專利名稱：加熱增壓液氧的裝置和方法
本申請涉及通過采用對氧流體通道和它們相關(guān)的壁具有特定幾何要求的換熱器而不采用氣體壓縮機，加熱增壓(pumped)液態(tài)氧從而安全提供高壓氣態(tài)氧，這是一種用空氣的低溫分離提供高壓氣態(tài)氧產(chǎn)品特殊但不唯一的應用方式。它提供換熱器以加熱高壓液氧和通過采用熱交換流體如空氣、氮等的間接熱交換來提供高壓氣態(tài)氧的方法。
一些化學反應如烴燃料的部分氧化需要大量的高壓氧，因為在高壓下發(fā)生反應通常更經(jīng)濟。低溫空氣分離是供應這種氧的一種技術(shù)選擇，由這種分離方式得到的氧可以用兩種方法被加壓。來自空氣分離單元(“ASU”)的氣態(tài)氧(“GOX”)可以被壓縮至所需壓力或者增壓液態(tài)氧循環(huán)可以應用于液態(tài)氧(“LOX”)被增壓至所需壓力和用冷凝促進的空氣或氮氣流加熱至室溫的情況。有時LOX被增壓至中等壓力，用促進流蒸發(fā)，隨后壓縮至所需壓力。
采用高壓氣態(tài)氧壓縮機存在幾個缺點。這些壓縮機比空氣或氮氣壓縮機要昂貴并且還具有較低的空氣動力學效率，這是由于為了將機械摩擦和壓縮機材料與氧反應而引起火災的可能性降到最小而增大機械間隙。在使用氣態(tài)氧壓縮機，尤其高壓機時，由于可能引起壓縮機火災，總是存在一個安全問題。
上述缺點使我們優(yōu)選采用增壓LOX循環(huán)，在增壓LOX循環(huán)的許多方面存在大量的專利和公開文獻。通常ASU換熱器被分成兩個單元；一個采用低壓至中等壓力下的鋁板翅式換熱器芯供給中等壓力的空氣并返回氮氣流，另一個是用于加熱氧的鋁高壓板翅式換熱器。然而，我們已知的是將所有功能合并至一個鋁高壓板翅式換熱器里。
選擇鋁板翅式換熱器的一個重要原因是，盡管LOX和鋁之間的可能發(fā)生爆炸性反應，但它仍需要類似于加速爆炸TNT所需的初始能量釋放的引發(fā)。所述反應更易引發(fā)更高的氧壓并因此限制鋁換熱器的壓力。然而，如果不能消除初始的能量釋放，則有引起爆炸的風險。因此，當需要高壓氣態(tài)氧時，當前實踐做法是限制在鋁板翅式換熱器中蒸發(fā)的氧的壓力并增加一個氧壓縮機使所得GOX增至所需壓力。這種增加設備的投資成本和壓縮氧至高壓的方式對于可能發(fā)生的氧壓縮機火災具有安全的意義。
人們已經(jīng)提出通過在盤管換熱器中加熱增壓LOX提供高壓GOX，所述盤管換熱器包括銅、或銅基合金，以及一段彎曲的心軸管。銅和銅基合金如銅-鎳合金是實現(xiàn)這個目的理想選擇，因為對于低于其熔點的銅而言，通常不會引起燃燒。然而，這些銅盤管換熱器的缺點在于與緊湊的板翅式換熱器相比，價格昂貴并且體積非常大。
增壓LOX盤管換熱器可以用不銹鋼(“SS”)或其它適于低溫的鐵合金來制造。眾所周知的是當與液態(tài)或氣態(tài)純氧反應時，SS不會爆炸，只是簡單地燃燒。因此當采用SS而不是鋁來制造時，尤其當相對較厚的管壁提供熱容以冷卻釋放的能量(如果開始釋放能量的話)，用于加熱增壓LOX的換熱器將更安全。在論文“不銹鋼合金304，308和316的自燃極限”中，Barry L. Werley和James G.Hansel(ASTMSTP 1319；1997)報導了厚管壁能抑制氧與SS的反應。然而，與緊湊的板翅式換熱器相比，由SS制成的盤管換熱器非常昂貴并且體積非常大。
眾所周知的是板翅式換熱器可以由SS來制成。這種換熱器可以用于高壓增壓LOX換熱器設備并且比鋁制換熱器更安全。然而，在目前的實踐中，SS板翅式換熱器包含許多極薄的SS翅片，其厚度通常小于通道的水力平均直徑的10％(通道的水力平均直徑是通過其橫截面積的4倍除以其濕周來計算得到)，并且傳熱表面積與SS重量的之比非常高。因此在氧與薄SS翅片的局部反應中，存在很小的局部金屬熱容來冷卻所述反應，因此，使用用于高壓氧設備的這種換熱器，比厚壁的SS盤管換熱器存在一個更嚴重的安全問題。
印刷電路(printed circuit)換熱器(PCHE)為一種主要用于烴和化學加工工業(yè)的眾所周知的緊湊型換熱器，自至少1985年以來已有商品應用。它們由金屬平板制成，其中流體通道被化學蝕刻或以其它適于相應熱量交換功能的溫度和壓力下降需求的方式形成。照慣例金屬為SS如SS 316L；二相合金如二相合金2205(UNS S31803)；或者商用純鈦。疊加(stack)通道板從而通過與各自相鄰的基板的通道的密封形成許多通道的間隔層；所述疊加板以擴散或其它方式相互連接以形成熱交換芯；為了將流體導入通道的各層，液體總管(header)或其它流體連接件被焊接或其它方式連接至所述芯。在擴散式連接中，在溫度接近熔點的條件下，通過緊壓金屬表面從而引起金屬部件間晶粒的生成，進而實施固態(tài)類型的焊接。待加熱的流體流過一些層(“加熱層”)的通道并通過與流過一個或多個中間層(“冷卻層”)的通道的溫度較高的熱交換流體的間接熱交換來加熱。通常形成加熱層和冷卻層的板具有不同的通道設計。
在烴加工中的現(xiàn)有PCHE應用包括如烴氣體加工；能量和能源中PCHE的應用(包括如給水加熱和化學加熱泵)；PCHE在冷凍中的應用(包括冷凍器和冷凝器)；分級冷凝器和吸收循環(huán)。據(jù)報導PCHE可以在溫度-273℃至800℃下進行操作。
本發(fā)明的主要目標是提供一種由ASU供應高壓氣態(tài)氧的具有競爭力的方法。而不必采用氧壓縮機也不會引起用于氧加熱法過程中的換熱器材料和氧之間的反應的風險。
我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的主要目標可以通過采用鐵合金換熱器來實現(xiàn)，所述換熱器對氧流通道以及相關(guān)的用于高壓增壓LOX加熱功能的壁具有特定的幾何要求，其中通道中的LOX被加熱，該通道具有定義的壁厚標準以及金屬與氧體積比的定義標準。
具體而言，通過在換熱器中加熱增壓LOX可以安全并且沒有壓縮地獲得高壓氧氣，所述換熱器具有一個包含許多橫向延伸側(cè)向放置通道的間隔層的殼體，各層與至少另一層保持熱接觸。用流過與相鄰氧層保持熱接觸的至少一層(“熱交換層”)的通道中的熱交換流體來蒸發(fā)至少一層(“氧層”)通道中的LOX。限定氧層通道的壁由適用于低溫下的不銹鋼或其它鐵合金形成，位于各個氧層的相鄰通道之間的壁，以及氧層的所述通道和相鄰層的通道之間的壁各自在與流過相鄰通道的方向垂直的平面上具有橫截面，其最窄處的厚度為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的至少10％，平均厚度值為至少15％，每個氧層中限定通道的鐵合金壁的實體部分(mass)在所述平面上的橫截面積與該層通道的截面積之比不小于0.7，優(yōu)選至少0.8。
涉及氧流的較厚的鐵合金壁降低了反應的可能性并提供用于局部能量釋放時的受熱器(heat sink)；高的傳熱系數(shù)、每單位體積高的傳熱面積以及較低成本的鐵合金降低了設備的投資成本。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施方案用于加熱來自ASU的增壓LOX的換熱器的示意分解圖；圖2為圖1核心中的相鄰板在與液體流動方向垂直的平面上的剖面圖，其中所述通道為半圓形的剖面。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種通過熱交換流體的間接熱交換來加熱至少30巴(3MPa)壓力的液氧流的換熱器，所述換熱器包括具有許多橫向延伸側(cè)向設置通道的間隔層的殼體，所述通道通過鐵合金壁來限定，各層與至少另一層保持熱接觸；氧入口裝置，將至少30巴(30MPa)壓力的增壓液氧導入至少一層(“氧層”)的通道；氧出口裝置，用于從氧層的所述通道中輸出已加熱的氧；熱交換流體的入口裝置，用于將熱交換流體導入至少一層(“熱交換層”)的通道，該層與相鄰的氧層保持熱接觸；熱交換流體的出口裝置，用于從熱交換層的所述通道輸出冷卻的熱交換流體；其中每個氧層的相鄰通道之間的壁和氧層中的所述通道與相鄰層中的通道之間的壁各自在與流體流過相鄰通道的方向垂直的平面上具有一個橫截面，其最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為15％，每個氧層中的限定通道的鐵合金壁的實體部分在所述平面上的橫截面積與該層通道的橫截面積之比不小于0.7，優(yōu)選至少0.8。
在所述方面的一個優(yōu)選實施方案中，換熱器包括一組鐵合金板(stack)，各塊板具有用來限定沿表面延伸的通道的側(cè)向放置的許多壁，各塊板與組件中的至少一塊板保持熱接觸；氧入口裝置，用于將至少30巴(3MPa)壓力的增壓液氧導入至少一塊板的通道(“氧板”)；氧出口裝置，用于從氧板的所述通道輸出加熱的氧；熱交換流體入口裝置，用于將熱交換流體導入至少一塊板(“熱交換板”)的通道，所述板與氧板相鄰，并且與其保持熱接觸；熱交換流體的出口裝置，用于從熱交換板的所述通道中輸出冷卻的熱交換流體；其中每個氧板的相鄰通道之間的壁、氧板的所述通道和相鄰板的通道之間的壁各自在與流過相鄰通道的方向垂直的平面上具有橫截面，其最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為15％，每個氧板(包括壁)的實體部分在所述平面上的橫截面積與其中通道的橫截面積之比至少0.7，優(yōu)選至少0.8。
根據(jù)第二個方面，本發(fā)明提供一種供應高壓氧氣流的方法，所述方法包括將至少30巴(3MPa)壓力的增壓液氧導入熱交換殼體的至少一層(“氧層”)的通道中，所述殼體具有許多橫向延伸側(cè)向放置通道(由鐵合金壁限定)的間隔層，各層與至少另一層保持熱接觸，并且通過與流過至少一層(“熱交換層”)的通道的熱交換流體的間接熱交換來加熱所述氧流，所述熱交換層與氧層相鄰并與其保持熱接觸。
其中每個氧層的相鄰通道之間的壁和氧層的所述通道與相鄰層通道之間的壁各自在與流體流過相鄰通道的方向垂直的平面上具有一個橫截面，其最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為15％，每個氧層中的限定通道的鐵合金壁的實體部分在所述平面上的橫截面積與該層上的所述通道的橫截面積之比不小于0.7，優(yōu)選至少0.8。
在所述第二方面的一個優(yōu)選實施方案中，所述方法包括將至少30巴(3MPa)壓力的增壓液氧流導入眾多鐵合金板中的至少一塊板(“氧板”)的通道中，各板具有側(cè)向放置的許多壁(用來限定沿板表面延伸的通道)，各板與眾多板中的至少一塊其它板保持熱接觸，通過流過至少一塊板(“熱交換板”，與氧板相鄰并與其保持熱接觸)的通道的熱交換流體的間接熱交換來加熱流過氧層的所述通道的所述氧流。
其中每個氧板的相鄰通道之間的壁、氧板的所述通道和相鄰板的通道之間的壁各自在與流過相鄰通道的方向垂直的平面上具有橫截面，其最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為15％，每個氧板(包括壁)的實體部分在所述平面上的橫截面積與其中通道的橫截面積之比至少0.7，優(yōu)選至少0.8。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供一種用分離空氣提供高壓氧氣流的低溫法，所述方法包括在蒸餾塔系統(tǒng)中分離輸入的空氣流提供至少一種液態(tài)氧流和氮氣流；將所述液態(tài)氧流增壓到至少30巴(3MPa)；采用作為熱交換流體的空氣或由空氣分離生成的流，通過所述第二方面的方法來加熱增壓液態(tài)氧。通常冷卻的熱交換流體通過蒸餾塔系統(tǒng)。
相應地，本發(fā)明待蒸發(fā)的增壓LOX以至少60巴(6MPa)的壓力被導入。至少當由ASU提供LOX時，熱交換流體通常是輸入空氣或在空氣分離中生成的氮氣流的一部分。輸入的LOX可以在任何需求的溫度下被加熱提供高壓氧氣，但通常被加熱至約室溫。
所述通道的形成可以采用常規(guī)的PCHE，通過化學蝕刻平面前體板(plane precursor plate)，或者，可以通過如機械加工的方式加工平面前體板；對固體前體芯鉆孔；或通過銅焊焊接或緊固平面基板之間的翅片。當由一組板形成所述換熱器時，優(yōu)選采用常規(guī)的PCHE方式擴散連接它們。
所用鐵合金通常為不銹鋼，特別是奧氏體不銹鋼、具體含量16-25％鉻、6-16％鎳、最多0.15％碳，并任選還含有鉬或鈦或兩者。目前優(yōu)選的奧氏體不銹鋼為AISI型304或AISI型316。
通常將各氧層或板插入各對熱交換層或板之間，使得氧層或板不與另一氧層或板相鄰。在這種方法中，與一對氧層或板插入同對熱交換層或板之間的結(jié)構(gòu)相比，各層或板的鐵合金實體部分以及相應的冷卻能力大大增加。優(yōu)選使氧和熱交換層或板交替隔開即氧和熱交換層或板被隔開。
除了尾部為便于氧和熱交換流體以不同方向流入和流出而不同外，所有層或板基本相同。通常至少氧層或板中的通道具有相同的橫截面并且被均勻放置。也優(yōu)選對熱交換層或板中的通道與相鄰的氧層或板中的各個通道分別排列。
所述通道具有合適的任意橫截面形狀和尺寸但通常為弓形，尤其為半圓形或直線形，尤其正方形或其它矩形的橫截面或具有中等弓形或直線形的橫截面，并且通常具有小于3mm的水力平均直徑。如前所述，所述水力平均直徑根據(jù)以下公式進行計算dn=4面積/p，其中dn為水力平均直徑，面積為通道的橫截面積，p為通道外圍的長度。因此在圓形通道的情況下，水力平均直徑與實際直徑相同，在正方形通道中，水力平均直徑等于通道一邊的長度。
在最簡單的結(jié)構(gòu)中，所述通道在流動方向上成直線。然而，它們可以具有更復雜的形狀從而延長所述流路如流動方向上的人字形、蛇形或之字形。具體而言，所述通道可以為全部的直線或蛇形結(jié)構(gòu)，同時具有重疊的精細的人字形或之字形形狀。
在一些應用中，采取措施從換熱器的一個或多個中間位置(尤其熱交換層或板上)輸出一份或多份部分加熱的氧和/或部分冷卻的熱交換流體，僅將氧和/或熱交換流體的剩余部分從換熱器的尾端輸出。在這種配置中，可方便地將換熱器設計成兩個或更多個換熱器的串聯(lián)。當ASU提供LOX時，以這種方式使輸出的中間溫度的熱交換流體膨脹從而在單獨的換熱器中向工作流提供冷凍或冷卻。
可以在換熱器LOX路的上游提供一個過濾器從LOX流中脫除任意雜質(zhì)并由此降低氧層或氧路通道中的阻塞或顆粒碰撞的風險。同樣，可以在換熱器的熱交換流路上游提供一個過濾器從而減少碎片的阻塞。另外或者非此即彼，可以通過限制通過氧層或板中的通道中的流體流速如約10米/秒(30巴(3MPa))至2.5米/秒(100巴(10MPa))來減少由顆粒碰撞引起的能量釋放的風險。
當所述增壓LOX來自ASU時，可以提供第二空氣或富氮冷卻流。通常為了減少熱流和冷流的溫差并由此提高換熱器的熱效率，將這種第二冷卻流以中間溫度從換熱器中輸出。輸出流可以膨脹用于單獨換熱器中的冷凍或進一步冷卻，典型地通過將換熱器設計成并聯(lián)的兩個換熱器，或更普遍為串聯(lián)以便于第二冷卻流的輸出。
參照附圖，PCHE型換熱器具有一個由一組不銹鋼板2a和2b形成的核芯1，圖中只顯示了三塊(N-1,N和N+1)，在其上表面各自具有經(jīng)化學蝕刻的流體通道3a和3b(參見圖2)。在圖1中顯示了4a和4b的流動方向，但沒有流體通道3。所述板宜為AISI型304或AISI型316不銹鋼。疊加它們使得通道5a和5b的許多間隔層通過密封各板(如N+1)上的通道3a和3b(由各自相鄰板(如N)的基6a和6b密封)來形成并通過擴散連接緊固在一起?？偣?未標出)與核1相連從而使氧流過其它各(“氧”)層(如N,N-2,N-4等)的通道5b并使熱交換流體流過插入層(“熱交換”)(如N-1,N+1,N+3等)通道5a。如圖1所示，板2a和2b可以相同，而通道3a和3b的末端是例外，位于(“熱交換”)板2a(如N-1和N+1)提供熱交換通道5a的3a和3b彎成一個角度從而使置于核1的側(cè)邊相關(guān)的總管定位，使核芯1的末端用來定位氧通道2b的總管。
如圖2所示，在舉例說明的實施方案中，通道3a和3b具有半圓形橫截面形狀并且當位于組件中時，提供相應橫截面形狀的通道5a和5b。通常所述通道具有小于3毫米的水力平均直徑。
相鄰通道之間的壁7a和7b具有最小的寬度A，平均寬度B和最大的寬度C和高度D，它們?nèi)家韵率龇绞饺Q于通道3a和3b的水力平均直徑。壁的平均寬度B為壁的橫截面積除以壁高D。與一個通道3a或3b相關(guān)聯(lián)的板2a或2b的總的橫截面積為板高E乘以通道節(jié)距(pitch)F。從總的橫截面積減去通道橫截面積得到一個通道的不銹鋼實體部分的橫截面積。
壁7和通道3的相互關(guān)系為壁的最小寬度A為通道水力平均直徑的至少20％，壁的平均寬度B為通道水力平均直徑的至少30％，各板2a或2b實體部分的橫截面積與所述板上通道3a或3b的橫截面積之比為至少0.7，優(yōu)選至少0.8。如果位于同一板上的相鄰通道3a或3b具有不同的水力平均直徑，那么壁的最小寬度A和平均寬度B將各自為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的至少10％和至少15％。類似地，各個通道下面的壁的厚度G也為通道水力平均直徑的至少20％，平均為至少30％。
在應用中，將如來自低溫空氣分離單元(未標出)的增壓液態(tài)氧輸送至氧層的通道5b，并在流過其中時通過用如一部分進入單元的輸入空氣、來自所述單元的氮產(chǎn)物流或從所述單元移出并返回其中的富氮工作流的間接熱交換來進行蒸發(fā)。由于各個氧板2b(如N)插入至兩塊熱交換板2a(如N-1和N+1)之間，這些板2a的不銹鋼熱容還可以用來冷卻氧板2b中的能量釋放。
如果實體橫截面積與通道橫截面積比為0.8并且各個氧板2b中的通道3b的總體積為1000cm3，那么在每塊氧板和相鄰熱交換板上存在(1000×0.8×2=)1600cm3的不銹鋼(對應約224gmol(12480g)鋼)。如果氧為100巴(10MPa)和200K，其密度為約285kg/m3并因此在所述通道中存在約8.9gmol(285g)的氧。如果將所有這種貯存氧全部轉(zhuǎn)化為三氧化二鐵(；生成熱為約198500 cal/gmol)，消耗的鋼量(=(8.9×4)/3)將約11.9gmol。因此反應后，剩余的鋼(=224-11.9)為約212 gmol并且形成氧化物的量為約(=(8.9×2)/3)5.93gmol。
假設鋼的比熱為6.7cal/K/gmol，氧化物的比熱為12cal/K/gmol，并且所有的反應熱用來加熱鋼和氧化物，溫升為約800K，由此溫度(從200K)升至1000K。實際上，通過采用本發(fā)明的換熱器，能量釋放將在單一位置上開始，高的金屬與氧之比制約了溫度升至局部反應通過換熱器傳遞至其它氧通道的水平是非常不可能的。
盡管本發(fā)明需要較大的鐵合金和氣體體積比率，但小的通道尺寸可以將換熱器設計為單位體積具有大的傳熱表面積的換熱器。還由于小的通道尺寸和較厚的壁，可易于將換熱器設計用于很高的壓力。根據(jù)先有技術(shù)所指出的，提供來自ASU的高壓氧需要采用至少某種高壓氧氣壓縮機，或為了充分增壓LOX循環(huán)，需要昂貴的銅-或鐵合金-盤管換熱器(用于產(chǎn)物氧加熱功能)，或存在的爆炸風險(由于使用鋁換熱器)。本發(fā)明可以在氧換熱器中采用安全的高壓增壓LOX循環(huán)，而不必采用昂貴的盤管換熱器設計。在本發(fā)明的換熱器中，平均壁厚與通道水力平均直徑之比率較常規(guī)提供的銅焊鐵合金的板翅式換熱器的比率大得多。這種較大的鐵合金重量提供一個大受熱器來冷卻任意的能量釋放(如果出現(xiàn)的話)。因此當這換熱器用于增壓LOX設備時，比銅板翅式換熱器要安全。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解的是本發(fā)明不受限于上述實施方案的具體細節(jié)并且在不背離以下權(quán)利要求的范圍和等價體時可以進行許多修改和變化。
權(quán)利要求
1．一種換熱器，其用于通過熱交換流體的間接熱交換來加熱至少3MPa(30巴)壓力的液氧流，所述換熱器包括殼體(1)，其具有許多橫向延伸側(cè)向放置通道(5a,5b)的間隔層(2a,2b)，所述通道由與至少另一層保持熱接觸的各層的鐵合金壁來限定；氧入口裝置，將至少3MPa(30巴)壓力的增壓液態(tài)氧導入至少一層(“氧層”；2b)的通道(5b)；氧出口裝置，用于從氧層(2b)的所述通道(5b)輸出加熱的氧；熱交換流體入口裝置，用于將熱交換流體導入至少一層(“熱交換層”；2a)的通道(5a)，該層與氧層相鄰并且與其保持熱接觸；熱交換流體出口裝置，用于從熱交換層(2a)的所述通道(5a)輸出冷卻的熱交換流體；其特征在于各個氧層的相鄰通道(5b)之間的壁(7b)和氧層中所述通道和相鄰層(2a或2b)中的通道(5a或5b)之間的壁各自在與通過相鄰通道(5b)的流動方向(4b)相垂直的平面上具有橫截面，其最窄處的厚度至少為兩相鄰通道(5b)的組合水力平均直徑的10％，平均(B)至少為所述組合水力平均直徑的15％，限定各氧層通道的鐵合金壁的實體部分在所述平面上的橫截面積與在所述層的通道的橫截面積之比不小于0.7。
2．如權(quán)利要求1的換熱器，包括一組鐵合金板(2a,2b)，各板具有許多限定沿板面延伸的通道(5a,5b)的側(cè)向放置的壁(7a,7b)，并且各板與組件中的至少另一塊板保持熱接觸；氧入口裝置，用于將至少3MPa(30巴)壓力的增壓液氧導入至少一塊板(“氧板”，2b)的通道(5b)；氧出口裝置，用于從氧板(2b)的所述通道(5b)輸出加熱的氧；熱交換流體入口裝置，用于將熱交換流體導入與相鄰氧板(2b)保持熱接觸的至少一塊板(“熱交換板”；2a)上的通道中(5a)；熱交換流體出口裝置，用于從熱交換板(2a)的所述通道(5a)中輸出冷卻的熱交換流體；其中每個氧板(2a)的相鄰通道(5b)之間的壁(7a)和氧板(2b)中所述通道(5b)和相鄰板(2a或2b)中的通道(5a或5b)之間的壁各自在與通過相鄰通道的流動方向(4b)相垂直的平面上具有橫截面，其最窄處的厚度至少為兩相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均(B)至少為所述組合水力平均直徑的15％，各氧板(包括壁)的實體部分在所述平面上的橫截面積與其中通道上的橫截面積之比不小于0.7。
3．如權(quán)利要求2的換熱器，其中至少氧板(2b)上的通道(5b)由化學蝕刻(3b)平面前體板而來。
4．如權(quán)利要求2的換熱器，其中至少氧板(2b)上的通道(5b)由機械加工平面前體板而來。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的換熱器，其中各板(2a,2b)以擴散連接的方式形成組件。
6．如權(quán)利要求2的換熱器，其中至少氧板(2b)上的通道(5b)通過緊固平面基板之間的翅片來形成。
7．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中橫截面積的所述比為至少0.8。
8．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中所述鐵合金為奧氏體不銹鋼。
9．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中各氧層或板(2b)插入各對熱交換層或板(2a)之間。
10．如權(quán)利要求9的換熱器，其中所述組件包括交替的氧層和熱交換層或板(2b,2a)。
11．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中熱交換部分中的所有的所述層或板(2a,2b)基本相同。
12．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中氧層或板(2b)中的通道(5b)具有相同的橫截面并且被均勻放置。
13．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中熱交換層或板(2a)中的通道(5a)與相鄰氧板(2b)的各通道(5b)依次排列放置。
14．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中氧層或板(2b)中的通道(5b)的水力平均直徑小于3毫米。
15．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中氧層或板(2b)中的通道(5b)具有直線型的流動方向。
16．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，其中氧層或板(2b)中的通道(5b)具有蛇形流動方向。
17．如權(quán)利要求16的換熱器，其中氧層或板(2b)中的通道(5b)具有局部的彎曲或之字形狀。
18．如前面權(quán)利要求中任一項的換熱器，包括用于限定經(jīng)過氧層或板(2b)的通道(5b)的流速以減少由于顆粒碰撞而引起能量釋放的裝置。
19．提供高壓氧氣流的方法，其包括將至少3MPa(30巴)壓力的增壓液態(tài)氧導入熱交換殼體的至少一層(“氧層”)的通道中，所述殼體具有許多橫向延伸側(cè)向放置通道的間隔層，所述通道由鐵合金壁來限定，其各層與至少另一層保持熱接觸并用通過與相鄰氧層保持熱交換的至少一層(“熱交換層”)的熱交換流體的間接熱交換來加熱通過氧層中的所述通道的所述氧流；其特征在于各氧層的相鄰通道之間的壁和氧層中的所述通道和相鄰層中的通道之間的壁各自在與相鄰通道的流動方向垂直的平面上具有橫截面，所述相鄰通道最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為所述組合水力平均直徑的15％，并且限定各氧層上的通道的鐵合金壁的實體部分在所述平面的橫截面積與所述層的通道的橫截面積之比不小于0.7。
20．提供高壓氧氣流的方法，其包括將至少3MPa(30巴)壓力的增壓液態(tài)氧流導入鐵合金板組件的至少一塊板(“氧板”)的通道中，各板具有用來限定沿板面延伸的通道的許多側(cè)向放置的壁，并且各板與所述組件中的至少另一塊板保持熱接觸，并且用通過與相鄰氧板保持熱交換的至少一層(“熱交換層”)的熱交換流體的間接熱交換來加熱通過氧板的所述通道的所述氧流；其特征在于各氧板中的相鄰通道之間的所述壁和氧板中的所述通道和相鄰板中的通道之間的壁各自在與相鄰通道的流動方向垂直的平面上具有橫截面，所述相鄰通道最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為所述組合水力平均直徑的15％，并且限定各氧板(包括壁)的實體在所述平面上的橫截面積與其通道的橫截面積之比不小于0.7。
21．如權(quán)利要求20的方法，其中將所述液態(tài)氧以至少6MPa(60巴)的壓力導入。
22．分離空氣以提供高壓氧氣流的低溫法，包括在蒸餾塔系統(tǒng)中分離輸入空氣流從而提供至少一種液態(tài)氧流和氮氣流；將所述液態(tài)氧流增壓至至少3MPa(30巴)壓力；并通過導入熱交換殼體的至少一層(“氧層”)的通道來加熱增壓液態(tài)氧，所述熱交換殼體具有許多橫向延伸側(cè)向放置通道的間隔層，所述通道由鐵合金壁來限定，其各層與至少另一層保持熱接觸并用通過與相鄰氧層保持熱接觸的至少一層(“熱交換層”)的選自空氣和空氣分離中生成的流的熱交換流體的間接熱交換來加熱通過氧層中的所述通道的所述氧流；其特征在于各氧層的相鄰通道之間的壁和氧層中的所述通道和相鄰層中的通道之間的壁各自在與相鄰通道的流動方向垂直的平面上具有橫截面，所述相鄰通道最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為所述組合水力平均直徑的15％，并且限定各氧層上的通道的鐵合金壁的實體在所述平面上的橫截面積與所述層的通道的橫截面積之比不小于0.7。
23．分離空氣從而提供高壓氧氣流的低溫法，其包括在蒸餾塔系統(tǒng)中分離輸入空氣流從而提供至少一種液態(tài)氧流和氮氣流；將所述液氧增壓到至少3MPa(30巴)壓力；并通過導入鐵合金板組件的至少一塊板(“氧板”)的通道來加熱增壓的液態(tài)氧，各板具有許多側(cè)向放置用來限定沿板面延伸的通道的壁，各板與所述組件中至少另一塊板保持熱接觸，并通過與相鄰氧層保持熱接觸的至少一塊板(“熱交換板”)的熱交換流體的間接熱交換來加熱通過氧板中的所述通道的所述氧流；其特征在于各氧板的相鄰通道之間的所述壁和氧板中的所述通道和相鄰板中的通道之間的壁各自在與相鄰通道的流動方向垂直的平面上具有橫截面，所述相鄰通道最窄處的厚度至少為兩個相鄰通道的組合水力平均直徑的10％，平均至少為所述組合水力平均直徑的15％，并且限定各氧板(包括壁)的實體在所述平面上的橫截面積與其中通道的橫截面積之比不小于0.7。
24．如權(quán)利要求23的低溫空氣分離法，其中流過所述氧板的所述通道的增壓液態(tài)氧最初通過流過熱交換板上的所述第一套通道、含有至少一種空氣組分的第一熱交換流體來加熱，并隨后通過壓力大于第一熱交換流體、流過熱交換板上的所述第二套通道的第二熱交換流體來進一步加熱。
25．如權(quán)利要求23的低溫空氣分離法，其中流過所述氧板的所述通道的增壓液態(tài)氧最初通過流過與氧板相鄰的板、含有至少一種空氣組分的第一熱交換流體來加熱，并隨后通過流過與氧板相鄰的板、也含有至少一種空氣組分的第二熱交換流體來進一步加熱。
26．如權(quán)利要求19-25中任一項要求保護的方法，采用由權(quán)利要求3-18中任一項所定義的熱交換流體。
全文摘要
通過加熱印刷電路型換熱器中的增壓液態(tài)氧,可以安全并且無需壓縮地獲得高壓氧氣,所述換熱器具有橫向延伸側(cè)向放置通道的層并且各層與至少另一層保持熱接觸。采用通過熱交換層通道的熱交換流體來蒸發(fā)氧層通道中的氧。氧層通道的壁由鐵合金形成并且在與流動方向垂直的平面上具有橫截面,其最窄處的厚度至少為相鄰通道的組合水力平均直徑的約10%,平均值至少為約15%,并且壁在所述平面上的橫截面積與通道的橫截面積之比不小于約0.7。
文檔編號F28D9/02GK1312455SQ01110858
公開日2001年9月12日 申請日期2001年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月6日
發(fā)明者R·J·阿拉姆, D·P·奧康納 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司