CN1227505C - 热交换器以及包含该热交换器的重沸器－冷凝器 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器，其中的每一热交换块具有与一供应盒的内部空间相通的进液口，所述供应盒横靠于所述热交换块的两边设置，并与一相邻热交换块的至少一个类似供应盒相连通，从而形成一流体供应管路，为了使在热交换块的开口之间的流体分配均匀，所述供应管路包含至少一个具有通孔(301)和实心部分(302)的格栅(30)，所述通孔和实心部分以这样的方式分布以形成压力降，即在所述格栅的进液口的下游侧流体的流速具有相似的值。

Description

热交换器以及包含该热交换器 的重沸器-冷凝器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，尤其是用于一种低温装置的重沸器-冷凝器，例如双空气蒸馏塔的重沸器-冷凝器的热交换器，还涉及一种包括该热交换器的重沸器-冷凝器。
背景技术
图1和图3显示出配备有该热交换器的重沸器-冷凝器，其中：
图1为重沸器-冷凝器的示意性外视图，可以将一个本发明的热交换器设置在该重沸器-冷凝器的内部；
图2为一示意性透视图，显示出一被安装在图1所示重沸器-冷凝器内的热交换器；
图3为一图1所示重沸器-冷凝器的横截面视图。
所述重沸器-冷凝器1预定将以气态到达的第一种流体冷凝，同时使以液态到达的第二种流体汽化，因而，该重沸器-冷凝器1包括一个圆筒形的容器10，以及一个设置在容器10内的如图2所示的热交换器2。
图中所示的重沸器-冷凝器包括一个单独的容器，但是重沸器-冷凝器通常包括几个容器，例如两个平行设置的容器，每个容器配备一个热交换器。
为了将第二种液态的流体输入圆筒形容器10，在其一底部101的中央区域设置一根供应管11；在相对的另一底部的中央区域设置一根图中未示的排放管，用于将容器内第二种流体中的已经与第一种流体进行热交换而仍没有被汽化的那部分流体排放出去。在容器10侧壁的上部设置至少一根排放管12，用于将容器内第二种流体的已经被汽化的那部分气体排放出去。
在容器10的内部，热交换器2浸入槽13中，槽13中包含呈液态的第二种流体的部分，在槽13的上方是一气体顶部空间14，该空间包含有第二种流体中已经与被输送到热交换器的第一种流体进行热交换之后被汽化的那部分气体。
图2所示并在图3中也可见的热交换器2，包括一个由几个热交换块20组成的热交换器本体，将多块板成一直线背靠背地设置而形成所述热交换块20，所述热交换块20将第一种流体冷凝，是通过下面的方式，即，使第一种流体从上向下充分地循环通过热交换块的垂直通道，同时使所述第二种流体从下向上充分地通过那些与第一种流体所经过的通道相邻的通道而将第二种流体汽化。
为实现此目的，所述每一热交换块20具有多块通常是矩形的板200，所述板200彼此被平行间隔设置，利用起散热片作用的波形隔板使所述板200彼此间隔，形成平行立面体形状的堆垛，利用铜焊进行组装。因而，成对设置的板200确定了循环通道，第一种流体和第二种流体在垂直方向上交替地从块的一个端板流动到相对端板。
在所述板之间限定了一个用于第一种流体的矩形通道201(图3)，所述板也被沿四个侧边延伸的板条以等间距地隔开；在水平侧边上的板条202延伸超出其侧边的长度，而在垂直侧边上的板条203延伸并没有到这些侧边的端部，在它们的大约中央位置具有一个裂缝，以便在向上通道的上端和中间形成一个开口204，并在通道的下端形成一个开口205，分别构成第一种流体的入口和出口。
在所述板之间限定了一个用于第二种流体的通道(图中未详细显示)，所述板被仅仅沿它们的垂直侧边延伸、并超出侧边整个长度的板条以等间距地隔开，所以，沿它们上、下水平侧边的整个长度方向，分别形成用于第二种流体的输入开口和输出开口。
为了通过热交换块20内的通道输送第二种流体，延伸穿过通道的波形隔板具有垂直的壁。
热交换块20内用于第一种流体的通道201包括一个主热交换区206、靠近进液口204延伸的进液分配区207以及靠近出液口205的出液收集区208。进液分配区207和出液收集区208采用直角三角形的形式；形成四个进液分配区中的两个分配区的直角三角形分别具有：直角三角形的顶点直角是用于第一流体的矩形通道的上右手角，直角三角形的短边具有上进液口204的高度，直角三角形的长边具有在这些进液口顶部的所述通道的一半宽度；其它两个进液分配区的直角三角形分别具有：直角三角形的短边具有在通道中间位置的进液口204的高度，直角三角形的长边具有在这些进液口顶部的所述通道的一半宽度的约三分之二；形成两个出液收集区的直角三角形分别具有：直角三角形的顶点直角是用于第一流体的矩形通道的下右手角，直角三角形的短边具有出液口205的高度，直角三角形的长边具有在这些出液口底部的所述通道的一半宽度。
为了使第一种流体通过块20内的通道201，延伸穿过进液分配区207和出液收集区208的波形隔板具有水平的母面，而延伸穿过主热交换区206的波形隔板具有垂直的母面。
因此，每个热交换块20具有：四组用于第一种流体的进液口204，在热交换块的两个垂直平面内分别二对二地延伸，并分别在四组进液分配区207内开口；两组用于第一种流体的出液口205，分别在热交换块的同样两个平面内延伸，并分别在两组出液分配区208内开口；一组用于第二种流体的进液口，在热交换块的下水平面内延伸；以及一组用于第二种流体的出液口，在热交换块的上水平面内延伸。
当热交换块20被浸入第二种流体内，第二种流体从供液管11由热交换块的通道的进液口通过并流向通道的出液口时，第一种流体则在与下述的热交换块连接的管网系统中循环流动。
通常，每一组进液口都具有与一各自的供液盒21的内部空间相联通的开口204，而该细长形的供液盒21被附设在热交换块20上，并横靠于热交换块20的表面延伸，在其表面设置所述开口；同样，每一组出液口205都具有与一各自的排液盒22的内部空间相联通的开口，而该排液盒22被附设在热交换块20上，并横靠于热交换块20的表面延伸，在其表面设置所述开口(205)。
供液盒21和排液盒22具有与它们的轴向垂直的圆形扇面的横截面；在此例中，横截面为半圆形，因而所述盒具有半圆柱形的壁并沿半圆柱体的直径平面开口，而所述开口是经由该平面通向盒的内部空间。
两组设置在热交换块同侧和相同平面内的进液口分别通向相同供液盒21的顶部和底部。
相邻热交换块20的类似的供液盒21被相互连通以形成一个流体供应管路，而相邻热交换块20的类似的排液盒22也被相互连通以形成一个流体排出管路，或者通过将各种热交换块的类似的盒形成一体并将相同的热交换器本体制成一整体件(图2)，或者类似的盒被与圆柱形管口一起装配在每一热交换块20的每一侧上，类似的盒具有它们各自的管口，且彼此相对设置，并通过一连接件23连接(图4)。
需要注意的是，热交换器端部的热交换块20的供液盒没有下游管口，而具有一半圆端壁，然而，热交换器的被制成一整体件的供液盒具有一上游管口211以便将它们很容易地连接起来(图2)。
特别是，用于供应气态的第一种流体的两根供应管路的上游管口211被在热交换器的每一侧设置一个，它们各与一弯头进液管24连接，而每一进液管24又分别与一进液歧管25的两侧连接，所述进液歧管25通过容器10的基部101，气态的第一种流体就是通过此歧管被引入的。
相反，用于排出气态的第一种流体的排液管路的两端均被关闭；所述每个盒22的朝向每一热交换块20的侧壁上具有一小孔，通过此孔，所述盒的内部空间就通向了各自的排液管26，而排液管26在一大致垂直的平面内延伸，其一部分向下延伸至所述盒的下面，并被以这样的方式弯成弯头，即延续至热交换块20下面并与之横切再向下倾斜；位于热交换块20每一侧的所有排液管26的下端通向一个热交换块和相同的排液歧管27，所述排液歧管27收集液态的第一种流体，并穿过容器10的基部。每一排液管26也有一部分向上延伸超出所述盒22的平面之上，所有排液管26的上端通向一个排气管28或两个排管管28中的另一个，以排出不可冷凝或未被冷凝的剩余气体，所述排管管28分别在热交换器的每一侧沿热交换器水平延伸；这些剩余气体排气管28被设置在一个以某种方式位于供液盒21与排液盒22之间的水平面上；在热交换器的上游端，它们通向一个剩余气体排出歧管29，该歧管29也穿过容器10的基部101。
在这样的重沸器-冷凝器中，以气态输送到进液歧管25的第一种流体在两个进液管24之间被分配，然后进入供液盒21的管路，该管路沿着热交换块20的管路相互延伸下去；它从那里通过进液口204进入形成于板之间的通道201。然后，第二种流体以液态通过供液管11被输送到容器10，在容器10中设有一个槽13，热交换器盒20就被浸入在该槽13中，第二种流体接收足够的能量用以使该第二种流体的一部分汽化，而第一种流体因释放了一些能量被液化。被液化了的第一种流体通过热交换块基部的出液口205流出热交换块20，进入排液盒22，并接着向下流动通过排液管26进入排液歧管27，经过排液歧管27被排出重沸器-冷凝器。通常，当第一种流体以气态流入重沸器-冷凝器时，它不完全是纯净的，还包含在重沸器-冷凝器的操作温度下不能被冷凝的一部分气体；这些不可冷凝或未被冷凝的剩余气体与液态的第一种流体一起被输送到排液盒22，但是，从排液盒22通过排液管26向上流入剩余气体排气管28，并被未冷凝气体排液歧管29排出重沸器-冷凝器。与此同时，第二种流体中以气态通过热交换块20的通道的那部分，经过所述通道的向上开口流出这些通道，并通过排液管流出容器10，而容器10的此处设有顶板14。
这样的重沸器-冷凝器存在一个问题就是，在各种热交换块的通道201之间普遍地分配气态的第一种流体。
第一种流体流过供液管21时常常发生流动很不均匀的现象，结果甚至形成局部湍流，比如，在通道的从进液管24的与轴向垂直的圆形横截面到所述盒21的与轴向垂直的半圆形横截面形成湍流；然后，考虑通过所述盒的与轴向垂直的横截面，在该横截面的各个彼此邻近的位置的速度可能非常不同。这就导致在各个进液口204之间第一种流体的不均匀分配，因而导致在用于第一种流体的各个通道201之间的不均匀分配，通常在通过邻近管口的开口处具有较低的流动速率。这种不良分配的一个后果是，在各个通道201内，第一种流体转换为气体的数量不均匀，因而重沸器-冷凝器的效率不是最佳的。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述缺点，提供一种改进的热交换器及包括热交换器的重沸器-冷凝器。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种热交换器，包括多个直线排列的热交换块，流体以热交换的关系在其中循环，每一热交换块的至少一个面设置有用于至少一种流体的进液口，在用于这种流体的每一热交换块相同面的进液口与横靠于所述面延伸的相同供液盒的内部空间相连通，该供液盒与一相邻热交换块的至少一个类似的盒相连形成一个流体供应管路，其特征在于：所述流体供应管路包含至少一个格栅，所述格栅横跨所述管路并且具有通孔和实心部分，通孔和实心部分以这样的方式分布，在格栅表面的局部形成压力降，使得在格栅的进液口下游侧并在垂直于供应管线的轴线的横截面中流体流速相同，在进液口内以及在供应管路内的格栅下游和在其附近的上游，流体的分配均匀。
设置格栅的优点是，根据盒中的三条管路而可以选择最佳的安装和最佳的定位，有可能获得通过所述盒的流速的好的分配均匀性，因而，获得在热交换块的各个通道中第一种流体的近似分配均匀性。
本发明的热交换器还进一步具有一个或多个下述特征：
-格栅在其表面上具有非均匀分布的孔；
-格栅在其表面设有通孔，而其表面通孔的度数是大致与没有格栅的情况下某一局部的流速值向相反方向而变化的。
-格栅表面通孔的度数基本上是与在没有格栅的情况下相同位置的流速值成反比的；
-格栅具有几个并列的区域，每一区域在其表面具有相同的孔度数，一个区域与相邻区域的孔度数各不相同；
-格栅具有至少一个包括一凹槽或一切口的区域；
-格栅具有至少一个没有穿孔的连续区域，它是格栅的一实心部分；
-格栅分布于管路的横截面；
-格栅分布于管路的与轴向垂直的横截面上；
-格栅被以一个角度布置于供应管路内；
-格栅分布于管路横截面的整个区域；
-格栅被布置于比管路横截面小的一个区域；
-热交换器包括一供应管路，该供应管路具有一与其轴向垂直的圆形横截面的管口，该管口与横截面为半圆形的供液盒相连接，所述格栅被设置在邻近管口的供液盒内。
-供应管路包括多个格栅；
-热交换器包括两个供应管路，每一管路包含至少一个格栅；以及
-在所述流体管路内循环的所述流体是气态的。
为实现本发明的目的，本发明还提供了包括本发明的热交换器的重沸器-冷凝器，尤其是一种包括该热交换器的空气分离装置的重沸器-冷凝器。
本发明的其他特征及优点将通过结合附图4和5对本发明的一个实施例的描述而得到进一步说明，但不局限于该实施例：
附图说明
图4为一外观透视图，显示了一个在装在图1所示重沸器-冷凝器内的热交换器的另一实施例的部分结构；
图5为一正视图，显示了根据本发明的一种均衡格栅的一实施例，可被装配在如图2和4所示的热交换器的液体供应管路上。
具体实施方式
因为根据本发明的重沸器-冷凝器和热交换器就是上文所述的那种结构，除了先前描述的那些重沸器-冷凝器和热交换器没有均衡格栅之外，与之相同的结构将不再详细介绍。
具体地说，这种重沸器-冷凝器配备了低温空气蒸馏装置，所述重沸器-冷凝器与一个双分裂蒸馏塔相联合并与所述双分裂蒸馏塔相连接，所述双分裂蒸馏塔包括一个叠置在中压塔上的低压塔，通过与低压塔底部的液态氧气交换热量，将从中压塔顶部排出的气态氮气液化，并在重沸器-冷凝器中被汽化。
参考上文所述的重沸器-冷凝器，氮气作为第一种流体，它以气态形式通过进气歧管25被引入热交换器，然后以液态形式通过排液歧管27被排出；氧气作为第二种流体，以液态形式通过供应管11被引入容器10，部分氧以液态形式从排放管中被排出(未被描述)，另一部分氧以气态形式被排放到一个或多个排放管12。
在重沸器-冷凝器的操作温度下不能被冷凝的极少量气体，几乎不可避免地与进入热交换器的气态氮混合；这些气体以气态形式通过未被冷凝气体排放歧管29被排放。
为了使供应管内的第一种流体均匀流动，此时的第一种流体是气态氮，包括：使供应盒12的连续性达到足够的程度，以使在格栅的进液口下游的流速具有相似的值，因而，使在进液口之间的流体分配均匀，该管路包括一个或多个直线的或曲线的格栅30，所述格栅被横跨在经过管路的流体路径上，即在适合该管路中的流线型的最佳位置。
通常，该格栅或这些格栅30具有通孔301和实心部分302，这样设置以便在格栅的表面部位产生压力降，所述压力降是指，在属于一个和相同横截面的相邻区域内，流体流速具有相似的值，所述横截面是在格栅的下游并与供液管路的轴向垂直的横截面，而且，在由该管路供应的所有热交换块20的进液口204内，流体的分配近似均匀。
例如，一个这样的格栅30，在其表面上通孔和实心部分大致上均匀分布，所以设置格栅使得在整个流体的流动路径上引起显著的均匀的压力降。
然而，为了获得好的效率，通常希望管路中的压力降尽可能地低，这对于设定格栅30表面的孔的度数通常是有利的，这是因为，对于格栅的一给定区域，被通孔301所占据的面积与所述区域的总面积的比值在整个区域是变化的，或者，从一个区域到另一个区域，是以与没有格栅时在供应管内的相同部位的流速值成相反方向变化的。
例如，从格栅表面的一个区域到另一区域，其通孔度数不同，基本上与没有格栅时在相同部位的流速成反比。
通常，在圆柱形管口211附近，在供应管路的半圆柱形上游区域设置一单个格栅30(图2和4)，足以恢复想要的均匀性，该格栅30与所述半圆柱形区域的过渡在很大程度上是显然不均匀的。假如，没有设置格栅，在紧接管口下游的盒内存在一湍流区，则有利的做法是通常将格栅设置在该湍流区。
尽管如此，有时则需要将格栅设置在管路的更下游处，或者需要安装几个相同的或不相同的格栅，比如在每一个盒内邻近进液口设置一个格栅。
要将图5所示的半圆形格栅30安装在管路的与纵轴垂直的半圆柱形部分，比如，它的四个区域各具有不同的通孔度数，即，一个具有一个单位度数的通孔30A(切口)的区域，它邻近热交换块20表面的上部，所述盒就靠着该热交换块20装配，一个具有相对较高度数的通孔的区域30B，也邻近格栅下部的所述表面，一个具有较低度数的通孔的区域30C，它在具有较高度数通孔的区域的旁边，就是说与热交换块的所述表面相对，以及，一个具有中等度数的通孔的区域30D，它在具有较低度数通孔的区域的上方；此例中，通孔301是圆形的，通孔度数随着孔的直径而提高，但是，这些通孔可以具有合适的形状，尤其是一种正多边形的形状，假如这些通孔的数量很少，则通过使用大尺寸的孔就可能得到一个具有低度数通孔的区域，相反，正如所看到的那样，通过在格栅上生成一个凹槽或一个切口，就有可能得到一个具有最大度数通孔的区域(就是说一个孔等于1)，其凹槽或切口的面积就是该区域的面积，或者通过在管路上安装一个格栅，其面积小于管路的横截面；也可能得到一个具有零度的通孔的区域，也就是没有孔的连续区域，即格栅的实心部分。
也有可能不是在管路的与轴向垂直的横截面上而是在与轴向成某一角度的截面上设置该格栅，使它作为一个折流板，比如，对准盒的圆柱形表面的方向的下游；假如盒是(正如通常是)半圆柱形，而且假如格栅占据了盒的一倾斜段的整个面积，则格栅具有一半椭圆的外部形状。
附图所示的情形是，热交换器具有两个供应管路，用于将流体输送到热交换块20的相对表面的开口204，人们也希望格栅30不是被对称地设置在两个管路内，尤其是假如管路中的流体分配是非对称的情形。

Claims (18)

1.一种热交换器(2)，包括多个直线排列的热交换块(20)，流体以热交换的关系在其中循环，每一热交换块的至少一个面设置有用于至少一种流体的进液口(204)，在用于这种流体的每一热交换块相同面的进液口与横靠于所述面延伸的相同供液盒(21)的内部空间相连通，该供液盒(21)与一相邻热交换块的至少一个类似的盒相连形成一个流体供应管路，其特征在于：所述流体供应管路包含至少一个格栅(30)，所述格栅横跨所述管路并且具有通孔(301)和实心部分(302)，通孔和实心部分以这样的方式分布，在格栅表面的局部形成压力降，使得在格栅(30)的进液口下游侧并在垂直于供应管线的轴线的横截面中流体流速相同，在进液口(204)内以及在供应管路内的格栅下游和在其附近的上游，流体的分配均匀。
2.根据权利要求1所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)在其表面上孔的分布是非均匀的。
3.根据权利要求2所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)在其表面上所设置通孔的度数，是以与不设格栅时在相同位置的流速值成相反趋势的规律变化的。
4.根据权利要求3所述热交换器，其特征在于：在所述格栅(30)的表面上所设置通孔的度数是以与不设格栅时相同位置的流速成反比的规律变化的。
5.根据权利要求2～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)具有几个并列设置的区域，每个区域在其表面具有同一通孔度数，而一个区域与相邻区域的通孔度数又各不相同。
6.根据权利要求2～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)具有至少一个由一凹槽或一切口组成的区域。
7.根据权利要求2～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)具有至少一个没有通孔的连续区域，即它的实心部分。
8.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)设置于所述管路的横截面上。
9.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)设置于所述管路的横截面上，与其轴向垂直。
10.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)被以一角度设置在所述供应管路内。
11.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)遍布所述管路横截面的整个区域。
12.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述格栅(30)占据一个比所述管路横截面小的区域。
13.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：包括一具有一管口(211)的供应管路，所述管口具有与其轴向垂直的圆形横截面，并被与具有半圆形横截面的供液盒(21)相连接，所述格栅(30)被设置在邻近所述管口的一供液盒内。
14.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：所述供应管路包括多个格栅(30)。
15.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：包括两个供应管路，每一供应管路包含至少一个格栅(30)。
16.根据权利要求1～4中任一项所述热交换器，其特征在于：在流体供应管路内循环的所述流体是气态的。
17.重沸器-冷凝器，其特征在于：其包括一个如权利要求1至4中任一项所述的热交换器。
18.一种空气分离装置的重沸器-冷凝器，其特征在于：其包括至少一个如权利要求1至4中任一项所述的热交换器。
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