專利名稱：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(但是，也可以沿其它方向流動)。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可被稱作一種分餾器。
由現(xiàn)有技術(shù)可知存在幾種用以增強熱交換器性能的方式。例如，參見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·可對一些熱交換器的表面實施粗糙化處理，以通過在邊界層促進紊流性來改善單相流動中的熱傳遞特性；·可以利用特殊的涂層對一些熱交換器的表面進行處理，或者在幾何結(jié)構(gòu)上對這些熱交換器進行改進，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)上對一些熱交換器的表面進行處理或改進，以便可借助通過促進點滴冷凝或有助于冷凝物的排放而改善性能的液體來改變濕潤性；以及
·雖然以上技術(shù)用于散熱片式熱交換器，但是通過利用相對于平面散熱片能增強紊流性的多孔、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)人員認識到的那樣，每一種現(xiàn)有技術(shù)均局限于一種或幾種方式。例如，可獲得的改進可能局限于單流用途，小范圍的流動和操作條件，或單一模式，如冷凝。
在美國專利N0.4,434,842(Gregory)中披露了改進散熱片式熱交換器表面的一個例子。在這種熱交換器中，在沸騰區(qū)中的散熱片由至少兩個層制成，并且外層中的至少一個在其中具有多個孔。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，并且通過片層中的孔釋放泡。
雖然申請人并不了解某些現(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)，但是這類表面紋理結(jié)構(gòu)已被用于其它類型的熱交換器(如，管殼式熱交換器)，以產(chǎn)生或增強紊流性并且改善熱傳遞。例如，參見美國專利Nos.4,434,842；6,012,514以及5,966,809。但是，除了這些專利不適于散熱片式熱交換器以外，這些專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，如美國專利No.4,296,050所給出的技術(shù)啟示。另外，參見美國專利Nos.5,730,000以及5,876,638。這些專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。但是這種改進是建立在特定操作模式的經(jīng)驗上，即克服沿與液流相反的方向向上流動的蒸汽，進行質(zhì)量傳遞的向下流動的液體膜。與其相比，本發(fā)明具有更廣的范圍。另外，即使對于通常類似的操作方式而言，在散熱片式交換器內(nèi)的總體幾何結(jié)構(gòu)以及流動特性與結(jié)構(gòu)填料中的總體幾何結(jié)構(gòu)以及流動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)的向下流動的汽-液流的濕潤特性，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)的向上流動的汽-液流的濕潤特性，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)的向下流動的汽-液流的濕潤特性，以便使析出任何溶解的組份的趨勢降至最小。
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，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，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，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)明的第一實施例涉及一種散熱片式交換器，其具有多個設(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的至少一部分具有紋理表面。
本發(fā)明的第二實施例涉及一種散熱片式交換器，其包括一個組件，該組件具有多個基本上平行的分隔片材和多個設(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表面，其中，使至少一個散熱片中的所述至少一個表面的至少一部分形成紋理結(jié)構(gòu)。
第三實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)明的另一個方面涉及一種低溫吹離裝置，其具有上述任意實施例或這些實施例的變形中所述的散熱片式交換器。
本發(fā)明的第四實施例涉及對一種散熱片式交換器的改進，該交換器具有至少一個設(shè)置在相鄰分隔片材之間的波紋狀散熱片。其改進之處在于在至少一個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設(shè)置在其中的散熱片，所述散熱片中的至少一個散熱片設(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，該六面體包括一個組件，該組件具有多個基本上平行的分隔片材和多個設(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散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間且具有一個紋理表面。
本發(fā)明的第七實施例涉及一種下流式再沸器，其具有一個大致平行六面體的主體，該六面體由一個組件形成，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，第一組通道具有多個設(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，熱傳遞散熱片通過逐漸減小表面面積而形成一個或多個熱傳遞區(qū)段，在第一熱傳遞區(qū)段中的至少一個熱傳遞散熱片具有至少一個表面，其改進之處包括在至少一個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施例的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機身中，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方式，使液態(tài)含氧液流通過第一組通道。
本發(fā)明的第八實施例涉及一種下流式再沸器，其具有一個大致平行六面體的主體，該六面體由一個組件形成，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，第二組通道具有多個設(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熱傳遞區(qū)段的熱傳遞散熱片，在至少一個熱傳遞區(qū)段中的至少一個熱傳遞散熱片具有至少一個表面，其改進之處包括在至少一個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施例的下流式再沸器，其安裝在吹離設(shè)備的機身中，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方式，使液態(tài)含氧液流通過第一組通道。
本發(fā)明的第九實施例涉及一種供分餾器使用的散熱片式熱交換器，其包括一個大致平行六面體的主體，該六面體包括一個組件，該組件具有多個大致平行的分隔片材和多個設(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。該方法包括多個步驟。第一步驟為提供兩個大致平行的分隔片材以及一個細長的片材。第二步驟為在所述細長片材上形成表面紋理結(jié)構(gòu)。第三步驟為使細長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槽的形式，所述槽的波紋長度范圍為大約0.5mm～大約5mm，幅度為大約0.05mm～大約0.75mm，至少一個槽位于相對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散熱片，該方法包括在至少一個散熱片的至少一部分上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
附圖的簡要說明下面，參照附圖，通過實施例說明本發(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，其說明了沿線3D-3D所示的圖3A中紋理表面的剖面圖；圖4為示意圖，其說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，說明與平面和多孔現(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試；圖7-圖14為示意圖，其根據(jù)在以上每個圖表所強調(diào)的條件下，蒸汽量與熱傳遞系數(shù)的關(guān)系曲線，說明了與現(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)明的詳細說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、鋸齒形或其它類型的散熱片。通過在加設(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)以及流動條件下(包括單相、雙相、向上流動或向下流動)處理液流。本發(fā)明還可用于處理除熱量傳遞以外、通過質(zhì)量傳遞進行分離的液流。
本領(lǐng)域技術(shù)人員不會預(yù)想到以多種方式的操作提高熱量和/或質(zhì)量傳遞效率的簡單增強型技術(shù)。因此，本發(fā)明所實現(xiàn)的令人驚訝和預(yù)想不到的結(jié)果在于；對散熱片材料加設(shè)表面紋理結(jié)構(gòu)確實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，最常見的散熱片類型為平面式，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狀(在使片材起皺之前)的直線，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到所述條紋不一定必須是直線。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)認識到槽或波紋的線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—對一扁平金屬片材坯料沖孔；—通過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)人員能認識到的那樣，用以使本發(fā)明應(yīng)用于其它類型的散熱片(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)認識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。
申請人已確定以下的尺寸范圍是最佳的—波形長度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—當僅在片材的一側(cè)觀察時，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)認識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產(chǎn)生適用于不同流動條件和幾何結(jié)構(gòu)的不同方案，但申請人驚訝地發(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、向上流動或向下流動，加熱或冷卻、以及蒸發(fā)或冷凝)中均可以增強散熱片式交換器的性能。這一出乎預(yù)料的結(jié)果對于本領(lǐng)域其它技術(shù)人員來說也是令人驚訝的。
由于通過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)明具有顯著的價值。這對于如吹離設(shè)備這樣的設(shè)備的資金以及運行成本而言是有利的。本發(fā)明還可以在向下流動中蒸發(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值的。
實施例提供以下討論的實施例來說明本發(fā)明的可能用途。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可想出其它的實施例。
實施例1該實施例說明了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)啟示，通過使用表面紋理結(jié)構(gòu)所獲得的單相流熱傳遞的增強。在該實施例中的對比是針對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顯示了性能對比。
如圖4所示，試件由一組水平的九個散熱片通道60構(gòu)成，這些通道寬度大約為80mm，長度大約為280mm。所有的試件每英寸均含有22個具有大約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％的開口面積。所有試件的片材厚度t為0.2mm。當使用了表面紋理結(jié)構(gòu)時，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中符號標出的角度制定。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表示相對于散熱片傾斜(45°)的表面紋理結(jié)構(gòu)方向。
在風道內(nèi)的測試區(qū)段上進行試驗。首先，使試件在流動空氣下處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。隨后，使急劇變化的階躍變化達到輸入空氣62的溫度，之后，測量輸出響應(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)計算熱傳遞系數(shù)。利用傾斜的U管壓力計測量壓降。根據(jù)在Kays，W.M and London，A.L.，1984，CompactHeat Exchangers，3rd Ed.，McGraw-Hill，New York中的方法，在計算由流動加速引起的進入和排出效果之后，計算摩擦壓降。
圖5顯示了熱傳遞系數(shù)與泵送能量之間關(guān)系的曲線。在該曲線中，較高的曲線相當于優(yōu)越的性能?？梢钥吹蕉嗫咨崞瑑?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)中會產(chǎn)生30～50％的提高。(應(yīng)注意的是該曲線使用了對數(shù)尺度)。這些結(jié)果在定性和定量項上對于申請人來均是令人驚訝和預(yù)料不到的，并且對于其它本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是令人驚訝和預(yù)料不到的。
實施例2該實施例說明了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)啟示，通過使用表面紋理結(jié)構(gòu)所獲得的在不同條件下的雙相流熱傳遞的增強。在該實施例中的對比是相對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為所建立的測試的示意圖，而圖7～14顯示了性能的對比。在任何情況下，散熱片測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，所述表面紋理結(jié)構(gòu)處于垂直于散熱片方向的方向。換句話說，表面紋理結(jié)構(gòu)的方向相對于實驗室是水平的，根據(jù)圖3A中的示意圖，其對應(yīng)于0度角α。
如圖6所示，每一測試試件70均由釬焊在鋁蓋片材之間的一個散熱片通道制成。所述試件在頂部和底部均是打開的，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的長度，并且在兩側(cè)以夾心狀方式固定在高熱導(dǎo)率膠，銅板72，Peltier接點74以及水流通道76之間。利用Peltier接點，以便以即使對于這種較小試件也能以高精度測量熱傳遞系數(shù)的方式確定溫度驅(qū)動力。
蒸汽/液體的輸入流在氣-液入口78進入，輸出流在氣-液出口80排出。冷卻水在冷卻水入口82進入，在冷卻水出口84排出。通過壓力傳感器測量壓力。
以不同的方式(這些方式包括在向上流動和向下流動的條件下、以兩種不同的質(zhì)量流量蒸發(fā)和冷凝)，利用氟氯烷21進行試驗。由于試件的尺寸較小，因此，在任意給定的試驗中，僅會在質(zhì)量上產(chǎn)生較小的變化，其表示處于蒸汽相的整個雙相混合物的部分。多此重復(fù)進行試驗，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。其是一種被稱為無水的現(xiàn)象，其中由于熱傳遞表面開始干燥的結(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)。其表明實施例2的表面紋理結(jié)構(gòu)在多孔散熱片的濕潤特性上會產(chǎn)生有益的效果。
除了改善熱傳遞以外，更好的濕潤特性還能提供非常重要的另一益處，即降低變臟的趨勢。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，以在通過低溫蒸餾分離之前，從空氣中除去大部分雜質(zhì)，但是滑過吸附床的任何雜質(zhì)往往會聚集在蒸發(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)(如碳氫化合物)。如果足夠的碳氫化合物聚集在含氧通道中，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情況。通過改善散熱片式交換器的濕潤特性，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，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(在實施例1中為30～50％，而在實施例2中為10～50％)同時沒有任何折衷是令人驚訝并且出乎預(yù)料的。利用紋理表面實現(xiàn)的這些性能結(jié)果對于申請人以及本領(lǐng)域其它技術(shù)人員來說均是令人驚訝并且出乎預(yù)料的。
根據(jù)以上的論述、附圖以及實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到與現(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。下面將對這些益處和優(yōu)點中的一些作進一步說明。
對于相同的用途而言，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，還會減小含有這種裝置的低溫箱的體積，從而降低整個成本。
作為可選擇的方案，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計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，從而可能在整個時間范圍內(nèi)改善其總體工作效率。這對于含有在以大致向下方向流動的同時蒸發(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施例已對本發(fā)明中不同的實施例進行了描述。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，可以對那些實施例、附圖以及實施例作出改進。
權(quán)利要求
1.一種散熱片式交換器，其具有多個設(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，其包括一個組件，該組件具有多個基本上平行的分隔片材和多個設(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表面，其中，使至少一個散熱片中的所述至少一個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波紋狀散熱片，所述散熱片具有至少一個表面，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表面，其改進之處在于在所述至少一個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設(shè)置在其中的散熱片，所述散熱片中的至少一個散熱片設(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，該六面體包括一個組件，該組件具有多個基本上平行的分隔片材和多個設(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散熱片設(shè)置在相鄰的分隔片材之間且具有一個紋理表面。
21.一種下流式再沸器，其具有一個大致平行六面體的主體，該六面體由一個組件形成，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，第一組通道具有多個設(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，熱傳遞散熱片通過逐漸減小表面面積而形成一個或多個熱傳遞區(qū)段，在第一熱傳遞區(qū)段中的至少一個熱傳遞散熱片具有至少一個表面，其改進之處包括在所述至少一個表面上采用表面紋理結(jié)構(gòu)。
22.一種下流式再沸器，其具有一個大致平行六面體的主體，該六面體由一個組件形成，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，第二組通道具有多個設(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熱傳遞區(qū)段的熱傳遞散熱片，在至少一個熱傳遞區(qū)段中的至少一個熱傳遞散熱片具有至少一個表面，其改進之處包括在所述至少一個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方式，使液態(tài)含氧液流通過第一組通道。
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方式，使液態(tài)含氧液流通過第一組通道。
25.一種供分餾器使用的散熱片式熱交換器，其包括一個大致平行六面體的主體，該六面體包括一個組件，該組件具有多個大致平行的分隔片材和多個設(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大致平行的分隔片材以及一個細長的片材，在所述細長片材上形成表面紋理結(jié)構(gòu)；使細長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槽的形式，所述槽的波紋長度范圍為大約0.5mm～大約5mm，幅度為大約0.05mm～大約0.75mm，至少一個槽位于相對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散熱片，該方法包括在至少一個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F28F13/08GK1504717SQ0315881
公開日2004年6月16日 申請日期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·庫滋內(nèi)特索夫, 庫滋內(nèi)特索夫 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司