[发明专利]增强的横流式传热

说明书

本发明涉及一种用于提高流体传热的方法和装置，该流体横向流动并与多根轴向热交换管的导热外壳接触，该管道可用作热源或热沉。其通过形成多路横向流动，这种流动在总体上垂直于该热交换管道的轴线，并利用开槽或开孔的板、挡板或围绕的套管元件形成流体在热交换管道的上游、下游和/或围绕或沿着该热交换管道的流动，从而在流动流体与所述导热面之间获得令人吃惊的更为有效的传热。

本发明的背景技术

众所周知，使工作流体流动并与一个温度不同于上游工作流体的传热表面接触，可使热量传向工作流体或从该工作流体传递过来(这取绝于该传热表面的温度是高于还是低于该流体的温度)，从而加热或冷却该工作流体，其中该工作流体可以是液体或气体。在该技术的一个常见型式，用作热源或热沉的传热表面是传热管道导热壳体的外表面，例如该传热管道利用轴向流过管道内表面的流体而被加热或冷却。该技术的一个变形是，利用气体燃料(诸如氢或烃)的无焰燃烧直接从热交换管道内部提供热量，例如，美国专利No.5,255,742和5,404,952，这些专利通过引用而成为本发明的一部分。

将工作流体沿着传热表面的轴向相对于传热管道内流体的流动方向或者顺流或者逆流，或者将工作流体(process fluid)相对于该传热管道的轴线横向流动(crossflow)，或者上述两种方式的组合，是本领域技术人员公知的。在横向流动流体和热交换管道之间的传热通常应用于火焰加热器或火焰炉中的空气冷却器、省煤器以及管壳式换热器。各种形式的所谓径流或轴流/径流反应器设计可用于各种应用场合，在此，某一点上，至少有一部分工作流体流沿径向、横向(即，由内到外或由外到内)移动并通过该反应器，这与人们所更熟悉的轴流(即，从头到尾)反应器设计相反。美国专利No.4,230,669、4,321,234、4,594,227、4,714,592、4,909,808、5,250,270和5,585,074是几个工作流体相对于多根轴向布置的传热管至少部分地径向、横向流动的反应器设计的例子，上述每个专利都通过引用而成为本发明的一部分。

尽管工作流体与传热表面的横流接触对于许多应用来说都是很有吸引力的选择，然而由于在实践中横流式接触表现出一定的低传热效率，横流式接触的工业应用受到限制。在典型的横流式设计中通常是，工作流体的给定部分与传热表面的接触时间比可比较的轴流式设计短。另外，由于工作流体的分离与回流，横流式工作流体与传热表面的接触不均匀。接触时间短、不均匀以及有限的流体混合导致了能传递效率低、不充分、和/或不均匀。

因此，在Int.J.Heat Mass Transfer，第27卷，第12期，第2297-2306页(1984)的一篇名为“由于无偏移扁孔喷口的偏移在圆筒体上形成的冲击式传热”的文章中，作者Sparrow和Alhomoud报告了他们通过将开孔表面布置在传热管上游一定距离处以形成气体喷嘴，从而改变横向流动传热管的工作气体的传热系数的实验成果。Sparrow和Alhomoud改变了喷嘴导引缝隙的宽度、该缝隙与管道之间的距离、雷诺数(流体湍流程度)以及缝隙喷嘴是对准该管道还是被偏置。作者的结论是传热系数随着缝隙宽度和雷诺数的增加而增加，但随着缝隙至管道分开距离和偏置量的增加而减小。

由于Sparrow和Alhomoud的研究得出传热系数随缝隙宽度的增加而增加的结论，但基于这些结果，为增强传热而普遍应用上游缝隙充其量也是不明确的。它只能得出如下结论：在Sparrow和Alhomoud所用的实验设计中，相对较宽的缝隙可带来比相对较窄的缝隙高的传热系数，并且根本没有上游缝隙时则可得到最高值。目前尚无一例测试是利用多根传热管、或利用上下游管对、或绕着或沿着流体集聚装置来进行从而使与多根传热管道的每根管道外表面交叉流动接触的流体形成最佳流线，并且基于现有的极其有限的数据无法对如此不同的设计方案和结构做出合理的推断。

现有技术的横流式热交换设计的这些和其他的缺点及局限全部或部分地被本发明的强化的横流式传热方法和设计克服了。

本发明的目的

因此，本发明的主要目的是提供在工作流体和传热表面之间增强的横流传热的方法和结构。

本发明的总的目的是提供专用于引导和形成与一个或多个传热表面接触的流体横向流程的方法和结构，从而增强该流体和该传热表面间的传热。