專利名稱：下流再沸器翅片的最佳設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一些換熱器，特別是在混合氣體的低溫蒸餾過(guò)程中被用作下流再沸器的板翅式換熱器，例如常壓蒸餾出其成分元素(氮、氧、氬等)。
低溫分離空氣是通過(guò)使液體和蒸氣逆流穿過(guò)一蒸餾塔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。汽相混合物隨著易輝發(fā)性成分(如氮)不斷增加濃度而上升，同時(shí)液相混合物隨著不易輝發(fā)成分(如氧)不斷增加濃度而下降。
借助于低溫蒸餾而將空氣中的成分分離出的工藝有多種。

圖1中示意性地示有一綜合的低溫空氣分離裝置10。高壓進(jìn)給空氣1被送入高壓蒸餾塔2的底部，在那里空氣被分離成富氮蒸氣5和富氧液體3。富氧液體3從高壓蒸餾塔2被送入到一低壓蒸餾塔4。低壓蒸餾塔4可分為多個(gè)分段。作為實(shí)例，圖1中示有這三個(gè)分段(4A、4B、4C)。
富氮蒸氣5進(jìn)入一冷凝器或再沸器6。在那里借助與富氧液體的換熱，使富氮被冷凝成液體，對(duì)高壓蒸餾塔2形成回流7A，而富氧液體則形成蒸出物到低壓塔4。富氮液體部分8A被放出，部分用作高壓蒸餾塔2回流，剩余物8B作為液體回流被送入低壓蒸餾塔4。在低壓蒸餾塔4中，進(jìn)給液體(3,8B)通過(guò)低溫蒸餾被分離成富氧和富氮成分。富氮成分作為蒸氣9A被排出，富氧成分作為另一蒸氣9B被排出。另一方面，使富氧成分可以則作為液體從環(huán)繞再沸器/冷凝器6的槽中排出。廢物流11從低壓蒸餾塔4中被排出。
本發(fā)明涉及一種特殊型式的板翅式換熱器，這種換熱器在上述低溫工藝中用作再沸器/冷凝器6。在這種通常被稱作“下流再沸器”或“降膜蒸發(fā)器”的換熱器中，熱交換是在一組通道的沸騰物流或蒸發(fā)物流和另一組通道的冷凝物流之間間接進(jìn)行的、術(shù)語(yǔ)“下流”或“降可能向上或與蒸發(fā)物流的流動(dòng)相交叉，但通常冷凝物流的流動(dòng)方向也是向下的。
這種換熱器能熱連接兩個(gè)蒸餾塔，在一個(gè)蒸餾塔的頂部，含有氮或氬的冷凝物流用作回流，在另一蒸餾塔的底部，含有蒸發(fā)物流的氧用作蒸出物。如圖1中所示氮及前面所討論的。
雖然在努力設(shè)計(jì)和建造更具能效的氣體分離設(shè)備，特別是大型設(shè)備的過(guò)程中，已經(jīng)生產(chǎn)出許多高性能、高效率的蒸餾塔、壓縮機(jī)、泵和膨脹器、換熱器，特別是再沸器/冷凝器，在增進(jìn)能效和改進(jìn)性能上仍是個(gè)有潛力的領(lǐng)域。
銅焊板翅式鋁換熱器在空氣分離和其他低溫裝置上通常用來(lái)作再沸器/冷凝器?？墒惯@種換熱器的傳熱性能受到翅片尺寸變化的影響。例如三個(gè)可以變化的主要參數(shù)是翅片高度、翅片厚度和翅片出現(xiàn)率。
雖然下流再沸器用于低溫工業(yè)已有多年，但板翅式換熱器的制造廠家仍未能提出如本發(fā)明所論及的最佳翅片設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，本發(fā)明已得到一些驚人而意外的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)是關(guān)于翅片尺寸優(yōu)化的，以使空氣分離設(shè)備中再沸器的性能最佳。這些驚人而意外的發(fā)現(xiàn)，可以用來(lái)制造本發(fā)明的改進(jìn)板翅式換熱器，而當(dāng)這種換熱器在空氣分離設(shè)備中被用作再沸器時(shí)，將產(chǎn)生更加有效的空氣分離工藝。
最佳翅片設(shè)計(jì)，就是要使下流再沸器的尺寸、重量和/或成本趨于最小值。這樣將使空氣分離工藝效率更高，以及/或單位產(chǎn)量的成本更低。
還要使用一種比現(xiàn)有技術(shù)再沸器更緊湊、效率更高的下流再沸器以使空氣分離有一個(gè)更有效的工藝。
還要有一種方法便于裝配應(yīng)用最佳翅片設(shè)計(jì)的板翅式換熱器或下流再沸器。
基于驚人而意外的發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明應(yīng)用較低的翅片高度、薄的翅片厚度和高的翅片出現(xiàn)率，對(duì)用于下流再沸器的板翅式換熱器提供最佳的翅片設(shè)計(jì)。特別是，本發(fā)明的板翅式換熱器或下流再沸器應(yīng)用了如下面要討論的最佳翅片尺寸。本發(fā)明也包括一種方法來(lái)裝配這種板翅式換熱器和裝配具有這種換熱器或下流再沸器的低溫空氣分離裝置。
在第一個(gè)實(shí)施例中，板翅式換熱器有很多翅片，這些翅片以基本上一致的翅片出現(xiàn)率即大于或等于每英寸25片，被配置在相鄰隔離片材之間，而且每個(gè)翅片基本上等高，其高度小于或等于0.2英寸。
在第二個(gè)實(shí)施例中，板翅式換熱器有許多翅片，這些翅片被配置在相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片都是基本等高和等厚的，其高度和厚度分別為小于或等于0.20英寸及小于或等于0.008英寸。
在第三個(gè)實(shí)施例中，板翅式換熱器有很多翅片，這些翅片以基本一致的翅片出現(xiàn)率即大于或等于每英寸25片，被配置在相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片都是基本等高和等厚的，其高度和厚度分別為小于或等于0.20英寸及小于或等于0.008英寸。例如，在這一換熱器中，翅片出現(xiàn)率為每英寸40片，翅片高度約為0.100英寸，翅片厚度約為0.004英寸。在另一這樣換熱器中，翅片出現(xiàn)率約為每英寸40片，翅片高度約為0.100英寸，翅片厚度約為0.008英寸。
這些翅片可以是平的、穿孔的、齒形的或波(人字)形的。通常，這些翅片是用鋁或鋁合金制成的。然而，翅片也可以由其他導(dǎo)熱材料制成。
第四個(gè)實(shí)施例是用于再沸器或冷凝器設(shè)施的板翅式換熱器，該換熱器具有一個(gè)包含多個(gè)平行隔離片材和被配置在相鄰隔離片材之間的許多波形翅片組合的平行六面體。這些翅片具有基本一致的、大于或等于每英寸25片的出現(xiàn)率，每個(gè)翅片都基本等高和等厚，其高度和厚度分別小于或等于0.20英寸和0.008英寸。
本發(fā)明的另一方面是具有按本發(fā)明板翅式換熱器的低溫空氣分離裝置。例如，低溫空氣分離裝置可以有一個(gè)如上面第四實(shí)施例所述的用于再沸器或冷凝器設(shè)施的板翅式換熱器。
本發(fā)明還有一方面是提供一種按本發(fā)明的板翅式換熱器裝配方法，就如上面討論這些實(shí)施例中所描述的。這種換熱器的裝配方法包括以下步驟。第一步驟是準(zhǔn)備兩塊基本平行的隔離片材，下一步驟是使一長(zhǎng)條片材加工成波狀，以形成許多具有基本一致翅片出現(xiàn)率的翅片，這些翅片基本等高、等厚。最后步驟是在隔離片材之間配置這些波狀翅片片材。在裝配方法的一個(gè)實(shí)施例中，翅片出現(xiàn)率大于或等于每英寸25片，翅片高度小于或等于0.20英寸，翅片厚度小于或等于0.008英寸。
現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施例結(jié)合附圖作為實(shí)例來(lái)描述，其中圖1是一空氣分離裝置的示意性視圖；圖2是立體圖表示一下流再沸器及其難走和易走翅片的局部放大圖；圖3A示意性地表示一換熱器的蒸發(fā)物流通道，該換熱器用作下流再沸器說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用；圖3B示意性地表示一換熱器的冷凝物流通道，該換熱器用作下流再沸器表示本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用；圖4是一板翅式換熱器的一基本單元或分組件的分解透視圖；圖5A-D表示應(yīng)用在板翅式換熱器上的四種常用翅片；圖6為一示意圖表示隔離片材之間一翅片的基本組件和液體物流在通道A和B內(nèi)，這些通道實(shí)際上被隔離片材相互隔離；圖7為一示意圖表示簡(jiǎn)化的裝有翅片通道的幾何形狀，這里假設(shè)通道大致是矩形的；圖8是一圖表顯示翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸，翅片出現(xiàn)率fpi為常數(shù)25片/英寸時(shí)，[hA]*與[hAdT]*隨翅片高度H而變化的情況；圖9為一圖表顯示翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片出現(xiàn)率為常數(shù)25片/英寸時(shí)，[hA]*和[hAdT]*隨翅片高度H而變化的情況；圖10為一圖表顯示翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸時(shí)，[hA]*和[hAdT]*隨翅片出現(xiàn)率而變化的情況；圖11為一圖表，該圖表由標(biāo)出相對(duì)熱驅(qū)動(dòng)力和再沸器單位體積的相對(duì)負(fù)荷之比表示現(xiàn)有技術(shù)再沸器的工作特性。
圖12為一圖表，該圖表由標(biāo)出相對(duì)熱驅(qū)動(dòng)力和再沸器單位體積的相對(duì)負(fù)荷之比表示按本發(fā)明的一再沸器工作特性。
本發(fā)明為一板翅式換熱器，如前所述，應(yīng)用最佳的翅片尺寸以提高在沸騰和冷凝流體諸如冷凍劑(如氧和氮)之間的傳熱效率。提到將換熱器作為再沸器/冷凝器用于空氣分離設(shè)備中，這是要想指出優(yōu)先的應(yīng)用。然而，本發(fā)明可以用在需要這種換熱器設(shè)施的任何地方。
圖2中所示的下流再沸器是一板翅式換熱器，該換熱器具有第一個(gè)端頭12和第二個(gè)端頭14 。該換熱器6的本體16具有一般的平行六面體形狀。該換熱器6包含許多隔離片材，隔離片材限定許多通道，這些通道相互交替布置(18、20)，并被排列成第一個(gè)通道組18和第二個(gè)通道組20，以容置不同的流體，例如一組通道容置氧流，而另一組則容置氮流。
一個(gè)通道組18適合容置來(lái)自頂部封閉或敞開(kāi)的頂部盆狀裝置22的下降液體。通道18在換熱器本體16的頂部或第一端頭12和底部或第二端頭14是敞開(kāi)的。側(cè)擋板24封閉每個(gè)通道18的垂直端。一部分典型側(cè)擋板24的局部放大示在圖2右側(cè)。
通道(18、20)各含有由配置在相鄰隔離片材之間一波狀片材來(lái)形成的翅片，這些翅片基本垂直于隔離片材。在流體分布和傳熱通道內(nèi)設(shè)有翅片。翅片和隔離片材一般是由鋁或鋁合金制成的，但也可以由其他導(dǎo)熱材料制成。
如圖2所示，通道18的頂部裝有含穿孔29被水平放置的翅片27(見(jiàn)局部放大圖)。這種翅片叫做難走翅片，并能促進(jìn)通過(guò)盆狀部分22進(jìn)入到通道18的流體均勻分布。
通道18的底部有垂直置換傳熱的翅片28(見(jiàn)局部放大圖)，有時(shí)稱為易走翅片，這些翅片容置箭頭30方向上的流體流動(dòng)。圖2中所示的傳熱翅片28是鋸齒形的，然而，平的、穿孔的、人字形(波浪形)或其他相似形式的翅片也可以使用。
圖5A-D表示通常用在板翅式換熱器中的四種傳熱翅片，即平的、穿孔的、鋸齒形和波浪形(或人字形)的。
在圖2所示的實(shí)施例中，一進(jìn)入到盆狀裝置22的沸騰或蒸發(fā)流體，向下流過(guò)換熱器6中的通道18，并自由落下從換熱器的底端14排出，被本專業(yè)所熟知的裝置(未示出)所收集，以供該工藝的其他部分。將要冷凝的氣體經(jīng)由管道33和集管32引入到換熱器的通道20，并穿過(guò)一水平-垂直分布器，如箭頭34所示，被收集在一底部集管35中。
圖3A示意性地表示用作下流再沸器的換熱器6(圖2中所示)，在下流再沸器中，沸騰/蒸發(fā)物流經(jīng)由盆狀裝置22被導(dǎo)入到換熱器，如箭頭110所示。該沸騰/蒸發(fā)物流從換熱器中排出如箭頭112所示。進(jìn)來(lái)的物流110借助于難走翅片27被穿過(guò)通道18適當(dāng)?shù)胤植迹⒃谧鳛榻的さ某崞?8中經(jīng)歷傳熱。裝有翅片傳熱的三部段，如圖28A、28B和28C所示，具有逐步縮小的表面積，這有利于蒸氣物流的潤(rùn)濕和傳熱，由生達(dá)(Sunder)等人的美國(guó)專利5、122、174使人得知。
圖3B示意性表示換熱器6的冷凝通道，其中冷凝物流118經(jīng)由集管32被引入，并經(jīng)由集管35作為冷凝物流120被排出。這些通道有分布部段34，這些都段部分水平，部分垂直，大部分傳熱冷凝作為垂直降膜出現(xiàn)在所裝有的翅片36中，如圖3B所示。
在圖2、3A和3B所示的再沸器中，沸騰/蒸發(fā)物流可能是含氧流體，冷凝物流可能是氮和/或含氬流體。
本發(fā)明屬于一般垂直取向的易走傳熱翅片，裝有翅片在圖3A的蒸發(fā)物流通道中標(biāo)為28，在圖3B的冷凝物流通道中則標(biāo)為36。
圖4進(jìn)一步詳示在這種板翅式換熱器內(nèi)部，使用蒸發(fā)物流加有翅片28的基本分組件25。而原理也適用于冷凝物流加有翅片36。一板翅式換熱器包含許多分組件25，而分組件25則由配置在一波狀鋁片材28-兩側(cè)的鋁隔離片材(40、42)組成，波狀片材形成一系列基本垂直于隔離片材的翅片。每個(gè)分組件25通常是由銅焊在一起的兩隔離片材(40,42)、一翅片片材28間隔、側(cè)擋板(24A,24B)封閉的側(cè)面所組成，如圖4所示。一個(gè)完整的換熱器是由許多銅焊在一起的分組件25以及前面所述和圖2所示的其他部件裝配而成。
圖6表示隔離片材之間翅片的基本組件。由于通道A和B中的物流實(shí)際上被隔離片材相互隔開(kāi)，熱只能間接地交換。一已知的換熱器可能有許多這樣的通道，而在一下流再沸器中一般物流將以交替方式分布，以使一個(gè)蒸發(fā)通道近似對(duì)應(yīng)每個(gè)冷凝通道。一個(gè)完整裝配的板翅式換熱器有更多的另件，包括密封通道末端的端面和側(cè)面擋板，蓋住兩個(gè)最外邊通道的蓋片材，通道內(nèi)裝有翅片分布部段，一些外集管和用于將相應(yīng)工藝物流送入和送出換熱器的一些噴嘴。然而，這些特征并不屬于本發(fā)明。本發(fā)明是在如圖3A和3B所示換熱器的36和28部段中使翅片設(shè)計(jì)最佳。
通過(guò)下面的分析，對(duì)取得最佳翅片設(shè)計(jì)和最佳再沸器性能的本發(fā)明關(guān)鍵特性作了認(rèn)真的討論。雖然本發(fā)明得到普遍的應(yīng)用，為了便于分析討論，蒸發(fā)和冷凝流體分別用氧和氮來(lái)表示。
為了幫助理解板翅式換熱器中相鄰?fù)ǖ篱g傳熱的關(guān)系，在圖7中示有裝有翅片通道的幾何形狀簡(jiǎn)化表示，該圖中假設(shè)通道形狀大致是矩形的。除了在換熱器最外端的通道外，液流A的每個(gè)通道與流流B的一個(gè)通道進(jìn)行換熱。因?yàn)樵趽Q熱器中每個(gè)液流都對(duì)應(yīng)70-100個(gè)通道，所以端部的影響很小，可以忽略不計(jì)。不計(jì)壓差時(shí)傳熱的優(yōu)度在下面的理論分析中，當(dāng)蒸發(fā)流體以一特定速度流入分配給蒸發(fā)物流的空間時(shí)，對(duì)翅片高度、翅片厚度、翅片出現(xiàn)率分別對(duì)有效傳熱的影響進(jìn)行比較。這個(gè)空間包括被板翅式換熱器中金屬所占用的空間。為了做出優(yōu)度比較，對(duì)每種幾何形狀，將最初的表面速度轉(zhuǎn)換成有效速度，然后計(jì)算傳熱面積和傳熱系數(shù)。雖然示有的改進(jìn)和樣品計(jì)算是對(duì)蒸發(fā)的，但冷凝也有類似的結(jié)果和結(jié)論。
考慮物流A的一個(gè)通道，存在著下列關(guān)系，其中術(shù)語(yǔ)的定義列在17-18頁(yè)的術(shù)語(yǔ)表中W=1/fpi-tf[1]P=2*fpi*H+2*(1-fpi*tf) [2]Ap=2*(2-fpi*tf) [3]As=2*fpi*H [4]隔離片材的初始面積用Ap表示，翅片的第二面積用As表示。
Af=H*(1-fpi*tf) [5]
Deq=4*Af/p [6]由于與流入換熱器蒸發(fā)一側(cè)空間的等表面流速Q(mào)進(jìn)行比較，為了計(jì)算相對(duì)性能，下面將其轉(zhuǎn)換成有效流速Q(mào)eff=Q*[(H+tp)/H]/(l=fpi*tf) [7]Γ =(Qeff*3600/1728)*ρl*Af(P/12)[8]Rel=4*Γ/μl[9]δ =(3*μl*Γ/ρl2g)^1/3 [10]hNus=Kl/δ [11]heff=hNus*Re[12]Re=a*Rel^b [13]通過(guò)薄片降膜傳熱的基本方程是努塞爾在1916年首先導(dǎo)出的，該方程示在方程[10]和方程[11]中，實(shí)際上由于并發(fā)蒸氣流動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力，還由于有波動(dòng)和渦流，所以得出的值是較高的。波動(dòng)和渦流可以用包括液體膜的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)的修正系數(shù)來(lái)模擬，剪切應(yīng)力可以由降膜的減薄來(lái)模擬。同等工作條件下，通過(guò)在兩個(gè)不同幾何體中采用一個(gè)系數(shù)來(lái)進(jìn)行比較，后兩項(xiàng)可以略掉，只保留雷諾數(shù)?；谖墨I(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的某些結(jié)果，“a”項(xiàng)的數(shù)量級(jí)是0.7，“b”項(xiàng)的數(shù)量級(jí)是0.1。這一總簡(jiǎn)化在效率計(jì)算中帶來(lái)一小的誤差，對(duì)此將在下面作進(jìn)一步的討論。然而，這是第二個(gè)數(shù)量級(jí)的影響，所以可以忽略不計(jì)。另外，當(dāng)蒸發(fā)物流的流速低于一臨界值時(shí)，干斑點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)，于是將減小傳熱系數(shù)，這一情況會(huì)限制本文學(xué)說(shuō)僅適用于蒸發(fā)一側(cè)某些部分，就如下面進(jìn)一步所討論的。但這種減小不會(huì)出現(xiàn)在冷凝通道，所以本文學(xué)說(shuō)可以應(yīng)用到整個(gè)冷凝一側(cè)。
mL = (H/2)*[2*heff/(tf*Kmetal*12)]^0.5[14]η = tanh(mL)/mL [15]Atot= (Ap+η*As)/144 [16]Aeff= Atot/(H+tp) [17]
hAxxx=haff*Aaff[18][hA]*xxx=hAxxx/hAref[19]實(shí)例計(jì)算下面實(shí)例計(jì)算適合一雙塔空氣分離設(shè)備的主再沸器/冷凝器。蒸發(fā)物流在25磅/平方英寸面積下含有99.5％純氧。液體的特性是密度=70磅(質(zhì)量)/英尺2，導(dǎo)熱率=0.085英熱單位/小時(shí)英尺F和動(dòng)力粘度=0.42磅(質(zhì)量)/英尺小時(shí)。鋁的導(dǎo)熱率是100英熱單位/小時(shí)英尺F，隔離片材厚度是0.04英寸，冷凝一側(cè)物流接近純氮。然而，下面的計(jì)算僅是針對(duì)氧物流一側(cè)的。
一般用在下流再沸器中翅片尺寸范圍是H =0.20-0.30英寸tf=0.008-0.012英寸fpi=15-25/英寸這些范圍部分地受商用價(jià)值的限制。
為了說(shuō)明本發(fā)明的學(xué)說(shuō)，示有的實(shí)例計(jì)算的尺寸在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)，如下面所述。以下在極限尺寸范圍內(nèi)產(chǎn)生的許多尺寸組合，目前還沒(méi)有商用價(jià)值。
H =0.10-0.40英寸tf=0.002-0.014英寸fpi=10-40/英寸圖8表示在翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸，翅片出現(xiàn)率fpi為常數(shù)25/英寸時(shí)，[hA]*隨翅片高度H而變化的計(jì)算結(jié)果。下面的計(jì)算是在同樣表面氧流速的條件下進(jìn)行的，如此，在這個(gè)翅片高度范圍內(nèi)的中心點(diǎn)，兩個(gè)不同曲線的液體雷諾數(shù)是100和500，對(duì)每條曲線來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的所有點(diǎn)上的液體雷諾數(shù)將是不同的，但這種偏差的影響在這里的分析中已加以說(shuō)明。容積優(yōu)度[hA]*的大小隨著考慮到整個(gè)范圍內(nèi)翅片高度降低而固定地增加。這樣就可以認(rèn)為在下流再沸器中使用高度較低的翅片有利的。
圖9表示在兩種不同表面速度下，中央點(diǎn)的液體雷諾數(shù)為100和500，翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片出現(xiàn)率fpi為常數(shù)25/英寸時(shí)，[hA]*隨翅片厚度tf而變化的情況。如圖所示，考慮到整個(gè)范圍內(nèi)，[hA]*隨著翅片厚度的增加而固定地增加。這樣就可以認(rèn)為在下流再沸器中使用較厚的翅片是有利的。
圖10表示在兩種不同表面速度下，中央點(diǎn)的液體雷諾數(shù)為100和500，翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸時(shí)，[hA]*隨翅片出現(xiàn)率fpi而變化的情況。如圖所示，考慮到整個(gè)范圍內(nèi)隨著翅片出現(xiàn)率的增加，[hA]*固定地增加。這樣就可以認(rèn)為在下流再沸器中每英寸使用更多翅片將是有利的。計(jì)及考慮壓差的傳熱優(yōu)度下面分析包括壓差對(duì)傳熱優(yōu)度的影響。下流再沸器中可得到的熱驅(qū)動(dòng)力靠摩擦壓差而下降。當(dāng)傳熱特性主要由液相來(lái)決定時(shí)，壓差主要由蒸氣相來(lái)決定。如果一板翅式通道被認(rèn)為類似于一小管道，那么摩擦壓力梯度可表示為Δp/Δz=[(2f*pvV2)/g*Deq]*ψ[20]平衡尺寸的常數(shù)在上面方程中沒(méi)有示出。眾所周知，渦流狀態(tài)下摩擦系數(shù)f正比于蒸氣雷諾數(shù)或速度自乘-0.2次方。由于換熱器內(nèi)沿全長(zhǎng)任何距離z，并在相似工作條件下做出不同換熱器的比較，此時(shí)在換熱器中相關(guān)液體和蒸氣條件是相同的，所以，方程[20]的依據(jù)可以追溯到產(chǎn)生下列結(jié)果的有效液體流速(下列結(jié)果只能用于求出兩種不同情況下的相關(guān)值)。即Δp/Δz α Qeff1.8/Deq[21]另外，在下流再沸器中物流的溫度和壓力不是相互無(wú)關(guān)的。蒸發(fā)一側(cè)和冷凝一側(cè)的兩股物流遵循溫度與壓力的飽和關(guān)系，根據(jù)基本熱力學(xué)，它可以表示為ΔT/Δzα(T2/P)*(Δp/Δz) [22]另外，如果沒(méi)有摩擦壓差時(shí)熱驅(qū)動(dòng)力在換熱器中是δT，而且由于壓差而出現(xiàn)ΔT的減少，那么平均有效驅(qū)動(dòng)力dT可近似為dT=δT-(ΔT/2)[23]從方程[20-23]可得出兩種不同的幾何體在同樣表面條件下工作的有效熱驅(qū)動(dòng)力，可用下式來(lái)表示為dT/dTref=[1-(ΔT/2*δT)]/1-(ΔT/2*δt)ref] [24]和(ΔT/ΔTref)=[Qeff1.8/Deq]/[Qeff1.8/Deq]ref[25]為了評(píng)估有壓差時(shí)的傳熱優(yōu)度，需要用到下列公式hAdTxxx=heff*Aeff*dT[26][hAdT]*xxx=hAdTxxx/hAdTref[27]實(shí)例計(jì)算圖8-10示有[hAdT]*的某些實(shí)例計(jì)算。對(duì)這些計(jì)算，方程[24]中的[1-(ΔT/2*δT)項(xiàng)在每條曲線中均被設(shè)為0.9(在標(biāo)準(zhǔn)條件下)。
圖8表示在翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸和翅片出現(xiàn)率fpi為常數(shù)25/英寸時(shí)，[hAdT]依翅片高度H而變化的情況。這些計(jì)算是在同樣的表面氧流速下進(jìn)行的，此時(shí)，在這一翅片高度范圍內(nèi)中央點(diǎn)上兩條不同曲線的液體雷諾數(shù)是100和500。對(duì)于每條曲線，在遠(yuǎn)離中央點(diǎn)的所有點(diǎn)液體雷諾數(shù)是不同的，這種偏差的影響在這里的分析中已加以說(shuō)明。[hAdT]*是容積優(yōu)度的度量值，它隨著翅片高度H的降低而增加。與前面討論的[hA]*曲線明顯對(duì)比可知，在整個(gè)計(jì)及范圍內(nèi)趨勢(shì)不是不變的。但最佳點(diǎn)卻是朝著計(jì)及范圍的較低端。這樣可以認(rèn)為在下流再沸器中應(yīng)用較低的翅片高度是有利的。
圖9表示在兩種不同表面速度下，此時(shí)中央點(diǎn)的液體雷諾數(shù)是100和500，當(dāng)翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片出現(xiàn)率fpi為常數(shù)25/英寸時(shí)，[hAdT]*隨翅片厚度tf而變化的情況。如圖所示，[hAdT]*隨翅片厚度的增加而增大。但與前面討論的[hA]*曲線明顯對(duì)比可知，在整個(gè)計(jì)及范圍內(nèi)，趨勢(shì)不是不變的。相反，最佳點(diǎn)是朝著計(jì)及范圍的上端，這樣就可以認(rèn)為在下流再沸器中用這一上端范圍的翅片厚度是有利的。
圖10表示在兩種不同表面速度下，此時(shí)中央點(diǎn)的液體雷諾數(shù)是100和500，當(dāng)翅片高度H為常數(shù)0.25英寸，翅片厚度tf為常數(shù)0.008英寸時(shí)，[hAdT]*隨翅片出現(xiàn)率fpi而變化的情況。如圖所示，盡管相對(duì)于[hA]*曲線，[hAdT]*的增長(zhǎng)率有點(diǎn)下降，但它在整個(gè)計(jì)及范圍內(nèi)隨翅片出現(xiàn)率的增加仍是固定地增加。這樣就可以認(rèn)為在下流再沸器中應(yīng)用高翅片出現(xiàn)率是有利的。優(yōu)解的判定為了設(shè)計(jì)有效的下流再沸器，求出所有三個(gè)翅片參數(shù)(H,tf和fpi)的最佳配置是有必要的。圖8-10所示的上述計(jì)算結(jié)果表明，選擇低的翅片高度，中等翅片厚度和高的翅片出現(xiàn)率，則可提高傳熱優(yōu)度。當(dāng)考慮壓差的影響時(shí)，為了得到高的傳熱優(yōu)度，應(yīng)該使這三個(gè)參數(shù)離開(kāi)極值點(diǎn)。由三個(gè)范圍內(nèi)每個(gè)相反端參數(shù)的組合可得到最差的傳熱優(yōu)度。
某些實(shí)例的hA*和hAdT*的計(jì)算示在表1內(nèi)。
表1在同樣表面速度下，作為翅片尺寸函數(shù)的傳熱優(yōu)度
<p>對(duì)三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)，翅片高度H和翅片出現(xiàn)率fpi，在其整個(gè)本來(lái)范圍內(nèi)加以考慮，而第三個(gè)參數(shù)，翅片厚度tf由于兩個(gè)原因而在比以前稍為微小的范圍內(nèi)加以考慮。首先，對(duì)于可以做出多薄的翅片并將其銅焊成一板翅式換熱器實(shí)際上是有限制的；第二，當(dāng)三個(gè)參數(shù)同時(shí)在寬范圍內(nèi)改變時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)多得多的極端工藝組合。為了保持對(duì)中央點(diǎn)的對(duì)稱，計(jì)算使用范圍為0.004-0.012英寸。
這些計(jì)算都是在表面速度為常數(shù)，且在所有的情況下液體在中央?yún)⒖键c(diǎn)的雷諾數(shù)為100、300和500時(shí)進(jìn)行的。如表1所示，高翅片高度H，低翅片厚度tf和低翅片出現(xiàn)率fpi時(shí)是最差的組合(情況19)。最好性能的組合是意外的-低翅片高度，低于中等翅片厚度和高翅片出現(xiàn)率(情況3和6)。這是想不到的，可以認(rèn)為低的翅片厚度產(chǎn)生影響傳熱優(yōu)度的低翅片效率，當(dāng)有壓差時(shí)，最好性能是用很薄的翅片來(lái)達(dá)到的。計(jì)算結(jié)果和局限的概述上面的分析顯示意外的結(jié)果，即使用低翅片高度，薄翅片厚度，和高翅片出現(xiàn)率是用作下流再沸器的板翅式換熱器最佳翅片設(shè)計(jì)。然而，對(duì)某些限定應(yīng)用就如下面所討論的。
下流再沸器整體外形，即長(zhǎng)、寬和高，常常受到將再沸器裝到某個(gè)空氣分離設(shè)備內(nèi)有效空間的限制，所以，使用本發(fā)明提出的翅片有可能并不能用到整個(gè)換熱器上。(下面討論另一些準(zhǔn)則，以使本發(fā)明能應(yīng)用到最有利的地方)。當(dāng)蒸發(fā)膜下降到垂直表面時(shí)，其液體雷諾數(shù)連續(xù)下降，而其蒸氣雷諾數(shù)則同時(shí)上升。眾所周知，當(dāng)蒸發(fā)膜變得很薄而導(dǎo)致傳熱衰減時(shí)，蒸發(fā)膜有助于形成干斑點(diǎn)。由于這個(gè)原因，這里使人得知在接近入口處和下流再沸器傳熱部分蒸發(fā)一側(cè)的上部?jī)?nèi)是最有用的。圖3A中這一部段用加裝翅片28A來(lái)表示。對(duì)于更下面的區(qū)域(加裝翅片28B、28C)來(lái)說(shuō)其翅片出現(xiàn)率(fpi)可能是逐步減少的。另外，由于機(jī)械的和熱力的原因，翅片厚度(tf)可能隨著翅片出現(xiàn)率(fpi)的減少而同時(shí)增加，當(dāng)板翅式換熱器的幾何尺寸不允許輕易改變翅片高度時(shí)，最佳設(shè)計(jì)將使換熱器的整個(gè)長(zhǎng)度(27,28A,28B,28C)保持低的翅片高度(H)。
應(yīng)該注意，雖然上面的描述是借助三個(gè)裝有翅片部段28A、28B和28C而做出的，本發(fā)明的最普遍的應(yīng)用可能是蒸發(fā)一側(cè)通道的第一傳熱部段，這個(gè)蒸發(fā)一側(cè)通道可能包含一種或多種裝有翅片的部段(逐步減少表面積的部段)雖然上面的計(jì)算是對(duì)于蒸發(fā)一側(cè)物流的，但對(duì)于冷凝一側(cè)物流，類似的計(jì)算將導(dǎo)致同樣的結(jié)論。換句話說(shuō)，低翅片高度，薄翅片厚度和高翅片出現(xiàn)率對(duì)冷凝一側(cè)通道也是有利的。而且，因?yàn)橛筛砂唿c(diǎn)導(dǎo)致的傳熱衰減現(xiàn)象并不出現(xiàn)在冷凝中，所以本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到整個(gè)冷凝一側(cè)物流通道(36)。然而，由蒸發(fā)一側(cè)相反地改變翅片密度也是可能的，這樣當(dāng)換熱器的空間被嚴(yán)格限制時(shí)可使翅片出現(xiàn)率從接近頂部入口的低出現(xiàn)率變成接近底部出口的高出現(xiàn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了測(cè)試以上分析的正確性，構(gòu)成并測(cè)試了兩個(gè)下流再沸器。這些換熱器的一些尺寸如下
<p>本發(fā)明模型的所有三個(gè)翅片尺寸(H,tf,fpi)，按本發(fā)明使人得知對(duì)下流再沸器是最佳的方向，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)做了改變，這樣就使用于那個(gè)模型的較低翅片高度，較高翅片出現(xiàn)率和較薄翅片厚度與現(xiàn)有技術(shù)再沸器的翅片尺寸進(jìn)行比較，雖然這些值不在上面實(shí)例計(jì)算所示的極點(diǎn)，但基本性能有改進(jìn)是確實(shí)的，就如下面所討論的。除了上面指出的傳熱翅片的尺寸不同外，在所有其他特征上，兩個(gè)換熱器是相似的。這方面包括特種傳熱翅片和所有其他部分，例如分配器翅片，集管，噴嘴等。在一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng)中，用蒸發(fā)氮對(duì)著冷凝氮做了實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果示于圖11和圖12中。
圖11表示現(xiàn)有技術(shù)再沸器的工作特性。負(fù)荷與外部熱驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系作為再沸器出口處質(zhì)量的函數(shù)來(lái)表示。質(zhì)量是指蒸氣相對(duì)于蒸發(fā)一側(cè)總流量的比值。圖12表示按本發(fā)明再沸器的類似圖表。在相等的熱驅(qū)動(dòng)力條件下，本發(fā)明取得大約多于1.5倍的負(fù)荷(單位容積)。換句話說(shuō)，與現(xiàn)有技術(shù)再沸器相比較，在相同的負(fù)荷下，本發(fā)明只需少于上面比值倒數(shù)(即2/3)的外部熱驅(qū)動(dòng)力。這些結(jié)果與上面的分析是一致的。
權(quán)利要求
1．一種板翅式換熱器，該換熱器有許多翅片以基本一致的翅片出現(xiàn)率被配置在一些相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片有一基本一致的高度，其中翅片高度小于或等于0.20英寸，和翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸。
2．一種如權(quán)利要求1所述的板翅式換熱器，其中每個(gè)翅片有一基本一致的厚度，該厚度小于或等于0.008英寸。
3．一種板翅式換熱器，該換熱器有許多翅片被配置在一些相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，其中翅片高度小于或等于0.20英寸，和翅片厚度小于或等于0.008英寸。
4．一種板翅式換熱器，該換熱器有許多翅片以基本一致的翅片出現(xiàn)率被配置在相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，其中翅片厚度小于或等于0.008英寸，翅片高度小于或等于0.20英寸，和翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸。
5．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中翅片厚度約為0.004英寸，翅片高度約為0.100英寸，和翅片出現(xiàn)率約為40/英寸。
6．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中翅片厚度約為0.008英寸，翅片高度約為0.100英寸，和翅片出現(xiàn)率約為40/英寸。
7．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中，這些翅片均由鋁或一鋁合金制成。
8．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中，這些翅片均由除鋁或一鋁合金外的一導(dǎo)熱材料制成。
9．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中這些翅片是平的。
10．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中這些翅片是穿孔的。
11．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中這些翅片是鋸齒形的。
12．一種如權(quán)利要求4所述的板翅式換熱器，其中翅片是波浪形的。
13．一種板翅式換熱器用于再沸器或冷凝器設(shè)施，該換熱器包括一平行六面體，該六面體包含的一組件中有許多平行隔離片材和許多波狀翅片以基本一致的翅片出現(xiàn)率被配置在一些相鄰隔離片材之間，每個(gè)翅片有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，其中翅片厚度小于或等于0.008英寸，翅片高度小于或等于0.20英寸，和翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸。
14．一種低溫空氣分離裝置具有一如權(quán)利要求13所述的板翅式換熱器。
15．一種裝配板翅式換熱器的方法，該方法下列步驟提供二基本平行的隔離片材；將一長(zhǎng)條片材加工成波狀，以形成許多具有基本一致翅片出現(xiàn)率的翅片，每個(gè)翅片有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，其中翅片厚度小于或等于0.008英寸，翅片高度小于或等于0.20英寸，翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸；和將這些翅片的波狀片材配置在隔離片材之間。
16．一種下流再沸器具有一通常的平行六面體，該六面體由一組件中一些基本平行垂直延伸的通道構(gòu)成，這些通道適于容置被引入第一個(gè)通道組的第一個(gè)流體和被引入第二個(gè)通道組的第二個(gè)流體，第二通道組中的通道與第一通道組中的通道在位置上是交替的，第一通道組有許多翅片被配置在一些相鄰隔離片材之間，這些翅片包括用于第一流體流體分配的難走翅片和難走翅片下游的易走傳熱翅片，這些傳熱翅片形成具有逐漸減少表面積的一個(gè)或多個(gè)傳熱部段，傳熱翅片在第一傳熱部段中有一基本一致的翅片出現(xiàn)率和一基本一致的高度，改進(jìn)包括傳熱翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸，和傳熱翅片高度小于或等于0.20英寸。
17．一種如權(quán)利要求16所述的下流再沸器，改進(jìn)還包括在第一傳熱部段中的一些傳熱翅片具有一基本一致的厚度，該厚度小于或等于0.008英寸。
18．一種下流再沸器具有一通常的平行六面體，該六面體由一組件中一些基本平行垂直延伸通道構(gòu)成，這些通道適于容置被引入第一個(gè)通道組的第一個(gè)流體和被引入第二個(gè)通道組的第二個(gè)流體，第二通道組中的通道與第一通道組中的通道在位置上是交替的，第一通道組有許多翅片被配置在鄰近的隔離片材之間，這些翅片包括用于第一流體流體分配的難走翅片和難走翅片下游的易走傳熱翅片，傳熱翅片形成具有逐漸減少表面積的一個(gè)或多個(gè)傳熱部段，這些傳熱翅片在第一傳熱部段中有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，改進(jìn)包括傳熱翅片高度小于或等于0.20英寸，及傳熱翅片厚度小于或等于0.008英寸。
19．一種如權(quán)利要求17所述的下流再沸器，其中傳熱翅片高度約為0.100英寸，傳熱翅片厚度約為0.004英寸，和傳熱翅片出現(xiàn)率約為40/英寸。
20．一種如權(quán)利要求17所述的下流再沸器，其中在第一傳熱部段之后的隨后傳熱部段具有逐漸減少的翅片出現(xiàn)率。
21．一種如權(quán)利要求17所述的下流再沸器，其中在第一傳熱部段之后的隨后傳熱部段具有逐漸增加的翅片厚度。
22．一種下流再沸器具有一通常的平行六面體，該六面體由一組件中一些基本平行垂直延伸的通道形成，這些通道適于容置被引入第一個(gè)通道組的第一個(gè)流體和被引入第二個(gè)通道組的第二個(gè)流體，第二通道組中的一些通道與第一通道組中的一些通道在位置上是交替的，第二通道組有許多翅片被配置在鄰近的隔離片材之間，這些翅片包括使第二流體均勻流入和流出第二通道組的入口和出口分配翅片及傳熱翅片在入口和出口分配翅片之間形成的至少一個(gè)傳熱部段，傳熱翅片在每個(gè)傳熱部段具有一基本一致的翅片出現(xiàn)率和一基本一致的高度，改進(jìn)包括傳熱翅片出現(xiàn)率大于或等于25/英寸，和傳熱翅片高度小于或等于0.20英寸。
23．一種如權(quán)利要求22所述的下流再沸器，改進(jìn)還包括傳熱翅片在傳熱部段上有一基本一致并小于或等于0.008英寸的厚度。
24．一種下流再沸器具有一通常的平行六面體，該六面體由一組件中一些基本平行垂直延伸的通道構(gòu)成，這些通道適于容置被引入第一個(gè)通道組的第一個(gè)流體和被引入第二個(gè)通道組的第二個(gè)流體，第二通道組中的通道與第一通道組中的通道在位置上是交替的，第二通道組有許多翅片被配置在鄰近的隔離片材之間，這些翅片包括使第二流體均勻流入和流出第二通道組的入口和出口分配翅片及傳熱翅片在入口和出口分配翅片之間形成的至少一個(gè)傳熱部段，傳熱翅片在每個(gè)傳熱部段都有一基本一致的高度和一基本一致的厚度，改進(jìn)包括傳熱翅片高度小于或等于0.20英寸，和傳熱翅片厚度小于或等于0.008英寸。
25．一種如權(quán)利要求23所述的下流再沸器，其中傳熱翅片高于約為0.100英寸，傳熱翅片厚度約為0.004英寸，和傳熱翅片出現(xiàn)率約為40/英寸。
26．一種如權(quán)利要求17所述的下流再沸器被安裝在一空氣分離設(shè)備的一個(gè)塔中，其中一包括物流的液體氧穿過(guò)第一通道組平行地流向第二通道組中包含物流的氮和/或氬中。
27．一種如權(quán)利要求23所述的下流再沸器被裝在一空氣分離設(shè)備的一個(gè)塔中，其中，一包含物流的流體氧穿過(guò)第一通道組平行地流向第二通道組中包含物流的氮和/或氬中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種板翅式換熱器或下流再沸器/冷凝器,該換熱器是應(yīng)用最佳翅片尺寸來(lái)提高蒸發(fā)和冷凝流體如致冷劑(如,氧和氮)之間傳熱效率,還公開(kāi)一種具有這種再沸器/冷凝器的低溫空氣分離裝置。在一個(gè)實(shí)施例中,該板翅式換熱器有許多翅片被配置在一些相鄰的隔離片材之間,這些翅片的高度一致小于或等于英寸,翅片出現(xiàn)率一致大于或等于25/英寸,翅片厚度一致小于或等于0.008英寸。這種優(yōu)化的翅片最有效地至少被應(yīng)用在蒸發(fā)物流通道難走分配部段下游的第一傳熱部段內(nèi),以及冷凝物流通道入口和出口分配器段之間的整個(gè)傳熱部段內(nèi)。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1233730SQ9910517
公開(kāi)日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月20日
發(fā)明者S·森德, P·A·霍頓 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司