專利名稱：固體基質(zhì)管道到管道熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換器，且明確地說(shuō)，涉及從一個(gè)液體(例如灰漿)到另一液體的熱傳遞。
背景技術(shù)：
熱交換器為用于將熱量從一個(gè)介質(zhì)傳遞到另一介質(zhì)的裝置。在例如采礦業(yè)等行業(yè)中，存在許多需要加熱礦石灰漿的工藝。灰漿為流體中的固體顆粒的懸浮液。灰漿含有具有沉淀趨勢(shì)的固體顆粒。一些灰漿還具有形成氧化皮的趨勢(shì)。歸因于需要周期性地清洗熱傳遞器及用于灰漿處理中的其它設(shè)備，這些問(wèn)題中的兩者都會(huì)使執(zhí)行熱交換過(guò)程復(fù)雜化。較高的能量成本使熱交換器對(duì)于這些過(guò)程的可行性非常重要。當(dāng)前，在市場(chǎng)上不存在滿足此需要的熱交換器。因此，當(dāng)有必要以逆流方式(通過(guò)冷卻在相反方向上通過(guò)的另一灰漿)來(lái)加熱礦石灰漿時(shí)，需要非常復(fù)雜的系統(tǒng)，例如接觸熱交換器，在所述接觸熱交換器中，蒸汽從一個(gè)灰漿散發(fā)，且被吸收到鄰近歧管中的另一灰漿中。這是拜爾(Bayer)工藝工廠中用于從礬上礦石生產(chǎn)氧化鋁的典型類型的交換器?；覞{已穿過(guò)現(xiàn)有的熱交換器配置，例如螺旋形或板熱交換器。螺旋交換器包括經(jīng)盤(pán)繞以形成處于逆流布置中的兩個(gè)溝道的一對(duì)平坦表面，其中每一溝道具有較長(zhǎng)的彎曲通路。板交換器由多個(gè)薄的、略微分隔的板組成，所述板具有用于熱傳遞的非常大的表面積及流體通道。雖然螺旋形及板交換器被提倡為能夠處置灰漿，但它們使用具有通常不利于維持灰漿中的固體的良好懸浮的物理尺寸的流體通道。螺旋形及板交換器不具有易于進(jìn)入的通道，且在一些情況下根本不具有入口，導(dǎo)致較高的維護(hù)成本。螺旋形及板交換器可用于一些灰漿應(yīng)用中，但實(shí)際上，它們只能用于相對(duì)簡(jiǎn)單且稀釋的灰漿，在所述灰漿中，灰漿顆粒在液體中保持易于懸浮的狀態(tài)。當(dāng)前，外殼及管道型交換器也用于一些灰漿應(yīng)用中。外殼及管道型交換器由穿過(guò)外殼，且含有要么被加熱要么被冷卻的介質(zhì)的一系列管道組成。所述外殼(或較大的管道)含有根據(jù)需要要么提供熱量要么吸收熱量的第二流動(dòng)介質(zhì)。當(dāng)前，在外殼及管道型交換器(其中所述外殼含有非灰漿(液體或蒸汽))的管道側(cè)中加熱灰漿是可能的，但將熱量從灰漿轉(zhuǎn)移到灰漿是不可能的，因?yàn)樗龌覞{不能在外殼側(cè)中行進(jìn)，在所述外殼側(cè)中，大顆粒將沉淀，從而引起結(jié)垢，且最終引起堵塞。在20世紀(jì)90年代，在澳大利亞建立了若干處理鎳礦石的工廠，其都使用高溫高壓釜。針對(duì)這些工廠的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量研究，以便選擇有效的熱交換器。然而，所發(fā)現(xiàn)的最佳的系統(tǒng)為在其中通過(guò)輕微真空從灰漿抽取水蒸汽，且接著在外殼及管道型交換器的外殼中再次冷凝所述水蒸汽，以加熱在相反方向上通過(guò)的灰漿的系統(tǒng)。雖然這些鎳工廠動(dòng)用了超過(guò)10億美元的組合資本投資，但設(shè)計(jì)者們無(wú)法找到較好的傳遞熱的方式，因?yàn)椴淮嬖谟糜诳蓪崃繌囊粋€(gè)灰漿傳輸?shù)搅硪换覞{的簡(jiǎn)單逆流交換器的設(shè)計(jì)。這些復(fù)雜的熱交換系統(tǒng)僅使約70%的熱量再循環(huán)，表示錯(cuò)過(guò)了顯著降低操作成本的機(jī)會(huì)。石墨塊熱交換器也是此項(xiàng)技術(shù)中已知的。在這些交換器中，石墨塊經(jīng)鉆孔而具有用于運(yùn)送待加熱(或冷卻)的溶液的若干緊密間隔的并行孔，且其它孔被鉆成與所述并行孔成直角，以運(yùn)送加熱(或冷卻)流體。此類交換器廣泛用于加熱及冷卻酸性物質(zhì)。然而，由于以下若干原因，它們的有用性受到限制石墨是柔軟的，且不能用于有磨蝕作用的灰漿；石墨可被氧化，且因此對(duì)于一些應(yīng)用在化學(xué)上是不穩(wěn)定的；石墨是易碎的，且具有較低的強(qiáng)度，因此這些交換器可操作的壓力是受限制的(高壓引起裂縫形成，且從管道傳播到管道)。并且，因?yàn)槭囊姿樾?，在末端上建立管道頭部是困難的，使得簡(jiǎn)單的直流徑并行管道布置是不可能的。為避免此問(wèn)題，石墨交換器設(shè)計(jì)有交叉流管道布置，但這幾乎不和并行流布置一樣有效。還未遇到使用代替石墨的其它材料的類似的交換器。主要的原因?qū)⑺坪鯙閷?duì)由例如金屬等材料形成的塊進(jìn)行鉆孔或以其它方式進(jìn)行機(jī)械加工是昂貴的。此交換器的實(shí)例揭示在第1，799，626號(hào)美國(guó)專利中，所述專利揭示鑄造在金屬塊中的管道。在實(shí)現(xiàn)逆流加熱/冷卻方面，管道系統(tǒng)將不是有效的。類似地，如第4，711，298號(hào)美國(guó)專利中所展示，陶瓷塊交換器(類似于所述石墨塊交換器)是已知的，但陶瓷材料也具有石墨的易碎性質(zhì)，所以管道系統(tǒng)布置對(duì)于灰漿是不夠簡(jiǎn)單的?，F(xiàn)有技術(shù)滿足例如采礦業(yè)等行業(yè)的需要的無(wú)力性由以下事實(shí)證明需要存在，但滿足所述需要的簡(jiǎn)單熱交換器不存在。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，熱交換器包括熱交換區(qū)段，所述熱交換區(qū)段包括與固體導(dǎo)熱介質(zhì)接觸的呈緊密間隔的幾何圖案的多個(gè)并行的大體上直的管道，所述多個(gè)并行的大體上直的管道包括第一組管道及與所述第一組管道交替的第二組管道。所述第一及第二組管道與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸，且經(jīng)由所述導(dǎo)熱介質(zhì)相互熱耦合。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一及第二組管道嵌入在導(dǎo)熱基質(zhì)中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述熱交換器看起來(lái)像外殼及管道型熱交換器(僅結(jié)垢外殼側(cè)由導(dǎo)熱材料的固體基質(zhì)代替)。要么被加熱要么被冷卻的流體(例如灰漿)在第一方向上流經(jīng)所述第一組管道(例如，管道的一半)。第二流體在第一流體的流動(dòng)的相反方向上流經(jīng)所述第二組管道。所述第二流體要么提供所需的熱量要么吸收所需的熱量。所述第一及第二組管道與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸，且經(jīng)由所導(dǎo)熱介質(zhì)相互熱耦合。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一及第二組管道嵌入在導(dǎo)熱基質(zhì)中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述交換器看起來(lái)像外殼及管道型熱交換器(僅結(jié)垢外殼側(cè)由導(dǎo)熱材料的固體基質(zhì)代替)。要么被加熱要么被冷卻的流體(例如灰漿)在第一方向上流經(jīng)所述第一組管道(例如管道的一半)。第二流體在第一流體的流動(dòng)的相反方向上流經(jīng)所述第二組管道。所述第二流體要么提供所需的熱量要么吸收所需的熱量。所述第一及第二組管道與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸，且經(jīng)由所述導(dǎo)熱介質(zhì)相互熱耦合。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一及第二組管道嵌入在導(dǎo)熱基質(zhì)中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述交換器看起來(lái)像外殼及管道型熱交換器(僅結(jié)垢外殼側(cè)由導(dǎo)熱材料的固體基質(zhì)代替)。要么被加熱要么被冷卻的流體(例如灰漿)在第一方向上流經(jīng)所述第一組管道(例如，管道的一半)。第二流體在第一流體的流動(dòng)的相反方向上流經(jīng)所述第二組管道。所述第二流體要么提供所需的熱量要么吸收所需的熱量。第二入口歧管安置在熱交換區(qū)段的第二端處，且以流體方式耦合到所述第二組管道的第二端。所述第二入口歧管以流體方式耦合到第二入口。第二出口歧管安置在熱交換區(qū)段的第二端處，且與所述第二入口歧管隔離。所述第二出口歧管以流體方式耦合到所述第一組管道的第二端。所述第二出口歧管還以流體方式耦合到第二出口。在結(jié)構(gòu)的第一端處，第一入口通過(guò)第一入口歧管以流體方式耦合到所述第一組管道的第一端。第一出口通過(guò)與所述第一入口歧管隔離的第一出口歧管以流體方式耦合到所述第二組管道的第一端。在所述結(jié)構(gòu)的第二端處，第二入口通過(guò)第二入口歧管以流體方式耦合到所述第二組管道的第二端。第二出口通過(guò)與所述第二入口歧管隔離的第二出口歧管以流體方式耦合到所述第一組管道的第二端。在本發(fā)明的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，所述第一入口及出口歧管相互一致定向，且所述第二入口及出口歧管相互一致定向。在每一種情況下，用于最外層歧管的管道穿過(guò)最內(nèi)層歧管的體積。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，一種用于將熱量從一個(gè)流體傳遞到另一流體的方法包括提供具有與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸的呈緊密間隔的幾何圖案的多個(gè)并行管道的熱交換器，所述多個(gè)并行管道包括第一組管道及與所述第一組管道交替的第二組管道；使第一流體流經(jīng)所述第一組管道；及使第二流體流經(jīng)所述第二組管道。在所述流體中的至少一者是灰漿的情況下，本發(fā)明的方法是特別有利的。


圖IA為根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例的熱交換器的說(shuō)明性熱交換區(qū)段的軸向橫截面圖。圖IB為圖IA的熱交換器的說(shuō)明性熱交換區(qū)段的徑向橫截面圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的原理的說(shuō)明性熱交換器的橫截面圖。圖3為使用根據(jù)本發(fā)明的原理的說(shuō)明性熱交換器的工藝的圖。
具體實(shí)施例方式所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，以下對(duì)本發(fā)明的描述僅為說(shuō)明性的，且不以任何方式起限制作用。此類技術(shù)人員將容易地理解本發(fā)明的其它實(shí)施例?，F(xiàn)在參看圖IA及1B，軸向及徑向截面圖展示根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例的熱交換器的說(shuō)明性熱交換區(qū)段10。熱交換區(qū)段10可包括具有第一端14及第二端16的外殼12。多個(gè)管道18穿過(guò)所述熱交換區(qū)段。管道18布置為兩組并行管道，且以此布置及間隔以緊密間隔的幾何圖案交替，以便確保從一組管道中的流體到鄰近組管道中的流體的有效熱流動(dòng)。管道18固持在導(dǎo)熱介質(zhì)20中。導(dǎo)熱介質(zhì)可為(例如)由可被鉆孔或鑄造的多種導(dǎo)熱材料(例如金屬、陶瓷、復(fù)合材料、玻璃、塑料、石墨等)中的任一者形成的固體基質(zhì)。導(dǎo)熱介質(zhì)20使管道中的鄰近管道相互熱耦合。
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，許多管道(從2個(gè)到數(shù)百個(gè)以上)以與用于外殼及管道型交換器中的管道束類似的并行管道束布置。可使用類似于用于外殼及管道型交換器中的管道尺寸及幾何形狀的管道尺寸及幾何形狀。管道大小及間隔經(jīng)選擇以使管道與導(dǎo)熱介質(zhì)之間的熱傳遞最大化。導(dǎo)熱材料(例如鋁、環(huán)氧樹(shù)脂、陶瓷等)的固體基質(zhì)圍繞所述管道而安置。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可通過(guò)以下方式來(lái)制造熱交換區(qū)段將兩個(gè)或兩個(gè)以上并行的緊密間隔的內(nèi)孔鉆孔或鑄造到固體基質(zhì)(所述基質(zhì)由因?yàn)槠湟子阼T造或鉆孔且因?yàn)槠湟子趥鬏敓崃慷贿x擇的材料形成)中，且接著將第二材料(因?yàn)槠浠瘜W(xué)性質(zhì)(不反應(yīng)的)或因?yàn)槠淠湍p而被選擇)的管道插入且接合到孔中，使得將熱量從一根管道傳輸?shù)搅硪桓艿赖木哂休^低熱阻的良好接合形成。所述接合可通過(guò)將填充物材料灌注到所述管道與所述孔之間的間隙中或通過(guò)抵靠所述內(nèi)孔的內(nèi)壁向外鍛造(擴(kuò)張)所述管道而形成?，F(xiàn)在參看圖2，橫截面圖展示根據(jù)本發(fā)明的熱交換器30，其中在圖IA及IB中描繪的熱交換器區(qū)段10在根據(jù)本發(fā)明的原理而構(gòu)造的說(shuō)明性熱交換器的一端處，分別通過(guò)入口歧管36及出口歧管38耦合到第一入口 32及第一出口 34。入口歧管36通過(guò)管板42與出口歧管38分離。管板42防止兩組溶液的混合，但允許每一組管道中的流體或灰漿在從交換器的一端到另一端的單個(gè)通路中流動(dòng)。入口及出口歧管36及38中的每一者經(jīng)設(shè)計(jì)以收集來(lái)自一組管道的所有流(或?qū)⒋肆饕氲剿鼋M管道中)。如圖2中所展示，管道直徑及歧管以使得允許灰漿(例如基于水的溶液或腐蝕性溶液中的礦漿)的均勻流動(dòng)而無(wú)固體沉淀，且防止來(lái)自兩個(gè)不同組的管道的流的混合的方式來(lái)設(shè)計(jì)及布置。在如圖2中所展示的說(shuō)明性實(shí)施例中，在配合凸緣處，入口歧管36栓接到熱交換區(qū)段10。類似地，在配合凸緣處，管板42及出口歧管38栓接到入口歧管36。此構(gòu)造促進(jìn)熱交換器30的拆卸以用于修理及維護(hù)。如圖2中所展示，管道18a、18b及18c的第一端與入口歧管36連通，且與管道18a、18b及18c交替的管道18d、18e及18f的第一端與出口歧管38連通。在熱交換區(qū)段10的另一端處，管道18a、18b及18c的第二端與出口歧管44連通，且管道18d、18e及18f的第二端與入口歧管46連通。出口歧管44與出口 48連通，且入口歧管46與入口 50連通。入口歧管46通過(guò)管板52與出口歧管44分離。管板52防止兩組溶液的混合。在凸緣處，入口歧管46、出口歧管44及管板52可相互栓接，且栓接到熱交換器區(qū)段10的第二端，以促進(jìn)熱交換器30的拆卸以用于修理或維護(hù)。雖然圖2展示垂直定向上的熱交換器30，但所屬領(lǐng)域中的一般技術(shù)人員將了解，可使用水平或有角度的定向。如上所述，熱交換器30的端以使得溶液或灰漿(流體)將維持簡(jiǎn)單且均勻的流徑的方式來(lái)配置。在剛剛描述的實(shí)施例中，第一方向上的流將穿過(guò)頭部管進(jìn)入所述熱交換器的第一端處的入口歧管中，穿過(guò)所述熱交換區(qū)段中的第一組管道，穿過(guò)所述熱交換區(qū)段的第二端處的出口歧管，以用于收集所有流體，且將其分配給所述歧管的側(cè)中的頭部管。第二方向上的流將穿過(guò)頭部管進(jìn)入所述熱交換器的第二端上的入口歧管中，穿過(guò)所述熱交換區(qū)段中的第二組管道，穿過(guò)所述熱交換區(qū)段的第一端處的出口歧管，以用于收集所有流體，且將其分配給所述歧管的側(cè)中的頭部管。管道與管板42及52之間的密封可使用壓縮配件或0形環(huán)密封件來(lái)形成，使得歧管組合件及管板可易于移除以用于維修。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可顛倒若干組歧管中的一者的入口及出口功能，使得順流布置(而不是逆流布置)實(shí)現(xiàn)。所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解，可使用不同于上述歧管的結(jié)構(gòu)來(lái)使所述第一及第二組管道的末端相互耦合。作為非限制性實(shí)例，可使用管道系統(tǒng)或管系統(tǒng)連接來(lái)使所述管道的末端相互合并。在根據(jù)本發(fā)明的一種方法中，可通過(guò)布置流，使其發(fā)生為從交換器的一端到另一端的要么順流(兩組管道中的流動(dòng)內(nèi)容物都在所述交換器的同一端處進(jìn)入)要么逆流的(其中第一溶液或灰漿進(jìn)入熱交換器30的第一端40，且存在于第二端處，而第二溶液或灰漿進(jìn)入所述第二端，且存在于第一端40處)的單個(gè)通路，來(lái)在管狀熱交換器中將熱量從第一組管道18a、18b及18c的流動(dòng)內(nèi)容物傳遞給第二組管道18d、18e及18f的流動(dòng)內(nèi)容物。在操作中，要么被加熱要么被冷卻的灰漿在第一組管道中行進(jìn)，且具有不同加熱概況的類似灰漿在第二組管道中行進(jìn)，所述第二組管道中的每一管道鄰近于所述第一組管道中的管道中的至少一者。當(dāng)兩個(gè)灰漿在相反(逆流)方向上行進(jìn)從而在加熱一個(gè)灰漿的同時(shí)冷卻另一個(gè)灰漿時(shí)，本發(fā)明是特別有用的。在典型的系統(tǒng)中，相對(duì)于被從較高溫度冷卻到室溫的返回的經(jīng)加熱的灰漿，將此逆流配置中的灰漿從室溫加熱到非常高的溫度(例如，200°C)是可能的。所述兩個(gè)灰漿的溫度接近度可接近到幾。C，使得即使高溫端處的灰漿可處于(例如)2000C，也僅需添加足夠的熱量來(lái)使所述灰漿升高幾。C。管道的大小及數(shù)目可在類似于已在外殼及管道型交換器或管狀交換器的制造中實(shí)踐的變化的較寬范圍上變化。取決于灰漿或工藝流體的類型和建造及維修所述交換器的成本權(quán)衡，管道系統(tǒng)直徑可從小于1/2英寸到3英寸或以上而變化。類似地，取決于要處理的液體或灰漿的總流速，管道的數(shù)目可從兩根管道到非常大的數(shù)目(類似于具有多于1，000根管道的一些外殼及管道型交換器)而變化。管道的間隔在本發(fā)明中比在典型的外殼及管道型交換器中重要，且是基于從一組中的管道到第二組中的交替(插入的)管道的熱流的數(shù)學(xué)建模。如果管道分開(kāi)得太遠(yuǎn)，那么離開(kāi)所述管道且進(jìn)入熱傳遞基質(zhì)的熱量可能平行于管道軸而流動(dòng)，且在非垂直點(diǎn)處，要么進(jìn)入同一管道要么進(jìn)入鄰近管道。這導(dǎo)致熱傳遞效果的“污點(diǎn)”。在最佳幾何形狀中，熱流使用最短流徑(其為與管道軸垂直的直線流徑)直接從一根管道流出，且流入到鄰近的管道中。這需要緊密的管道間距，但如果所述管道太緊密，那么所述交換器的構(gòu)造是困難且昂貴的。最佳基質(zhì)不必由最佳導(dǎo)熱材料來(lái)制造，而是由在管道間距限制內(nèi)最大化垂直熱流的材料來(lái)制造。實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)材料及介質(zhì)，管道的中心到中心間距可比管道直徑大約1/8英寸到約3/4英寸之間。如果所述熱交換器經(jīng)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，那么大多數(shù)熱流垂直于管道軸而流動(dòng)。這導(dǎo)致具有非常大的數(shù)目(幾乎無(wú)限數(shù)目)的理論熱交換階段的熱交換器。使用此設(shè)計(jì)，得到在一組管道中流動(dòng)的液體或灰漿與在另一組管道中流動(dòng)的液體或灰漿的非常接近的溫度接近度是可能的。這是本發(fā)明的有區(qū)別的特征之一。在外殼中具有流體的外殼及管道型交換器中，理論階段的數(shù)目由所述外殼中的流徑的有效性指示，且通常是較小的數(shù)目。作為極端實(shí)例，熱量可作為外殼中的蒸汽從所述管道中的灰漿提取，但在此情況下，不考慮所述交換器的長(zhǎng)度，僅存在一個(gè)理論傳遞階段，因?yàn)樗鐾鈿ぶ械恼羝刻幵谙嗤臏囟?。較低數(shù)目的理論階段的影響是所述交換器必須長(zhǎng)得多，以實(shí)現(xiàn)與具有較大數(shù)目的理論階段的熱
8交換器相同的溫度概況。在處理灰漿的外殼及管道型交換器配置中，所提取的熱量必須被送到第二交換器，在所述第二交換器處，所述熱量接著被傳遞到其它灰漿。當(dāng)流動(dòng)流體是灰漿時(shí)，本發(fā)明允許交換器的高效設(shè)計(jì)用于熱量的提取及同時(shí)傳遞。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將具有5/8英寸的外徑及1/2英寸的內(nèi)徑的不銹鋼管道放置在中心為7/8英寸的以塊為中心的基質(zhì)中，且固體鋁基質(zhì)圍繞它們而鑄造。環(huán)繞外部行的管道的“外殼”基質(zhì)的厚度是變化的，且確定的是，此區(qū)域中的厚度應(yīng)約為管道直徑的一半。雖然小直徑管道在傳遞熱量方面是非常有效的，但一些灰漿(因?yàn)樗鼈兙哂懈叩枚嗟恼承?需要通過(guò)大得多的管道來(lái)處理。同樣，對(duì)于具有非常高的液體或灰漿流速的工藝工廠，可選擇較大的管道，因?yàn)榻粨Q器的資本及維護(hù)成本隨著管道系統(tǒng)直徑減小而增加。在本發(fā)明的開(kāi)發(fā)過(guò)程期間，不同的熱交換器通過(guò)圍繞約7/8英寸的中心上的5/8英寸外徑、1/2英寸內(nèi)徑的不銹鋼管道鑄造鋁、鋅及銅基質(zhì)來(lái)形成。使用當(dāng)前針對(duì)水的水流動(dòng)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)大于400BTU每小時(shí)每平方英尺每。F的熱傳遞系數(shù)(從一組管道中的液體到另一組管道中的液體)。對(duì)于從管道中的液體到外殼中的液體的熱傳遞，外殼及管道型交換器通常實(shí)現(xiàn)300BTU每小時(shí)每平方英尺每。F。現(xiàn)在參看圖3，圖展示使用根據(jù)本發(fā)明的原理的說(shuō)明性熱交換器的說(shuō)明性工藝。使用處于50° F且處于環(huán)境壓力下的礦石灰漿，所述工藝在參考標(biāo)號(hào)60處開(kāi)始。泵62將灰漿的壓力提高到450PSI。灰漿接著經(jīng)泵送而向上穿過(guò)熱交換器64，在熱交換器64中，所述灰漿接收來(lái)自向下行進(jìn)穿過(guò)熱交換器64的灰漿的熱量。在熱交換器64的輸出處，所述灰漿的溫度是350° F，且處在430PSI的壓力下。所述灰漿行進(jìn)到具有加熱器68的高壓釜66中，加熱器68將所述灰漿的溫度提高20° F，達(dá)到370° F(所述灰漿在此溫度下被處理)。所述灰漿接著返回行進(jìn)向下穿過(guò)熱交換器64，在熱交換器64中，所述灰漿將熱量傳遞給向上移動(dòng)穿過(guò)熱交換器64的逆流灰漿。在70° F的溫度且在410PSI的壓力下，所述灰漿從熱交換器64的底部排出。所述灰漿接著穿過(guò)減壓閥70，且在參考標(biāo)號(hào)72處傳遞到處于環(huán)境壓力下且處于70° F的溫度下的下游工藝。本發(fā)明滿足長(zhǎng)期遺留且未得到滿足的對(duì)可有效地且高效地到將熱量從一個(gè)礦石灰漿傳遞到另一礦石灰漿的設(shè)備的需要，且因此表示優(yōu)于尚未滿足此需要的現(xiàn)存現(xiàn)有技術(shù)熱交換器的主要進(jìn)步。雖然本發(fā)明在采礦業(yè)中的礦漿中的熱交換的背景下揭示，但所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有比礦漿寬得多的用途，例如用于當(dāng)前使用其它類型的交換器的醫(yī)藥及化學(xué)行業(yè)中使用的各種工藝中。目前用于這些行業(yè)的熱交換器具有難以清洗的復(fù)雜幾何形狀、尖角及通道配置。根據(jù)本發(fā)明的一種簡(jiǎn)單配置(其中，在任一方向上移動(dòng)的所有流體移動(dòng)穿過(guò)易于進(jìn)入且易于清洗的圓形的、直的、非結(jié)垢管道)解決了現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。本發(fā)明提供顯著降低維護(hù)及操作成本的高效、到目前為止不可獲得的熱交換器。雖然已展示并描述了本發(fā)明的實(shí)施例及應(yīng)用，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明自，在不脫離本文中的發(fā)明性概念的情況下，比上文所提到的修改多得多的修改是可能的。因此，只要在所附權(quán)利要求書(shū)的精神中，本發(fā)明是不受限制的。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，其包括熱交換器區(qū)段，其具有呈緊密間隔的幾何圖案的從所述熱交換器區(qū)段的第一端延伸到所述熱交換器區(qū)段的第二端的多個(gè)并行管道；及固體導(dǎo)熱介質(zhì)，其與所述多個(gè)并行管道接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述管道由經(jīng)選擇以與用于將與之一起使用的灰漿中的化學(xué)制品相容的材料來(lái)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中基質(zhì)由可通過(guò)鉆孔及鑄造中的一者加工的導(dǎo)熱材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述基質(zhì)由金屬、陶瓷、復(fù)合材料、玻璃、塑料及石墨中的一者形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述管道由在高于所述基質(zhì)材料的熔化或軟化溫度的溫度下熔化或軟化的材料形成；且所述基質(zhì)材料以熔融狀態(tài)圍繞所述管道而灌注。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述基質(zhì)由液體基質(zhì)材料形成，所述液體基質(zhì)材料通過(guò)不同于從熔化狀態(tài)冷卻的工藝來(lái)固化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱交換器，其中所述基質(zhì)材料為通過(guò)聚合及結(jié)晶中的一者來(lái)固化的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述管道由不銹鋼形成；且所述基質(zhì)為經(jīng)鑄造的鋁、鋅及鋁或鋅的合金中的一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中第一歧管安置在所述熱交換區(qū)段的第一端處，且以流體方式耦合到第一組管道的第一端；第二歧管安置在所述熱交換區(qū)段的所述第一端處，且與所述第一歧管隔離，所述第二歧管以流體方式耦合到與所述第一組管道交替的第二組管道的第一端；第三歧管安置在所述熱交換區(qū)段的第二端處，其以流體方式耦合到所述第一組管道的第二端；且第四歧管安置在所述熱交換區(qū)段的所述第二端處，且與所述第三歧管隔離，所述第四歧管以流體方式耦合到所述第二組管道的第二端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其中所述第一到第四歧管經(jīng)配置以便提供供流體穿過(guò)的簡(jiǎn)單且均勻的流徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其中所述第一歧管安置在所述熱交換區(qū)段的第一端與所述第二歧管之間，所述第二組管道的所述第一端穿過(guò)所述第一歧管以到達(dá)所述第二歧管；且所述第三歧管安置在所述熱交換區(qū)段的第二端與所述第四歧管之間，所述第二組管道的所述第二端穿過(guò)所述第三歧管以到達(dá)所述第四歧管。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其中所述第一歧管在其第一端處包括第一凸緣，所述第一凸緣在所述熱交換區(qū)段的所述第一端處栓接到配合凸緣，所述第一歧管在其第二端處還包括第二凸緣；所述第一歧管通過(guò)第一管板與所述第二歧管隔離；所述第二歧管包括第一凸緣，且通過(guò)穿過(guò)所述第一管板及所述第一歧管的所述第二凸緣的螺栓而栓接到所述第一歧管；所述第三歧管在其第一端處包括第一凸緣，所述第一凸緣在所述熱交換區(qū)段的所述第二端處栓接到配合凸緣，所述第三歧管在其第二端處還包括第二凸緣；所述第三歧管通過(guò)第二管板與所述第四歧管隔離；且所述第四歧管包括第一凸緣，且通過(guò)穿過(guò)所述第二管板及所述第三歧管的所述第二凸緣的螺栓而栓接到所述第三歧管。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其進(jìn)一步包括第一入口，其以流體方式耦合到所述第一歧管；第二入口，其以流體方式耦合到所述第二歧管；第一出口，其以流體方式耦合到所述第三歧管；及第二出口，其以流體方式耦合到所述第四歧管。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其進(jìn)一步包括第一入口，其以流體方式耦合到所述第一歧管；第一出口，其以流體方式耦合到所述第二歧管；第二出口，其以流體方式耦合到所述第三歧管；及第二入口，其以流體方式耦合到所述第四歧管。
15.一種用于提供第一流體與第二流體之間的熱交換的方法，其包含提供具有與固體導(dǎo)熱介質(zhì)接觸的呈緊密間隔的幾何圖案的多個(gè)并行管道的熱交換器，所述多個(gè)大體上直的并行管道包括第一組管道及與所述第一組管道交替的第二組管道；使所述第一流體流經(jīng)所述第一組管道；及使所述第二流體流經(jīng)所述第二組管道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一流體在第一方向上流動(dòng)，且所述第二流體在與所述第一方向相反的第二方向上流動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一及第二流體在同一方向上流動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中使所述第一流體流經(jīng)所述第一組管道包含使灰漿流經(jīng)所述第一組管道。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中使所述第二流體流經(jīng)所述第二組管道包含使灰漿流經(jīng)所述第二組管道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱交換器，其包括熱交換區(qū)段，所述熱交換區(qū)段包括第一組管道及與所述第一組管道交替的第二組管道。所述第一及第二組管道與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，所述熱交換區(qū)段的第一端處的第一入口歧管以流體方式耦合到所述第一組管道的第一端。第一出口歧管與所述第一入口歧管隔離，且以流體方式耦合到所述第二組管道的第一端。所述熱交換區(qū)段的第二端處的第二入口歧管以流體方式耦合到所述第二組管道的第二端。第二出口歧管與所述第二入口歧管隔離，且以流體方式耦合到所述第一組管道的第二端。
文檔編號(hào)F28F7/02GK102597684SQ201080051374
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者達(dá)尼埃爾·W·卡佩斯, 達(dá)斯廷·J·阿爾賓 申請(qǐng)人:卡佩斯和卡西迪聯(lián)合公司