CN1109581A - 热管和能用此种热管进行热交换的气-液接触设备以及气-液接触板型的热交换器 - Google Patents

Abstract

包括管筒与在加热段或放热段至少一段上设在 管筒周面上之叶片的热管，各叶片设在管筒上垂直于 管筒轴线的平面内，且各叶片是由金属板以在设在此 板两面上的网状材料件构成。一种气—液接触板型 热交换器，它包括一批按一定间隔垂直配置且在其间 界定有空气流道的传热板，每块传热板内有让热介质 流过的流道，而界定上述空气通道的每块传热板的侧 面上装附有网状件，能让液体沿此网状件与传热板向 下流动。

Description

热管和能用此种热管进行热交换的气—液 接触设备以及气—液接触板型的热交换器

本发明涉及一种热管(本发明的第一种构型)，以及能够利用此种热管同时进行气—液接触与热交换的气—液接触设备(本发明的第二与第三种构型)。更具体地说，本发明涉及一种带有具某种表面结构之叶片的热管，同时涉及应用此种热管的气—液接触设备。本发明的气—液接触设备能在同时进行热传输(或交换)与气—液接触，从而使此种设备适应用于化工过程的各种领域。

上述热管能利用封闭于其内的称作为工作液的传热介质的汽化与冷凝，在集热段(汽化段或低温侧)与放射段(冷凝段或低温侧)之间传热。此种热管能在即使上述两侧温差很小的条件下，于短时间内传送大量的热，从而可使相应设备用于各种领域。

上面设有热管的热交换器可以利用例如废气的热来加热冷的空气。这时是如图7以纵剖面所示，将大量的热管41依栅栏形设置于一箱44中。在各热管41的周面按很近的间隔装设有翅片42，以加大传热表面积箱44在垂直方向上的适当高度处由隔板43分开，以使各个空气循环通路相互独立。

采用热管的热交换器最好如图7所示，安装成使热管轴线作垂直取向。但即使是如图8透视图所示，将热交换器安装成使热管依水平取向，也是能在热管之内进行传热的。在图8所示构型中，这种箱由隔板3居中分为左右两部，使各空气的循环通路相互独立。

在利用常规热管的热交换器中，通常是使温度不同的两种流体与由图7或8所示隔板43分隔的热管的两侧接触，由此通过这种热管使热在两种流体间传输或交换。在把热交换器用在集热段或放热段来进行热交换时的某些情形中，必须使一种液体从上述两个部室中至少一个之中从顶端流下，使得此种液体能与从该室底部或侧部供给的气本接触(气—液接触)。在这样的情形下，要是把先有技术的以热管或热管轴线按图8所示取水平或近似水配置而原样使用时，照传统方式利用的叶片就不能充分地将液体分散到叶片壁上。结果，此种液体便会在某些特殊点上冷凝，而提高液体的流速。换言之，这种先有技术的构型不能让液体在叶片表面上停留足够长的时间来充分地提高气—液接触效率。

本发明人等业已对上述问题作过深入的研究，发现将热管配置上两面附有网状结构的金属板制成的叶片时，能显著地提高气—液接触效率，而将这种热管应用于热管型的气—液接触设备时，将赋予这类设备优越的换热功能。这样，本发明人等就得以实现此项发明。

本发明还涉及一种板型热交换器，更详细地说，涉及这样一种板型热交换器，它能在从事热交换同时有效地在板面上使气体与液体接触(本发明的第四种构型)。

在典型的化工设备中，常需使气体在短时间内与液体接触。有代表性的一种情形例如是，用胺溶液一类吸收液来重新收集燃烧废气中的CO₂(二氧化碳)气体。为了实现上述要求，本发明的申请人曾提出过一种气—液接触设备，此设备充以大量的管状结构充填件，每个管状结构充填件具有任意形状的水平横剖面；而在此种管状结构的壁内则垂直地设置有形成气—液接触的表面，这种气—液接触表面可以与气流平行，从这些充填件上方一个位置处供应的液体使之沿此气—液接触表面下流并在同时从这些充填件下方一个位置处供应气体，使得通过从充填件下方一处输送此气体来与该液体接触，这一设备的特征在于：上述气—液接触表面是由表面上附有网状件的板件构成(日本专利申请，平5-59844号)。但是，这项申请并不属于周知的技术，因而不应视作本发明的先有技术。

在上述申请的气—液接触设备中，当气体属于燃烧废气而液体是上述的胺水溶液时，此后一种吸收液由于吸收CO₂气体时的反应热而升温，导致吸收反应的速率下降。为了解决这一问题，给此设备另外设置一独立的热交换器(冷却器)，以适当地调节所供吸收液的温度。但在这种气液接触设备中的向下流动过程中，此反应液体的温度增加，使得这一吸收反应的平衡常趋向降低，尽管这时的反应速度加大。结果说明，仅靠调节所供吸收液的温度并不能充分有效地为调节反应速率提供合适的措施。如同在此例子中所看到的，由于在化工设备中，气—液接触过程通常涉及到放热和/或吸热反应，对于所用到的液体和/或气体，每道工序都要求有独立的冷却器、加热器和热交换器等。此外，在考虑热交换效率的同时，还要考虑因设备结构的复杂性与所需空间的增加而带来建造设备费用的增加，于是迫切希望改进这类气—液接触设备。

考虑到以上所论种种，本发明人等已对这种能同时进行气—液接触过程与热交换过程，且有利于热交换效率和节省空间的设备作了大力研究，而最终发现了具有某种极其有效结构的热交换器，由此而完成了本发明。

本发明提供了一种热管(本发明的第一构型)和几种气—液接触设备(本发明的第二与第三种构型，它们提高了气—液接触效率并使热交换过程表现出优越的性能。

本发明的第一特点在于给出了一种热管，它包括：一个管筒；以及至少是在一集热段侧或放热段侧，在此管筒的周面上所设置的至少一个或多个叶片，每个叶片装附于此管筒上的一个垂直于管筒轴线的平面上，而每个叶片是由金属板以及附在此金属板两面上的网状材料件组成。

本发明的第二特点在于提供了一种能进行热交换的气—液接触设备，它有大量的配置在一起的上述热管，使得这些热管的集热段与放热段置放在一起，分别以管的轴线保持为水平的或近似水平的，而使这些热管的叶片垂直或近似垂直地放置，而这些在集热段与放热段的至少一个之中的热管上所充的大量叶片，便用作为气—液接触壁面，使从叶片上方某处流下来的液体与从叶片下方某处或侧部送来的气体接触。

本发明的第三个特点是，在能进行热交换的上述气—液接触设备中，此垂直或近似垂直地配置的大量叶片是相互联结成垂直的板状件的，使得大量的前述热管在保持为水平或近似水平同时，在这些管所集拢的集热段与放热段的至少一个之中，穿过那些垂直地或近似垂直地所形成的板状件。

根据本发明的第一与第三构型，此种热管，根据典型的热管原理，不仅能在与热管集热段接触的流体和与放热段接触的另一种流体之间进行有效的热交换，还能在叶片上进行极其有效的气—液接触，这是因为在集热段或放热段中至少一个上垂直或近似垂直形成的叶片是由一种在其两个表面上都附有网状件的金属板构成。

根据权利发明的另一组成部分，提供了一种气—液接触板型的热交换器(本发明的第四种构型)，它能同时进行气—液接触过程和热交换过程，而从热交换效率与空间因素考虑也是有利的。

本发明的第四个特点在于，此种气—液接触板型的热交换器包括：一批热传输板，它们依一定的间隔垂直地设置而在其间界定出空气流道，得以使空气从其中上升，同时构造成，使得每块板内都有一条热介质流道，使得热介质能流过每块热传输板内和其侧面，这些热传输板界定出空气流道，板面上附有网状件，可使液体能沿着这样的网件与板下流。

依据本发明的第四个组成部分，用于气—液接触的液体会沿着装附在热传输板侧面上的网件下流。此时的下流液体的速度很慢，这是因为在网状件与热传输板的网孔之间以锐角形式存在的许多微区会使液体暂时停留，还由于这种网孔的存在促使沿热传输板下流的液体沿水平方向分散而不允许液体集合在特殊的地点上。此外，由于有网状结构附在热传输板上，滞留在网孔上的液体表面相继地为下流的液体更新或取代，使得此种液体能高度有效地与通过热传输板间流道从一下方位置升起的气体接触。此外，通常伴随此气—液接触过程放出或吸收的热能够直接由热传输板内的热介质从其生成处带走，而使热交换高度有效。结果就能提供这样一种气—液接触热交换器，它借助于高效率的气液接触和高效的热交换而显示出优越的性能。

从下面的详细描述中将可认识本发明的进一步的适用范围。但应理解所作的详细描述与具体例子虽然指明了本发明的最佳实施例，但仅仅是用于阐明目的，这是由于熟悉本项技术的人将从这些描述中，掌握在本发明精神与范围内的各种变化与变更形式。

本发明可从下面所作的详细描述与附图中获得更全面的理解，这些描述与附图只是用于说明目的而并非对本发明的限制，在附图中：

图1是示明本发明气—液接触设备的一个实施例的剖面图；

图2是作为本发明的气—液接触设备组成部分的热管的放大透视图；

图3是示明本发明气—液接触设备另一实施例的透视图；

图4是示明本发明气—液接触板热交换器的示意性透视图；

图5是图4热交换器的示意性侧视图；

图6示意性地表明了本发明气—液接触板型热交换器用于CO₂再生塔的一个例子；

图7是示明采用传统热管的热交换器的一个例子的剖面图；而

图8是示明一种采用传统热管的热交换器的剖面图。

首先参看图1至3描述涉及本发明第一至第三特点的实施例。

图2示明了拟用于后面所述的图3所示之气—液接触设备的，本发明的叶片与热管的一部分的放大透视图。图2中，叶片2装附到热管21的筒壁侧的方式是，叶片可以垂直于热管21的轴线。叶片22是由金属板23和附在此板两侧上的网件24构成。至于网件24的编制方式，可以采用包括平直图案，斜纹图案等编织形式。金属板23最好是由导热性能良好且不为处理中的气体与液体所腐蚀的材料制成。

对于将网件24附着到板23上的技术并无具体限制，可以采用焊接或粘合之类的任何方法，只要求此网件在热管用在如图3所示的还起到热交换器的气—液接触设备中时不剥落即可。网件24最好由不为所接触的气体与液体所腐蚀的材料制成。例如可以采用金属网件、塑料网件或任何其它材料制的网件。网件24可以配置成使得它的网线对于地面成不同角度。网孔的尺寸宜选择成了目或更多的目，而以选定成为8目或更多的目时更好。本发明的热管必须在集热段侧或辐射段侧的至少一侧之上设置有这种叶片，而最好同时在此两侧上均设置有由上述材料制成的叶片。

图3示明了本发明的气液接触设备的一个实施例。此种设备的构型除叶片结构外与先有技术的设备类似。具体地说，在本发明的设备中，是将大量热管这样地集中到一起，即让这些管的轴线近似水平(包括水平)配置，使得热管的叶片可以位于一大致垂直(包括垂直)的平面上，同时设有一隔板25分开集热段与放热段。此时，由两侧面上附有网件的金属板制成的翅片起着气—液接触壁面的作用，使得从叶片上方某处下流的液体与从叶片下方某处从自叶片侧向所供应的气体接触。

在图1剖面图所示的一种构型中，图2中垂直形成的叶片联结组成垂直的板件。这就是说，有大量的热管按直角或近似直角穿过上述垂直形成的板件，使得这样垂直形成的联结叶片用作将下流的液体与气体接触的接触面壁部。

参看图1，当例如含有高温空气的乙醇从气—液接触设备的底侧引入此设备中时，空气在上升中便为装附在相联结的大量热管上的许多叶片所冷却，在此，乙醇成分便冷凝并沿联结的叶片下流。此时，由于叶片的表面是由附有网件的金属板组成，冷凝的乙醇在下流同时作水平分散。于是，乙醇与所供应空气的接触面积便增大。结果，上升的空气由于热交换效应便在叶片的表面上冷却下来，而已冷凝的乙醇便有效地与从此设备底侧上升的含乙醇的空气接触，由此使得乙醇再次蒸发而得以进一步促进热交换。

热管的放热段是形成在图1所示隔板的右侧。这样，热管内的工作液便由例如从上方流下的低温水冷却与冷凝，使得冷凝的工作液在热管内移向左侧，再次用来冷却含乙醇的高温空气。在图1的情形中，将于隔板右侧放热段中冷却的这些管上没有设置叶片，但是可以设置图2所示的叶片或出现于图1所示集热段中的联结叶片的。

按图1所描述的由本发明提出的热管以及采用了此种热管的本发明的气—液接触设备，不仅可以用于冷却和冷凝蒸汽的过程，而且可以广泛用于制造厂的化工产品生产中涉及热交换的各种含气体—液体的设备与过程。这种过程例如包括蒸馏、蒸发、气体吸收与湿度控制等。

根据本发明第一至第三种构型的上述热管以及采用了此种热管的气—液接触设备，下流的液体并非直线式地朝下流过气—液接触面上，而使此液体在下流过程中所占的持续时间较长一些，从而显著地提高了气—液接触效率。此外，液体长时间地滞留在接触面上可使热管在气—液接触过程中交换热量。

再来参看图4至6叙述依据本发明一实施例的第四种构型。

首先参看图4与5。图4与5分别以透视与侧视图示意性地说明了气—液接触板型的热交换器。本发明的气—液接触板型热交换器2，如图所示包括：相互平行立放的大量传热板4，形成在传热板4用来引入热介质C的流道10，形成在传热板4之间的气体流道20，以及设置在传热板4外表面上或在面向气体流道20的侧面上的网件30。

传热板4是由导热性良好的金属制成，内部是空心的，构成后述的用于热介质的流道10。为使图面简明，图4与5只示明了三块传热板4，但实际上是按一定间设置了大量的利用一批管6的刚度或在需要时借助于未示明的一批垫片来支承的传热板4。这些板4的内部经由上述管6相互通联，热介质C依图5中箭头示向流动。在此图示的例子中，热介质C是依相同方向(向下)流过所有的传热板4之内，但是能够提供这样的管6来改变板4内热介质C的流向的。当板4与管6间的接合处是焊合的时，热介质C是不可能漏泄的，当然，焊合的结果便难以来拆卸此种热交换器来进行维修。一般，传热板4与管6之间是用装配密封垫联结并用螺丝紧固的，以便容易地维护与修复设备。

附于传热板4上的网件30最好由在进行气—液接触时不为此种气体与液体腐蚀的材料构成。例如，这种网件可以由金属丝网，塑料网件等构成。网件30的编织方式虽然在图中表明为平直纹的编织形式，但并不限于这种形式，而是可以采用包括斜纹编织形式在内的其它各种编织形式。至于将网件30装附到传热板4上的技术也无具体限制。网件30可以配置成使得它的网线可以与地面成不同的角度。所选定的网孔尺寸以3目或较多的目为宜，但最好是8目或8目以上。

下面简述如上构造成的气—液接触板型的热交换器的作业。在图5中，用于气—液接触过程中的气体G通过传热板4之间形成的空气流道20上升，而用于此过程中的液体L则从传热板4的上以级联的方式下流。由于网件30装附在传热板4的侧面上，液体L在在沿板4下流时主要趋向于滞留在网件30水平延伸部分与传热板侧面之间以锐角形式界定出的微区之中。此外，当液体向下流过网件30之上时，滞留液体的表面部分便相继地为新到来的液体更新。这样，由于液体L作水平地播散与滞留且由于液体的表面部分逐次地被更新，液体L便暴露到传热板4的表面上而能高效地与上升的气体G接触。另一方面，预先设定的热介质C在传热板4内流动，以直接加热或冷却沿板4下流的液体L。

当只让含有一种可冷凝物质的气体通过和致冷而没有液体L从传热板4上方向下流来时，此气体中的可冷凝成分例如燃烧废气中的水，便借助板4内的热介质C除去此可浓缩成分的潜热而冷凝。此冷凝的成分然后附着到网件30以及传热板4的侧面上。随着数量的增加，所附着的已冷凝的水便逐渐下流。此冷凝的成分沿横向散开于形成在网件30和传热板4的垂直面上，而得以为来自此设备下方的高温燃烧废气所接触。燃烧废气便可依此方式有效地冷却。冷凝的水成分在这种情形下最后便从此气—液接触板型的热交换器中向下排出。在此气—液接触过程中导致的热传输除涉及对潜热起到冷凝作用外，还涉及在气—液接触中引起的反应热。当反应为放热反应时，这类情形可由前述的燃烧废气中的CO₂成分为氨基溶液吸收的情形为代表。这时所发生的热直接通过传输板4内所流动的热介质C直接带走，从而阻止了所接触的气体与液体发生升温，而得以避免降低平衡常数。这样便能够实现高效的气—液接触过程。在吸收反应情形，情况却相反，在传热板4中的热便传送到气—液接触一侧。

再来参看图6描述一个例子，其中将本发明的气—液接触板型的热交换器用于再生胺吸收溶液的吸收塔中，以从吸收了CO₂的胺吸收溶液(以下称之为需CO₂胺吸收溶液)通过重新收集CO₂而再生胺吸收溶液。在这个例子中，与图4和5中相同的部件由相同的参考数号标明，而网件30在图6中只简单地表示出。图6中，本发明的两个气—液接触板型热交换器分别设于再生塔50的上、下方。在上方的热交换器2a中，在构成此热交换器的传热板4a中引入低温冷却水作为热介质，以防经空气流道20a上升的CO₂气体中所含的微量胺排到塔外。另一方面，在构成下方热交换器2b的传热板4b中引入高温蒸汽作为热介质，以便通过从富CO₂胺吸收溶液中分离CO₂来再生此吸收溶液。设在此热交换器2a与2b间喷嘴52则把从一未示明的CO₂吸收塔输出的富CO₂胺溶液喷布到下方的热交换器2b之上。在再生塔50的底部上设有一吸收溶液存储器，用来接收具有低浓度CO₂的再生胺吸收溶液。

从喷嘴52喷出的富CO₂吸收溶液连同上方热交换器2a流下的冷凝水(以后将对此描述)，逐渐地沿着下方热交换器2b中的上面附有网件30的传热板4b向下流动。这种情形下，高温蒸汽在传热板4b中循环，而能有效地加热富CO₂胺吸收溶液。于是，随着从此胺吸收溶液中产生出蒸汽，气体CO₂便同蒸汽一道释出。经空流道20b上升的这些气体物质便与这种富CO₂的胺吸收溶液接触，因为该溶液是持续地从上方流下的。结果，所产生的蒸汽与该溶液便相互在上面装附有网件30的传热板4b上接触，由此便进一步促进此CO₂成分与蒸汽分离，而从该溶液中将CO₂与蒸汽都释放出。这个过程所需的热能是从上述的在传热板4b内流动的蒸汽供给。因此，气—液接触过程与热交换过程两者都能高效地同时进行。然后由此再生出的已从其中除去CO₂成分的胺溶液便暂时地存储于设在下部的再收集的溶液的存储器54中。最后，当有需要时，可由一台泵56将此存储的溶液抽入该吸收塔内，以便把此溶液在其中重新用作再生的胺溶液。

另一方面，从此富CO₂胺吸收溶液中释出的CO₂成分连同蒸汽，经上方的换热器2a中的传热板4a间的空气流道20a上升。在此时刻，通过空气流道20a的气体由于有冷却水在传热板4a内循环更被冷却。于是，上述蒸汽成分便冷凝在上面附有网件30的传热板4b之上，而缓慢地沿着这种板下流。此下流的冷凝水在于传热板4a内的冷却水换热的同时，同上述的来自下方换热器2b的上升的气体相接触(或与之进行气—液接触)。这样，此上升的气体便因这种气—液接触而冷却，由此可以防止胺成分排放到塔外。依此方式，在上方的热交换器2a中也能同时实现高效的气—液接触与热交换。这一上升的和通过热交换器20a中的空气流道20a的气体便在蒸汽成分中减少而作为一种富CO₂气体输送到下一道工序中。

在传统的再生塔中，从塔的上部输出的蒸汽与CO₂的气体混合物是由一独立设置的热交换器冷却，而不是用本发明的热交换器2a，而上述这种冷凝的水是从塔顶处的喷嘴喷出，以防胺成分排到塔外。此外，取代这里的热交换器2b，一部分再生的胺是从塔外萃取并在塔外加热来形成蒸汽，此蒸汽随之又送回塔底，以从富CO₂胺吸收液中由蒸汽分离掉CO₂成分(通过蒸汽分离)，由此再生此吸收溶液。这样，传统的再生塔就需要有独立的热交换器和在塔外的加热器，从而使此相应设备的结构复杂化。此外，热交换的效率也不能满足要求。相反，利用本发明的气—液接触板型热交换器就能同时进行气—液接触与热交换，而得以显著地简化化工设备，同时还能使设备以高的换热效率运转。

正如上面所详述的，根据本发明的气—液接触板型热交换器(本发明的第四种构型)，由于提供了网件，在沿着传热板下流的气体与液体间的接触面积便加大了。此外，网件保持住液体，延长了下流液体的滞留时间，这样便大幅度地提高了气—液接触效率，并且显著地提高了热效率。同时，设备的构型可以紧致化，有助于大量地节省所需空间。

上面描述的本发明显然可有多种变动形式。这种变动应认为是未脱离本发明的精神与范围的，对于熟悉本项技术的人属显然的所有这类变动应理解为包括在后附权利要求书的范围内。

Claims (4)

1.一种热管，此热管包括：

一个管筒；以及

至少一个或多个叶片，它们设置在一集热段侧或一放热段侧的至少一侧上的上述管筒的周面上，各个叶片是在一垂直于该管筒轴线之平面上装附到该管筒上的；

特征在于：上述叶片是由一块金属板和装附在此金属板两面上的网状材料构成。

2.一种能进行热交换的气—液接触设备，此设备包括：

一批为权利要求1所述的热管，它们配置到一起使得这些热管的集热段与这些热管的放热段在一起时，分别以这些管的轴线保持成水平或近似水平，而致管上的上述叶片取垂直或近似垂直的位置；

特征在于：设置在此集热段或放热段中至少一个之中的集热管上的大量上述叶片用作为气—液接触壁面，以便从叶片上方某处流下的液体与来自叶片下方某处或来自叶片侧的气体接触。

3.如权利要求2所述气—液接触设备，特征在于：上述大量的垂直或近似垂直配置的叶片是相互联结成一些垂直的板状件的，使得前述的大量热管在保持水平或近似水平的方向时，能在这些管集拢的集热段与放热段两者的至少一段中，穿过所说垂直地或近似垂直地形成的前述板状件中。

4.一种气—液接触板型的热交换器，此热交换器包括：

一批传热板，它们依一定间隔垂直地布置，在其间界定出允许空气上升的空气流道；

特征在于：每块所说的传热板内都有热介质的流道来允许热介质流过其中，而界定这种空气流道的传热板的每块板的各侧面上都装附有这样的网件，可使液体沿着这些网件与板向下流动。

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