专利名称：用于制造传热设备的传热强化系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及一种传热设备，并且，尤其涉及一种用于改善传热设备不 同表面的传热特性的传热强化系统。
背景技术：
传热设备，如热交换器，是一种在热流体和冷流体之间传递热量的设备。 在传热设备中热量M多个传热表面，如管子或板片，从热流体流向冷流体。 热交换器可以被分为不同的类型，如平行流类型、对流类型、交叉流类型、单 程类型、或多程类型。用在流体处理设备，例如液化天然气气化器或天然气液 化器中的热効奂器，依赖于若干传统传热技术，在处理流体(例如液化天然气) 侧和热交换器的热源或冷源侧之间强化热交媒或者强化其它传热特性。
一种传统的改善热效果的技术包括增加传热表面的表面积。表面积的增加 可通过在传热表面上提供例如多个翅片、凸起、或凹陷来获得，这导致提高了 传热设备单位面积(基础表面积)的总热流，从而使得传热设备的尺寸和成本 减少或设备的总容量增加。
另一种传统的改善热效果的技术是通过在传热表面上提供流动湍流器或挡 板来增加传热系数。然而，流动湍流器或挡板的提供导致传热设备中压力损失 增加。
因此，需要一种在传热设备中增强热效果，同时保持紧凑结构和可接受压 力损失的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，传热设备包括至少一个传热壁，其被构 造成分离第一流体和第二流体。传热强化系统被提供到至少一个传热壁上。传 热强化系统包括使用粘合介质粘合到至少一个传热壁或其部分上的多个微小扰 流颗粒。传热强化系统包括在颗粒尺寸、或颗粒分布密度、 粒区域间距、 或它们的组合中选择的变化。
根据本发明的另一个示例性实施例，天然气热交换器包括至少一个被构造成分离第一流体和第二流体的传热壁，其中第一流体包括天然气处理流体。使 用粘合介质，多个微小扰M粒被粘合到至少一个传热壁，或其部分上。
根据本发明的另一个示例性实施例，用于制造传热设备的方法包括提供至 少一个传热壁，其被构造成分离第一流体和第二流体。传热强化系统被提供到 至少一个传热壁上。使用粘合介质，多个微小扰流颗粒被粘合到至少一个传热 壁，或其部分上。
当参考附图阅读下文详细的说明时，本发明的这些和其它的特征、方面、 和优点将变得更容易理解，所有附图中相似的标记代表相似的部分，其中
图1是根据本发明的示例性实施例的具有传热设备，例如液化天然气热交 换器的系统的简图2是根据图1中的实施例的方面的具有传热强化系统的热交换器管的透
视图3是根据本发明的示例性实施例的传热强化系统的简图4是根据本发明的示例性实施例的被提供有多个具有传热强化系统的翅
片的传热设备的简图5是根据本发明的示例性实施例的具有被提供有传热强化系统的波纹板
的传热设备的透视图6是根据本发明的示例性实施例的传热强化系统的简图； 图7是根据本发明的示例性实施例的传热强化系统的简亂 图8是根据本发明的示例性实施例的传热强化系统的简图； 图9是根据本发明的示例性实施例的传热强化系统的简图； 图10是根据本发明的示例性实施例的描绘喷射雷诺数相对传热强化率变
化的曲线图11是根据本发明的示例性实施例的用于向传热设备，如热交换器，提 供传热强化系统的示例性技术的简亂和
图12是根据本发明的示例性实施例的用于向传热设备，如中间^4P器， 提供传热强化系统的示例性技术的简图。
具体实施例方式
如下文所详细讨论的，本发明的实施例提供了一种传热设备，其具有被构造成分离第一流体和第二流体的多个传热壁。根据本发明的示例性实施例的示 例性传热强化系统被提供到一个或多个传热壁上。传热强化系统包括4OT粘合 介质粘合到一个或多个传热壁上的多个微小扰 麵粒。根据需求，微小扰 繊 粒可包括球形颗粒，或不同形状的颗粒。根据本发明的实施例的示例性技术被 用于将微小扰流颗粒随机或以预定式样粘合到传热表面上。传热强化系统使用 微小扰流颗粒来强化传热表面，例如液化天然气热交换器中的多个管或板片， 的热效果。颗粒尺寸、分布密度、间距和式样可以被改变以获得所需的热强化 率。"微小扰流颗粒分布密度"可以被认为是由微小扰流颗粒引起的湿润表面 积的平均增长。在一个例子中，平均增长是50%。微小扰流颗粒产生作用M 传热壁强化第一流体和第二流体之间的传热。传热设备中的附加压力损失被最
小化。本发明的具体的实施例主要参考图l-12在下文中进行讨论。
参照图l，其图示了根据本发明的示例性实施例的示例性系统10 (例如，
液化天然气(LNG)系统)。在图示的实施例中，系统10是开架式气化器系统。 图示的系统10包括与LNG罐14相连的LNG泵12。 LNG泵12 ffiil管道16 也与板(热交换器)18相连。板18包括多个相互,设置的传热管20。 LNG 泵12被构造成M管道16从LNG罐14中将第一流体或处理液体19 (例如 液化天然气)供应至板18。阀22被提供到管道16上并且被构造成控制流经管 道16的液化天然气的量。系统10进一步包括另一个与吸入罐26相连的泵24。 泵24 3Blil管道30与集管28相连。泵24被构造成fflil管道30从吸入罐26 中将第二液体(如海水)32供应至集管28。集管28被^供用于向板18的多 个管20喷射海水32。温热的海7jC沿管20的外表面流动，同时液化天然气穿过 管20流动并被气化。
板18包括被构造成吸入液化天然气19的入口侧34和被构造成ffl31供应 管38排出天然气的出口侧36。入口侧34包括气化区40，出口侧36包括加热 区42。示例性系统l(H顿大气压下的海水32作为将低温流体(液化天然气) 气化或加热成大气、皿下的气体的热源。使用板18的气化区40中的海水，液 化天然气被气化。然后，在通过供应管道38被排出之前，气化的天然气进一 步在加热区42中被加热到更高温。在某些示例性实施例中，铝锌合金被热喷 涂在板18上以保护板18不被海7K 32腐蚀。根据本发明的示例性实施例的传 热强化系统44被提供到板18的多个管20的多个传热壁46上。在某些示例性实施例中，传热强化系统44包括使用粘合介质粘合到管20的一个或多个传热 壁46上的多个微小扰流金属颗粒。根据示例性实施例，"微小扰流颗粒"可被 认为是单个的微小扰流颗粒或一个或多个单个颗粒结块形成的一个不允许液体 流动渗入结块内部的合成的微小扰流颗粒。也应该注意的是"微小扰流颗粒尺 寸"可以被认为是单个或结块的微小扰流颗粒的平均高度 径。"颗粒间距" 可被认为是从一个颗粒的中心到其相邻的颗粒的中心的局部或区域平均距离， 其表示为颗粒尺寸的比率。
在替换的示例性实施例中，板18可包括多个平行布置的板片。温热的海 水沿板片的外表面流动，同时液化天然气穿过板片流动并被气化。虽然LNG 气化^l皮图示出，但是在某些其它示例性实施例中，传热强化系统44也可适 用于液化器、中间冷却器、电气和电子热处理设备、或對以的需要强化传热率 的场合。类似地，在某些其它示例性实施例中，系统44可以适用于不同类型 的热^^器如平行流类型、对流类型、交叉流类型、和组合流动类型的热交换 器。根据本发明的示例性实施例，扰流可被用于处理多种构件，包括燃烧器里 衬、燃烧器拱顶、导叶或叶片、或燃气轮机罩。示例性扰流技术也可被用于处 理罩清理控制区域，包括凸缘、外壳、和垫圈。
微小扰流颗粒增加传热壁46的表面积和传热系数，从而与其它强化方法 相比提高了传热率并减小了相对压力损失。传热壁的处理可以根据所需热强化 率的要求和不同水平来定制。本发明具体的实施例在下文主要参照图1-12来讨 论。
参照图2，其图示了根据图1方面的传热管20。在图示的实施例中，传热 强化系统44被提供到管20的传热壁46的外表面41和内表面43上。如之前 所描述的，系统44包括使用粘合介质粘合到管20的表面41， 43上的多个微 小扰流颗粒。在某些示例性实施例中，多个微小扰流颗粒可包括镍、钴、铝、 硅、或铁、或它们的合金、或前述任意项的组合。粘合介质可包括环氧树脂、 或金属箔、或钎焊、或硬钎焊材料、或焊接材料、或它们的组合。应该注意的 是，上文提到的微小扰流颗粒和粘合介质的材料的列表不是穷举的，其它适用 于强化传热特性的金属材料或金属合金也可想到。粘合齐啲量和类型通常确保 了微小扰流颗粒与系统44的传热壁间的充足的粘附力。
在图示的实施例中，微小扰流颗粒被随机施加到管20的表面41、 43上。在某些其它的实施例中，微小扰^^粒可以被随机或部分提供到板的气化区和
加热区的传热壁上。在某些其它实施例中，微小扰流颗粒被均匀i也粘合到管20
的一个或多个传热壁上。在某些其它实施例中，微小扰流颗粒以预定式样粘合
到管20的一个或多个传热壁上。在热交换器的不同区域中微小扰流颗粒的提 供可根据区域的热势而变化。根据本发明的示例性实施例，传热的增强主要是 因为管的微小扰流表面积的增加。微小扰纟麵粒也可通过改变流体流动特性， 如沿传热表面的层流变为紊流，来增强传热。应该注意的是，流体沿已被强化 传热特性的传热表面的流动可包括通道类型的流体流动和碰撞类型的流体流 动。
参照图3，其图示了根据本发明的示例性实施例的传热强化系统44。系统 44包括以预定式样提供到传热管的传热壁46上的多个凸起48。多个凸起共同 定义了 "扰流"，其表现为有效增强Mil传热壁46的传热的粗糙表面。虽然凸 起显示的是基本为球形，但是其它形状也可想到以达到所需的粗糙度和表面积 特性，并从而获得所需的传热强化率。在图示的实施例中，凸起48沿三列50、 52、 54和四行56、 58、 60和62被提供至lj传热壁46上。在某些示例性实施例 中，每个凸起48的高度"h"是9密耳(0.009英寸)。应该注意的是，高度"h" 的值不应该被解释为限定的值，并且可以根据传热需求而改变。每个凸起48 包括一个或多个紧密聚集在一起的微小扰流颗粒。使用粘合介质，凸起48被 粘合到传热表面46上。应再次注意的是图示的例子仅仅^例性实施例，并 ，粒尺寸、分布密度、间距和式样可以改变以获取所需的热强化率。颗粒的 尺寸基于所需的将由凸起提供的表面粗糙度和表面积的程度来决定。微小扰流 颗粒促成了第一流体和第二流体之间通过传热壁46的强化的传热。传热设备 中的附加压力损失相对于没有系统44而言得以最小化。
根据示例性实施例，式样可以包括对施加到传热壁46上的微小扰t繊粒 的相对尺寸/间距的预定限制。在某些示例性实施例中，如果微小扰涼i^粒的平 均高度被标记为"H"，平均微小扰流颗粒直径被标记为"D"，然后互相相邻 的微小扰M粒之间的间距可以在2至8倍的平均直径(D)的范围内。在某 對列子中，微小扰涼L^粒高度(H)可在1至6倍的微小扰麵粒平均直径(D) 的范围内。
参照图4，其图示了开架式气化器的挤压式传热管64的示例性实施例。在图示的实施例中，传热管64是挤压式管，其具有多个提供在传热壁70的外 表面68上的肋66。肋66可包括平面型肋、或穿孔型肋、或人字型肋、或锯齿 型肋、或它们的组合。根据本发明某些实施例的示例性传热强化系统44被提 供到多个肋66上，肋66被提供到传热壁70的外表面68上。传热强化系统44 包括使用粘合介质粘合到多个肋66上的多个微小扰流颗粒。微小扰流颗粒和 粘合介质i顿如喷涂、或浆料涂布、或火焰喷涂、或浸泡、或它们的组合的技 术被施加到肋66上。在一些场合下，粘合剂被热力熟化以达到粘合强度(例 如钎焊，铜)。微小扰流颗粒增加了传热壁70的微小扰 面积和传热系数， 从而得到了强化的传热率和减小的相对压力损失。
图5是根据本发明的其它方面的传热设备76 (热交换器)的透视图。传 热设备76包括波纹板78，在其内处理流体和加热/冷却流#^交替的通道80， 82内各自流动。根据本发明的方面的示例性传热强化系统44被提供，并且包 括j顿粘合介质粘合到波纹板78的一侧舰侧的多个微小扰流颗粒79。微小 扰流颗粒79和粘合介质使用例如喷涂、 涂、或浸泡、或喷洒、或火焰喷 涂、或辊涂、或它们的组合的技术被施加至啵纹板78上，然后被热处理进行 固化。微小扰流颗粒79增加了波纹板78的微小扰流表面积和传热系数，从而 得到了强化的传热率和减小的相对压力损失。这里应再次注意的是，图示的例 子仅仅是示例性实施例，并且颗粒尺寸、间距和式样可以改变以获得所需的热 强化率。
参照图6，其图示了根据本发明的示例性实施例的传热强化系统44。在图 示的实施例中，处理流体和/働卩掛冷却流体相对平板传热板83的流动方向由 箭头81标识。传热板83包括入口区85，中心区89，和出口区93。系统44包 括使用粘合介质粘合到传热板83的一侧或双侧的多个微小扰流颗粒79。在图 示的实施例中，微小扰纟，粒分布聚^A口区85和中心区89。板83的出口 区93保持光滑。在入口区85中微小扰纟，粒79紧密地聚，一起，且中心 区89中的微小扰流颗粒间的间距较大。微小扰流颗粒79增加了传热板83的 微小扰流表面积和传热系数，从而得到了强化的传热率和减小的相对压力损 失。
参照图7，其图示了根据本发明的示例性实施例的传热强化系统44。如之 前的实施例中所讨论的，传热板83包括入口区85,中心区89，和出口区93。系统44包括使用粘合介质粘合到传热板83的一侧或双侧的多个微小扰流颗粒 79。在图示的实施例中，微小扰 鹏粒分布聚^A口区85和中心区89。板 83的出口区93保持光滑。在图示的实施例中，入口区85中的微小扰流颗粒79 的尺寸大于中心区89中的颗粒尺寸。
参照图8，其图示了根据本发明的示例性实施例的传热强化系统44。在图 示的实施例中，传热板83包括入口区85，中心区89，和出口区93。系统44 包括〗顿粘合介质粘合到传热板83的一侧或双侧的多个微小扰纟繊粒79。在 图示的实施例中，微小扰流颗粒聚集在入口区85和出口区93。中心区87保持 光滑。在图示的实施例中，入口区85中的微小扰涼灏粒79的尺寸大于出口区 93中的颗粒尺寸。出口区93中的颗粒分布密度大于入口区85中的分布密度(例 如微小扰纟繊粒79紧密地聚驗出口区93中，而入口区85中微小扰》繊粒 之间的间距较大)。颗粒分布密度也以颗粒外形、或结块尺寸、或尺寸、或它 们的组合以及湿润表面粉流动扰流的形成为特征。
参照图9，其图示了根据本发明的示例性实施例的传热强化系统44。在图 示的实施例中，传热板83包括顶部区95，中间区97，和下部区99。系统44 包括使用粘合介质粘合到传热板83的一侧或)5(侧的多个微小扰流颗粒79。在 图示的实施例中，微小扰流颗粒聚集在顶部区85和下部区99。中间区97保持 光滑。在图示实施例中，入口区85中的微小扰流颗粒79的尺寸大于出口区93 中的颗粒尺寸。应该注意的是，在图示的实施例和前述实施例中虽然图示了平 板开^t传热板83，但是系统44也适用于其它表面，包括三维的、曲面的、凹 陷的、凸出的、多重曲面的、交叉的、或它们的组合。应该注意的是上文描述
的实施例可以根据4顿的传热设备的鄉以及热力分布^a行选择。
参照图10，其图示了根据本发明的示例性实施例的曲线图，其描绘了碰 撞型流体流动的流体喷射雷诺数(x轴)相对传热强化率(y轴)的变化。如 本领域技术人员所知晓的，雷诺数是惯性力与粘性力之比并且被用于确定流动 是层纟，是紊流。传热强化率是微小扰流表面的传热系数和光滑表面的传热系 数之比。
图示的曲线图显示了具有不同表面粗糙度的两种传热壁的喷射雷诺数相对 传热强化率的变化。曲线84代表具有等于0.35密耳(即0.00035英寸)的平 均表面粗糙度(Ra)的传热壁的喷射雷诺数相对传热强化率的变化。曲线86
9代表具有等于1.14密耳(0.00114英寸)的平均表面粗糙度的传热壁的喷射雷 诺数(Ra)相对传热强化率的变化。可以观察到的是穿过传热壁的传热率随着 平均表面粗糙度的增加而增加。图示的曲线图仅仅是示例性实施例，并且为了 获得所需热强化率，喷射雷诺数相对传热强化率的变化可根据施加的颗粒尺 寸、间距和式样而变化。在某些实施例中，平均表面粗糙度值通常比随机表面 的实际颗粒尺寸小7至12倍，并且取决于非随机表面的颗粒间距。
参照图11，其是根据本发明的示例性实施例的，用于向传热设备，例如 热交换器，提供传热强化系统的示例性技术。图示的示例性技术包括向热交换 器的传热管88喷涂粘合介质。粘合介质可包括环氧树脂、或金属箔、或钎焊、 或硬钎焊材料、或焊接材料、或它们的组合。微小扰流颗粒87被撒在施加到 传热管88的粘合介质上。应该注意的是其它用于将微小扰 ，粒应用在施加 到传热管88上的粘合介质上的示例性技术也可想到。微小扰流颗粒87随+JM 以预定式样粘合到传热管88的传热表面上。多个微小扰流颗粒可包括l臬、或 钴、或铝、或硅、或铁、或铜、或它们的组合。颗粒尺寸、间距和式样也可改 变以获得所需的热强化率，在某些示例性实施例中，传热管88可以被旋转以 便将微小扰 繊粒87应用在施加到传热管88的粘合介质上。在某些其它示例 性实施例中，微小扰流颗粒87可以从不同的角度应用在施加到传热管88的粘 合介质上。传热管88然后穿过炉90以M:热力热处理而固化微小扰M粒87。
图12图示了根据本发明的示例性实施例的用于向传热设备94，例如中间 冷却器，提供传热强化系统的示例性技术。示例性技术包括向中间冷却器94 的传热表面92喷涂或施加粘合介质91，如高导热率的环氧树脂膜。如在之前 的实施例中所描述的，多个微小扰流颗粒96随机或以预定式样被喷涂在施力口 到中间冷却器94的传热表面92上的粘合介质上。微小扰流颗粒96然后可以 被热处理以固化。在某些其它示例性实施例中，粘合介质，例如铝箔或钎焊箔， 被施加到中间冷却器的传热表面92上。然后多个微小扰涼灏粒96随机或以预 定样式被喷涂在施加到传热表面92的铝箔或钎焊箔上。箔和颗粒然后被热处 理以将颗粒粘合至U传热表面92。在某些其它实施例中，粘合介质如硬钎焊合金 可以被浸泡涂布到中间冷却器94的传热表面92上。然后多个微小扰^^粒96 随机或以预定形式被喷涂在施加到传热表面92的硬钎焊合金上。硬钎焊合金 和颗粒然后被热处理以将颗粒粘合至帷热表面92。在某些示例性技术的示例性实施例中，粘合介质和微小扰流颗粒被同时施 加到传热表面92上，然后被热处理以将粘合介质和颗粒粘合到传热表面。粘 合介质和微小扰流颗粒的施加可通过例如喷涂、或屏幕印刷、或辊涂、或它们 的组合的技术来完成。传热表面上粘合介质的式样可通过成型模具、或屏幕印 刷、或辊子印刷、或它们的组合来完成。在某些示例性实施例，利用屏幕印刷
技术M屏劇每微小扰纟麵粒成型在传热表面92上。可替换地或另外地，粘
合介质通过屏幕被施加到传热表面。移去屏幕就得到形成在传热表面上的预定 式样。根据本发明的方面的式样可被定义为颗粒(一个或多个颗粒)的多个
"丛"，其中丛通常通过与屏幕的开口间的间距相对应的孑L距相互间隔开。多
余的颗粒被移去从而得到所需的颗粒式样。粘合介质可以使用喷涂器、或刷子、 IM皮辊子、或泥刀、或如纸片、或它们的组合而被施加。在某些示例性实施 例中，微小扰流颗粒也可通过屏幕印刷而成型在传热表面上。粘合介质和颗粒 可通过热力热处理、或紫外线、或喷涂驱动器、或它们的组合而固化。在某些 其它的示例性实施例，具有微小扰M粒和粘合介质的预扰流片可被粘合到传
热表面上。
虽然此处仅仅图示和描述了发明的某些特点，^(M"本领域的技术人员来说
可进行很多修改和改变。因此，将被理解的是，所附权利要求将覆盖所有这些 落在本发明的实质精神范围内的修改和改变。
部件列表10系统
12LNG泵
14LNG罐
16魏
18板
19处理液体
20传热管
22阀
24另一泵
26吸入罐
28集管30髓
32第二流体
34入口侧
36出口侧
38供应離
40气化区
41夕卜表面
42加热区
43内表面
44传热强化系统
46传热壁
48凸起
50列
52列
54列
56行
58行
60行
62行
64挤压式传热管
66肋
68外表面
70传热壁
74内表面
76传热设备
78波纹板
79微小扰 ，粒
80通道
81流动方向
82通道83传热板
84曲线
85入口区
86曲线
87微小扰箭鹏立
89中心区
88传热管
90炉
91粘合介质
92传热表面
93出口区
94传热设备
95顶部区
96微小扰^^粒
97中间区
99下部区
权利要求
1、一种传热设备(18)，包括至少一个传热壁(46)，其被构造成分离第一流体(19)和第二流体(32)；和传热强化系统(44)，其被提供到至少一个传热壁(46)上，并且包括使用粘合介质粘合到至少一个传热壁(46)或其部分上的多个微小扰流颗粒(48)；其中传热强化系统(44)包括在颗粒尺寸、或颗粒分布密度、或颗粒区域间距、或它们的组合中选择的变化。
2、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中多个微小扰^IS粒(48)包括镍、钴、铝、硅、或铁、或铜、或它们的合金、或前述任意项的组合。
3、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中粘合介质包括环,柳旨、或 金属箔、或钎焊、或硬钎焊材料、或焊接材料、或它们的组合。
4、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中^ffi粘合介质，多个微小扰 》H^粒(48)被随IJU也或均匀地粘合到至少一个传热壁(46)上。
5、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中使用粘合介质，多个微小扰 涼識粒(48)以预定式样被粘合到至少一个传热壁(46)，或其部分上。
6、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中j顿粘合介质，多个微小扰 ，粒(48)被部分地提供到至少一个传热壁(46)上。
7、 如权利要求1所述的传热设备(18)，其中j顿粘合介质，多个微小扰 ，粒(48)被粘合到至少一个传热壁(46)的多个肋或凸起(66)上。
8、 一种制造传热设备(18)的方法，包括提供至少一个传热壁(46)，其被构造成分离第一流体(19)和第二流体 (32);和向至少一个传热壁(46)提供传热强化系统(44)，其包括使用粘合介质 将多个微小扰流颗粒(48)粘合到至少一个传热壁(46)，或其部分上。
9、 如权利要求8所述的方法，包括使用粘合介质将多个微小扰流颗粒(48) 以预定式样粘合到至少一^H专热壁(46)，或其部分上。
10、 如权利要求8所述的方法，包括使用粘合介质将多个微小扰流颗粒 (48)部分地粘合到至少一个传热壁(46)上。
全文摘要
一种传热设备(18)包括多个被构造成分离第一流体(19)和第二流体(32)的传热壁(46)。传热强化系统(44)被提供在一个或多个传热壁(46)上。传热强化系统(44)包括使用粘合介质粘合到一个或多个传热壁(46)上的多个微小扰流颗粒(48)。
文档编号F28F13/12GK101424495SQ20071019445
公开日2009年5月6日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者R·S·邦克, W·C·哈茨 申请人:通用电气公司