3-d通路氣體熱交換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維(3-D)通路氣體熱交換器，該氣體熱交換器通過在金屬板上執(zhí)行擴(kuò)散結(jié)合而制成，在該金屬板中，使用光蝕刻且然后將頂板焊接至金屬板而形成細(xì)通道，以便汽化LNG或冷卻用于化學(xué)過程的具有高溫的過程氣體。
[0002]更具體而言，本發(fā)明涉及3-D通路氣體熱交換器，其可在極端低溫或高溫和高壓環(huán)境下使用，具有比現(xiàn)有的殼管式熱交換器小得多的體積，可使流動(dòng)至通道中的熱源或熱源中的凍結(jié)堵塞現(xiàn)象或由于溫度和壓力的差異導(dǎo)致的疲勞破裂現(xiàn)象最小化，且其通過強(qiáng)制分離和混合而具有高傳熱系數(shù)和改善的耐壓性質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0003]國(guó)際海事組織公告了 MARPOL(來自船舶的污染的預(yù)防)規(guī)定，以減少來自船舶的大氣污染，并且努力將大氣污染減少至目前排放量的5至20%水平。因此，進(jìn)行世界范圍的研究，以利用液化天然氣(LNG)替代現(xiàn)有的重質(zhì)燃料油系列船用油(即，用于船舶的燃料)。
[0004]與此規(guī)則一致，在歐洲沿海出現(xiàn)了使用LNG作為燃料的船舶。因?yàn)樾⌒痛笆褂蒙倭康腖NG且具有短的航行服務(wù)距離，所以小型船舶具有LNG燃料儲(chǔ)槽(其具有小容量)，且使用具有低壓的燃料氣體。相反，因?yàn)榇笮痛靶枰哂写笕萘康腖NG燃料儲(chǔ)槽，使用非常大量的燃料且具有大的推動(dòng)力，所以大型船舶需要使用利用直接驅(qū)動(dòng)方法的2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)以便增大燃料效率。
[0005]為了獲得具有高壓的天然氣，需要用于汽化極低溫物質(zhì)的高壓熱交換器。滿足該需求的熱交換器包括大約一百年前研發(fā)且現(xiàn)在仍在使用的管殼式熱交換器、具有多個(gè)管束的盤管式熱交換器和翅片管式熱交換器(其中銷附連至管)。
[0006]而且，作為相反概念，在許多工廠中，為了冷卻或冷凝具有高溫和高壓的過程氣體，主要利用制作流動(dòng)到熱交換器的次級(jí)側(cè)通道中的冷源(諸如水或制冷劑)的過程。
[0007]據(jù)報(bào)告，由于以下問題，現(xiàn)有熱交換器(諸如，殼管式熱交換器或盤管式熱交換器)不適于用于天然氣推動(dòng)的船舶的高壓LNG汽化器。
[0008]第一，在設(shè)計(jì)和制造成在高壓和極低溫環(huán)境下使用的殼管式熱交換器中，由于用于耐受高壓的厚管板和相對(duì)較薄的管的熱容量之間的差異，疲勞破裂很可能在接頭處發(fā)生。
[0009]第二，殼管式熱交換器等不可避免地依賴管的長(zhǎng)度，以便增大加熱區(qū)域，且由于低緊致性而需要大尺寸和較重的重量。
[0010]第三，由于大尺寸，用于堵塞熱的入口和出口的絕緣盒的尺寸進(jìn)一步增大，且因此極大地增大了成本和船舶內(nèi)的安裝空間。
[0011]問題同樣產(chǎn)生在用于汽化高壓和低溫材料且冷凝或冷卻高壓和高溫氣體的用途中。
[0012]除上述問題外，還存在在應(yīng)用印刷回路熱交換器(PCHE)1時(shí)難以解決的一些問題，已知，該印刷回路熱交換器10適用于在圖1和2中示出的高壓熱交換器。因此，采用PCHE 10的系統(tǒng)尚未出現(xiàn)，且此問題還存在于用于化學(xué)工廠的過程氣體冷卻器和用于船舶的天然氣汽化器中。
[0013]第一，產(chǎn)生結(jié)冰，即如下現(xiàn)象，在該現(xiàn)象中，通道2的表面凍結(jié)，用于加熱在極低溫下流到通道I中的LNG溫度的熱源經(jīng)過該通道2。為了避免該現(xiàn)象，需要具有2_或更大的平均水力直徑(即，可通過現(xiàn)有光蝕刻工藝制作的通道的尺寸)的大通道。具有大的平均水力直徑的通道使得難以采用現(xiàn)有PCHE 10，因?yàn)槠洳宦淙牍馕g刻工藝的技術(shù)限制和經(jīng)濟(jì)限制內(nèi)。
[0014]第二，因?yàn)橛脕砥蚶鋮s氣體的熱源(或冷源)以低速度長(zhǎng)時(shí)間行進(jìn)穿過小的通道2，故熱傳遞速率因?yàn)槎氯F(xiàn)象和結(jié)垢現(xiàn)象而顯著減低，在堵塞現(xiàn)象中，通道2被外來物質(zhì)堵塞，且在結(jié)垢現(xiàn)象中，通道的內(nèi)側(cè)被變得顯著的水垢覆蓋。具體而言，此結(jié)垢問題是在PCHE以作為用于工廠的過程氣體的冷卻器商品化之后引起最多抱怨的問題。而且，該問題可甚至很可能發(fā)生在高壓LNG汽化器中，該汽化器至今尚未研發(fā)和應(yīng)用。
[0015]由于堵塞現(xiàn)象和結(jié)垢現(xiàn)象，該P(yáng)CHE 10必須通過高壓洗滌或使用高溫氣體的燃燒來清潔且然后重新組裝。為此，必須停止對(duì)應(yīng)的船舶或工廠，但是由于系統(tǒng)的特性，停止整個(gè)系統(tǒng)是困難的。
[0016]因此，需要這些問題的解決方案。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017]技術(shù)問題
因此，考慮到上述問題作出了本發(fā)明，且本發(fā)明的目的是提供一種3-D通路氣體熱交換器，其可使現(xiàn)有殼管式熱交換器中固有的極低溫或高溫和高壓環(huán)境下的疲勞破裂現(xiàn)象最小化、使熱源供應(yīng)通道中的凍結(jié)堵塞現(xiàn)象或歸因于外來物質(zhì)的堵塞和因使用的流體的變形而導(dǎo)致的堵塞可能性最小化、通過通道內(nèi)的通氣管的重復(fù)的分開和混合使熱傳遞特性最小化、且通過將熱源流過的通道的平均水力直徑增大至2_或更大的平均水力直徑(即，現(xiàn)有PCHE的出于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因的極限)來使體積最小化。
[0018]通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目的不限于上述目的，且根據(jù)以下說明，上面尚未描述的其他技術(shù)目的對(duì)本發(fā)明所屬于的領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言將變得顯而易見。
[0019]問題解決方案
本發(fā)明的目的可通過一種3-D通路氣體熱交換器而實(shí)現(xiàn)，其用在船舶中，包括:多個(gè)熱交換板，其構(gòu)造成具有用于交換在熱交換板的一側(cè)上形成的熱的加熱表面單元；和多個(gè)通道，其形成在多個(gè)熱交換板之間，且其中，多個(gè)通道包括:第一通道，其構(gòu)造成通過第一通道運(yùn)送具有第一溫度的第一流體；第二通道，其構(gòu)造成通過第二通道運(yùn)送第二流體，以用于將熱傳遞至具有第一溫度的第一流體；和第三通道，其構(gòu)造成當(dāng)?shù)诙黧w的溫度(T)低于預(yù)定溫度值(Tref)時(shí)，通過將熱傳遞至第二通道中的至少一些來防止第二通道中的凍結(jié)。
[0020]而且，多個(gè)熱交換板的形狀可為矩形、方形和卵形中的至少一種，且用于提供多個(gè)通道的多個(gè)通道槽可形成在多個(gè)熱交換板的一側(cè)或兩側(cè)上。
[0021]而且，多個(gè)通道槽可通過蝕刻方法、沖壓方法和機(jī)械處理方法中的至少一種來形成。
[0022]而且，多個(gè)熱交換板可包括:第一熱交換板，其構(gòu)造成形成第一通道；第二熱交換板，其配置在第一熱交換板附近且構(gòu)造成形成第二通道；和第三熱交換板，其配置在第二熱交換板附近且構(gòu)造成形成第三通道。
[0023]而且，第二熱交換板的加熱表面單元可包括以直線延伸的實(shí)心單元和以特定角度從實(shí)心單元彎曲的交叉角度單元，該實(shí)心單元和交叉角度單元可為重復(fù)的形式，實(shí)心單元的長(zhǎng)度可為8至200mm，且交叉角度單元的長(zhǎng)度可為2_5mm。
[0024]而且，第一通道、第二通道和第三通道可為復(fù)數(shù)個(gè)，多個(gè)第二通道可配置在多個(gè)第一通道附近，且多個(gè)第三通道可配置在多個(gè)第二通道附近。
[0025]而且，第二通道中的各個(gè)可具有2至1mm的直徑。
[0026]而且，3-D通路氣體熱交換器可用在船舶中，第一流體可為L(zhǎng)NG，且第二流體可為溫水、高溫蒸汽和水與防凍劑的混合物中的至少一種。
[0027]而且，3-D通路氣體熱交換器可用在氣體工廠中，第一流體可為丙烷、乙烷、氨和冷水中的至少一種，且第二流體可為高溫氣體。
[0028]而且，3-D通路氣體熱交換器還可包括覆蓋物，該覆蓋物用于在多個(gè)堆疊的熱交換板的外側(cè)支撐該多個(gè)熱交換板。
[0029]發(fā)明的有利影響
根據(jù)本發(fā)明的3-D熱交換器，因凍結(jié)導(dǎo)致的通道堵塞現(xiàn)象或因雜質(zhì)導(dǎo)致的堵塞現(xiàn)象可得到顯著改善，因?yàn)橥ǖ赖某叽邕h(yuǎn)大于可制造普通PCHE的范圍。
[0030]而且，由于從用于極低溫的LNG通道和沒有任何物體流過的備用通道放置在熱交換介質(zhì)通道(第二通道)附近，故熱交換介質(zhì)通道(第二通道)的一側(cè)被保護(hù)免受冷空氣影響，且周圍溫度的斜率變得緩和。因此，優(yōu)點(diǎn)在于，由凍結(jié)引起的通道堵塞現(xiàn)象可得到改善且熱應(yīng)力和熱沖擊可得到降低。
[0031]而且，熱交換板的實(shí)心部分是長(zhǎng)的且熱交換板的交叉角度部分是短的，以至于執(zhí)行強(qiáng)制攪拌。因此，優(yōu)點(diǎn)在于，通過流體的強(qiáng)制攪拌，通道由外來物質(zhì)堵塞的現(xiàn)象和通道由水垢覆蓋的現(xiàn)象可顯著減少，且傳熱系數(shù)可最大化。
[0032]可通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的效果不限于上述效果，且根據(jù)以下說明，本發(fā)明所屬于的領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地明白尚未描述的其他效果。
【附圖說明】
[0033]圖1是常