CN115342664A - 在其一个或多个通道中含至少一个颗粒过滤器的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器，其包括由彼此平行且平行于纵向方向(z)的多个板(2)构成的叠层，所述板(2)彼此间隔开地被堆叠，从而在彼此之间限定出第一组通道(10)，该第一组通道用于至少第一流体在平行于所述纵向方向(z)的总体流动方向上的流动，每个所述通道(10)由设置在所述板(2)之间的封闭杆(6)界定，其特征在于，在所述第一组通道的至少一个通道(10)中布置有过滤装置(31)，所述过滤装置(31)一方面在限定所述通道(10)的相邻两个板(2)之间延伸，并且另一方面在界定所述通道(10)的封闭杆(6)中的两个封闭杆之间延伸，所述过滤装置(31)包括金属片材，所述金属片材选自金属织物、由金属纤维构成的非织造物、烧结的金属粉末或烧结的金属纤维、金属泡沫、或微穿孔板。

Description

在其一个或多个通道中含至少一个颗粒过滤器的热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，尤其是钎焊板翅式热交换器，其包括至少一个过滤器，用于限制不期望的颗粒进入热交换器主体，或用于将实现特定功能的颗粒保留在所述热交换器主体内。
本发明尤其适用于氢气液化领域。特别地，本发明可以应用于催化热交换器，在该催化热交换器中，通过与制冷剂流体流的热交换，气态氢气流被冷却，或者甚至全部或部分液化，并且本发明还可以应用于实施所述热交换器的冷却和/或液化方法。
本发明也适用于气体的低温分离，特别是通过低温蒸馏分离空气。特别地，本发明可以应用于通过与气体流(例如空气或氮气)进行热交换来使液体流(例如液态的氧气、氮气和/或氩气)气化的热交换器。
本发明还可应用于通过与至少一种其他待液化流体(如天然气)进行热交换来使至少一股液体-气体混合物(如烃混合物)气化的热交换器。
背景技术
通常用于热交换器的技术是钎焊板式热交换器，其可获得能提供大的热交换表面积和低的压力损失的高度紧凑的部件。这些热交换器包括一个或多个由一组平行板形成的交换主体，在这些板之间可以插入形成翅片热交换结构的间隔元件，例如波纹结构或波纹。堆叠的板在彼此之间形成一叠扁平通道，用于使不同的流体形成热交换关系。交换器包括配备有入口管和出口管的流体歧管，入口管和出口管分别用于将流体引入热交换主体和从热交换主体排出流体。
某些热交换器可能需要安装流体过滤装置，以限制或甚至避免固体颗粒进入热交换器主体，固体颗粒会对热交换器的热性能和液力性能产生不利影响。
相比之下，在其他热交换器中，有必要将颗粒保留在热交换器主体内。这些颗粒可以布置在热交换主体的通道内，以便在那里执行各种功能。特别是在催化热交换器中，颗粒由催化剂材料形成，该催化剂材料与在通道中循环的流体产生化学反应。
尤其已知的是用于氢气液化的催化热交换器，其中在液化过程中，正氢分子借助合适的催化剂转化为仲氢分子。在这些热交换器中，用于引入和排出氢气的入口和出口歧管通常由穹顶部形成，该穹顶部在热交换器主体的于其上设置有所述穹顶部的所有侧面上覆盖热交换器主体的流体入口开口和出口开口。为了限制催化剂颗粒在热交换器通道中的运动，入口和出口歧管的内部容积也填充有催化剂，从而显著增加了待使用的催化剂的用量。
热交换器的主体和歧管在这些元件彼此钎焊后进行填充。在图1中部分示意性地描绘了配备有这种填充装置的热交换器。催化剂通过位于热交换器顶部并连接到歧管的内部容积的一个或多个竖直管道100被分配。借助于特定的分配喷嘴，通过使催化剂颗粒在重力作用下经由竖直管道100流动而进行填充。歧管还配备有侧管道200，在填充催化剂之前，圆柱形过滤筒被插入到该侧管道中。这些筒由多孔材料制成，其构造成允许流体进入歧管，但阻挡催化剂颗粒。流体入口导管300连接到该侧管道，使得流体通过过滤筒分布在热交换器中。
这种方案导致结构复杂，需要将大量导管连接至热交换器歧管。除了过滤筒制造和使用的复杂性之外，这种方案不必要地增加了所用催化剂的体积，因为歧管中也充满了催化剂。事实上，催化剂是专用的且昂贵的材料。
此外，穹顶部的使用限制了热交换器的不得被超过的宽度。这是因为，考虑到某些热交换器、特别是催化热交换器类型的热交换器的工作压力可能很高(通常在25巴至60巴的范围内)，宽的热交换器部分需要全部都具有更大体积并且由更厚的金属板形成的穹顶部。由于将这种穹顶部固定在热交换器主体上的困难，很难设想以工业规模设计和制造热交换器。
此外，将催化剂引入热交换主体是复杂的并且需要专门的工具。热交换主体的不同通道之间的催化剂颗粒分布的均匀性难以控制。
发明内容
本发明的目的尤其是通过提供一种配备有过滤装置的热交换器来解决上述所有或部分问题，该热交换器的设计和实施比现有技术更简单，尤其是当热交换器旨在用于实施催化反应时，该热交换器允许将催化剂保留在通道中，并以更简单、更好控制的方式填充通道，并且还可以简化所有或一些流体入口和出口歧管的设计和固定。
于是，根据本发明的方案是一种热交换器，其包括由彼此平行且平行于纵向方向的多个板构成的叠层，所述板彼此间隔开地被堆叠，从而在彼此之间限定出第一组通道，该第一组通道用于至少第一流体在平行于纵向方向的总体流动方向上的流动，每个所述通道由设置在板之间的封闭杆界定，其特征在于，在所述第一组通道的至少一个通道中布置有过滤装置，所述过滤装置一方面在限定所述通道的相邻两个板之间延伸，并且另一方面在界定所述通道的封闭杆中的两个封闭杆之间延伸，所述过滤装置包括金属片材，所述金属片材选自金属织物、由金属纤维构成的非织造物、烧结的金属粉末或烧结的金属纤维、金属泡沫、或微穿孔板。
根据具体情况，本发明的热交换器可包括下列特征中的一者或多者。
热交换器至少包括用于将所述第一流体引入所述第一通道中或用于收集来自所述第一通道的第一流体的第一入口或出口歧管、以及从所述第一入口或出口歧管起依次布置的分配结构和热交换结构，所述分配结构和所述热交换结构布置在所述至少一个通道中，所述过滤装置布置在所述分配结构和所述热交换结构之间。
热交换器至少包括用于将所述第一流体引入所述第一通道中或用于收集来自所述第一通道的第一流体的第一入口或出口歧管、以及从所述第一入口或出口歧管起依次布置的分配结构和热交换结构，所述分配结构和所述热交换结构布置在所述至少一个通道中，所述过滤装置布置在所述分配结构和所述第一入口或出口歧管之间。
所述至少一个通道包括通向所述第一入口或出口歧管的入口开口或出口开口，所述至少一个通道具有平行于横向方向测量的宽度，该横向方向垂直于所述纵向方向并与所述板正交，所述入口开口或出口开口的平行于所述横向方向测量的宽度占所述通道的宽度的10％至70％，优选20％至50％。
所述过滤装置包括两个端部，每个端部布置在封闭杆的相应凹部中。
所述凹部具有平行于纵向方向测得的最大宽度，并包括以对应于所述封闭杆的高度的最大高度形成的第一部分，这些高度平行于堆叠方向测得，所述堆叠方向垂直于所述纵向方向和所述横向方向，所述第一部分以小于所述最大宽度的最小宽度形成，所述凹部还包括至少一个第二部分，所述第二部分以小于所述最大高度的最小高度形成并且以所述最大宽度延伸。
所述过滤装置包括垂直于所述第一流体的总体流动方向布置的至少一个正面，所述正面连接至平行于所述板布置的至少一个侧面。
所述过滤装置的平行于所述纵向方向测量的总宽度在2毫米至10毫米的范围内，优选在3毫米至7毫米的范围内。
所述金属片材的厚度在0.20毫米至0.75毫米的范围内，优选在0.3毫米至0.5毫米的范围内。
所述金属片材具有在15％至35％范围内的开放表面密度或在75％至98％范围内的孔体积密度。
所述金属片材为由金属线构成的织造织物，所述金属线的直径在0.10毫米至0.30毫米的范围内，优选在0.10毫米至0.25毫米的范围内。
所述金属片材包括彼此交织以形成网眼的至少一组第一金属线和至少一组第二金属线，每个网眼界定在相继的两根第一金属线和相继的两根第二金属线之间，所述网眼的开口尺寸在0.07毫米至0.15毫米的范围内。
所述金属片材是具有多个孔口的微穿孔板，在平行于所述板的平面中测量的、所述孔口的尺寸至多在0.07毫米至0.15毫米的范围内。
所述热交换器为交换器-反应器，其配置成在所述第一流体和至少一种催化剂材料之间实施催化反应，所述第一组通道中的至少一部分通道包含所述至少一种催化剂材料的颗粒。
所述催化剂材料包括当量直径在最小直径至最大直径范围内的颗粒，所述金属片材为由金属线构成的织造织物，所述织造织物的网眼的开口尺寸在所述颗粒的所述最小直径的10％至85％的范围内。
所述热交换器配置成用于液化作为第一流体的氢气，所述催化剂材料配置为用于将正氢转化为仲氢，特别地，所述催化剂材料为三氧化二铁。
本发明还涉及一种用于利用制冷剂流体流冷却和/或液化至少一部分的气态氢气流的方法，这些流被相应地引入根据本发明的热交换器的第一通道中和第二通道中。
特别地，根据本发明的方法借助于至少一种催化剂材料的颗粒来实施所述气态氢气流的至少一部分的正氢分子向仲氢分子的转化。
特别地，所述气态氢气流的压力在20巴至80巴的范围内，优选在25巴至40巴的范围内。
附图说明
通过以下说明可更好地理解本发明，该说明以说明性和非限制性示例的方式并参考附图而给出。
图1为根据现有技术的带有过滤装置的热交换器的局部视图。
图2为根据本发明的另一实施例的热交换器的三维视图。
图3为根据本发明的另一实施例的热交换器的三维视图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的热交换器的通道的局部纵向剖视图。
图5示出了根据本发明的另一实施例的热交换器的通道的局部纵向剖视图。
图6示出了根据本发明的一些实施例的过滤装置。
图7示出了根据本发明的一些实施例的过滤装置。
图8示出了根据本发明的一个实施例的凹部的局部三维视图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的凹部的局部纵向剖视图。
图10示意性示出了根据本发明的另一实施例的过滤装置的结构。
具体实施方式
参考图2或图3，根据本发明一个实施例的热交换器为钎焊板翅式热交换器。构成热交换器的元件优选由铝或铝合金制成。热交换器包括由板2构成的叠层形成的热交换主体1。板2分别沿纵向方向z和横向方向x在长度和宽度两个维度上延伸。板2被布置成一个在另一个的顶部，彼此平行，并且彼此间隔开。
因此，它们在彼此之间形成至少第一组通道10和第二组通道20，第一组通道10用于第一流体的流动，第二组通道用于至少第二流体的流动，该第二流体将以通过板2与第一流体形成间接热交换关系。横向方向x垂直于纵向方向z并且平行于板2。流体优选沿着热交换器的长度并且总体上/大致平行于纵向方向z地流动，该长度比热交换器的宽度大。
与每个接续的板的长度和宽度相比，两个接续的板2之间的间距更小，该间距对应于通道的沿板2的堆叠方向y测量的高度。堆叠方向y正交于所述板。通道10可以全部或部分地布置成与第二组通道的所有的或一部分的通道20交替或相邻。优选地，通道10、20中的至少一部分通道包括翅片热交换结构，例如波纹结构，翅片热交换结构沿着热交换器通道的宽度和长度延伸，该通道的宽度和长度平行于板2。
在本发明的特定实施例中，第一组通道10和第二组通道20分别被提供用于作为第一流体的氢气(H2)的流动。第二流体可以是氢气(H2)、氦气(He)或氮气(N2)。优选地，第二流体是液态氢或液态氦，这使得提高热效率成为可能。特别地，第二流体可以是已经冷却的氢气，特别是完全或部分液化的氢气，其来自与本发明主题相同类型的另一个热交换器。当热交换器用于氢气的冷却和/或液化时，作为第一流体的氢气是产热流体，第二流体是制冷剂流体。应注意，其它流体成分也可用于制冷剂流体。
优选地，每个通道10、20具有扁平的平行六面体形状。热交换器包括在通道的外周处布置在板2之间的封闭杆6。这些杆6提供了板2之间的间距，并确保了通道的密封。
以本身已知的方式，热交换器包括称为歧管或集液箱的分配和排放机构21、22、71、72，该分配和排放机构连接到叠层的侧面，并构造成将流体选择性地分配到通道10、20中，并将所述流体从所述通道10、20中排出。每个歧管具有限定内部容积的外周壁、位于热交换主体的侧面上的开口端、以及设计成将流体供给到内部容积或从内部容积排出流体的管道23。
封闭杆6不会完全封闭通道，而是会在主体1的侧面上留出自由开口，以便通道中的相应流体进出。用于引入在热交换器中循环的流体中的每一者的入口开口11以一致的方式彼此叠置/一个在另一个之上地设置。用于排出在热交换器中循环的流体中的每一者的出口开口以一致的方式彼此叠置/一个在另一个之上地设置。第一组通道10中的入口开口11在第一入口歧管21中流体连接。第一组通道10中的出口开口12在第一出口歧管22中流体连接。
第二通道20中的入口开口在第二入口歧管71中流体连接。第二通道20中的彼此叠置的出口开口在第二出口歧管72中流体连接。
本说明书中给出的与第一组通道相关的本发明的特征可应用于其他通道，可以设想，根据本发明的过滤方案可用于在热交换器中循环的所有的或一部分的流体。
根据图2所示的可行方案，入口歧管和出口歧管21、22、71、72为半管状的头部的形式，即半圆柱形，并且其仅部分地覆盖主体的其被布置在其上的侧面。分配波纹结构布置在接续的板2之间，该分配波纹结构呈波纹状金属片的形式，其从入口开口或出口开口延伸，并在通道10、20的整个宽度上提供流体的均匀分布和引导，直至通道的热交换区。
优选地，歧管21、22、71、72的至少一部分面向通道10的入口开口和出口开口地延伸，并且在堆叠方向y上在主体1的整个高度上延伸，并且在横向方向x上在主体1的宽度的一部分上延伸。
根据图3所示的另一种可行方案，入口歧管和/或出口歧管21、22、71、72呈穹顶部的形式，并其完全覆盖主体的、在其上布置有所述穹顶部的侧面。
应注意，根据本发明的热交换器可包括穹顶部形式的歧管和头部形式的歧管两者，特别是第一入口歧管21可为穹顶部形式，第一出口歧管22可为头部的形式。
在所示实施例中，第二出口歧管72以及用于第一流体的第一入口歧管21位于热交换器的同一端，因此第一和第二流体在热交换器的通道中逆流循环。优选地，当热交换器运行时，纵向方向是竖直的。用于第一流体的第一入口歧管21位于热交换器的上端，用于第一流体的第一出口歧管22位于热交换器的下端。第一流体总体上/大致竖直向下流动，也就是说与图2中的方向z相反。在不脱离本发明的范围的情况下，流体的其它流动方向当然是可以想到的。
如图4或图5所示，其示出了第一组通道10的纵剖视图，根据本发明，过滤装置31布置在第一组通道的至少一个通道10中。过滤装置31一方面在两个相邻的板2之间延伸，另一方面在界定所述通道10的封闭杆中的两个封闭杆6之间延伸。过滤装置31包括从金属织物、由金属纤维构成的非织造物、烧结的金属粉末或烧结的金属纤维、金属泡沫、或微穿孔板中选择的金属片材30。
术语“金属织物”应理解为指代通过编织金属线获得的制成品，也就是说交织金属线以获得金属编织织物，即金属织物。应当注意，术语“金属织物”还可以涵盖通过焊接金属线获得的制成品，即由在交叉点点焊的相交线形成的焊接织物。
术语“非织造物”或“非织造织物”应理解为指代由纤维形成的制成品，所述纤维布置在片材中并随机或定向取向，并且通过机械、化学或热方法或这些方法的组合(不包括织造)彼此连接。特别地，非织造物可以由通过摩擦、内聚/粘聚或粘合连接的纤维形成。
术语“烧结”表示通过烧结金属纤维或粉末获得的材料，即通过加热粉末或纤维(而不使其熔化)而获得的材料。在热的作用下，颗粒或纤维彼此焊接在一起，使材料内聚/粘聚在一起。
术语“泡沫”表示由金属制成并含有大量孔隙的蜂窝状结构。
微穿孔板表示包含微穿孔的板，微穿孔即微米尺寸的通孔，即小于1毫米的通孔。
金属织物、由金属纤维构成的非织造物、烧结的金属、金属泡沫或微穿孔板的使用使得可形成具有开口或开孔的材料，所述开口或开孔的尺寸可确定成允许流体流动，同时仍阻止待保留在热交换主体中的固体颗粒通过或避免该固体颗粒进入所述主体。由于可以获得小的开口尺寸，这些材料在流体渗透性、过滤效率与过滤器硬度之间提供了良好的折衷。
由于其片状结构，过滤装置易于确定形状，特别是易于通过在压力机中成型或通过弯曲而确定形状，以便能够横向于热交换器通道地放置在热交换器通道内，从而在那里提供颗粒阻挡功能。过滤装置因此可以靠近布置在通道中的热交换或分配结构定位。在催化热交换器的情况下，这使得显著减少所用催化剂的体积成为可能，因为歧管不再需要填充催化剂。
同样可设想在通道内提供无催化剂的分布区，这使得使用半圆柱形歧管成为可能。半圆柱形头部可以比穹顶部更简单地制造，并且可以在更短的时间内以更简单的方式连接到热交换器主体上。使用头部还可以增加热交换器主体的截面，从而减少待在同一个冷箱中实施的热交换器主体的数量。
在其中至少第一流体具有相对较高的压力，即20巴至80巴，特别是25巴至40巴的压力的热交换方法中，使用过滤装置是尤其有利的。这是因为这些压力需要增加用于形成流体歧管的材料的厚度。具体地，为了通过焊接将穹顶部固定到热交换器的主体上，这些穹顶部的金属片材的增加的厚度需要增加热交换器的封闭杆的厚度。因此，这种工业和经济约束限制了热交换器截面的增加。对于穹顶部形式的歧管，这将限制它们的尺寸，并因此限制热交换器主体的尺寸。借助于过滤装置形成的分配区使得有可能以合理的厚度增加热交换器的截面，并因此限制所需的热交换主体的数量。
相对于现有技术的过滤筒，这些过滤器的制造和实施也得到简化。过滤装置可在堆叠所述板时插入通道中，然后对叠层进行钎焊。在过滤器被组装到叠层中之后，该叠层可被竖直布置，以便能通过重力填充催化剂。放置在叠层底部的过滤装置将催化剂保留在通道中。这使得能够在叠层的整个高度上以更均匀的方式填充通道。
本发明还使得能够避免在歧管或主体上焊接过滤器，在主体上的任何焊接操作都存在使叠层中的钎焊元件过热和粘聚的风险。
优选地，本申请中所述的过滤装置位于多个通道10中，或甚至位于所有通道10中。优选地，对于所有的或一部分的所述通道10，至少在出口歧管22所在的一侧设置过滤装置、或者甚至在通道10的每一侧设置过滤装置、在入口歧管21所在的一侧和出口歧管22所在的一侧设置过滤装置。
根据一个实施例，通道10长度的主要部分构成实际热交换区，也就是说，流体进行热交换和/或与催化剂进行反应的区域(如适用)。热交换区优选地在任一侧与分配区邻接，在分配区中，流体从入口歧管或出口歧管输送出或输送到入口歧管或出口歧管。这些分配区和热交换区有利地装配有结构24、25，这些结构24、25沿着通道10的、与板2平行的宽度和长度延伸。分配结构24构造成从入口歧管或至出口歧管地引导流体并确保流体在热交换区的整个宽度上的均匀收集和分配。
分配和热交换结构有利地包括波纹结构或波纹状结构。这些结构可以从通常在钎焊板翅式热交换器中实施的各种类型的波纹中选择，例如直波纹结构、被称为部分偏移波纹结构的波纹结构(“锯齿状”类型)或人字形波纹结构。这些波纹结构可以穿孔或不穿孔。所述结构可形成为一体件或由多个并置的波纹板形成。
根据图4所示的实施例，所述至少一个通道10包括从第一出口歧管22依次地定位的至少一个分配结构24和热交换结构25。应当注意，相同的布置可以在第一进气歧管21所在的一侧提供。过滤装置31布置在分配结构24和热交换结构25之间，优选地布置在于分配结构和热交换结构之间形成的自由空间26中。自由空间26从通道10中没有任何分配或热交换结构的空间延伸。
该实施例特别有利于在催化交换器-反应器中使用，因为其使得能够在热交换区和歧管之间提供无催化剂的分配区，过滤装置将催化剂保留在热交换区中，即保留在其中催化剂用于与第一流体反应的位置处。这进一步减少了热交换器通道中催化剂的用量。这也使得有可能使用头部形式的入口和/或出口歧管，其仅部分覆盖叠层的表面，如图2所示。与使用覆盖整个叠层表面的穹顶部相比，使用头部是有利的，因为它减小了歧管的体积、使其更容易连接到热交换器的主体上、并减少了将歧管焊接到主体上的操作时间。
优选地，过滤装置31与出口开口12间隔一定距离地布置在通道10中，或者，如果所述过滤装置布置在入口歧管21所在的一侧，则过滤装置31与入口开口11间隔一定距离地布置，所述一定距离在10厘米至50厘米的范围内。
优选地，过滤装置31在平行于纵向方向z测量的总宽度上延伸，该总宽度可等于或基本等于，优选小于以相同方式测量的自由空间的宽度。优选地，在过滤装置、分配结构24和热交换结构25之间存在相对小的间隙，或者甚至没有间隙或者实际上没有间隙。特别地，存在平行于纵向方向z测量的第一间隙，该第一间隙对应于过滤装置31与分配结构24之间的距离和/或过滤装置31与热交换结构25分开的距离。优选地，第一间隙在0至3毫米的范围内，特别是在0.5毫米至3毫米的范围内。这避免了颗粒可能绕过过滤装置/避免了颗粒在过滤装置周围的可能通过。此外，小间隙的存在可以补偿过滤装置31的直线性的任何不足。
在图4的实施例中，过滤装置在两个封闭杆6之间延伸，这两个封闭杆平行于纵向方向z延伸并且这两个封闭杆各自均限定通道10的纵向边缘，所述纵向边缘即平行于纵向方向z的边缘。优选地，过滤装置31的平行于横向方向x测量的长度等于或大于通道10的宽度。
有利的是，过滤装置31的长度大于通道10的宽度，使得两个端部32接合在每个封闭杆6中。优选地，这些封闭杆6中的每一者都包括凹部36，该凹部36的形状确定成能容纳过滤装置31的端部32。
根据另一个实施例，其示例如图5所示，根据本发明的热交换器包括过滤装置31，其布置在分配结构24与第一入口歧管21或与第一出口歧管22之间，优选地在入口开口11或出口开口12处布置在通道10中。
过滤装置31布置成用于将歧管的内部容积与通道10的内部容积分隔开。该实施例特别适用于这样的热交换器，即该热交换器的过滤功能是避免颗粒一进入热交换器就被引入。这使得可以使用长度小于通道10宽度的过滤装置，这减小了过滤装置的尺寸并有利于其制造。过滤装置31的长度至少等于在界定通道的歧管布置在其上的横向边缘的封闭杆6之间形成的开口的宽度就已足够。横向边缘从平行于横向方向x的边缘延伸。
图4中的配置特别适用于催化热交换器，其过滤装置布置在出口歧管22的一侧，以便保留催化剂。图5中的配置可适用于任何的阻止固体颗粒引入的热交换器。将会注意到，这些考虑根本不排除仍然可以想到的其他配置。
优选地，过滤装置31布置在两个封闭杆6之间，这两个封闭杆6在横向边缘处界定通道10。根据一种可行方案，过滤装置31包括两个端部32，每个所述端部布置在每个封闭杆6上的相应凹部36中。
从图4或图5中可以看出，所述至少一个通道10包括通向所述第一入口歧管21或第一出口歧管22的入口开口11或出口开口12。通道10和开口11、12各自具有平行于横向方向x测量的宽度。优选地，入口开口11的或出口开口12的宽度小于通道10的宽度，特别地，入口开口11或出口开口12的宽度构成通道10的宽度的10％至70％，优选地20％至50％。这使得显著减小覆盖开口的入口歧管或出口歧管的宽度成为可能。
在本发明的上下文中，凹部36可特别地呈形成在杆6上的盲孔、缺口和/或凹槽的形式。
应注意，在杆6平行于纵向方向z布置的情况下，杆的宽度平行于横向方向x测量。在杆6平行于横向方向x布置的情况下，杆的宽度平行于纵向方向z测量。封闭杆的宽度可在15毫米至40毫米之间。
过滤装置31可通过多种方式固定在通道10中。特别地，过滤装置31可以通过钎焊连接到限定通道10的板2中的一者和/或另一者上，过滤装置布置在通道10中。过滤装置31也可以通过热粘合结合到板2中的一者和/或另一者而被连接。
优选地，钎焊材料布置在金属片材30与界定通道10的至少一个板2之间。金属片材30的熔化温度高于钎焊材料的熔化温度。特别地，钎焊材料可以呈沉积在板2的至少部分表面上的涂层的形式。
特别地，金属片材30全部或部分由铝或铝合金、钢(特别是不锈钢)、镍或镍合金(特别是含50重量％至75重量％镍的因科镍合金)形成。这些材料的优点是具有良好的机械强度和良好的耐久性，并且容易承受低温。这些性质在抵抗流体的动态压力和保持催化剂的负载方面是重要的，特别是当过滤器位于热交换器的下部时。
特别地，全部或部分由铝或铝合金制成的过滤装置可通过钎焊连接，这种材料能够与热交换器的其他元件钎焊在一起，这些其他元件通常由铝或铝合金制成。如果过滤装置全部或部分由不锈钢制成，它将优选热结合到板2上。
过滤装置31的平行于纵向方向z测量的总宽度在2毫米至10毫米的范围内，优选在3毫米至7毫米的范围内。这在承受与作用在通道中的压力相关的张力的需求和过滤装置产生的压力损失之间提供了良好的折衷。在20巴至40巴的流体压力下，3毫米至7毫米的宽度特别合适。
过滤装置31可具有平行于堆叠方向y测量的高度，该高度等于或基本等于封闭杆6的高度和/或等于或基本等于分配结构24的和热交换结构25的高度。过滤装置的高度限定为等于或略大于通道10的高度，使得过滤装置与相邻的板2接触。特别地，过滤装置的高度可以比通道10的高度大0.05毫米至0.2毫米。
过滤装置31可通过多种方式被确定形状，特别是通过在压力机中冲压形成过滤装置的片材30或通过使形成过滤装置的片材30弯曲来确定形状。
图6示意性示出了过滤装置31的可能形状。在不同的实施例中，过滤装置31优选地包括垂直于第一流体的总体/大致流动方向布置的至少一个正面31a。正面31a平行于横向方向x延伸。正是正面31a提供了颗粒过滤屏障功能。所述正面连接到平行于板2布置的至少一个侧面31b。侧面31b用作连接过滤装置31的表面。侧面31b可以通过钎焊或热粘合结合到板2上而被连接。正面31a和侧面31b可以在连接区域中连接，该连接区域可以具有更大或更小的曲率半径，这取决于用于过滤装置的成形技术，特别是通过冲压或弯曲的成形。
在图6中示意性示出的实施例中，过滤装置31包括沿纵向方向z相继布置的两个正面31a并且包括三个侧面31b，其中一个侧面旨在抵靠形成通道10的板2中的一个板布置，并且另外两个侧面旨在抵靠形成通道10的板2中的另一个板布置。
在图6的B中示意性地示出的实施例中，过滤装置31包括一个正面31a和两个侧面31b，每个侧面均旨在平行于相邻的板2布置。侧面31b可以延伸到正面31a的左侧或右侧。过滤装置具有U形的横向轮廓。应当注意，U形轮廓的分支可以沿着流体的流动方向延伸，也可以沿与流体的流动方向相反的方向延伸。应当注意，正面31a可以具有平坦表面，如在A或B中示意性示出的，或者弯曲表面，特别是凹面，如在图6的C中示意性示出的示例。
应当注意，可行的是：至少一个侧面31b不垂直于正面31a，而是与正面31a形成90°至94°的角度，如图6中的D所示。如果难以在所寻求的公差范围内在过滤装置的整个长度上获得恒定的高度，则相对于正面以略大于90°的角度设置的上侧面31b使得可以获得这样的高度，使得独立的上方金属片一旦被放置在顶部上，便会在该装置的整个长度上提供与该装置的接触表面。
如图7所示，过滤装置31可由波纹状产品100的一部分构成，波纹状产品100包括由波峰121连接的至少两个波纹侧翼123，波峰121垂直于所述波纹侧翼123延伸。波纹侧翼123在被称为波纹方向的方向D1上一个接一个地设置，并且以间距p周期性地布置。波纹侧翼123和波峰121具有优选在0.2毫米至0.75毫米范围内的厚度e。
由波纹状产品100形成过滤装置31使得能够结合用于制造热交换器的设备，特别是使得能够使用与用于形成插入通道的分配或热交换结构的冲压工具相同的冲压工具来形成过滤装置。可以在同一个波纹状产品100中切出多个过滤装置。波纹状产品100可以例如属于与用于形成分配结构24和/或热交换结构25的类型相同的类型，特别是具有相同的横向轮廓、相同的波纹侧翼之间的间距、相同高度。优选地，波纹状产品100将是直波纹类型，但是其它波纹形状也是可以想到的。
根据一种可行的方案，过滤装置31包括至少两个正面31a和至少一个侧面31b，每个正面31a由波纹状产品100的波纹侧翼123形成，所述至少一个侧面31b由波纹状产品100的波峰121形成。特别地，过滤装置31可以包括两个正面31a和三个侧面31b，一个侧面由连接波纹侧翼123上端的上波峰121形成，另外两个侧面31b由各自连接到波纹侧翼123下端的两个下波峰121形成。该过滤装置31可以由波纹状产品100的切下部分而形成，如在图7中由虚线示意性示出的，并且使得可以获得在图6中的A型过滤装置。该切下部分可以例如在下波峰121处或者在将下波峰121连接到相邻波纹侧翼123的连接表面处进行切割而获得。
根据另一种可行方案，过滤装置31包括由波纹状产品100的波峰121形成的正面31a和各自均由波纹状产品100的波纹侧翼123形成的两个侧面31b。该过滤装置31可以由波纹状产品100的切下部分形成，如在图7中由虚线示意性示出的，并且使得可以获得在图6中的B型过滤装置。该切下部分可以例如在每个波纹侧翼123处或者在将每个波纹侧翼123连接到相邻的下波峰121的连接表面处进行切割而获得。过滤装置31可以布置在通道10中，其中波纹方向D1垂直于(在B中示出)或平行于(未示出)纵向方向z。
根据一种可行方案(未详细示出)，至少一个凹部36由杆6上的在杆的整个高度上设置的凹部形成，该高度在板2的堆叠方向y上测量。凹部36具有平行于纵向方向z测量的最大宽度lmax，该最大宽度等于或基本等于，优选略大于过滤装置31的总宽度。凹部36通过在最大宽度lmax上和在对应于杆6的高度的高度hmax上去除材料至预定深度而产生，该预定深度在横向方向x上测量。因此，在平行于板2的截面平面中横向轮廓，该横向轮廓从杆6的面向通道10的表面6c到凹部的底部具有相同或实际上相同的形状，特别是正方形或矩形/长方形形状。
根据另一种可行方案，如图8和图9所示，至少一个凹部36包括第一部分36a，该第一部分36a形成在杆6的整个高度上，并且形成在小于孔口/凹部的最大宽度lmax的最小宽度lmin上。平行于纵向方向z测量的最小宽度lmin优选等于或基本等于，优选稍大于形成过滤装置31的片材的厚度。特别地，第一部分36a形成凹槽，该凹槽的形状确定成在过滤装置31的端部32处接纳过滤装置31的正面31a。
此外，凹部36还包括至少一个第二部分36b，第二部分36b在杆6的高度的仅部分高度hmin上形成，并在凹部的最大宽度lmax上延伸。优选地，平行于堆叠方向y测量的高度hmin等于或基本等于，优选稍大于形成过滤装置31的片材的厚度。特别地，第二部分36b适于在过滤装置31的端部32处接纳过滤装置31的侧面31b。该实施例允许过滤装置良好地保持在凹部36中。优选地，凹部36包括两个第二部分36b，这两个第二部分36b分别形成在杆6的表面6a、6b处，并且平行于板2。凹部36因此被形状确定成能接纳具有正面31a和两个侧面31b的过滤装置的端部32。
应当注意，凹部的第一部分36a和第二部分36b在横向方向x上延伸至预定深度地产生。在平行于板2的截面平面中，凹部具有横向轮廓，该横向轮廓取决于它们是在第一部分被观察还是在第二部分被观察而具有不同的尺寸。第一部分和/或第二部分的横向轮廓可以具有正方形或矩形/长方形形状。
应当注意，第一部分36a可在平行于板2的截面平面内垂直于纵向方向z延伸，或相对于纵向方向z形成88°至82°的角度A。角度的存在可使过滤装置31的端部32在插入凹部36时发生轻微变形，从而将其锁定到位。
凹部36的平行于纵向方向z测量的宽度lmax等于或基本等于，优选略小于过滤装置31的宽度。凹部36可以具有平行于横向方向x测量的预定深度，该深度在杆6的宽度的10％至20％的范围内。特别地，凹部36的深度在2毫米至7毫米的范围内，优选地在4毫米至6毫米的范围内，理想地为约5毫米。这些尺寸在杆的易加工性、过滤装置的嵌入和杆宽度的减小之间提供了良好的折衷。优选地，过滤装置的在横向方向x上测量的长度在通道的宽度至通道的宽度加上两倍的凹部深度的范围内。
特别地，考虑到催化剂颗粒的尺寸和形状，凹部36的宽度和深度限定成能确保与催化剂颗粒相关的紧密性，使得催化剂颗粒无法进入过滤装置和杆6之间所形成的存留空隙中。优选地，存在第二间隙，该第二间隙对应于过滤装置31的宽度和凹部的宽度之间的差，其小于0.5毫米，特别是小于0.1毫米。应当注意，在凹部具有多个部分36a、36b的情况下，过滤装置的宽度和凹部的宽度被理解为指代在所讨论的部分处测量的平均宽度。优选地，第二间隙为零。凹部的深度对应于端部32的接合在凹部中的长度，该凹部的深度被限定为能确保过滤装置被充分保持在凹部中。
本发明在于具有钎焊的板翅式热交换器中实施时是特别有利的，因为其实施和连接简单。然而，应当注意，可以使用其他类型的热交换器，例如板式热交换器、壳管式热交换器、或“釜中核心(core in kettle)”型组件，“釜中核心”型组件即为内置于制冷剂流体在其中气化的壳体中的板翅式热交换器或板式热交换器。在热交换器是管式热交换器的情况下，第一和第二通道可以由管中、管周围和管之间的空间形成。
优选地，当金属片材为金属织物或微穿孔板时，其开放表面密度范围为15％至35％，优选为17％至22％。开放表面密度，即织物或板的渗透性，其相应地被定义为开口或穿孔的面积与织物或微穿孔板的总面积之比。这些值的范围在赋予材料良好的机械强度的材料硬度与对流体的渗透性之间提供了良好的折衷，以便最小化压力损失。
在金属织物或微穿孔板以外的金属片材的情况下，这些材料优选具有至少75％、更优选大于90％并且有利地小于或等于98％的孔体积密度，即孔隙率。这些值的范围使得可以保留细小的固体颗粒，同时仍然提供良好的机械强度并为流体提供低的压力损失。应当注意，孔体积密度被定义为材料中间隙的体积与材料总体积之间的比率。应当注意，间隙被理解为开放的孔，也就是说与材料所处的外部环境流体连通。
根据本发明的优选实施例，金属片材30是由金属线301、302形成的金属织物。更具体地，该材料包括交织以形成开放的网眼33的至少一组第一金属线301和至少一组第二金属线302。取决于用于编织线的方法，网眼可以具有正方形、长方形/矩形或三角形形状。第一金属线301和第二金属线302可以但不一定具有相同的特征，即材料、直径等。
图10示意性示出了一种示例性织物，其中第一线和第二线交替地一者在另一者之上地交叉。其他织法也是可行的，例如下面两根和上面两根交替地交叉、下面一根和上面两根交替地交叉，等等。
应当理解，本申请中所列的织物特征也适用于通过焊接来连接这些线的情况。
金属织物的使用允许对过滤器的特征进行精确且可重复的控制，这是由于在编织操作过程中对网眼的几何形状进行了完美控制。网眼的规律性为过滤器提供了一定程度的渗透性，该渗透性在其整个表面上是均匀的；这凭借通过过滤器的流体流的均匀分布而避免了对热交换器性能的不利影响。此外，金属织物使得可以获得由网眼限定的开放表面密度，用于以最佳方式阻挡所讨论的颗粒，并限制通过它们的流体的压力损失。它还提供了良好的平面性，这使得有可能将织物附接在封闭杆之间而没有太大的变形，特别是当织物布置在封闭杆的凹部中时。
优选地，所述线301、302的直径d的范围为0.10毫米至0.30毫米，特别是0.10毫米至0.25毫米，从而可通过线的拉伸强度赋予织物良好的机械强度。进一步优选地，所述线可以具有在0.12毫米至0.18毫米的范围内的直径。
每个网眼33界定在相继的两个第一线301和相继的两个第二线302之间，网眼优选具有0.07毫米至0.15毫米的开口尺寸。网眼的开口尺寸被尺寸确定为保留应被阻挡的较大固体颗粒。
在正方形或长方形/矩形的网眼的情况下，如图10所示，网眼尺寸定义为相继的两个第一线301之间的距离D1和/或相继的两个第二线302之间的距离D2。在三角形网眼(未示出)的情况下，网眼的开口尺寸被定义为插入到网眼中的切球的直径。
优选地，金属片材30的厚度范围为0.2毫米至0.75毫米。该厚度赋予材料足够的机械强度。对于金属织物，厚度由线的直径和所形成的网眼的连接方式决定。
根据一种可行方案，金属片材为烧结的金属粉末或烧结的金属纤维。特别地，可以使用不锈钢或青铜粉末，它们在低于材料熔化温度的温度下通过原子扩散结合。
根据另一种可行方案，金属片材为微穿孔板，其具有优选为圆形的多个孔口，孔口的直径有利地在0.07毫米至0.15毫米的范围内。优选地，板的厚度在0.2毫米至0.5毫米的范围内。优选地，孔口均匀分布在微穿孔板上。
根据另一种可行方案，金属片材是由金属材料形成的泡沫。优选地，金属泡沫具有至少75％、更优选大于90％的孔体积密度，以便允许流体以可控制的压力损失通过。优选地，金属泡沫的孔的尺寸在0.04毫米至0.15毫米的范围内。优选地，孔的尺寸被理解为指代它们的当量直径。术语非球形孔的“当量直径”应理解为指代与所述孔相同体积的球的直径。
如果热交换器为配置成能实施第一流体F1与至少一种催化剂材料之间的催化反应的交换器-反应器，即催化热交换器，则本发明是尤其有利的，第一组通道包含呈颗粒形式的所述至少一种催化剂材料。特别地，热交换器配置成用于冷却或者甚至液化作为第一流体F1的氢气的至少一部分，催化剂材料配置成用于将正氢转化为仲氢，特别地，催化剂材料是包括金属氧化物的催化剂，所述金属氧化物优选为三氧化二铁(Fe2O3)。在操作期间，氢气以气态通过第一入口歧管21被引入，并在第一通道10中流动，以便在那里被在第二通道20中流动的液氮流冷却。气态氢气流的至少一些分子通过催化剂材料从正氢转化为仲氢。氢气以冷状态或者甚至完全或部分液化的状态通过第一出口歧管22被排出。
优选地，催化剂材料包含当量直径范围从最小粒径至最大粒径的颗粒。优选地，最小粒径/直径在0.2毫米至0.4毫米的范围内。优选地，最大粒径/直径在0.5毫米至0.7毫米的范围内。进一步优选地，催化剂材料的颗粒具有范围从0.2毫米至0.7毫米的当量直径。
优选地，金属片材30为金属线构成的织造织物，其网眼的开口尺寸占最小粒径的30％至70％。这些比率被限定成在填充期间或操作期间阻挡因催化剂颗粒磨损产生的非常细小的颗粒或灰尘，同时在压力损失方面仍提供令人满意的折衷。
在本申请中，术语非球形颗粒的“当量直径”应理解为与所述颗粒具有相同体积的球的直径。
本发明还涉及一种用于组装催化热交换器的方法，该方法可通过本发明以更简单和更好控制的方式实施。在所有的或一部分的通道10中，于出口表面12侧布置有过滤装置31。主体1被钎焊以将构成热交换器的元件结合在一起，构成热交换器的元件例如板、杆、热交换结构、分配结构(如果合适的话)。钎焊的叠层被竖直定位，并且出口歧管22在上升的竖直方向z上连接在主体的下方。然后通道10被填充催化剂。位于主体下部的过滤装置31保留催化剂。填充可以借助于托盘(该托盘可以是矩形的)来进行，托盘位于热交换主体1的上方，以便面对待填充的通道的开口。在填充完成后，将托盘移除。第一入口歧管21被连接。
此外，热交换器可包括布置在入口表面11一侧的过滤装置31。过滤装置31在入口表面11的一侧布置在所有的或一部分的通道10中。主体1被钎焊，然后第一入口歧管21被连接到主体1。
应当注意，在本发明的上下文中，优选地，过滤装置在主体1被钎焊之前连接到主体1上。优选地，歧管通过焊接连接到钎焊的主体1。
该组装方法特别适用于具有需要填充催化剂颗粒的通道的热交换器。在装配有过滤装置和出口歧管的热交换主体已经竖直定位之后，将催化剂颗粒填充到通道中，这使得可以在重力作用下填充催化剂，并且更好地控制催化剂在各个通道之间的分配。
应当注意，对于要避免来自上游流体回路的灰尘的侵入的热交换器，可选择在热交换器的出口歧管所在的一侧布置过滤装置。此外，应当注意，也可布置根据本发明的其它过滤装置，以便为第二通道20提供在本申请中描述的一个或多个功能。

Claims (16)

1.一种热交换器，其包括由彼此平行且平行于纵向方向(z)的多个板(2)构成的叠层，所述多个板(2)彼此间隔开地被堆叠，从而在彼此之间限定出第一组通道(10)，该第一组通道用于至少第一流体在平行于所述纵向方向(z)的总体流动方向上的流动，每个所述通道(10)由设置在所述板(2)之间的封闭杆(6)界定，
其特征在于，在所述第一组通道(10)中的至少一个通道(10)中布置有过滤装置(31)，所述过滤装置(31)一方面在限定所述通道(10)的相邻两个板(2)之间延伸，并且另一方面在界定所述通道(10)的所述封闭杆(6)中的两个封闭杆之间延伸，所述过滤装置(31)包括金属片材，所述金属片材选自金属织物、由金属纤维构成的非织造物、烧结的金属粉末或烧结的金属纤维、金属泡沫、或微穿孔板。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器至少包括配置成用于将所述第一流体引入所述第一通道(10)中或用于收集来自所述第一通道(10)的第一流体的第一入口或出口歧管(21，22)、以及从所述第一入口或出口歧管(21，22)起依次布置的分配结构(24)和热交换结构(25)，所述分配结构(24)和所述热交换结构(25)布置在所述至少一个通道(10)中，所述过滤装置(31)布置在所述分配结构(24)和所述热交换结构(25)之间。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器至少包括配置成用于将所述第一流体引入所述第一通道(10)中或用于收集来自所述第一通道(10)的第一流体的第一入口或出口歧管(21，22)、以及从所述第一入口或出口歧管(21，22)起依次布置的分配结构(24)和热交换结构(25)，所述分配结构(24)和所述热交换结构(25)布置在所述至少一个通道(10)中，所述过滤装置(31)布置在所述分配结构(24)和所述第一入口或出口歧管(21，22)之间。
4.根据权利要求2或3所述的热交换器，其特征在于，所述至少一个通道(10)包括通向所述第一入口或出口歧管(21，22)的入口开口或出口开口(11，12)，所述至少一个通道(10)具有平行于横向方向(x)测量的宽度，该横向方向垂直于所述纵向方向(z)并正交于所述板(2)，所述入口开口或出口开口(11，12)的平行于所述横向方向(x)测量的宽度占所述通道(10)的该宽度的10％至70％，优选20％至50％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述过滤装置(31)包括两个端部(32)，每个端部布置在封闭杆(6)上的相应凹部(36)中。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述凹部(36)具有平行于所述纵向方向(z)测量的最大宽度(lmax)，并且包括以对应于所述封闭杆(6)的高度的最大高度(hmax)形成的第一部分(36a)，这些高度平行于堆叠方向(y)测量，所述堆叠方向垂直于所述纵向方向(z)和所述横向方向(x)，所述第一部分(36a)以小于所述最大宽度(lmax)的最小宽度(lmin)形成，所述凹部(36)还包括至少一个第二部分(36b)，所述第二部分以小于所述最大高度(hmax)的最小高度(hmin)形成并且以所述最大宽度(lmax)延伸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述过滤装置(31)包括垂直于所述第一流体的总体流动方向布置的至少一个正面(31a)，所述正面(31a)连接至平行于所述板(2)布置的至少一个侧面(31b)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述过滤装置(31)的平行于所述纵向方向(z)测量的总宽度在2毫米至10毫米的范围内，优选在3毫米至7毫米的范围内。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述金属片材的厚度在0.20毫米至0.75毫米的范围内，优选在0.3毫米至0.5毫米的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述金属片材具有在15％至35％的范围内的开放表面密度或在75％至98％的范围内的孔体积密度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述金属片材为由金属线(301，302)构成的织造织物，所述金属线(301，302)的直径在0.10毫米至0.30毫米的范围内，优选在0.10毫米至0.25毫米的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述金属片材包括彼此交织以形成网眼(33)的至少一组第一金属线(301)和至少一组第二金属线(302)，每个网眼(33)界定在相继的两根第一金属线(301)和相继的两根第二金属线(302)之间，所述网眼(33)的开口尺寸在0.07毫米至0.15毫米的范围内。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述金属片材是具有多个孔口的微穿孔板，在平行于所述板(2)的平面中测量的、所述孔口的尺寸至多在0.07毫米至0.15毫米的范围内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器是交换器-反应器，其配置成能实施所述第一流体(F1)和至少一种催化剂材料之间的催化反应，所述第一组通道(10)中的至少一部分通道包含所述至少一种催化剂材料的颗粒。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其特征在于，所述催化剂材料包括当量直径在最小直径至最大直径范围内的颗粒，所述金属片材为由金属线(301，302)构成的织造织物，所述织造织物的网眼的开口尺寸在所述颗粒的所述最小直径的10％至85％的范围内。
16.根据权利要求14或15所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器配置成用于液化作为第一流体(F1)的氢气，所述催化剂材料配置成用于将正氢转化为仲氢，特别地，所述催化剂材料为三氧化二铁。
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