CN1255194A - 用于在液体和气体之间进行物质传递和/或热交换的结构性组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在液体和气体之间进行物质传递或热交换的结构性组件(1)。该结构性组件包括多个具有彼此平行的波纹(G)的板(2,3)。相邻的板被设置成使其通道方向垂直。每一个板具有一个波纹高度(H),和一个波纹宽度(B)。所述波纹高度(H)与波纹宽度(B)满足公式H/B≥0.75,优选满足公式H/B≥1,更优选满足公式H/B≥2。所述具有波纹的板可以具有三角型或正弦波形波纹形状。所述板上的通道的方向可以设置成相对垂直方向呈大约45°－70°的角。

Description

用于在液体和气体之间进行物质 传递和/或热交换的结构性组件

本发明涉及一种用于在液体和气体之间进行物质传递和/或热交换的结构性组件，其中，所述结构性组件包括多个具有彼此平行的波纹的板，所述板上的波纹形成通道，其中，将具有波纹的相邻的板设置成使其通道方向垂直，而且，其中，每一个板的波纹具有一个波纹高度H和一个波纹宽度B。

这种类型的结构性组件本身通常是已知的。当所述板具有正弦波形波纹时，波纹宽度通常采用接近π的数值，而波纹高度所采用的数值大约为1。在这里，π和数值1的单位通常为cm。对这种类型的结构性组件来说，具有波纹的接合板(又被称为波纹板)彼此之间通常是垂直设置的，以使由波纹板形成的流通通道彼此垂直，在两个相互垂直的交叉通道的开放一侧的部位形成所谓的界面。通过相互垂直的通道沿不同方向流动的气流在所述界面处彼此接触。通过一个组件的压降是气流流过该组件时所遇到的流阻所造成的，所述压降一方面在很大程度上取决于所述气流在与具有波纹的所述板的接触表面处所遇到的流阻，另一方面，取决于由于在所述界面处产生的流动效应而造成的阻力，所述流动效应又被称为界面效应，如紊流。在这种场合下所持的观点是，如果H/B之比过高的话，气相不能很好的混合，或者混合不好。因此，在实验中所使用的波纹高度波纹宽度的比低于0.3-0.5，就是说，H/B≤0.3-0.5。为了保持通过所述结构性组件的压降较小，具有波纹的板(在实践中是垂直设置的)通常被设置成使其通道方向大体上与垂直方向呈30°角，不过，该角在实践中通常不超过45°。这样做的理由是，当所述通道方向相对垂直方向的角度(比较)大时，通过该组件的流阻太大。

本发明的目的是提供一种在前序部分所述类型的改进的结构性组件。

所述目的是根据本发明实现的，其中，波纹高度H与波纹宽度B的比满足公式H/B≥0.75。随着H/B比例的提高，在所谓界面处产生的流阻效应的影响降低，因为在具有较高H/B之比的部位，所述气体与所述界面的平均距离增加。不过，在所述波纹形板和气流之间的接触表面处所经历的流阻的增加，会改变由于所谓界面效应所造成的流阻的降低，因为当H/B之比提高时，所述板和气流之间的每个通道的接触表面变大。不过，另人吃惊的是，业已发现在所述接触表面处的流阻的提高，胜过了由于降低所述界面的尺寸所产生的优点(顺便说一句，这样一来还会附带减少一个组件中的界面的总数)，而且，还不会出现或很少出现其它预料中的缺陷，或者这些缺陷被所获得的优点所抵消。当H/B之比≥0.75时，发现所述惊人的有利效果就已经出现了，当H/B之比≥1时，其本身就能够清楚地证明这一点，而且当H/B之比≥2时特别显著。可以了解的是，根据波纹形状的类型，在实践中还会产生H/B之比的上限，因为如果H/B值过高的话，所述流动表面将产生一个太大的缝隙样形状，同时产生与紊流效应和/或流阻效应相关的缺陷。另外，特别是在非矩形情况下，例如筒型容器，为了适度填充该容器，需要最低数量的板。

特别是对于具有波纹的金属板来说，如果所述板具有三角形、梯形或矩形波纹形状的话，基于成本考虑，根据本发明将是有利的。这是因为这种类型的形状，特别是三角形波纹形状，可以通过折叠由片状金属或合适的塑料板比较容易地制成。不过，从流体技术学角度考虑，根据本发明，实际上通常会优选具有接近正弦波形的波纹的板材，优选纯正弦波形波纹形状。

在涉及前序部分所提到类型的结构性组件时，而且在本发明的结构性组件中，一个重要的参数是所谓的比表面积，其单位是m²/m³。所述比表面积事实上是每立方米组件的所述板的接触面积。在实践中普遍采用的所谓比表面积的值为：大约125m^-1，大约200m^-1，大约250m^-1和大约500m^-1。假设需要、希望或规定某一特定的比表面积，根据本发明，B和H优选构成下列方程的解： $A_p=\frac{4}{B}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}$

该方程可以用数学方法加以解答。根据该方程，对于特定的比表面积来说，B和H之间的关系可以用二维作图的曲线表示。

为了通过所述结构性组件获得最佳的液体流动，根据本发明，如果所述具有波纹的板是大体上垂直设置的将是有利的。

根据本发明的一种优选实施方案，将一个或几个所述的波纹板设置成使其通道方向相对垂直方向形成至少大约45°的角。优选地，将一个或几个所述波纹板设置成使其通道方向相对垂直方向大体上呈55°-65°的角，如相对垂直方向呈大约60°的角。对于由现有的具有波纹的板组成的结构性组件来说，以上通道方向的角度在实际上是无法达到的，因为该组件的流阻将是一个很大的值。不过，根据本发明却惊人地发现，较大的H/B比例，有可能形成高达大约70°的通道方向与垂直方向的角度。通道方向与垂直方向之间较大角度的好处是，通过这种方式可以在通过该结构性组件向上流动的气体与通过该结构性组件向下流动的液体之间更好地进行质量转移。必须指出的是，与现有技术相比，根据本发明，采用相对垂直方向低于45°的通道方向，如相对垂直方向10-45°也可以获得十分有利的效果。采用以上较小的角度，通过本发明组件的压降低于常规组件的压降。

当所述结构性组件以如下方式设置在一个容器中时，为了限制位于从一个通道到另一个通道的过渡部分的、在连接其壁或壁部分的边缘部位的气体的流阻，根据本发明，如果所述具有波纹的板在连接所述壁部分的管道末端具有孔将是有利的，所述设置方式为由所述波纹板形成分布在相对的壁或其壁部分之间的通道，特别是当这些通道相对垂直方向具有较大的角度时。所述孔使得流动的气体容易由沿一个方向分布的通道进入沿另一个垂直的方向分布的通道。特别是对于具有较大截面积的容器来说，或者对于具有较大直径的筒形容器来说，所述边缘部分优选由所述壁延伸10-20cm，这取决于所谓的比表面积。在本文中，较大的筒形容器被理解成直径1m或更大的容器。具体地讲，对于较小的容器来说，所述边缘部分的延伸长度大约占该容器宽度/高度的大约10％-20％，而且对于筒形容器来说，其延伸长度大约占该容器直径的10-20％。按照一种优选实施方案，所述孔的直径至少为2mm，优选最大20mm，或者在非圆形孔的情况下，具有与此相当的流通面积。

下面将结合附图对本发明作更详细地说明。其中：

图1示意性地表示一种三角形波纹形状，其中，较详细地示出了其少数几个参数；

图2表示由四层组成的本发明结构性组件的一部分的透视示意图；

图3表示本发明容器的示意图，局部为剖视图；

图4表示一个具有正弦波形波纹形状的波纹的示意图；

图5是一种实验设置的高度示意性的示意图；

图1示意性地表示一种三角形波纹形状，它具有一个波纹高度H和一个波纹宽度B。可以看出，所述波纹高度H和波纹宽度B可以与图4所示正弦波形波纹形状的波纹的相同的方式设置。

图2以举例形式示出了一种高度示意形式的本发明的结构性组件，举例来说，该组件包括四层具有波纹的板(又被称作波纹板)，每一个板具有一种三角形波纹形状。就具有波纹的板2而言，可以看出，每一个具有波纹的板2形成多个垂直于波纹G的方向分布的通道。因此，所述开口于下侧的通道6或开口于上侧的通道7的通道方向K垂直于波纹G的方向分布。从图2的实施例可以看出，波纹板3与具有波纹的板2相同，所不同的是它们的取向。不过，本领域普通技术人员可以看出，这并非是必须的，只要涉及本发明的实质，即具有波纹2和3的板是相同的，所不同的是其取向，或者层2中的具有波纹的板是彼此相同的。只要涉及本发明的实质，G和K是否彼此垂直也不是很重要的。

从图2还可以看出，当通道7向着其上部开口，而通道6向着其底部开口时，在该部位会形成限定所述通道的垂直的边界表面4。另外，还可以看出，当气体流过相邻板的通道时，在所述界面4部位会产生界面效应，这种效应会在整体上对该组件的流阻产生不利影响。另外，流过该组件的气体在与具有波纹的板接触时会遇到进一步的流阻。

根据本发明，业已发现当波纹高度H与波纹宽度B的比值≥0.75时，可以从整体上改善通过该组件的流阻。特别是当H/B的比≥1和高于1时，很显然可以到达主要优点，如果H/B之比≥2的话，可进一步加强这些优点。

图3所示的实施方案表示本发明的一种容器，该容器具有一个本发明的组件1。

采用这种类型的容器，通过一个位于其顶部的喷雾装置10将液体分配到所述组件上。所述液体在具有波纹的所述板的表面上向下流，以便在所述板的表面上形成液体膜。在所述组件的底部提供气体，所述气体向上流过所述组件，与所述液体(膜)的流向相反。在所述对流期间，在所述液体和气体之间发生了转移。要指出的是，通过所述组件的气体和液体流动，也可选择性地以顺流方式进行或垂直流动。采用本发明的组件，用顺流和垂直方向流动的流体也可以获得优点。

采用这种设置，垂直设置组件1的波纹板，使通道方向K与垂直方向的角度大体上大于50°(不过，也可以采用小于50°的角，并产生本发明的显著优点)。在上部组件1的下面还设置有一个下部组件11。对上部组件1来说，其通道的方向大体上与垂直方向呈60°角。对下部组件11来说，其通道方向与垂直方向大体上呈45°角，所述角度在特定场合下还可以相对垂直方向小于45°，如30°。通过使所述下部组件11的通道方向相对垂直方向的角度较小，可以克服所谓“浸渍”问题。本文中所说的浸渍被理解成保持悬挂在该组件底部的液滴，该液滴容易被向上流动的气体带走。通过使所述组件下部的通道处于更陡的角度，可以克服液滴悬挂现象。要指出的是，为了克服浸渍问题而进行的更陡角度的所述组件的下部通道的设置，还可以独立于较大的H/B比例使用，并且还独立于上部组件1的通道方向的较大角度。不过，如果根据本发明一种有利的可能情形是，使用较大的通道方向相对垂直方向的角度，特别是在大约50°-70°范围内的角度，这样就会加重该组件底部出现的所谓浸渍问题。

图3还说明了被理解为连接所述容器的壁或壁部分的边缘部分的部分。在该图中，所述边缘部分由R表示，而R的大小对于直径为1m和1m以上的容器来说通常大约为10-20cm，而对于较小直径的容器来说，所述R大约占其直径的10-20％。所述波纹板在所谓边缘部位具有孔5，这些孔使得气体容易由位于所述边缘部分的沿一个方向倾斜的通道通向沿另一个方向倾斜的垂直通道，以便降低所述组件的流阻。在所述组件的边缘部分设置这些孔5是有利的，特别是当按照本发明采用较大的通道方向相对垂直方向的角度时尤其如此。

下面将结合图4和5说明由某种比表面积A_p出发测定具有正弦波形形状的波纹板的B和H值。可以用以下参数描述以正弦波形折叠的板： $y=\frac{H}{2}(1-\cos )\mathrm{\α}$ $\mathrm{where\α}=2\mathrm{\π}\frac{X}{B},\mathrm{sothatx}=\frac{\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}B----\left(1\right)$ 所述板的一小部分的长度(参见图4)可以描述如下： $\mathrm{ds}=\sqrt{{\mathrm{dy}}^2+{\mathrm{dx}}^2}----\left(2\right)$ 从公式(1)开始可以将dy和dx写成： $\mathrm{dy}=\frac{H}{2}\sin \mathrm{\αd\αanddx}=\frac{B}{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}---\left(3\right)$ 将公式(3)带入公式(2)，可以得到： $\mathrm{ds}=\frac{B}{2}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}---\left(4\right)$ 公式(4)的积分 $s=\frac{H}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}=2H{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}---\left(5\right)$

然后可以得到所述板的总长度，可将该总长度用于按照下面的公式(6)测定比表面积A_p： $A_p=\frac{2s\·z}{\mathrm{BHz}}=\frac{4}{B}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}---\left(6\right)$

当Ap采用一个值时，可以由公式(6)用数学方法解答其关系，用B作为H的函数，或者相反。图5表示当A_p为250m^-1时B和H之间的关系。该曲线用F表示。在图5中还画出了H＝0.75B的直线。观察所述直线与曲线F的交点可以发现，所述交点位于曲线F上略高于最接近其起点处。在本文中，所述起点被理解成H＝0和B＝0的点。

参见公式(6)和图5还可以看出，可以在图5的基础上通过简单的方法绘制出其它A_p值的相应曲线。例如，通过用2除B和H的所有数值可以简单地得到A_p＝500m^-1的曲线。如果A_p为100m^-1，来自图5的B和H的所有值必须乘以2.5。正如本领域技术人员可以理解的，还可以相应地确定其它A_p值的曲线。

用在图6中高度示意性地示出的试验装置进行多种实验，其中，将本发明的实验组件与现有的组件进行比较。

实验I

在第一种实验中，将编号为21和22的6个组件单元彼此叠放在一个直径为19.2cm的筒形容器中。在该实验中，每一个组件单元21、22包括若干垂直设置的板，这些板具有彼此平行的波纹。如图6中示意性地表示的，具有相邻组件单元的波纹21和22的板彼此垂直定位。在所述组件单元中，每一个板的通道方向在任何情况下与垂直方向的角度均为45°。在该实验中所述波纹的形状大体上为三角形，波纹高度为H，波纹宽度为B，如图1中示意性地表示的。在其它方面，利用了两个试验装置，其特殊的结构特征在下面的表中给出：

                     表I

	装置I	装置II
			H/B	0.49	1.13
以mm为单位的H	大约10.8	大约20.3
			以mm为单位的B	大约22	大约18
每个组件单元的板数	17	9
			以mm为单位的L(组件单元的高度)	195	175
Apm2/m3	250	250

由表I可以看出，每个组件的所谓比表面积被设置为A_p等于250m^-1，将装置I设计成H/B的比例为0.49，而装置II设计成H/B的比例为1.13，因此，可以从图5中的曲线读出H和B的值。依次以1、2、3和5m/s的所谓界面气体流量U_g让空气通过装置I和II。所述空气是通过放置在容器中的组件由底部流向顶部，如图6所示。在该实验中，在每一种情况下测定每一个装置和界面气体流量的通过所述柱的压降。在本文中，界面气体流量U_g(以m/s为单位)被理解成空气相对所述容器的横截面积的平均流量，因此，在这里所述横截面积为289.53cm²。对本实验来说，从环境中吸入的空气其温度为20℃，并处于大气压力下。该实验的测定结果在下面的表II中给出。

                        表II

	装置I	装置II
			以m/s为单位的Ug	以Pa/m为单位的Δp	以Pa/m为单位的Δp
1.0	91	67
			2.0	285	211
3.0	561	416
			5.0	1385	1107

从表II中的实验测定数据可以看出，本发明的组件(在装置II中)的压降通常比在装置I中的压降低大约25％。

实验II

实验II是利用与实验I相同的装置I和II进行的。此时的差别是，在实验II中同样通过在图6所示设置的底部喷水的方式将水膜导入该组件。水W的量在这里用kg/s/m²表示，就是说，每秒钟分布到一个筒形容器的横截面积上(在这里该面积大约为289.5cm²)的水的公斤数。在实验II中，测定每一种设置用三种水W的量获得的每米组件800Pa/m的压降下的表面气体流量U_g。在该实验中所获得的结果表示在表III中。

                      表III

	装置I	装置II
			以kg/s/m2为单位的W	以m/s为单位的Ug	以m/s为单位的Ug
2.78	2.44	2.98
			5.55	2.17	2.76
8.33	1.94	2.60

从表III可以看出，采用装置II，在获得800Pa/m的压降之前可获得多出25％的其它流量。这意味着采用本发明的组件，对于特定压降来说(在该实例中为800Pa/m)可获得大约高出大约25％的通过能力。

Claims (13)

1.用于在液体和气体之间进行物质转移和/或热交换的结构性组件，其中，所述结构性组件包括多个具有彼此平行的波纹的板，由所述板上的波纹形成通道，其中，相邻的板被设置成使其通道方向垂直，其中，每一个板的波纹具有波纹高度H和波纹宽度B，其特征在于波纹高度H与波纹宽度B的比满足公式H/B≥0.75。

2.如权利要求1的结构性组件，其特征在于波纹高度H与波纹宽度B的比满足公式H/B≥1。

3.如权利要求1或权利要求2的结构性组件，其特征在于波纹高度H与波纹宽度B的比满足公式H/B≥2。

4.如权利要求1-3中一项或几项的结构性组件，其特征在于所述具有波纹的板的一个或几个具有三角形波纹形状。

5.如权利要求1-3中一项或几项的结构性组件，其特征在于所述具有波纹的板的一个或几个具有正弦波形波纹形状。

6.如上述权利要求中一项或几项的结构性组件，其中，所述具有波纹的板具有正弦波形的波纹形状，其特征在于对于特定的、理想的比表面积A_p来说，B和H构成下列公式的解： $A_p=\frac{4}{B}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\left(\frac{B}{\mathrm{\πH}}\right)}^2}\mathrm{d\α}$

该公式可以通过数学方法解答。

7.如上述权利要求中一项或几项的结构性组件，其特征在于所述具有波纹的板是大体上垂直设置的。

8.如权利要求7的结构性组件，其特征在于所述具有波纹的板的一个或几个被设置成使其通道方向相对垂直方向呈大约45-70°角。

9.如权利要求7或权利要求8的结构性组件，其特征在于所述具有波纹的板的一个或几个被设置成使其通道方向相对垂直方向呈大约55-65°角，例如，相对垂直方向呈大约60°角。

10.带有上述权利要求之一所述的结构性组件的容器，特别是交换器的容器，其中所述波纹板形成分布在所述容器的相对的壁或壁部分之间的通道，其特征在于所述具有波纹的板在接近所述壁部分的通道末端处设有孔。

11.如权利要求10的容器，其特征在于所述孔形成于一个边缘部分，所述边缘部分连接所述壁或壁部分，并由所述壁向上延伸10-20cm。

12.如权利要求10或权利要求11的容器，其特征在于所述孔形成于一个边缘部分，所述边缘部分连接所述壁或壁部分，其延伸距离大约为该容器直径的10-20％。

13.如权利要求10-12中一项或几项的容器，其特征在于所述孔的直径为至少2mm至优选最大20mm，或具有与此相当的流通表面积。

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