CN109536212B - 基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，包括：高温段制冷组件，含多个高温段制冷模块，该模块包含两个高温段液冷块、两个高温段制冷片和高温段导温片；高温段导温片中部的导温区域至少一侧面凸起且设有多个导流孔；中温段制冷组件，含多个中温段制冷模块，该模块包含两个中温段液冷块、两个中温段制冷片和中温段导温片；中温段导温片中部的导温区域至少一侧面沿着轴向凸起，并在凸起上设有多个导流孔；以及低温段制冷组件，含多个低温段制冷模块，该模块包含两个低温段液冷块、两个低温段制冷片和低温段导温片；低温段导温片中部的导温区域至少一侧面沿着轴向凸起，其上设有多个导流孔，从高温段至低温段，凸起的高度逐渐增大。

Description

基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置

技术领域

本发明属于焦油冷却收集领域，具体涉及一种基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置。

背景技术

目前，在煤气化或生物质气化研究中所用到的焦油收集方式主要包括冷凝法、溶剂吸收法和固相吸附法。

这些方法各有不足：

1)冷凝法是研究中使用较多的方法，通常使用水、冰水混合物或液氮作为冷凝介质。水的温度一般为室温，冰水混合物的温度一般接近零度，这两种冷凝介质对于露点低于零度的焦油成分冷凝效果较差；液氮的温度极低，几乎可以将所有焦油进行冷凝，然而液氮的温度(-196℃)低于绝大多数气体产物的沸点，将焦油冷凝的同时也将大部分气体产物冷凝下来，造成气体的损失且不利于对气体进行收集和分析；

2)溶液吸收法也是常用的焦油收集方法，由于焦油的成分多为有机物，这种方法通常采用丙酮、二氯甲烷、甲醇、甲苯等有机溶剂作为焦油吸收溶剂，同时利用冰水混合物、冰盐水等冷凝介质加强焦油的吸收效果，但是焦油成分极为复杂，不同的成分在有机溶剂的中溶解性不同，使得有机溶剂对焦油中不同成分表现出选择性吸收，从而难以确保焦油有效吸收；另一方面，所使用的有机溶剂具有挥发性，在吸收过程中发生损失造成焦油收集效果差；而且溶液吸收法通常使用较多吸收瓶，后期将焦油从有机溶剂中分离收集较为繁琐；

3)冷凝法或溶液吸收法通常是将吸收器置于装有冷凝介质的容器内，这些容器一般隔热效果差，吸收焦油过程中冷凝介质温度升高，会导致焦油吸收效率降低；另一方面，目前使用的冷凝介质一般为冰水、干冰和液氮，冷凝介质的温度受自身性质的影响只能维持在特定温度，限制了焦油产物研究的拓展性；

4)固相吸附法的焦油吸附效果关键在于吸附剂的吸附性能，常用的固相吸附剂为活性焦、分子筛等比表面积较大的吸附剂，虽然其焦油吸附效果较好，但需要采用热脱附回收焦油，操作过程复杂且焦油回收率难以保证。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，可以对焦油进行快速高效地冷却和收集。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于，包括：管道连接模块，前端入口与焦油输送管道的管口密封连通；高温段制冷组件，与管道连接模块的后端出口密封连通，包括多个依次相连的高温段制冷模块，每个高温段制冷模块包含：两个高温段液冷块、两个高温段制冷片和高温段导温片；高温段液冷块的两侧面分别设有与前端入口相匹配的高温段导入口和与该高温段导入口相匹配的高温段支撑管，中部设有与高温段导入口和高温段支撑管相密封连通的高温段导流道，该高温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成高温段液冷腔，并且该高温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个高温段制冷片分别套设在两个高温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个高温段液冷槽的底壁外侧面相贴合接触；高温段导温片的两侧面分别与两个高温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与高温段支撑管封闭性连通的高温段导温区域，该高温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成高温段导温凸起，并且在该高温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的高温段导流孔；中温段制冷组件，与高温段制冷组件的流体出口密封连通，包括多个依次相连的中温段制冷模块，每个中温段制冷模块包含：两个中温段液冷块、两个中温段制冷片和中温段导温片；中温段液冷块的两侧面分别设有与前端入口相匹配的中温段导入口和与该中温段导入口相匹配的中温段支撑管，中部设有与中温段导入口和中温段支撑管相密封连通的中温段导流道，该中温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成中温段液冷腔，并且该中温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个中温段制冷片分别套设在两个中温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个中温段液冷槽的底壁外侧面相贴合接触；中温段导温片的两侧面分别与两个中温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与中温段支撑管封闭性连通的中温段导温区域，该中温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成中温段导温凸起，并且在该中温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的中温段导流孔；以及低温段制冷组件，与中温段制冷组件的流体出口密封连通，包括多个依次相连的低温段制冷模块，每个低温段制冷模块包含：两个低温段液冷块、两个低温段制冷片和低温段导温片；低温段液冷块的两侧面分别设有与前端入口相匹配的低温段导入口和与该低温段导入口相匹配的低温段支撑管，中部设有与低温段导入口和低温段支撑管相密封连通的低温段导流道，该低温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成低温段液冷腔，并且该低温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个低温段制冷片分别套设在两个低温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个低温段液冷槽的底壁外侧面相贴合接触；低温段导温片的两侧面分别与两个低温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与低温段支撑管封闭性连通的低温段导温区域，该低温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成低温段导温凸起，并且在该低温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的低温段导流孔，其中，高温段导温凸起、中温段导温凸起、低温段导温凸起的凸出高度逐渐增大。

该方案的有益效果是：通过导温凸起的设置，一方面增大了接触面积和来流的停留时间，能够加强来流中心流速较快部分与导温片的接触以及热交换，从而更好对来流进行更好的冷却和对其中的焦油进行冷凝收集；另一方面，凸起结构也更利于从来流中收集的焦油进一步的淋洗、冲泡和最终的收集。并且从高温段至低温段凸起的高度逐渐增大，凸起较低的高温段一方面能够在适当增大接触面积的同时最大程度上保证多组模块的密集装配，另一方面也能够避免对来流产生较大的阻力，影响整体高温段的制冷速度和效果；而低温段较高的凸起能够延长停留时间，对焦油进行更完全的收集。

并且，本装置对焦油进行制冷不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转、滑动部件，工作时没有震动、噪音、寿命长，采用容易安装的制冷片作为直接制冷源，通过热导率高的导温片对焦油进行直接冷却，能够提高制冷效率，减小能量损失；在每个制冷模块中，通过两个制冷片的协同作用，实现对焦油的快速冷却；带进液孔和出液孔的两级液冷腔能够有效地将环形制冷片热面的热量带走，从而保障制冷片高效制冷。

进一步，模块化的设计也使得各个部分可以进行相互替换，在出现部件损坏时保障系统的稳定；并且模块化的设计还能够方便用户根据冷凝和收集情况的需要，进行自由组合，从而满足不同要求，极大地扩展了其适用性。

另外，支撑管与导温片的密封连接能够避免制冷片承压，一方面能够避免环形水冷片的损坏，保障装置使用寿命；另一方面也可以保证制冷片的紧密贴合，进而形成温度可控的制冷模块。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：高温段导温凸起、中温段导温凸起、低温段导温凸起均为锥形或弧面形。

该优选特征的有益效果为：锥形或弧面形的导温凸起使得接触面成为带有倾角的斜面或者弧面，能够很好地避免反应器中漏下来的颗粒或者富集的焦油在通道口的阻塞，从而保持流道的畅通；在凸起高度相同的情况下，圆锥形的凸起在来流中心区域倾斜度更大，更不易形成的阻塞，而弧面形凸起总的通孔长度较长，焦油收集效率更高。此外，在加工过程中，锥形和弧面形也是比较常见的加工形状，制作工艺简单，制作成本低。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：高温段导流孔、中温段导流孔、低温段导流孔均为圆形通孔，更优选为长条形通孔。

该优选特征的有益效果为：长条形通孔相较于圆形通孔而言，一方面在换热结构上形成传热效果更好、效率更高的肋片结构，从而进一步增强对来流的制冷和对焦油的收集；另一方面整体的传热热阻更低，且流速较快的中心区域热阻最低，更有利于导温片整体温度的均匀性以及冷量的高效利用。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：高温段导温区域的两侧面均形成有高温段导温凸起，将朝向来流方向的凸起作为高温段正向导温凸起，将背向来流方向的凸起作为高温段背向导温凸起，高温段正向导温凸起为锥形，高温段背向导温凸起为弧面形，高温段导流孔贯穿高温段正向导温凸起和高温段背向导温凸起，并且高温段导流孔为圆形通孔。

该优选特征的有益效果为：双向凸起的结构依然保留着流速快的来流中心区域换热面积大停留时间长，而流速较慢的边缘区域接触面积小，停留时间短的结构，保证了高效的冷却和焦油收集。相较于单向凸起的结构，双向凸起一方面可以进一步增大导流片与来流的接触面积和停留时间，从而增强对来流的制冷和焦油的收集；另一方面也能够扩大冷凝下来的焦油的粘附面积，从而避免焦油的滴落或阻塞；除此以外，因为更高效的冷却和收集效果，在一定程度上可以减少收集模块的数量，这也一定程度上简化了整体收集装置的复杂程度和更进一步淋洗收集的步骤。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：中温段导温区域的两侧面均形成有中温段导温凸起，将朝向来流方向凸起的作为中温段正向导温凸起，将背向来流方向凸起的作为中温段背向导温凸起，中温段正向导温凸起和中温段背向导温凸起均为弧面形，中温段正向导温凸起和中温段背向导温凸起上分别设有多个中温段正向导流孔和多个中温段背向导流孔，中温段正向导流孔和中温段背向导流孔均为贯穿整个中温段导温区域的圆形通孔或长条形通孔，这样设置更有利于逐级导温制冷。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：设锥形导温凸起的高度为h₁，底面直径为r₁，弧面形导温凸起的曲率半径为r₂，弧度为α₂，则

2r₂sin(α₂/2)＝r₁，1/2r₂(1-cos(α₂/2))≤h₁≤r₂(1-cos(α₂/2))，这样设置效果导温制冷更好，边缘保留焦油收集区的同时保证接触面积。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：低温段导温区域的两侧面均形成有低温段导温凸起，将朝向来流方向凸起的作为低温段正向导温凸起，将背向来流方向凸起的作为低温段背向导温凸起，并且低温段正向导温凸起和低温段背向导温凸起均为锥形或弧面形，低温段正向导温凸起和低温段背向导温凸起上分别设有多个低温段正向导流孔和多个低温段背向导流孔，低温段正向导流孔和低温段背向导流孔均为长条形通孔，并且，低温段正向导流孔和低温段背向导流孔相互交错设置。

该优选特征的有益效果为：一边圆锥一边弧面的双向凸起结构更是将圆锥凸起和弧面凸起的特点有效地结合起来，利用圆锥凸起面正对来流，这样可以更好地避免阻塞，利用弧形凸起面作为来流出口，可更高效收集焦油。另外，错位的长条形通孔导流孔能够在保有双向条形孔凸起结构优势的基础上，增加对气流的扰动，从而使得来流能够与导流片形成更加充分的接触，也增长了停留时间，特别是在交叉部分能够对焦油进行非常高效的收集；同时，条形错位的结构也能够更加有效地利用导温片上多个方向的冷量；在导温片中两侧导流孔的深度设置成一样时，能够降低制造成本，减少系统复杂性；而设置成不一样时，可以更有针对的利用导温片中的冷量，来流方向侧在导温片中的横条孔孔深深一些，来流出口方向侧在导温片中的横条孔孔深浅一些，这样一方面可以使得到达错位处的来流已经被充分冷却，从而在错位处更高效的收集焦油，另一方面也减少导流片两侧因为来流中热量导致的温度差，从而使得导温片上的温度更加均匀，保护导温片增长寿命，减少多导流片结构的影响。

优选地，本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，还可以具有这样的特征：在正向和背向导温凸起均为锥形的情况下，设锥形正向导温凸起的高度为h_1-1，锥形背向导温凸起的高度为h_1-2，则1/2h_1-2≤h_1-1≤h_1-2在正向和背向导温凸起均为弧面形的情况下，设弧面形正向导温凸起的曲率半径为r_2-1，弧面形背向导温凸起的曲率半径为r_2-2，则1/2r_2-2≤r_2-1≤r_2-2。

该优选特征的有益效果为：双凸起结构中，来流侧的高度较低，使得冷量能够避免焦油在来流侧过多的凝结，从而避免阻塞，而流出侧凸起高度较高，能够充分利用接触面积，收集焦油。

优选地，本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，还可以具有这样的特征：设导温区域的外径为R₁，制冷片的内径为R₀，则R₁＝R₀-i，i＝1～2mm，1/2H₀≤r₂(1-cos(α₂/2))＜H₀，1/2H₀≤h₁＜H₀。

优选地，本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，还可以具有这样的特征：三组冷液供给构件，分别与高温段制冷组件、中温段制冷组件和低温段制冷组件相对应，每组冷液供给构件与同一温度段的制冷组件中各制冷模块液冷腔的冷液入孔相连，向冷液入孔中输送冷却液；三组电量调节构件，分别与高温段制冷组件、中温段制冷组件和低温段制冷组件相对应，每组电量调节构件与同一温度段的制冷组件中各制冷片的的供电电路相连，调节供电量；三组测温构件，分别与高温段制冷组件、中温段制冷组件和低温段制冷组件相对应，每组测温构件与同一温度段的制冷组件中各制冷模块的导温片相连，监测通过导温片的流体的温度；以及控温构件，与三组测温构件、三组电量调节件和三组冷液供给构件均通信连接，基于设定温度和从每组测温构件接收到的监测温度控制相应冷液供给构件输送的冷液的流量，并控制相应电量调节构件调节供电量。

该优选特征的有益效果为：对高温段制冷组件、中温段制冷组件、低温段制冷组件分别采用控温构件根据制冷片温度，来调节制冷片的制冷量，和进入进液孔的冷液的流量，可实现高精度的制冷温度控制；利用制冷片热惯性小、温差大的特点，通过控温构件灵敏快速的电量控制，即使输送管道传输来的焦油温度存在较大变化的情况下依然能够较好地维持设定温度。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：设定温度包括：高温段设定温度T₁、中温段设定温度T₂和低温段设定温度T₃，T₁＜T₂＜T₃。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：T₁＝0～10℃，T₂＝-20～0℃，T₃＝-50～-20℃，这样效果更好。

优选地，在本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置中，还可以具有这样的特征：每个制冷模块的外缘区域上都交替设有沿着轴向延伸的、多个用于各制冷模块之间连接的模块间安装孔和多个用于与管道连接模块或者外接管路相连的外连安装孔。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的管道连接模块的结构示意图；

图3是本发明实施例涉及的管道连接模块的分解图；

图4是本发明实施例涉及的管道连接模块的剖视图；

图5是本发明实施例涉及的焦油输送管道和管道连接模块的连接关系示意图；

图6是本发明实施例涉及的焦油输送管道、管道连接模块和高温段制冷模块的连接关系示意图；

图7是本发明实施例涉及的高温段制冷模块的结构示意图；

图8是本发明实施例涉及的高温段制冷模块的剖视图；

图9是本发明实施例涉及的高温段制冷模块的分解图；

图10是本发明实施例涉及的高温段液冷块的分解图；

图11是本发明实施例涉及的高温段液冷座的结构示意图；

图12是本发明实施例涉及的高温段导温片的结构示意图；

图13是本发明实施例涉及的中温段导温片的结构示意图；

图14是本发明实施例涉及的低温段导温片的结构示意图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图，(c)是立体图；

图15是本发明实施例涉及的连接件的结构示意图；

图16是本发明实施例涉及的高温段制冷组件、中温段制冷组件、低温段制冷组件与电量调节构件和控温构件的对应关系示意图；

图17是本发明实施例涉及的两个高温段制冷模块与测温构件、冷液供给构件、电量调节构件以及控温构件的连接关系示意图；

图18是本发明涉及的不同于实施例的第I种导温片的结构示意图；

图19是本发明涉及的不同于实施例的第II种导温片的结构示意图；

图20是本发明涉及的不同于实施例的第III种导温片的结构示意图，其中(a)是立体图，(b)是侧视图，(c)是俯视图；

图21是本发明涉及的不同于实施例的第IV种导温片的结构示意图；

图22是本发明涉及的不同于实施例的第V种导温片的结构示意图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图。

具体实施方式

下参照附图对本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置作详细阐述。

<实施例>

如图1至15所示，基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置10与焦油输送管道T相连通，对管道T输送来的高温热解气体进行冷凝并收集液化后的焦油。基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置10包括管道连接模块20、高温段制冷组件30、中温段制冷组件40、低温段制冷组件50、三组测温构件60、三组冷液供给构件70、三组电量调节构件80以及控温构件90。

如图1至5所示，管道连接模块20的两端分别与焦油输送管道T的管口和高温段制冷模块31的流体通道入口相密封连接，它包括第一连接管座21，密封件22，第二连接管座23以及紧固件。第一连接管座21套设在管口的外周面上，并且底部沿径向延伸外扩形成第一安装盘21a。密封件22设置在第一连接管座21内，并且套设在管口外周面上。本实施例中，密封件22包含两个密封圈22a和垫片22b，两个密封圈22a套设在第一连接管座21的内周面上，垫片22b位于两个密封圈22a之间。第二连接管座23的前部为环形，它伸入第一连接管座21内并压连在密封圈22a上，通过抵压该密封圈22a使得垫片22b进一步抵压另一个密封圈22a，从而使两个密封圈22a均发生周向形变进而密封紧贴管口外壁。第二连接管座23的中部外周沿径向延伸外扩形成与第一安装盘21a相对应的第二安装盘23a，第二连接管座23的底部设有与高温段制冷模块31的流体通道入口相相匹配且密封连通的出口23b。并且，如图4至6所示，第二连接管座23中部的管径与焦油输送管道T管径相同，第二连接管座23后部的管径与高温段制冷模块31的流体通道入口内径相同，第二连接管座23从中部至底部内径逐渐变小，从焦油输送管道T管径变径为高温段制冷模块31内径。紧固件用于将第一安装盘21a与第二安装盘23a紧固连接。本实施例中，紧固件为三组螺丝紧固件，与第一连接管座21和第二连接管座23上开设的三组螺孔24相匹配，通过这些螺孔24将第一连接管座21和第二连接管座23紧固连接。

如图1所示，高温段制冷组件30包括两个相连的高温段制冷模块31。每个高温段制冷模块31包含两个高温段液冷块311、两个高温段制冷片312、一个高温段导温片313以及四个密封圈314～317。

高温段液冷块311包括液冷盖3111和液冷座3112。液冷盖3111的中部设有让流体通过的流通孔3111a(导入口)，液冷盖3111的内侧面设有两圈安装槽3111b和3111c，安装槽3111b设置在流通孔3111a的后端上，安装槽3111c环绕液冷槽3112b外缘设置。如图6～11所示，液冷座3112的中部设有与流通孔3111a相对应的流道3112a(导流道)，该流道3112a的外围区域向内凹陷形成液冷槽3112b，液冷槽3112b上设有贯穿液冷座3112外壁的进液孔3112c(冷液入孔)和出液孔3112d(冷液出孔)，流道3112a的后端从液冷槽3112b底壁向外伸出形成支撑管3112e。并且，如图11所示，在液冷座3112的流道3112a前端和液冷槽3112b前端分别设有两圈安装槽3112f和3112g，安装槽3112f和3112g分别与安装槽3111b和3111c相匹配，用于安装密封圈。

如图6～10所示，高温段制冷片312为环形，且套设在支撑管3112e外周面上，它的热面与液冷槽3112b的底壁外侧面相贴合接触，它的冷面与高温段导温片313相贴合接触。在高温段制冷片312和液冷槽3112b的接触面、高温段制冷片312和高温段导温片313的接触面均涂敷有高热导率的导热硅脂，涂敷的导热硅脂能够有效地降低界面热阻，增加热导率，一方面能够使得高温段导温片313维持较低的温度，另一方面也及时将热面的热量传递出去，从而保证高温段制冷片312的高效制冷。

密封圈314夹设在安装槽3111b和3112f之间，密封圈315夹设在安装槽3111c和3112g之间，这样当液冷盖3111盖合在液冷座3112上时，就能够与液冷槽3112b围成密闭的液冷腔，并且流通孔3111a与流道3112a形成密闭的流体通道P。

密封圈316设置在支撑管3112e的后端与高温段导温片313之间。如图10所示，密封圈316被安装在支撑管3112e后端的安装槽中。

此外，在液冷盖3111的外侧面上还设有一圈安装槽3111d，位于流通孔3111a的前端上，与第二连接管座23底部出口23b外缘设置的安装槽相匹配，用于共同夹设密封圈317，实现密封连接；另外，当两个高温段制冷模块31互连时，密封圈317也可以夹设在两个高温段制冷模块31的液冷盖3111之间，起到密封的作用。

如图6至9所示，高温段导温片313位于两个高温段液冷块311的高温段制冷片312之间，并且分别与两个高温段制冷片312的冷面相紧贴。如图12所示，高温段导温片313的中部设有与支撑管3112e封闭性连通的高温段导温区域313a，起到导温和分流的作用，将来自制冷片的冷量传导给高温流体进行制冷。该高温段导温区域313a的两侧面均沿着轴向凸起，将朝向来流方向的凸起作为高温段正向导温凸起313a-1，将背向来流方向的凸起作为高温段背向导温凸起313a-2，高温段正向导温凸起313a-1为锥形，高温段背向导温凸起313a-2为圆弧。设锥形导温凸起的高度为h₁，底面直径为r₁，圆弧形导温凸起的曲率半径为r₂，弧度为α₂，则

2r₂sin(α₂/2)＝r₁，1/2r₂(1-cos(α₂/2))≤h₁≤r₂(1-cos(α₂/2))。进一步，在该高温段导温区域313a上设有多个沿轴向贯穿的高温段导流孔313a-3，该导流孔313a-3为圆形通孔，且每个高温段导流孔313a-3都沿轴向从高温段正向导温凸起313a-1贯穿高温段背向导温凸起313a-2。

另外，在高温段导温片313的两侧面分别设有与两个高温段液冷块311密封连接的环形密封槽313c，该环形密封槽313c与支撑管3112e后端的安装槽相匹配，共同夹设密封圈316。在高温段导温片313的侧壁上还设有向着高温段导温区域313a延伸的安装槽313d。

此外，为了使各个高温段制冷模块31能够便于拆装，从而收集内壁上冷凝的焦油或者对高温段制冷模块31进行清理和维护，液冷盖3111和液冷座3112上均设有沿着流体通道P的轴向延伸的两个第一安装孔A1、四个第二安装孔A2和两个第三安装孔A3。所有第一安装孔A1均围绕流体通道P设置，并且位于流体通道P的外侧近旁，通过第一安装孔A1和如图15所示的第一连接件B1使流通孔3111a与流道3112a密封压连。所有第二安装孔A2均围绕液冷腔设置，并且位于液冷腔外侧近旁，通过第二安装孔A2和如图15所示的第二连接件B2使液冷盖3111与液冷槽3112b密封压连。所有第三安装孔A3均设置在液冷盖3111和液冷座3112的外缘区域上，通过第三安装孔A3和如图15所示的第三连接件B3将液冷盖3111和液冷座3112与另一个高温段液冷块311中的液冷盖3111与液冷座3112紧固相连，并使两个支撑管3112e与高温段导温片313的两侧面密封压连。如图15所示，在本实施例中，第一连接件B1、第二连接件B2、第三连接件B3均为不锈钢六角螺丝连接件。

进一步，为了使得多个高温段制冷模块31之间实现可拆卸连接，并且使得高温段制冷模块31能够与管道连接模块20和中温段制冷组件40实现可拆卸连接。在液冷盖3111和液冷座3112的外缘区域上均设有十二个第四安装孔A4；这样，多个高温段制冷模块31之间通过该第四安装孔A4和如图15所示的第四连接件B4，就能够实现可拆卸地密封连接。相应的，在第一安装盘21a和第二安装盘23a上外缘区域上也设有与高温段制冷模块31相匹配的多个第四安装孔A4；通过该第四安装孔A4和如图15所示的第四连接件B4将液冷盖3111和液冷座3112与管道连接模块20相连；或者将液冷盖3111和液冷座3112与其它外接管路相连。如图15所示，在本实施例中，第四连接件B4为螺栓螺母连接件，并且螺栓采用不锈钢双头螺栓。

如图9所示，将左右两个高温段液冷块311分别记为第一高温段液冷块311和第二高温段液冷块311，第三安装孔A3包括设置在第一高温段液冷块311液冷盖3111和液冷座3112上的两个沉头孔A3-1，和设置在第二高温段液冷块311液冷座3112上的螺纹孔A3-2。如前，第一高温段液冷块311和第二高温段液冷块311仅存在第三安装孔A3的差异，其余结构包括第一安装孔A1、第二安装孔A2和第四安装孔A4均相同。

如图1所示，中温段制冷组件40包括三个依次相连的中温段制冷模块41。中温段制冷模块41与高温段制冷模块31的结构一样，区别仅在于导温片中导温区域的结构，这里不再对相同内容进行赘述，仅说明区别：如图13所示，在中温段制冷模块41中，中温段导温区域413a的两侧面均形成有凸起，将朝向来流方向的凸起作为中温段正向导温凸起413a-1，将背向来流方向的凸起作为中温段背向导温凸起413a-2，中温段正向导温凸起413a-1和中温段背向导温凸起413a-2均为圆弧。并且在该中温段导温区域413a上还设有多个沿轴向贯穿的中温段导流孔413a-3，本实施例中，中温段导流孔413a-3为圆形通孔，并且每个中温段导流孔413a-3都沿轴向从中温段正向导温凸起413a-1贯穿中温段背向导温凸起413a-2。

低温段制冷组件50包括七个依次相连的低温段制冷模块51。低温段制冷模块51与高温段制冷模块31的结构一样，区别仅在于导温片中导温区域的结构，这里不再对相同内容进行赘述，仅说明区别：如图14所示，在低温段制冷模块51中，低温段导温区域513a的两侧面均形成有凸起，将朝向来流方向的凸起作为低温段正向导温凸起513a-1，将背向来流方向的凸起作为低温段背向导温凸起513a-2，并且低温段正向导温凸起513a-1和低温段背向导温凸起513a-2均为锥形，设锥形正向导温凸起的高度为h_1-1，锥形背向导温凸起的高度为h_1-2，则1/2h_1-2≤h_1-1≤h_1-2。在低温段正向导温凸起513a-1和低温段背向导温凸起513a-2上分别设有多个低温段正向导流孔513a-3和多个低温段背向导流孔513a-4，低温段正向导流孔513a-3和低温段背向导流孔均为长条形通孔513a-4，并且如图14(b)所示，低温段正向导流孔513a-3和低温段背向导流孔513a-4正向交错设置。

另外，为使整个基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置10的导温效果达到最佳，在高温段制冷组件30中，高温段导温凸起、中温段导温凸起、低温段导温凸起的凸出高度逐渐增大。

三组测温构件60分别与高温段制冷组件30、中温段制冷组件40和低温段制冷组件50相对应，每组测温构件60与同一温度段的制冷组件中各制冷模块的导温片相连，监测通过导温片的流体的温度。如图17所示，为与高温段制冷组件30中的一个高温段导温片313相连的测温构件60，该测温构件60的传感端设置在高温段导温片313的安装槽313d内；本实施例中，采用的测温构件60为型号为M3 PT100 K的螺钉式热电偶，螺钉式传感端可以旋入安装槽313d(具有内螺纹)内。其它各测温构件60的结构及其与相应导温片的连接关系同理，这里不再赘述。

三组冷液供给构件70分别与高温段制冷组件30、中温段制冷组件40和低温段制冷组件50相对应，每组冷液供给构件70与同一温度段的制冷组件中各制冷模块的液冷腔相连，向液冷腔中输送冷却液。如图17所示，为与高温段制冷组件30中的一个高温段液冷块311液冷腔的冷液入孔相连的冷液供给构件70。冷液供给构件70与每个进液孔3112c相连，向进液孔3112c中输送冷却液，本实施例中冷液供给构件70包括导液管71、散热风扇72、储液仓73和微型泵74；导液管71入口与出液孔3112d相连，散热风扇72对进入导液管71中的冷液进行散热降温，降温后的冷液再进入储液仓73中，由微型泵74输送入进液孔3112c。其它各冷液供给构件70的结构及其与液冷腔的连接关系同理，这里不再赘述。

三组电量调节构件80分别与高温段制冷组件30、中温段制冷组件40和低温段制冷组件50相对应，每组电量调节构件80与同一温度段的制冷组件中各制冷片的的供电电路相连，调节供电量。

控温构件90与三组测温构件60、三组冷液供给构件70和三组电量调节构件80均通信连接，基于设定温度和从每组测温构件60接收到的监测温度控制相应冷液供给构件70输送的冷液的流量，并控制相应电量调节构件80调节供电量。这里，以与高温段制冷组件30相连的测温构件60、冷液供给构件70、电量调节构件80为例，对控温构件90进行说明：如图17所示，控温构件90与测温构件60通信连接，并且与每个高温段制冷片312和每个进液孔3112c相连，接收测温构件60的监测温度，并基于监测温度和设定温度控制高温段制冷片312的制冷量和进入进液孔3112c的冷液的流量。控温构件90包括输入显示部91和控制部92。输入显示部91用于输入控制指令信息和输入设定温度，并对设定温度和接收到的监测温度进行显示。控制部92接收测温构件60的监测温度，并基于监测温度和设定温度控制电量调节部调节高温段制冷片312的供电量或控制冷液供给构件70调节输入进液孔3112c的冷液的流量。对于中温段制冷组件40和低温段制冷组件50所对应的各个测温构件60、三组电量调节构件80和冷液供给构件70，控温构件90的连接和控制关系同理，这里不再赘述。在本实施例中，高温段设定温度T₁＝0～10℃，中温段设定温度T₂＝-20～0℃，低温段设定温度T₃＝-50～-20℃。

另外，在本实施例中，如图16所示，在高温段制冷模块31中，两个高温段液冷块311的进液孔3112c和出液孔3112d以及高温段导温片313上安装槽313d它们的轴线(深度方向)都位于同一平面上，并且对于中温段制冷模块41和低温段制冷模块51，进液孔和出液孔以及导温片上安装槽的轴线(深度方向)也都位于同一平面上，这样共平面的设置能够最大程度上减少装配需要的空间。另外，在本实施例中，所有密封圈均为氟橡胶密封圈。

以上是本实施例所提供的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置10的具体结构，基于上述结构，其工作过程为：首先，通过控温构件90输入设定温度(高温段设定温度T₁为0～10℃，中温段设定温度T₂为-20～0℃，低温段设定温度T₃为-50～-20℃)，调控各个温度段的制冷片产生冷量，同时三组冷液供给构件70启动，向液冷腔内通入冷液进行循环，不断带走制冷片热面的热量，使冷面能够持续制冷；然后，使温流体输送管道T内的高温热解气体进入管道连接模块20进而进入高温段制冷模块31内；高温段制冷片312冷面上的冷量不断传导给液冷座3112和高温段导温片313，连同液冷腔的液冷作用，使得通过流体通道P和高温段导温片313高温段导温区域313a的高温热解气体中的焦油被快速冷却和凝结；然后，经由三个中温段制冷模块41和七个低温段制冷模块41进行逐级降温冷凝，从而高效冷凝并大量收集焦油。

通过上述过程，能够对焦油进行有效地收集，同时管道连接模块20和高温段制冷模块31能够灵活匹配多种多样的焦油收集需求。测温构件60和控温构件90能够保证即使在热解过程温度存在较大变化的情况下依然较好地维持设定的焦油收集温度。

在以上实施例中，给出了高温段导温区域、中温段导温区域和低温段导温区域的具体结构，本发明中各个导温段中导温区域的结构不限于此，还可以为其它结构，例如，导温区域中并非双面都设有导温凸起，而仅单面沿来流方向设有导温凸起，如图18所示，仅设有圆弧形的正向导温凸起I-1；也可以为如图19所示，仅设有锥形的正向导温凸起II-1。还可以为如图20所示，仅设有锥形的正向导温凸起III-1，并且导流孔III-2为长条状。另外，也可以双面都设有锥形凸起，如图21所示，正向导温凸起IV-1和背向导温凸起IV-2均为锥形，并且导流孔IV-3为圆形。或者也可以为如图21所示，正向导温凸起V-1和背向导温凸起V-2均为锥形，并且导流孔V-3为长条状，且每个导流孔V-3都从正向导温凸起V-1贯穿背向导温凸起V-2。这些结构也能够达到冷却收集焦油的效果。

以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置并不仅仅限定于在以上所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于，包括：

管道连接模块，前端入口与焦油输送管道的管口密封连通；

高温段制冷组件，与所述管道连接模块的后端出口密封连通，包括多个依次相连的高温段制冷模块，每个所述高温段制冷模块包含：两个高温段液冷块、两个高温段制冷片和高温段导温片；所述高温段液冷块的两侧面分别设有与所述前端入口相匹配的高温段导入口和与该高温段导入口相匹配的高温段支撑管，中部设有与所述高温段导入口和所述高温段支撑管相密封连通的高温段导流道，该高温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成高温段液冷腔，并且该高温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个所述高温段制冷片分别套设在两个所述高温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个所述高温段液冷腔的底壁外侧面相贴合接触；高温段导温片的两侧面分别与两个所述高温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与所述高温段支撑管封闭性连通的高温段导温区域，该高温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成高温段导温凸起，并且在该高温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的高温段导流孔；

中温段制冷组件，与所述高温段制冷组件的流体出口密封连通，包括多个依次相连的中温段制冷模块，每个所述中温段制冷模块包含：两个中温段液冷块、两个中温段制冷片和中温段导温片；所述中温段液冷块的两侧面分别设有与所述前端入口相匹配的中温段导入口和与该中温段导入口相匹配的中温段支撑管，中部设有与所述中温段导入口和所述中温段支撑管相密封连通的中温段导流道，该中温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成中温段液冷腔，并且该中温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个所述中温段制冷片分别套设在两个所述中温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个所述中温段液冷腔的底壁外侧面相贴合接触；中温段导温片的两侧面分别与两个所述中温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与所述中温段支撑管封闭性连通的中温段导温区域，该中温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成中温段导温凸起，并且在该中温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的中温段导流孔；以及

低温段制冷组件，与所述中温段制冷组件的流体出口密封连通，包括多个依次相连的低温段制冷模块，每个所述低温段制冷模块包含：两个低温段液冷块、两个低温段制冷片和低温段导温片；所述低温段液冷块的两侧面分别设有与所述前端入口相匹配的低温段导入口和与该低温段导入口相匹配的低温段支撑管，中部设有与所述低温段导入口和所述低温段支撑管相密封连通的低温段导流道，该低温段导流道的外围区域向着厚度方向凹陷形成低温段液冷腔，并且该低温段液冷腔的侧壁上设有冷液入孔和出孔；两个所述低温段制冷片分别套设在两个所述低温段支撑管的外周面上，并且热面分别与两个所述低温段液冷腔的底壁外侧面相贴合接触；低温段导温片的两侧面分别与两个所述低温段制冷片的冷面相紧贴，并且中部设有与所述低温段支撑管封闭性连通的低温段导温区域，该低温段导温区域的至少一侧面沿着轴向凸起形成低温段导温凸起，并且在该低温段导温凸起上设有多个沿轴向贯穿的低温段导流孔，

其中，所述高温段导温凸起、所述中温段导温凸起、所述低温段导温凸起的凸出高度逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，所述高温段导温凸起、所述中温段导温凸起、所述低温段导温凸起均为锥形或弧面形。

3.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，所述高温段导流孔、所述中温段导流孔、所述低温段导流孔均为圆形通孔或长条形通孔。

4.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，所述高温段导温区域的两侧面均形成有所述高温段导温凸起，将朝向来流方向的凸起作为高温段正向导温凸起，将背向来流方向的凸起作为高温段背向导温凸起，所述高温段正向导温凸起为锥形，所述高温段背向导温凸起为弧面形，

所述高温段导流孔贯穿所述高温段正向导温凸起和所述高温段背向导温凸起，并且所述高温段导流孔为圆形通孔。

5.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，所述中温段导温区域的两侧面均形成有中温段导温凸起，将朝向来流方向凸起的作为中温段正向导温凸起，将背向来流方向凸起的作为中温段背向导温凸起，所述中温段正向导温凸起和所述中温段背向导温凸起均为弧面形，

所述中温段正向导温凸起和所述中温段背向导温凸起上分别设有多个中温段正向导流孔和多个中温段背向导流孔，所述中温段正向导流孔和所述中温段背向导流孔均为贯穿整个所述中温段导温区域的圆形通孔或长条形通孔。

6.根据权利要求4或5所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，设锥形导温凸起的高度为h₁，底面直径为r₁，弧面形导温凸起的曲率半径为r₂，弧度为α₂，导温区域的外径为R₁，则

2r₂sin(α₂/2)＝r₁，1/2r₂(1-cos(α₂/2))≤h₁≤r₂(1-cos(α₂/2))，并且r₁、R₁、h₁、r₂都不等于0。

7.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，所述低温段导温区域的两侧面均形成有低温段导温凸起，将朝向来流方向凸起的作为低温段正向导温凸起，将背向来流方向凸起的作为低温段背向导温凸起，并且所述低温段正向导温凸起和所述低温段背向导温凸起均为锥形或弧面形，

所述低温段正向导温凸起和所述低温段背向导温凸起上分别设有多个低温段正向导流孔和多个低温段背向导流孔，所述低温段正向导流孔和所述低温段背向导流孔均为长条形通孔，并且，所述低温段正向导流孔和所述低温段背向导流孔相互交错设置。

8.根据权利要求7所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，在正向和背向导温凸起均为锥形的情况下，设锥形正向导温凸起的高度为h_1-1，锥形背向导温凸起的高度为h_1-2，则1/2h_1-2≤h_1-1≤h_1-2，并且h_1-1、h_1-2都不等于0；

在正向和背向导温凸起均为弧面形的情况下，设弧面形正向导温凸起的曲率半径为r_2-1，弧面形背向导温凸起的曲率半径为r_2-2，则1/2r_2-2≤r_2-1≤r_2-2，并且r_2-1、r_2-2都不等于0。

9.根据权利要求1所述的基于高效三维换热结构的焦油冷却收集装置，其特征在于：

其中，设导温区域的外径为R₁，制冷片的内径为R₀，则R₁＝R₀-i，i＝1～2mm。

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