專利名稱：流體熱交換器和裝有這種交換器的空氣蒸餾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體熱交換器，它使一種液體與第二種流體進(jìn)行熱交換，從而使該液體蒸發(fā)。這種熱交換器包括一個(gè)由一組平行垂直板件形成的平行六面體的本體，在板件之間限定了許多平伸的通道，這些通道分成一組蒸發(fā)通道和一組加熱通道，每個(gè)通道在其熱交換的流動(dòng)部分中都包含一個(gè)具有垂直母面的波狀間隔件，設(shè)置在交換器上端處的液體分配部件，用于在蒸發(fā)通道的全長范圍上分配液體，還設(shè)有將第二種流體送入加熱通道的部件。這種交換器尤其能應(yīng)用于空氣蒸餾裝置中。
在雙蒸餾柱型的空氣蒸餾裝置中，位于低壓柱底部的液態(tài)氧通過與位于中壓柱頂部的氣態(tài)氮進(jìn)行熱交換而被蒸發(fā)。當(dāng)?shù)蛪褐墓ぷ鲏毫o定時(shí)，由于熱交換器的結(jié)構(gòu)而成為不可避免的氧和氮之間的溫差決定了中壓柱的工作壓力。因此人們希望該溫差能盡可能地小，以便使壓縮注入到中壓柱的待處理的空氣所涉及的費(fèi)用降低到最低水平。
為了利用銅焊板式熱交換器的極有利的工藝技術(shù)來達(dá)到這一目的，本申請人的專利EP-A-0130122中提出了一種極其有效的液態(tài)氧分配方法。
然而，不論采用何種分配方法，現(xiàn)有技術(shù)卻具有一定的局限性。這是因?yàn)?，盡管液態(tài)氧處于僅僅稍高于大氣壓力的某個(gè)壓力下，但是由蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)氧必須通過交換器面離開，因此氣態(tài)氧通道上的壓力降必須很低。在所有公知的裝置結(jié)構(gòu)中，這種約束條件限定了交換器的高度，更一般地說是限制了交換器的性能。
本發(fā)明的目的是要能夠增加這種熱交換器的高度，或者在給定高度下減小已蒸發(fā)氧在流動(dòng)期間的壓力降。為此提供一種上述類型的熱交換器，其特征在于所述分配部件設(shè)置在上端封閉的隔腔中，每個(gè)隔腔都位于一個(gè)加熱通道上方，從該通道處由一個(gè)水平板條分隔開，一個(gè)水平狹槽在交換器全長上延伸且正好位于板條上方，該狹槽使隔腔的下端部分與一個(gè)相鄰的蒸發(fā)通道自由連通，蒸發(fā)通道在其全長上其上下端處都是敞開的并且在全長上含有一個(gè)以上的具有垂直母面的波狀間隔件。
其它特征還包括-蒸發(fā)通道沒有對著狹槽的任何波狀間隔件;
-板條的上表面朝著狹槽橫向傾斜;
-液體分配部件一方面包括一個(gè)在每個(gè)隔腔全長上延伸的位于隔腔中部高度上的水平桿，該桿的厚度等于板件(或?qū)影?之間的間距并且桿上有用于液體預(yù)分配的開口，另一方面包括一個(gè)在桿下方的用于在隔腔的整個(gè)水平長度上精細(xì)分配液體的填充物;
-所述開口構(gòu)成在水平方向上的一排相互等距的孔;
-桿在一個(gè)垂直表面上有一個(gè)或幾個(gè)向下封閉向上敞開的后槽，在另一個(gè)垂直表面上則有一個(gè)或幾個(gè)向下敞開向上封閉的前槽，上述開口穿過前后槽公共的垂直壁;
-桿上包括幾個(gè)相互相間的后槽和幾個(gè)相互相間的前槽;
-前槽具有一個(gè)向下擴(kuò)張的形狀;
-填充物是一個(gè)具有水平母面的波狀部件，其端部設(shè)有彎曲部分;
-交換器包括一個(gè)使液體進(jìn)入其隔腔中的橫向入口箱，該箱的最下端位于這些隔腔的入口窗口的最下端的下面。
本發(fā)明的目的還在于提供一種通過蒸餾分離空氣的裝置，這種裝置包括一個(gè)在相對較高壓力下工作的第一蒸餾柱，一個(gè)在相對較低壓力下工作的第二蒸餾柱，和一個(gè)能使第二蒸餾柱底部的液態(tài)氧與第一蒸餾柱頂部的氣態(tài)氮進(jìn)行熱交換的熱交換器;這種裝置的特征在于其熱交換器就是上面所限定的熱交換器，并且包括將液態(tài)氧供給到液體分配部件的供給裝置和將氣態(tài)氮供給到加熱通道中的裝置。
下面參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。附圖中，

圖1是本發(fā)明的空氣蒸餾裝置的一個(gè)部分示意圖;
圖2是沿圖4中線Ⅱ-Ⅱ截取的圖1中區(qū)域Ⅱ的垂直截面放大圖;
圖3是沿圖2中箭頭Ⅲ方向的一個(gè)局部平面圖;
圖4是沿圖2中線Ⅳ-Ⅳ的一個(gè)截面圖;
圖5是一種改型的類似視圖。
圖1示出了在一種雙蒸餾柱型空氣蒸餾裝置中應(yīng)用一個(gè)氧-氮熱交換器的可能性。這種裝置包括一個(gè)中壓柱1，該柱底部注入要在數(shù)量級為6巴絕對壓力下處理的空氣。集積在柱1底部的氧濃縮液體被送到稱為中壓柱的第二柱作為回流，它在稍高于大氣壓力下工作。集積在柱1頂部的氣態(tài)氮與集積在低壓柱底部的液態(tài)氧處于間接的熱交換關(guān)系，產(chǎn)生的冷凝氮用作柱1中和低壓柱中的回流，而生成的蒸發(fā)氧被返回到低壓柱的底部。
兩個(gè)蒸餾柱尤其可以是填充型的，這種降低裝置例如柱1的工作壓力的形式也有利于節(jié)能，氧和氮之間的熱交換在交換器2中進(jìn)行，交換器2安裝在柱1的上方，而低壓柱與柱1并列設(shè)置。
交換器2由一密封殼3構(gòu)成，殼3在其高度的大部分上含有一組矩形鋁制平行板件4，長度約為1-15米，高度約3-7米，板之間由釬焊(銅焊)固定的鋁制波紋板。
一個(gè)其壓力稍大于低壓柱壓力(例如數(shù)量級為1.4巴)的空間位于板4上端高度處，對著板4的垂直截面中的一個(gè)截面，該空間包圍成一個(gè)液態(tài)氧池5，液態(tài)氧由從低壓柱底部出來的并裝有一個(gè)泵(未示出)的導(dǎo)管6上的一個(gè)噴淋頭供給。泵可由一個(gè)池5液面調(diào)節(jié)器來控制，或者作為一種改型，由一個(gè)流量調(diào)節(jié)器來控制。在交換器2的頂端，殼3形成一個(gè)包含池5的拱頂7。從該拱頂7引出一導(dǎo)管8，用于將池5中的蒸發(fā)了的氧再送回到低壓柱底部，蒸發(fā)的氧氣是由于進(jìn)入泵和管路中的熱量造成的，以及在交換器2中蒸發(fā)的部分氧氣。
板4組件的上部由一個(gè)水平供給箱9供給6巴壓力下的氣態(tài)氮，供給箱9位于池5下方，通過導(dǎo)管10與中壓柱頂部相通。冷凝氧由一個(gè)水平收集器箱11從板4的底端排出，收集器箱11經(jīng)一導(dǎo)管與設(shè)置在柱1頂部的掩槽13相通。箱11上連接一個(gè)管1，用于排出不能凝結(jié)的稀有氣體。
導(dǎo)管15將低壓柱底部與板4下方的，位于殼3中的空間相連，該導(dǎo)管通過殼3的最低部分垂直進(jìn)入該空間，其上端有一個(gè)錐形偏導(dǎo)器16。殼3底部同樣也引出一個(gè)導(dǎo)管17，用于將過剩的液態(tài)氧回送到低壓柱底部。
下面參照圖2-4對交換器2的作用部分的結(jié)構(gòu)，亦即板4組件，進(jìn)行說明。
在這一區(qū)域中，交換器具有一個(gè)平行六面體的形狀，殼3由板件4的一些部分和一些板條狀間隔件限定，板條狀間隔件封閉由這些板件限定的通道(除在流體的入口和出口位置外)。板4限定了多個(gè)通道，它們可選擇作于氧的流動(dòng)(通道18)和氮的流動(dòng)(通道19)。通道18和19的大部分高度上都包含一個(gè)由具有垂直母面的波狀帶孔鋁板構(gòu)成的波狀隔板20。
氮通道的波狀隔板20上下都終止于氧通道的波狀隔板20之前。在板4下方，通道19的這些波狀隔板通過用于收集氮的傾斜波狀隔板(未示出)而延伸，后者終止于收集器箱11的入口處。在其上端處，這些相同的波狀隔析19通過用于分配氮的傾斜波狀隔板21而延伸，隔板21經(jīng)由交換器的一個(gè)橫向空口21A而終止于供給箱9的出口處。在隔板21上方，氮通道19由水平板條22封閉。其它的水平板條(未示出)將氮收集區(qū)域下方的氮通道下端封閉住。在板條22上方，每個(gè)氮通道由一個(gè)分配液態(tài)氧的隔腔23延伸，該隔腔由水平板條24在交換器上端處封閉。隔腔23從頂部到底部包括一個(gè)傾斜波狀隔板25(或者，作為改型，是一個(gè)帶孔的具有水平母面的波紋板片)，用于在隔腔23的整個(gè)長度上粗分配液態(tài)氧，該波紋隔板經(jīng)交換器的一個(gè)橫向空口26終止于池5中(見圖2);一個(gè)用于預(yù)分配液態(tài)氧的帶孔桿27，和一個(gè)用于精分配液態(tài)氧的填充物28。在該填充物和板條22的上表面之間設(shè)置一個(gè)自由空間29。
桿27由一個(gè)平行六面體的坯件加工而成，該坯件的厚度與板4之間的間距相等，即數(shù)量級為5至15毫米，坯件的長度也與這些板的長度相等。在桿的其中一個(gè)主表面上加工了一系列的后槽30(參見圖2)，它們是開口向上的U形槽，在它的另一表面上加工了一系列的前槽31，它們是開口向下的基本上呈半圓形的槽。每個(gè)槽31都處于在縱向上與一個(gè)槽30相重合的位置上，并在高度上槽31疊加在槽30上，從而在桿高度方向的中部，有一薄的垂直32兩個(gè)槽共面，見圖4。該壁上有一個(gè)穿通的圓孔33，沿著桿27以相同的正常間隔設(shè)置一些這樣的孔33。
填充物28由一個(gè)具有水平母面的波狀隔板構(gòu)成(一種稱之為相對于液態(tài)氧流的“硬路徑”布置)，水平母面不是穿孔型的，而是鋸齒形的。這意味著，在正常的間隔處，波狀隔板的每個(gè)水平的或擬水平的小面都配有一個(gè)齒狀峰頂，該齒頂向上偏移(錯(cuò)開)波狀隔板的四分之一齒距。齒頂?shù)膶挾?沿波狀隔板的一個(gè)母面測量)與將同一小面上的兩個(gè)相鄰齒頂相互分隔開的間距是同一數(shù)量級。
氧蒸發(fā)通道18的上下端都是敞開的，通道中含有直到板條22高度的下端處的波狀隔板20，而在對著空間29處沒有波狀隔板，然后從空間29的上部到通道的上端則含有另一個(gè)波狀間隔件20A，它與波狀隔板20相類似，但齒距較大。通道18中沒有波狀隔板的區(qū)域通過一個(gè)在交換器整個(gè)長度上伸展的位于空間29相同高度上的水平狹槽34與一個(gè)相鄰?fù)ǖ?9的空間29自由地連通。因此，在兩個(gè)板中一個(gè)板4在交換器的整個(gè)長度上是連續(xù)的，而兩個(gè)板中的另一個(gè)板實(shí)際由一個(gè)向上只延伸到板條22的矩形板4A和一個(gè)限定液態(tài)氧分配隔腔23的矩形板4B構(gòu)成，板條22的上表面35橫向傾斜，從相鄰板4斜坡式地向下延伸到相同的板4A的上緣邊。由于板條22有一個(gè)外伸部分，因此表面35稍微超出限定通道18的板4A的表面。
在工作中，液態(tài)氧池5維持在一個(gè)基本上不變的液面上，不會(huì)上升到超過在窗口26上方焊接在交換器上的一個(gè)垂直板5A的上表面，因此，液態(tài)氧通過窗口26的一端橫向進(jìn)入隔腔23中。同時(shí)氣態(tài)氮在6巴絕對壓力下經(jīng)箱9和分配波狀隔板21通過通道19的一端進(jìn)入到通道19的上端部分。
這樣，液態(tài)氧在全部孔30上方形成一個(gè)基本上高度均勻的液態(tài)氧通過孔33以一定數(shù)目的射流36在通道18的全長上進(jìn)行預(yù)分配，然后自由地落在填充物28上，而填充物28的結(jié)構(gòu)和布置能保證液態(tài)氧在通道18的全長上精細(xì)地分配。因此液態(tài)氧均勻地落到板條22的傾斜面35上，然后通過狹槽34流入通道18中。
這樣在通道18中所含的整個(gè)金屬表面上，即在板4和4A以及波狀隔板20上流動(dòng)著一薄層的液態(tài)氧，它由于與在交錯(cuò)通道19向下流動(dòng)的冷凝過程中的氮發(fā)生間接熱交換而部分蒸發(fā)。
如上所述，通道18不僅向上向下都敞開，而且在其全長上最大限度地消除了有礙氣態(tài)氧流動(dòng)的障礙物。因此在沿著通道高度的任一位置上，這些通道要么是空的(對著狹槽34)，要么只設(shè)置了具有垂直母面的且齒距很大的簡單波狀間隔件20，20A。波狀隔板20通過一種散熱片效應(yīng)而改善了與氮的熱交換，波狀隔板20A只用作一種間隔件，如果需要，甚至可以部分地省掉。
這樣，一部分蒸發(fā)了的氧可以向上離開交換器，并加入到上拱頂7中池5的蒸發(fā)部分中(見圖1)，同時(shí)剩余的蒸發(fā)氧作為過剩液態(tài)氧向下離開交換器，然后經(jīng)導(dǎo)管15引出。已蒸發(fā)的氧的兩個(gè)出口路徑被一個(gè)減小的氣流橫向穿過，而且每個(gè)路徑上都作用一個(gè)使該氣體流動(dòng)的最小壓力降。最后可以增加交換器的高度。
應(yīng)該注意到，由于桿27的結(jié)構(gòu)，孔33具有水平軸線，在這些孔的下方，位于桿的后表面上存在一個(gè)死空間，液態(tài)氧中可能含有固體雜質(zhì)因此可沉積在這些死空間中，避免了孔33被堵塞的危險(xiǎn)。
類似地，殼3在液態(tài)氧池5區(qū)域中的外形結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)與入口窗口26相鄰的位于窗口26下方的死空間38，可以使最大的固體雜質(zhì)在離開供給導(dǎo)管6后沉積到這個(gè)死空間中，如圖2中39處所示。
根據(jù)具體的應(yīng)用情況，如果認(rèn)為這種沉淀足以能避免孔33被堵塞的危險(xiǎn)，那么還可能采用圖5所示的一種改型，它與前面所述的不同之處在于簡化了桿27的結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)具有矩形橫截面的簡單桿，其上在正常間距處設(shè)置了一些垂直軸線的孔33，這些孔從底部開始可以在其高度的主要部分上具有擴(kuò)大的直徑，如所引用的EP-A-0130122中所說明的那樣。
權(quán)利要求
1.流體熱交換器，它使一種液體與一個(gè)第二種流體熱交換而蒸發(fā)這種液體，這種熱交換器包括一個(gè)由一組平行垂直板件(4)形成的平行六面體的本體，在板件之間構(gòu)成許多平伸的通道(18，19)，這些通道分布成為一組蒸發(fā)通道(18)和一組加熱通道(19)，每個(gè)通道在其通常的熱交換部分都含有一個(gè)具有垂直母面的波狀間隔件(20)，在交換器(2)的上端處設(shè)有液體分配部件，用于在蒸發(fā)通道(18)的總長度上分配液體，還設(shè)置有用于將第二種流體引到加熱通道(19)中的部件(9)，其特征是，所述分配部件安置在其上端封閉的隔腔(23)中，每個(gè)隔腔都位于一個(gè)加熱通道(19)的上方，從通道(19)處被一個(gè)水平板條(22)分隔開，一個(gè)水平狹槽(34)在交換器的總長上延伸，正好位于板條(22)的上方，該狹槽使隔腔(23)的下端部分與一個(gè)相鄰的蒸發(fā)通道(18)自由地連通，蒸發(fā)通道(18)的上端和下端在其總長上都是敞開的，并且在沿其高度的所有各點(diǎn)處最多含有一個(gè)具有垂直母面的波狀間隔件(20A)。
2.按照權(quán)利要求1的交換器，其特征是，蒸發(fā)通道(18)中沒有任何對著狹槽(34)的波狀間隔件。
3.按權(quán)利要求1或2的交換器，其特征是，板條(22)的上表面(35)朝著狹槽(34)橫向傾斜。
4.按權(quán)利要求1至3中之一的交換器，其特征是，液體分配部件一方面包括一個(gè)在每個(gè)隔腔的總長上延伸，位于隔腔的中部高度的水平桿(27)，該桿的厚度與板件(4)之間的間距相等并有用于液體預(yù)分配的開口(33)，另一方面還包括一個(gè)位于該桿下方的用于在隔腔(23)的整個(gè)水平長度上精細(xì)分配液體的填充物(28)。
5.按權(quán)利要求4的交換器，其特征是，開口(33)在水平方向上形成一排相互等距的孔。
6.按權(quán)利要求4或5的交換器，其特征是，桿(27)包括一個(gè)或者幾個(gè)位于一垂直表面上的向下封閉、向上開口的后槽(30)并在其另一垂直面上有一個(gè)或多個(gè)向下開口和向上封閉的前槽(31)，開口(33)穿過一個(gè)前槽和后槽公共的垂直壁(32)。
7.按權(quán)利要求6的交換器，其特征是，桿(27)包括幾個(gè)相互相間的后槽(30)和幾個(gè)相互相間的前槽(31)。
8.按權(quán)利要求7的交換器，其特征是，前槽(31)有一個(gè)向下擴(kuò)張的形狀。
9.按權(quán)利要求4至8中之一的交換器，其特征是，填充物(28)是一個(gè)具有水平母面的波狀部件，其端部設(shè)有彎曲部分。
10.按權(quán)利要求4至9中之一的交換器，其特征是，填充物(28)與板條(22)的上表面(35)相隔開。
11.按權(quán)利要求1至10中之一的交換器，其特征是，它包括一個(gè)用于隔腔(23)中的液體的橫向輸入箱，其底部位于這些隔腔輸入窗口(26)底部的下方。
12.用于蒸餾分離空氣的裝置，這種裝置包括一個(gè)在較高壓力下工作的第一蒸餾柱(1)，一個(gè)在較低壓力下工作的第二蒸餾柱，和一個(gè)熱交換器(2)，該交換器可使第二蒸餾柱底部中的液態(tài)氧與第一蒸餾柱頂部件中的氣態(tài)氮進(jìn)行熱交換，其特征是，熱交換器是按照權(quán)利要求1至11中之一所述的熱交換器，所述裝置包括將液態(tài)氧供給到所述液體分配的供給部件(6)，和用于將氣態(tài)氮供入加熱通道的部件(9)。
全文摘要
氮冷凝通道(19)由板條(22)在向上方向封閉住，板條(22)上方限定了一個(gè)用于分配液態(tài)氧的隔腔(23)，它在其上端封閉。該隔腔在其高度的中部有一個(gè)水平桿(27)，桿下方是一個(gè)具有水平母面的波狀填充物(28)。液態(tài)氧橫向地引入這些隔腔中，由桿上的孔(33)進(jìn)行預(yù)分配，而由填充物(28)進(jìn)行精細(xì)分配，并且通過一個(gè)位于水平板條(22)上方的水平狹槽(34)進(jìn)入上下敞開的相鄰氧蒸發(fā)通道(18)。應(yīng)用于雙柱形空氣蒸餾裝置的初級蒸發(fā)器——冷凝器中。
文檔編號F25J3/04GK1078801SQ9310462
公開日1993年11月24日 申請日期1993年4月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月17日
發(fā)明者萊曼·瓊-伊薇絲, 馬勒·克里斯蒂安妮, 魯索·弗雷德里克, 托西·塞西爾 申請人:喬治·克勞德工藝研究開發(fā)有限公司