说明
图1A示出了根据一实施例从入口所见的薄层；
图1B示出了根据图1A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身；
图2A示出了根据一实施例从入口所见的薄层；
图2B示出了根据图2A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身；
图3A示出了根据一实施例从入口所见的薄层；
图3B示出了根据图3A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身；
图4A示出了根据一实施例从入口所见的薄层；
图4B示出了根据图4A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身；
图5A示出了根据一实施例从入口所见的完全成型薄层；
图5B示出了根据图5A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身；
图6A示出了根据图5A-5B所示实施例的薄层从该薄层入口所见的镜像薄层；
图6B示出了根据图6A所示实施例的薄层的一面；
图7示出了根据一实施例从入口所见的包括多个薄层的装置；
图8示出了根据另一实施例从入口所见的包括多个薄层的装置；
图9示出了根据另一实施例从入口所见的包括多个薄层的装置；
图10A示出了根据一实施例从薄层一面所见的处于成型的一个阶段的薄层；
图10B示出了从入口所见的根据图9A所示实施例的处于成型的不同阶段的薄层；以及
图10C示出了从入口所见的根据图9A-9B所示实施例另一种配置的薄层。
具体实施方式
下文的详细说明公开了本发明的各种示范性实施例和特征。这些示范性实施例和特征并非意味着对本发明内容的限制。
为了在低表面速度和低ΔP下产生期望的高Nu值，本文所公开的创造性设计使用流体动力学仿真计算和应力有限元分析创建，相比已知技术，提供了更容易制造、更廉价且具有有益流动模式的结构。
特别地，本发明的一个目的在于提供在低表面速度和低ΔP下具有高Nu的装置，相比如上述专利所述的现有技术，其能够在比较便宜的机床上使用比较便宜的模具且更少的时间来制造，并具有更长的使用寿命。另一目的在于创造这种装置或基质，其相比现有技术具有更大的实用性几何表面积(GSA)。更大的GSA对于基质GSA上存在有催化剂的化学反应的促进是有用的。本领域一般技术人员在阅读本公开文本时将会发现本发明的其他目的。
部分附图成对地示出(例如图1A和1B)。在每一对中，以A标识的附图其视角从薄层上缘出发。以B标识的附图其视角从薄层一面出发。薄层顶面以点缀面示出，薄层背面以网纹面示出，薄层边缘以粗实线示出。
图1A示出了根据一实施例从入口所见的薄层。图1B示出了根据图1A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身。图2A示出了根据一实施例从入口所见的薄层。图2B示出了根据图2A所示实施例的薄层从其一面所见的薄层本身。参照图1A和1B，具有边缘2的薄层1沿实线3切割或冲裁。如图2A-2B所示，虚线4示出了薄层折起以形成空格的位置。线4构成了薄层与所形成的空格的相交处。参照图2A-2B，图1A和1B所示的薄层部分向上折起至少10°并优选为90°，以形成空格5。虚线6示出了薄层折起以形成图3A-3B所示形式的位置。参照图3A-3B，薄层向薄层平面的下方折起90°以形成壁段7。参照图4A-4B，图3A和3B所示薄层的节段7绕薄层背面另外折叠90°或总共折叠180°。所示成型薄层置于热传递表面或壁9之间，这些热传递表面或壁垂直于图4A和4B所示的薄层，并且从其边缘进行观察。成型薄层的新成型侧面末端或新边缘10毗邻表面9，并且间隙11断断续续地位于成型薄层和表面之间。装置12包括具有空格、相交处、边缘和间隙的成型薄层，热传递表面9，入口13，以及出口14。流体从入口通过装置流到出口。不必将成型薄层连接至或接触到表面，但是成型薄层优选尽可能贴近表面，更优选为毗邻表面。成型薄层可通过熔焊、钎焊、锡焊、胶合、或连接或粘合到表面上。空格折叠线4构成装置薄层和空格之间的相交处，并且彼此大致平行。空格优选折叠至相同的折起角度，至少为10°并优选大约90°。当流体从入口13通过装置12流向出口14时，空格构成通道壁，导流流体流向左表面(如观察图4A-4B者所见)。
图5A和5B分别为图4A-4B所示的成型薄层的两幅视图，其中薄层15为从入口所见的图4A所示的成型薄层，而图5B为对应图4B的视图的成型薄层的侧视图。图示了左右热传递壁9。参照图6A，其示出了对应图5A所示的薄层15的第二成型薄层16，而图6B为对应图5B的视图的第二薄层的视图，其中图6A-6B所示的成型薄层为图5A-5B所示薄层的从左至右的镜像。图5A-5B和6A-6B所示的结构具有入口13和出口14。图5A-5B和6A-6B所示的成型薄层受到左右热传递表面9的约束。由此图5A-5B所示的成型薄层造成从入口流过该结构到达右侧的流体冲击，或撞击左表面9并流离右表面9，图6A-6B所示的成型薄层造成流体冲击，或撞击右表面9并流离左表面9。
参照图7、8和9，图5A-5B和6A-6B中的成型薄层的结构15和16以交替顺序分别插入到图7中的左右平整表面9之间，紧邻图8中的单独平整表面9，并位于图9中的左右弯曲表面9之间。从各个入口所示，表面9可如图7所示为平直的，或者如图9所示为弯曲的。图9中的弯曲表面9之间的容积构成环状。或者，单个凹面9的左侧容积构成管的内部或外部。如图9所示，空格可以锥形样式从各个薄层上剪切下来，使得如图9所示，空格左端的宽度或短尺寸短于其右端的宽度或短尺寸，造成装置弯曲或为弧形，同时在装置内半径处的各个成型薄层比起在该装置外半径处的更紧凑。弯曲或弧形实施例可置于管内或环内，或绕管放置，其中管壁或环壁为热传递表面9。组装成型薄层、入口、出口和至少一个热传递表面构成工程填料18。
参照图10B，如图所示，具有平整段19、20和21的单个薄层在位置22和23处折叠。空格从平整段19冲裁出来并进行折叠，以形成纵列或元件15和16，这些纵列或元件15和16与其他附图的元件形式相同。
参照图10C，图10B所示的薄层进一步在位置22处折叠180°的弯曲并且在位置23处折叠90°的弯曲。成型薄层设置在两个热传递表面9之间。
图10A示出了在冲裁并形成未示出的空格之后，从其一面所见的薄层视图，其中平整段19、20和21的冲裁形状可根据折线22和23看出。其他数量的平整段20可取代连续平整段19之间的两个平整段20，设置在连续平整段19之间以提供额外的GSA，并且薄层可涂有用于催化反应器中的合适催化剂，特别是非绝热催化反应器。表面9可以如图10C所示为平直的或弯曲的，这样一个或多个表面9为管壁。催化反应器可以是将碳氢化合物和至少一种蒸汽和二氧化碳转化为含氢气体的蒸汽甲烷重整器。
由此，根据一实施例，提供了一种具有改进了的热传递的装置。该装置包括入口、出口、以及靠近热传递表面设置的薄层，该薄层定向在一薄平面内，该薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度。该装置还包括附着于该薄层上的多个空格，这些空格位于各个空格平面上，其中这些空格平面和薄平面相交构成各个相交处，这些空格平面和薄平面的相交处大致平行，空格平面和薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°，并且这些多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
在一实施例中，该装置还包括靠近热传递表面设置的第二薄层，该第二薄层定向在第二薄平面内，该第二薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度，还包括附着于该第二薄层上的多个第二薄空格，这些空格位于各个第二薄空格平面上，其中这些第二薄空格平面与该第二薄平面相交构成各个第二相交处，这些第二薄空格平面与该第二薄平面的第二相交处大致平行，第二薄空格平面与第二薄平面的第二相交处与热传递表面的角度小于88°；并且这些多个第二薄空格共同构成第二通道，引导流体从入口流到出口以流出热传递表面。
在另一实施例中，该薄平面从热传递平面的所在平面移位大约90°的角度。
在另一实施例中，空格平面与薄平面之间的角度大于5°。
在另一实施例中，空格平面与薄平面之间的角度大约为90°。
在另一实施例中，相交处与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
在另一实施例中，通道与热传递表面之间的角度小于88°。
在另一实施例中，通道与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
在另一实施例中，通过对薄层进行冲裁和折弯操作来形成空格。
在另一实施例中，该装置包括在该装置与该热传递表面之间的一个或多个间隙，从入口流到出口的流体通过这些间隙从通道流到第二通道。
在另一实施例中，其中空格宽度逐渐变小以形成弧形装置，并且各个成型薄层在该装置的内圈直径上比在该装置的外圈直径上更紧靠在一起。
根据另一实施例，提供了一种具有改进了的热传递的装置。该装置包括入口、出口、以及靠近热传递表面设置的多个薄层，这些多个薄层各自定向在各个薄平面内，该薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度。该装置还包括附着于这些多个薄层上的多个空格，这些空格位于各个空格平面上，其中各个空格平面和相应的薄平面相交构成各个相交处，空格平面和相应的薄平面的相交处大致平行，空格平面和相应的薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°，并且这些多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
尽管本发明根据若干实施例进行描述，然而各个实施例的各种特征可合并以形成为特别进行描述的额外实施例。而且，对于本领域普通技术人员而言，在本发明范围内的其他实施例是显而易见的。本发明仅有的限制在于本申请所附的权利要求特别指出的特征。

Claims (12)

1.一种具有改进了的热传递的装置，所述装置包括：
入口；
出口；
靠近热传递表面设置的薄层，所述薄层定向在一薄平面内，所述薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度；以及
附着于所述薄层上的多个空格，所述空格位于各个空格平面上，其中：
所述空格平面和薄平面相交构成各个相交处；
所述空格平面和薄平面的相交处大致平行；
所述空格平面和薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°；并且
所述多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
靠近热传递表面设置的第二薄层，所述第二薄层定向在第二薄平面内，所述第二薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度；以及
附着于所述第二薄层上的多个第二薄空格，所述空格位于各个第二薄空格平面上，其中：
所述第二薄空格平面与所述第二薄平面相交构成各个第二相交处；
所述第二薄空格平面与所述第二薄平面的第二相交处大致平行；
所述第二薄空格平面与所述第二薄平面的第二相交处与热传递表面的角度小于88°；并且
所述多个第二薄空格共同构成第二通道，引导流体从入口流到出口以流出热传递表面。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述薄平面从热传递平面的所在平面移位大约90°的角度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述空格平面与薄平面之间的角度大于5°。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述空格平面与薄平面之间的角度大约为90°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述相交处与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道与热传递表面之间的角度小于88°。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道与热传递表面之间的角度为5°-70°之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其特征在于，通过对薄层进行冲裁和折弯操作来形成空格。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其进一步包括在所述装置与所述热传递表面之间的一个或多个间隙，从入口流到出口的流体通过所述间隙从通道流到第二通道。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述空格的宽度逐渐变小以形成弧形装置，并且各个成型薄层在所述装置的内圈直径上比在所述装置的外圈直径上更紧靠在一起。
12.一种具有改进了的热传递的装置，所述装置包括：
入口；
出口；
靠近热传递表面设置的多个薄层，所述多个薄层各自定向在各个薄平面内，所述薄平面从热传递表面的所在平面移位至少10度的角度；以及
附着于所述多个薄层上的多个空格，所述空格位于各个空格平面上，其中：
各个空格平面和相应的薄平面相交构成各个相交处；
空格平面和相应的薄平面的相交处大致平行；
空格平面和相应的薄平面的相交处与热传递表面的角度小于88°；并且
所述多个空格共同构成通道，引导流体从入口流到出口以冲击热传递表面。
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