JP7309739B2 - 改善された液体/気体混合装置を備える熱交換器 - Google Patents

改善された液体/気体混合装置を備える熱交換器 Download PDF

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Description

本発明は、熱交換関係に置かれる各流体用の一連の通路を備える熱交換器に関し、熱交換器は、少なくとも1種類の二相の液体/気体混合物を一連の通路の1つに分配するための少なくとも1つの混合装置を含む。
特に、本発明は、液体-気体混合物の少なくとも1種の流れ、特に多成分混合物、例えば炭化水素の混合物の流れを、少なくとも1つの他の流体、例えば天然ガスとの熱交換を介して蒸発させる熱交換器に適用することができる。
交換器に一般的に使用される技術は、アルミニウム製のろう付けされたプレート及びフィンの交換器の技術であり、これにより非常にコンパクトで熱交換表面積が大きい装置を得ることが可能になる。
これらの熱交換器は、一連のフィン又は波形の脚で形成された熱交換波形部品が間に挿入され、かくして蒸発通路及び凝縮通路のスタックを構成するプレートを備え、前者は冷媒液体を蒸発させることを目的とし、後者は熱産生ガスを凝縮することを目的としている。流体間の熱の交換は相変化を伴って又は伴わずに起こり得る。
液体-気体混合物を使用する交換器の正しい動作を保証するために、液相と気相の比率は全ての通路で同じでなければならず、同一通路内で均一でなければならない。
交換器の寸法は、相の均一な分布を仮定して、したがって、混合物の露点温度に等しい、液相の蒸発の終わりの単一温度を仮定して計算される。
多成分混合物の場合、蒸発の終わりの温度は、通路内の液相と気相の比率に依存する。
2つの相の不均等な分布の場合、第1の流体の温度プロファイルは、通路ごとに変化するか、又は同一通路内でさえ変化する。この不均一な分布により、二相混合物と熱交換関係にある流体は、意図されるよりも高い交換器出口温度を有し得、その結果、熱交換器の性能が低下する可能性がある。
混合物の液相及び気相をできるだけ均等に分布させる1つの解決策は、それらを別々に熱交換器に導入し、次にそれらが熱交換器内に入った時点でのみそれらを混合することである。
文献FR-A-2563620号は、二相混合物を流すことを意図した一連の通路に溝付きバーが挿入されているそのような交換器を記載している。この混合装置は、液相用及び気相用の別々のチャネルと、液体-ガス混合物を熱交換ゾーンに分配するための出口とを備えている。
このタイプの混合装置で発生する問題は、混合装置を組み込んだ通路の幅における液体-気体混合物の分配に関係する。2つの相を混合するために、混合装置は一般に、1つの相の流れのための第1のチャネルを備える。このチャネルは、チャネルに沿って配置された一連のオリフィスを備え、各オリフィスは、他の相の流れのために第2のチャネルと流体連通している。第1のチャネルへの入口に流体が供給されると、流体がチャネルに沿って流れるにつれて、流体の流量は減少する傾向がある。これは、オリフィスが供給されるので流体の流れが減少するためである。
ここでオリフィスは一般に、流体の流れの方向に対して垂直に機械加工され、したがって、流体の速度が高い場合、十分に供給されない。したがって、チャネルの入口の側に配置されたオリフィスは供給不足になる傾向があり、チャネルの底部に配置されたオリフィスは供給過剰になる。これにより、それぞれの相が他の相のチャネルに不均一に導入され、かくして熱交換器の通路の幅に液体-気体混合物が不均一に分配される。
この現象を最小限に抑えるための1つの解決策は、該当するチャネルに、チャネルの2つの反対側の入口を介して供給することである。しかしながら、これは交換器を複雑にし、不均一な分配の問題は少なくともチャネルの中央部に残っている。
チャネルの数を増やすことは、装置の機械的強度及びろう付けの観点から、同じく理想的な解決策ではない。
別の既知の解決策は、チャネルに沿って異なる直径を有する円筒形のオリフィスを配置することである。しかしながら、この解決策は特定のプロセスでは不十分であることを証明する可能性がある。
本発明の目的は、特に混合物の液相及び気相の分配が可能な限り均一である熱交換器を提案することにより、前述の問題を完全に又は部分的に解決すること、及び、交換器の構造の複雑さを過度に増すことも、そのサイズを増大することもなくそれを実行することである。
したがって本発明による解決策は、少なくとも1種の他の流体と熱交換関係に置かれる少なくとも1種の流体を流すためのいくつかの通路を画定するように、互いに及び縦方向に平行に配置されたいくつかのプレートと、少なくとも1つの通路に配置され、
- 縦方向に平行な流体の第1の相の流れのための少なくとも1つの第1のチャネル、
- 流体の第2の相の流れのための少なくとも1つの第2のチャネル、及び
- 第1のチャネルを第2のチャネルに流体的に接続する複数のオリフィスであって、縦方向に連続した位置を占める、複数のオリフィス、
を備える混合装置とを備える熱交換器であって、
縦方向に平行に測定された連続する位置間の距離が可変であることを特徴とする、熱交換器である。
場合によっては、本発明の交換器は、以下の技術的特徴のうちの1つ又は複数を含み得る:
- 連続する位置間の距離が、縦方向において単調又はほぼ単調に変化する。
- 混合装置が、縦方向において、2つの連続する位置間の距離の増大を示す。
- 混合装置が、縦方向において、2つの連続する位置間の距離の減少を示す。
- 混合装置が、縦方向において、少なくとも第1の部分と第2の部分とに分割され、第1の部分は、縦方向において、2つの連続する位置間の距離の増大を示し、第2の部分は、縦方向において、2つの連続する位置間の距離の減少を示す。
- 混合装置が、第1の相及び第2の相を、それぞれ少なくとも1つの第1のチャネル及び少なくとも1つの第2のチャネルに別々に導入するように構成され、第1のチャネルは、前記第1のチャネルに第1の流体の第1の相を供給するように設計された第1の入口と、前記少なくとも1つの第2のチャネルに第1の流体の第2の相を供給するように設計された、第1の入口とは別個の第2の入口とを備える。
- 第1のチャネル及び/又は第2のチャネルの形状が直線的である。
- 混合装置が、前記少なくとも1つの第1のチャネルに流体の第1の相を供給するように設計された第1の入口と追加の第1の入口とを備え、第1の部分は第1の入口の側に位置し、第2の部分は追加の第1の入口の側に位置する。
- 混合装置が、いくつかの第1のチャネルといくつかの第2のチャネルとを備え、各第1のチャネルは、前記第1のチャネルを所与の第2のチャネルに流体的に接続する少なくとも1つのオリフィスを備える。
- 混合装置が、縦方向に直交する横方向において互いに連続するいくつかの第1のチャネルを備える。
- 第2のチャネルが、縦方向に直交する横方向に延びる。
さらに、本発明は、本発明による交換器において二相の液体/気体混合物を分配する方法に関し、前記方法は、以下のステップを含む:
i)交換器の少なくとも1つの通路に混合装置を配置するステップ、
ii)混合装置の前記第1のチャネルに第1の流体の第1の相を供給するステップ、
iii)混合装置の前記第2のチャネルに、第1の相(61)とは異なる第1の流体(F1)の第2の相(62)を供給するステップ、
iv)第1の相と第2の相との間の混合が混合装置内で起こるように、オリフィスを介して第1のチャネルと第2のチャネルとの間の流体連通を確立するステップ、及び
混合装置の出口で、第1の相と第2の相の混合物を分配するステップ。
別の態様によれば、本発明は、本発明による交換器内に配置された混合装置のオリフィスの位置を調整するための方法に関し、前記方法は以下のステップを含む:
a)オリフィスの連続した位置が所定の距離だけ離されるようにオリフィスを位置づけるステップ、
b)第1のチャネルに流体の第1の相を供給して、流体の第1の相が縦方向に流れるようにするステップ、
c)各オリフィスを流れる第1の相の質量流量を決定するステップ、
d)各オリフィスについて、所定の距離の平均に補正係数を掛けた値に等しい修正距離だけオリフィスから分離されるように次のオリフィスを再位置決めするステップであって、前記補正係数はオリフィスを流れる質量流量に基づいて決定されるステップ。
- 補正係数は、オリフィスを流れる質量流量と全てのオリフィスの平均質量流量との間の比の関数である。
- 前記関数は、オリフィスを流れる質量流量と全てのオリフィスの平均質量流量との間の比の多項式関数であり、好ましくは前記比のアフィン関数である。
- この方法は、ステップd)で修正された距離を所定の距離として定義するステップe)をさらに含み、ステップc)~d)は、少なくとも1回、好ましくは1~5回、さらに好ましくは最大2回繰り返される。
- 混合装置はいくつかの第1のチャネルを備え、方法は、ステップa)の前に、同一の第1のチャネルに配置されたオリフィスのサブセットを選択する少なくとも1つのステップを含み、ステップa)~e)は前記サブセットに適用される。
本発明は、少なくとも1種の他の流体、例えば天然ガスとの熱交換を介して、液体-気体混合物の少なくとも1種の流れ、特に多成分混合物、例えば炭化水素の混合物の流れを蒸発させる熱交換器に適用され得る。
「天然ガス」という表現は、少なくともメタンを含む、炭化水素を含む任意の組成物を指す。これには、「粗」組成物(任意の処理又は洗浄前)、並びに、限定されないが、硫黄、二酸化炭素、水、水銀、及び特定の重及び芳香族炭化水素を含む1つ又は複数の化合物の低減及び/又は排除のために部分的、実質的又は完全に処理された任意の組成物が含まれる。
本発明は、非限定的な例としてのみ与えられ、添付の図面を参照して作成された以下の記載によって、より深く理解されるであろう。
本発明の一実施形態による、二相液体-気体混合物が供給された交換器の通路の一部の、熱交換器のプレートに平行な断面における概略図である。 図1の混合装置の、図1の平面に垂直な平面の概略断面図である。 本発明の様々な実施形態による混合装置を示す三次元概略図である。 本発明による混合装置及び本発明外の混合装置を用いて実行されたシミュレーションの結果を示す。
図1は、縦方向z及び横方向yによって定義される平面に平行な2次元内に広がるプレート2(図示せず)のスタックを備える熱交換器1を示す。プレート2は、間隔を置いて互いに平行に上下に配置され、したがって、前記プレートを介して間接的な熱交換関係にある流体のための複数の通路を形成する。
好ましくは、各通路は平らな平行六面体の形状を有する。2つの連続するプレート間の分離は、各通路の横方向yで測定された長さ及び縦方向zで測定された幅と比較して小さい。
交換器1は、20を超える、又は100を超える多数のプレートを備えることができ、それらの間に少なくとも1種の第1の流体F1を流すための第1の一連の通路10と、少なくとも1種の第2の流体F2を流すための第2の一連の通路20(図1では見えない)とを画定し、前記流体の流れは総じてy方向にある。第1の一連の通路10は、全体的又は部分的に、第2の一連の通路20の全部又は一部と交互に、又は隣接して配置することができる。
それ自体既知の方法で、交換器1は、様々な流体を通路10、20に選択的に分配し、前記流体を前記通路10、20から排出するように構成された分配及び排出手段40、52、45、54、55を備える。
プレート2の縁に沿った通路10、20の密閉は、プレート2に取り付けられた横方向及び縦方向の密閉ストリップ4によって概してもたらされる。横方向密閉ストリップ4は、通路10、20を完全には塞がず、通路の対角に位置する流体の入口及び出口開口部を有利に残す。
第1の一連の通路10の開口部は、上下に一致して配置され、一方、第2の一連の通路20の開口部は、対角に配置される。上下に配置された開口部は、それぞれ、流体の分配及び排出が行われる半管状のマニホルド40、45、50、55で一体化される。
図1の表現では、半管状マニホルド50、45は、流体を交換器1に導入するために使用され、半管状マニホルド40、55は、これらの流体を交換器1から排出するために使用される。
この変形実施形態では、一方の流体を供給するマニホルド及び他方の流体を排出するマニホルドは、交換器の同一端部に位置し、したがって流体F1、F2は向流的に交換器1内を流れる。
別の変形実施形態によれば、第1及び第2の流体は並流的に等しく循環することもでき、一方の流体を供給するための手段及び他方の流体を排出するための手段は、交換器1の反対側の端部に位置する。
好ましくは、交換器1が作動しているとき、方向yは垂直に向けられる。第1の流体F1は、ほぼ垂直に、その方向の上向きに流れる。本発明の範囲から逸脱することなく、流体F1、F2の流れの他の方向及び向きが可能であることは言うまでもない。
本発明の文脈において、異なる特性の1つ又は複数の第1の流体F1及び1つ又は複数の第2の流体F2が、同一交換器の第1及び第2の一連の通路10、20内を流れ得ることに留意されたい。
好ましくは、第1の流体F1は冷媒流体であり、第2の流体F2は熱産生流体である。
交換器の分配及び排出手段は、入口及び出口開口部から延びる、波形シートの形態の2つの連続するプレート2の間に配置された分配波形部品51、54を有利に備える。分配波形部品51、54は、通路10、20の全幅にわたって流体の均一な分配及び回収を保証する。
さらに、通路10、20は、プレート2の間に配置された熱交換構造を有利に備える。これらの構造の目的は、交換器の熱交換表面を増加させること、及び、流れをより乱流にすることによって流体間の交換係数を高めることである。具体的に、熱交換構造は、通路を循環する流体と接触し、熱流束を伝導によって隣接プレート2に伝達する。熱交換構造は隣接プレート2にろう付けによって取り付けることができ、それにより交換器の機械的強度が向上する。
熱交換構造はまた、特に交換器がろう付けによって組み立てられている間、及び圧力下にある流体の使用中にプレートの変形を防ぐために、プレート2の間のスペーサとして機能する。それらはまた、交換器の通路における流体の流れの案内を提供する。
好ましくは、これらの構造は、通路10、20の長さに沿った分配波形部品の延長において、プレート2に平行な通路10、20の幅及び長さを横切って有利に延びる熱交換波形部品11を備える。したがって、交換器の通路10、20は、熱交換構造でカバーされた本来の熱交換部を構成するそれらの長さの主要部を示し、前記主要部は、分配波形部品51、54でカバーされた分配部によって境界を定められている。
図1は、二相性混合物とも呼ばれる二相混合物の形態の第1の流体F1を分配するように構成された第1の一連1の通路10を示す。第1の流体F1は、別個の第1のマニホルド30及び第2のマニホルド50を介して熱交換器1に別々に導入される第1の相61及び第2の相62に分離装置6で分離される。次に、第1及び第2の相61、62は通路10に配置された混合装置3によって混合される。有利には、第1の一連のいくつかの通路10、又は全ての通路10でさえ、混合装置3を備える。図1に示す例では、第1の相61は液体であり、第2の相62は気体である。
図2は、通路10内に収容された、有利にはバー又はロッドを備える混合装置3の、図1の平面に垂直な平面における概略断面図である。
混合装置3は、好ましくは、通路10の高さのほぼ全て、又は全てにわたって通路10の断面に延在し、その結果、混合装置は、通路10を形成する各プレート2と接触する。
混合装置3は、有利には、ろう付けによってプレート2に固定される。
混合装置3は、有利には、概ね平行六面体の形状である。
好ましくは、混合装置3はモノリシックな構成要素である、すなわち、1つのブロックとして又は単一部品として形成される。混合装置3は、横方向yに平行に、20~200mmの間の第1の寸法と、縦方向zに平行に、100~1400mmの間の第2の寸法とを有し得る。
好ましくは、第1のチャネル31は、第2の寸法全体にわたって延び、及び/又は第2のチャネルは、第1の寸法全体にわたって延びる。
混合装置3は、縦方向zに平行な第1の相61の流れのための少なくとも第1のチャネル31と、第2の相62の流れのための少なくとも第2のチャネル32とを備える。前記第1のチャネル31は縦方向zに平行に延びる。好ましくは、第1のチャネル31及び/又は第2のチャネルは、直線形状である。好ましくは、第2のチャネル32は、縦方向zに直交しプレート2に平行な横方向yに平行に延びる。
複数のオリフィス34、34i+1、…が、少なくとも第1のチャネル31を、第2の相62の流れのために設計された少なくとも第2のチャネル32と流体的に接続するように、混合装置3上に分配される。混合装置3は、第1の相61が第1のチャネル31に沿って流れ、第2の相62が第2のチャネル32に沿って流れるとき、二相液体/気体混合物F1が出口で混合装置3から分配されるように構成される。
好ましくは、混合装置3は、第1のマニホルド30と流体連通する少なくとも1つの第1の入口311と、第2のマニホルド50と流体連通する第1の入口311とは別個の第2の入口321とを備える。第1のマニホルド30は、第1の相61の供給源に流体接続され、第2のマニホルド50は、第2の相62の別の供給源に流体接続される。前記少なくとも1つの第1の入口311及び前記少なくとも1つの第2の入口321は、オリフィス34、34i+1、…を介して流体連通した状態に置かれる。
好ましくは、混合装置3は、オリフィス34を通る第1の相61の流れの方向に従った場合、オリフィス34の下流の第2のチャネル32に配置された混合容積を備える。二相液体/気体混合物は、第2のチャネル32の第2の出口322を通して分配される。
第1及び第2のチャネル31、32は、有利には、混合装置3に形成された縦方向の凹部の形態をとる。
オリフィス34は、有利には、装置3の材料内に作製され、第1のチャネル31と第2のチャネル32との間で、好ましくは垂直方向xに延びるボア34である。好ましくは、オリフィス34は円筒対称である。
好ましくは、前記少なくとも1つの第1のチャネル31は底壁3cを備え、前記少なくとも1つの第2のチャネルは底壁3cに面する上壁3dを備え、オリフィス34は第1のチャネル31の壁底に穿孔され、第2のチャネル32の上壁に開口する。
図3は、図2の混合装置3の三次元図であり、図2は、縦方向zに直交し、オリフィス34を通る断面の平面で装置3を概略的に示す。
図3に見られるように、オリフィス34、34i+1、…は、縦方向zにおいて、連続的な位置z、zi+1、…を占める。各オリフィス34は、縦方向zに平行に測定されたdで示される距離だけ、後続のオリフィス34i+1から分離されている。
従来技術による装置では、オリフィスは、互いに等しい距離に配置された連続的な位置z、zi+1、…を占める。ここで第1の相61は、縦方向zの長さに沿って異なる速度で第1のチャネル31に沿って流れ、各オリフィスを流れる第1の相61の流れは、考慮されるオリフィスの位置zにおいて第1の相61の流れの速さに従って変化する。
この問題を解決するために、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離が可変である混合装置3が提案されている。換言すると、連続する位置z、zi+1、…の間の距離は全て同じではない。連続するオリフィスの少なくとも1つの対は、連続するオリフィスの別の対のそれと異なる2つの連続する位置間の距離を示す。
オリフィス間の距離を縦方向zにおいて変化させることにより、混合装置3の幅を横切るオリフィス34の分配を適合させることによって、縦方向zの単位長さあたり、つまり、交換器の通路幅の単位あたりの流量の不均一性を補償することができる。「単位長さあたりの流量」は、通常、あるオリフィスによって分配された流れを、このオリフィスと次のオリフィスとの間の距離で割ったものを意味する。例えば、第1の相61の流体の流れで過給される傾向があるオリフィス間により長い距離を残すことができ、これは、オリフィスによって分配される単位幅あたりの流量を局所的に低減する効果を有する。実際、その目的は、オリフィス34又は第1のチャネル31の構成を調整することにより、オリフィス34、34i+1、…のそれぞれを通過する流体の流れを均質化することではなく、縦方向zの単位長さあたりの第1の相61の流量を均質化するように、流体がオリフィス34によって分配される地点の分配を適合させることである。
したがって、この結果、液体-気体混合物のより均一な分布が通路10の幅にわたってもたらされる。この解決策は、実装が簡単で、交換器のサイズを変更せず、その構造を複雑にしないという利点を提供する。
一実施形態によれば、連続する位置z、zi+1、…の間の距離は、縦方向zにおいて単調又はほぼ単調に変化する。換言すると、連続する位置z、zi+1、…の変化の方向は、縦方向zの長さに沿って一定又はほぼ一定である。
一実施形態によれば、混合装置3は、縦方向zにおいて、2つの連続する位置z、zi+1、…間の距離の増加を示す。このような構成は、図3の例に示すように、混合装置3が第1の入口311を介して第1の相31を供給され、第1の相が縦方向zに流れる場合に実装される。入口311の側に位置するオリフィスは、第1の相61の流れの方向に従った場合にさらに下流に位置するオリフィスとの比較において、供給不足になる傾向を有する。
実施形態の変形(図示せず)によれば、混合装置3は、縦方向zにおいて、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の減少を示す。このような構成は、第1の相61が縦方向zと平行であるが反対の向きに流れるように配置された追加の第1の入口312を介して混合装置3が第1の相61を供給される場合に実装される。
図4は、混合装置3が第1の相61の供給のための2つの入口を有するときに特に有利である本発明の別の実施形態を示す。より正確には、混合装置3は、第1の入口311と追加の第1の入口312を介して第1の相61を供給される。混合装置3は、縦方向zにおいて、少なくとも第1の部分301と第2の部分302とに分割され、第1の部分301は、縦方向zにおいて、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の増加を示し、第2の部分302は、縦方向zにおいて、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の減少を示す。
この実施形態は、オリフィス34の下流に分配された第1の相61の流れが縦方向zの長さに沿ってさらにより均質化されることを可能にする。
好ましくは、第1の入口及び追加の第1の入口311、312は、混合装置3の2つの反対側の端部に配置される。第1の相61の第1の流れは、第1の入口311によって分配され、流れ方向zに流れ、第1の相61の第2の流れは、追加の第1の入口312によって分配され、縦方向zと平行であるが反対の向きに流れる。
有利には、第1の部分301は第1の入口311の側に位置し、第2の部分302は追加の第1の入口312の側に位置する。
好ましくは、第1及び第2の部分301、302は、混合装置3の中心に対して対称的に配置される。しかしながら、前記部分は、異なる数で配置されてもよく、混合装置3の中心の両側で連続するオリフィス間の距離の変動の振幅を示してもよい。
有利には、本発明による混合装置3は、以下に記載するステップに従ってオリフィス34の位置を調整することによって構成することができる。これらのステップの全て又は一部は、多数のシミュレーションによって、例えば、計算流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)を用いて、又は第1のチャネル31に沿った圧力降下とオリフィス34の相関関係によって、又は実際の測定等によって実行できることに留意されたい。
混合装置3の初期状態は、オリフィス34、34i+1、…が、所定の距離d、di+1、…によって分離された連続する位置z、zi+1、…に配置されていると定義される。好ましくは、初期状態では、所定の距離d、di+1、…は同一である。
第1のチャネル31は、第1の相61が縦方向zに流れるように供給される。混合装置3の各オリフィス34、34i+1、…を流れる第1の相61の質量流量Q、Qi+1、…が決定され、オリフィスは、各オリフィス34について、次のオリフィス34i+1が、次式で表される修正された距離dだけ前のオリフィス34から離れて配置されるように再配置される:
=F×d
式中、dは所定の距離d、di+1、…の平均であり、Fは、オリフィス34を流れる流量Qの関数として各オリフィスについて決定された補正係数である。
好ましくは、初期状態では、オリフィス間の平均距離は、全てのオリフィス34、34i+1、…を分離する同一の距離に一致することに留意されたい。
有利には、補正係数Fは、オリフィス34を流れる質量流量Qと、全てのオリフィスにわたって平均された質量流量Qとの間の比Q/Qの関数である。
好ましくは、この関数は、比Q/Qの多項式関数であり、より好ましくは、比Q/Qのアフィン関数であり、次のように表される:
Figure 0007309739000001
式中、Qは、オリフィス34を流れる質量流量であり、Qは、全てのオリフィスにわたって平均された質量流量であり、A及びBは、混合装置3の特性に依存して予め定められた定数である。1つの特定の実施形態によれば、A=1及び/又はB=0である。
流量Q、Qi+1、…の決定において第1のチャネル31の供給の構成が関与しているので、上記の調整方法は、第1のチャネル31の第1の相61の供給の構成に関係なく適用できることが強調される。
考慮される交換方法と、第1の流体F1の相の不均等な分配に対するその感度とに応じて、オリフィス34、34i+1、…を再配置する単一のステップは、混合装置3の幅にわたり第1の相の分配を均一化するのに十分であり得る。
任意選択的に、オリフィス34、34i+1、…を再配置するステップは、少なくとも1回、好ましくは1~5回、より好ましくは最大2回、繰り返すことができる。調整方法は次に、所定の距離として以前に修正された距離d、di+1、…を定めるステップを含む。再配置された各オリフィス34、34i+1、…を流れる第1の相61の新しい質量流量Q、Qi+1、…が決定される。オリフィス間の平均距離dとオリフィスを流れる平均流量Qとを計算し、上記の式を用いて新しい修正された距離d、di+1、…を決定する。
複数の第1のチャネル31を有する混合装置3の場合、本調整方法は、これらのオリフィスが同一の第1のチャネル31又は異なる第1のチャネル31に配置されているかどうかにかかわらず、連続する2つのオリフィス間の距離d、di+1、…を考慮することによって、一般に全ての第1のチャネル31において一緒に実行することができる。
或いは、この方法は、各第1のチャネル31を個別に考慮することによって実行され得る。これを行うために、方法は、任意選択的に、ステップa)の前に、同一の第1のチャネル31に配置されたオリフィス34、34i+1、…のサブセットを選択する少なくとも1つのステップを含むことができ、ステップa)~e)は前記サブセットについて実行される。次に、別の第1のチャネル31に配置されたオリフィス34、34i+1、…の少なくとも1つの他のサブセットを選択し、この他のサブセットに対してステップa)~e)が実行される。
本発明の有効性を実証するために、CFDシミュレーションを、図4に示されるような混合装置3を用いて実行した。一連の3つの第1のチャネル31に、2つの反対側の入口301、302を介して液体状態の第1の相61を供給した。オリフィス34は円筒形であり、垂直方向xに延ばされた。シミュレーションを簡略化するために、第1の相61のみが考慮され、気体の第2の相62は、各オリフィス34を通る液体の第1の相61の分散に無視できる影響を有すると考えられた。
これらのシミュレーションの結果は、等距離のオリフィスを有する混合装置3(本発明外)と、縦方向zにおいて2つの連続する位置z、zi+1の間の増大を示す第1の部分301、及び縦方向zにおいて2つの連続する位置z、zi+1の間の距離の減少を示す第2の部分302を備える混合装置3(本発明)との比較とともに、図5及び6に示されている。図5は、縦方向zにおけるオリフィス間の距離の変化を示す。初期状態では、オリフィスは等距離である(本発明外)。図6に見られるように、縦方向zにおける第1の相61の流量の不均一性の現象は、本発明による装置によって大幅に低減される。典型的には、オリフィスによって分配される流量の不均一性は、様々なオリフィスの流量間で10%未満の変動を観察するように低減される。
本発明の文脈内で、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の変化は、実際の、測定された、又はシミュレートされた値の変化と照らし合わせて、又は、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の実際の変化の数学的調整から構築された、いわゆる「調整された」又は「平滑な」変化と照らし合わせて評価することができる。
したがって、「増加」又は「減少」という用語は、図5に示すような単調な変動、又はほぼ単調な変動、つまり実際の、測定された、又はシミュレートされた値を考慮するときに、全体的な変動の方向とは異なる変動の方向を局所的に示す変動をカバーする。例えば、図7は、2つの連続する位置z、zi+1、…の間の距離の増加を全体的にもたらすシミュレーションの結果を概略的に示すが、特定の点について、1つのオリフィスと次のオリフィスとの間の距離の減少を示している。点線の曲線(----)で表されるこの変化の数学的調整により、前記距離の単調な増加がもたらされる。場合によっては、オリフィス34は、連続するオリフィス34i+1と同じ第1のチャネル31に配置され得る(特に単一の第1のチャネル31を有する混合装置3の場合)、又は別の第1のチャネル31に配置され得ることに留意されたい。複数の第1のチャネル31を有する混合装置3の場合、第1のチャネル31の連続するオリフィス34i+1は、好ましくは、オリフィス34とは異なる第1のチャネル31に配置される。オリフィス34、34i+1、…は、横方向yの同一位置に配置される必要はなく、位置z、zi+1、…に配置される。
装置3は、装置3内で連続的に配置されたいくつかの第1のチャネル31及び/又はいくつかの第2のチャネル32を備えることができ、第1及び/又は第2のチャネル31、32は、好ましくは互いに平行である。
好ましくは、第1のチャネル31及び第2のチャネル32は、プレート2に平行に延在する。図3に示す実施形態によれば、第1のチャネル31は横方向yにおいて互いに連続し、第2のチャネル32は縦方向zにおいて互いに連続する。
チャネル31及び32は、同じ又は異なる形状及び数を有し得ることが強調される。第1の連続するチャネル31間の距離及び第2の連続するチャネル32間の距離もまた変化し得る。好ましくは、縦方向zの方向で測定されたチャネル32間の距離は、オリフィス34の位置に応じて調整される。
図3~4は、バーの形態の混合装置3の例を示し、円筒形状の開口部34がいくつかの第1のチャネル31の底部に穿孔されている。
この実施形態では、混合装置3は、交換器の1つのプレート2に面して配置されることが意図される第1の表面3aと、別のプレート2に面して配置される第2の表面3bとによって特に範囲を定められる平行六面体を全体的に形成する。第1及び第2の表面3a、3bは、好ましくは、プレート2と概ね平行に広がる。混合装置3は、第1及び第2の表面3a、3bがプレート2と接触するように通路10内に配置されることが好ましい。
チャネル31、32は、有利には、混合装置3内に形成された凹部の形態をとる。それらは、表面3a及び/又は3bで開口してもしなくてもよい。
オリフィス34は、有利には、装置3の材料内に作製され、第1のチャネル31と第2のチャネル32との間で、好ましくは垂直方向xに延びるボア34である。好ましくは、オリフィス34は円筒対称である。
オリフィス34、34i+1、…は、必ずしも同じ形状又は同じ寸法を有さないことに留意されたい。同一の第1のチャネル31内の、又はいくつかの第1のチャネル31間のオリフィスの異なる形状の数、寸法及び分布は、オリフィス34を通る流体の流量のはるかにより細かい調整を達成するように、液体-気体混合物の所望の分散に応じて変わり得る。特に、入口311を有する第1のチャネルの場合、第1の相61の速度がより速い第1のチャネル31の上流に、より大きな断面のオリフィスを配置することができ、より小さい入口断面のオリフィスを第1のチャネル31の下流に配置することができる。第1及び/又は第2のチャネル31、32の形状及び寸法はまた、方向y及び/又はzに沿って、及び1つのチャネル31、32から別のチャネルへ変化し得る。
本発明は本出願に記載及び図示された特定の例に限定されないことは言うまでもない。本発明の範囲から逸脱することなく、当業者の手の届く範囲内の他の代替の形態又は実施形態も想定され得る。
例えば、本発明による交換器は、通路10、20が横方向yに延び、第1の縦方向チャネル31が流れ方向zに延び、横方向チャネル32が方向zに直交する横方向yに延びる場合について主に記載される。逆もまた考えられ、例えば、第1の縦方向チャネル31が横方向yに延び、横方向チャネル32が流れ方向zに延びる。方向y及びzは互いに直交しなくてもよい。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
[1] 少なくとも第2の流体(F2)と熱交換関係に置かれる少なくとも第1の流体(F1)を流すための複数の通路(10)を画定するように、互いに及び縦方向(z)に平行に配置されたいくつかのプレート(2)と、少なくとも1つの通路(10)に配置され、
- 前記縦方向(z)に平行な前記第1の流体(F1)の第1の相(61)の流れのための少なくとも1つの第1のチャネル(31)、
- 前記第1の流体(F1)の第2の相(62)の流れのための少なくとも1つの第2のチャネル(32)、及び
- 前記第1のチャネル(31)を前記第2のチャネル(32)に流体的に接続する複数のオリフィス(34 、34 i+1 、…)であって、前記縦方向(z)に連続した位置(z 、z i+1 、…)を占める、複数のオリフィス(34 、34 i+1 、…)、
を備える混合装置(3)とを備える熱交換器(1)であって、
前記縦方向(z)に平行に測定された前記連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離が可変であることを特徴とする、熱交換器(1)。
[2] 前記連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離が、前記縦方向(z)において単調又はほぼ単調に変化することを特徴とする、[1]に記載の交換器。
[3] 前記縦方向(z)において、2つの連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離の増大を示すことを特徴とする、[1]又は[2]に記載の交換器。
[4] 前記縦方向(z)において、2つの連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離の減少を示すことを特徴とする、[1]又は[2]に記載の交換器。
[5] 前記縦方向(z)において、少なくとも第1の部分(301)と第2の部分(302)とに分割され、前記第1の部分(301)は、前記縦方向(z)において、2つの連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離の増大を示し、前記第2の部分(302)は、前記縦方向(z)において、2つの連続する位置(z 、z i+1 、…)間の距離の減少を示すことを特徴とする、[1]に記載の交換器。
[6] 前記混合装置(3)が、前記第1の相(61)及び前記第2の相(62)を、それぞれ少なくとも1つの第1のチャネル(31)及び少なくとも1つの第2のチャネル(32)に別々に導入するように構成され、前記第1のチャネル(31)は、前記第1のチャネル(31)に前記第1の流体(F1)の前記第1の相(61)を供給するように設計された第1の入口(311)と、前記少なくとも1つの第2のチャネル(32)に前記第1の流体(F1)の前記第2の相(62)を供給するように設計された、前記第1の入口(311)とは別個の第2の入口(312)とを備えることを特徴とする、[1]~[5]のいずれか一項に記載の交換器。
[7] 前記第1のチャネル(31)及び前記第2のチャネル(32)の形状が直線的であることを特徴とする、[1]~[6]のいずれか一項に記載の交換器。
[8] 前記混合装置(3)が、いくつかの第1のチャネル(31)といくつかの第2のチャネル(32)とを備え、各第1のチャネル(31)は、前記第1のチャネル(31)を所与の第2のチャネル(32)に流体的に接続する少なくとも1つのオリフィス(34 、34 i+1 、…)を備えることを特徴とする、[1]~[7]のいずれか一項に記載の交換器。
[9] 前記混合装置(3)が、前記縦方向(z)に直交する横方向(y)において互いに連続するいくつかの第1のチャネル(31)を備えることを特徴とする、[1]~[8]のいずれか一項に記載の交換器。
[10] 前記第2のチャネル(32)が、前記縦方向(z)に直交する横方向(y)に延びることを特徴とする、[1]~[9]のいずれか一項に記載の交換器。
[11] [1]~[10]のいずれか一項に記載の交換器において二相の液体/気体混合物を分配する方法であって、
i)前記交換器の少なくとも1つの通路(10)に混合装置(3)を配置するステップ、
ii)前記混合装置(3)の前記第1のチャネル(31)に前記第1の流体(F1)の前記第1の相(61)を供給するステップ、
iii)前記混合装置(3)の第2のチャネル(32)に、前記第1の相(61)とは異なる前記第1の流体(F1)の前記第2の相(62)を供給するステップ、
iv)前記第1の相(61)と前記第2の相(62)との間の混合が前記混合装置(3)内で起こるように、前記オリフィス(34 、34 i+1 、…)を介して前記第1のチャネル(31)と前記第2のチャネル(32)との間の流体連通を確立するステップ、及び
前記混合装置(3)の出口で、前記第1の相(61)と前記第2の相(62)の混合物を分配するステップ
を含む方法。
[12] [1]~[8]のいずれか一項に記載の交換器内に組み込まれた混合装置(3)の前記オリフィス(34)の位置を調整するための方法であって、
a)前記オリフィス(34 、34 i+1 、…)の連続した位置(z 、z i+1 、…)が所定の距離(d 、d i+1 、…)だけ離されるように前記オリフィス(34 、34 i+1 、…)を位置づけるステップ、
b)前記第1のチャネル(31)に前記流体(F1)の前記第1の相(61)を供給して、前記第1の流体(F1)の前記第1の相(61)が前記縦方向(z)に流れるようにするステップ、
c)各オリフィス(34 、34 i+1 、…)を流れる前記第1の相(61)の質量流量(Q 、Q i+1 、…)を決定するステップ、
d)各オリフィス(34 )について、前記所定の距離(d 、d i+1 、…)の平均(d )に補正係数(F )を掛けた値に等しい修正距離(d )だけ前記オリフィス(34 )から分離されるように次のオリフィス(34 i+1 )を再位置決めするステップであって、前記補正係数は前記オリフィス(34 )を流れる前記質量流量(Q )に基づいて決定されるステップ、
を含む方法。
[13] 前記補正係数(F )が、前記オリフィス(34 )を流れる前記質量流量(Q )と全てのオリフィスの平均質量流量(Q )との間の比(Q /Q )の関数であることを特徴とする、[12]に記載の方法。
[14] 前記関数が、前記比(Q /Q )の多項式関数、好ましくは前記比(Q /Q )のアフィン関数であることを特徴とする、[13]に記載の方法。
[15] ステップd)で修正された前記距離(d 、d i+1 、…)を所定の距離として定義するステップe)をさらに含み、ステップc)~d)は、少なくとも1回、好ましくは1~5回、より好ましくは最大2回繰り返されることを特徴とする、[10]~[14]のいずれか一項に記載の方法。
[16] 前記混合装置(3)がいくつかの第1のチャネル(31)を備え、前記方法が、ステップa)の前に、同一の第1のチャネル(31)に配置されたオリフィス(34 、34 i+1 、…)のサブセットを選択する少なくとも1つのステップを含み、ステップa)~e)が前記サブセットに適用されることを特徴とする、[10]~[15]のいずれか一項に記載の方法。

Claims (14)

  1. 少なくとも第2の流体(F2)と熱交換関係に置かれる少なくとも第1の流体(F1)を流すための複数の通路(10)を画定するように、互いに及び縦方向(z)に平行に配置されたいくつかのプレート(2)と、
    少なくとも1つの通路(10)に配置され、前記第1の流体(F1)における液体の層(61)と気体の層(62)を混合する混合装置(3)と、
    を備える熱交換器(1)であって、
    前記混合装置(3)は、
    - 前記縦方向(z)に平行な前記第1の流体(F1)の前記液体の相(61)の流れのための少なくとも1つの第1のチャネル(31)、
    - 前記第1の流体(F1)の前記気体の相(62)の流れのための少なくとも1つの第2のチャネル(32)、及び
    - 前記第1のチャネル(31)を前記第2のチャネル(32)に流体的に接続する複数のオリフィス(34、34i+1、…)であって、前記縦方向(z)に連続する位置(z、zi+1、…)を占める、複数のオリフィス(34、34i+1、…)、
    を備え、
    前記第1のチャネル(31)は、通路(10)を画定するプレート(2)と、前記第2のチャネル(32)との間に配置され、前記第2のチャネル(32)は、前記第1のチャネル(31)と、通路(10)を構成し、前記プレート(2)に隣接するプレート(2)との間に配置され、
    前記混合装置(3)が、前記液体の相(61)及び前記気体の相(62)を、それぞれ前記少なくとも1つの第1のチャネル(31)及び前記少なくとも1つの第2のチャネル(32)に別々に導入するように構成され、前記第1のチャネル(31)は、前記第1のチャネル(31)に前記第1の流体(F1)の前記液体の相(61)を供給するように設計された第1の入口(311)と、前記少なくとも1つの第2のチャネル(32)に前記第1の流体(F1)の前記気体の相(62)を供給するように設計された、前記第1の入口(311)とは別個の第2の入口(321)と、を備える、熱交換器(1)において
    前記縦方向(z)に平行に測定された前記連続する位置(z、zi+1、…)間の距離は一様でなく、変化していることを特徴とする、熱交換器(1)。
  2. 前記連続する位置(z、zi+1、…)間の距離が、前記縦方向(z)において単調又はほぼ単調に変化していることを特徴とする、請求項1に記載の交換器。
  3. 前記縦方向(z)において、前記混合装置(3)が2つの連続する位置(z、zi+1、…)間の距離の増大を示していることを特徴とする、請求項1又は2に記載の交換器。
  4. 前記縦方向(z)において、前記混合装置(3)が2つの連続する位置(z、zi+1、…)間の距離の減少を示していることを特徴とする、請求項1又は2に記載の交換器。
  5. 前記第1のチャネル(31)及び前記第2のチャネル(32)の形状が直線的であることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載の交換器。
  6. 前記混合装置(3)が、いくつかの第1のチャネル(31)といくつかの第2のチャネル(32)とを備え、各第1のチャネル(31)は、前記第1のチャネル(31)を所与の第2のチャネル(32)に流体的に接続する少なくとも1つのオリフィス(34、34i+1、…)を備えることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載の交換器。
  7. 前記混合装置(3)が、前記縦方向(z)に直交する横方向(y)において互いに連続するいくつかの第1のチャネル(31)を備えることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載の交換器。
  8. 前記第2のチャネル(32)が、前記縦方向(z)に直交する横方向(y)に延びていることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載の交換器。
  9. 請求項1~のいずれか一項に記載の交換器において二相の液体/気体混合物を分配する方法であって、
    i)前記交換器の少なくとも1つの通路(10)に混合装置(3)を配置するステップ、
    ii)前記混合装置(3)の前記第1のチャネル(31)に前記第1の流体(F1)の前記液体の相(61)を供給するステップ、
    iii)前記混合装置(3)の第2のチャネル(32)に、前記液体の相(61)とは異なる前記第1の流体(F1)の前記気体の相(62)を供給するステップ、
    iv)前記液体の相(61)と前記気体の相(62)との間の混合が前記混合装置(3)内で起こるように、前記オリフィス(34、34i+1、…)を介して前記第1のチャネル(31)と前記第2のチャネル(32)との間の流体連通を確立するステップ、及び
    前記混合装置(3)の出口で、前記液体の相(61)と前記気体の相(62)の混合物を分配するステップ
    を含む方法。
  10. 請求項1~8のいずれか一項に記載の交換器内に組み込まれた混合装置(3)の前記オリフィス(34)の位置を調整するための方法であって、
    a)前記オリフィス(34、34i+1、…)の連続した位置(z、zi+1、…)が所定の距離(d、di+1、…)だけ離されるように前記オリフィス(34、34i+1、…)を位置づけるステップ、
    b)前記第1のチャネル(31)に前記流体(F1)の前記液体の相(61)を供給して、前記第1の流体(F1)の前記液体の相(61)が前記縦方向(z)に流れるようにするステップ、
    c)各オリフィス(34、34i+1、…)を流れる前記液体の相(61)の質量流量(Q、Qi+1、…)を決定するステップ、
    d)各オリフィス(34)について、前記所定の距離(d、di+1、…)の平均(d)に補正係数(F)を掛けた値に等しい修正距離(d)だけ前記オリフィス(34)から分離されるように次のオリフィス(34i+1)を再位置決めするステップであって、前記補正係数は前記オリフィス(34)を流れる前記質量流量(Q)に基づいて決定されるステップ、
    を含む方法。
  11. 前記補正係数(F)が、前記オリフィス(34)を流れる前記質量流量(Q)と全てのオリフィスの平均質量流量(Q)との間の比(Q/Q)の関数であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  12. 前記関数が、前記比(Q/Q)の多項式関数、好ましくは前記比(Q/Q)のアフィン関数であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  13. ステップd)で修正された前記修正距離(d、di+1、…)を所定の距離として定義するステップe)をさらに含み、ステップc)~d)は、少なくとも1回繰り返されることを特徴とする、請求項10~1のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記混合装置(3)がいくつかの第1のチャネル(31)を備え、前記方法が、ステップa)の前に、オリフィス(34 、34 i+1 、…)のサブセットであって、同一の第1のチャネル(31)に配置されたサブセットを選択する少なくとも1つのステップを含み、ステップa)~e)が前記サブセットに適用されることを特徴とする、請求項10~1のいずれか一項に記載の方法。
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