專利名稱：熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及用于蒸發(fā)、蒸餾、冷凍、加熱或冷卻液體的一種熱交換器，以及更具體地涉及一種使作軌道式繞行的驅動裝置，適用于管體內設置攪動桿，管外圍繞殼體式之熱交換器。
這種熱交換器的尺寸，及成本，到熱傳導系數的影響，該系數表示熱流穿過一層“熱”流體、分隔熱冷流體之熱交換器壁面，一層“冷”流體，再加上熱壁面或冷壁面上沉積固體所形成之阻力。為了經濟的理由，需要相當大的溫度梯度來驅動熱量通過這些阻力。這種高梯度會限制蒸發(fā)器或冷凍機的能源效率，因為這種方式既限制了級數又需讓蒸汽壓縮機產生更高的舉升力。
授與本發(fā)明人之一的美國專利US 4,230,529及US 4,441,963公開了一種解決這些問題的新途徑。這些專利所公開之技術使用一種垂直，薄壁，開放端部之熱交換管(或管組)，這些管體受到驅動以產生環(huán)繞軌道的或搖動性運動。管繞軌道的運動，通過降低管壁內外的熱阻，可以增加熱傳導效率。這種繞軌道的運動可以攪動要被蒸發(fā)的液體，使液體在管壁上形成一道薄膜。通過降低流體層流之厚度，可以達到增加蒸發(fā)表面區(qū)域，并降低熱阻。這種軌道性繞行運動同時可以通過加熱蒸汽流之冷凝，而增加管體外壁對管的傳熱。該冷凝作用會增加管體外壁流體層流之厚度，于是也增加了熱阻。軌道性繞行運動會將管體外壁之液滴甩落，因而增加了管體外壁之熱傳導。
以上的兩項專利都公開了在共同容器內裝了多個這種管。以偏心裝置驅動管體，使其在水平平面上產生搖動動作。依次，液體受動能耦合驅動，在重力作用的影響由管壁處流下時，同時作繞管內壁的轉動，這種設計需要曲柄，軸承及蒸發(fā)器內復雜的密封，如此才能完成這繞行運動。于是這些組件的制造困難，成本很高，組裝也不容易，更需要接受精密加工到精確的精度，同時應用在化學工業(yè)時，容易受到腐蝕及污染，同時這些組件受到磨損時，會造成搖動管體的動態(tài)平衡失調，進而產生相應的震動。US 4,230,529同時公開了一種自動平衡裝置，其包括一自動調整軌道半徑裝置，它能補償質量的改變，以保持動態(tài)平衡。但是，當基臺移動時，即如果裝置系安裝在可移動的參考機架上(例如在海中的船舶)曲柄的半徑即必需固定，即使這種步驟也都不一定適當。
許多已知之熱交換裝置，由冰淇淋制造機到復雜精密的蒸發(fā)器，都使用一根剛性之攪動桿，該攪動桿被剛性驅動以在管體內部旋轉繞行，進而將粘性液體灑成細薄、均勻分布的薄膜。剛性驅動的刮片可以處理粘度達到1,000,000c.p.或更高之液體。(水的粘度為1c.p.)但是，現行使用有剛性、正向驅動的攪動桿或刮片之熱傳導裝置，都有缺點。首先，必需在蒸發(fā)器或凍結機內，安裝一支軸封良好，可以旋轉之驅動軸。第二因為刮片或刮板為剛性結構體，同時繞行一個密閉空間的固定表面，造成制造及組裝困難，成本提高。管壁必須加工到高精度，刮片/刮板及其支撐結構也同時需要精密的加工。另外，這種已知的剛性刮板設計同時也無可避免的，無法忍受的會磨損。
為了解決低粘度液體的問題，即粘度低于1,000c.p.之液體，美國專利US 4,618,399公開了一種設置在管體內之攪動桿，可以將液體灑成細薄與均勻的薄膜，以降低熱阻，增加蒸發(fā)作用。這種攪動桿也同時控制著蒸發(fā)殘余物的堆積。US 4,618,399公開了該等攪動桿的多種安裝方式，包括相當長之鋼索，一撓性，但不會旋轉之錨錠，連接在基臺與攪動桿下端之間，以及使用一雙重萬向接頭，以連接在該攪動桿之下端及基臺間。雖然，攪動桿可做為良好之薄膜分布裝置，但這種安裝設計卻有許多缺點。他們會增加整體材料，組成及運轉操作之各項成本。同時，這種設計也會失效。特別是用來支撐攪動桿之撓性鋼索材料疲勞，特別要注意。
美國專利US 4,762,592公開了一種軌道式驅動裝置，可以解決早期偏心式曲柄驅動裝置之在制造、組裝、磨損及平衡上之問題。這項改良式之驅動裝置使用一旋轉式之平衡重塊或重塊組，安裝在蒸發(fā)器上，以及一供蒸發(fā)器使用之彈簧加載之避震懸吊柱。平衡荷重以及蒸發(fā)器之質量彼此繞著對方旋轉，即如同平衡荷重旋轉一樣。
雖然這些設計確實地解決了偏心式曲柄驅動裝置的問題，但是它同時確有著另一些無法解決的缺點。例如，它需要使相當大質量進行軌道性繞行運動，特別是當熱交換器達到了商業(yè)用途這種大尺寸時，通常都會有許多大型的熱交換管，每一根熱交換管又都裝有液體流。質量增加，也增加了動力的要求(特別是在啟動時)，同時也增加了彈簧柱懸掛的要求，進而可能造成整個懸吊系統(tǒng)發(fā)生過早之故障損壞，并且也大量地增加了整個的結構成本及運轉成本。它同時也增加堅穩(wěn)運轉平臺之需求，例如混凝土地板，如果安裝在海面上之船只或運輸時，也都需要堅穩(wěn)的平臺。雖然，笫′592號專利揭露出一種解決移動式平臺之技術時，這種技術措施實際上在裝置大到了像商業(yè)用途這么大的尺寸時，便顯得相當的不適當。其中的問題之一便是，當裝置大到商業(yè)用途時，基臺的動作會在曲柄或曲柄組上產生一種無法接受的高負荷，而曲柄或曲柄組的目的，即在于驅動整個裝置產生一種軌道式繞行運動。
當軌道式熱交換管體設計被用來蒸發(fā)及蒸餾時，在現有技術中，這種管體并未用為冷凍。其中之一個理由即為液體會在熱傳導表面結冰，增加經過熱交換器之熱流阻力，同時大大地降低軌道式管體設計之性能優(yōu)點。
目前，在現在之市場上，有兩種使用冰之理論型冷藏系統(tǒng)。其中之一即為產冰機，其在一開放之儲存槽內安裝了一組制冰機。在冰層被施以周期性之除霜集冰前，先使冰層成長至相當的厚度。另一種則為冰庫型。這種冰庫安裝了一組低成本之熱傳導單元，通常使用塑料制造，在該塑料單元件上，冷藏用的冰在每一冷卻循環(huán)中持續(xù)不斷地聚集起來。在這兩種型式中，在制冰過程中，由水傳導至冷凝劑中之熱傳導效率不高，因此增加了設備的成本。
以雪泥型態(tài)來制冰的這種概念，使得制冰機可以連續(xù)地操作，其間不必中斷制冰機的運轉，同時許多制冰公司，也開始進行熱傳導性的改良，例如芝加哥橋鐵公司，以及最近，由電源研究實驗室(“EPRI”)，這些公司將其主題公諸大眾，同時將其以“滑冰”為其商標名稱。目前，滑冰冷藏系統(tǒng)據信已在評估階段。
由EPRI贊助研究所發(fā)展出來的“滑冰”系統(tǒng)是在一篇文章中被提出，該文章之題目為“冷藏省錢又省能源”，系在1992年7月/8月份之EPRI期刊中所刊載。在EPRI計劃中將醋酸鎂鈣加入水中。根據EPRI的說法，使用這種添加劑可以使冰較容易在液池中形成，而不是在熱交換器之壁面處形成，同時其所形成之雪泥態(tài)物質不會粘到金屬上。這種以“滑冰”改善經濟性的優(yōu)點系1992年9月27日為紐約時代雜志所報導，這篇報導的標題為“以更高的效率來保持建筑物涼爽”。在這篇文章中，說明了在水中加入汽車用的防凍劑，但是它的效果不佳，因為冰點被降低了太多。
這種滑冰概念是非常吸引人的，因為它可以使像雪泥般的冰由一道冷卻平面處，僅在重力的作用下往下流，而完全無需用到機械力。雖然滑冰的效果很好，但是它如何做，卻不知道。再者，這種解決之道卻有著一些明顯的缺點。第一，目前僅有一種已知的添加劑可以讓冰克服最初的粘性障礙，以進入晶體之重力進給，并流過冷卻表面。要特別考慮，特別是當液體在經過處理后，要做為食物之用；此時便不可以使用這種添加劑。另一種限制則為熱通量，潮濕率及添加劑的濃度，都必需小心地控制，以利滑冰的形成，同時熱傳導面也會需使用放電加工刨光。許多情況下，并不需要液體以落下薄膜形式滑過熱交換器。如果熱交換器管體受到液體溢流，則液體供應壓力會足以將其傳送至下一個處理步驟。而額外的泵及高度控制系統(tǒng)的安裝及成本，則都不需要了，而這種系統(tǒng)卻是一般用落下薄膜式熱交換器所必需使用的。于是，軌道式熱交換器則被限制在落下薄膜模式下運轉操作。其中之一個理由是因為整個裝置是繞行軌道轉動，或是熱交換管在外殼內繞著軌道轉動，以大量液流溢流式熱交換管則大大地增加了繞行軌道運轉之質量。于是這種設計再次地增加了運轉所需之能源，增加磨損，以及增加震動/平衡的問題。此外，攪動桿在熱交換管內的移動，大體上會受到液體的阻滯，或是與管體中旋轉的液體一起協調地旋轉，因此，攪動桿在熱傳導方法中，所造成的影響會降到最近。
對于某些用途，熱交換管必需以非垂直之方向運轉。例如，在船上，船舶受到波浪的作用，而前后擺動，左右搖晃，在這種環(huán)境下，熱交換管必需配置昂貴的平衡環(huán)設計，以保持其垂直運轉?？v使是在陸上操作運轉的系統(tǒng)中，也有采用非垂直設計之需要，因為可協助系統(tǒng)克服設備高度的限制，使系統(tǒng)可以穿過門或設在現有的天花板下，或是將設備系統(tǒng)裝載在現有的標準貨柜內，以利運輸。
同時也需要降低因為不平衡旋轉或旋轉的質量(即攪動桿及驅動元件)所造成的震動。這種震動可以輕易地由使用者看出，使得設備的耐久性及熱交換管接頭可能發(fā)生之金屬疲勞，都能為使用者之早期關心來規(guī)避。這樣同時會增加能源的損耗，同時在安裝組件時，施加了更多的應力。于是使整組式管體繞軌道轉動的技術方案之一即為在這些管組中使其產生180度之相位差。US 4,230,529及US 4,441,963則公開了這種設計。US 4,762,592公開了軌道式平衡重塊設計。
最近的設計工作建議將軌道式熱交換器擴展更大的尺寸，以利商業(yè)性用途，同時在將熱通量增加至最大的條件下運轉，但是卻遇到了一大堆新的設計問題。使用繞軌道轉動技術，在所需之表面—對—容積比的前提下，增大尺寸的最直接之方法便是增加管體數量。例如，20噸的冷凍機/冷卻器可以安裝42根直徑為1.5″的管體。用于海水蒸餾淡化之30噸蒸汽壓縮式蒸發(fā)器則可以安裝258根管體。在安裝這么多數目之熱交換管下，在正確的相態(tài)下，將所需之扭力傳輸至每一根管體，便明顯地會產生問題，如何將磨損控制住，如何降低震動，降低零組件之數目，同時使組裝更為容易，這些便成為多重管體裝置商業(yè)化所必需克服的問題。
現有的繞軌道轉動的驅動裝置及傳統(tǒng)式之刮片裝置都無法滿足這類多重管體組設計安裝上之需求。管體組之質量或容器與管體，都會對偏心裝置的旋轉軸承施加非常大之應力，這些偏心裝置則是連接在旋轉動力源以及施力之終點間。力越大，越容易造成軸承及驅動面之磨損，造成驅動動力鏈之間產生游隙，同時會在管體組間造成所需相態(tài)之損失。較大的力量也同時會增加驅動動力組的摩擦力。為了使管體組內之攪動桿連接起來，則可以使用矩陣式齒輪或滑輪組，同時即使不考慮磨損，也會出現一種令人畏懼的機械性設計問題，特別是這種機械式矩陣必需暴露在液體下，或必需與進給液體相容。關于磨損問題，甚至在已知之刮片系統(tǒng)，例如由日好(SUNWELL)公司銷售之冷凍機/冷卻器，則使用旋轉式刮片，作用在一需要預先經過精確精度處理之熱交換面上，之后，刮片組件則需要進行年度之重新調校作業(yè)，這種重新調校作業(yè)每次需要幾千美元的很高的成本代價。在實際的作業(yè)中，磨損不僅會影響到性能，同時對運轉成本，也會產生重大的影響。
對于應用冰—雪泥的一項重大考慮即為高冷卻率，在熱交換器上形成的冰層不單是會降低熱傳導效率，同時繼續(xù)成長的冰層會阻塞到管體，最終將攪動桿凍結在管體的中心。同時，管體的底部的結冰數量，通常會較管體頂部為多。于是需要降低管體底部冰雪泥排出口之機械式阻塞的尺寸及數目。于是便建議將攪動桿以頂部安裝用于這種用途。當一根攪動桿繞著管體進行軌道式旋轉運動時，攪動桿無可避免地會因為攪動桿觸動到管體內部的結冰，其因而產生之機械性阻力，會因為攪動桿之長度而產生震動。這種情況會因為熱交換器在高熱通量下運轉而容易發(fā)生。其結果是，攪動桿不會落在“中心”，即，攪動桿不會對齊管體之中心軸線，反而會造成一種彎曲，翹曲的形狀，其特征在于下端會拖著頂部。這種翹曲實在是不希望出現的，因為當攪動桿完全卡在管體內時，會影響到攪動桿的機械效益。
此外，雖然試驗了各種不同的設計，以降低管體外側因為結冰而產生之熱通阻力，這些技術對發(fā)生在外壁之蒸發(fā)或沸騰顯得不是很有效。很明顯地，降低管體外壁之熱阻，可以提高冷凍及冷卻效率。但是現有之裝置或技術中，沒有一種能達到這一點。
本發(fā)明之另一目的在于提供一種用于驅動管體內設置攪動桿之驅動裝置，采用這種管體型的繞軌道轉動的熱交換器可以很容易地放大尺寸，驅動這些管體，其中之驅動力系由正向切線及徑向分力方式作用在攪動桿上，以處理高粘度之液體及管壁上之固體沉積物。
本發(fā)明之另一目的在于提供一種裝置及方法，以強化用來冷凍或冷卻管體外壁之熱傳導。
本發(fā)明之又一個目的在于提供一種繞軌道轉動的熱交換器，其配置有一作軌道轉動的驅動裝置，其具有相對低之質量及相當低之動能消耗。
本發(fā)明之又一目的在于提供一種管體內部設置攪動桿型熱交換器之繞軌道轉動的驅動裝置，其中該攪動桿可以進行自動校準，以維持攪動桿相對于管體之平行性。
本發(fā)明之又一目的在于提供一種具有前述優(yōu)點之繞軌道轉動的驅動裝置，該裝置不受驅動元件磨損之影響，同時也無臨界公差。
本發(fā)明之又一目的在于提供一種熱交換器與繞軌道轉動的驅動裝置，該驅動裝置可以在高熱交換器熱通量之情況下運轉操作，以做為一種冷凍機/冷卻器。
本發(fā)明之又一目的在于降低軌道式熱交換器所產生之震動。
本發(fā)明之其他目的在于提供一種具有上述之優(yōu)點的繞軌道轉動的熱交換器，其制造成本很低，零件之數最低，零組件之組裝容易，制造成本低，同時零組件也容易分解，保養(yǎng)之成本也低廉。
按照本發(fā)明，提供了一種熱交換器，將第一處理流體送入熱交換管之一端，該熱交換管是由薄壁材料構成，兩端開口。一外殼或殼體圍繞在該管體或管體組以限定一腔室，該腔室至少部分促使一第二處理流體與管體或管體組之外壁接觸。第一及第二流體間存有一溫度差，其中之一種流體為“熱”流體，另一種流體為“冷”流體。熱交換器管體之內壁可以使用第一處理液的溢流或形成之落下薄膜包覆。如果該管體含有一落下薄膜，則熱交換器之設置方向，將使液體慢慢地由頂部之進給點，在重力之作用下，開始朝向底部滑落。但是，熱交換管無需完全保持垂直。在其運轉操作下，受溢流之熱交換管在其設置之方向上，無任何之限制。
在蒸發(fā)，蒸餾或加熱這些用途，一熱的第二處理流體(例如蒸汽)則流過熱交換管之外壁。其結果為朝向內部，通過熱交換管之徑向熱流，即造成第一處流體開始蒸發(fā)(蒸發(fā)或蒸餾)或被加熱(在加熱中)。在液體冷卻中，第二處理流體為一冷流體(例如沸騰冷凝劑)，該流體則流經該管體之外壁。其結果則為朝外流經熱交換管之徑向熱流即造成熱交換管內流體之溫度降低。在冷凍液體時，朝外流經熱交換管之熱流，則足以促使內部之第一處理流體發(fā)生部分之結冰。
至少在每一根管體之內部設置有一攪動桿，同時該攪動桿是繞著管體之內壁移動。在其中之一型式，適于使用低粘度流體，在落下薄膜模式下運轉，該攪動桿是由材料所構成，同時其結構及安裝方式可使攪動桿在繞著管體之內壁移動時，得以撓曲以配合管體內壁之形狀。該攪動桿之橫截面為圓形，該攪動桿得以插入管體內部，并在繞著內壁移動時，得以滾動進行。該攪動桿之橫斷面也可以為非圓形結構，同時也不在管體內滾動行進。拍擊管之緣面可以為直線型，或為其他角度之橫斷面，以作為鏟子，以清除內壁上的固態(tài)沉積物。
一直接，正向繞軌道轉動的驅動裝置，驅動攪動桿或桿組繞著管體移動，同時該攪動桿大體上亦與管體之軸線對齊。在落下薄膜模式，攪動桿會將液體潑向內壁。在冷凍用途上，很重要的是，攪動桿會在液體流內產生渦流，這種渦流之形成是管體在向內移動時，推動該液體流所形成的。攪動桿在與較大質量之管體、處理流體及相關配合之管體支撐結構比較時，其質量顯得較低，因此其能源之消耗很低，并且能降低驅動動力組之負荷，并能以溢流或非垂直情況下運轉，包括在可信賴之移動參考架構上運轉，例如在海上之船只。如果熱交換管之內壁受到沖洗，則攪動桿最好由兩端驅動。如果管體未受到溢流，攪動桿最好懸掛在驅動板上，該驅動板是設置在管體組及攪動桿之上方。
一驅動板(或板組)所延伸之平面，大體上是與攪動桿或桿組呈正交交錯。該驅動板則一起移動攪動桿，或一組攪動桿。在其中之一種繞軌道轉動的驅動裝置中，至少有一偏心曲柄受到馬達的帶動，并將該驅動板在該平面上進行軌道式繞行運動。特別是用冷凍機時，其中之一驅動板設置在桿體組上，同時該等桿組懸掛在該驅動板上。
對于使用多重管體之大型機組，或是攪動桿需要高扭力施加在其上時，該剛性的桿驅動裝置最好是采用驅動板—曲柄型。一旋轉動力源作用在一偏心，或等角度設置之同步線性驅動裝置，是排成矩陣，并呈90度角分離，該裝置推動驅動板，以進行一繞軌道轉動的運動，該運動大體上是在與桿組呈正交之平面上運轉。每一根攪動桿之一端或附近則安裝有一曲柄。該安裝結構為一種星形結構，同時得以滑入管體端部之凹陷部內。一驅動銷則安裝在一支臂上，該驅動銷接合在設置于驅動板上之開口或軸承內。曲柄具有一為構架所支撐之中央軸承，該構架采用可旋轉方式而安裝有一軸，該軸伸入該管體內。驅動板所進行之繞軌道轉動運動，會經由曲柄而同時傳送至所有的管體。最后，攪動桿即安裝在軸上。在其中之一種型式中，多根攪動桿以等角度方式繞著軸安裝，以達到良好之動態(tài)平衡。該安裝結構包括一種設計，如在一旋轉臂一端設置一徑向導向之槽道，且桿體設置在槽道內，并以懸掛方式設置，并允許該桿體相對于運轉條件下所受到之離心力，磨損及改變而進行徑向性之移動。這種型式之繞軌道轉動的驅動裝置，可以將繞軌道轉動，傳送至以矩陣方式排列管體內之攪動桿，并使攪動桿進行旋轉繞行動作。驅動板上的孔最好做得大些，以作為進給液體開口，以供相配的管體使用，同時也可以潤滑驅動銷—與—驅動板之連接。驅動動力組在每一根管體處產生很大之切向力矩，進而推動攪動桿通過在管壁上形成之固態(tài)沉積物，同時穿過管體內之液體，不論其為落下薄膜或溢流模式，也不論該液體是水性或粘性的。
輔助徑向力產生裝置可以補充因為桿體旋轉而產生之離心力，同時可以讓桿體改變其徑向位置—一種非剛性安裝。在較佳之型式中，這些輔助徑向力裝置為彈簧，它安裝在桿體及中央桿間，以將桿體朝外拉。最好是在每一根攪動桿之上端及下端安裝一對葉形彈簧。彈簧所產生之徑向力大小僅需能夠阻止固態(tài)沉積在管壁上形成即可，如在冷凍作業(yè)中之冰層，并可以防止攪動桿因為低轉速而產生之撓曲，并且能使攪動桿防止在管體運動時所遇到之各種阻力變化，即，在垂直安裝之管體中之冰層，冰層在管體底部形成速度，較在管體上端更為快速容易。在冷凍作業(yè)中，最好能將一種金屬線性夾所構成之止擋裝置固定在軸及攪動桿間，以限制攪動桿向外之最大行程，進而在攪動桿及內壁間形成一小小的間隙。這個間隙可以降低攪動桿之磨損與摩擦力。如果形成了一道冰層，攪動桿會限制冰層之成長，僅達到間隙之厚度即中止。因為移動中的攪動桿所形成之渦流，在某些情況下，也可由彈簧與金屬夾造成的渦流，會減緩冰層在管壁上之結晶速度。在一較佳之冷凍作業(yè)中，處理流體可以加入添加劑，就現有之了解，可以將冰點降低至純處理流體以下，以使冰層在流體形成之速度，高于在管壁上結冰速度。對于水而言，這種添加劑為乙烯乙二醇，丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸鈣，以及形成無水結晶之無機鹽。一般標準之溶液在3％及10％間。
與大型系統(tǒng)相反，它需要高表面/容積比，同時高熱通量會進一步地降低表面區(qū)域，一些變化之條件則在一些小型系統(tǒng)中出現，在這些系統(tǒng)中，結構簡單，零組件數目低，通常都是主要的考慮，而關于每單位面積或每單位體積所能達到之經濟性，則較不考慮。例如，一些自由旋轉之攪動桿組在一大型之筒槽內旋轉，會較在許多根較小之管體內各設置一攪動桿，并以軌道性繞行運動來驅動這些攪動桿，前述之方式會更為經濟。
使用曲柄來驅動攪動桿，也可以同時將攪動桿相對于曲柄，而設置在不同之相位角上。如果每一支管體內都設置一根攪動桿，這是最好的，在將多根攪動桿，以相同之邏輯，將攪動桿以相對之相位角方式設置在軸上，也可以達到動態(tài)平衡，這個平衡概念也在第′963號專利中公開。
為了強化在管體外壁處之熱傳導，以進行冷凍及冷卻作業(yè)，則包在該熱交換管之外側設一根管形汽套以限定出一環(huán)形熱虹吸管，該汽套之頂部及底部都有開口，以供第二處理流體渡過。第二處理流體為一種沸騰之冷凝劑，在操作中，該冷凝劑會在管體外壁形成兩態(tài)相之流體。汽套會產生一種對流性流體，其中低密度及煮沸蒸汽及液體會形成一道高速之流體，流經管體之外壁。


圖1為根據本發(fā)明的一個實例的軌道性繞行驅動裝置，開放管體，攪動桿式熱交換器的立體圖，其中部分組件被剖開，該熱交換器是在溢流模式下及沿非垂直方向運轉；圖2為根據本發(fā)明之另一軌道性繞行驅動裝置，開放管體，攪動桿式熱交換器之實施例的立體圖，其中部分零組件被剖開，該熱交換器是在落下薄膜模式下及沿垂直方向運轉；圖3為圖1所示剛性的桿軌道式驅動裝置詳細之剖視圖，其中部分之零組件被剖開，同時示出一熱汽套，以強化沸騰冷凝劑流經每一熱交換管外壁之流動；圖4為熱交換管及軌道性繞行攪動桿簡化的水平剖面圖，圖中示出在落下薄膜模式下作用在攪動桿及管體內部液體之動態(tài)力；圖4A為圖4中動態(tài)作用力之向量分析圖；圖5為用于根據本發(fā)明熱交換器軌道性繞行驅動板裝置之詳細圖，其中軌道式頂部驅動板是剛性地連接在一支自由旋轉，動態(tài)平衡之攪動桿上；圖5A為相應于圖5的另一實施例，但是使用四支攪動桿；圖5B為一頂視示意圖，示出一種平衡設計，其中單一桿的組是以相互相差為180度方式受到驅動；圖6為一圖解頂視圖，揭露出圖5及圖7所示軌道式驅動裝置，對磨損及精度之不敏感性，同時使用5個相配的管體中心a1...a5以及5個相配的驅動板連接點b1...b5來舉例說明；圖7為相應圖5的透視圖的細節(jié)，但是所示為根據本發(fā)明之另一實施例，其中使用一對偏離之平坦攪動桿，以及一輔助徑向力彈簧座；
圖7A為圖7所示實施例之另一種實施例的透視圖，其中詳細地揭示了另一種四根攪動桿實施例；圖8為一用根據本發(fā)明熱交換器的為系統(tǒng)以及根據本發(fā)明之一冰爐高度簡化圖。
第一處理介質I可以利用導管或噴嘴9及10而導入容室8內，同時經由熱交換管I之管壁而與第二處理介質II進行熱交換，該第二介質可以經由導管11以及在下容室6設的導管12而進入上容室5內。例如，為了進行海水淡化，第二介質II則可以為海水，而第一介質可以為蒸汽，如水蒸汽。而要制造雪泥時，介質II為水，其內加有添加劑以加速水中大型冰結晶體之形成，代替在內壁上結冰。介質I最好為一種加壓之冷凝劑，它可以在管體之外壁沸騰以形成一種兩種相態(tài)之蒸汽/泡沫流。水中適當的添加劑為乙烯乙二醇(車輛水箱用之防凍劑)，丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸鎂鈣以及特殊之無機鹽，例如形成無水晶體的硼酸鈉。一般來說加入3至10％之溶液是最典型的。添加劑加得恰當，會有助于形成非常纖細，粉狀的冰晶。添加劑不會將冰晶形成大塊的平冰片。適當的溶液，當放置在一般家用的冰箱經過一夜時，將會形成雪泥狀，及可攪動的形態(tài)；但是當添加劑及溶液濃度不恰當，則會加速冰決的形成。
當裝置100被用在蒸發(fā)過程中時，容室8內之介質I會具有較高之溫度，來對容室5內溫度較低之介質II加熱，使其產生蒸汽。特別是，蒸汽流可以經由導管10導入容室8內，在管體1外壁凝結，以形成液流并經由出口9流出。如此釋放的熱量則用來蒸發(fā)介質II，介質II為一種流體，經由導管11而送入管體板片3之頂部而被導入上容室5內。在其中一種進給分布中，液體是以液體池24之形式被送入管體板片3內。該液體然后流下至管體1中，在容室8內，冷凝蒸汽而釋放之潛熱則流過熱交換管1之管壁，以蒸發(fā)位于管體內部之流體。因而產生之蒸汽可以流經管體1之上端，同時由出口11a(虛線所示)離開，或是在另一種設計中，蒸汽則可在管體1內朝下流動，與另一股液體蒸汽合流，而由容室6之下端出口12處離開。
在每一根管體1內部，設置有一攪動桿24，該桿體受到驅動，并以繞軌道轉動的方式在管體內旋轉。軌道性動作則由弧形箭頭300來表示。軌道性繞行運動會產生一個離心力，造成攪動桿頂住相關管體1之內壁，同時桿體亦與管體之軸線對齊。在圖2所示之落下薄膜運轉模式中，這種軌道性繞行運動會將液體流灑成一道細薄均勻的液膜，以加速液體之蒸發(fā)速率，于是也增加了熱傳導系數。在圖1所示之溢流模式中，攪動桿會在進給液體II內產生渦流，這種渦流可以控制管體內壁上固態(tài)沉積物之形成。
隨著不同的用途，運轉模式，及管體之狀態(tài)及尺寸，以及其他因素，攪動桿之質量，結構及轉速都會有所改變，這種情形都是本專業(yè)技術人員很容易明白的。例如，對海水淡化，其中一項很重要的因素是利用桿體之軌道性繞行運動來降低溶于海水中各種不同混合物之結垢形成，這些混合物會在海水受到蒸發(fā)時淅滲出，而形成結垢。在某些食物產品之濃縮作業(yè)中，桿體必需能抵抗流體的粘度去推動濃縮之流體，而在此同時，桿體又必需不致損壞到管體內部之纖細材料。在制造雪泥時，熱能之方向性會由管體之內壁流向外壁，于是當液體緩緩地向下流時，液體即受到冷凍，同時形成冰晶。在這種用途中，攪動桿之功能是打碎及移去初期形成的冰晶，因為這些冰晶會粘住管體1內壁并在其上增厚。
在圖1所示之結構中，桿體24最好是可自由活動地設置在管體1之內部，同時桿體之下端則以低摩擦表面放在一驅動板或殼體端壁23上，以便于桿體之滑動，以進行軌道性繞行運動300。在溢流模式運轉之較佳實施例中，桿體24之軌道性繞行運動被一對垂直間隔，水平延伸之驅動板22，22′致動。這些驅動板可以支承在撓性軸桿93及93′上，該軸桿之一端是固定在端蓋2a，2b上，而另一端則固定在殼體2以及驅動板22，22′之另一端，這些撓性軸93，93′就扭曲方式而言是剛性的，但是就彎曲模式而言則具撓性。一個萬向接頭也可起到相同的作用。以這種方式懸掛，驅動板22，22′會在移動動作上具有自由度，但在扭曲動作上，則無此自由度。
驅動板22，22′之中心，設置有襯套21，21′，一軸桿17穿過該襯套，同時軸桿17受到設置在中心軸桿14上之曲柄16及18所驅動而轉動，該中心軸桿14則由一馬達13配合安裝在容器2內之軸承及密封15所驅動。于是，當馬達13工作時，使驅動板22，22′產生繞軌道的轉動，而嵌在孔23內的攪動桿24則同時受到驅動板之驅動而進行相同之軌道性繞行運動。曲柄16，16′之半徑經過調整，使得攪動桿24得以自由地在管體1內旋轉運動?？?3之直徑在與攪動桿24之直徑相比較時，是相當地大，如此可以讓各攪動桿在其管體1運轉時，進行其自動調整。
圖1示出軌道性攪動桿熱交換器剛性地安裝在一平板200上，該平板與水平面呈一夾角，以模擬船舶之甲板上起伏運動中之傾斜。熱交換器100則相對地傾斜，而成為一非垂直方向。對于這些移動基座之運轉操作，與落下薄膜模式相配的傳統(tǒng)之液面高度控制及進給液體分布方法都無效。另一方面，在管側容室1，5，6完全溢流時，進給分布完全不受方向性之影響，同時進給液II可以由管體之兩端導入。攪動桿24受到兩塊驅動板22，22′之驅動，以進行繞軌道轉動，該驅動板分別設置在攪動桿之一端。這種技術比僅在攪動桿之一端驅動是更為可靠，但是這種技術較適于使用在移動之基座或非垂直運轉，以及用于完全溢流的管側容室操作。
圖2為一種繞軌道轉動的攪動桿熱交換裝置100′之剖視圖(相同零件使用相同的標號表示)，該裝置使用了單一驅動板22，安裝在頂管體板片3上。熱交換器100′之方向大體上是鉛直的，同時攪動桿24是利用水平銷25而吊掛穿過孔23，水平銷25固定在每一根攪動桿之一端，同時其尺寸設計使得不論桿體相對于孔洞的位置如何，水平銷都不會掉入孔洞中。這種安裝設計可允許簡單的“落入”組裝，而要修理或保養(yǎng)時，又能輕易拆開。設置在熱交換管體1內部之攪動桿則再次地由馬達13所驅動，以在管體內產生繞軌道的轉動，馬達13之動能經由軸桿14，軸承15傳送，進而轉動曲柄16及曲柄銷17′，該曲柄銷17′則將繞軌道轉動運動導入驅動板22中心之軸承。驅動板22會跟隨曲柄16之圓形運動，其進行之運動為真圓之軌道運動即沒有自轉，因為所有的攪動桿都受到限制而進行真圓之軌道運動，好象驅動板由多根曲柄所引導。這種多重驅動裝置之良好特性，可以抗拒磨損及制造容差，使得所制造之孔23明顯地較攪動桿24為大。作為實例(但不是限制)，如果管體之內徑為1.50英寸，4英尺(1.22公尺)長，攪動桿為3/8英寸(0.9公分)之不銹鋼，長度較長，同時孔洞23之直徑為5/8英寸(1.59公尺)。攪動桿24及孔洞23之間隙，則可以在落下薄膜模式運轉時，作為每一個管體之進給入口，如圖2所示。正常進給潤滑孔23，與攪動桿24接合，攪動桿亦可以防止孔不受雜物(如冰晶顆粒)之阻塞。
在攪動桿由其上端懸掛時，其下端則無任何阻礙，因此允許冰雪泥自由地流入泄流孔28內，同時經由導管12流出，而流入適當泵(圖中未示)之入口，該泵可以將雪泥送入儲存槽筒內或至少部分經過再循環(huán)回路，而流回熱交換器100′。有時，要將攪動桿之下端延伸超過下管體板片，同時更接近底部，利用這種方式桿體自由下端所增加之質量則會增加攪動桿頂住管體下內壁之接觸壓力，而正好在這個位置液流中冰雪泥之濃度達到最高，同時最容易凍結起來。延伸之端部達到了壁，也協助攪動冰雪泥，以利雪泥流入排放孔28內。
當熱交換器100′做為冷凍機或冷卻器運轉時，液態(tài)冷凝劑經由入口9被導入容室8，同時在接觸到熱交換管體1之外壁時，便會蒸發(fā)。因而產生之蒸汽便由出口10而流入冷凝單元包括壓縮機，冷凝器，接收器及吸收儲存器的標準商業(yè)組合，該冷凝單元會將液態(tài)冷凝劑回流至入口9。
冷凝劑在蒸發(fā)過程中所產生之冷凝效果，會吸收由管體1內壁7處流下之水流內之潛熱。于是水流便成為部分凍結之雪泥。攪動桿24繞軌道性的轉動會推動水流，在攪動桿之前端使水流繞著管體之內壁旋轉，進而在攪動桿之后方形成一道薄膜。薄膜，管體完全潮濕，以及液流前方之渦流波之組合，則會改善管體1內部熱傳導性質。
應用在冷凍機時，需要加強進給水內部之冰塊結晶。在理想的情況下，冰晶會在由桿體所造成之渦流內成長，而不是在管壁上成長。測試時，使用了5％之氯化鈣溶液，離開單一管體測試單元的液體事先過飽和(以低于平衡冷凍溫度幾度之溫度過冷)。在某一點，溶液轉白，這是因為自發(fā)地形成纖細之冰晶核群，以釋放過飽和所致。降低的溫度快速地回復至其先前達到之平衡值，同時在整個測試期間都維持該平衡值。這種自發(fā)核化現象支持了一項假設，即在攪動桿前方液體中之冰晶化現象，要較管體內壁上更容易形成。但是，目前仍不明確或達到一般性之共同見解，即冰晶形成之機構究竟為何，仍不明確。
攪動桿之標準旋轉速度為400至700rpm，大約是每秒10次。該速度較快，但是對于四尺長(1.22公尺)之管體，則要1/2至1秒，以利水流自由地落下，因此，水流實際沿著一條長而淺之螺旋路徑流下，同時水流穩(wěn)定地由攪動桿24所推送。這個動作將有助于降低內壁上形成冰晶之機會。
在冷凝劑側，熱傳導性能可以用不同措施來強化，例如在壁面上形成多個槽道，以增加暴露在冷凝劑下之表面積。但是，申請人發(fā)現在用垂直管體熱交換器時，最好用一個同心的管形外套35，該外套之頂部及底部都開啟，以利冷凝劑之流通，進而可藉由浸透作用來強化冷凝劑之循環(huán)，如圖3所示。外套35能將冷凝劑沸騰限制在位于熱交換管體1及外套35間之環(huán)形空間37內。其顯現出一種很強之對流流體，具有輕的蒸汽泡沫驅動流體快速地沿著熱交換表面升起。相信其所造成之高速蒸汽可以產生剪力，以實際地改善沸騰側的薄膜系數，同時讓熱通量在整個管體內都均勻分布。雖然首先考慮作軌道轉動的制冰機之優(yōu)點，但現在看到熱虹吸管體概念對于在殼體側使用沸騰之垂直管體熱交換器是非常有利的。對于外分離器容器(分離兩種相態(tài))，以及雙重管體板片結構，熱虹吸結構及運轉理論可以擴展至水平管體熱交換器。
在管體1之外側使用外套35，對于軌道式冷凍機之標準熱傳導系數為2631 W/m2·k，該系統(tǒng)使用外徑為1.5英寸之鋼管，以及外徑為3/8英寸之不銹鋼攪動桿，作繞軌道轉動之速度為700rpm。在4.44℃之溫度差下，熱通量將為約19734 W/m2·k。R22被用來做為冷凝劑，同時在進給液中加入5％之乙烯乙二醇或3.5％之鹽水做為添加劑。
圖4及圖4A則示出當攪動桿24受到驅動板22之開口23驅動，而進行由與管體1同軸心的圓形箭頭300表示之繞軌道轉動時，攪動桿24、進給液以及管體1間的物理作用。在桿24的繞軌道轉動之前方，一道向下流動之液流43正受到攪動桿24之推送。使桿24驅動板22及22′的孔23的運動引出的力驅動桿24在管內轉動而產生的離心力標為力60。離心力同時受到液壓力63之反作用，該液壓力是作用在攪動桿24之表面，并在液體受到攪動桿之推送時產生。
圖4A為力之平衡圖，以向量表示來更明確地說明這些力之平衡。實際上，向量63之切線分力是由向量61所平衡，該向量61是直接與馬達13所供應之驅動力有關。向量63之徑向分力則由離心力所平衡，該離心力是攪動桿之轉速，直徑及密度的函數。因為攪動桿之轉速及直徑同時也影響到向量63之特性，僅有攪動桿之密度成為一項獨立之控制因子。
在整套系統(tǒng)中，所有攪動桿以及驅動板之離心力之總和，表示一種旋轉之干擾力，作用在整套系統(tǒng)上，使系統(tǒng)發(fā)生震動。
同時必需注意，圖4A是三個向量力60，61及63之假設平衡圖，這些向量力作用在垂直于管體1之中心線的平面上，而力之作用點是在管體長度一半之位置。這些假設是對攪動桿之兩端受到兩片驅動片之驅動明確作用在移動中之攪動桿24上這些力之良好說明的在此情況下，當攪動桿由一端被驅動時，會產生一項動量，因為驅動力61及反應力63之中心不再作用在相同之平面上。
對于這種傾斜動量之反作用力是來自于管體之曲率以及桿體之剛性。更具體說，離心力60會迫使剛性桿體與管體之內壁對齊與管體之中心線平行，而該處之曲率為零。于是，在離心力60之輔助下很容易地以平行于管體中心線之方式旋轉。好象在軸承之導向下進行，如前所述，在某些應用下，例如生產冰雪泥，冰晶能更容易地在管體下端(假設為垂直設置)形成及/或生長，而不是在上端。當熱交換器在強化之熱通量下運轉時，這一情況可以壓過離心力60桿體對齊效果，同時最后會造成裝置凍結。下面參照圖7來說明申請人對這個問題之解決方案。
流體41很紊流。在做為冷凍機時，大部分冰晶化之現象會發(fā)生的。某些初期的冰晶化情況會在管體之壁面上在攪動桿之后的薄膜中形成。流體41之渦流以及攪動桿24之機械性動作，再加上前述之添加劑之作用，可以防止初期形成之冰層繼續(xù)發(fā)展成又厚又硬的冰片或冰層，這些冰層會牢固地結合在管體之內壁，使攪動桿根本無法將其清除掉。
圖5揭示了本發(fā)明之另一項重要特點，也就是由單一驅動板22所構成之繞軌道轉動的驅動裝置，其可以驅動多個曲柄40，每一個曲柄都與一個相關的熱交換管體1配合(不同實施例中之相同元件將以相同之標號)。圖5詳細地揭示出這些管體。曲柄之主轉軸44是由襯套42所導向，該襯套是由三條腿的蜘蛛型之托架47所支撐，它使軸44之中心線與管體1維持在同一中心線上。托架設計成包括一剛性支臂47a，以及兩支可繞曲支臂47b，使整個組件可以卡入管體內，同時進行自動對中。圖7所示管體周緣上之劃痕是用來與托架支臂構成一種卡扣式之結合。這些刻痕是在一般之液壓成型作業(yè)時形成，以將管體1與管體板3連接。請注意，托架47及曲柄40可以由頂部置入管體1內，以簡化組裝及維持時之拆裝。
曲柄軸44之上端是固定在曲柄支臂41上，該曲柄支臂裝有一插入的曲柄銷39，因而使曲柄軸機械性地連接至驅動板22上。每一個曲柄銷39都固定在驅動板之孔23內，即如上所述，該孔之大小最好較曲柄銷之直徑大。軸44之下端與一旋轉元件46接合，圖中所示者為一平直之支臂，在其兩端分別設置有槽48，48′。該兩槽則松松地座合在桿體24，24′之凹頸部分49，49′，該凹頸部分設置在桿體之頂端，并用以支撐平直之支臂。同時，這種安裝設計可以容許桿組在管體1內部滾動，即當曲柄組件受到驅動板22所產生之繞軌道轉動的驅動時，桿體便在管體內滾動，驅動板運動在與桿體24，24′及管體1之軸線正交的平面中。注意，本實施例最適合單一頂部驅動板，并配合垂直運轉之管體，但是也可以使用雙驅動板設計，以利于非垂直運轉之管體。另一項重點是桿體之安裝不是剛性的。它們可以在槽道沿 著徑向方向自由地移動，這樣可以提供堅挺的但是可撓曲之攪動桿之優(yōu)點，并且可以避免發(fā)生如傳統(tǒng)剛性刮片的精度，公差及磨損之問題。
圖6則揭示出圖2，5或7所示的作繞軌道轉動的驅動裝置如何克服磨損及制造公差之問題，同時為了簡化說明，使用五個管體之熱交換器，其中管體是設置在繞一個中心為S的單一圓中等角間隔之管體板片3，板片3如圖2，5或7所示。星形排列之a1-a2-a3-a4-a5表示管體在管體板片3上之排列，同時這些點也代表管體1之中心線，以及圖5及圖7實施例所示曲柄軸44之中心線。S表示主驅動曲柄軸15之中心線。理論上，S應該落在a1-an星形圖案之幾何中心。在這些a點間之粗線條3-1，3-2，3-3，3-4，及3-5表示管體板片3之連接腹板，或等同結構元件或元件組。
圖6中點a1-a2-a3-a4-a5-及線條22-1...22-5一起表示繞軌道轉動的驅動板22，同時其幾何中心位在T點。理論上，圖案a及b必需完全相同，因此當繞軌道轉動的驅動板圖案b由管體板片圖案a進行位移，所有的位移向量r都相同。特別是，當r被曲柄支臂之半徑而固定時，圖案b會在一個真圓形軌道上進行繞行運動。
尺寸公差上之問題，可以利用每一個平行四邊型bi-T-S-ai-bi來檢查，以檢驗繞著整個回路上所累積之尺寸錯誤。尺寸誤差來源于磨損，軸承游隙，管圖案的制造公差，以及托架47之偏心公差的組合。在繞軌道轉動的驅動板之設計中，所有繞著bi-T-S-ai-bi所累積之公差都可以很容易地利用在驅動孔23及曲柄梢29間增加1/16英寸之間隙來解決。這個間隙可以由圍繞bi點之圓圈Ci來表示。
當根據本發(fā)明之繞軌道轉動的驅動裝置被用來驅動一曲柄時(不論是繞軌道轉動的攪動桿或圖5所示傳統(tǒng)式完全式)，曲柄之半徑r為1/2英寸，這個1/16英寸之公差導致曲柄角度在管體內，相對于主驅動曲柄16產生5度之相位角偏移。這項相位角偏移又使得曲柄作用在驅動板上之反應力之負載模式，產生了較小的偏移。實際的操作經驗顯示繞軌道轉動的驅動板設計，允許驅動孔23之尺寸及形狀有較大范圍的變化。簡言之，不但這種作繞軌道轉動的驅動裝置具有可同時將繞軌道的轉動運動，有效地傳送至多根管體上，同時它本身也不受沿著驅動裝置磨損之影響，并且沒有一種組件需要制造或組合上之嚴格尺寸公差要求。這種驅動裝置是非常耐久的，容易保養(yǎng)，同時在制造上，其成本顯得相當地低廉。它所需要之零件也非常少。例如，這種驅動裝置不需復雜的齒輪傳動系統(tǒng)來將旋轉動力傳送至多根管體上，同時對各種用途而言，僅需要較少的驅動板即可。
圖7示出了使用曲柄組件來驅動一組徑向相對設置的平攪動桿50，50′，其大體上具有矩形之截面積，其可以(1)其移動時，可以增強管體內進給液體所形成之渦流，(2)其靠近管體之內壁7具有鏟子型之前緣，可以清除固態(tài)沉積物(即用作冷凍機時之冰晶)，這些固態(tài)沉積物累積在管壁上或由管壁上繼續(xù)成長。
本發(fā)明另一項理論上之特征在于提供另一種設計，以對桿體50，50′提供一種輔助性的徑向力，以補充離心力60。該設計之較佳實施方式為一對彈簧51，51′。攪動桿相對于管體內壁7之結合力于是便成為離心力，彈簧51之重力性分量，以及彈簧51，51′之彈力之合力。請注意，這種設計于是為桿體50，50′提供一種非剛性安裝座，即如圖5所示槽道48，48′這種實施方式。這種“松弛”之徑向定位可以協助本發(fā)明達到其目的，而無需使用精密的機加工，公差及組合。
當使用在冷凍機/冷卻器時，提供了如圖7所示之簡易形彈簧加載的攪動桿，該攪動桿以低轉速運轉，但是扭力很高，其可以容許冰晶在管體內壁7形成一道很薄的冰層，而該冰層之厚度，卻是僅用離心力在徑向方向之分力，(不論是負向或正向驅動桿體或桿體組)所無法達到的。當冰層長到了無法接受之厚度時，這道冰層僅在驅動裝置強力刮除下，即可輕易地剝落。這種由內壁刮下來之冰晶形狀對于某些用途是非常適用的。注意這個轉速非常地低，即低于100rpm，一般無法產生足夠的離心力，來維持桿體組之對齊，以控制在管壁上形成之固態(tài)式沉積物。但安裝彈簧后，即可以使這種低轉速作業(yè)變得可行，同時亦可以降低震動以及其他相關之問題。
當制造冰雪泥以做為熱儲存時，則必需加速在攪動桿前端，在渦流狀態(tài)中向下流動流體41盡量形成冰晶，而不是在管壁7上形成冰層。一但冰晶在管壁上形成時，便很難刮除。這層冰層會使冰晶更容易在管壁上形成。當這種厚冰層繼續(xù)成長時，會產生一種危險，這種情形會造成攪動桿結在管體內，這是一種非常惱人的情況。而讓管體內之冰層完全融解，則需要很長的一段時間。在此情況下，對于這種運轉情況更要注意，務必確定在液體中加入之添加劑及攪動桿，可以控制管壁上形成之冰晶厚度。
為了使做為冷凍機之運轉更為容易，特別是在冰雪泥模式下，如圖7虛線所示，則利用了鉤體52，52′來鉤住攪動桿50，50′之一端，而桿體之另一端則鉤在中心軸44上。鉤體起到一種剛性止擋裝置的作用，可以設定桿體51，51′在受到彈簧之彈力及離心力作用下，其能偏離軸44之最大行程。鉤體可以在攪動桿50，50′及管體1之內壁7間，維持一良好定義之間隙，一般為幾密耳(0.04英寸，0.010厘米)。
非常值得注意的是，在管體內可以使用兩根桿體，彼此間隔180度，以便在桿體繞著管壁7進行旋轉時，達到良好之自動平衡。當然，可以使用更多對的桿體。如使用四根桿體時，每根桿體之間隔則變?yōu)?0度，如圖7A所示，這種設計提供了相同之平衡效果，同時在固定的軌道轉速下可以增加桿體之作用。
圖5A揭露出一種小型系統(tǒng)，其中多根松弛擺動的攪動桿組可以同時設置在一圓筒內，這種設計較使用多數根管體，并在每一管體內設置一攪動桿，并且使用一多重驅動裝置(如一繞軌道轉動的驅動裝置或一齒輪組)來驅動更為經濟。在測試攪動桿性質之測試階段，一支以同心方式設置在熱傳導汽套中之管體組，可以用如圖5A所示之相同方式來驅動，而最后發(fā)現這種設計既方便又經濟。
使用曲柄來驅動管體中成對之攪動桿，以維持動態(tài)平衡(已在前面討論到)很容易了解。如果每一根管體中安裝一根攪動桿，則動態(tài)平衡可以用成對對稱設置，以相對相位角設置之桿體組來完成如圖5B所示。在圖5B中，位在19根管體內之19根桿體，被分成兩組，其中之一組10根桿體是用小圓圈24表示，而另一組9根桿體則用圓圈24′來表示。大體來說，不論在移動式模式或扭曲模式下，都要考慮到動態(tài)平衡的問題。這個目標是在于結合桿體之相對組之C.G.以繞著共同之軸線旋轉(最好為整個系統(tǒng)之中心線)，相對兩組桿體之相位差為180度，同時每一桿體組之數目也幾乎相同。
先前提到之標準之熱通量為5772W/m，其表示圖2所示繞軌道轉動的桿體，在說明性之運轉條件下所能達到之上限值。這種繞軌道轉動的桿體結構，使得熱交換器做為商業(yè)規(guī)模之用途時，被發(fā)現其對于清除初期之冰晶形成有相當好的能力，同時也可以避免惱人的情況，同時可以達到5772W/m之熱通量值。這是因為滾動攪動桿之結合力，僅受到離心力60之影響，該離心力在最佳之環(huán)境下可以受到限制，同時在冰層漸漸地在管壁上形成而縮小了軌道之半徑后，離心力便變得更小。在此情況下，最好設置一警告裝置，當探測出操作開始混亂時暫停系統(tǒng)之運轉，以降低回復至正常運轉所需之恢復時間。
在與圖7所示之結構做比較時，如果在管壁7上確實地發(fā)生了冰層形成之情況(據信為樹枝狀晶體結構)，則由彈簧控制之間隙便提供了一種溫和之刮除效果，以防止冰晶之繼續(xù)成長使冰晶之厚度超過間隙。這對于避免發(fā)生操作混亂是非常重要的。為了這個目的，彈簧控制之間隙能較剛性安裝之桿體提供更好之撓曲性。
簡單之綜合以上所述，以繞軌道運轉的驅動板來“直接”驅動攪動桿，相對于驅動整個熱交換器或管體組而言，這種設計可以大量地降低受驅動之質量和降低驅動系統(tǒng)之應力以及設計要求。但是，“直接”驅動僅限于提供切線方向力來推動桿體朝前移動；而攪動桿對管壁所產生之負載則間接地源于離心力，離心力值相當小，同時無法完全使用驅動裝置之力矩容量。而利用驅動板經由曲柄來驅動攪動桿，特別是受到彈簧對攪動桿加載的附合方案時，繞軌道轉動式熱交換器可以完全發(fā)揮繞軌道轉動式熱交換器裝置之能力，以處理高粘度之流體，特別是用來制造冰雪泥。
圖8示出一套完整之熱交換系統(tǒng)，在此情況下，熱儲存系統(tǒng)130包括根據本發(fā)明制造及運轉的冰雪泥機100，一冰雪泥儲存槽111，以及一建筑物112或其他設備，其中利用溶冰，而經分配系統(tǒng)118(圖中示意為線圈)傳送儲存在槽筒111內之“冷量”。這套分配系統(tǒng)為一密閉之回路。很重要的是，當機器100以溢流模式運轉時，系統(tǒng)可以將冷量供應至很高樓層之建筑物，而其僅需使用一般之循環(huán)系統(tǒng)或系統(tǒng)輸送泵，同時無高度之控制。
如果要分配冷卻水，則所儲存的冰則必需融化或“燃燒”。受到機器100設置位置之影響，重力及對流可以驅動或協助循環(huán)。如果要輸送及分送冰雪泥，則必需將雪泥泵送至分送系統(tǒng)。在該儲冷系統(tǒng)中，制造及燃燒冰的時間是錯開的，通常具有不同的期間。在某些用途上(例如教堂)，可以生產冰雪泥，同時將冰雪泥儲存在槽筒內很長一段時間，但是可在相當短的時間內將冰雪泥燃燒。
儲存冰的一個特殊問題即在于儲存在槽筒111內之冰雪泥很容易結成大體積之冰塊，同時漂浮在水中。一但要使用時，必需將溫水泵回槽筒內將冰融化溫水則很容易貫穿浮冰112。這樣便會降低最大之燃燒速率，同時讓溫水很快地“短路”至槽筒之底部，但是槽筒卻仍然充滿了冰塊。為了解決這個問題，則在儲存槽筒上安裝的一個移動式噴嘴120，而噴嘴120之移動模型剛好可使溫水均勻地在冰層上回流。
以上所說明為一種新穎之繞軌道轉動式驅動的熱交換器及熱儲存系統(tǒng)，不論是在溢流模式或落下薄模式運轉，垂直或非垂直地設置在固定或運動參考體上，其都可以提高效率，有效熱交換能力。本發(fā)明也說明了一種剛性機械的繞軌道轉動的驅動裝置，其可以同時驅動多個管體內設置攪動桿之熱交換器組，同時將高扭力傳送至每一個管體內，同時其亦可以選擇安裝一輔助徑向力及桿體對管體之間隙控制裝置。這種驅動裝置非常地耐久，同時可靠度亦高，其本身不受正常磨損，零件的公差及裝配之影響。甚至用一端驅動及以沿著管對桿的運動非均勻的抵抗的情況下，它也能提供對桿的自動自調整。這種驅動裝置的特征在于所驅動元件很少，公差之要求很低，容易組裝，容易拆解以利維修或定期保養(yǎng)，因此其成本非常地低廉。本發(fā)明同時公開了一種熱汽套，其可以在熱交換管體之外壁產生一道強化之熱交換。這種熱交換器及系統(tǒng)在非常高之能源效率下運轉，同時體積很小，可以擴增其尺寸，可以在密閉系統(tǒng)中運轉，又無需加裝特殊之泵或液面高度控制裝置，其特別適合應用在高層建筑物之冷氣分送系統(tǒng)上。
然而以上本發(fā)明僅參照一較佳之實施例進行說明，對于本專業(yè)技術人員從上述說明及圖示可以很容易地做其他不同之修改或變更。例如，上述之攪動桿與曲柄銷是以松弛方式設置在驅動板之孔內，它們可以安裝在軸上，但是這種設計會增加成本，同時降低流體進給選擇性。雖然上述攪動桿可以利用銷將攪動桿吊掛在上驅動板上，但它們可以使其下端設成可以自由活動地豎立著，也可以將攪動桿之兩端以撓性方式固定住，或是利用鉚釘設計來支撐，以強化與下端之接觸力。但這些變化設計據信都不是非常需要，因為它們會降低運轉上之選擇，會增加運轉成本，或更容易在管壁上形成固態(tài)沉積物，特別是應用在制造冰雪泥時。驅動板在上述之一般設計目的及結構下，也可以推定有其他不同之設計，如對其動力源及與驅動板的連接改變，例如，驅動板可制成一種剛性，密閉回路之框架。其可以支撐一列環(huán)體，這些環(huán)體系金屬線卷繞成之網路所構成，架構上也可以安裝支臂伸展過框架。每一環(huán)體都可以用來固定攪動桿或曲柄銷之一端，此外，以上所述驅動板之驅動力是由馬達，經由主驅動軸及同心裝置來驅動，但是驅動裝置也可以用多重動力源組，經由特殊設計，使能同步運轉，驅動板上也可以設置一平衡重塊，該平衡重塊是懸掛起來，可以在同一平面上移動，也不會扭曲，或是以上公開之相互垂直線性驅動裝置，它們的運轉可以配合使驅動板產生一種繞軌道轉動的運動。這些以及其他之改型及變化都應包括在下面所附之本申請的權利要求書范圍內。
權利要求
1.一種冷凍或冷卻液體之裝置，包括一個熱交換管，由具有高熱傳導性的材料所制成，適合于在所述的熱交換管之內壁接收需要冷凍或冷卻之液體；冷凍裝置，經由所述的熱交換管將所述的液體內之熱量抽離出來；在所述的熱交換管內包括至少一個攪拌棒；以及至少一驅動所述的攪拌棒沿著所述的內壁動作之裝置，以控制該冷凍液體在該內壁上之沉積。
2.根據權利要求1的冷凍或冷卻液體的裝置，其特征在于還包括一可溶解在所述的液體內之化學藥劑，以利于控制。
3.根據權利要求1的冷凍或冷卻液體的裝置，其特征在于所述的該化學藥劑是由一組化學藥劑內選擇出來的，該化學劑組包括乙烯乙二醇；丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸鎂鈣，以及形成無水晶之無機鹽。
4.根據權利要求1的冷凍或冷卻液體的裝置，其特征在于所述的冷凍裝置包括有一個殼體，包圍住所述的熱交換管，進而在該殼體與所述的熱交換管之外壁接收一循環(huán)、沸騰之流體在該處，所述的沸騰流體在接收到由所述的流體傳來之熱量后產生沸騰，以及進一步包括一開端之管狀元件，設置在所述的蒸發(fā)室，并圍繞在所述的熱交換管外側，所述的開端之管狀元件在兩端設置有開放之間隙，限定出一環(huán)形之對流式流體路徑，以供該蒸發(fā)室內之沸騰流體流過。
5.根據權利要求4的冷凍或冷卻液體的裝置，其特征在于所述的沸騰流體為一種冷凝劑，同時其中該開端之管狀元件相對于該傳導管固定住，以所述的熱交換管之外壁使該冷凝劑產生高速的形式為蒸汽/泡沫態(tài)之氣流。
6.一種使用可以冷凍的液體之熱儲存系統(tǒng)，包括A.一種冷凍或冷卻液體之裝置，其包括i)一熱交換管，由具有高熱傳導性的材料所構成，所述的熱交換管適于在其內壁接收可以冷凍或冷卻之液體，并使該液體在內壁上結冰或冷卻；ii)冷凍裝置，可將所述的液體中之熱量經由所述的熱交換管抽離出；iii)至少一攪拌棒，設置在所述的熱交換管內以及；iv)至少能驅動所述的攪拌棒在所述的熱交換內壁動作之裝置，以控制所述的冷凍液體在所述的內壁沉積；B.一筒槽用以儲存由所述的裝置所產生的雪泥；C.設置在所述的筒槽內之已凍結液體的燃燒裝置；D.以及使用儲存的冷能的裝置，通過將液體由槽筒底部通過一熱交換器循環(huán)以冷卻另一流體。
7.根據權利要求6的熱儲存系統(tǒng)，其中所述的燃燒裝置包括一移動式噴嘴安裝在用來儲存所述的液體之槽筒上，以將用過之水直接均勻地噴向所述的凍結的液體上。
8.一種冷凍或冷凝液體的方法，其包括提供一使用具高熱傳導性材料制成之熱交換管；將液體導入所述的熱交換管內，使所述的液體流經該熱交換管，并與所述的熱交換管之內壁形成熱連接；同時使用所述的流體來冷凍所述的熱交換管之外壁，其中液體中之熱量流經所述的熱交換器；至少將一攪拌棒置入所述的熱交換管內，以及移動該攪拌棒繞行該熱交換管之內壁，以控制所述的已結凍液體在所述的內壁上之沉積。
9.根據權利要求8的方法，其特征在于所述的液體為水，以及進一步包括一在水中加入化學藥劑之步驟，使控制更為容易。
10.根據權利要求8的方法，其特征在于所述的冷凍步驟包括沸騰一冷凝劑，以在所述的熱交換管之外壁附近產生一細薄、高速、呈蒸汽/泡沫態(tài)之冷凝劑流。
11.根據權利要求8的方法，其特征在于所述的移動步驟包括剛性機械驅動該攪拌棒作繞軌道轉動的步驟，而所述的熱交換管則維持固定不動。
12.根據權利要求8的方法，其特征在于所述的剛性機械式驅動包括對所述的攪拌棒提供徑向力，以補充由所述的繞軌道轉動運動對所述的攪拌棒所產生之離心力。
13.根據權利要求8的方法，其特征在于提供至少一根攪拌棒之步驟包括提供多根攪拌棒，并以等角度方式設置在該熱交換管內，以產生一動態(tài)平衡。
14.一種熱交換管，其利用液體流經熱交換管而運轉，使冷熱流體間之熱量在熱交換管之管壁間做徑向交換，設有利用第二液體流經管體外壁來改變溫度之裝置，其包括一汽套，圍繞在該熱交換管外圍，以限定出一環(huán)形流體通道，以供該第二流體流經該熱交換管之外壁。
15.根據權利要求14的熱交換器，其特征在于所述的汽套沿垂直方向設置，同時僅在其頂端及底端對該液體開放。
全文摘要
一種冷凍或冷卻液體之裝置,包括一個熱交換管,由具有高熱傳導性的材料所制成,適合于在所述的熱交換管之內壁接收需要冷凍或冷卻之液體;冷凍裝置,經由所述的熱交換管將所述的液體內之熱量抽離出來;在所述的熱交換管內包括至少一個攪拌棒;以及至少一驅動所述的攪拌棒沿著所述的內壁動作之裝置,以控制該冷凍液體在該內壁上之沉積。還提供了包括本發(fā)明冷凍或冷卻液體裝置的熱儲存系統(tǒng)及冷凍或冷凝液體的方法,和熱交換器。
文檔編號A23L3/40GK1374492SQ0210790
公開日2002年10月16日 申請日期2002年3月21日 優(yōu)先權日1993年6月22日
發(fā)明者李耀滋, 小阿爾伯特·揚德特, 霍艾秦, 黃宏丁 申請人:李耀滋公司