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CN107702566A - 一种点阵式换热器 - Google Patents

一种点阵式换热器 Download PDF

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CN107702566A CN201710825967.7A CN201710825967A CN107702566A CN 107702566 A CN107702566 A CN 107702566A CN 201710825967 A CN201710825967 A CN 201710825967A CN 107702566 A CN107702566 A CN 107702566A
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杨春笋
张辉
吕良忠
张锴
杜小泽
杨勇平
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North China Electric Power University
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Abstract

本发明涉及换热结构，提出一种点阵式换热器，包括：底板(3)，所述底板(3)上设置有点阵式的分流体(4)；用于输送高粘度流体的第一流体通道，所述第一流体通道包括第一流体入口(11)和第一流体出口(12)；用于输送低粘度流体的第二流体通道，所述第二流体通道与所述第一流体通道上下布置；其中，所述点阵式的分流体(4)从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，将流入的第一流体交替进行分割和交汇。本发明的点阵式换热器对流体的加热和反应更加均匀。

Description

一种点阵式换热器
技术领域
本发明涉及换热结构，更具体地，涉及一种点阵式换热器。
背景技术
微通道换热器具有高比表面积，换热面积大，换热效率高，在短时间内可以达到换热效果。然而，由于微通道尺寸小，造成流体流经时，压力损失较大。当流体的粘度很大时，压降会大到，使得流体机械无法提供足够的压力让流体流动，也就是微通道换热器失效。为了达到加热高粘度流体的目的，通常直接在釜式反应器内加热，即无法达到连续生产的目的。
为了达到连续式生产，一般采用传统的套管式或平板式换热器加热高粘度流体。套管内间隙为毫米级。换热面积较小，加热时间长。而且，树脂的内部导热比较慢。而套管换热器，受热面集中在管壁，由于，树脂内部导热慢，因此树脂受热不均匀。为了乳化工艺的需要，在使用由良好导热金属材质的普通板式换热器加热树脂的情况下，如果使用油加热，壁面可迅速达到加热油的温度，由于流体的热导低，如果设计停留时间较短，很可能内部流体还没有开始升温。如果设计停留时间长，会造成能源与换热器管材的浪费。另外，工业上为了方便，使用电阻加热比用油热要更加方便。但是，电阻加热，容易造成流体内温度梯度太大，导致管壁附近流体局部受热过多，升温过快，从而会在加热过程中使部分树脂碳化，破坏化工生产。
发明内容
本发明要解决的是微微通道中高粘度树脂的强化换热问题。
本发明提出一种点阵式换热器，包括：底板，所述底板上设置有点阵式的分流体；用于输送高粘度流体的第一流体通道，所述第一流体通道包括第一流体入口和第一流体出口；用于输送低粘度流体的第二流体通道，所述第二流体通道与所述第一流体通道上下布置，方向交错；其中，所述点阵式的分流体从第一流体入口到第一流体出口，将流入的第一流体交替进行分割和交汇。
在另一个实施方式中，本发明提出一种点阵式换热器，包括：底板，所述底板上设置有点阵式的分流体；用于输送高粘度流体的第一流体通道，所述第一流体通道包括第一流体入口和第一流体出口；传热棒，所述传热棒与所述底板接触，并且所述传热棒与所述第一流体通道上下布置，方向交错；其中，所述点阵式的分流体从第一流体入口到第一流体出口，将流入的第一流体交替进行分割和交汇。
本发明的技术方案是微通道反应物在反应过程中利用板式换热器上的点阵柱子将反应流体进行分流作业，其次，换热器上面的柱子也能在反应过程中对流体进行加热。例如，点阵的分布式开始为N 个并且均匀分布在微通道界面上，第二排是N+1个(N+2,N+3，N+4， N+5…等)，前后两排形成叉式分布，前一个点阵柱子在对流体分流和换热后，后排的点阵柱子位于前排两根柱子的间隙后方，再次对流体进行分流，并在柱后混合，因此流体的混合更加均匀。尽管后面的点阵柱子越来越密集，同时，流体在流动过程中由于不断地对流体进行加热，流体的粘度随着温度的升高而降低，阻力变小，二者的结果是相互抵消。
附图说明
图1为本发明的换热器的一个实施方式的截面图。
图2为现有技术的换热器换热后竖直截面上的模拟效果图。
图3为图1所示的换热器在侧视角度下的剖面图。
图4为现有技术的换热器换热后水平截面上的模拟效果图。
图5为现有技术的换热器换热后水平截面上的模拟效果图。
图6为本发明的换热器换热后水平截面上的模拟效果图。
图7为本发明的换热器换热后水平截面上的模拟效果图。
图8为本发明的乳化装置的另一个实施方式的截面图。
附图标记
第一流体进口11，第一流体出口12；第一流体通道13；第二流体进口21；第二流体出口22；第二流体通道23；底板3；分流体4。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。
由于高粘度树脂导热系数低，因此，在换热过程中容易局部换热过高，而中心温度过低。如果以传统微通道加热，边界层会阻力太大。为此，本发明提出了一种点阵式换热器，通过布置点阵的方法来强化换热。
图1显示了本发明的换热器的一个实施方式的结构原理图，这是换热器的俯视角度下的图，且去除了换热器的上板，只保留了底板3。如图1所示，本发明的换热器具有两个流体通道，分别为在图中从左到右的第一通道和从上到下(也可以是从下到上)的第二通道。两个流体通道交叉处的底板3上具有点阵式的分流体4。第一流体通道具有第一流体入口11和第一流体出口12，第二流体通道具有第二流体入口21和第二流体出口22。第一通道用于输送高粘度的流体，例如油，树脂等。第二通道用于输送低粘度的流体，例如水。第一流体通道和第二流体通道分为上下层交叉通过，但两者内的流体并不交融。
所述点阵式的分流体4的布置如下：在底板13上，从第一流体入口11到第一流体出口12，一排排放置，密度逐步增加(因此，分流体4的尺寸逐步减小)，每一排的前后距离逐步减少，而且前后排位置交错。
所述分流体例如为圆柱体或其他形状。以圆柱体为例，圆柱体尺寸直径例如200微米，高1毫米。如图1所示，从左到右，第一排圆柱体间距800微米，第二排600微米…一直到最后一排200微米，那么同一排的圆柱体之间的间距，相比于前一排逐渐减小。使得流体通过圆柱体后会分割成多股，然后，汇合后再被继续分割。通过如此过程，不断的分割不断的汇合，使得流体进行混合。并且，圆柱体有扰动作用，达到降低温度梯度的目的，特别是在流量高的情况下更加明显。
同时圆柱体用于给流体加热，圆柱体的热从换热器的上板和底板 3传导而来。上下换热面(上板和底板)与圆柱体可以是一体的。并且，制造材料为导热良好的材料(例如铜)，因此，上板和底板3的热能迅速地传导到圆柱体，可以认为圆柱体与上板和底板3同温。
由于圆柱体间距开始较大，对应的温度低，粘度大，因此压降也比较小。后排圆柱体间距较小，对应的温度高，粘度小，因此压降也比较小。并且，在流动过程中，在每个换热段(每排圆柱体)的压降比较均衡。使得在强化换热的同时，保证了低的流动阻力。
图2显示了图1所示的换热器的侧视图(在第一流体进口11一侧看)。两侧的是第二流体进口21和第二流体出口22。可以设置多层底板3，从而可以设置多层点阵分流体4，如此，则形成上下交错的第一流体通道13和第二流体通道23。
图3显示了图1所示的换热器在侧视角度下的剖面图在(第二流体进口21一侧看)。两侧的是第一流体进口11和第一流体出口12。第一流体通道13和第二流体通道23上下交错。第二流体通道23用于输送水，因此不用分割。
本发明进行了模拟实验，模拟实例：微通道高1毫米，宽1厘米，长约4毫米。内尺寸为：第一排，10个直径200微米的圆柱间隔800 微米分布在1厘米的宽度上，第二排间隔600微米，第三排间隔400 微米，第四排间隔200微米排列。排间距为1毫米。当树脂流量为1.4e-3kg/s，流经4排点阵通道。加热面可以由流体供热，也可以由电阻加热提供。
如果在没有设立柱子的同样尺寸的通道。表层很快达到壁面温度，由于内部导热低，靠近壁面的树脂成为阻碍内部树脂加热的“隔热带”。内部温度较低。温度梯度明显，见图4-5。特别是在电阻加热时，容易局部受热过高，而整体温度低，甚至会使得局部碳化。管壁温度为140摄氏度。当内有点阵时，点阵，使得温度分布均匀。见图 6-7。
图4-5显示了现有技术的换热器的模拟效果，加热时，树脂的树脂界面的温度展示。模拟条件为：流量1.4e-3kg/s，进口温度20度，壁面温度140摄氏度。图4-5中，Y表示距离树脂入口处的距离。可以看出，即使到3.3毫米处，树脂的内部依然加热不均匀，外部因温度过高而碳化，内部温度却没达到要求。
图6-7显示了本发明的换热器的模拟效果，流量1.4e-3kg/s，进口温度20摄氏度，壁面温度140摄氏度。Y表示距离树脂入口处的距离。可以看出，在3.3毫米处，树脂的内部温度是均匀的。
本发明的换热器采用渐变的通道的方法。在低温时，通道较大，温度分布不均匀。随后，温度逐渐增大，通过立柱，进行多次分割，加强混合，使得温度的分布均匀。
本发明利用点阵式换热器结合微反应器增大高粘度流体的反应效果。需要说明的是，本文所述的点阵通道以及点阵的布置尺寸为一种特殊形式。针对不同流体可以变化尺寸。
图8显示了本发明的点阵式换热器的另一实施方式的结构图。其与图1所示的实施方式相似，第一流体通道具有第一流体入口11和第一流体出口12。第一流体通道用于输送高粘度流体，例如油。与图1所示的区别在于供热方式由电阻棒代替，电阻棒由外部电路加热。每个供热层由两个圆柱形导热电阻棒构成，分别插在预留的两个孔中。热量由圆柱壁传导至每一层被加热层的板上。优点在于，电阻加热方便，占地小，升温快，可加热范围较大，缺点是传热壁面温度不易控制。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种点阵式换热器，其特征在于，包括：
底板(3)，所述底板(3)上设置有点阵式的分流体(4)；
用于输送高粘度流体的第一流体通道，所述第一流体通道包括第一流体入口(11)和第一流体出口(12)；
用于输送低粘度流体的第二流体通道，所述第二流体通道与所述第一流体通道上下布置，方向交错；
其中，所述点阵式的分流体(4)从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，将流入的第一流体交替进行分割和交汇。
2.根据权利要求1所述的点阵式换热器，其特征在于，
每一排的分流体(4)与前一排位置交错。
3.根据权利要求1所述的点阵式换热器，其特征在于，
从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，每一排的分流体(4)比前一排更密。
4.根据权利要求1所述的点阵式换热器，其特征在于，
从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，前后排的分流体(4)距离更短。
5.根据权利要求1所述的点阵式换热器，其特征在于，
所述点阵式换热器包括多组换热单元，其中每一组换热单元包括底板(3)、所述第一通道和所述第二通道。
6.一种点阵式换热器，其特征在于，包括：
底板(3)，所述底板(3)上设置有点阵式的分流体(4)；
用于输送高粘度流体的第一流体通道，所述第一流体通道包括第一流体入口(11)和第一流体出口(12)；
传热棒，所述传热棒与所述底板(3)接触，并且所述传热棒与所述第一流体通道上下布置，方向交错；
其中，所述点阵式的分流体(4)从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，将流入的第一流体交替进行分割和交汇。
7.根据权利要求6所述的点阵式换热器，其特征在于，包括：
每一排的分流体(4)与前一排位置交错。
8.根据权利要求6所述的点阵式换热器，其特征在于，
从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，每一排的分流体(4)比前一排更密。
9.根据权利要求6所述的点阵式换热器，其特征在于，
从第一流体入口(11)到第一流体出口(12)，前后排的分流体(4)距离更短。
10.根据权利要求6所述的点阵式换热器，其特征在于，
所述点阵式换热器包括多组换热单元，其中每一组换热单元包括底板(3)、所述第一通道和所述第二通道。
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