專(zhuān)利名稱(chēng)：具有紋理表面的散熱片式交換器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種帶有紋理表面的散熱片式交換器以及組裝所述散熱片式交換器的方法。根據(jù)本發(fā)明的具有帶有紋理表面的散熱片的散熱片式交換器特別適用于如吹離這樣的低溫工藝，但是這些散熱片式熱交換器也可用于其它的熱量和/或質(zhì)量傳遞工藝。
散熱片式交換器通常用于工業(yè)液流之間的熱交換，以便加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝液流。在這種情況下，這些交換器更特別地被稱(chēng)作散熱片式熱交換器。在這些熱交換器中的工藝條件可包括單相或雙相熱傳遞，其中，液體流以通常向上的方向或以通常向下的方向流動(dòng)(但是，也可以沿其它方向流動(dòng))。但是在某些情況下，工業(yè)液流包括一些組份的混合物，因此除了熱傳遞以外，還可進(jìn)行質(zhì)量傳遞分離。在后面的情況下，在液流通道和熱量/質(zhì)量交換器內(nèi)的沿逆流方向的蒸汽和液體流動(dòng)可被稱(chēng)作一種分餾器。
由現(xiàn)有技術(shù)可知存在幾種用以增強(qiáng)熱交換器性能的方式。例如，參見(jiàn)D.A.Reay，“Heat transfer enchancement-review of techniques andtheir possible impact on energy efficiency in the UK，”HeatRecovery System&CHP vol.11，No.1，p.1-40，1991。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的一些技術(shù)包括·可對(duì)一些熱交換器的表面實(shí)施粗糙化處理，以通過(guò)在邊界層促進(jìn)紊流性來(lái)改善單相流動(dòng)中的熱傳遞特性；·可以利用特殊的涂層對(duì)一些熱交換器的表面進(jìn)行處理，或者在幾何結(jié)構(gòu)上對(duì)這些熱交換器進(jìn)行改進(jìn)，以形成能夠在泡核沸騰中提高性能的凹腔；·可以在幾何結(jié)構(gòu)上對(duì)一些熱交換器的表面進(jìn)行處理或改進(jìn)，以便可借助通過(guò)促進(jìn)點(diǎn)滴冷凝或有助于冷凝物的排放而改善性能的液體來(lái)改變濕潤(rùn)性；以及
·雖然以上技術(shù)用于散熱片式熱交換器，但是通過(guò)利用相對(duì)于平面散熱片能增強(qiáng)紊流性的多孔、鋸齒狀或波紋狀散熱片，能夠非常容易地改善它們的性能。
但是，如本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的那樣，每一種現(xiàn)有技術(shù)均局限于一種或幾種方式。例如，可獲得的改進(jìn)可能局限于單流用途，小范圍的流動(dòng)和操作條件，或單一模式，如冷凝。
在美國(guó)專(zhuān)利N0.4,434,842(Gregory)中披露了改進(jìn)散熱片式熱交換器表面的一個(gè)例子。在這種熱交換器中，在沸騰區(qū)中的散熱片由至少兩個(gè)層制成，并且外層中的至少一個(gè)在其中具有多個(gè)孔。散熱片的波紋狀片層彼此靠緊，以便在片材之間形成泡的成核作用，并且通過(guò)片層中的孔釋放泡。
雖然申請(qǐng)人并不了解某些現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器，在這些熱交換器中，散熱片具有呈槽或波紋(如本發(fā)明所用的)形狀的表面紋理結(jié)構(gòu)，但是這類(lèi)表面紋理結(jié)構(gòu)已被用于其它類(lèi)型的熱交換器(如，管殼式熱交換器)，以產(chǎn)生或增強(qiáng)紊流性并且改善熱傳遞。例如，參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利Nos.4,434,842；6,012,514以及5,966,809。但是，除了這些專(zhuān)利不適于散熱片式熱交換器以外，這些專(zhuān)利所給出的啟示與本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并不相關(guān)。
在使用了結(jié)構(gòu)填料的接觸法的技術(shù)領(lǐng)域中，眾所周知呈波紋或槽形的表面紋理結(jié)構(gòu)能夠提高質(zhì)量傳遞效率，如美國(guó)專(zhuān)利No.4,296,050所給出的技術(shù)啟示。另外，參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利Nos.5,730,000以及5,876,638。這些專(zhuān)利給出的啟示為使用雙向表面紋理結(jié)構(gòu)，所述表面紋理結(jié)構(gòu)呈適用于填裝件的波紋板表面上的蓋板的細(xì)槽形，以便所述紋理在某些區(qū)域中是水平的，而在另一些區(qū)域中是豎直的。但是這種改進(jìn)是建立在特定操作模式的經(jīng)驗(yàn)上，即克服沿與液流相反的方向向上流動(dòng)的蒸汽，進(jìn)行質(zhì)量傳遞的向下流動(dòng)的液體膜。與其相比，本發(fā)明具有更廣的范圍。另外，即使對(duì)于通常類(lèi)似的操作方式而言，在散熱片式交換器內(nèi)的總體幾何結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)填料中的總體幾何結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性也有很大的不同。
希望提高散熱片式交換器的效率并改善其性能。
還希望改善散熱片式交換器的通道內(nèi)的向下流動(dòng)的汽-液流的濕潤(rùn)特性，以提高熱傳遞效率。
還希望改善散熱片式交換器的通道內(nèi)的向上流動(dòng)的汽-液流的濕潤(rùn)特性，以提高熱傳遞效率。
還希望改善散熱片式交換器的通道內(nèi)單相液流的紊流特性，以提高熱傳遞效率。
還希望改善逆流分餾器的流動(dòng)通道內(nèi)的紊流特性，以便與在相似操作條件下使用的傳統(tǒng)散熱片式交換器相比，能夠提高質(zhì)量傳遞效率。
還希望改善散熱片式交換器的通道內(nèi)的向下流動(dòng)的汽-液流的濕潤(rùn)特性，以便使析出任何溶解的組份的趨勢(shì)降至最小。
還希望提供這樣一種散熱片式交換器或分餾器，其能顯示出低溫應(yīng)用(如用于吹離)以及其它熱量和/或質(zhì)量傳遞應(yīng)用的高性能特性。
還希望提供一種散熱片式交換器，其能克服現(xiàn)有技術(shù)中的許多困難和缺點(diǎn)，以提供更好、更理想的結(jié)果。
還希望提供一種更有效的吹離工藝，其利用了與現(xiàn)有技術(shù)相比、結(jié)構(gòu)更緊湊和/或更有效的散熱片式交換器或下流式再沸器。
還希望提供一種散熱片式交換器的設(shè)計(jì)，其能使下流式再沸器(downflow reboiler)的尺寸，重量和/或成本降至最低，從而以所制造的每單位量的產(chǎn)品計(jì)算，使空氣分離工藝更有效和/或成本更低。
還希望提供一種用于組裝散熱片式交換器或下流式再沸器的方法，其使用了與現(xiàn)有技術(shù)相比，能提供更良好性能的表面紋理結(jié)構(gòu)，并且還能克服現(xiàn)有技術(shù)中的許多困難和缺點(diǎn)，以提供更好、更理想的效果。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種具有紋理表面的散熱片式交換器。本發(fā)明還提供了一種用于組裝散熱片式交換器的方法，以及一種用于改善散熱片式交換器特性的方法。用以獲得“表面紋理結(jié)構(gòu)”的在本發(fā)明中使用的“紋理表面”的形式可采用形成在或施用于散熱片式交換器中使用的散熱片材料表面上的槽或波紋。
本發(fā)明的第一實(shí)施例涉及一種散熱片式交換器，其具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)的至少一部分具有紋理表面。
本發(fā)明的第二實(shí)施例涉及一種散熱片式交換器，其包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)基本上平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的每一散熱片均具有至少一個(gè)表面，其中，使至少一個(gè)散熱片中的所述至少一個(gè)表面的至少一部分形成紋理結(jié)構(gòu)。
第三實(shí)施例涉及一種散熱片式交換器，其包括一第一分隔片材和一與第一分隔片材相鄰且大致與其平行的第二分隔片材。至少一塊波紋狀散熱片設(shè)置在第一分隔片材和第二分隔片材之間，所述散熱片具有至少一個(gè)表面，其中，在所述表面的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
散熱片式交換器的第三實(shí)施例存在幾種變形。在一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分為水平條紋。在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分是以相對(duì)于水平位置呈一定角度施加的。在該變形的變形中，所述角度大于0°且小于大約75°。在另一種變形中，所述角度大于0°且小于大約50°。
在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分是以交叉方式施加的。在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈波紋長(zhǎng)度范圍為大約0.5mm～大約5mm的槽形。在該變形的變形中，所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈槽形，該槽具有范圍為大約1mm～大約3mm的波紋長(zhǎng)度。在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈槽形，該槽具有范圍為大約0.05mm～大約0.75mm的幅度。在該變形的變形中，所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈槽形，該槽具有范圍為大約0.05mm～大約0.75mm的幅度。在該變形的變形中，所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈幅度為大約0.15mm～大約0.50mm的槽形。在另一種變形中，表面紋理結(jié)構(gòu)呈槽形，該槽具有范圍為大約0.5mm～大約5mm的波紋長(zhǎng)度以及范圍為大約0.05mm～大約0.75mm的幅度。在該變形的變形中，所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種低溫吹離裝置，其具有上述任意實(shí)施例或這些實(shí)施例的變形中所述的散熱片式交換器。
本發(fā)明的第四實(shí)施例涉及對(duì)一種散熱片式交換器的改進(jìn)，該交換器具有至少一個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片。其改進(jìn)之處在于在至少一個(gè)表面的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第五實(shí)施例涉及一種用于多股液流的間接熱交換的散熱片式熱交換器，其具有適于輸送第一液流的第一組通道，所述第一液流在所述第一組通道的至少一部分中為雙相，所述第一組通道中的所述部分通道具有多個(gè)設(shè)置在其中的散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間，并且具有紋理表面。
本發(fā)明的第六實(shí)施例涉及一種供再沸器或冷凝器使用的散熱片式熱交換器，其包括一平行六面體，該六面體包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)基本上平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間且具有一個(gè)紋理表面。
本發(fā)明的第七實(shí)施例涉及一種下流式再沸器，其具有一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體由一個(gè)組件形成，該組件具有大致平行豎直延伸的通道，這些通道適于接收導(dǎo)入第一組通道內(nèi)的第一流體以及導(dǎo)入第二組通道內(nèi)的第二流體，在第二組通道中的通道在位置上與在第一組通道中的通道交錯(cuò)，第一組通道具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，這些散熱片包括用于第一流體的流體分配的困難路徑散熱片以及位于困難路徑下游的容易路徑散熱片，熱傳遞散熱片通過(guò)逐漸減小表面面積而形成一個(gè)或多個(gè)熱傳遞區(qū)段，在第一熱傳遞區(qū)段中的至少一個(gè)熱傳遞散熱片具有至少一個(gè)表面，其改進(jìn)之處包括在至少一個(gè)表面上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一方面涉及第七實(shí)施例的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機(jī)身中，其中，以平行于第二組通道中含有氮和/或含有氬的液流的流動(dòng)方式，使液態(tài)含氧液流通過(guò)第一組通道。
本發(fā)明的第八實(shí)施例涉及一種下流式再沸器，其具有一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體由一個(gè)組件形成，該組件具有大致平行豎直延伸的通道，這些通道適于接收導(dǎo)入第一組通道內(nèi)的第一流體以及導(dǎo)入第二組通道內(nèi)的第二流體，在第二組通道中的通道在位置上與在第一組通道中的通道交錯(cuò)，第二組通道具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，這些散熱片包括用于使第二流體均勻流入和流出第二組通道的輸入和輸出分配散熱片以及在輸入和輸出分配散熱片之間形成至少一個(gè)熱傳遞區(qū)段的熱傳遞散熱片，在至少一個(gè)熱傳遞區(qū)段中的至少一個(gè)熱傳遞散熱片具有至少一個(gè)表面，其改進(jìn)之處包括在至少一個(gè)表面上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一方面涉及第八實(shí)施例的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機(jī)身中，其中，以平行于第二組通道中含有氮和/或含有氬的液流的流動(dòng)方式，使液態(tài)含氧液流通過(guò)第一組通道。
本發(fā)明的第九實(shí)施例涉及一種供分餾器使用的散熱片式熱交換器，其包括一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)大致平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰分隔片材之間并且具有紋理表面。
本發(fā)明還包括一種用于組裝散熱片式熱交換器的方法。該方法包括多個(gè)步驟。第一步驟為提供兩個(gè)大致平行的分隔片材以及一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的片材。第二步驟為在所述細(xì)長(zhǎng)片材上形成表面紋理結(jié)構(gòu)。第三步驟為使細(xì)長(zhǎng)片材形成波紋狀以形成一在其上具有表面紋理結(jié)構(gòu)的散熱片。第四步驟為在分隔片材之間，在其上設(shè)置具有表面紋理結(jié)構(gòu)的散熱片。
在用于組裝散熱片式熱交換器的方法的變形中，所述表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分采用至少一個(gè)槽的形式，所述槽的波紋長(zhǎng)度范圍為大約0.5mm～大約5mm，幅度為大約0.05mm～大約0.75mm，至少一個(gè)槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
本發(fā)明還包括一種用于改善散熱片式交換器性能的方法，該散熱片式交換器在相鄰的分隔片材之間具有至少一個(gè)散熱片，該方法包括在至少一個(gè)散熱片的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明下面，參照附圖，通過(guò)實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，其中

圖1A為一種傳統(tǒng)散熱片式交換器的基本部件或組件的分解透視圖1B為本發(fā)明的散熱片式交換器的基本部件或組件的分解透視圖，該散熱片式交換器具有帶有紋理表面的散熱片；圖2A-2D說(shuō)明了通常用于散熱片式交換器的四種散熱片；圖3A為示意圖，其說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的具有水平條紋的紋理表面；圖3B為顯示另一種表面紋理結(jié)構(gòu)的示意圖，該表面紋理結(jié)構(gòu)使用了與水平面呈角(α)的條紋；圖3C顯示另一種表面紋理結(jié)構(gòu)的示意圖，該表面紋理結(jié)構(gòu)使用了以交叉方式施加的條紋；圖3D為示意圖，其說(shuō)明了沿線(xiàn)3D-3D所示的圖3A中紋理表面的剖面圖；圖4為示意圖，其說(shuō)明了由水平層疊的散熱片通道制成的試件；圖5為根據(jù)熱傳遞系數(shù)與單相熱傳遞的泵送能量的關(guān)系曲線(xiàn)，說(shuō)明與平面和多孔現(xiàn)有技術(shù)的散熱片相比，本發(fā)明的紋理散熱片的性能的圖表；圖6為示意圖，表示一種用于確定現(xiàn)有技術(shù)的散熱片和根據(jù)本發(fā)明的具有紋理表面的散熱片的性能的測(cè)試；圖7-圖14為示意圖，其根據(jù)在以上每個(gè)圖表所強(qiáng)調(diào)的條件下，蒸汽量與熱傳遞系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，說(shuō)明了與現(xiàn)有技術(shù)的散熱片的性能相比，根據(jù)本發(fā)明的具有紋理表面的散熱片的性能。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明為了提高熱量和質(zhì)量的傳遞，本發(fā)明在散熱片式交換器中使用了紋理表面。特別是，用以獲得表面紋理結(jié)構(gòu)的本發(fā)明所用的所述“紋理表面”的形式可采用形成在或施用于散熱片式交換器的散熱片材料表面上的槽或波紋。
紋理表面可適用于平面、多孔、波紋形、鋸齒形或其它類(lèi)型的散熱片。通過(guò)在加設(shè)肋之前在金屬坯料上壓出槽或波紋，能夠非常容易地形成紋理結(jié)構(gòu)。所述波紋可以是水平的，以一個(gè)方向傾斜或以不同方向傾斜，其中包括呈交叉結(jié)構(gòu)的設(shè)置。帶紋理的散熱片式熱交換器可用于在各種工作條件下(包括加熱、冷卻、沸騰、蒸發(fā)或冷凝)以及流動(dòng)條件下(包括單相、雙相、向上流動(dòng)或向下流動(dòng))處理液流。本發(fā)明還可用于處理除熱量傳遞以外、通過(guò)質(zhì)量傳遞進(jìn)行分離的液流。
本領(lǐng)域技術(shù)人員不會(huì)預(yù)想到以多種方式的操作提高熱量和/或質(zhì)量傳遞效率的簡(jiǎn)單增強(qiáng)型技術(shù)。因此，本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的令人驚訝和預(yù)想不到的結(jié)果在于；對(duì)散熱片材料加設(shè)表面紋理結(jié)構(gòu)確實(shí)能夠以多種方式的操作提高熱量和/或質(zhì)量傳遞效率，如上所述。
參見(jiàn)圖1，一種傳統(tǒng)的散熱片式交換器包括多條通道，其中的每一條通道均由設(shè)置在隔片(40，42)和端棒(24A，24B)之間的散熱片材料28制成。如圖2A，2B，2C和2D所示，最常見(jiàn)的散熱片類(lèi)型為平面式，多孔式、鋸齒形和波紋形。
如圖1B所示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的散熱片，本發(fā)明使用了具有紋理表面50的散熱片。圖3A，3B，3C和3D顯示了可使用的幾種紋理表面50的實(shí)施例。雖然由槽或波紋形成的條紋最好呈通常是均勻一致的直線(xiàn)狀(在使片材起皺之前)的直線(xiàn)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到所述條紋不一定必須是直線(xiàn)。例如，每一條條紋可以是弧形、鋸齒形或某些其它形狀。另外，雖然在圖3A，3B和3C中的線(xiàn)52是不間斷的并且大致平行，以便形成均勻的圖案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到槽或波紋的線(xiàn)條可以是間斷的并且可以形成其它的圖案，即均勻和不均勻的圖案。
雖然不希望局限于任何特殊的制造方法，但是最好僅在使金屬形成散熱片形狀之前，通過(guò)如加壓這樣的操作，在扁平金屬片材坯料上形成表面紋理結(jié)構(gòu)。例如，為了在對(duì)多孔散熱片施加本發(fā)明的表面紋理結(jié)構(gòu)，可采用以下工序—對(duì)一扁平金屬片材坯料沖孔；—通過(guò)如加壓這樣的操作施加表面紋理結(jié)構(gòu)；—在加工中不損壞表面紋理結(jié)構(gòu)的情況下，形成多孔散熱片(其可要求使用特殊工具)；以及—將散熱片焊接至一散熱片式交換器內(nèi)。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到的那樣，用以使本發(fā)明應(yīng)用于其它類(lèi)型的散熱片(即，除多孔散熱片以外)的工藝雖然要求相似的步驟，但是操作的確切順序可以不同。
在圖3A，3B和3C中所示的表面紋理結(jié)構(gòu)可由槽或波紋52構(gòu)成，這些槽或波紋在剖面圖中為近似正弦形，如圖3D所示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到其它可以采用的形狀包括但是不局限于波形形狀，急劇變化的波形或矩形波紋。
申請(qǐng)人已確定以下的尺寸范圍是最佳的—波形長(zhǎng)度A(如圖3D所示)的范圍優(yōu)選為大約0.5mm～大約5mm，最理想的范圍為大約1mm～大約3mm；以及—當(dāng)僅在片材的一側(cè)觀(guān)察時(shí)，峰-峰間隔幅度h(如圖3D所示)的范圍優(yōu)選為大約0.05mm～大約0.75mm，最理想的范圍為大約0.15mm～大約0.50mm。該尺寸(h)的選擇可以由相鄰散熱片之間的實(shí)際間隔和/或金屬的厚度(t)(如圖3D所示)限定。相鄰散熱片之間非常緊密的間距，較大的金屬厚度或者這兩者將會(huì)限制可使用的槽或波紋的深度。
就傾斜的紋理結(jié)構(gòu)(圖3B)以及交叉的紋理結(jié)構(gòu)(圖3C)而言，波紋相對(duì)于水平面的角度α的范圍優(yōu)選為大約0度～大約75度，最好為大約0度～大約50度。雖然圖3C顯示了在圖表兩側(cè)具有相等的角(α＝α)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到所述角不必一定相等(即，在一側(cè)的角為可以為α，而在另一側(cè)的另一個(gè)角為可大于或小于α)。
雖然現(xiàn)有技術(shù)給出的關(guān)于增大表面的啟示將會(huì)產(chǎn)生適用于不同流動(dòng)條件和幾何結(jié)構(gòu)的不同方案，但申請(qǐng)人驚訝地發(fā)現(xiàn)呈波紋或槽形式的表面紋理結(jié)構(gòu)在所有的工作模式(包括單相或雙相、向上流動(dòng)或向下流動(dòng)，加熱或冷卻、以及蒸發(fā)或冷凝)中均可以增強(qiáng)散熱片式交換器的性能。這一出乎預(yù)料的結(jié)果對(duì)于本領(lǐng)域其它技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也是令人驚訝的。
由于通過(guò)在散熱片材料上使用表面紋理結(jié)構(gòu)，可以使本發(fā)明的散熱片式交換器與傳統(tǒng)的散熱片式交換器相比結(jié)構(gòu)更為緊湊，因此本發(fā)明具有顯著的價(jià)值。這對(duì)于如吹離設(shè)備這樣的設(shè)備的資金以及運(yùn)行成本而言是有利的。本發(fā)明還可以在向下流動(dòng)中蒸發(fā)的液流中降低變臟的程度。在低溫吹氣分離中，利用能夠蒸發(fā)含氧液流的下流式再沸器是特別有價(jià)值的。
實(shí)施例提供以下討論的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的可能用途。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可想出其它的實(shí)施例。
實(shí)施例1該實(shí)施例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)啟示，通過(guò)使用表面紋理結(jié)構(gòu)所獲得的單相流熱傳遞的增強(qiáng)。在該實(shí)施例中的對(duì)比是針對(duì)通常在散熱片式熱交換器中使用的多孔散熱片和扁平散熱片作出的。圖4為試件的示意圖，圖5顯示了性能對(duì)比。
如圖4所示，試件由一組水平的九個(gè)散熱片通道60構(gòu)成，這些通道寬度大約為80mm，長(zhǎng)度大約為280mm。所有的試件每英寸均含有22個(gè)具有大約1.65mm相等直徑的散熱片。該數(shù)值是利用已知的公式，即由散熱片封閉的體積除以它們中排除穿孔或紋理結(jié)構(gòu)的底部面積所得值的4倍獲得的。多孔試件具有大約10％的開(kāi)口面積。所有試件的片材厚度t為0.2mm。當(dāng)使用了表面紋理結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)圖3D的示意圖，該表面紋理結(jié)構(gòu)大致為具有值h等于0.2mm，波形長(zhǎng)度A等于1.75mm的正弦形。兩種表面紋理結(jié)構(gòu)的傾斜度由圖5中符號(hào)標(biāo)出的角度制定。數(shù)值90表示垂至于散熱片方向的表面紋理結(jié)構(gòu)方向，而數(shù)值45表示相對(duì)于散熱片傾斜(45°)的表面紋理結(jié)構(gòu)方向。
在風(fēng)道內(nèi)的測(cè)試區(qū)段上進(jìn)行試驗(yàn)。首先，使試件在流動(dòng)空氣下處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。隨后，使急劇變化的階躍變化達(dá)到輸入空氣62的溫度，之后，測(cè)量輸出響應(yīng)特性64作為熱能脈沖圖像。根據(jù)Locke’s方法[Locke，G.L.，1950，Heat Transfer and Flow Friction Characterristicof Porous Solid，Tr.No.10，Mech.Eng.Dept.，Stanford University，Stanford，CA]，以最大輸出溫度差為基礎(chǔ)計(jì)算熱傳遞系數(shù)。利用傾斜的U管壓力計(jì)測(cè)量壓降。根據(jù)在Kays，W.M and London，A.L.，1984，CompactHeat Exchangers，3rd Ed.，McGraw-Hill，New York中的方法，在計(jì)算由流動(dòng)加速引起的進(jìn)入和排出效果之后，計(jì)算摩擦壓降。
圖5顯示了熱傳遞系數(shù)與泵送能量之間關(guān)系的曲線(xiàn)。在該曲線(xiàn)中，較高的曲線(xiàn)相當(dāng)于優(yōu)越的性能。可以看到多孔散熱片優(yōu)于平面散熱片，如現(xiàn)有技術(shù)所熟知的那樣。加設(shè)傾斜表面紋理結(jié)構(gòu)(45)不會(huì)改善多孔散熱片的性能。但是，在相同的泵送能量的條件下，加設(shè)垂直表面紋理結(jié)構(gòu)(90)在熱傳遞系數(shù)中會(huì)產(chǎn)生30～50％的提高。(應(yīng)注意的是該曲線(xiàn)使用了對(duì)數(shù)尺度)。這些結(jié)果在定性和定量項(xiàng)上對(duì)于申請(qǐng)人來(lái)均是令人驚訝和預(yù)料不到的，并且對(duì)于其它本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也是令人驚訝和預(yù)料不到的。
實(shí)施例2該實(shí)施例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)啟示，通過(guò)使用表面紋理結(jié)構(gòu)所獲得的在不同條件下的雙相流熱傳遞的增強(qiáng)。在該實(shí)施例中的對(duì)比是相對(duì)于用于通常用于在散熱片式交換器中雙相流裝置的多孔散熱片作出的。
圖6為所建立的測(cè)試的示意圖，而圖7～14顯示了性能的對(duì)比。在任何情況下，散熱片測(cè)試通道的取向均是豎直的，并且在使用表面紋理結(jié)構(gòu)時(shí)，所述表面紋理結(jié)構(gòu)處于垂直于散熱片方向的方向。換句話(huà)說(shuō)，表面紋理結(jié)構(gòu)的方向相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室是水平的，根據(jù)圖3A中的示意圖，其對(duì)應(yīng)于0度角α。
如圖6所示，每一測(cè)試試件70均由釬焊在鋁蓋片材之間的一個(gè)散熱片通道制成。所述試件在頂部和底部均是打開(kāi)的，而在側(cè)部是封閉的，以便沿豎直方向容納液流。每一通道均具有大約70mm的寬度以及280mm的長(zhǎng)度，并且在兩側(cè)以?shī)A心狀方式固定在高熱導(dǎo)率膠，銅板72，Peltier接點(diǎn)74以及水流通道76之間。利用Peltier接點(diǎn)，以便以即使對(duì)于這種較小試件也能以高精度測(cè)量熱傳遞系數(shù)的方式確定溫度驅(qū)動(dòng)力。
蒸汽/液體的輸入流在氣-液入口78進(jìn)入，輸出流在氣-液出口80排出。冷卻水在冷卻水入口82進(jìn)入，在冷卻水出口84排出。通過(guò)壓力傳感器測(cè)量壓力。
以不同的方式(這些方式包括在向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的條件下、以?xún)煞N不同的質(zhì)量流量蒸發(fā)和冷凝)，利用氟氯烷21進(jìn)行試驗(yàn)。由于試件的尺寸較小，因此，在任意給定的試驗(yàn)中，僅會(huì)在質(zhì)量上產(chǎn)生較小的變化，其表示處于蒸汽相的整個(gè)雙相混合物的部分。多此重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以便繪制出各種各樣的影響。
如圖7～14所示，多孔和帶有紋理的散熱片試件顯示出始終優(yōu)于多孔散熱片試件的性能。在所有的附圖中，在所有操作條件下均能看到這一效果。雖然在不同條件下量值是不同的，但是，改進(jìn)圖案為附加表面紋理結(jié)構(gòu)的一般性現(xiàn)象。通常，這種改進(jìn)范圍為大約10％～大約50％。
另一有意思的效果僅發(fā)生于蒸發(fā)中。其是一種被稱(chēng)為無(wú)水的現(xiàn)象，其中由于熱傳遞表面開(kāi)始干燥的結(jié)果，因此，在非常高的蒸汽量下產(chǎn)生熱傳遞下降。這種現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生在冷凝中。如關(guān)于下流蒸發(fā)的圖7和8以及關(guān)于上流蒸發(fā)的圖11和12所示，與多孔散熱片相比，多孔以及帶有紋理結(jié)構(gòu)的散熱片在高蒸汽量的條件下能夠保持更好的熱傳遞系數(shù)。其表明實(shí)施例2的表面紋理結(jié)構(gòu)在多孔散熱片的濕潤(rùn)特性上會(huì)產(chǎn)生有益的效果。
除了改善熱傳遞以外，更好的濕潤(rùn)特性還能提供非常重要的另一益處，即降低變臟的趨勢(shì)。用于工業(yè)吹離設(shè)備的再沸冷凝器蒸發(fā)出含有氧的氣流，與含有氮或含有氬的氣流相反。雖然現(xiàn)代的吹離設(shè)備具有分子篩吸附床，以在通過(guò)低溫蒸餾分離之前，從空氣中除去大部分雜質(zhì)，但是滑過(guò)吸附床的任何雜質(zhì)往往會(huì)聚集在蒸發(fā)的液流中。這些雜質(zhì)包括惰性雜質(zhì)(如二氧化碳和一氧化二氮)以及活性雜質(zhì)(如碳?xì)浠衔?。如果足夠的碳?xì)浠衔锞奂诤跬ǖ乐?，由此產(chǎn)生的變臟可導(dǎo)致效率降低以及形成潛在的危險(xiǎn)情況。通過(guò)改善散熱片式交換器的濕潤(rùn)特性，使用帶有紋理結(jié)構(gòu)的散熱片能夠降低散熱片式熱交換器的變臟趨勢(shì)，因此明顯地顯示出高質(zhì)量的更好的熱傳遞。
這種較大程度的提高(在實(shí)施例1中為30～50％，而在實(shí)施例2中為10～50％)同時(shí)沒(méi)有任何折衷是令人驚訝并且出乎預(yù)料的。利用紋理表面實(shí)現(xiàn)的這些性能結(jié)果對(duì)于申請(qǐng)人以及本領(lǐng)域其它技術(shù)人員來(lái)說(shuō)均是令人驚訝并且出乎預(yù)料的。
根據(jù)以上的論述、附圖以及實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到與現(xiàn)有技術(shù)中給出的散熱片式熱交換器相比，本發(fā)明具有許多益處和優(yōu)點(diǎn)。下面將對(duì)這些益處和優(yōu)點(diǎn)中的一些作進(jìn)一步說(shuō)明。
對(duì)于相同的用途而言，與相同的現(xiàn)有技術(shù)的裝置相比，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)而成的熱交換器和分餾器更短并且更輕。另外，在吹離工藝中，還會(huì)減小含有這種裝置的低溫箱的體積，從而降低整個(gè)成本。
作為可選擇的方案，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)而成的熱交換器和分餾器由于具有更高的效率，因此，在相同資金成本的條件下，能夠降低操作成本。
具有上述兩種效果的各種最佳組合均是可能的。
本發(fā)明還能夠降低散熱片式熱交換器變臟的趨勢(shì)，從而可能在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)改善其總體工作效率。這對(duì)于含有在以大致向下方向流動(dòng)的同時(shí)蒸發(fā)的液流的散熱片式熱交換器是特別適用的。
根據(jù)附圖以及上面論述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明中不同的實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是，應(yīng)理解在不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的思想和范圍的情況下，可以對(duì)那些實(shí)施例、附圖以及實(shí)施例作出改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種散熱片式交換器，其具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)的至少一部分具有紋理表面。
2.一種散熱片式交換器，其包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)基本上平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的每一散熱片均具有至少一個(gè)表面，其中，使至少一個(gè)散熱片中的所述至少一個(gè)表面的至少一部分形成紋理結(jié)構(gòu)。
3.一種散熱片式交換器，其包括一第一分隔片材；一與第一分隔片材相鄰且大致與其平行的第二分隔片材；設(shè)置在第一分隔片材和第二分隔片材之間的至少一個(gè)波紋狀散熱片，所述散熱片具有至少一個(gè)表面，其中，在所述表面的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分為水平條紋。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分是以相對(duì)于水平位置呈一定角度施加的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的散熱片式交換器，其中所述角度大于0°且小于大約75°。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的散熱片式交換器，其中所述角度大于0°且小于大約50°。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式熱交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分是以交叉方式施加的。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)呈波紋長(zhǎng)度范圍為大約0.5mm～大約5mm的槽形。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)呈波紋長(zhǎng)度范圍為大約1mm～大約3mm的槽形。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)呈幅度為大約0.05mm～大約0.75mm的槽形。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)呈幅度為大約0.15mm～大約0.50mm的槽形。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的散熱片式交換器，其中所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的散熱片式交換器，其中所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器，其中表面紋理結(jié)構(gòu)呈槽形，該槽具有范圍為大約0.5mm～大約5mm的波紋長(zhǎng)度以及范圍為大約0.05mm～大約0.75mm的幅度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的散熱片式交換器，其中所述槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
17.一種低溫吹離裝置，其具有如權(quán)利要求3所述的散熱片式交換器。
18.一種散熱片式交換器，其具有至少一個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片具有至少一個(gè)表面，其改進(jìn)之處在于在所述至少一個(gè)表面的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
19.一種用于多股液流的間接熱交換的散熱片式熱交換器，其具有適于輸送第一液流的第一組通道，所述第一液流在所述第一組通道的至少一部分中為雙相，所述第一組通道中的所述部分通道具有多個(gè)設(shè)置在其中的散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間，并且具有紋理表面。
20.一種供再沸器或冷凝器使用的散熱片式熱交換器，其包括一平行六面體，該六面體包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)基本上平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間且具有一個(gè)紋理表面。
21.一種下流式再沸器，其具有一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體由一個(gè)組件形成，該組件具有大致平行豎直延伸的通道，這些通道適于接收導(dǎo)入第一組通道內(nèi)的第一流體以及導(dǎo)入第二組通道內(nèi)的第二流體，在第二組通道中的通道在位置上與在第一組通道中的通道交錯(cuò)，第一組通道具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，這些散熱片包括用于第一流體的流體分配的困難路徑散熱片以及位于困難路徑下游的容易路徑散熱片，熱傳遞散熱片通過(guò)逐漸減小表面面積而形成一個(gè)或多個(gè)熱傳遞區(qū)段，在第一熱傳遞區(qū)段中的至少一個(gè)熱傳遞散熱片具有至少一個(gè)表面，其改進(jìn)之處包括在所述至少一個(gè)表面上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
22.一種下流式再沸器，其具有一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體由一個(gè)組件形成，該組件具有大致平行豎直延伸的通道，這些通道適于接收導(dǎo)入第一組通道內(nèi)的第一流體以及導(dǎo)入第二組通道內(nèi)的第二流體，在第二組通道中的通道在位置上與在第一組通道中的通道交錯(cuò)，第二組通道具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片，這些散熱片包括用于使第二流體均勻流入和流出第二組通道的輸入和輸出分配散熱片以及在輸入和輸出分配散熱片之間形成至少一個(gè)熱傳遞區(qū)段的熱傳遞散熱片，在至少一個(gè)熱傳遞區(qū)段中的至少一個(gè)熱傳遞散熱片具有至少一個(gè)表面，其改進(jìn)之處包括在所述至少一個(gè)表面上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機(jī)身中，其中，以平行于第二組通道中含有氮和/或含有氬的液流的流動(dòng)方式，使液態(tài)含氧液流通過(guò)第一組通道。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機(jī)身中，其中，以平行于第二組通道中含有氮和/或含有氬的液流的流動(dòng)方式，使液態(tài)含氧液流通過(guò)第一組通道。
25.一種供分餾器使用的散熱片式熱交換器，其包括一個(gè)大致平行六面體的主體，該六面體包括一個(gè)組件，該組件具有多個(gè)大致平行的分隔片材和多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片，所述散熱片中的至少一個(gè)散熱片設(shè)置在相鄰分隔片材之間并且具有紋理表面。
26.一種用于組裝散熱片式熱交換器的方法，其包括以下步驟提供兩個(gè)大致平行的分隔片材以及一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的片材，在所述細(xì)長(zhǎng)片材上形成表面紋理結(jié)構(gòu)；使細(xì)長(zhǎng)片材形成波紋狀以形成一在其上具有表面紋理結(jié)構(gòu)的散熱片；以及在分隔片材之間，在其上設(shè)置具有表面紋理結(jié)構(gòu)的散熱片。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述表面紋理結(jié)構(gòu)的至少一部分采用至少一個(gè)槽的形式，所述槽的波紋長(zhǎng)度范圍為大約0.5mm～大約5mm，幅度為大約0.05mm～大約0.75mm，至少一個(gè)槽位于相對(duì)于水平位置具有一定角度之處，所述角度大于0°但小于大約75°。
28.一種用于改善散熱片式交換器性能的方法，該散熱片式交換器在相鄰的分隔片材之間具有至少一個(gè)散熱片，該方法包括在至少一個(gè)散熱片的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
全文摘要
在一種具有多個(gè)設(shè)置在相鄰分隔片材之間的散熱片的散熱片式交換器中，至少一個(gè)散熱片的至少一部分具有紋理表面。紋理表面為槽或波紋形，所述槽或波紋形成在用于散熱片式熱交換器的散熱片材料的表面上。
文檔編號(hào)F28F13/08GK1504717SQ0315881
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者S·森德, S 森德, P·A·霍頓, 霍頓, V·V·庫(kù)滋內(nèi)特索夫, 庫(kù)滋內(nèi)特索夫 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司