[发明专利]3-D通路气体热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及三维(3-D)通路气体热交换器，该气体热交换器通过在金属板上执行扩散结合而制成，在该金属板中，使用光蚀刻且然后将顶板焊接至金属板而形成细通道，以便汽化LNG或冷却用于化学过程的具有高温的过程气体。

更具体而言，本发明涉及3-D通路气体热交换器，其可在极端低温或高温和高压环境下使用，具有比现有的壳管式热交换器小得多的体积，可使流动至通道中的热源或热源中的冻结堵塞现象或由于温度和压力的差异导致的疲劳破裂现象最小化，且其通过强制分离和混合而具有高传热系数和改善的耐压性质。

背景技术

国际海事组织公告了MARPOL(来自船舶的污染的预防)规定，以减少来自船舶的大气污染，并且努力将大气污染减少至目前排放量的5至20%水平。因此，进行世界范围的研究，以利用液化天然气(LNG)替代现有的重质燃料油系列船用油(即，用于船舶的燃料)。

与此规则一致，在欧洲沿海出现了使用LNG作为燃料的船舶。因为小型船舶使用少量的LNG且具有短的航行服务距离，所以小型船舶具有LNG燃料储槽(其具有小容量)，且使用具有低压的燃料气体。相反，因为大型船舶需要具有大容量的LNG燃料储槽，使用非常大量的燃料且具有大的推动力，所以大型船舶需要使用利用直接驱动方法的2冲程发动机以便增大燃料效率。

为了获得具有高压的天然气，需要用于汽化极低温物质的高压热交换器。满足该需求的热交换器包括大约一百年前研发且现在仍在使用的管壳式热交换器、具有多个管束的盘管式热交换器和翅片管式热交换器(其中销附连至管)。

而且，作为相反概念，在许多工厂中，为了冷却或冷凝具有高温和高压的过程气体，主要利用制作流动到热交换器的次级侧通道中的冷源(诸如水或制冷剂)的过程。

据报告，由于以下问题，现有热交换器(诸如，壳管式热交换器或盘管式热交换器)不适于用于天然气推动的船舶的高压LNG汽化器。

第一，在设计和制造成在高压和极低温环境下使用的壳管式热交换器中，由于用于耐受高压的厚管板和相对较薄的管的热容量之间的差异，疲劳破裂很可能在接头处发生。

第二，壳管式热交换器等不可避免地依赖管的长度，以便增大加热区域，且由于低紧致性而需要大尺寸和较重的重量。

第三，由于大尺寸，用于堵塞热的入口和出口的绝缘盒的尺寸进一步增大，且因此极大地增大了成本和船舶内的安装空间。

问题同样产生在用于汽化高压和低温材料且冷凝或冷却高压和高温气体的用途中。

除上述问题外，还存在在应用印刷回路热交换器(PCHE)10时难以解决的一些问题，已知，该印刷回路热交换器10适用于在图1和2中示出的高压热交换器。因此，采用PCHE10的系统尚未出现，且此问题还存在于用于化学工厂的过程气体冷却器和用于船舶的天然气汽化器中。

第一，产生结冰，即如下现象，在该现象中，通道2的表面冻结，用于加热在极低温下流到通道1中的LNG温度的热源经过该通道2。为了避免该现象，需要具有2mm或更大的平均水力直径(即，可通过现有光蚀刻工艺制作的通道的尺寸)的大通道。具有大的平均水力直径的通道使得难以采用现有PCHE10，因为其不落入光蚀刻工艺的技术限制和经济限制内。

第二，因为用来汽化或冷却气体的热源(或冷源)以低速度长时间行进穿过小的通道2，故热传递速率因为堵塞现象和结垢现象而显著减低，在堵塞现象中，通道2被外来物质堵塞，且在结垢现象中，通道的内侧被变得显著的水垢覆盖。具体而言，此结垢问题是在PCHE以作为用于工厂的过程气体的冷却器商品化之后引起最多抱怨的问题。而且，该问题可甚至很可能发生在高压LNG汽化器中，该汽化器至今尚未研发和应用。

由于堵塞现象和结垢现象，该PCHE10必须通过高压洗涤或使用高温气体的燃烧来清洁且然后重新组装。为此，必须停止对应的船舶或工厂，但是由于系统的特性，停止整个系统是困难的。

因此，需要这些问题的解决方案。

发明内容

技术问题

因此，考虑到上述问题作出了本发明，且本发明的目的是提供一种3-D通路气体热交换器，其可使现有壳管式热交换器中固有的极低温或高温和高压环境下的疲劳破裂现象最小化、使热源供应通道中的冻结堵塞现象或归因于外来物质的堵塞和因使用的流体的变形而导致的堵塞可能性最小化、通过通道内的通气管的重复的分开和混合使热传递特性最小化、且通过将热源流过的通道的平均水力直径增大至2mm或更大的平均水力直径(即，现有PCHE的出于技术和经济原因的极限)来使体积最小化。