[发明专利]换热器穿孔翅片

说明书

背景技术

板翅式换热器一般用于出于加热、冷却、煮沸、蒸发或冷凝工艺流的目的而在工艺流之间换热。这些换热器中的工艺条件可包括单相或两相流动和传热。虽然一些板翅式交换器仅包含两股流，但另一些在多组板翅通路中包含多股流。单独的流可使用喷嘴和集管(header)供给到换热器中和从换热器收回。每一股流均流入在相邻的板翅通路列内配置的具体板翅通路中。单独的板翅通路被包含在多对分隔板之间，这些分隔板由翅片间隔开并且板翅通路由侧杆和端杆包封在外周上，因此它们可彼此隔离并可包含感兴趣的流体。当处于不同温度的流在彼此相邻的板翅通路中流动时，它们通过称为主传热表面的分隔板以及称为二级传热表面的分离它们的翅片支腿而换热。

板翅式交换器可通过使用诸如平面、穿孔、锯齿形和波状的许多不同类型的翅片而形成。本发明的一个实施例涉及已在行业内但以低效方式采用的穿孔翅片。根据本发明的具有穿孔翅片的板翅式换热器特别适用于诸如空气分离的低温工艺，不过这些板翅式换热器可用于其它传热工艺中。

当流或流体进入板翅式换热器通道时，它由于公知的入口效应而呈现高传热系数。在入口效应后，流或流体将迅速达到传热系数低得多的稳态条件。特别是当流动的特征为处于紊流状态或者处于层流状态与紊流状态之间的过渡状态时，已知邻近流体沿其流动的所有表面形成层状和粘性边界层。总体效果是降低这种交换器中的平均传热系数。通过以各种手段(例如在翅片中引入穿孔或锯齿形)定期扰动该边界层，至少可部分地逆转该较低传热系数状态。在翅片中引入穿孔或锯齿形将提高传热性能，然而，这种引入还将增大压力损失，且因此翅片中的穿孔或锯齿形的几何形状和布置对于实现改善的性能而言至关重要。这在穿孔翅片的情形中特别重要，因为虽然它们扰动流动而引起穿孔附近的局部传热系数的增大，但在翅片中引入穿孔还引起否则将有益于从换热器的总体传热的、来自原材料的表面积的损失。而且，例如呈穿孔形式的金属的移除会大大降低剩余材料的强度。因此，通过使用穿孔翅片来改善板翅式换热器的性能的问题是复杂的，并且对于组织使用此类穿孔来实现改善的性能的几何形状和布置而言特别重要。

过去，与板翅式换热器有关的出版物提供了对总体几何形状和用于制造板翅式换热器的基本方法的综述。虽然这些出版物说明了板翅式换热器的许多构件、它们彼此的关系、以及如何将它们装配并钎焊在一起，但这些出版物对可用于此类板翅式换热器中的穿孔翅片的描述很简要。甚至在公开了一些微小细节的案例中，这些出版物简直未能说明供使用的任何优选的几何形状和图案。

例如，住友精密工业株式会社(Sumitomo Precision Products，SPP)的堀田省三(Shozo Hotta)在1997年6月22至27日于美国犹他州斯诺伯德的壁宿和会议中心(Cliff Lodge and Conference Center)召开的国际加工行业大会(International Conference for the Process Industries)的会议记录“Compact Heat Exchangers for the Process Industries”的“Aluminum Brazed Plate Fin Heat Exchangers for Process Industries”这一章节(由R.K. Shah编辑)中，公开了对此类换热器的主要供应商SPP的板翅式换热器的综述。具体而言，这一参考文献的第181页的图4提供了包括穿孔翅片的普通翅片类型的照片证据。如其中描述和教导的，通过相对于平板上的穿孔的长轴以某一较大角度折叠带有规则穿孔的小圆孔洞或穿孔的板来形成穿孔翅片。然而，未呈现进一步的细节。

为了使总成本最小化，该制造方法在行业内非常普遍。少数标准穿孔板材可用来生产带有不同尺寸的广泛的成品翅片。然而，这种制造穿孔翅片的方法引起翅片上穿孔的不规则布置，从而导致穿孔翅片的较差性能。

授予Sunder等人的标题为“Plate Fin Exchangers with Textured Surfaces”的美国专利No. 6,834,515 B2也公开了各种穿孔翅片。Sunder的专利教导了使用表面纹理来提高其它穿孔翅片的性能。Sunder的专利的图2B示出了沿翅片的顶部和侧面带有一行穿孔的示例性翅片，其中穿孔侧向对齐。Sunder的专利的示例1陈述了，穿孔翅片具有约10%的开口面积。然而，未提供与穿孔有关的其它细节。