CN113950604A - 包括由偏转表面和引导区段形成的组件/内置元件的管束式热交换器 - Google Patents

包括由偏转表面和引导区段形成的组件/内置元件的管束式热交换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种管束式热交换器，其包括由偏转表面、窗和引导区段形成的内置元件。使用这些内置元件，实现产品流在热传递期间的恒定混合，并且从而防止分布不均和轴向返混。同时，延长流动路径，并且因此改善热传递。产品在管束式热交换器（1）的外部腔室（6）中流动，所述管束式热交换器（1）带有用于所述产品的入口（2）和出口（3）以及用于管（7）中的热载体介质的入口（4）和出口（5）。设置有管束式热交换器的偏转面板（或偏转表面）（8）被修改成使得其使窗（12、13）打开，并且至少一个引导区段（10或11）附接在所述偏转表面的入口侧和出口侧上。这些引导区段平行于管轴线伸展并且相互交叉。所述流被入口侧上的引导区段分开并且沿相反方向引导到窗，其然后在所述窗处在出口区段的相应相对侧上离开并且被偏转。

Description

包括由偏转表面和引导区段形成的组件/内置元件的管束式 热交换器
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及在外部腔室中包括由偏转表面和引导区段形成的组件（其可以被设计为内置元件或可以不被设计为内置元件）的束式热交换器。
背景技术
由于束式热交换器通常由金属材料制成，因此我们通常指的是偏转面板、而非偏转表面。然而，在本说明书中，术语偏转表面用于明确表明其适用性并不限于由金属材料制成的热交换器。
所述束可以由若干管组成，热交换介质（例如加热或冷却在外部腔室中循环的产品的加热或冷却介质）被引导通过所述管。然而，替代地，也可以使用组合成束的其它热交换元件，诸如电加热棒、电加热盘管等等。为图示简单起见，下文将使用术语''管''或''管束''，尽管在已经叙述的内容之后应理解，其也意指诸如加热棒等其它延伸的热交换元件。
偏转面板或偏转表面的通常设计通过部分横向并且部分平行于管在外部腔室中引导流体的流动来充当流动引导件。这些金属板具有对应于管间距的孔，其垂直于管，并且具有段形窗以用于流体的轴向通过。其它已知实施例由盘和环交替地组成。其作为标准件安装在湍流（低粘度流体）和层流（粘性流体）流中。关于进一步的功能和结构细节，请参考VDI Heat Atlas（第6版）的章节Gg5和Ob7。这些偏转表面由于到达管的或多或少的显著横流而改善热传递，但是其并不引起流体的任何混合。这在粘性流体的层流的情况下特别适用。由于这些材料因其性质而具有较低热传递系数，因此应该在管的周围引导其（VDI HeatAtlas的章节Ob4）。在必须被冷却或加热的粘性介质的情况下，粘度可以随温度而显著改变。通过不同温度-时间历程（流动路径）的部分流最终具有非常不同的性质。这特别适用于粘度。在无恒定混合的情况下，形成优选路径和死区，称为分布不均。这可能导致热交换器的完全失效，而且还导致不良产品性质。当热交换器用作聚合反应器或用于与粘性液体物质的其它放热反应时，问题是类似的，例如参见化学工程与技术（Chem Eng.Technol.）13（1990）的第214-220页。此处，流动率和粘度的差异也导致分布不均。类似问题出现在管束式热交换器中，其中粘性溶液部分蒸发，并且粘度在此过程中急剧增加。
许多静态混合器（诸如X混合器（SMX、SMXL））或螺旋式混合器（Kenics混合器）优选地与双夹套管中的层流一起使用以同时改善热传递、混合和停留时间分布，参见ProcessEngineering 34 （2000）第1-2期的第18-21页。对这些设备的按比例放大存在狭窄限制，因为热传递表面与产品体积的比随着管直径的增加而减小，或者如果管直径保持不变，则压力损失将随着产品数量的增加而迅速增加。作为解决方案，正试图在管束式热交换器的管中也使用静态混合器，其中产品在管中流动。然后，仍发生在单独的管内的混合，但是管中的部分流彼此完全隔离，并且在单独的管中可以形成不同流动状态和产品性质。结果可能再次是管中具有所描述效果的显著分布不均。混合元件的较高压力损失使问题变得甚至更糟。反应产物的另一个缺点是管束式设备的罩中的额外体积。在此空间中有少量热传递或没有热传递。
DE 28 39 564 C2提出一种用于热传递和静态混合的设备。在此混合器-热交换器或反应器（称为SMR反应器）中，产品也流过带有管束的流动通道，并且围绕外部腔室中的管流动。所述管以曲折方式弯折以形成盘管。所述管与流动方向成45°，相互交叉并且形成混合器结构。单独的盘管被向外引导通过通道壁进入到收集器中。因此，实现外部腔室中的同时混合和良好热传递，但是具有大量工作量和许多缺点。与由交叉区段组成的已知混合器相比，混合效果较少，并且仅在束或混合元件内在一个方向上发生。出于实际原因，管束应该尽可能长。因此，在流动通道中仅可以使用旋转90°的几个束。每一混合元件或盘管束需要用于热载体介质的其自身的收集器。由于长盘管和许多管弯折部，因此管中热载体侧上的压力损失高。不同长度的盘管导致流在热载体侧上的不均匀分布，并且继而可以导致产品侧上的分布不均。
由于束的构造，管中热载体介质和产品的有利逆流或者蒸发或冷凝也是不可能的。
在EP 1 067 352 B2中寻求所述问题的进一步解决方案。根据已知SMX结构的带有交叉区段的混合元件设置有对应于管束式热交换器的管间距的孔，并且所述管被插入穿过所述区段。将混合结构与管布置联接一方面限制管间距和大小的自由，并且另一方面限制混合器结构的自由。如果所述区段未牢固地连接到管，则此结构在机械上也相当弱。就工艺技术而言，此热交换器可能优于根据上一段的设计，但是其制造极其复杂和苛刻。
发明内容
本发明的目的是形成一种避免现有技术的缺点的开头提及类型的管束式热交换器、混合器热交换器或混合反应器。此目的通过权利要求1的表征特征来实现。
根据本发明的管束式热交换器特别适于粘性产品并且可以非常便宜地制造。在所述管束式热交换器中，产品可以被加热、冷却或蒸发，并且可以与同时强烈混合一起执行放热反应。在低轴向返混和低压力损失的情况下，其没有移动部件。防止分布不均的形成，并且如有必要，容易从外部接近固定装置以进行清洁。所述设备也非常容易按比例缩放。可以自由选择流通过的延伸的（轴向对齐的）管（或其它热交换元件）的布置和数量。
附图说明
本发明的有利实施例示出在附图中，并且下文对其加以更详细解释。在附图中：
图1是穿过根据本发明的管束式热交换器的纵向截面，
图2是所述管束式热交换器的透视图，
图3是根据图1的内置元件的入口侧的视图，
图4是流动方向上的下一个内置元件的入口侧的视图，
图5是替代实施例中的内置元件的入口侧的视图，并且
图6-图8示出内置元件的入口侧的进一步实施例，
图9-图16是本发明的实施例的各种视图和截面，并且
图17是根据图9-图16的实施例的透视图。
具体实施方式
一般来说参考附图，产品在本身已知的管束式热交换器的壳体空间中流动，所述管束式热交换器具有用于外部腔室6中的产品的入口2和出口3。针对在管7中流动的热载体介质提供入口4和出口5。根据本发明，通常存在的、垂直于管或垂直于热交换器的轴线并且具有用于管的孔7'的偏转面板（或偏转表面）8被修改成使得其使两个或更多个窗12、13打开，以用于产品从偏转表面的入口侧轴向通过至出口侧。至少一个引导区段10或11附接到入口侧或出口侧。这些引导区段平行于管伸展，并且将管束的横截面细分成具有大致相同大小的若干部分。如有必要，也可以与热交换器或管轴线成角度地设置偏转表面，参见附图标记9。
偏转表面的入口侧和出口侧上的引导区段10、11优选地彼此成90°。产品流由入口侧上的引导区段10沿相反方向分开，横向于管到达窗12、13；偏转表面在轴向方向上通过并且通向出口侧上的引导区段11的相对侧，并且在引导区段的方向上优选地偏转90°。横向于出口侧上的管的部分流的流动方向在引导区段11的两侧上再次相反。带有窗和交叉引导区段的偏转表面各自形成内置元件A或B。流动方向上连续内置元件（A、B）的引导区段11、10'优选地以90°相互交叉。连续内置元件A、B的封闭部分表面8、8'以及窗12、12'和13、13'交替。
在每一内置元件中，在层流的情况下，其分成部分流并且按如下方式混合：在每一内置元件中，在同时强烈热传递的情况下，层的数目至少加倍（在入口侧和出口侧上具有两个部分流或一个引导区段）。在整个设备中，所形成的层的数目从入口到出口与在流动方向上一个接一个的内置元件的数目一起呈指数增加。此过程可以在借助快速硬化、坚韧的聚酯树脂的测试的基础上得到证明。在湍流的情况下，混合因湍流而被加强。连续偏转表面之间的轴向距离优选地对应于两个引导区段的高度，在其之间没有距离。然而，安装也可以在有间距的情况下进行，或者通过相互推入的引导区段而被缩短。替代入口侧与出口侧中间具有引导区段的两个窗，偏转表面还可以具有多个窗25、26、27和多对引导区段（21、22和23、24）。还可能的是，入口侧和出口侧上的引导区段的数目或其高度不同。这增加了混合的强度，但是也增加了工作量和压力损失。
根据本发明的引导区段延长外部腔室中的流动路径。这也增加了管周围的流速和热传递。强烈混合同时防止轴向返混。热交换器中连续组件/内置元件的数量越多、并且因此设备也越成流线型，则停留时间分布就将越窄，类似于级联搅拌釜反应器。与根据本发明的固定装置形成对比，用于热交换器的所有先前已知的偏转面板（或偏转表面）在层流或粘性产品的情况下并不引起任何混合。热传递仅由于到达管的更好横流而得到改善。产品流仅被转向，而不被分开和混合。
图1通过示例示出带有可延伸管束的U形管热交换器中由偏转表面和相关联的引导区段构成的根据本发明的内置元件A、B。所述设备的壳体1被示出为在内置元件的出口侧引导区段11的中心前方或前方轴向切开一点，而内置元件示出在视图中。内置元件由封闭部分表面、窗以及入口侧和出口侧上的相关联引导区段组成。内置元件可以通过钎焊、焊接或胶合松散地或者全部或部分牢固地连接到管。内置元件的单独的部件也至少部分地以此方式连接。
在进一步的实施例中，按照常规偏转面板的惯例，固定装置通过保持杆彼此连接并且连接到所述设备。还可以通过挠曲由金属板制造由引导区段和封闭部分表面组成的子元件。示出为带有U形管的布置仅是示例。当然，所述内置元件也适于所有其它管束式热交换器，诸如带有固定笔直管和管板或用于多线程设备的那些热交换器。非圆形（例如正方形或矩形）的设备横截面也将是可能的。对于液体的加热，可以使用电加热棒或加热盘管来替代带有热载体介质的管。
图2示出带有包括窗12、13、封闭部分表面8和引导区段10、11的根据本发明的内置元件的束管7的三维表示。连续内置元件的封闭部分表面和窗各自相互覆盖，并且连续引导区段优选地以90°的角度相互交叉。
图3示出带有偏转表面8和两个引导区段10、11以及两个窗12、13和用于管的封闭部分表面中的孔7'的根据本发明的内置元件A的入口侧的视图。窗的表面积通常大致对应于封闭部分表面。然而，也可以使窗小得多或呈不同形状，诸如槽或孔，以便产生特殊流动效果或额外压力损失或者防止股线的形成。
图4示出带有偏转表面8'和两个引导区段10'、11'以及两个窗12'、13'和用于管的孔7'的流动方向上的下一个根据本发明的内置元件B的入口侧的视图。所述封闭部分表面和窗相对于图3中示出的前一个内置元件偏移。
在图5中示出替代实施例。图5是包括带有用于管的孔7'的偏转表面8和两个引导区段10、11以及两个窗12、13的根据本发明的内置元件的入口侧的视图，其中所述窗具有比偏转表面大致较小的表面积并且是任何形状。
图6是带有偏转表面8和四个引导区段21， 22、23、24以及三个窗25、26、27和用于管的孔7'的根据本发明的另一个内置元件的入口侧的视图。
图7是带有偏转表面8并且带有入口侧上的仅一个引导区段10、两个引导区段23、24以及三个窗25、26、27和用于管的孔7'的根据本发明的内置元件的入口侧的视图。
图8是带有偏转表面8'并且带有入口侧上的仅一个引导区段10'、两个引导区段23'、24'以及三个窗25'、26'、27'和用于管的孔7'的根据本发明的内置元件的入口侧的视图，其跟随根据图7的其前方的内置元件。所述窗各自相对于根据图7的元件从所述窗偏移，使得如果所述元件在流动方向上一个接一个地布置，则直接轴向通过是不可能的。
在图9至图17中示出基于图7和图8的本发明的变型的详细图示，所述图未全部按相同比例示出。出于图示原因，已经省略壳体1。图9是根据本发明的带有偏转表面、窗和引导区段的热交换器的管束的平面图。热交换介质（热或冷却剂）沿箭头28的方向流过管。此处，引导区段设置有附图标记10a至10e。其它引导区段10a'、10a''至10e'、10e''与其成90°的角度定位，其中所述引导区段各自以直角连接到偏转表面8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''；8d'； 8e'、8e''。附图标记8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''； 8d'； 8e'、8e''表示具有供管穿过的开口或孔的部分表面。偏转表面也被窗12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'中断。偏转表面的几何形状和在其中切出的窗在偏转表面之间交替，如下文将更详细解释的。
图10示出与图9相同的结构，但是这次以图9中箭头X的方向示出。图11是标记区段XII-XII和XIII-XIII从图9中的箭头XI的方向看的平面图，可以分别在图12和图13中找到所述区段。
在图9中，还指示区段XIV-XIV、XV-XV和XVI-XVI。这些区段分别示出在图14、图15和图16中。所述区段示出连续偏转表面，其各自具有与前一个（或下一个）偏转表面互补的几何形状，以便确保待混合产品的最佳混合。因此，图14中示出的偏转表面具有（覆盖）部分表面8a'、8a''，其使产品流转向，并且仅具有用于管的一个孔。中间存在（打开的）窗12a'，其并不向流提供任何阻力，并且仅由两个管交叉。图15中示出的偏转表面与图14的偏转表面互补，即，其具有其中窗位于图14的偏转表面中的部分表面和其中部分表面位于图14的偏转表面中的窗。在每一情况下反过来适用于不设置有附图标记的偏转表面的下半部。因此，迫使流过混合器/热交换器的产品采用从偏转表面到偏转表面的不同路径，这导致流体的最佳混合。根据图16的第三截面再次对应于图14的截面。
为了进一步图示，图17最后是参考图9至图16描述的管束式热交换器的透视图示，其中箭头28指示产品的流动方向（参见图9）。为清楚起见，此图不设置有附图标记，但是这些由图9至图16得到。
所述组件或内置元件及其部件（诸如偏转表面和引导区段）可以由钢制造，并且以本身已知的方式焊接。然而，也可以使用铸件。最后，例如通过注射模制或者借助于诸如3D打印等增材制造，由塑料进行制造也是可能的。

Claims (14)

1. 一种用于输送或耗散热量并且同时用于产品流的混合的束式热交换器，其包括一束至少两个延伸的热交换元件，诸如管（7）、电加热棒或加热盘管等等，其中，外部腔室（6）中的产品流从入口开口（2）流到出口开口（3），其具有包括至少一个偏转表面（8、8'、8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''； 8d'； 8e'、8e''）的至少一个固定组件（内置元件A、B），其特征在于：所述偏转表面（8、8'、8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''； 8d'； 8e'、8e''）中的至少两个窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'），所述窗从入口侧通向出口侧，并且从而其特征在于：至少一个引导区段（10、11、10'、10a-10e、10a'-10e'、10a''-10e''、23、24）平行于延伸的热交换元件附接在所述偏转表面（8、8'、8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''； 8d'； 8e'、8e''）的入口侧或出口侧上，并且其特征在于：所述偏转表面（8、8'、8a'、8a''； 8b'； 8c'、8c''； 8d'； 8e'、8e''）的未设置有窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'）的部分表面具有一个或多个孔或开口（7'），以用于所述热交换元件根据其在热交换元件的束中的间距而通过。
2.根据权利要求1所述的束式热交换器，其特征在于：所述束式热交换器具有圆形横截面。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的束式热交换器，其特征在于：所述入口侧（10）上的引导区段和所述出口侧（11）上的引导区段以90°的角度相互交叉。
4. 根据前述权利要求中的至少一项所述的束式热交换器，其特征在于：所述窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'）布置在引导区段（10、11、10'、10a-10e、10a'-10e'、10a''-10e''、23、24）的相对侧上。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的束式热交换器，其特征在于：带有保持横向于所述热交换元件的偏转表面（8）的多个组件（内置元件A、B）在流动方向上一个接一个地布置，并且其特征在于：一方面，组件（内置元件A、B）的窗（12、13）与下一个组件（内置元件A、B）的偏转表面（8'）的未设置有窗（12、13）的部分表面交替，并且另一方面，前一个组件（内置元件A、B）的未设置有窗（12、13）的部分表面与后续组件（内置元件A、B）的窗（12'、13'）交替。
6.根据权利要求5所述的束式热交换器，其特征在于：连续组件（内置元件A、B）的引导区段（11、10'）以90°的角度相互交叉。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器，其特征在于：束横截面被所述组件（内置元件（A、B））的引导区段（10、11、10'、10a-10e、10a'-10e'、10a''-10e''、23、24）分成大致相等大小的部分表面。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的管束式热交换器，其特征在于：组件（内置元件A、B）的设置有窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'）的部分表面（8）和未设置有窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''；12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'）的部分表面为大致相同大小。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器，其特征在于：至少一个组件（内置元件A、B）的设置有窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''；12e'、25、26、27、25'、26'、27'）以实现特定流动效果的部分表面（8）显著小于所述偏转表面的未设置有窗（12、13、12'、13'，12a'； 12b'、12b''； 12c'； 12d'、12d''； 12e'、25、26、27、25'、26'、27'）的部分表面。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器，其特征在于：至少一个组件（内置元件A、B）的引导区段（10、11）的高度（h）至多是内直径（Di）的0.25倍。
11.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器来与粘性产品进行热传递的方法。
12.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器作为放热或吸热反应中的反应器的方法。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器，其特征在于：引导区段（10、11、10'、10a-10e、10a'-10e'、10a''-10e''、23、24）的数目在入口侧上和出口侧上不同。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的束式热交换器，其特征在于：所述引导区段（10、11、10'、10a-10e、10a'-10e'、10a''-10e''、23、24）的高度（h）在入口侧上和出口侧上不同。
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