CN1125965C - 板－翼热交换器的除霜和流体分配 - Google Patents

板－翼热交换器的除霜和流体分配 Download PDF

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Abstract

用于使一种调节流体，例如除霜气体，流过板一翼型热交换器内的方法和设备，该热交换器具有含有松槽鳍板或密槽鳍板的开口通道。每一组开口通道设置有在一个可获得与每条开口通道有最大的流体接触的位置处将该流体引入这些通道内的装置。本发明的下流重沸器可以很容易地调节到正常的状态(例如进行除霜)。

Description

板—翼热交换器的除霜和流体分配
本发明涉及将调节流体，例如，除霜流体，引进板—翼型热交换器内。
板—翼型热交换器用在各种通过热交换对流体进行加热或冷却的作业中。这些流体可以以反向或同向流动并且这些流体可以是气体，液体或它们的混合物。
在大量的板—翼热交换器中，具有供要进行热交换的料流中的部分料流通过的开口通道是有好处的。如果板—翼热交换器用在冷冻设备中，必须增加辅助的设备以便提供在将热交换器投入使用前使热交换器处于正常状态的装置，即使在热交换器完全处在封闭的壳体内，例如处在用于空气分离设备中的塔内时也是如此，在该空气分离设备中，诸如氧、氮、和氩的成分可以从空气中分离出来。在空气分离设备中，一般需要在启动前以及在运转寿命期间周期地对作为整个设备的一部分的热交换器进行除霜，以便保持其效率。
板—翼型热交换器被用作如在美国专利US 5122174中示出和说明的下流重沸器，它具有用于一般是纯或不纯的氧的沸腾料流的封闭的顶端。液氧(LOX)经两极分配装置供入，该两极分配装置是由用作第一级的喷射管或一个带槽板条，和用作第二级的密槽翼片构成的。结合有液氧料流分配器的热交换器的顶端被封闭住并且在正常的运转前允许正向流动以便达到除霜的目的。但是，这种装置在机械方面复杂，并且具有高的压降，而高的压降会使重沸器和整个系统的成本增加。
美国专利US Re 33026公开和要求保护这样的下流重沸器，其中液氧通过作为造成全部分配压降的分配初级的一组孔，然后通过作为次级的密槽翼片供入，根据专利权人的说法，次级未造成进一步的压降。这种类型的装置在机械方面也是很复杂的，并且具有高的总压降，该压降也会增加重沸器和整个空气分离系统的成本。这种装置是难以进行状态调节的(除霜)。
对于用在冷冻设备中的常规热虹吸管型板—翼热交换器，通常增加一些外部的导流片，这些导流片迫使正向的调节流体，例如除霜流体经塔壳供入。这会导致对外部流的阻力增加，而阻力的增加则会在正常的运转期间有损于这种作业的整体运作。如果将外部导流片施加到一个下流重沸器上以迫使除霜流体通过它，也会有损于整体的运作。
密槽翼片，例如带有横向于热交换器通道内的流体流路设置的穿孔的翼片，已经被用于封闭端的板—翼热交换器内，作为使液体在通道的宽度上均匀地分布的装置。在美国专利5122174内详细地描述了密槽翼片，该专利的说明书通过引用结合在本文中。当热交换器必须进行状态调节，例如进行除霜时，这种方法不是那么容易适合于开口的板—翼热交换器。为了使液体分布均匀而引入密槽翼片内的附加的压降在以上述方式除霜的过程中只会加重这个问题。
本发明涉及一种板—翼热交换器，该热交换器在一个实施例中，具有至少一套(组)料流通道，这些料流通道在其两端是朝一个其内可装入热交换器的辅助容器敞开的。第一料流的进口具有一个敞开的集流管以便导引进入的料流，该料流在正常的运转状态下，可以在一般是在垂直方向取向的热交换器的顶部进入并在其底部流出。另一种方法是，该料流可以如在热虹吸管型热交换器内那样在底部进入，而在顶部流出。热交换器可具有一个或一个以上的第二套(组)的通道，这些通道带有集流管和管系以便为与第一料流接触的热交换器供给和排出一股料流或多股料流。
本发明的热交换器在每个开口通道内可以具有密槽鳍板(横向于料流流动的方向设置)和松槽鳍板(平行于料流的流动方向设置)的组合结构。在正常的运转之前，在热交换器通道的顶部和底部之间的一个位置独立地将调节流体引入每一套(组)通道内。在使用密槽鳍板和松槽鳍板的情况下，将调节流体在密槽鳍板和松槽鳍板之间或在这些通道的密槽鳍板部分的第一和第二端之间的一个位置引入每一组通道内。调节流体的进入口的设置要选择来确保调节流体可合适地流到有关通道组的各个位置。
图1是一幅等角图，该图示出了本发明的设备和方法的一个实施例，包括密槽鳍板和松槽鳍板的放大的截断部分的细节。
图2A是本发明的设备的示意立视图。
图2B是沿图2A的2B-2B截面截取的剖视图。
图2C是图2B的热交换器的一部分的放大截断图。
图3A是一个具有本发明的密槽鳍板和松槽鳍板的热交换器的示意剖视图。
图3B是图3A的热交换器的一部分的放大截断图，示出了调节流体的引进。
图3C是将调节流体引入图3A所示的热交换器内的另一种方法的放大截断图。
图3D是图3A所示热交换器的放大截断图，示出了将调节流体引入图3A所示的热交换器内的另一种方法。
图4A是一种用于将调节流体引入图3A所示的热交换器内的设备的放大截断图。
图4B是沿图4A中的4B-4B截面截取的视图。
图4C是一个用于将调节流体引入图3A所示的热交换器内的设备的放大截断图。
图4D是沿图4C中4D-4D截面截取的视图。
图4E是将调节流体引入图3A所示的热交换器内的另一种方法的放大截断视图。
图4F是沿图4E中4F-4F截面截取的视图。
图5A是一个用作下流重沸器的本发明热交换器的开口料流通道的示意图，示出本发明的一种应用情况。
图5B是一个用作下流重沸器的本发明热交换器的闭合料流通道的示意图，示出本发明的一种应用情况。
图6A、6B、6C和6D是一种将调节流体引入作为下流重沸器的热交换器内的隔离薄板的方法的截断示意图。
图6E、6F、6G和6H是防止作为下流重沸器的热交换器的第一和第二流体的流动通道之间的泄漏的方法和设备。
参见图1，标号10标示的是一个具有一个第一端12和一个第二端14的热交换器。热交换器10的本体16具有一般是平行六面体的形状，并包括第一组通道18和第二组通道20两组通道，两组通道18和20适合接受不同的流体，每一组中的通道交替地设置。例如，通道18适合于接受装入顶部壳体或开口的顶部盒型装置22内的流体。通道18本体16的顶部或第一端12和底部或第二端14处是敞开的。在实际的结构中，侧板条24将闭合每个通道18的竖向端。典型侧板条的一部分在图1右侧的放大部分中以标号24标出。通道18具有一个与水平放置的带有多个穿孔29的翼片27(示出在该放大部分中)。这种类型的翼片叫做密槽翼片，它促使通过盒型部分22引入通道18内的流体呈均匀的分布。适合于用在本发明中的其他类型的密槽翼片是锯齿形和穿孔人字型(波状翼片)。尽管用在密槽鳍板部分27中的鳍板是这种类型，但是这种翼片最好设计成使流过翼片部分27的流体的摩擦压降处在这样的范围内，即在摩擦压降表示为多少英寸的液体时，该摩擦压降是鳍板的流动长度的0.25至10倍，最好是处在该长度的1至5倍的范围内。通道18的底部部分包括竖向设置的翼片28(在放大部分中)，该翼片叫做松槽翼片，它接受在箭头30方向流动的流体。图1中所示的翼片28是锯齿形的，不过，穿孔的，光滑的，人字型的，或其他类似类型的翼片也可以使用。在图1的实施例中，引入盒型装置22内的流体在热交换器10中向下流过通道18，然后自由落下通过热交换器10的底端14排出，并通过现有技术中已知的、因而未示出的设备收集起来供该作业的其他部分使用。第二工作流体经管道33和集流管32引入热交换器10的通道20内，通过一个水平的/垂直的分配器如箭头34所示那样导引，然后被收集到一个底部集流管35内。如图1所示那样的装置可以被用作下流重沸器，其中一种沸腾或蒸发的液体被引入盒型装置22内，以便向下流过通道18。一种欲冷凝的气体经集流管32引入通道20内，在那里它与在通道18内流动的液体发生热交换，从而发生冷凝并通过一个集流管35排除掉，其中两种流体以大致平行或相同的方向流动。
在某些应用场合，最好对进入通道18内的料流进行过滤。可以将一个过滤器结合入盒式装置22内。
在使用图1所示热交换器时，例如在冷冻设备中，在将热交换器投入使用之前，必须将如除霜流体之类的流体引入热交换器内。在热交换器内包含其作用是在正常的运转中分配液体的密槽鳍板，在除霜过程中因有密槽鳍板会存在一个问题，即导致气体流有高的阻力。本发明解决了这个与用作如图1所示的下流重沸器的热交换器有关的问题。不过，带有开口通道和密槽鳍板的任何热交换器在流态调节或除霜操作中都会呈现类似的流动阻力。
图2A至2C示出了本发明在通道内只具有松槽鳍板的热交换器40上的应用情况，鳍板在图2B中以箭头42表示。在用来导引通过热交换器40的第一料流(料流A)的通道的第一端45和第二端47之间包括有一个开口44和集流管46。开口44连接到一个用来将调节流体引入热交换器内的集流管46上。开口44最好设置在适合于接受料流A的通道的第一端45和第二端47之间的中部，并且是否则就是连续通道中的翼片中的空隙的形式。如图2A所示，集流管46包括一个进口管道48和多个空隙或小孔50，这些小孔与用来导引料流A流过热交换器的通道对齐。这样，被引入管道48内的调节流体，例如除霜气体，就通过小孔50导引进入开口44内，然后通过被用来导引料流A通过热交换器的通道沿竖直方向在向上和向下两个方向流动，以便使这些通道处于正常的状态。其他料流经集流管52和53，54和55，被引进热交换器40中以及从中排出，正如现有技术中众所周知的那样。如图2C中所示的那样，在供料流A流动的通道的侧板条56、58中包括有一些空隙或小孔50。这些小孔可以是侧板条56和58之间的空隙或单个侧板条上的小孔的形式，该单个侧板条取代了独立的侧板条56和58。
图3A示出了热交换器60中的典型的开口料流，该热交换器具有包含有箭头62所示的松槽翼片和箭头64所示的密槽翼片的竖向通道。如图3A所示，具有一个管道68的集流管66被用来将调节流体引入热交换器通道的密槽鳍板部分内。如图3B所示，调节流体可以经在松槽翼片62和密槽翼片64之间的侧板条72、74上的空隙或小孔70引入一组通道的通道内，流体的引入如箭头78所示。图3C示出了在热交换器的密槽翼片64的部分的顶部80和底部82之间的部位处引入调节流体的方法，流体的引入由箭头78所示。图3D示出了经侧板条72、74上的小孔将箭头78所示的调节流体引入密槽翼片64部分内从而直接进入密槽鳍板内的方法。
图4A和4B一个竖向的带槽条90，该带槽条具有用于迫使调节流体向下流入包含有由箭头94总的标示的鳍板的热交换器的通道内的槽缝92。
图4C和4D示出了使用板条96的情况，该板条96具有一个水平槽缝98和一些竖向槽缝100，用来将调节流体引入包含有总的由箭头94标示的鳍板的热交换器的通道内。虽然在图4C和4D中，水平槽缝98是对称地示出在板条96内，但此水平槽缝也可以是非对称地设置的。而且，虽然所示竖向槽缝100都是相同尺寸的(例如同样的宽度)，但是这些竖向槽缝也可以是不同尺寸的。
图4E和4F示出了使用板条102的情况，该板条102包含一个水平槽缝104和一些竖向槽缝106，用来将箭头78所示的调节流体引入包含有由箭头94标示的翼片的通道内。板条102在竖向通道内包括小孔(孔)以便帮助将调节流体从水平槽缝分配到竖向槽缝内。虽然在图4C和4D中，水平槽缝104是对称地示出在板条102内，但此水平槽缝也可以是非对称地设置的。而且，虽然所示竖向槽缝106都是相同尺寸的(例如同样的宽度)，但是这些竖向槽缝也可以是不同尺寸的。
图5A是图1所示用作下流重沸器的装置的示意图，在那里沸腾/蒸发的料流经盒型装置22如箭头110所示那样被引入热交换器10内。沸腾/蒸发的料流如箭头112所示那样从热交换器10中排除掉。松槽翼片由箭头114表示，而密槽翼片则由箭头116表示。如图5B中所示，冷凝料流通过集流管(歧管)32引入热交换器内，而经冷凝的料流如箭头120所示的那样从集流管35中排出。箭头34代表冷凝流体的流动。在图5A和5B的装置中，沸腾/蒸发的料流可以是含氧流体，而冷凝料流可以是含氮和/或氩的流体。在将下流重沸器投入使用前，整个部件应该除霜。本发明涉及的是只对开口的沸腾/蒸发的料流通道进行除霜。为了做到这一点，将箭头122所示的除霜气体引入除霜集流管124内和引入开口126内。与图3B所示的类似，该气体可以向上流过这些通道的密槽翼片部分和向下流过这些通道的松槽翼片部分，以便在使用前使下流重沸器完全达到正常的状态。另一种方法是，除霜气体可以引入根据图3C和3D的方法和设备的热交换器内。
图6A、6B、6C和6D示出了一种图1所示类型的热交换器130，此种热交换器130在热交换器的开口通道内具有一个用箭头132表示的松槽翼片部分和一个用箭头134表示的密槽翼片部分。在该热交换器中，图6A和6C所示的开口通道通过所谓的隔离薄板与图6B和6D所示的闭合通道隔离开。在图6A至6D所示的设备中，在热交换器的松槽翼片部分上方的通道的部分中的隔离薄板钻制有一系列的小孔或孔136，使得箭头138所示的调节流体可以引入一个集流管140内，该集流管设置在用来将第二流体引入热交换器130内的集流管142的上方。图6C更详细地示出了小孔136，这些小孔136允许将状态调节空气引入用来接受沸腾/蒸发的流体(第一流体)的热交换器的开口通道的密槽翼片部分和松槽翼片部分内。图6D示出了包括有一些除霜分配器翼片137和141，以便有助于通过开口通道的密槽翼片134部分和松槽翼片132部分，对通过集流管140流入和通过小孔136流动的除霜气体进行分配。在此实施例中，除霜气体被引入至少一组闭合通道的未用的顶端内。在正常的运转中，开口通道和闭合通道内的料流通过端部板条139彼此密封隔离。
图6E至6H示出了将状态调节气体流路从图6A至6D的热交换器的第二组通道中分离出来的方法。在图6E至6H所示的实施例中，除霜气体歧管140A的作用与图6B所示的除霜气体歧管一样，其中除霜气体经集流管140被引入热交换器内。一个带有设置在端板条139和端板条146之间的翼片部分145的辅助集流管144的作用是通过经集流管144排出的方式将在开口通道内流动的料流与在热交换器内流动的其他料流分离开。这将排出在正常的运转中通过板条139和146的泄漏气体。
因此，根据本发明，将调节流体引入板—翼型热交换器的一组开口通道内的能力就得到明显地提高。
例如，如果本发明的热交换器被用作下流重沸器，通过将调节流体(除霜气体)引入这些通道内的方式，就能很容易地使开口通道，特别是用于沸腾/蒸发的流体的那些通道，处于正常的状态。
根据本发明的方法和设备可导致设计简单，从而使在制造必须适应将调节流体引入热交换器内以确保调节流体到达热交换器的所有通道部分的热交换器时的成本明显地减小。
因此，根据本发明，热交换器可以很容易地达到正常的状态而不会干扰密槽鳍板的使用，以便使液体可以均匀地分配进入热交换器的某些通道内。调节流体的分配可以通过间隙和侧板条实现，这些间隙和侧板条用来闭合热交换器通道或热交换器通道之间的隔离薄板上的开口。
这样对在所附的权利要求书中提出的美国专利所描述和保护的我们的发明已做了说明。

Claims (21)

1.一种热交换器，它具有一个大体平行六面体形状的本体，该本体在其内设置有大致平行于所述本体的纵向轴线延伸的平行通道，其中第一流体通过第一流体引入装置被引入第一组开口通道内，而一或多组第二流体通过第二流体引入装置被引入独立的一组或多组通道内，该独立的一组或多组通道与所述第一组通道中的一个通道交替设置，所述第二流体以平行或反向于第一流体的方式被引入，其中，所述开口通道分别具有两个或者多个鳍板段，该鳍板段将所述第一流体导入所述开口通道内，改进之处在于包括：
用来将选自除霜流体、干燥流体、清洁流体和表面处理流体的流体组中的调节流体通过一个不同于所述第一和第二流体引入装置的第三流体引入装置引入所述开口通道内的装置；
所述装置适合在每个所述开口通道的一个第一端处、或其第二端处、或在第一端和第二端之间引入所述调节流体，而不会干扰所述鳍板段在所述开口通道内的作用；和
用来将来自所述热交换器的调节流体加以回收的装置。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的第一端。
3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的所述第一端和所述第二端之间。
4.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的第二端。
5.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述热交换器在所述开口通道内包括一个松槽鳍板部分和位于该松槽鳍板部分顶部上的密槽鳍板部分，所述引入所述流体的装置处在所述热交换器的所述密槽鳍板段和松槽鳍板段之间。
6.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述开口通道包括一密槽鳍板部分和一松槽鳍板部分，所述引入调节流体的装置处在所述密槽鳍板部分的一第一端和一第二端之间。
7.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述开口通道包括一密槽鳍板部分，一松槽鳍板部分，和用来将所述调节流体直接引入所述密槽鳍板的所述装置。
8.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述热交换器在所述开口通道内包括一个松槽鳍板部分和位于该松槽鳍板部分顶部上的带槽板条部分，所述引入所述流体的装置处在所述热交换器的所述带槽的板条部分内。
9.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的第一端，所述回收所述调节流体的装置处在所述开口通道的第二端。
10.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述引入调节流体的装置包括包含在隔离薄板内的辅助装置，该隔离薄板将所述第一组通道的每一条通道与所述第二组或所述多个第二组通道的一条毗邻通道分隔开。
11.一种下流重沸器，它具有一个大体平行六面体形的本体，在该本体内设置有一组大致平行于所述本体的纵向轴线延伸的平行通道，其中第一流体通过第一流体引入装置被引入第一组开口通道内，而一或多组第二流体通过第二流体引入装置被引入独立的一组或多组通道内，该独立的一组或多组通道与所述第一组通道中的一个通道交替设置，所述第二流体以平行于第一流体的方式被引入，其中，所述开口通道分别具有两个或者多个鳍板段，该鳍板段将所述第一流体导入所述开口通道内，改进之处在于包括：
用来将选自除霜流体、干燥流体、清洁流体和表面处理流体的流体组中的调节流体通过一个不同于所述第一和第二流体引入装置的第三流体引入装置引入所述开口通道内的装置；
所述装置适合在每个所述开口通道的一个第一端处、或其第二端处、或在第一端和第二端之间引入所述调节流体，而不会干扰所述鳍板段在所述开口通道内的作用；和
用来回收来自所述热交换器的调节流体的装置。
12.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的第一端。
13.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口通道的所述第一端和所述第二端之间。
14.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述引入所述调节流体的装置处在所述开口通道的第二端。
15.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述热交换器在所述开口通道内包括一个松槽鳍板部分和位于该松槽鳍板顶部上的密槽鳍板部分，所述引入所述流体的装置处在所述热交换器的所述密槽鳍板段和松槽鳍板段之间。
16.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述开口通道包括一密槽鳍板部分和一松槽鳍板部分，所述引入调节流体的装置处在所述密槽鳍板段的一第一端和一第二端之间。
17.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述开口通道包括一密槽鳍板部分、一松槽鳍板部分、和用来将所述调节流体直接引入所述密槽鳍板的所述装置。
18.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述下流重沸器在所述开口通道内包括一个松槽鳍板和位于该松槽鳍板部分的顶部上的带槽板条部分，所述引入所述流体的装置处在所述下流重沸器的所述带槽的板条部分内。
19.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述引入调节流体的装置处在所述开口的第一端，所述回收所述调节流体的装置处在所述开口通道的第二端。
20.如权利要求11所述的下流重沸器，其特征在于：所述引入调节流体的装置包括包含在隔离薄板内的辅助装置，该隔离薄板将所述第一组通道的每一条通道与所述第二组或所述多个第二组通道的一条毗邻通道分隔开。
21.如权利要求20所述的下流重沸器，其特征在于：该下流重沸器被安装在一个空气分离设备的一个塔内，其中含氧液体流以与在所述独立的通道内的含氮和/或含氩料流平行的平行流流过所述开口通道。
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