[发明专利]利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及低温介质换热，尤其涉及利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置。

背景技术

换热器是实现冷热流体热量交换的主要场所。低温换热器在以空气分离为代表的大型工业流程中占有重要地位。在空气压缩过程中，为了提高压缩效率需要机壳冷却、级间冷却器；空气液化循环中需要设置主换热器；空气分离装置的冷箱内又有液化器、过冷器以及精馏设备中部的主冷凝蒸发器等。这些换热器的性能直接影响整个系统的稳定运行和经济指标。

换热器在120K以下的低温环境中工作时，一般具有如下特点：

(1)换热效率要求高，低温换热器消耗的是低温冷量，温度越低，制冷花费的代价就越高。因此为了减少换热过程中的能量损失，就要求换热温差尽量减小，换热效率尽量高。这也是造价很高的高效紧凑式换热器广泛应用于低温系统的主要原因。

(2)允许阻力小，换热器的阻力直接影响能耗，尤其是在低压工业流程中，对换热器的阻力要求十分苛刻，在大流量情况下的允许压降只有0.01～0.02MPa。

(3)以对流换热为主，从传热方式上看，由于温度很低，辐射换热所占的比例很小，可忽略不计。传热方式以对流为主。为了强化换热，降低能耗，必须提高对流换热系数。

综上所述，对于低温环境下工作的换热器，各方面要求均更加苛刻。大型空气分离装置中，由于整体焊接工艺及交通运输的限制，对于换热器的体积也有严格的要求。因此在现有加工工艺和允许体积前提下，提高低温换热器效率，进而降低能耗、提高生产率，具有现实意义。以空分系统中最常见的板翅式换热器为例，目前强化传热的措施主要有：

(1)增加传热面积，传热面积越大，所传递的热量就越多，板翅式换热器中的翅片就起到了增大换热面积的作用。目前，换热面积增大主要受到加工工艺与换热器体积的限制。

(2)加大温差，可通过合理紧凑的流道布置来实现，目前比较成熟，但换热温差的增大也会带来一定的不可逆损失。

(3)增强对流换热，主要通过锯齿、波纹、多孔翅片破坏边界层，如李清等在申请号为CN 201410364670.1的专利文献中提出混合型翅片。是目前换热器强化的主要趋势，缺点是会引入额外阻力，破坏换热器强度。

在空气分离流程中的换热器，参与换热的介质通常为液氧或含氧流体。这些介质由于含有大量的氧分子，一般具有强顺磁性，可以被磁体吸引。利用这一性质可以控制氧的流动，甚至实现如申请号为CN 200510086240.9及申请号为CN200820010636.4的专利文献中提出的磁氧分离。杨昆仑等在申请号为CN 200610165529.4的专利文献中提出了一种包含加热器、磁极和封闭环路的磁性流体换热系统，实现了固定环路里无机械驱动的对流环路。

目前还没有利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法及装置的相关报道。

发明内容

为了进一步提高低温换热器的运行效率，本发明提供一种非接触、换热效率高、体积小、流动阻力小、附加能耗低的利用热磁对流强化低温含氧流体传热的方法和装置。

一种利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置，包括带有换热流体出入口的两个封头，以及位于两个封头之间的换热芯体；所述换热芯体内设有分别与对应换热流体出入口连通的换热通道，至少有一组换热通道内为低温含氧流体，所述利用热磁对流强化低温含氧流体传热的装置还包括对所述低温含氧流体产生梯度磁场作用力的磁场发生装置。

在低温制冷领域，低温流体一般是指液态的氧、氮、氩、氢、氦，及其混合物等。本发明提到的低温含氧流体一般是指液态氧、或者其他含氧混合流体，例如液态空气等。

液态的氧气是一种强顺磁性流体，参加换热的低温含氧流体将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，温度-183.15℃时，液氧的体积磁化率为0.00345。相反地，常见的其它纯质液体只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关。

如果有一个非均匀磁场放在顺磁性流体附近，顺磁性流体受磁场吸引而流向高磁感应强度区域。如在流动的同时对流体加热，流体温度升高，受磁场的吸引力减小，从而受到后面磁化率高的冷流体推挤，排出高磁感应强度区域。于是在非均匀磁场和热流的综合作用下，不断有顺磁性流体流过非均匀磁场，这种现象被称为热磁对流或称磁风。