[发明专利]包括微结构元件的热交换器以及包括这种热交换器的分离单元

说明书

本发明涉及主液(例如含有氧气)与二次流体(例如含有氮气)之间的热量交换。此外，本发明涉及包括这种热量交换的低温气体分离单元。

本发明涉及热交换器领域，这些热交换器被配置成用于在主液与二次流体之间产生热量交换。具体地，本发明可以应用于低温气体分离领域，尤其是空气气体、酸性气体和天然气的分离。

EP 0130122 A1描述了一种热交换器，该热交换器总体上包括平行板、平行间隔件、以及经由分配器连接至主液池的入口，这些平行间隔件限定了：i)主通道；和ii)二次通道。通常，每个主通道具有总体上的棱柱形状，该总体上的棱柱形状具有矩形基部，主液沿着棱柱循环并且与该矩形基部成直角。

当EP 0130122 A1的热交换器在使用中时，在主通道中循环的主液与在二次通道中流动的二次流体交换热量。在低温空气分离单元的情况下，主液含有大比例的氧气，并且二次流体含有大比例的气态氮气。在主通道中主液流量相对较低。

然而，如在本发明中的图1所示，EP 0130122 A1的主通道具有小的横向尺寸(在此情况下以毫米为单位)，从而使得主液并不是在每个光滑的主通道50的所有矩形周界51上都均匀地分布。因此，主液形成弯月形液面52并且聚集在每个光滑的主通道50的矩形周界51的拐角53中，这导致在每个光滑的主通道50的矩形周界51的长侧54上出现干燥区域。

干燥区域的数量和表面面积随着朝向光滑的主通道的出口流动的主液的蒸发而增加。因此，在热量交换中未用到这些干燥区域，这降低了热交换器的效率。此外，这些干燥区域的风险导致杂质沉积物，这些杂质沉积物可能最终造成人员和设备的安全性下降。

本发明的目的具体是通过提供热交换器来完全地或部分地解决上述问题，该热交换器可以在增加热传递和热交换器安全性的同时使得主通道和二次通道保留常规几何形状而不产生额外水头(head)损失。

为此，本发明的主题是一种热交换器，该热交换器用于在主液与二次流体之间产生热量交换，该热交换器至少包括：

-若干板，这些板被布置成彼此平行，

-间隔件，这些间隔件在这些板之间延伸并且彼此平行地被布置成限定：i)主通道，这些主通道被针对该主液的流动适形；以及ii)二次通道，这些二次通道被针对该二次流体的流动适形，每个主通道被安排成能够与至少一个对应的二次通道交换热量，

-主液入口，该主液入口旨在被流体地连接至主液分配器，

该热交换器的特征在于，每个主通道具有总体上的棱柱形状，该棱柱形状具有多边形截面，该棱柱由若干总体上平坦的面构成，并且

这些主通道包括粗糙主通道，每个粗糙主通道具有微结构元件，这些微结构元件具有的尺寸在1μm与300μm之间、优选地在1μm与100μm之间，并且

这些微结构元件被配置为使得针对每个粗糙主通道有：

r＞1+1.3·10³·R_a·ε

其中：

-r是作为分子的对应的粗糙主通道的实际表面与作为分母的对应的粗糙主通道的几何表面的比值，

-R_a(以m为单位)是相对于正中线的算术平均偏差，并且

-ε是对应的粗糙主通道的实际表面的空隙率。

比值r有时被称为“粗糙度系数”或“粗糙度”。算术平均偏差R_a(以m为单位)表示粗糙主通道的粗糙度。在本申请中，术语“正中线”指代位于实际表面的平均高度处的线。实际上，可以通过应用最小二乘法来由根据表面的横截面剖面的地形记录计算正中线。

在本发明中，术语“表面的空隙率”对应于如下计算的分数：切片被认为是其厚度等于这个表面的最高峰(相对于最低点)的高度。在此切片上，空隙率ε对应于未被微结构元件占用的体积与该切片的总体积之间的比值。这个比值的表示如下：

其中：

V_tot(以m³为单位)是在实际表面的最高点与最低点之间包含的体积，并且

V_surf(以m³为单位)是在实际表面与实际表面的最低点之间包含的体积。

结果是：

其中：R_z是相对于表面的最低点的最高峰的高度，

z(以m为单位)是实际表面的对应点相对于最低点的高度，高度z是逐点测量的，(以m为单位)是逐点测量的高度z的算术平均值。