具有调节通道部分的液/气混合器装置的热交换器的制作方法

本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括用于使多种流体中的每种流体处于热交换关系的一系列通路，该交换器包括至少一个混合器装置，该至少一个混合器装置被配置用于将至少一种液/气两相混合物分配到该一系列通路中的一个通路中。

特别地，本发明可以应用于以下热交换器，该热交换器使至少一种液-气混合物流、尤其是多组分混合物(例如烃混合物)流通过与至少一种其他流体(例如天然气)进行热交换而蒸发。

通常用于交换器的技术是铝钎焊板和翅片交换器的技术，这使得能获得高度紧凑的且提供较大交换表面积的装置。

这些交换器包括板，在这些板之间插入了由一系列翅片或波纹支路形成的热交换波纹，从而构成蒸发通路和冷凝通路的堆叠体，其中的一些旨在蒸发制冷剂液体，并且其他被设计用于冷凝产热气体。流体之间的热交换可以伴随或不伴随着相变而发生。

为了确保采用液-气混合物的交换器正确操作，液相和气相的比例需要在所有通路中是相同的、并且需要在同一通路中是均匀的。

交换器的尺寸是在这些相均匀分配的前提下计算的，并且因此是在液相蒸发结束时的单一温度(等于混合物的露点)的前提下计算的。

在多组分混合物的情况下，蒸发结束时的温度将取决于通路中的液相和气相的比例。

在两个相不均匀分配的情况下，第一流体的温度曲线则在通路之间变化，或者甚至在同一通路内变化。由于这种不均匀的分配，存在以下可能性：与两相混合物处于热交换关系的(多种)流体可能具有高于预期的交换器出口温度，并且因此这降低了热交换器的性能。

一种将混合物的液相和气相尽可能均匀分配的解决方案是将它们分开地引入交换器中，然后一旦它们处于交换器内就将它们混合在一起。

文献fr-a-2563620描述了这样一种交换器，其中，带有槽的杆插入一系列通路中，该带有槽的杆旨在引导两相混合物。这种混合器装置包括用于液相和气相的单独通道、以及用于将液-气混合物分配到热交换区的出口。

这种类型的混合器装置存在的问题涉及液-气混合物在构成混合器装置的通路的宽度上的分配。为了将这两个相混合，混合器装置通常包括供一个相流动的第一通道。这个通道配备有沿着该通道设置的一系列开口，每个开口与供另一相流动的第二通道流体地相连。当通向第一通道的入口被供应流体时，该流体的流量倾向于随着流体沿着通道流动而减小。这是因为流体的流量随着对开口进行供应而减小。

这些开口通常被机加工成垂直于流体的纵向方向、并且因此当流体速度较快时被供应得不太好。因此，设置在通道入口侧的开口具有供应不足的趋势，而离通道入口较远的开口被过度供应。结果是相应的相不均匀地引入另一相的通道中，因此导致液-气混合物在交换器通路的宽度上的不均匀分配。

为了将这种现象最小化，一种解决方案是经由通道的两个相反的入口来对相关的通道进行供应，以将流体的纵向速度最小化。然而，当需要非常均匀的分配时，特别是当过程对不良分配高度敏感时，这种解决方案是不适当的。

增加通道的数量是可能的，但也有其局限性：从装置的机械强度和钎焊方面，通道的数量不能增加过多。

本发明的目的是完全或部分解决上述问题，特别是通过提出一种热交换器，其中，混合物的液相和气相的分配尽可能均匀，并且是在不过度增加交换器的结构的复杂性或增大其尺寸的情况下实现这点。

因此，根据本发明的解决方案提供了一种热交换器，该热交换器包括若干个板，这些板平行地设置为限定用于引导至少一种第一流体的第一系列通路以及用于引导至少一种第二流体的第二系列通路，该第二流体将至少与所述第一流体处于热交换关系，在该第一系列的所述至少一个通路中设置了混合器装置，并且该混合器装置包括：

-供该第一流体的第一相在纵向方向上流动的至少一个第一通道，

-供该第一流体的第二相流动的至少一个第二通道，

-该第一通道包括将该第一通道与该第二通道流体地相连的若干个开口，

其特征在于，该第一通道的垂直于该纵向方向测量的截面是沿着所述纵向方向可变的。

根据本案，本发明的交换器可以包括以下技术特征中一个或多个：

-该第一通道沿着所述纵向方向包括截面的至少一个变化。

-该第一通道包括用于供应该第一相的第一入口、和在该第一入口下游的至少一个第一部分，该第一通道在该第一部分处的截面大于该第一通道在该第一入口处的截面。

-该第一部分包括在该第一通道的壁的至少一部分中设置的至少一个凹口。

-该混合器装置在与该纵向方向正交的侧向方向上具有相继的若干个第一通道，所述至少一个凹口开向所述第一相继通道。

-该第一通道包括用于供应该第一相的第一入口、和设置在该第一入口下游的至少一个第一部分，该第一通道在该第一部分处的截面小于该第一通道在该第一入口处的截面。

-该第一通道包括沿着该纵向方向设置的若干个第一部分。

-所述若干个第一部分具有不同的截面。

-所述若干个第一部分的截面沿着该纵向方向减小。

-该第一通道还包括用于供应该第一相的第二入口、和设置在所述第二入口下游的至少一个第二部分，该第一通道在该第二部分处的截面小于该第一通道在该第二入口处的截面。

-该第一通道包括沿着该纵向方向设置的若干个第二部分。

-所述第二部分的截面在该第一入口的方向上减小。

-在该第一部分和/或第二部分的高度处设置了至少一个开口。

-该第一部分和/或第二部分在该纵向方向上延伸。

-该第一通道包括用于将所述第一流体的第一相供应至所述第一通道的第一入口，所述开口设置在所述第一入口的下游、并且形成了一系列开口，包括在该第一通道的第一入口的一侧设置的第一开口、以及最后一个开口。

-在每个第一部分的高度处设置了至少一个开口。

-该第一流体是制冷剂流体。

-该第二流体是产热流体。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于在根据本发明的热交换器内分配液/气两相混合物的方法、以及一种用于在所述液/气两相混合物与至少一种其他流体之间进行热交换的方法。该液/气混合物可以是制冷剂混合物或产热混合物。

特别地，本发明可以应用于以下热交换器，该热交换器使至少一种液-气混合物流、尤其是多组分混合物(例如烃混合物)流通过与至少一种其他流体(例如天然气)进行热交换而蒸发。

表述“天然气”涉及含有烃(至少包括甲烷)的任何组合物。这包括“粗”组合物(在任何处理或洗涤之前)，还以及已经部分处理、基本上处理或完全处理以减少和/或除去一种或多种化合物(包括但不限于硫、二氧化碳、水、汞和某些重芳烃)的任何组合物。

现在将通过以下仅以非限制性示例给出并参考附图作出的描述更好地理解本发明，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的被供应液-气两相混合物的热交换器的通路的一部分在平行于热交换器的板的剖面平面上的示意图；

-图2是在垂直于图1平面的平面上的截面示意图，展示了根据本发明的混合器装置的一个实施例；

-图3描绘了三维示意图，展示了根据本发明的混合器装置的实施例；

-图4和图5是根据本发明的混合器装置的变体实施例的三维示意图；

-图6是在平行于图1平面的剖面平面上的部分截面视图，展示了根据本发明的混合器装置的另一个实施例；

-图7是在平行于图1平面的剖面平面上的部分截面视图，展示了根据本发明的混合器装置的另一个实施例。

图1展示了包括板2(未示出)堆叠体的热交换器1，这些板在平行于由方向z和y限定的平面的两个维度上延伸。这些板2以一定间距彼此平行地上下设置，并且因此形成多个通路以经由所述板使流体处于间接热交换关系。

优选地，每个通路具有扁平的平行六面体形状。与每个相继板的长度和宽度相比，两个相继板之间的间隔小。

交换器1可以包括数量超过20或甚至超过100的板，从而在这些板之间限定用于引导至少一种第一流体f1的第一系列通路10和用于引导至少一种第二流体f2的第二系列通路20(在图1中不可见)，所述流体的流动总体上在侧向方向y上进行。第一系列的通路10可以全部或其中一些与第二系列的通路20中的全部或一些交替或相邻地设置。

以本身已知的方式，交换器1包括分配器件和排放器件40、52、45、54、55，该分配器件和排放器件被配置用于选择性地将各种流体分配到通路10、20中和从所述通路10、20排放所述流体。

沿着板2的边缘对通路10、20的密封通常由附接至板2上的侧向和纵向密封条4提供。侧向密封条4不完全阻塞通路10、20，而是有利地在通路的呈对角线相对的拐角中留有流体入口开口和出口开口。

第一系列的通路10的开口被设置成上下重合，而第二系列的通路20的开口设置在相对的拐角中。彼此上下放置的开口分别在半管状歧管40、45、50、55中彼此联合，流体通过这些歧管被分配和排放。

在图1的描绘中，半管状歧管50、45用于将流体引入交换器1中，并且半管状歧管40、55用于从交换器1排放这些流体。

在这个变体实施例中，供应一种流体的歧管和排放另一流体的歧管位于交换器的同一端部处，因此流体f1、f2反向地流经交换器1。

根据另一个变体实施例，第一流体和第二流体可以同样地同向循环，供应一种流体的器件和排放另一流体的器件于是位于交换器1的相反两端处。

优选地，当交换器1运行时，方向y竖直地定向。第一流体f1大致竖直地并且在该方向的向上指向上流动。在不脱离本发明范围的情况下，当然可想到流体f1、f2的流动的其他方向和指向。

应当注意的是，在本发明的背景下，具有不同性质的一种或多种制冷剂流体f1和一种或多种第二流体f2可以在同一交换器的第一系列的通路10和第二系列的通路20内流动。

有利的是，根据本发明的交换器使用第一两相制冷剂流体f1和第二产热流体f2。

分配器件和排放器件有利地包括设置在两个相继的板2之间的呈波纹片形式的分配波纹51、54，这些波纹从入口开口和出口开口延伸。分配波纹51、54确保流体在通路10、20的整个宽度上均匀分配和回收。

此外，通路10、20有利地包括设置在这些板2之间的热交换结构。这些结构的目的是增加交换器的热交换表面积。具体地，热交换结构与在通路中循环的流体接触，并通过传导将热通量传递到相邻的板2，这些热交换结构可以通过钎焊附接到这些板，从而增大交换器的机械强度。

热交换结构还充当这些板2之间的间隔物，特别是在交换器通过钎焊被组装时，并且是为了避免板在加压流体使用期间的任何变形。热交换结构还为交换器的通路中的流体流动提供引导。

优选地，这些结构包括热交换波纹11，这些热交换波纹在分配波纹沿着通路10、20的长度延长范围上有利地平行于板2跨通路10、20的宽度和长度延伸。因此，交换器的通路10、20呈现其长度的主要部分、构成适当的热交换部分，该主要部分覆盖有热交换结构，所述主要部分两侧为覆盖有分配波纹51、54的分配部分。

图1展示了第一系列1的通路10，这些通路被配置用于分配呈液-气两相混合物形式的第一流体f1。第一流体f1在分离器装置6中被分离成第一相61和第二相62，这两个相经由侧向歧管30和歧管50分别被引入到交换器1中。然后，这两个相61、62通过混合器装置3混合在一起，该混合器装置被设置在通路10中并在图1中示意性描绘出。有利的是，第一系列的若干通路10、或者甚至所有通路10包括混合器装置3。

图2是混合器装置在垂直于图1平面的平面上的图解截面视图，该混合器装置有利地包括容纳在通路10中的棒或杆。

在所示的构型中，混合器装置3包括若干个第一通道31a、31b、...，这些第一通道适于流体f1的第一相61流动。(多个)第一通道31在纵向方向z上延伸。

应注意的是，通道或通道的一部分的延伸方向是指整体延伸方向，其中通道或通道部分的壁在纵向方向z上不一定是直线的。

若干个开口34将所述至少一个第一通道31与所述至少一个第二通道32流体地相连。

有利的是，在纵向方向z上相继设置了若干个开口34(在图2中仅可见一个)。应注意的是，这些开口34不必设置成在纵向方向z上直线对齐。在所展示的实例中，第一相61是液体，并且纵向方向z对应于第一相61在第一通道31a、31b、...中的流动方向。这些开口被设置成将第一通道31a与至少一个第二通道32流体地相连，该至少一个第二通道旨在供第二相62(在所展示的实例中为第二气相62)流动。

第一通道31a、31b、...和第二通道32a、32b、...平行于板2延伸。各个第一通道31a、31b、...的开口34可以如图3至图5所示以交错的方式设置，这促进了第一相61在第二通道32a、32b、...中的更均匀分配。

优选地，根据本发明的混合器装置3在通路10的截面中在通路10的几乎全部高度或者甚至整个高度上延伸，使得混合器装置与形成通路10的每个板2a、2b相接触。

混合器装置3有利地通过钎焊固定至板2上。

混合器装置3有利地具有大致平行六面体形状。

混合器装置3可以平行于纵向方向y呈现在20mm与200mm之间的第一尺寸，并且平行于侧向方向z呈现在100mm与1400mm之间的第二尺寸。

根据本发明，第一通道31的截面沿着所述纵向方向z变化。

应注意的是，在本发明的背景下，第一通道31的截面从第一通道31的、垂直于纵向方向z以表面单位测得的截面延伸。因此，参见图2，第一通道31的截面在由方向x和y限定的平面中测得。

第一通道的截面根据沿着方向z的相应位置而变化这一事实允许将如上所述的沿着第一通道的方向z的可变速度的影响最小化或甚至消除。当第一相61以给定速度流动时，因此可以通过调整截面的尺寸来沿着方向z修改或调节其速度，以便控制对沿着第一通道31的开口34的供应。结果是对开口提供更均匀的供应，并且因此使液-气混合物在通路10的宽度上具有更均匀的分配。这种解决方案具有实施简单、不改变交换器的大小并且不使其结构更加复杂的优点。

第一通道31的截面变化可以在纵向方向z上沿着第一通道31的全部或部分局部地或逐渐地产生。

优选地，第一通道31在纵向方向z上包括截面的至少一个变化。这种变化可以是突然的或渐进的，并且可以包括所述截面的增大或减小。

根据本发明的实施例，第一通道31包括第一入口311，当交换器运行时，第一相61经由该第一入口被引入第一通道31中。第一通道31的位于第一入口311下游的至少一个第一部分310的截面大于第一通道31在第一入口311处的截面。

在第一相61于第一通道31中的路线上设置具有扩大截面的通道部分310允许其流速减小并因此促进其分配到在所述部分310中或下游设置的开口34中。

因此，第一部分310可以被成形成引起第一相61的流速减小。换言之，第一部分310可以被成形成使得第一相61以第一速度v1从第一入口311流动，并且所述部分310引起流速减小而使得相61在所述部分310处以小于v1的第二速度v2流动。因此可以补偿通向第一通道31的入口处的较快速度的影响。

有利的是，第一通道31包括形成系列的若干个开口34，其中第一开口设置在入口311的一侧，而最后一个开口位于与入口311相反的端那侧。第一部分310优选地设置成至少与第一开口齐平。

应注意的是，术语“上游”和“下游”是参照第一相61从第一通道31的相应入口的总体流动方向使用的。

替代性地或另外，第一通道31可以包括至少一个第一部分310，该至少一个第一部分的截面小于第一通道31在第一入口311处的截面。

因此，第一部分310可以被成形成引起流速增大，并且例如补偿可能沿着纵向方向z发生的摩擦负载损失。

优选地，具有修改后截面的第一部分310沿着方向z具有恒定或几乎恒定的截面。

所述第一部分310有利地在该纵向方向z上延伸。

设置在同一第一通道31或若干个第一通道31a、31b、...中的第一部分310的尺寸、数量和分配根据沿着设置在装置3中的同一通道和/或在若干个第一通道之间的期望流速曲线进行适配。

有利的是，第一通道31的至少一个开口34被设置成与第一部分310齐平或在其下游。

图3至图5展示了根据本发明的混合器装置3的变体实施例，其中第一部分310的截面大于第一入口311的截面。

第一通道31在第一部分310的高度处的截面增大可以由于所述第一通道31在纵向方向y上测得的宽度的增大而产生，和/或由于第一通道31在与方向y和z正交的方向x上测得的深度的增大而产生。

更确切地，并且如图4所示，第一通道31典型地包括用于供应第一相61的第一入口311。在入口311的下游设置了开口34。如果通道31在第一入口311的高度处具有第一给定截面值s1，则所述部分310具有大于s1的第二流体通路截面s2。

优选地，第一部分310至少在开口34的两侧在纵向方向z上延伸。因此，可以补偿由对开口34的供应而引起的流速改变，从而以相同或几乎相同的速度对开口34供应。

有利的是，比率s2/s1大于或等于1.2、优选地在1.2与2之间，从而可以显著地改善第一相61在(多个)相关开口34中的分配。

如在图3至图5中可以看到，混合器装置3整体形成平行六面体、具体由面向交换器的板2设置的第一表面3a和面向另一个板2设置的第二表面3b界定。第一表面3a和第二表面3b优选地大致平行于板2延伸。混合器装置3优选地设置在通道10中，使得第一表面3a和第二表面3b与板2相接触。

第一通道31a、31b有利地采取凹陷的形式，其长度大于在侧向方向y上测得的宽度或在与所述通道的方向y和z正交的竖直方向x上测得的高度。

装置3可以包括相继设置在装置3内的若干个侧向通道32、和/或若干个第一通道31。图3至图5展示了装置3，其具有彼此平行的一排第一通道31以及彼此平行的一排第二通道32。

需要强调的是，通道31和通道32可以具有相同或不同的形状和数量。第一通道31和/或第二通道32可以由提供在混合器装置3内的内部凹陷形成。它们还可以在表面3a和/或3b的高度处开放，并形成主凹槽31、32，如图3至图5所示。第一通道31和/或第二通道32可以具有不同形状、即矩形、圆形或其他形状的截面，优选矩形截面。

根据一个实施例，第一部分310包括在该第一通道31的壁的至少一部分中设置的至少一个凹口。

有利的是，在所述凹口中设置了至少一个开口34。通过在凹口中设置开口34，由于凹口局部地引起流体流动方向改变，可以以减小的流速来对开口34供应并因此对其更好地供应，这对于位于通道31的入口311的一侧的开口34是特别有利的。

可以在同一第一通道31中和/或一个或多个相继的第一通道31中设置若干个凹口。所述凹口可以具有修圆形或矩形形式、或任何其他适合形式的截面。置于凹口中的开口的数量、以及凹口的形状和尺寸可以沿着第一通道31变化。这些凹口可以例如通过铣削产生。

根据特定的构型，在第一通道31a的壁的至少一部分中设置的至少一个凹口310开向相继的第一通道31b。

图3示出了呈棒的形式的混合器装置3的实例，其中，在若干个第一通道31的基部中钻出了开口34。该凹口包括在第一通道31的基壁中设置的次凹槽310。所述次凹槽可以沿着通道在这些开口的高度处跨该通道的整个或部分长度延伸。

作为变体，可以在若干个第一通道31的一个或多个侧壁中设置凹口。

第一通道31的基壁优选地在纵向方向z上大致是直线的。

图4展示了混合器装置3的另一个实例，其中在若干个第一通道31的侧壁中设置了凹口，从而形成一系列凹部310。所有或其中一些开口34可以设置在所述凹部中。流体流到通向凹部的入口所遵循的曲线允许开口上游的速度减小并促进朝向所述开口流动。此外，位于这样的凹部中的开口34可以被供应受控的流量，该受控的流量是在开口周围的第一相61的流量，同时最小化或甚至消除在第一通道31的主要部分中循环的第一相61的流量变化。

这些凹部优选地具有与第一通道31的宽度相似的尺寸，并且具有的高度与通道31的高度相比并非无关紧要，所述高度是在方向x上测得的。

在图5所展示的实例中，所有或其中一些开口34设置在第一通道31a的凹部中，所述凹部的尺寸被确定为使得它们与另一个直接相邻的第一通道31b连通。这使得开口34网络以减小的速度被供应并因此更均匀地被供应。可以根据期望的分配来考虑几种网络构型。

图6和图7展示了根据本发明的混合器装置3的变体实施例，其中第一部分310的截面小于第一入口311的截面。并且，混合器装置3可以具有上述特征中的一个或多个特征。

图6是以下实施例的局部视图，其中第一通道31包括若干个第一部分310，所述第一部分的截面小于第一入口311的截面。

因此，第一部分310被成形成引起截面减小，这补偿了随着对相继的开口进行供应，流体流量的减少。因此，流体流速沿第一通道31变得更均匀，因此对开口的供应更均匀。

根据特定的实施例，第一部分310的流体通路截面在纵向方向z上减小。

如在图6中可以看到，第一通道31具有与入口311齐平的第一截面s1。然后，第一相61在具有第二截面s2的第一部分310中流动，该第二截面小于所述第一横截面s1。第一通道31还可以包括另一个第一部分310，该另一个第一部分设置在该第一部分下游并且具有小于第二截面s2的第三截面s3。

有利的是，截面s2/s1的比率和/或两个相继第一部分310之间的比率小于或等于0.8、优选地在0.5与0.8之间。这允许显著地改善第一相61在相关开口34中的分配。

如图6所展示的，第一通道31的截面减小可以由于第一通道31的沿纵向方向y测得的宽度的减小而产生。替代性地或另外，可以考虑第一通道31的由于其在竖直方向x上测得的高度的减小而产生的截面减小。

图7部分地展示了本发明的另一个实施例，当第一通道31具有两个用于供应第一相61的入口时，该实施例是特别有利的。更确切地，第一通道31包括第一入口311和第二入口312，用于注入第一相61。第二入口优选地设置在第一通道的第二端处，该第二端与包括第一入口311的第一端相反。

第一通道31包括设置在所述第二入口312下游的至少一个第二部分313，该第一通道31在该第二部分313处的截面小于该第一通道31在该第二入口312处的截面。

因此，第一相61的流速可以甚至沿着其流动而更好地被适配，以便渐进地补偿第一相61沿着第一通道31经过相继开口34上方时的流动变化。

优选地，第一通道31包括沿着纵向方向z设置的若干个第二部分313。所述第二部分313的截面在第一入口311的方向上减小。

有利的是，第一通道31在第二部分313处与在第二入口312处的截面之比、和/或两个相继的第二部分313之比小于0.8、优选地在0.5与0.8之间。

图7展示了第一部分310和第二部分313相对于第一通道31的中心对称设置的情况。然而，所述部分可以以不同的数量设置、并且在第一通道31的中心的两侧具有不同的截面。

当然，本发明不限于在本申请中描述和展示的特定示例。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以考虑本领域技术人员能力范围内的其他替代性形式或实施例。

例如，根据本发明的交换器主要是针对以下情况进行描述的，其中，通路10、20在纵向方向y上延伸，第一纵向通道31在纵向方向z上延伸，并且侧向通道32在正交于纵向方向z的侧向方向y上延伸。也可以想到相反的情况，即，第一通道31在侧向方向y上延伸并且侧向通道32在纵向方向z上延伸。侧向方向y和纵向方向z也可以不相互正交。