[发明专利]中空纤维热交换装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热交换装置，具体讲涉及一种中空纤维热交换器。

背景技术

目前工业上应用的绝大多数液-液、液-气、气-气、液-汽、以及气-汽热交换装置是由金属制备的。优点是其所用的金属材料普遍具有很高的传热系数和耐高温性，缺点是大多数金属的耐腐蚀性差，设备体积大和造价格昂贵等。相比较而言，聚合物材料拥有一定的优势，比如：耐腐蚀性好、容易加工，重量轻(较金属轻约4-5倍)和价格便宜等。但是通常情况下高分子聚合物材料的传热系数较金属换热器的金属材料低约100-300倍。目前市场上应用的塑料管换热器，虽然克服了金属换热器易腐蚀的缺点，但是由于其内外径和厚度均较大其传热系数和热交换效率都较小。如果将合适的塑料材料制成中空纤维，并将其壁厚减至100μm(微米)的级别，其传热系数将是相当大的。比如，聚丙烯的热导率(k)为0.19watts/m-K，100μm厚的中空纤维的传热系数可达到：

h_wa11＝(0.19/100×10^-6)＝1900watts/m²-K

由于可利用中空纤维的内外径较小，在较高装填密度的单位体积内中空纤维的有效传热面积比传统金属换热器高出约一个数量级，所以薄壁中空纤维热交换器的总传热系数是非常大的。中空纤维热交换器不仅能够克服金属热交换器耐腐蚀性差的缺点，而且同金属热交换器相比具有相近的或更大的总热交换系数，以及更容易制作生产、更轻的重量和更低的价格。

发明内容

本发明的目的是提供一种传热系数大、换热面积大、耐腐蚀性好、容易加工，重量轻、价格低、应用范围广的中空纤维热交换器装置。

本发明的另一目的是提供一种中空纤维热交换器换热的方法。

本发明中空纤维热交换装置的设计与制造着重考虑的几个方面是：(1)热交换装置的核心主体是中空纤维以及由中空纤维构建而成的换热器组件；(2)中空纤维是无孔的；(3)中空纤维有较小的内径和厚度；(4)通过换热器组件设计以实现中空纤维外侧流体相对于中空纤维的错流或相对于中空纤维内部流体的逆流；(5)通过对换热器组件的设计以保证高的传热系数和热交换效率。

为实现上述发明目的，本发明提供的中空纤维热交换装置1(图1所示)包括柱形组件外壳以及固定在组件外壳内的中空纤维；中空纤维平行均匀地排列在组件外壳内，中空纤维的两端被粘合剂固定在组件外壳内，组件外壳接近两端封胶处分别设有流体的进出口，组件外壳的两端分别与两个有流体进出口的尾帽相连结。

本发明提供的中空纤维热交换装置2(图2所示)包括组件外壳以及固定在外壳内的空心多孔管、中空纤维；空心多孔管固定在组件的中央，空心多孔管的一端开放而另一端被封堵，空心多孔管上的孔在靠近开放端处最小，且随着与开放端距离的增加而逐渐增大；中空纤维平行均匀地排列在空心多孔管周围，且中空纤维层与外壳内壁之间存在一定间隙，空心多孔管和中空纤维的两端被粘合剂固定在组件外壳内，组件外壳在接近空心多孔管的封堵端设有流体的出口，组件外壳的两端分别与两个有流体进出口的尾帽相连结，其中一个尾帽有一个流体进出口，而另一个尾帽有两个流体进出口，其中的一个口与空心多孔管相连接。

本发明提供的中空纤维热交换装置3(图3所示)包括组件外壳以及固定在外壳内的空心多孔管、中空纤维；空心多孔管固定在组件的中央，空心多孔管的两端开放，其二分之一处的内部空心通道被封堵成为两个部分，空心多孔管上的孔在靠近开放一端和另一部分的封堵处最小，并逐渐增大；中空纤维平行均匀地排列在空心多孔管周围，中空纤维之间以及空心多孔管与中空纤维之间自长度的二分之一处也被粘合剂堵隔成两个部分(也可根据需要堵隔为多个部分，与之相应的空心多孔管也被封堵为多个部分)，中空纤维层与外壳的内壁之间存在一定间隙；空心多孔管和中空纤维的两端被粘合剂固定在组件外壳内，组件外壳的两端分别与两个尾帽相连结，每一个尾帽上有两个流体进出口，其中一个口与空心多孔管相连接。