專利名稱：低溫流體蒸發器和方法
技術領域：
本發明涉及低溫流體蒸發器，尤其是用環境氣氛加熱的蒸發器。
空氣分離得到的氣體如氧氣，氮氣和氬氣在各工業領域應用廣泛。這類氣體的大量用戶如軋鋼廠或鋁再熔器可能要求在使用地點設置空分裝置，少量用戶一般要購買筒裝高壓氣體，而中等量用戶通常認為購買液化氣源更方便，即低溫液體在使用地點裝在貯罐中并在需要時使低溫液體在蒸發器中從該罐內蒸發。本文中低溫液體戶定為沸點低于200°K的液體。
用戶還可能要求間歇或連續用貯罐中的低溫液體供氣。為使液體蒸發而得到連續氣流，可應用換熱器，其中由熱流體如另一工藝產生的蒸汽供熱。但低溫液體連續和間歇蒸發的最常用熱源為環境氣氛。
大氣蒸發器一般由一或多根立式通管構成。管外是環境氣氛并可設有延伸或加大的表面。低溫液體在管內流動并蒸發且在需要時過熱，可過熱到環境氣氛的溫度。
隨著低溫液體流經大氣蒸發器，其外表面得到冷卻。常規環境氣氛蒸發器外表面溫度一般從接近低溫液體沸點如氮氣為77°K的溫度到接近大氣溫度的溫度。蒸發器的冷外表面使周圍空氣冷卻。周圍空氣溫度冷到其露點以下時，在蒸發器外表面上沉積成水層并且在空氣中形成冷凝水霧。在外表面一部分處于水的冷凍點以下時，水逐漸凍結成冰。冰塊可能完全充滿蒸發管外表面上的相鄰鰭片之間的空間并且甚至可能逐漸充滿相鄰管間的空間。結冰帶來幾方面的問題，這會使蒸發器表面減少并作為絕緣介質。這兩方面的效果會降低從環境氣氛向蒸發器外表面的傳熱速度并因此降低蒸發器蒸發能力。結冰可達到蒸發器本身重量的十倍或以上的重量。冰的結構不均勻，也不可預測。在操作期間或在除冰期間冰塊可散落，這對蒸發器本身，其連接的管線和操作人員都是有害的。而且，在附近產生的霧對交通運輸和行人安全也不利，因為能見度很低。
對結冰問題的處理已作了幾方面的嘗試。由操作人員從外部噴熱水或蒸汽可定期除冰，也可用刮片機械除冰。這種操作不符合要求，因為需要手工操作。冰的結構不可預料，碎落的冰對操作人員會造成傷害并可能損壞蒸發器和其連接管線。而且，這樣人工定期除冰并不會減少生成的霧量。
一種解決辦法是在最初一段裸管即無外部鰭片的管線上適應結冰過程，裸管后連接有外部鰭片的管線，設置裸管的目的是為冰的沉積提供大部分或全部表面。這里的邏輯是裸管耗費低于鰭片管并以少量費用維持大量結冰。但是，這需要應用不合適宜的大量裸管，地面空間和結構支撐件，因此使該辦法并不令人滿意。生成霧的問題仍然存在并且不會因該工藝而減少。
另一措施是設置一或多組雙重蒸發器，其中一組蒸發器操作時，另一或多組蒸發器就除霜。可采用許多方式轉換操作各組蒸發器。簡單的方法是純粹隨時間流程開關各組蒸發器，這忽略了其它因素。這種辦法應用許多昂貴的蒸發器，同時要求大量空間。但是，生成霧的問題還是未得到解決，也并不會因該措施而減少。
再一種方法是擴大蒸發系統的尺寸，從而降低平均傳熱負荷/蒸發單元，不過增加了費用并且要求有地面空間。該方法在一定程度上減少了霧生成量。
基于上述理由，目前需要處于環境氣氛下可消除或減少其外表面結冰量并且減少霧生成量，而同時又不要求過大的蒸發表面積或蒸發器結構的低溫液體蒸發系統。
本發明涉及通過用環境氣氛加熱以減少蒸發器外表面結冰量并減少氣氛中霧生成量而控制低溫液體蒸發的方法，其中包括(a)設置包圍內管的外管;
(b)將外管外表面放在環境氣氛中;
(c)將低溫液體通入內管;
(d)使內管中的至少一部分低溫液體蒸發;
(e)從內管中將形成的液體和蒸氣排入外管中;
(f)在內外管之間的環形空間內形成蒸氣層以提供可控制熱阻;
(g)從環境氣氛經過外管，環形空間中的蒸氣層和內管向內管中流動的低溫液體傳熱，以可控速度使內管中的低溫液體蒸發并在環形空間中使形成的蒸氣加熱，從而使設計條件下大部分外管上溫度梯度溫和并且溫度處于水的凍結點以上。
在本發明的實施方案中，使液體和蒸氣離開內管后以與內管中的低溫液體呈逆流方式通過環形空間，從而從環境氣氛中經環形空間中流動的蒸氣向內管中的低溫液體傳熱，即可完成前驟(d)。在另一方案中，用外管中排出的蒸汽占據內外管之間的環形空間，這樣在外管內表面和內管外表面之間設置高熱阻，也可完成步驟(d)。在該方案中，工藝中還包括將內管排出的液體和蒸氣通過內管未占據的外管長度。
本發明另一方案涉及可滿足這些要求的蒸發器。具有本發明特征的蒸發器包括外管中設內管的蒸發單元，其中內管設有導入低溫液體的入口端和排出形成的液體和蒸氣的出口端;而外管設有置于環境氣氛中的鰭片外表面，其第一端在內管入口端橫截面外緣上封口，第二端遠離外管第一端，并且其橫截面內緣大于內管橫截面外緣。外管有一段長度從內管入口端開始直到超過內管出口端包圍此內管，從而在內外管之間形成環形空間并在內管出口和外管第二端之間形成縱向空間。內管出口端接近，但短于外管第二端，外管封住流體物流。外管出口接近該外管第一端。
在又一實施方案中，內管出口大大短于外管第二端。接近外管第二端的是流體物流出口。
該蒸發器的特征是其外表面在平均產品傳送和平均環境氣氛條件下具有溫和的縱向溫度梯度并且其溫度比水凍結點高出一些。在蒸發器中限定低溫流體初始物流的表面和蒸發器外表面之間，即在外管內表面和內管外表面之間通過傳熱阻力使限定長度上的熱負荷分布更為均勻。在上述先說明的方案中由環形空間內的流動蒸氣層提供熱阻，而在上述后說明的方案中由環形空間內的靜止蒸氣層提供熱阻。本發明這些特征帶來的優越性包括消除了設計條件下的結冰可能性并在更苛刻條件下減少了結冰量。另一優點是大大減少了所有條件下的霧生成量。
從以下參照附圖所作的詳細說明中可清楚地看出本發明上述和其它特點及優越性。
圖1為蒸發器實施方案之一的側視圖，其中部分為剖視圖，部分為示意圖。
圖2為沿圖1中2-2線的橫截面剖視圖。
圖3為蒸發器另一實施方案的側視圖，其中部分為剖視圖，部分為示意圖。
圖4為沿圖3中3-3線的橫截面剖視圖。
圖5為沿圖3中5-5線的橫截面剖視圖。
圖6為沿圖3中6-6線的橫截面剖視圖。
圖7為圖1-6中所示蒸發單元和加熱單元的示意圖。
圖8為圖1-6中所示蒸發單元和加熱單元的另一示意圖。
在圖1和圖2所舉例說明的本發明方案中，蒸發器10包括蒸發單元12和加熱單元14。蒸發單元又包括內管16，設有導入基本上為液態的低溫流體的入口端18以及排出所形成低溫流體的出口端20。內管16的出口端20插入包圍內管16的外管22的內部。外管22可具有處于環境氣氛中的簡單無外延外表面23，但通常設有增大處于環境氣氛中的傳熱外表面的有鰭片外表面24。外管22還可具有有鰭片內表面26。外管橫截面內緣28大于內管橫截面外緣30以包圍內管。外管22設有在內管入口端18處封在內管16橫截面外緣上的第一端32和遠離第一端32的第二端34。外管第二端34封住流體物流，該外管22從內管16的入口端18到內管16出口端20以外包圍內管16，從而在內管16和外管22之間形成環形空間并且在內管16出口端20和外管22的第二端34之間形成縱向空間38。
內管出口管20長度接近，但短于外管22的第二端34。外管22的流體物流出口40接近外管22第一端32。外管22優選按第二端34及其以下的外管第一端32取向。更優選的是外管為立式狀態。
加熱單元14包括管42，其中通常設有鰭片外表面44，必要時設有鰭片的內表面46，一端的流體物流入口48和另一端的流體物流出口50。優選加熱單元14立式設置并且流體物流入口48可處于管42上端或下端。蒸發單元12的出口(事實上為蒸發單元中外管22的出口40)與加熱單元14入口48連接。
對特殊的一組操作條件有效的設備布置為圖7所示，其中2-4個并聯的蒸發單元12構成的一組出口連在一或多個并聯加熱單元14的一或多個串聯組中。如圖8所示，優選設備配置為一或多個蒸發單元并聯連接后接第一組兩或多個并聯設置的加熱單元，再往后接至少第二組并聯設置的加熱單元，其中第二組數目小于第一組。在這種設備配置中包括蒸發單元組的大量并聯蒸發單元與大量加熱單元配合。加熱單元安置成大量并聯設置的單元組并且加熱單元組依序串聯。在各組中并聯設置的加熱單元數量逐漸減少，在各組加熱單元中流動的流體傳質速度得以提高，從而降低了在包括加熱單元的管內表面上膜對傳熱的阻力。以這種方式，加熱單元外表面溫度保持更為均勻，并且通常處于水的凍結點以上，因此減少或消除了在加熱單元外表面上結冰和在環境氣氛中生成霧的可能性。
在如圖3-6所示本發明另一例示的實施方案中，蒸發器10包括前述蒸發單元12和加熱單元14。但在這后一方案中，內管16的出口端20通常大大短于外管22的第二端34以便在流體從內管16的出口端20排出以后提供傳熱表面。一般來說，內管16達到外管22長度的三分之二。外管22在外管第二端34處有流體物流出口52。對于連接其出口端20的長度54，內管16優選具有比連接入口端18并具有更小橫截面60的長度58更大的橫截面外緣56。典型構造是外管22長度的三分之一內部由具有更小橫截面的外緣60的內管58長度占據，其長度的第二個三分之一內部則由具有更大橫截面的外緣56內管54的一段長度占據，而且其長度的另三分之一內部未被占據。
必要時，內管16上在接近其入口端18的地方有一個泄流孔62，從其橫截面內緣延伸到內外管之間的環形空間36。同樣，內外管之間的環形空間36必要時可部分或全部由固體材料，優選由隔熱材料，更優選由玻璃纖維或泡沫隔熱材料占據。
在這后一種實施方案中，加熱單元14類似于前述實施方案中所述加熱單元并且蒸發單元12出口(事實上為外管22的出口52)與加熱單元14的入口49相連。另外的加熱單元可并聯和串聯，而設備配置可如同上述第一種實施方案進行。
在上述并如圖1和2所示的本發明第一種舉例實施方案中，低溫流體，通常大部分或所有為液體，進入內管16的入口端18。隨著該液體向上通過內管16，液體不斷沸騰，而且在內管內表面上幾乎沒有傳熱膜阻力。蒸發器的溫和操作條件中平均低溫流體流速低并且有溫熱環境氣氛條件。在溫和條件下，物流從內管中以蒸氣態排出，在流過環形空間過程中蒸氣進一步加熱和過熱。該蒸氣流在外管22內壁和內管16外壁上形成高膜阻力并在環形空間36截面上形成高熱阻。因此，從外管22內壁到內管16中的流體的總阻力高并且可調控，從而由低溫流體降低了外管外表面23，24的冷卻速度。在這些溫和操作條件下，使外表面23，24處于高于水凍結點以上的溫度下。沿外管外表面長度上的溫度梯度也大幅度降低并且是緩和的。蒸發單元12優選立式取向，在外管22外表面上的最低溫度在外管第二端34或頂端上，該點最容易出現大氣加熱。因此，冰不會形成，更不會積聚，而且霧生成量大為減少或根本沒有。
蒸發器10的設計條件為通過蒸發器的平均低溫流體流速和平均環境氣氛條件。在這些平均操作條件下，物流從內管16中以大致飽和蒸氣態或蒸氣和液體混合物形態排入外管22的端部。流體然后在內外管之間的環形空間內流動。以這種方式，蒸發單元12內部適應更為急需的操作條件。在環形空間中，蒸氣流在外管22內壁和內管16外壁上形成高膜阻力并在壁間造成高熱阻。在環形流中的任何液體通常以飽和液體存在并且大部分在環形空間中流動。但與外管22內壁接觸的任何液體形成膜并在高膜阻力下蒸發。因此，蒸發單元12優點是沿外管22長度上的溫度梯度緩和并且在設計條件下外表面23，24的溫度處于水凍結點以上，從而避免了在外表面上結冰。
在離開蒸發單元時，設計條件下物流為蒸氣并有些過熱。在進入加熱單元14時，物流進一步過熱。由于物流在管42中為蒸氣并且在管42內表面上發生高膜阻力，同時由于蒸氣溫度此時要高于流體沸點，管42外表面處于水凍結點以上，當然不會結冰。
蒸發器的苛刻操作條件是在不正常的高低溫液體流量或在不正常的低溫環境條件下發生的。在這些苛刻的操作條件下，流體從內管16排入管22端部時僅部分氣化，即成為蒸氣和液體。該液體在流體流過環形空間36的過程中也不會完全氣化。蒸發單元12優選立式取向時，在外管22底部形成液池。然后在外管22內表面上液池以極低熱阻沸騰，從而對蒸發單元12進行調節以使其適應苛刻的操作條件。液體也可從蒸發單元12流到加熱單元14中，在其中完成其蒸發。在這些苛刻條件下，在蒸發單元外管22外表面上可形成一些冰，但在這些條件下的有限操作期間這通常是允許的。
在上述并如圖3所示的第二種舉例實施方案中，低溫流體中通常大部分或全部液體進入A單元12中的內管16的入口端18中。在蒸發單元12優選立式取向時，向上通過內管16的流體沸騰時對內管內表面上傳熱的熱阻幾乎沒有。在這些溫和的操作條件和設計條件下，流體從內管以蒸氣態排出。在流過外管22的剩下一段長度時，蒸氣進一步加熱并成為過熱蒸氣。
在溫和操作條件下，內外管之間的環形空間36由靜止蒸氣占據，這對外管22內壁和內管16外壁上的傳熱造成很高的膜阻力并對環形空間36橫截面上的傳熱也帶來很高的熱阻。因此，從外管22內壁到內管16內的流體的總阻力很高并且可調控，從而僅使外管22外表面上因低溫流體而達到溫和的冷卻速度并使外表面處于相對較高的溫度下，當然也是在環境氣氛溫度以下。沿外管22外表面長度上的溫度梯度大幅度縮小并且是緩和的。這些效果防止了外管外表面處于環境氣氛中時結冰。通過環形空間36的清掃氣流由接近內管16入口端18的地方穿過內管16的一或多個小泄流孔62提供。清掃氣流不會大量減弱從外管22內壁到內管16中的流體的總熱阻。
在設計條件以及比設計條件更為苛刻的操作條件下，物流以飽和蒸氣或以蒸氣和飽和液體的混合物從內管16排入外管22。有些液體與蒸氣分離并向下滴入環形空間36中。與外管22內表面接觸的飽和液體形成高熱阻膜，但在到達外管22底部之前已蒸發。這種蒸發會在一定程度上降低外管22外表面溫度，但可造成更大的熱通量。以這種方式，蒸發器可自發適應更高的熱負荷。
在離開蒸發單元12時，設計條件下物流為蒸氣并在進入加熱單元14時得到加熱。在管42中的蒸氣在管42內表面上產生高膜阻力，并且蒸氣溫度在一定程度上高于流體沸點，因此管42外表面處于水凍結點以上，這時也就不會產生冰。
在苛刻的操作條件期間，流體從內管16排入外管22時僅部分氣化，即呈蒸氣和液體狀態。在蒸發單元12優選立式取向時，液體與蒸氣分開并向下流入環形空間36以在外管22底部形成液池。液池在外管22內表面上沸騰，其熱阻極低，因此可對蒸發單元12進行調整以使其適應苛刻的操作條件。液體也可以蒸發單元12流到加熱單元14中，在其中完成其蒸發。在這些苛刻條件下，在蒸發單元12中外管22的外表面上形成一些冰，但在這些條件下的有限操作期間通常是允許的。
因此，本發明提出可在比現有蒸發器更均勻和更高的外表面溫度下進行操作的蒸發器，其優點很多，包括在對應于平均操作條件的設計條件下不結冰并且不生成霧。在更為苛刻的操作條件下，蒸發器外表面上的結冰量以及霧生成量均比現有蒸發器少。其它優越性在于蒸發器既沒有多段雙重設備，也無霧不經濟且量大的表面積和地面空間，在大多數情況下省去了除冰操作。
盡管本發明的某些優選實施方案已舉例進行了說明，但本發明的構思和保護范圍無論如何也不僅限于舉例所述。
權利要求
1.用環境氣氛加熱而控制低溫液體蒸發的方法，其中包括(a)設置包圍內管的外管；(b)將外管外表面放在環境氣氛中；(c)將低溫液體通入內管；(d)使內管中的至少一部分低溫液體蒸發；(e)從內管中將形成的液體和蒸氣排入外管中；(f)在內外管之間的環形空間內形成蒸氣層提供可以控制熱阻；(g)從環境氣氛經過外管，環形空間中的蒸氣層和內管向內管中流動的低溫液體傳熱，使內管中的低溫液體蒸發并在環形空間中使形成的蒸氣加熱。
2.如權利要求1的方法，其中步驟(g)以可控速度進行，其中沿外管的大部分長度上的溫度梯度是溫和的并且溫度處于水凍結溫度以上。
3.如權利要求1的方法，其中步驟(d)中使內管中排出的液體和蒸氣與內管中低溫液體呈逆流通過環形空間，因此從環境中通過環形空間中流動的蒸氣向內管中的低溫液體傳熱。
4.如權利要求1的方法，其中步驟(d)中用內管排出的蒸氣占據內外管之間的環形空間，從而在外管內表面和內管外表面之間形成高熱阻。
5.如權利要求1的方法，其中還包括使內管排出的液體和蒸氣通過外管中內管未占據的長度。
6.可由環境氣氛加熱的低溫液體蒸發器，該蒸發器包括至少一個蒸發單元，其中又包括(a)內管，其中設有(1)導入低溫液體的入口端;和(2)排出形成的液體和蒸氣的出口端;(b)外管，其中設有(1)處于環境氣氛的外表面;(2)其橫截面內緣大于內管橫截面外緣;(3)在內管入口端封在內管橫截面外緣上的第一端;(4)遠離第一端的第二端;和(5)從內管入口端到內管出口端以外包圍內管以在內外管之間形成環形空間并在內管出口端和外管第二端之間形成縱向空間的一段長度。
7.如權利要求6的蒸發器，其中外管具有加鰭片的外表面和/或加鰭片的內表面。
8.如權利要求6的蒸發器，其中內管出口端接近，但短于外管第二端，第二端封住流體物流并且外管設有接近外管第一端的出口。
9.如權利要求6的蒸發器，其中外管第一端低于外管第二端。
10.如權利要求8的蒸發器，其中還包括至少一個加熱單元，由一端設有流體物流入口和另一端設有流體物流出口的管構成，該加熱單元入口與蒸發單元出口相連。
11.如權利要求8的蒸發器，其中加熱單元管外部和/或內部設鰭片。
12.如權利要求8的蒸發器，其中至少一個蒸發單元包括由至少兩個蒸發單元并聯構成。
13.如權利要求8的蒸發器，其中至少一個加熱單元由多個加熱單元組成，設置成并聯加熱單元的串聯組，其中每一后續組中并聯的加熱單元數目少于其前一組。
14.如權利要求6的蒸發器，其中內管出口大大短于外管第二端并且外管在接近外管第二端的地方設有流體物流的出口。
15.如權利要求14的蒸發器，其中內管上接近其入口端的地方設有至少一個泄流口與內外管之間的空間相通。
16.如權利要求14的蒸發器，其中內管中接近出口端的長度上的橫截面外緣大于連接入口的長度上的橫截面外緣。
17.如權利要求14的蒸發器，其中還包括占據內外管之間的至少部分空間和至少一部分內管長度的固體材料。
18.如權利要求14的蒸發器，其中還包括至少一個加熱單元，由一端設有流體物流入口和另一端設有流體物流出口的管構成，該加熱單元入口與蒸發單元出口相連。
19.如權利要求18的蒸發器，其中加熱單元管外部和/或內部設鰭片。
20.如權利要求18的蒸發器，其中至少一個蒸發單元包括由至少兩個蒸發單元并聯構成。
21.如權利要求18的蒸發器，其中至少一個加熱單元由多個加熱單元組成，設置成并聯加熱單元的串聯組，其中每一后續組中并聯的加熱單元數目少于其前一組。
全文摘要
低溫液體蒸發器10包括處于環境氣氛中并包圍內管16而形成環形空間36的外管22，其中流體以液態進入內管16，在內管16中流動時至少部分蒸發并排入外管22。在一個實施方案中，流體在外管22端部34附近排出并在環形空間36中呈逆流，在其中流體通常完全蒸發并部分過熱。在另一實施方案中，流體排入外管22并在由外管22長度提供的縱向空間38中繼續流動，環形空間36由靜止流體占據。
文檔編號F17C9/02GK1090915SQ9312150
公開日1994年8月17日 申請日期1993年12月28日 優先權日1992年12月29日
發明者N·H·懷特, B·佩夫納, T·D·海 申請人:普拉塞爾技術有限公司