专利名称：流体循环模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及多功能流体循环模块。
背景技术：
在能量系统(例如用于能量的生产、运输或存储的系统)或其他流体管理系统中，有时会遇到由于非均匀分配问题造成的能量系统的设备整体功能障碍的严重问题。这些设备可以是混合器、反应器和/或换热器。特别地，在反应器中，必定会排放放热反应的反应热，或必须给吸热反应供给热。在该情况下，第三流体操作为传热流体，用于改善反应操作条件的控制。但是温度差可以非常小，因此难以产生。因此目标逐渐为提高性能，特别是通过增强材料和/或热的传递，同时使系统小型化。
发明内容
本发明目的在于通过提出一种具有均匀的流体分配的、能够增强材料和/或热传递的紧凑循环模块，来减轻现有技术的这些缺陷。为此，本发明包括用于流体循环的模块，其特征在于，所述模块包括:至少一个流体分配板，其包括产生在所述板的平面中的主端部开放式流体供给管道，和与所述板的平面以直角地产生、并且通过支路的循环网络连接到所述主管道的第二端部开放式流体分配管道，至少一个集流单元，其包括连接到并且平行于所述至少一个板的所述第二管道的循环管道，和至少一个集流板，其包括主端部开放式流体排放管道，和主集流管道，所述主集流管道与所述板的平面成直角地产生，并且通过支路循环网络一方面连接到所述至少一个集流单元的循环管道，另一方面连接到所述主管道。进一步，所述模块可单独地或组合地具有一个或多个下述特征:所述模块包括至少一个额外的分配板，所述额外的分配板插入在两个集流单元之间，从而所述至少一个额外的分配板的第二管道连接到所述集流单元的循环管道，所述模块包括至少一个第一分配板和一个第二分配板，并且所述分配板的第二管道连接到所述第二分配板的混合腔室，所述混合腔室被连接到所述集流单元的循环管道，以能够使所述流体混合，所述模块包括用于待混合的流体的分配的至少两个板，和至少一个传热流体分配板，并且所述至少一个集流单元包括:第一循环管道，其连接到所述至少两个分配板中的第二管道，以能够使通过所述板分配的流体混合，和第二循环管道，其连接到所述传热流体分配板的第二管道，所述第一和第二循环管道并置，以实现通过所述分配板分配的混合流体和所述传热流体之间的热交换，
所述模块包括用于待混合流体的至少两个板，和至少一个传热流体分配板，并且所述至少一个集流单元包括:第一循环管道，其连接到所述至少两个分配板中的第二管道，以能够使通过所述板分配的流体混合，和第二循环管道，其连接到所述传热流体分配板的第二管道，并且围绕第一循环管道，以实现通过所述分配板分配的混合流体(A、B)和所述传热流体之间的热交换，所述模块配置成混合反应流体，所述模块包括至少一个第一分配板和一个第二分配板，并且所述至少一个集流单元包括: 第一循环管道，其连接到所述第一分配板的第二管道，和第二循环管道，其连接到所述第二分配板的第二管道，所述第一循环管道和第二循环管道并置，以实现通过所述分配板分配的流体之间的换热，所述至少一个集流单元的所述循环管道为大致管状，所述至少一个集流单元的所述循环管道为大致螺旋形，所述模块包括彼此叠置并且位于所述至少一个集流单元上的多个分配板，并且所述插入板包括用于通过较高层的流体分配板分配的所述至少一种流体通过的装置，所述模块包括位于所述叠置的分配板之间的密封装置，所述密封装置包括插入的密封板，所述分支结构在每一个支路级重复相同的构造，所述构造从包括大致的T形构造、大致X形构造和大致H形构造的组重选择，所述至少一个分配板具有分支结构，所述分支结构包括根据大致H形构造布置的第一支路，和根据相同的大致H形构造的更小尺度的布置在第一支路的四个端部处的第二支路，所述流体以同向循环模式循环，所述流体以反向循环模式循环，所述流体以交叉循环模式循环。
参照附图，本发明的其他特征和优点将从下面以非限制性示例给出的描述显现出来，附图中:图1图解地示出了第一实施例的模块的简化透视图，图2a示出了来自图1的模块的流体分配板的一个实施例，图2b示出了来自图1的模块的另一个流体分配板的一个实施例，图3示出了来自图1的模块的集流板的一个实施例，图4图解地示出了多流体模块的第二实施例，图5图解地示出了具有螺旋形集流管道的第三实施例的模块，图6图解地示出了在平行管道中合并有流体混合和换热功能的第四实施例模块的简化平面视图，
图7是来自图6的模块的分解视图，图8图解地示出了在同中心管道中结合流体混合和换热功能的第五实施例的模块的简化透视图，图9是来自图8的第五实施例的同中心管道的一部分的截面局部视图，图10是在没有流体混合的情况下提供换热功能的第六实施例的模块的透视图，图11是来自图10的模块的分解视图。
具体实施例方式在上面的附图中和说明书的其余部分中，相似的元件以相同的附图标记标示。图4到11的元件(其对应于图1到3的元件)具有根据实施例前面的标有数字100、200、300、400或500的相同的附图标记。第一实施例:两种流体的混合图1是用于混合可以反应的两种流体A和B的流体循环模块I的简化图示。为此，模块I包括用于第一流体A的第一分配板3、用于第二流体B的第二分配板5，和用于两种流体A和B的集流单元7，所述集流单元7包括用于分配的流体A、B的循环和混合的管道9，所述循环管道9被连接到两个分配板3和5，以使两种流体A和B能够混
八
口 ο分配板分配板3、5 (图2a和2b中可更好地看到)可由玻璃、陶瓷、塑料材料或适用于本发明的模块I的应用的任何其他材料制成。这些板可通过注射成型、模制或组装(例如胶合)两个叠置的半板制成。在图1的示例中，两个分配板3和5布置成使得两种流体A和B以反向循环模式(即平行且沿相反方向)循环。显然，根据应用，可以提出两种流体A和B以同向循环模式(即平行并且沿相同方向)循环，或以交叉循环模式(即成直角)循环。而且，两个分配板3和5每一个具有端部开放式主流体循环管道。这里，该循环管道是流体供给管道11。供给管道11被连接到各自的第二分配管道12，以将流体A或B供给每一个分配板3、5。如果板3、5通过组装两个叠置的半板产生，则在每一个半板中蚀刻或钻出主管道11的一半和第二管道12的多个半部，以通过组装两个半板而产生完整的管道11和12。为了紧凑的缘故，供给管道11产生在分配板3、5的平面中，并且侧向地端部开放式。供给管道11的这种产生方式能够堆叠分配板3、5，来形成紧凑模块I。显然，在模块I的端板水平面处，所述端板例如该实施例中用于第一流体A的第一分配板3，供给管道11可产生在该平面外部，因为它们不阻碍分配板的堆叠。而且，第二分配管道12与板3、5的平面成直角地产生，且连接到主管道11，并且布置在包括第一支路13a和第二支路13b的分支结构(图2a，2b)中。为了更精确，在该示例中，预定数量的第一支路13a以大致的H形构造布置。当然可设想其他构造，例如X形构造。以该方式布置的第一支路13a形成分支结构的第一级。这些第一支路13a则总共具有四个端部15。第二支路13b布置在这些端部15处。为了获得流体A、B的均匀分配，第二支路13b以和第一支路13a相同的构造布置，这里为H形构造。以该方式形成了分支结构的第二级，其在该示例中也是最末级。在分支结构的每一个次级处，支路13b的构造(这里为大致H形构造)为与用于上级的尺度相比较较小的尺度。更清楚地来说，由第一支路13a形成的“H”大于由第二支路13b形成的“H”。因此在第一支路13a的端部15处存在由第二支路13b形成的四个H形构造。因此第二支路13b总共具有16个端部17，用于将流体A、B分配到集流单元7。这些端部17都位于分支结构的相同水平面处。因此，无论流体A、B采用任何路径，在每一个端部17处是相同的。因此，这确保流体A、B相等分流和因而的均匀分配。在这些端部17处有垂直的第二分配管道12。连接到收集器单元7的最终端部的数量N可从下面的方程(I)计算:(I) N=2m，其中m对应于分支结构的支路级对于X形构造，该方程变成:(2) N=4m在具有两级H形分支结构的本实施例中，在第一支路13a的端部15处存在四个分区，并且因此对于第二支路13b，有24个最终端部17，即16个端部17。而且，如在图1中所看到的，分部板3和5以及集流单元7叠置。在该例中，用于第一流体A的分配板3在上，用于第二流体B的分配板插入在第一分配板7和集流单元7之间。为了使第一流体A的循环能够到达集流单元7，插入的第二分配板5包括能够使第一流体A流到集流单元7的装置，这里为孔19 (图2b)。而且，为了确保这些分配板3和5之间的密封，可例如提供密封件，或在这些分配板3、5上喷射的密封材料，或可在分配板3、5之间插入密封板。集流单元如上面提到的，集流单元7，就其本身而言，在包括循环和混合管道9，其能够混合产生的两种流体A和B，且在本实施例中形式为平行的大致管状的管道(图1和3)。这些循环管道9与第二管道12平行且与第二管道12共线，并且因此与分配板3、5的主管道11成直角。如图1中可看到的，每一个混合管道9被连接到用于混合第一流体A和第二流体B的腔室21，连接到第一分配板3的分配管道12和第二分配板5的分配管道12。混合腔室21形成在第二板5中。而且，循环和混合管道9可具有非常小的尺寸，例如数量级为一毫米，这能够实现材料传递的增强，和实现快速的化学反应。此外，在流体A和B被均匀地分配在这些循环和混合管道9中的情况下，每一个管道9中的流体量可以很小，这提高安全性，特别是在有毒性或爆炸性流体的情况下。为了确保两种流体A和B之间的混合或反应完成，和/或为了将流体A和B的混合物收集在一起，模块I进一步包括集流板23 (图1、3和4)。在图1和3中所示的示例中，该集流板23大致与分配板3和5相似，即其包括多个分配管道26，所述分配管道26与集流板23的平面成直角地产生，并且通过分支结构连接到端部开放式主流体循环管道31。与分配板3和5相似，该分支结构包括以H形构造布置的第一支路25a，和布置在第一支路25a的端部27处的第二支路25b，所述第二支路25b也是H形构造，并且依次具有端部29，在该端部29位置处，第二管道26以直角连接到集流板23。参照图1，正是这些第二通道26连接到集流单元7的循环和混合管道9，以接收两种流体A和B的混合物。因此，两种流体A和B之间的混合或反应可在混合物通过集流板23的分支结构的支路25a，25b时完成。在该情况下，主流体循环管道用作用于排出两种流体A和B的混合物的排出管道31，如图3中的箭头所示。为此，分支结构的第一支路25a连接到该排出主管道31。为了紧凑，与供给管道11相似，该排出管道31可产生在集流板23的平面中，并且可侧向地端部开放式(比较图1和3)。该类型的模块I可因此非常紧凑。当然，针对更大尺寸的应用，可根据需要简单且快速地组装多个模块I。第二实施例:四种流体的混合图4示出了第二实施例，其与第一实施例的不同之处在于，模块101能够混合四种流体A、B、C、D,而不是仅两种流体。为此，对于每一种额外的流体C、D提供插入在两个集流单元107之间的新的分配板 6、6，。在该示例中，流体C和D以同向模式循环。另一方面，布置新的分配板6、6’，用于额外的流体C、D与第一和第二流体A、B之间以交叉循环模式循环。当然，第三和第四流体C、D的循环可以平行于第一流体A和第二流体B的循环。与分配板3和5 (参见图2a和4)相似，这些新的分配板6、6’包括产生在板6、6’的平面内的流体供给主管道11，和与所述板的平面成直角地产生并且通过分支结构连接到主管道11的第二分配管道12，所述分支结构包括如上面所述地布置的并且重复相同构造的第一支路13a和第二支路13b，这里为大致H形构造。为了能够将这些额外的流体C和D与流体A和B混合，分配板6和6 ’布置成使第二管道12连接到循环和混合管道9。在将流体收集在循环和混合管道9中之前，这些分配板6和6’可以交替地与分配板3和5叠置。在该情况下，插入的分配板必须包括与图2b中的第二分配板5的孔19相似方式的通过装置，所述通过装置用于来自位于它们上方的分配板的流体。在该示例中，四种流体A到D被分配和混合；当然，根据需要可增加多种流体，并且因而增加多个流体分配板。因此，模块101可根据应用，通过添加或去除流体分配板3、5、6、6’而简单并且快速地改装。第三实施例:与螺旋形管道混合图5显示了模块201的第三实施例，其与第一实施例的区别在于，集流单元207的循环和混合管道209产生为具有螺旋形形状，从而延长在管道209中的所用时间，并且确保两种流体A和B之间的更完全混合或更完全反应。第四实施例:平行管道中的混合和换热
图6和7显示了模块301的第四实施例，其与第一实施例的区别在于，模块301除了流体混合功能还合并有换热功能。为此，传热流体E通过与流体A和B的分配板相似的分配板33分配，连接到用于传热流体的循环管道35，所述循环管道35与循环和混合管道9并置(参见图7)。在该情况下，集流单元307包括多对并置管道，每一对包括用于两种流体A和B的循环和混合管道9，以及仅用于传热流体E的循环管道35。这些循环管道9和35具有小的尺寸以增强热传递。用于传热流体E的分配板33例如布置在集流单元307或集流板23下方。在后者的情况下，集流板23包括用于传热流体E通过的装置，例如孔19。与集流板23类似的集流板33’可布置在用于第一和第二流体A和B的分配板3和5下方，以将传热流体E从模块301排出。考虑到(given)用于排出传热流体E的集流板33’的位置，其显然包括通过装置，例如能够将流体A和B循环到集流单元307的各自的孔19。模块301的该额外的换热功能不需要额外的器件或连接件，例如对于产生用于两种流体A和B的混合的等温操作条件是有利的。第五实施例:在同中心管道中混合和换热在图8中所示的第五实施例中，换热通过传热流体E在围绕混合管道409的集流单元407的循环管道435中、而不是如在第四实施例中的平行管道中的循环来实现。管道409和435具有小的尺寸，以增强热传递。为此，用于传热流体E的分配板433形成集流单元407的一体部分，并且同样，用于传热流体E的排出的集流板433’形成集流单元407的一体部分。混合管道409是与板433和433’成直角地产生的管道，并且其连接到第二板5的混合腔室21。循环管道435形成第二管道，该第二管道与板433和433’成直角地产生，并且通过分支结构一方面连接到传热流体供给管道411，另一方面连接到传热流体排出管道431。这些循环管道435具有大于混合管道409直径的直径，以能够围绕混合管道409。而且，如在图9中可更好地看到的，循环管道435在其连接到分支结构处，更准确说在分配板433情况下在其连接到第二支路413b处，或在集流板433’情况下在其被连接到第二支路425b处具有第一厚度el，并且具有沿集流单元407的第二厚度e2。循环管道435的第一厚度el选择为使内部混合管道409与循环管道435接触，以例如能够通过例如胶合或焊接固定这两个管道。循环管道435的第二厚度e2制为小于第一厚度el，从而两个管道409和435不再接触，以允许传热流体E围绕内部混合管道409循环。第六实施例:热交换图10和11显示了第六实施例，其与第四实施例的区别在于，模块501允许流体A和流体B之间热交换，未合并混合器功能。在该情况下，流体A、B中之一为传热流体。为此，集流单元507的循环管道509分别地，而不是如上所述一起收集每一种流体A、B。为此，循环管道509包括并置的第一循环管道37和第二循环管道37’。第一循环管道37专用于第一流体A，并且第二循环管道37’专用于第二流体B。不发生两种流体A和B的混合。而且，一旦已经发生热交换，流体A和B可经由各自的增加集流板3’、5’从模块501排出，所述增加集流板3’与集流板21 (图3)类似，并且布置在集流单元507之后。该增加集流板3’、5’包括连接到集流单元507的各自的循环管道37和37’的集流管道；排出经由流体排出管道31 (对比图3和9)发生。而且，如图10和11中可见，可提供插入的密封板39。这些插入的密封板39因此每一个包括例如孔19等装置，用于通过在其上方的分配板3、5分配的每一种流体A、B通过。还可提供用于保护模块501的板41。总之，为了更清楚，已经分别描述了各种实施例，但是显然，这些各自实施例可根据应用需要组合。例如，分配模块可根据第二实施例设置成能够混合不止两种流体，根据第三实施例设置成包括螺旋形集流管和混合管道，并且根据第四或第五实施例结合换热功能。因而，获得了一种具有小尺寸并且降低成本的模块，其结合分配器、集流管、混合器、反应器和换热器功能，并且能够实现多种流体均匀分配、完全混合、材料或热的传递的增强、低压头损失和小的温差。
权利要求
1.一种用于流体(A、B、C、D、E)的循环的模块，其特征在于，所述模块包括: 至少一个流体分配板(3、5、6、6’、33、433)，其包括产生在所述板(3、5、6、6’、33、433)的平面中的主端部开放式流体供给管道(11、411)，和与所述板(3、5、6、6’、33、433)的平面成直角地产生的并且通过支路循环网络(13a、13b ;413a、413b)连接到所述主管道(11)的第二端部开放式流体分配管道(12 )， 至少一个集流单元(7、107、207、307、407、507)，其包括循环管道(9、209、409、35、435、37、37’)，所述循环管道连接到且平行于所述至少一个板(3、5、6、6’、33、433)的所述第二管道(12),和 至少一个集流板(23、3’、5’、33’、433’)，其包括主端部开放式流体排放管道(31、431)和集流管道(26)，所述集流管道(26)与所述板(23、3’、5’、33’、433’)的平面成直角地产生并且通过支路循环网络(25a、25b ;425a、425b) —方面连接到所述至少一个集流单元(7、107、207、307、407、507)的循环管道(9、209、409、35、435、37、37’)而另一方面连接到所述主管道(31、431)。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块包括至少一个额外的分配板(6、6’)，所述额外的分配板(6、6 ’)插入在两个集流单元(107 )之间，并且从而所述至少一个额外的分配板的第二管道(12)连接到所述集流单元(107)的循环管道。
3.根据权利要求1或2中所述的模块，其特征在于: 所述模块包括至少一个第一分配板(3)和一个第二分配板(5)，并且其特征在于: 所述分配板(3、5)的第二管道(12)连接到第二分配板(5)的混合腔室(21)，所述混合腔室(21)被连接到所述集流单元(7、107、207、307、407)的循环管道(9、409)，以使所述流体能够混合。`
4.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述模块包括用于待混合的流体(A、B)的至少两个分配板(3、5)，和用于传热流体(E)的至少一个分配板(33)，并且其特征在于，所述至少一个集流单元(307)包括: 第一循环管道(9)，其连接到所述至少两个分配板(3、5)的第二管道(12)，以使通过所述板(3、5)分配的流体(A、B)能够混合，和 第二循环管道(35)，其连接到用于传热流体(E)的分配板(33)的第二管道(12)， 所述第一循环管道(9)和第二循环管道(35)并置，以使通过所述分配板(3、5)分配的混合流体(A、B)和传热流体(E)之间能够热交换。
5.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述模块包括用于待混合流体(A、B)的至少两个分配板(3、5)，和用于传热流体(E)的至少一个分配板(433)，并且其特征在于，所述至少一个集流单元(407)包括: 第一循环管道(409)，其连接到所述至少两个分配板(3、5)中的第二管道(12)，以使通过所述板(3、5)分配的流体(A、B)能够混合，和 第二循环管道(435)，其连接到用于传热流体(E)的分配板(433)的第二管道(12)，并且围绕第一循环管道(409 )，以使通过所述分配板(3、5 )分配的混合流体(A、B)和传热流体(E)之间能够进行热交换。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的模块，其特征在于，所述流体(A、B,C、D)为反应流体。
7.根据权利要求1或2中所述的模块，其特征在于，所述模块包括至少一个第一分配板(3)和一个第二分配板(5)，并且其特征在于，所述至少一个集流单元(507)包括: 第一循环管道(37)，其连接到所述第一分配板(3)的第二管道(12)，和 第二循环管道(37’)，其连接到所述第二分配板(5)的第二管道(12)， 所述第一循环管道(37 )和第二循环管道(37 ’)并置，以使通过所述分配板(3、5 )分配的流体(A、B)之间能够进行换热。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的模块，其特征在于，所述至少一个集流单元(7、107、207、307、407、507)的所述循环管道(9、209、409、35、435、37、37，)为大致管状的。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的模块，其特征在于，所述至少一个集流单元(7、107、207、307、407、507)的所述循环管道(9、209、409、35、435、37、37，)为大致螺旋形。
10.根据前述权利要求中任一项所述的模块，其特征在于，所述模块包括彼此叠置并且在所述至少一个集流单元(7、207、307、407、507)上的多个分配板(3、5)，并且其特征在于，所述插入的板(5)包括用于通过较高层的流体分配板(3)分配的至少一种流体通过的装置(19)。
11.根据权利要求10所述的模块，其特征在于，所述模块包括所述叠置的分配板(3、5)之间的密封装置。
12.根据权利 要求11所述的模块，其特征在于，密封装置包括插入的密封板(39)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的模块，其特征在于，所述分支结构(13a、13b;25a、25b)在每一个支路级重复相同的构造。
14.根据权利要求13所述的模块，其特征在于，所述构造从包括大致T形构造、大致X形构造和大致H形构造的组中选择。
15.根据权利要求14所述的模块，其特征在于，所述至少一个分配板(3、5、6、6’、33、433)具有分支结构，所述分支结构包括根据大致H形构造布置的第一支路(13a)，和按照更小尺度的相同的大致H形构造布置在第一支路(13a)的四个端部(15)处的第二支路(13b)。
全文摘要
本发明涉及一种用于流体(A、B)的循环的模块，包括至少一个流体分配板(3、5)，所述流体分配板(3、5)包括产生在所述板(3、5)的平面中的主端部开放式流体供给管道(11)，和与所述板(3、5)的平面成直角地产生的并且通过支路的循环网络连接到所述主管道(11)的第二端部开放式流体分配管道；至少一个集流单元(7)，其包括连接到所述第二管道并且与其平行的循环管道(9)，和至少一个集流板(23)，所述集流板(23)包括主端部开放式流体排放管道(31)和与所述板(23)的平面成直角地产生的并且通过支路的循环网络连接到所述集流单元(7)的循环管道(9)和连接到所述主管道(31)的集流管道。
文档编号F28F7/02GK103201585SQ201180045137
公开日2013年7月10日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者L.罗, Y.范 申请人:萨瓦大学, 国家科学研究中心