專利名稱：具有在通路中形成多個通道的熱交換結(jié)構(gòu)的板式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板翅式換熱器(échangeur de chaleur àplaques etailettes)。

背景技術(shù)：
存在各種類型的板翅式換熱器，每一種適用于特定領(lǐng)域中的應(yīng)用。具體地，本發(fā)明有利地應(yīng)用于一種用于通過低溫蒸餾分離空氣或H2/CO(氫/一氧化碳)的單元的換熱器。
所述換熱器可以是空氣分離裝置的主要的熱交換管路、過冷器或蒸發(fā)冷凝器，該主要熱交換管路通過與源自蒸餾塔的低溫產(chǎn)品間接進行熱交換來冷卻來流空氣。
這些換熱器中的常用技術(shù)是鋁制釬焊板翅式換熱器技術(shù)，該技術(shù)使得可以獲得具有大的換熱面積的非常緊湊的部件。
這些換熱器由在其間插入有波紋薄板或翅片的板件組成，從而形成一堆被稱為“冷”通路和被稱為“熱”通路的通路。
通常使用的熱交換翅片是直翅片、穿孔翅片和齒形翅片。
這些波紋翅片用如下參數(shù)表征 h(mm)波紋翅片的高度(3-10mm) e(mm)波紋翅片的厚度(0.2-0.6mm) n(m-1或inch-1)單位長度上的波紋翅片的數(shù)量(每米177-1102個波紋) perf(％)穿孔度(對于穿孔翅片而言為5％) ls(mm)齒形長度(就齒形翅片而言) 這樣，在釬焊板翅式換熱器中通常使用的翅片的水力直徑(Dh)的范圍為1至6mm。目前，這些波紋形熱交換翅片是沖壓成型的。
存在各種增大換熱面積的方法。
分隔兩流體的換熱面積由被稱為“主面積”的面積和被稱為“第二面積”的面積構(gòu)成，“主面積”對應(yīng)于兩流體間的平面面積，“第二面積”通常由翅片組成，所述翅片垂直于主面積并從而形成波紋形熱交換翅片。所插入的翅片的數(shù)量(翅片密度)和翅片的高度使得換熱面積增大。
翅片組越密，則換熱面積越大。但是，存在制造方面的限制，且存在與方法有關(guān)的約束。用于制造波紋翅片組的沖壓工具所能實現(xiàn)的最大密度為1023-1102個波紋每米。當(dāng)偏向于限制壓降時，所選擇的翅片密度可以更低。另外，在一定的操作條件下、例如在浸沒式蒸發(fā)冷凝器中，與安全有關(guān)的約束將每米的波紋數(shù)量限制在遠(yuǎn)低于在制造中所能達(dá)到的最大值的數(shù)值。
所述翅片具有溫度梯度。當(dāng)超過一定翅片高度時，翅片的中間區(qū)域以及附近的任何地方都不進行熱交換。因此，存在對應(yīng)于最佳翅片系數(shù)的最佳翅片高度。通常采用的翅片的高度范圍在3mm到10mm之間變化。
還可增大熱交換系數(shù)。
流體擾動越劇烈，則熱交換系數(shù)越佳?？赏ㄟ^改變通道的形狀或通過插入生成湍流的障礙物(如穿孔的直翅片、齒形翅片、人字形翅片、百葉窗板式翅片或通過插入小型翅片、孔洞等)生成所述湍流。
當(dāng)流體蒸發(fā)時，具有較高數(shù)量的成核部位的表面顯示出較好的熱交換系數(shù)。這些成核部位是存在于表面或穿過多孔層的具有多種尺寸和形狀的微型空腔(凹狀空腔)。
當(dāng)流體凝結(jié)時，液膜厚度對熱交換系數(shù)具有不利影響。因此，利用溝槽、穿孔或高低起伏將液體排出是有利的。
最近出現(xiàn)了一類被稱為微尺度換熱器的換熱器。
這是一種水力直徑小于1毫米的通道的換熱器。減小通道的尺寸使得有可能增大換熱面積(使該裝置更加緊湊)。于是，熱交換系數(shù)實際上與水力直徑成反比。
S.Kandlikar在2003年第一屆關(guān)于微通道與小型通道的國際會議上“Extending the applicability of the flow boiling correlation to lowReynolds number flows in microchannels(流動沸騰關(guān)系式在微通道內(nèi)低雷諾數(shù)流動中的應(yīng)用)”中基于通道的水力直徑提出如下分類 ○1mm＜Dh＜3mm的小型通道(對應(yīng)于本文波紋翅片組的Dh值) ○200μm＜Dh＜1mm的小型通道 ○Dh＜200μm的微通道 對于小型通道(200μm＜Dh＜3mm)，用于常規(guī)管的流體動力學(xué)定律仍然適用。
對于微通道(Dh＜200μm)，表面效應(yīng)相當(dāng)重要，常規(guī)的流體動力學(xué)定律不再適用。
EP-A-1008826描述了一種板式換熱器，其中，至少一個通路包含管狀的封閉的輔助通路，其最大寬度大于兩相鄰板件之間的距離的50％。
通過換熱器交換的(熱)通量由下式給出 φ＝k×S×ΔT 對于給定的ΔT，僅通過增大熱交換系數(shù)(k)和/或通過增大換熱面積(S)便可以提高(熱)交換。
在釬焊板翅式換熱器的情況下，由于制造和/或與方法有關(guān)的約束，利用所謂的“第二”面積增大換熱面積達(dá)到其極限。通過產(chǎn)生湍流來增大熱交換系數(shù)是有利的，但是具有兩個主要的缺陷 ●增加湍流會增大壓降； ●由于有關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而使制造成本增加。
因此，創(chuàng)造一種新形狀的波紋翅片組不能使熱交換系數(shù)顯著增加到超出現(xiàn)有翅片組所能達(dá)到的水平。至于產(chǎn)生成核部位和液體排出部位，這兩種方法只涉及特定類型的熱交換，主要是蒸發(fā)或冷凝。
因此，按照與上文所述相同的路線繼續(xù)開發(fā)，看來將很難使釬焊板翅式換熱器有實質(zhì)性的改進。
另外，微通道類型的技術(shù)非常昂貴(通道的微型加工)，且對于尺寸很小的換熱器當(dāng)前尚有所保留它目前不適用于諸如流量和溫差很大的空氣分離的應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
所提出的方案旨在通過向已經(jīng)存在的(“主”和“第二”)面積中結(jié)合以被稱為“第三面積”的第三換熱面積來增大換熱面積。
本發(fā)明提出了使得向當(dāng)前用于釬焊板翅式換熱器的波紋熱交換翅片組增添“第三”面積成為可能的三種設(shè)計 ●“多級波紋翅片組”交換通路； ●“小型通道”熱交換翅片組，擠制的翅片組； ●“小型通道”熱交換翅片組，毛細(xì)管。
本發(fā)明的一個主題涉及一種釬焊板式換熱器(échangeur de chaleuràplaques brasées)，該換熱器類型包括一堆限定多個具有扁平的總體形狀的流體循環(huán)通路的平行板件、界定這些通路的封閉板條、以及用于向第一系列通路的每個通路分配流體的分配裝置、和用于向第二系列通路輸送另一流體的裝置；在該換熱器中，至少一個通路包含至少一個結(jié)構(gòu)化的(熱)交換結(jié)構(gòu)，該熱交換結(jié)構(gòu)在通路的寬度上形成多個通道，每個通道或者與至少兩個其它通道接觸、或者與至少一個其它通道和一個板件接觸，該換熱器的特征在于，所述結(jié)構(gòu)還在通路的高度上形成至少三個通道、優(yōu)選地至少五個通道。
優(yōu)選地，每個通道與至少三個其它通道、或者一個板件和兩個其它通道接觸。所述板件可以是限定通路的板件，或者是位于通路中的第二板件。
根據(jù)其它的可選方面 -所述結(jié)構(gòu)由多個圓筒構(gòu)成； -在通路內(nèi)部存在至少一個第二板件，該第二板件具有扁平的總體形狀且與限定通路的板件平行； -所述結(jié)構(gòu)由波紋熱交換翅片組疊置形成，每一對相鄰的波紋熱交換翅片組可由第二板件進行分隔； -所述結(jié)構(gòu)由包含多個通道的單一體形成； -通道具有1-6mm的水力直徑； -通道具有200μm-1mm的水力直徑； -通道具有小于200μm的水力直徑； -通路具有3-18mm的高度； -所述通道具有圓形、橢圓形、方形、矩形、三角形或菱形的橫截面。
本發(fā)明的另一主題是一種包括至少一個如上所述的換熱器的低溫分離設(shè)備。
本發(fā)明的另一主題是一種空氣分離設(shè)備，其中，主要熱交換管路和/或蒸發(fā)冷凝器和/或過冷器是如上所述的換熱器。



下面將參考附圖更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中 圖2示出本發(fā)明所適用的這種具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的換熱器的一個示例的局部剖開的透視圖； 圖3A、4A和5A描繪了沿流體流動方向看去的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的換熱器的通路，圖3B、4B、4C和5B描繪了沿流體流動方向看去的根據(jù)本發(fā)明的換熱器的通路。

具體實施例方式 在圖2中，所示換熱器1包括一堆完全相同的平行的矩形板件2，這些板件2在其間限定有多個用于使流體處于間接熱交換關(guān)系的通路。在所示的示例中，這些通路相繼并循環(huán)地為用于第一流體的通路3、用于第二流體的通路4、以及用于第三流體的通路5。應(yīng)理解到，本發(fā)明涵蓋只包括兩種流體的換熱器或包括任意種數(shù)的流體的換熱器。
每個通路3-5的側(cè)面設(shè)置有界定該通路的封閉板條6，使入口/出口7為相應(yīng)的流體敞開。在每個通路中具有間隔波紋或波紋翅片8，其作為熱翅片、特別是在釬焊時作為所述板件之間的間隔件、并在使用受壓流體時作為防止板件的任何變形的方法、以及作為引導(dǎo)流體流動的引導(dǎo)件。
板件堆、封閉板條和間隔波紋通常由鋁或鋁合金制成，并通過爐中釬焊在單次操作中進行組裝。
然后將總體形狀為半圓柱體的流體入口/出口室9焊接到換熱器體部，這樣，把入口/出口室9裝配到相應(yīng)排的入口/出口孔上，并連接到供給和排出流體的管子10上。
可使用各種技術(shù)——例如在“Techniques de l’Ingénieur，06-2002”中由Anton GRUSS在“Micro échangeurs thermiques”中描述的那些技術(shù)——形成通道。
圖3B的方案利用類型相同但翅片高度更短的多個波紋熱交換翅片組13來代替圖3A中使用的傳統(tǒng)的波紋熱交換翅片組。這些插入換熱器的一個通路且為同一通路中的新翅片組利用覆蓋有釬焊金屬13的薄板進行組裝。這些被稱為“第三面積板”的薄板構(gòu)成所謂的“第三”附加面積。在該示例中，具有將三個翅片組分隔開的兩個薄板。
可以使用市面上能得到的所有類型的波紋翅片組，而只需修改和改變翅片的高度。因此，可以對構(gòu)成波紋翅片組類型的幾何結(jié)構(gòu)的所有參數(shù)(厚度、密度、翅片的穿孔等)進行調(diào)整。其它參數(shù)包括 ●通路高度； ●每個通路中換熱器翅片的數(shù)量； ●第三面積板的厚度(理論上等于波紋翅片組的厚度)； ●第三面積板的形狀是實心的或者具有精心定位的穿孔。
對于該“多級波紋翅片組”技術(shù)，其水力直徑與傳統(tǒng)的波紋翅片的通道的寬度具有相同的數(shù)量級(1/n-e)。
下表給出與相等密度n的傳統(tǒng)翅片組相比較對于多種翅片高度的換熱面積的增加 n*＝通路的高度方向的翅片的數(shù)量(第三面積板的厚度為0.2mm) w＝通道的寬度 h通道＝通道的高度 此處，通道的高度(h通道)限制成最小為2mm(由于釬焊的原因)。
對于相同的容積，增加堆疊于換熱器中的翅片的數(shù)量會增加其制造成本。但是，安裝成本保持不變。
圖4B的方案利用包含大量方形橫截面的小型通道19的結(jié)構(gòu)化的波紋翅片組17來代替圖4A中使用的傳統(tǒng)的波紋熱交換翅片組。該波紋翅片組可通過擠壓制得。
所述擠壓制造方法意味著可設(shè)想任意的通道橫截面(矩形、三角形、圓形、菱形等)。圖4C示出三角形橫截面的通道。
主要參數(shù)包括通路的高度、單位通路高度的通道數(shù)量、每1米寬的通路的通道的數(shù)量、以及與所使用的通道的幾何形狀相關(guān)的所有參數(shù)(通道高度、寬度、直徑等)。
該制造方法還使得可以在通道內(nèi)插入微翅片或小型翅片，以進一步增大換熱面積和/或以排出液體。
通道長度(流體熱交換長度)可被分成幾個擠壓制成的波紋翅片組模塊，各模塊隔開數(shù)毫米遠(yuǎn)以允許通道間的連通。
存在三類根據(jù)通道的水力直徑(Dh)進行區(qū)分的通道幾何結(jié)構(gòu) -Dh與傳統(tǒng)的波紋翅片組的通道寬度具有相同的數(shù)量級的通道(w＝1/n-e)； -Dh的范圍為200微米至1毫米的通道(小型通道)； -Dh小于200微米的通道(微通道)。
上文提及的三類(通道幾何結(jié)構(gòu))所獲得的換熱面積的增加如下 對于Dh與傳統(tǒng)的波紋翅片組的通道寬度具有相同的數(shù)量級的通道(w＝1/n-e)，本文提供了對于多種翅片高度且相對于具有相同高度和相等密度n的傳統(tǒng)翅片組的換熱面積(se)的增加。
對于Dh的范圍為200微米至1毫米的通道(小型通道)，本文提供了對于多種翅片高度且相對于相同高度和具有高密度n的傳統(tǒng)波紋翅片組的換熱面積(se)的增加。
對于Dh小于200微米的通道(微通道)，本文提供了對于多種翅片高度且相對于相同高度和具有高密度n的傳統(tǒng)波紋翅片組的換熱面積(se)的增加。
圖5B的方案利用合適數(shù)量的毛細(xì)管來代替圖5A中使用的傳統(tǒng)的波紋熱交換翅片組。這些毛細(xì)管由于其形狀而易于以有序的方式布置。這些毛細(xì)管覆有釬焊金屬并以機械方式組裝成一體。
可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括通路的高度、毛細(xì)管的直徑、毛細(xì)管的厚度或每平方米的毛細(xì)管的數(shù)量。
本文提供了對于多種翅片高度且相對于相等密度的傳統(tǒng)波紋翅片組的換熱面積(se)的增加。Dext是毛細(xì)管的外徑。
在每個示例中，為獲得相對于傳統(tǒng)方案的換熱面積的增加，毛細(xì)管的直徑等于最大直徑；較小的直徑將使換熱面積的增加遠(yuǎn)不夠明顯。
權(quán)利要求
1.一種釬焊板式換熱器，該類換熱器包括一堆限定多個具有扁平的總體形狀的流體循環(huán)通路(3，4，5)的平行板件(2)、界定這些通路的封閉板條、用于向第一系列通路(3，5)的每個通路分配流體的分配裝置、以及用于向第二系列通路(4)輸送另一流體的裝置，在該換熱器中，至少一個通路(3)包含至少一個結(jié)構(gòu)化的熱交換結(jié)構(gòu)(15，17，21)，該熱交換結(jié)構(gòu)在通路的寬度上形成多個通道(19)，每個通道(19)或與至少兩個其它通道接觸，或與至少一個其它通道和一個板件(2，13)接觸，該換熱器的特征在于，所述結(jié)構(gòu)還在通路的高度上形成至少三個通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)由多個圓筒(21)構(gòu)成。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的換熱器，其特征在于，在通路(3)內(nèi)部包括至少一個第二板件(13)，該第二板件具有扁平的總體形狀且與限定通路的板件(2)平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)由波紋熱交換翅片組(15)疊置形成，每一對相鄰的波紋熱交換翅片組可能由第二板件(13)進行分隔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)由包含多個通道(19)的單一體(17)形成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的換熱器，其特征在于，通道(19)具有1-6mm的水力直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的換熱器，其特征在于，通道(19)具有200μm-1mm的水力直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的換熱器，其特征在于，通道(19)具有小于200μm的水力直徑。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的換熱器，其特征在于，所述通道(19)具有圓形、橢圓形、方形、矩形、三角形或菱形的橫截面。
10.一種低溫分離設(shè)備，包括至少一個根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的換熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的空氣分離設(shè)備，其特征在于，主要熱交換管路和/或蒸發(fā)冷凝器和/或過冷器是根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的換熱器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種釬焊板式換熱器，其包括一堆限定多個大致扁平的流體循環(huán)通路的平行板件、界定所述通路的封閉板條、用于向第一系列通路的每個通路分配流體的分配裝置、以及用于向第二系列通路輸送另一流體的裝置；其中，至少一個通路包含結(jié)構(gòu)化的熱交換結(jié)構(gòu)(15)，該熱交換結(jié)構(gòu)在通路的寬度上形成多個通道(19)，并且還在通路的高度上形成至少三個通道(19)。本發(fā)明可用于通過低溫蒸餾的空氣分離。
文檔編號F25J3/00GK101194137SQ200680020242
公開日2008年6月4日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者F·克雷薩克, S·德紹特 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司