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      2. 用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器的制作方法


        化學工程涉及一種用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器。
        背景技術
        :到目前為止,已有關于微通道熱交換器的開發的報告。當與正常大小的通道相比時,微通道提供比正常的熱交換器高的熱傳遞性能,諸如殼管式熱交換器和板框式熱交換器。這是因為微通道中的流動可以更快速地將熱量從通道壁傳遞到流體中,每個通道中的流體具有類似的流動橫截面溫度,熱傳遞表面積高于相同體積的正常通道,并且通道中的壓降相對較低。然而,微通道具有導致應用限制的一些缺點。例如,因為通道窄,易于阻塞。尤其是,當被用于具有非常不同的壓力的流體的熱交換時,可能發生永久變形。已知的是,熱交換器的通道的特征對于熱交換器的熱傳遞性能和總長是重要的。另外,通道的特征是指示通道整個的制造和布置的可能性的參數。因此,持續有開發通道的特征以便提高熱交換器的性能并且克服前述限制的嘗試。US20040031592公開了包括用于三個或更多個流體流的熱交換的微通道的熱交換器,其中所述通道的壁是平坦的,其中設置有翅片以便增大熱交換表面積。然而,所述翅片的安裝使熱交換器內部的結垢速率增大。因此,這使熱傳遞性能降低,并且使熱交換器的壓降增大。而且,所述設計在與高壓流體一起使用時可能具有問題,導致限制。US4516632公開了包括按交替順序堆疊的有槽熱交換片和無槽熱交換器片的微通道熱交換器,其中有槽熱交換片按交替順序放置成相對于彼此成90度以便形成具有不同溫度的流體的橫向流構造。然而,所述流動構造沒有給予高熱交換性能。EP1875959公開了在安裝熱交換器下乳劑的形成過程,所述熱交換器包括按交替順序堆疊的微通道熱交換板,其中所述通道被設計成像蛇形。這在所述通道中形成兩種流動模式:逆流和順流。然而,所述通道設計導致污染物容易阻塞,并且與從一側到另一側的一個流動方向路徑相比,更難以清潔。US8858159公開了一種燃氣輪機,所述燃氣輪機包括用于使低溫空氣流過并且減小所述燃氣輪機中的葉片的熱量的冷卻通道,其中所述冷卻通道配備有向內彎曲的肋條和向外彎曲的肋條以及在每對肋條之間的基座以便提高熱傳遞性能。然而,在每對肋條之間的所述基座的特征可能使熱交換器的壓降增大,這是當應用于具有非常不同的壓力的流體或具有高黏度的流體之間的熱傳遞時的限制。US20100314088公開了包括由按交替順序堆疊的微通道組成的板的熱交換器。所述板被設計為彎曲的,并且所述微通道被設置為不對稱波浪形的形式,沿著流體的流動方向形成平行通道。直接部分和曲線部分的總長被設置為恒定的。然而,所述專利沒有公開所述波浪形通道的合適的參數,諸如寬度大小、曲線半徑等。從上面全部所述,本發明旨在提供用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器,尤其是提高所述流體的熱傳遞性能,并且減少與用于交換具有非常不同的壓力的流體的熱量的熱交換器相關的問題。技術實現要素:本發明旨在提供用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器,尤其是提高具有不同溫度的所述流體的熱傳遞性能,并且減少與用于交換具有非常不同的壓力的流體的熱量的熱交換器相關的問題。在本發明的一方面,本發明公開了用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器,所述熱交換器包括:按交替順序堆疊的至少一個平坦的熱交換板;至少一個高溫熱交換板;以及至少一個低溫熱交換板,其中高溫流體的入口和高溫流體的出口被設置以便使高溫流體通過每個所述高溫熱交換板,并且低溫流體的入口和低溫流體的出口被設置以便使低溫流體通過每個所述低溫熱交換板,其中所述高溫熱交換板和所述低溫熱交換板包括高溫通道和低溫通道,其中所述通道具有在所述流體的所述流動方向上延伸的長度,并且每個所述通道的所述側壁具有相對于每個所述通道的所述中心線的對稱波浪形圖案。附圖說明圖1示出根據本發明的熱交換器的一個方面。圖2示出根據本發明的熱交換器的熱交換板的布置的一個方面。圖3示出根據本發明的熱交換器的每個高溫通道和每個高溫通道的一個方面。圖4從a)等距視圖、b)頂視圖和c)前視圖示出根據本發明的熱交換器的高溫熱交換板和低溫熱交換板的一個方面。圖5從a)等距視圖、b)頂視圖和c)前視圖示出包括不對稱波浪形通道的對比熱交換器的高溫熱交換板和低溫熱交換板的一個方面。圖6從a)等距視圖、b)頂視圖和c)前視圖示出包括筆直通道的對比熱交換器的高溫熱交換板和低溫熱交換板的一個方面。圖7示出傳遞到根據本發明的熱交換器和根據現有技術的熱交換器的流動體積的熱量的量。具體實施方式本發明涉及如根據以下實施方案描述的用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器。本文中所使用的任何方面是指包括對于本發明的其他方面的應用,除非另有陳述。本文中所使用的技術術語或科學術語具有如本領域的普通技術人員所理解的定義,除非另有陳述。本文中所提到的任何工具、設備、方法或化學制品意指本領域技術人員通常操作的或者供本領域技術人員使用的工具、設備、方法或化學制品,除非說明它們是只有在本發明中特定的工具、設備、方法或化學制品。權利要求書或說明書中單數名詞或單數代詞與“包括”一起的使用是指“一個”,還指“一個或更多個”、“至少一個”和“一個或多于一個”。以下細節在本發明的說明書中描述,并非意圖以任何方式限制本發明的范圍。本發明公開了用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器,所述熱交換器包括:按交替順序堆疊的至少一個平坦的熱交換板;至少一個高溫熱交換板;以及至少一個低溫熱交換板,其中高溫流體的入口和高溫流體的出口被設置以便使高溫流體通過每個所述高溫熱交換板,并且低溫流體的入口和低溫流體的出口被設置以便使低溫流體通過每個所述低溫熱交換板,其中所述高溫熱交換板和所述低溫熱交換板包括高溫通道和低溫通道,其中所述通道具有在所述流體的所述流動方向上延伸的長度,并且每個所述通道的所述側壁具有以每個所述通道的所述中心線作為對稱軸的對稱波浪形圖案。圖1和圖2示出根據本發明的熱交換器的一個方面。在該方面,熱交換器包括:按交替順序堆疊的至少一個平坦的熱交換板12;至少一個高溫熱交換板14;以及至少一個低溫熱交換板16,其中高溫流體的入口18a和高溫流體的出口20a被設置以便使高溫流體通過每個所述高溫熱交換板14,并且低溫流體的入口18b和低溫流體的出口20b被設置以便使低溫流體通過每個所述低溫熱交換板16。在每個所述板中,所述入口和和出口部分組件可以與熱交換器分開。所述高溫熱交換板14包括高溫通道15,所述低溫熱交換板16包括低溫通道17,其中所述通道具有在所述流體的流動方向上延伸的長度,并且每個所述通道的側壁具有以每個所述通道的中心線作為對稱軸的對稱波浪形圖案。在一個實施方案中,高溫通道15和低溫通道17具有100至5,000μm的范圍內的平均寬度(y)以及根據該方程的曲線長度(x)和曲線半徑(r):x≤2r,其中x在100至100,000μm的范圍內。優選地,所述通道具有100至3,000μm的范圍內的平均寬度、1,000至3,000μm的范圍內的曲線長度、以及2,000至5,000μm的范圍內的曲線半徑。在一個實施方案中,當與由每個高溫熱交換板14的頂部和每個低溫熱交換板16的頂部設置的平面相比時,高溫通道15和低溫通道17具有10至2,000μm的范圍內的深度。優選地,高溫熱交換板14和低溫熱交換板16被布置以便如圖2所示的那樣將高溫通道15和低溫通道17放置成按交替構造定向。在一個實施方案中,平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16具有10至10,000μm的范圍內的厚度,優選地,100至2,000μm的范圍內的厚度。為了在用于交換具有不同溫度的流體的熱量的熱交換器的足夠的強度和尺寸穩定性的情況下高效地執行,所述熱交換板可以由碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦、鉑、鉻、銅、或所述材料的合金制成,優選地由不銹鋼316級(SS316)制成。在一個實施方案中,可以通過沖壓機技術、光化學機器(PCM)技術、或計算機數值控制銑床技術來形成高溫熱交換板14和低溫熱交換板16。在一個實施方案中,高溫流體的入口18a和低溫流體的入口18b被設置在熱交換器的相對側以便使具有不同溫度的流體在逆流方向上流動,其中所述具有不同溫度的流體可以具有至少1℃的溫差,優選地至少10℃的溫差。如本領域的普通技術人員已知的,所述平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16可以由三個板和更多個板按交替順序堆疊,它們可以被堆疊更多數量以便為熱交換器提供用于以高流動速率對流體進行熱量交換的許多通道。為了將根據本發明的熱交換器的性能與根據現有技術的包括通道的熱交換器進行比較,構建作為第二實施例的包括高溫通道15和低溫通道17(根據圖4中的外觀)的根據本發明的熱交換器,以及包括其特征在于不對稱的波浪形圖案和筆直通道的高溫通道和低溫通道(分別根據圖5和圖6中的外觀)的熱交換器,并且使用如下描述的ANSYSFluent軟件第16.1版,用計算流體動力學模型來對這些熱交換器進行測試。根據本發明的熱交換器熱交換器1每個平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16的厚度為0.5mm。如圖4所示的高溫通道15和低溫通道17具有大約2,000μm的平均寬度(y)、大約2,000μm的曲線長度(x)、以及大約3,000μm的曲線半徑(r)。通道的長度約為240mm,并且深度約為1,000μm。熱交換器2每個平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16的厚度為0.5mm。如圖4所示的高溫通道15和低溫通道17具有大約2,000μm的平均寬度(y)、大約2,000μm的曲線長度(x)、以及大約4,000μm的曲線半徑(r)。通道的長度約為240mm,并且深度約為1,000μm。熱交換器3每個平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16的厚度為0.5mm。如圖4所示的高溫通道15和低溫通道17具有大約2,000μm的平均寬度(y)、大約3,000μm的曲線長度(x)、以及大約3,000μm的曲線半徑(r)。通道的長度約為240mm,并且深度約為1,000μm。熱交換器4每個平坦的熱交換板12、高溫熱交換板14和低溫熱交換板16的厚度為0.5mm。如圖4所示的高溫通道15和低溫通道17具有大約2,000μm的平均寬度(y)、大約3,000μm的曲線長度(x)、以及大約4,000μm的曲線半徑(r)。通道的長度約為240mm,并且深度約為1,000μm。對比熱交換器熱交換器A使用包括如熱交換器1中描述的除了如圖5所示的具有不對稱波浪形圖案的高溫通道和低溫通道的特征之外的組件的熱交換器。熱交換器B使用包括如熱交換器2中描述的除了如圖5所示的具有不對稱波浪形圖案的高溫通道和低溫通道的特征之外的組件的熱交換器。熱交換器C使用包括如熱交換器3中描述的除了如圖5所示的具有不對稱波浪形圖案的高溫通道和低溫通道的特征之外的組件的熱交換器。熱交換器D使用包括如熱交換器4中描述的除了如圖5所示的具有不對稱波浪形圖案的高溫通道和低溫通道的特征之外的組件的熱交換器。熱交換器E使用包括如熱交換器1中描述的除了如圖5所示的具有大約2,000μm寬的筆直路徑的高溫通道和低溫通道的特征之外的組件的熱交換器。使用具有以下參數的ANSYSFluent軟件第16.1版對包括如上所述的通道的不同特征的熱交換器就熱交換性能進行測試。模型中所使用的流體是不同溫度下的水,其中高溫流體約為90℃,并且低溫流體約為10℃。所述流體在逆流方向上流動,其中每個路徑中的流速約為0.582g/sec。結果在表1和圖7中示出。表1示出從包括高溫通道和低溫通道的不同特征的熱交換器的出口的、高溫流體出口的溫度和低溫流體出口的溫度。熱交換器高溫流體出口的溫度(℃)低溫流體出口的溫度(℃)A5347B64.735.3C52.447.6D62.437.6E66.533.5151.948.1255.444.6348.251.345148.8熱交換器的性能可以從如表1所示的高溫流體出口的溫度和低溫流體出口的溫度以及如圖7所示的每一流體體積傳遞的熱量來考慮。從圖7,當將根據發明的熱交換器1與對比熱交換器A、E進行比較、將根據發明的熱交換器2與對比熱交換器B、E進行比較、將根據發明的熱交換器3與對比熱交換器C、E進行比較、并且將根據發明的熱交換器4與對比熱交換器D、E進行比較時,發現根據本發明的熱交換器給予的單位流體體積傳遞的熱量較高,其中根據發明的熱交換器3提供最高的性能,所述熱交換器的通道具有平均寬度約為2,000μm、曲線長度約為3,000μm、曲線半徑約為3,000μm的對稱波浪形圖案。而且,為了將根據本發明的熱交換器的強度與包括根據現有技術的通道的熱交換器進行比較,使用ANSYSFluent軟件第16.1版來對包括如上所述的通道的不同特征的熱交換器進行測試。參數如下設置。熱交換板由316級不銹鋼(SS316)制成。高溫流體的壓力約為1.5MPa。低溫流體的壓力約為0.5MPa。熱交換板被固定在熱交換板的邊緣。結果在表2中示出,其中熱交換板在等效應力的每個階段中的體積百分比從以下方程計算得到:熱交換板在該階段中在等效應力下的體積x100整個熱交換板的體積表2示出包括高溫通道和低溫通道的不同特征的熱交換器的強度的比較。表2示出根據本發明的熱交換器的強度與根據現有技術的熱交換器的比較,該比較可以從最大等效應力和熱交換板在具有不同溫度的流體的熱傳遞期間、發生于熱交換器的熱交換板的等效應力的每個階段中的體積百分比考慮。從該表,根據發明的熱交換器3的通道具有平均寬度約為2,000μm、曲線長度約為3mm、曲線半徑約為3mm的對稱波浪形圖案,其中最高強度是從最低的最大等效應力、熱交換板在低等效應力階段(0-3MPa)中的高體積百分比、以及熱交換板在高等效應力階段(6-9MPa)中的高體積百分比考慮的。而且,根據本發明的熱交換器的最大等效應力具有比在強度測試中用作樣品材料的316級不銹鋼低的抗拉屈服強度(大約207MPa)。這表明熱交換器的所述熱交換板當在以上條件下被操作時不會永久變形。從以上結果,確認根據本發明的熱交換器在具有不同溫度的流體的熱傳遞中具有高性能,具有高強度,并且可以用于如本發明的目標中所述的具有非常不同的壓力的流體的熱交換。本發明的最佳模式本發明的最佳模式在本發明的描述中提供。當前第1頁1 2 3 

        主題:干燥設備

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