專利名稱：中空纖維熱交換裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置，具體講涉及一種中空纖維熱交換器。
技術(shù)背景目前工業(yè)上應(yīng)用的絕大多數(shù)液-液、液-氣、氣-氣、液-汽、以及氣-汽 熱交換裝置是由金屬制備的。優(yōu)點(diǎn)是其所用的金屬材料普遍具有很高的傳 熱系數(shù)和耐高溫性，缺點(diǎn)是大多數(shù)金屬的耐腐蝕性差，設(shè)備體積大和造價格昂貴等。相比較而言，聚合物材料擁有一定的優(yōu)勢，比如耐腐蝕性好、 容易加工，重量輕(較金屬輕約4-5倍)和價格便宜等。但是通常情況下 高分子聚合物材料的傳熱系數(shù)較金屬換熱器的金屬材料低約100-30G倍。 目前市場上應(yīng)用的塑料管換熱器，雖然克服了金屬換熱器易腐蝕的缺點(diǎn)， 但是由于其內(nèi)外徑和厚度均較大其傳熱系數(shù)和熱交換效率都較小。如果將 合適的塑料材料制成中空纖維，并將其壁厚減至100)im(微米)的級別，其 傳熱系數(shù)將是相當(dāng)大的。比如，聚丙烯的熱導(dǎo)率(k)為O. 19 watts/m-K, 100,厚的中空纖維的傳熱系數(shù)可達(dá)到hwall = (0.19/100 x 10—6) = 1900 watts/m2—K由于可利用中空纖維的內(nèi)外徑較小，在較高裝填密度的單位體積內(nèi)中 空纖維的有效傳熱面積比傳統(tǒng)金屬換熱器高出約一個數(shù)量級，所以薄壁中 空纖維熱交換器的總傳熱系數(shù)是非常大的。中空纖維熱交換器不僅能夠克 服金屬熱交換器耐腐蝕性差的缺點(diǎn)，而且同金屬熱交換器相比具有相近的 或更大的總熱交換系數(shù)，以及更容易制作生產(chǎn)、更輕的重量和更低的價格。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種傳熱系數(shù)大、換熱面積大、耐腐蝕性好、容 易加工，重量輕、價格低、應(yīng)用范圍廣的中空纖維熱交換器裝置。 本發(fā)明的另 一 目的是提供一種中空纖維熱交換器換熱的方法。 本發(fā)明中空纖維熱交換裝置的設(shè)計(jì)與制造著重考慮的幾個方面是(1 ) 熱交換裝置的核心主體是中空纖維以及由中空纖維構(gòu)建而成的換熱器組 件；(2)中空纖維是無孔的；(3)中空纖維有較小的內(nèi)徑和厚度；(4)通 過換熱器組件設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)中空纖維外側(cè)流體相對于中空纖維的錯流或相對 于中空纖維內(nèi)部流體的逆流；(5)通過對換熱器組件的設(shè)計(jì)以保證高的傳
熱系數(shù)和熱交換效率。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的中空纖維熱交換裝置l(圖1所示)包括柱形組件外殼以及固定在組件外殼內(nèi)的中空纖維；中空纖維平行均勻 地排列在組件外殼內(nèi)，中空纖維的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件 外殼接近兩端封膠處分別設(shè)有流體的進(jìn)出口 ，組件外殼的兩端分別與兩個 有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)。本發(fā)明提供的中空纖維熱交換裝置2 (圖2所示)包括組件外殼以及固 定在外殼內(nèi)的空心多孔管、中空纖維；空心多孔管固定在組件的中央，空 心多孔管的一端開放而另一端被封堵，空心多孔管上的孔在靠近開放端處 最小，且隨著與開放端距離的增加而逐漸增大；中空纖維平行均勻地排列 在空心多孔管周圍，且中空纖維層與外殼內(nèi)壁之間存在一定間隙，空心多 孔管和中空纖維的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼在接近空心 多孔管的封堵端設(shè)有流體的出口 ，組件外殼的兩端分別與兩個有流體進(jìn)出 口的尾帽相連結(jié)，其中一個尾帽有一個流體進(jìn)出口，而另一個尾帽有兩個 流體進(jìn)出口，其中的一個口與空心多孔管相連接。本發(fā)明提供的中空纖維熱交換裝置3 (圖3所示)包括組件外殼以及固 定在外殼內(nèi)的空心多孔管、中空纖維；空心多孔管固定在組件的中央，空 心多孔管的兩端開放，其二分之一處的內(nèi)部空心通道被封堵成為兩個部分， 空心多孔管上的孔在靠近開放一端和另一部分的封堵處最小，并逐漸增大； 中空纖維平行均勻地排列在空心多孔管周圍，中空纖維之間以及空心多孔 管與中空纖維之間自長度的二分之一處也被粘合劑堵隔成兩個部分(也可 根據(jù)需要堵隔為多個部分，與之相應(yīng)的空心多孔管也被封堵為多個部分)， 中空纖維層與外殼的內(nèi)壁之間存在一定間隙；空心多孔管和中空纖維的兩 端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼的兩端分別與兩個尾帽相連結(jié)， 每一個尾帽上有兩個流體進(jìn)出口，其中一個口與空心多孔管相連接。本發(fā)明提供的中空纖維熱交換裝置4 (圖4所示)包括槽體(外殼)以 及在槽內(nèi)排列的中空纖維和多孔板，兩個多孔板分別設(shè)置在中空纖維層的 上下兩側(cè)；槽體內(nèi)的中空纖維在相互平行的平面上平行排列，并且相鄰層 與層之間中空纖維的空間位置相互錯開，中空纖維的兩端被粘合劑分別固 定在槽體的兩端；槽體的兩端分別與兩個有接口的尾帽相連結(jié)；多孔板設(shè) 有多個孔，多孔板中心部位孔的孔徑最小，并且隨著離多孔板中央處的距 離的增加而增大，孔徑為0. 05-2cm;槽體(外殼)上下中心部位設(shè)有流體 的進(jìn)口/出口 。所述的圓筒狀組件外殼(槽體)的內(nèi)徑為1-200 cm、長度5-250 cm、 厚度不大于10 cm。所述的中空纖維內(nèi)徑為30-3000(im (;微米)，中空纖維的壁厚為 l-1000pm,組件內(nèi)中空纖維的有效長度為5-200 cm,組件內(nèi)中空纖維的填 裝密度在0. G5-0. 75之間。所述的中空纖維是無孔的，其結(jié)構(gòu)可以是均質(zhì)無孔結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)， 也可以是多孔中空纖維的表面(內(nèi)表面或外表面)有一層薄的無孔皮層。所述中空纖維的材質(zhì)可為聚偏二氟乙烯、聚4-甲基-1-戊烯、聚四氟乙 烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚曱基丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚 醚醚酮、聚苯硫醚、聚芳酯、聚芳砜、聚三氟氯乙烯、聚醚酯纖維、全氟 二曱基間二氧雜環(huán)戊烯-四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、 尼龍和高分子石墨等材料中的一種或其中幾種的混合物、改性材料或復(fù)合 材料，以及其他具有良好導(dǎo)熱性能、優(yōu)良物理化學(xué)性能和機(jī)械性能的高分 子材料、無機(jī)材料以及它們的混合/復(fù)合材料。所述的中空纖維熱交換器除中空纖維之外的其它部分(包括殼體、 空心多孔管、多孔板、尾(側(cè))帽、接口等)可由大多數(shù)高分子材料、無 機(jī)和金屬材料中的一種或幾種的混合物或復(fù)合材料制備而成，比如聚乙 烯、聚丙烯、聚4-甲基-1-戊烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、有機(jī)玻璃、尼 龍、聚丙烯酸、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亞胺、不銹鋼等。所述的粘合劑應(yīng)具備耐溫性好、強(qiáng)度高、同纖維和外殼材料良好的粘 結(jié)性等特點(diǎn)。一種中空纖維熱交換裝置的換熱方法，其特征在于包括如下步驟 A高溫工質(zhì)能夠適用于中空纖維熱交換器的熱工質(zhì)包括氣、汽、液，其中液體 熱工質(zhì)主要是指水、各種水溶液以及部分有機(jī)液體。熱工質(zhì)的最高使用溫 度與所用中空纖維的材質(zhì)有關(guān)。B低溫工質(zhì)能夠適用于中空纖維熱交換器的冷工質(zhì)包括氣、液，其中液體冷工 質(zhì)主要是指水及各種水溶液以及部分有機(jī)液體。
C熱量交換冷熱工質(zhì)在進(jìn)入中空纖維熱交換器之前需除去其中的固體顆粒和懸浮物。冷工質(zhì)首先流入熱交換器組件，并流過中空纖維的一側(cè)；然后熱工質(zhì)進(jìn)入組件，流入中空纖維的另一側(cè)。由于中空纖維的內(nèi)外側(cè)存在著溫度差， 熱量將從高溫工質(zhì)通過中空纖維壁傳遞給低溫工質(zhì)，其結(jié)果使高溫工質(zhì)的 溫度降低和低溫工質(zhì)的溫度上升。為獲得理想的熱交換效果，該中空纖維熱交換器^皮設(shè)計(jì)為平行逆流和 錯流兩種形式。平行逆流熱交換器組件的特點(diǎn)是具有良好的換熱效果、組 件結(jié)構(gòu)簡單、容易加工制造以及相對較低的生產(chǎn)成本(見示意圖1)。錯流 熱交換器組件的特點(diǎn)是能夠較好地克服溫度極化效應(yīng)，使體系的傳熱效果達(dá)到較理想的狀態(tài)，總的傳熱系數(shù)高，但是其結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜(見示意圖2, 3， 4)。中空纖維熱交換器的核心部分是中空纖維以及由中空纖維構(gòu)建而成的 熱交換器組件。所述的中空纖維是無孔的，且具有較小的內(nèi)徑和厚度。通 常情況下，高分子材料的導(dǎo)熱性能較金屬材料低許多，但是薄的中空纖維 厚度(微米級)在很大程度上彌補(bǔ)了此項(xiàng)缺陷，極大地提高了傳熱系數(shù)。 同時為了提高薄壁中空纖維的耐壓性(特別是抗外壓性能)，該中空纖維應(yīng) 具有較小的內(nèi)徑和較高的強(qiáng)度。因而，中空纖維熱交換器組件能夠具有較 高的中空纖維填充密度和很高的換熱面積。中空纖維熱交換器的平行逆流 設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮換熱器的效能，而錯流設(shè)計(jì)能夠有效地強(qiáng)化中空纖維外 側(cè)溫度過渡層的傳熱系數(shù)。實(shí)踐表明，同金屬熱交換器相比，單位體積中 空纖維換熱器組件具有與之相近的或更高的換熱量。中空纖維熱交換器具有下列優(yōu)點(diǎn)1、 總傳熱系數(shù)高。薄壁和小內(nèi)徑中空纖維的特點(diǎn)決定了其在熱交換器 組件內(nèi)可以有很高的裝填密度和單位體積內(nèi)很高的換熱比表面積。在相同 體積的熱交換器中，中空纖維熱交換器具有更高換熱效率。2、 抗腐蝕性強(qiáng)。中空纖維熱交換器的主要構(gòu)成部分是高分子聚合物材 料，普遍具有良好的耐鹽、耐酸堿和化學(xué)腐蝕性。3、 制備中空纖維的材料多種多樣，不僅包括種類繁多的單一高分子材 料及其改性材料，而且包括不同材料的復(fù)合/混合以及同諸多無機(jī)材料的復(fù)8
合/混合材料。因而可根據(jù)市場需求開發(fā)生產(chǎn)出系列符合客戶要求的多種產(chǎn)品4、 體積小、重量輕。聚合物材料較金屬的比重低很多，因而相同換熱 量的熱交換器中，中空纖維熱交換器的體積更小、重量更輕。5、 易加工、生產(chǎn)成本低。6、 應(yīng)用范圍廣。中空纖維熱交換器的上述特點(diǎn)決定了它能夠應(yīng)用于傳 統(tǒng)熱交換器幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域，比如石油化工、化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)、 食品工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、能源、環(huán)保、軍事航天工業(yè)等諸多領(lǐng)域。


圖l是平行逆流管殼式中空纖維熱交換器組件示意圖1、中空纖維， 2、組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、流體(液/汽/氣體)a進(jìn)口， 6、 流體(液/汽/氣體)b出口 ， 7、流體a出口， 8、流體b進(jìn)口， 12、流體b 相對于中空纖維的流動方向。圖2是錯流管殼式中空纖維熱交換器組件示意圖A: 1、中空纖維，2、 組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、流體(液/汽/氣體)a進(jìn)口， 6、流體 (液/汽/氣體)b出口， 7、流體a出口， 8、流體b進(jìn)口， 9、空心多孔管， 10、孔，11、液體流道，12、流體b相對于中空纖維的流動方向。圖3是錯流管殼式中空纖維熱交換器組件示意圖B: 1、中空纖維，2、 組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、流體(液/汽/氣體)a進(jìn)口， 6、流體 (液/汽/氣體)b出口， 7、流體a出口， 8、流體b進(jìn)口， 9、空心多孔管， 10、孔，11、液體流道，12、流體b相對于中空纖維的流動方向，13、隔 4反，15、室M, 16、室N。圖4是垂直錯流管殼式中空纖維熱交換器組件示意圖C: 1、中空纖維， 2、組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、流體(液/汽/氣體)a進(jìn)口， 6、 流體(液/汽/氣體)b出口， 7、流體a出口， 8、流體b進(jìn)口， 12、流體b 相對于中空纖維的流動方向，14、多孔板。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，在此平行逆流管殼式中空纖維熱交換器組件中，中空纖維 (1)平行均勻地排列在柱形外殼(2)內(nèi)，中空纖維(1)與柱形外殼(2) 的兩端用密封膠(3)密封，并分別與兩個帶有進(jìn)出口 (5， 7)的尾帽(4) 相連接；組件外殼的兩端各有一個流體進(jìn)出口 (6, 8)。流體(液/汽/氣體)
a從進(jìn)口 (5)流經(jīng)中空纖維的內(nèi)腔，然后從出口 (7)流出熱交換器組件； 具有不同溫度的流體b從進(jìn)口 (8)進(jìn)入膜組件，以與流體a相反的方向流 經(jīng)中空纖維的外側(cè)，從出口 (6)流出熱交換器組件。在流體a和b在以相 反的方向分別從膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)通過組件的過程中，實(shí)施了熱量由高溫側(cè) 向低溫側(cè)通過中空纖維壁的轉(zhuǎn)移，其結(jié)果是低溫流體溫度升高，而高溫流 體溫度降低。通過針對具體情況的合理設(shè)計(jì)，能夠使流體a的進(jìn)口溫度和 流體b的出口溫度能夠非常接近，流體b的進(jìn)口溫度和流體a的出口溫度 非常接近。如圖2所示，在此錯流管殼式中空纖維熱交換器組件A中， 一根周圍帶 孔的空心多孔管(9)被固定在柱形組件的中央，空心多孔管(9)的一端 開放而另一端被封堵，空心多孔管(9)上的孔(10)在靠近開放端處最小， 且隨著距流體入口 (8)處的距離的增加而逐漸增大，其目的是有利于獲得均 勻的流體分布；空心多孔管(9)的內(nèi)徑隨著柱形組件的內(nèi)徑和纖維數(shù)量的 增加而增大；中空纖維(1)平行均勻地排列在空心多孔管(9)周圍，中 空纖維層與外殼的內(nèi)壁之間存在一定間隙，空心多孔管(9 )和中空纖維(1) 的兩端被密封膠(3)粘合固定在桶狀外殼(2)內(nèi)，組件的兩頭分別與兩個 帶有進(jìn)出口的尾帽(4)相聯(lián)接。其中，與空心多孔管(9)的敞開端相連 接的尾帽有兩個流體的進(jìn)出口， 一個為流體b的進(jìn)口 (8)(與空心多孔管 (9)緊密相連)，另一個為流體a的出口 (7)。流體b從入口 (8)進(jìn)入膜組 件，然后從空心管壁上的小孔(10)流出，形成相對于中空纖維(1)的錯 流(l2 ),穿過中空纖維層的流體b在靠近組件外殼(2 )處的通道(11) 會集，沿殼壁經(jīng)出口 (6)流出組件。流體a從入口 (5)進(jìn)入組件，流經(jīng) 中空纖維(1)的內(nèi)腔，從出口 (7)流出。該形式組件的特點(diǎn)是由于存在 相對于中空纖維的錯流，能夠有效地克服纖維壁外側(cè)的溫度極化現(xiàn)象，從 而有利于提高熱交換效率。圖3所示為另一不同結(jié)構(gòu)形式的錯流管殼式中空纖維熱交換器組件B。 與圖3所示組件A的不同之處是在空心多孔管(9 )長度的1/2處被封堵， 而兩端都敞開；與之相應(yīng)，組件內(nèi)中空纖維之間自長度的二分之一處也^皮 粘合劑(13)分割成兩個部分(室M和室N)(但中空纖維的內(nèi)腔沒有被封 堵)；組件兩端的兩個尾帽分別含有兩個流體的進(jìn)出口，其中一個接口與空 心多孔管相連接，組件外殼則沒有開口。流體b從入口 (8)進(jìn)入膜組件，然
后從空心管壁上的小孔(10)流出，進(jìn)入室M (15),形成相對于中空纖維 (1)的錯流(12),穿過中空纖維層的流體b在通過通道(11)后進(jìn)入室N (16),再以相對于中空纖維的錯流匯集子空心多孔管，經(jīng)出口 (6)流出組件；流體a從入口 (5)進(jìn)入組件，流經(jīng)中空纖維(1)的內(nèi)腔，從出口(7) 流出。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要將組件的內(nèi)腔分割成多個部分已達(dá) 到最佳的換熱目的。該型結(jié)構(gòu)熱交換器的特點(diǎn)是兼顧了平行逆流和錯流的 優(yōu)點(diǎn)。圖4是垂直錯流管殼式中空纖維熱交換器組件的示意圖C。為實(shí)現(xiàn)流體 b相對于中空纖維的垂直錯流，流體b通過位于組件外殼中心部位的進(jìn)口(8) ，經(jīng)過多孔板(14)的均勻分配之后，以均勻的流速流過中空纖維的 外側(cè)，在中空纖維層的另一面則通過另外一個相同的多孔板，最后匯集并 流出組件(出口 (6))。在該型組件內(nèi)，中空纖維膜(1)在相互在相互平 行的平面上平行排列，并且相鄰層與層之間的中空纖維以錯位的形式相互 排列；兩個多孔板(14)上設(shè)有多個孔，多孔板中心部位孔的孔徑最小， 并且隨著離多孔板中央處的距離的增加而逐漸增大；兩個多孔板平行對稱 地放置于中空纖維層的兩側(cè)。流體a則從入口 (5)進(jìn)入組件，流經(jīng)中空纖 維(1)的內(nèi)腔，從出口 (7)流出。該型結(jié)構(gòu)的熱交換器能夠完全實(shí)現(xiàn)流 體相對于中空纖維的垂直錯流，最大限度地克服纖維壁外側(cè)的溫度極化。下述實(shí)施例所述的流體的間隙流速和線速度定義為 間隙流速=流體通過組件的流量/單層膜纖維之間可以通過液體的面積。 線性流速=流體通過組件的流量/液體流入膜纖維內(nèi)腔的有效橫截面積。所有實(shí)施例的總傳熱系數(shù)U,均按照下式計(jì)算<formula>formula see original document page 11</formula>F:流體的體積流速；p:流體的密度；AT: 流體的進(jìn)出口溫度差； cp:流體的熱容；ATlra:纖維內(nèi)外流體的對數(shù)平均差(見下式)；s:中空 纖維的有效傳熱面積(內(nèi)表面s = n兀(iiL );山纖維的內(nèi)徑；L:纖維 有效長度；n:纖維數(shù)<formula>formula see original document page 11</formula>T"和Ts2分別代表高溫流體的進(jìn)出口溫度；Tn和Tf2分別代表低溫流體 的進(jìn)出口溫度。 實(shí)施例1中空纖維聚偏二氟乙烯，內(nèi)徑600 ^im(微米)，厚度60 pm(微米)， 有效長度2 5cm (厘米)。組件平行對流結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，500根中空纖維，填充密度0.43; 組件外殼材質(zhì)為聚丙烯。操作條件1:中空纖維內(nèi)側(cè)自來水，進(jìn)口溫度25。C，線性流速4120 cm/min;中空纖維外側(cè)自來水，線性流速1860 cm/min。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)自來水的進(jìn)口溫度為6(TC時，總傳熱系數(shù)為1300 watts/m2-K;當(dāng)進(jìn)口溫度為90。C時，總傳熱系數(shù)為1452 watts/m2-K操作條件2:中空纖維內(nèi)側(cè)自來水，進(jìn)口溫度24。C,線性流速4220 cm/min;中空纖維外側(cè)3. 5°/。NaCl鹽水，進(jìn)口溫度90。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)鹽水的線性流速為1000 cm/min時，總傳熱系數(shù) 為1128 watts/m2-K;線性流速為4000 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1732 watts/m2-K。操作條件3:中空纖維內(nèi)側(cè)自來水，進(jìn)口溫度22。C;中空纖維外側(cè) 水蒸氣，進(jìn)口溫度11(TC、 latm，線性流速60 cm/min (折合為水的線性流 速)。結(jié)果當(dāng)中空纖維內(nèi)側(cè)自來水的線性流速為1000 cm/min時，總傳熱系 數(shù)為920 watts/m2-K;線性流速為4000 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1545 watts/m2_K。實(shí)施例2中空纖維聚4-曱基-l-戊烯，內(nèi)徑425 ,(微米)，厚度50 inm(微 米)，有效長度20cm(厘米)。組件錯流結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，800根中空纖維，填充密度0.36;空 心多孔管和組件外殼材質(zhì)為聚四氟乙烯。操作條件1:中空纖維內(nèi)側(cè)自來水，進(jìn)口溫度33。C，線性流速3520 cm/min;中空纖維外側(cè)3°/。NaCl鹽水，進(jìn)口溫度90。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)鹽水的間隙流速為120 cm/min時，總傳熱系數(shù)
為1250 watts/m2-K;當(dāng)鹽水的間隙流速為230 cm/min時，總傳熱系數(shù)為 1736 watts/m2-K。搡作條件2:中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度115。C、 latm,線性流 速60cm/min (折合為水的線性流速)；中空纖維外側(cè)3%NaCl鹽水，進(jìn)口 溫度22。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)鹽水的間隙流速為100 cm/min時，總傳熱系數(shù) 為1483 watts/m2-K;當(dāng)鹽7JC的間隙;充速為250 cm/min時，總傳熱系凄史為 1833 watts/m2-K。操作條件3:中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度115。C、 latm;中空纖 維外側(cè)3%NaCl鹽水，進(jìn)口溫度20。C，間隙流速為250 cm/min。結(jié)果當(dāng)中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣的線性流速(折合為水的線性流速)為100 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1559 watts/m2-K;當(dāng)水蒸氣的線性流速(折合為 水的線性流速)為200 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1886 watts/m2-K。實(shí)施例3中空纖維聚丙烯，內(nèi)徑500 ,(微米)，厚度70 ^n(微米)，有效 長度30cm(厘米)。組件錯流結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，3000根中空纖維，填充密度0.55; 空心多孔管和組件外殼材質(zhì)為聚丙烯。搡作條件中空纖維內(nèi)側(cè)海水，進(jìn)口溫度25°C ，線性流速4440 cm/min; 中空纖維外側(cè)海水，進(jìn)口溫度80。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)海水的間隙流速為150 cm/min時，總傳熱系數(shù) 為1450 watts/m2-K;當(dāng)海水的間隙流速為250 cm/min時，總傳熱系凄t為 1767 watts/m2-K。實(shí)施例4中空纖維外表致密皮層非對稱多孔聚4-曱基-1-戊烯，內(nèi)徑 550 nm(微米)，厚度65 nm(微米)，外皮層厚度<1 pm,有效長度30cm。組件垂直錯流結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，1200根中空纖維，填充密度O. 50; 空心板和組件外殼材質(zhì)為聚碳酸酯。操作條件1:中空纖維內(nèi)側(cè)純水，進(jìn)口溫度20°C;中空纖維外側(cè) 々包和鹽水，進(jìn)口溫度85。C,間隙流速為200 cm/min。結(jié)果當(dāng)中空纖維內(nèi)側(cè)純水的線性流速2200 cm/rain時，總傳熱系數(shù)為 2489 watts/m2-K;當(dāng)純水的線性流速4200 cm/min時，總傳熱系數(shù)為3430 watts/m2-K。搡作條件2:中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度120。C、 latm，線性流 速(折合為水的線性流速)為80 cm/min;中空纖維外側(cè)60%乙醇水溶液， 進(jìn)口溫度20°C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)60%乙醇水溶液的間隙流速為130 cm/min時，總 傳熱系數(shù)為2335 watts/m2-K;當(dāng)乙醇水;容液的間隙流速為230 cm/min時 時，總傳熱系數(shù)為3421 watts/m2-K。實(shí)施例5中空纖維外表復(fù)合以0.7 pm厚的聚砜致密皮層多孔聚酰亞胺，內(nèi) 徑72G pm(微米)，厚度8G pm(微米)，有效長度25cm (厘米)。組件錯流結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，700根中空纖維，填充密度0.63;空 心板和組件外殼材質(zhì)為聚醚^5風(fēng)。操作條件1:中空纖維內(nèi)側(cè)海水，進(jìn)口溫度20°C,線性流速4322 cm/min;中空纖維外側(cè)飽和鹽水，進(jìn)口溫度92。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)飽和鹽水的間隙流速為115 cm/min時，總傳熱 系數(shù)為2728 watts/m2-K;當(dāng)飽和鹽水的間隙流速為225 cm/min時，總傳 熱系凄史為3334 watts/m2-K。操作條件2:中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度110。C、 latm，線性流 速(折合為水的線性流速)為100cm/min;中空纖維外側(cè)10%鹽酸水溶液， 進(jìn)口溫度24。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)10%鹽酸水溶液的間隙流速為78 cm/min時，總 傳熱系數(shù)為2123 watts/m2-K;當(dāng)乙醇水溶液的間隙流速為196 cm/min時 時，總傳熱系數(shù)為3210 watts/m2-K。實(shí)施例6中空纖維石墨聚醚醚酮聚合物，內(nèi)徑515 jim(微米)，厚度30 pm(微 米)，有效長度18cm(厘米:)。組件平行對流結(jié)構(gòu)(如圖l所示)，900根中空纖維，填充密度0.43; 組件外殼材質(zhì)為聚四氟乙烯。操作條件l:中空纖維內(nèi)側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度130。C、 2. 5atm,線性 流速(折合為水的線性流速)為120 cm/min;中空纖維外側(cè)海水，進(jìn)口
溫度21。C。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)海水線性流速為2590 cm/min時，總傳熱系數(shù)為 3476 watts/m2-K;當(dāng)海水線性流速為4210 cm/min時，總傳熱系數(shù)為4216 watts/m2-K。才喿作條件2:中空纖維內(nèi)側(cè)空氣，25°C、 2. Oatm,線性流速為3400 cm/min;中空纖維外側(cè)水蒸氣，進(jìn)口溫度120。C、 2. Oatm。結(jié)果當(dāng)中空纖維外側(cè)水蒸氣線性流速(折合為水的線性流速)為70 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1147 wat ts/m2-K;當(dāng)水蒸氣線性流速(折合為水 的線性流速)為124 cm/min時，總傳熱系數(shù)為1532 watts/m2-K。
權(quán)利要求
1、一種中空纖維熱交換器裝置，其基本組成部分包括中空纖維以及包含中空纖維的組件外殼；該中空纖維熱交換器裝置從結(jié)構(gòu)上有平行逆流和錯流兩種基本形式。在不同形式的熱交換器組件內(nèi)中空纖維平行均勻地排列在組件外殼內(nèi)，中空纖維的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼的兩端分別與含有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)。
2、 按照權(quán)利要求l的中空纖維熱交換器裝置，其特征在于所述的組件外殼 內(nèi)的中空纖維是無孔的，中空纖維的結(jié)構(gòu)可以是均質(zhì)無孔結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)， 也可以是多孔中空纖維的表面(內(nèi)表面或外表面)有一層薄的無孔皮層。
3、 按照權(quán)利要求2所述中空纖維的材質(zhì)是大多數(shù)具有良好導(dǎo)熱性能、優(yōu)良 物理化學(xué)性能和機(jī)械性能的高分子材料、無機(jī)材料、無機(jī)高分子材料以及 它們的混合/復(fù)合材料。
4、 按照權(quán)利要求2所述的中空纖維，其特征在于中空纖維的內(nèi)徑為 30-3000|um (微米)，中空纖維的壁厚為l-1000pm，組件內(nèi)中空纖維的有效 長度為5-200 cm;組件內(nèi)中空纖維的填裝密度在0. 05-0. 75之間。
5、 按照權(quán)利要求1的中空纖維熱交換器裝置，所述的組件外殼的內(nèi)徑為 1-200 cm、長度5-250 cm、厚度不大于10 cm。
6、 按照權(quán)利要求l的中空纖維熱交換器裝置，其平行逆流組件的結(jié)構(gòu)可表 述為平行均勻排列的中空纖維的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外 殼接近兩端的封膠處分別設(shè)有流體進(jìn)出口 ，而組件外殼兩端的尾帽上也分 別設(shè)有一個流體進(jìn)出口。
7、 按照權(quán)利要求1的中空纖維熱交換器裝置，其錯流組件的結(jié)構(gòu)可表述為 一根空心多孔管固定在柱形組件的中央，空心多孔管的一端開放而另一端 被封堵；中空纖維平行均勻地排列在空心多孔管周圍，且中空纖維層與外 殼內(nèi)壁之間存在一定間隙，空心多孔管和中空纖維的兩端被粘合劑固定在 組件外殼內(nèi)，組件外殼在接近空心多孔管的封堵端設(shè)有流體的出口，組件 外殼的兩端分別與兩個有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)，其中一個尾帽有一個 流體進(jìn)出口，而另一個尾帽有兩個流體進(jìn)出口，其中一個口與空心多孔管 相連接，由此而構(gòu)成了一個完整的錯流中空纖維熱交換器組件。
8、 在權(quán)利要求7所述錯流組件的基礎(chǔ)上，空心多孔管的兩端開放，在其長度的二分之一處內(nèi)部空心通道被封堵成為兩個部分，空心多孔管與中空纖 維之間以及中空纖維之間自長度的二分之一處也被堵隔成兩個部分(也可根據(jù)需要堵隔為多個部分，與之相應(yīng)的空心多孔管也被封堵為多個部分)；組件外殼兩端的每一個尾帽上有兩個流體進(jìn)出口，其中一個與空心多孔管 相連接，由此而構(gòu)成了另一個錯流形式的中空纖維熱交換器組件。
9、 按照權(quán)利要求1的中空纖維熱交換器裝置，其錯流組件的結(jié)構(gòu)也可表述 為在組件槽體(外殼)內(nèi)排列的中空纖維層的上下兩側(cè)分別設(shè)有兩個多孔 板；槽體(外殼)上下部位設(shè)有流體的進(jìn)口與出口，槽體兩端的尾帽各有 一個流體進(jìn)出口。由此而形成一個垂直錯流中空纖維熱交換器組件。
10、 一種中空纖維熱交換裝置的換熱方法，其特征在于包括如下步驟A 咼溫工質(zhì)能夠適用于中空纖維熱交換器的熱工質(zhì)包括氣、汽、液，其中液體熱 工質(zhì)主要是指水、各種水溶液以及部分有機(jī)液體。熱工質(zhì)的最高使用溫度 與所用中空纖維的材質(zhì)有關(guān)。B低溫工質(zhì)能夠適用于中空纖維熱交換器的冷工質(zhì)包括氣、汽、液，其中液體冷 工質(zhì)主要是指水、各種水溶液以及部分有機(jī)液體。 C熱量交換冷熱工質(zhì)在進(jìn)入中空纖維熱交換器之前需除去其中的固體顆粒和懸浮物。操作方面，冷工質(zhì)進(jìn)入熱交換器組件內(nèi)中空纖維的一側(cè)；而熱工質(zhì)流入 中空纖維的另一側(cè)。由于中空纖維的內(nèi)外側(cè)存在著溫度差，熱量將從高溫 工質(zhì)通過中空纖維壁傳遞給低溫工質(zhì)，其結(jié)果使高溫工質(zhì)的溫度降低和低 溫工質(zhì)的溫度上升。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中空纖維熱交換器裝置，包括中空纖維、組件外殼和流速分配系統(tǒng)。該中空纖維熱交換器裝置從結(jié)構(gòu)上有平行逆流和錯流兩種基本形式。在不同形式的熱交換器組件內(nèi)中空纖維平行均勻地排列在組件外殼內(nèi)，中空纖維的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼的兩端分別與含有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)。本發(fā)明的熱交換器適合于氣、汽、液體系的熱交換，具有總傳熱系數(shù)高、耐鹽、耐酸堿和化學(xué)腐蝕、體積小、重量輕、易加工、生產(chǎn)成本低、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。
文檔編號F28F21/00GK101105380SQ200610014760
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者侯愛平 申請人:天津膜科力科技有限公司