CN101639332A - 用于蒸发冷凝的板式换热元件 - Google Patents

Abstract

一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，属于工程热物理及能源与利用技术领域。其特征是元件的换热区上布有特别设计的强化传热构造，向冷凝侧凸起的构造起固定和扰流的作用。向蒸发侧凸起的构造具有内凹陷构型，能够形成更多的核化点，构造与板片之间具有针对工作液体设计的具有微尺度效应的狭缝，构造的高度为根据工作液体的脱离直径和毛细长度特征值计算的优化值，使得产生的汽泡脱离核化点后在板片间滑移的过程中继续吸热长大从而带走更多的热量，并且使所经过的表面更新，加速了液体的对流。本发明的效果和益处是提供的元件组成的蒸发冷凝器为直接浸没式，具有换热系数高，拆洗方便，不易腐蚀和能耗低的优点。

Description

用于蒸发冷凝的板式换热元件

技术领域

本发明属于工程热物理及能源与利用技术领域，涉及一种板式换热元件，特别涉及到一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，该元件可应用于蒸馏或制冷设备中的热交换器。

背景技术

相变传热是现今最为高效的传热方式，利用相变进行热量交换的换热设备，在制冷、空调、石油化工、电力、海水淡化与净化等众多工业领域具有广泛应用。在工作时，高温蒸汽和低温液体分别在相变换热设备的换热元件两侧发生相变过程，高温蒸汽将自身潜热放出，通过换热元件的壁面传给低温液体而自身冷凝，而低温液体得到热量后蒸发形成蒸汽，这类设备又被称为蒸发冷凝器。

众所周知的蒸发冷凝器，依据换热元件的不同，有板式和管壳式之分，其元件分别为金属板和管。目前，蒸发式冷凝器换热核心部件仍以″管″为主，对其研究主要集中在高效传热管的研制及改进和管表面的处理方面，采用波纹管、扭曲管等各种强化传热管代替现有的光滑圆管，或采用表面改性技术强化管的表面传热特性，其传热效果得到了很大的提高。但换热管由于其本身固有曲率的原因，以强化传热管为基础，提高蒸发式冷凝器传热系数已经很难在技术上取得突破。一些研究者推出了以″板″为核心部件的新型蒸发式冷凝器。板式蒸发式冷凝器主要是将传热板片采用焊接方式连接在一起构成，全部传热板片的通孔连接在一起构成流体的流道，传热板片之间形成板间通道，这种传热板片存在换热效率低，机械密封性差，清洗比较困难，流动阻力大，焊点多易腐蚀等缺点。并且现有的蒸发冷凝器，无论管式还是板式，都在蒸发侧采用喷淋降膜布液，即以水泵等液体输送设备通过喷头将液体喷淋到换热元件(管或板)一侧表面，使得液体在换热元件表面形成液膜，并以一定的流速沿表面下降，下降的过程中得到另一侧高温蒸汽冷凝放出的热量从而蒸发形成蒸汽。采用这种方法可以增加液体对流，降低热阻。但其缺点是降膜很难均匀，换热元件的下部由于积液造成膜厚度变大，不易蒸发。同时，安装额外的液体输送设备会带来能耗问题，腐蚀和结垢也会导致布液器被堵塞，给装置的实际应用带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种拆装方便，不易腐蚀，能耗低，换热系数高的板式换热元件，以解决上文提到的技术问题：主要为换热系数低，机械密封性差，清洗比较困难，焊点多易腐蚀，液体输送设备的能耗以及布液器的堵塞问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种具有特殊构造的板式换热元件，每组元件由换热板片A、B，若干支撑条和密封垫组成。板片A、B都为矩形，以不锈钢、钛合金或其它金属薄板经冲压而成。板片的上下分别为蒸汽入口区和冷凝液出口区，中心区域为换热区，板片A的换热区内有强化传热构造而板片B没有，换热区内设有定位孔，四周设有等宽度的凹槽。支撑条选用与板片相同材质的金属材料经冲压而成，形状为‘正弦波’状，宽度略小于换热区四周凹槽的宽度。密封垫材质选用硅橡胶，宽度和支撑条相等。板片A的上下凹槽内装入‘正弦波’状支撑条，两侧凹槽内装入密封垫后，将板片A和B交互叠合，用与板片相同材质制成的两头有螺纹的金属杆穿过定位孔，前后覆以盖板，用螺母拧紧，即可构成换热设备。在该设备中，板片A的正面和板片B的背面组成蒸发侧，板片B的正面和板片A的背面组成冷凝侧，将该换热设备浸没于液池之中，液体经两侧的支撑条安装区进入换热设备的蒸发侧，蒸汽则由蒸汽入口经上方的支撑条安装区进入冷凝侧，冷凝后形成的凝液经下方的支撑条安装区从冷凝液出口排出。该设备安装简便，需清洗时只需将定位杆上的螺母松开，卸去盖板，即可将换热板片拆开清洗，材质选用不易腐蚀的316L不锈钢等即可具备良好的防腐性能，同时该设备不需要另行安装液体输送设备和布液器，解决了能耗问题。

所述换热板片A的换热区内均布有向两侧凸出的起强化传热作用的特别构造，其高度和‘正弦波’状支撑条的高度以及压紧后的硅胶密封垫的高度一致，这在换热设备工作时起到固定支撑作用，使得蒸汽冷凝侧略高于蒸发侧的压力不至于将板片压弯，避免了壁面的局部过热。

在传热方面，板片A的换热区上冲压有两种强化构造，分别向板片的两侧凸出，向冷凝侧凸出的强化构造可为球冠，方台或圆台形状，其作用是将冷凝时形成的液膜及时的撕裂，使板面的热阻降低。向蒸发侧凸出的强化构造在外观上可为圆形，方形或其它形状，类似凸台，该构造有为提高传热系数而进行的特别设计：一.与板片壁面连接部有微尺度的狭缝，该狭缝的尺度针对工质进行特别设计，使当工质液体处于该尺度下时，其所受的重力与其本身的毛细力相比已可以忽略不计，众多实验以及应用实例表明此时的传热是得到强化的；二.该构造的高度是根据工质的汽泡脱离直径计算得到的优化值，使得产生的汽泡脱离核化点后在板片间滑移的过程中受到板片的挤压，从而使汽泡和壁面间的接触面积变大，根据微液膜蒸发理论，汽泡在滑移过程中会继续吸热长大从而带走更多的热量，并且使所经过的表面更新，加速了液体的对流；三.沟槽的形状为开口较小的内凹陷形，根据业内公知的理论，采用这种构型的沟槽能够更好的捕获微小的汽胚，形成更加稳定的汽化核心；四.强化构造之间的间距是根据核化点影响范围计算得到的优化值，可进一步提高传热效率。这些措施的目的在于提高传热系数，使得在没有喷淋设备的条件下，换热器仍可以达到相变传热时所需的换热系数。

本发明的效果和益处是提供了一种具有特殊构造的板式传热元件，在该元件的特定部位装入硅胶密封垫或金属支撑条，再将元件相互叠放，便可组装成板式蒸发冷凝器，整个设备无焊点，拆装简便，解决了常规板式蒸发冷凝器机械密封性差，焊点多易腐蚀，不易清洗的技术困难。由该元件交互叠放形成的蒸发冷凝器在使用时直接浸没于液池之中，省去了液体输送设备和布液器，解决了液体输送设备的能耗问题。所述换热板片A的换热区内均布有向两侧凸出的特别构造，该构造在设备工作时起到固定支撑作用，同时在传热方面，向冷凝侧凸出的强化构造可将冷凝时形成的液膜及时的撕裂，使板面的热阻降低。向蒸发侧凸出的构造增大了板片的传热面积，并且增加了表面上的核化点密度，提高了传热系数，同时按照合理的间距布置，避免了表面上汽泡密度变大后相互连接形成汽膜从而造成传热恶化的情况。该传热元件的板片间距为根据工作液体的汽泡脱离直径计算得出的优化值，这样的设计使汽泡脱离核化点，向液面上浮升的时候，受到两边壁面的挤压而变成扁平的形状，该扁平汽泡在沿壁面上升的过程中，会促成沿途汽泡的脱离，增大表面更新的频率，并在汽泡和壁面之间形成液体的微层，微液层蒸发是相变传热的重要机理，意即在汽泡滑移过程中会有更多的液体发生相变，另外汽泡的扰动也加强了宏观液体的对流，这使传热系数得以进一步提高。

附图说明

图1是本发明的板片A的结构示意图。

图中：1密封条安装区，2定位孔，3支撑条安装区，4换热区，5向蒸发侧凸出的强化构造，6向冷凝侧凸出的强化构造，7蒸汽入口区，8冷凝水出口。

图2是本发明的板片B的结构示意图。

图中：1密封条安装区；2定位孔，3支撑条安装区，4换热区。

图3是‘正弦波’状金属支撑条的结构示意图。

图4是板片A上的特别构造的结构示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

在大连理工大学化学工程研究所研制的小型海水淡化装置中，使用本发明提供的板式换热元件组成蒸发冷凝设备。图1所示为板片A的结构示意图，由316L不锈钢薄板制成，由1蒸汽入口，2定位孔，3密封垫片安装区，4换热区，5蒸发侧强化构造，6冷凝侧强化构造，7支撑条安装区和8冷凝水出口组成。其中6冷凝侧强化构造为直径1.5mm，向纸背面凸起的半球形结构。5蒸发侧强化构造的放大图见图5。在本实施例中该构造为1.5mm高的圆台，直径为7mm，圆台的外沿为2mm宽的弦月状沟槽，该槽的最高点距底面的距离为0.5mm。这种强化构造的特征是：一.沟槽的高度是根据工作介质——水的物性参数计算得出的优化值。优化的依据是微尺度效应，即当液体处于某一微尺度空间中时，其所受的重力与其本身的毛细力相比已可以忽略不计，众多实验以及应用实例表明此时的传热是得到强化的。微尺度的定义式为：

Bo＝(s/L)²＝g(ρ_l-ρ_v)s²/σ

其中，L为工作介质的毛细长度，定义为

$L=\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_v)}}$

这里s为实际空间的水力直径，g为重力加速度，σ为表面张力，ρ₁和ρ_v分别为液体和蒸汽的密度。根据Bo数值的不同，空间可被划分为：

1.微尺度：Bo＜0.05，此时重力可被忽略；

2.小尺度：0.05＜Bo＜0.3，此时重力的影响变小而表面张力处于统治地位；

3.宏观尺度：Bo＞0.3，此时与重力相比，表面张力的影响很小。

根据以上定义式计算得出，水在100℃时的毛细长度为2.43mm，此时的微尺度空间的水力直径为0.54mm，经优化后选定的实际尺度为0.5mm；二.该台的高度是根据工质的汽泡脱离直径计算得到的优化值，汽泡的脱离直径计算公式为：

$R_c=\frac{2\mathrm{\σ}\·\mathrm{Ts}\·g}{\mathrm{\λ}\·{\mathrm{\ρ}}_v\·(T-\mathrm{Ts})}$

其中T_s为液体的饱和温度，(T-T_s)为过热度，λ为液体的汽化潜热。根据上述公式，计算得到的该工况下水的脱离直径为1.75mm，根据实验测试结果，最终确定的优化值为1.5mm，小于工质的脱离直径，这就使产生的汽泡脱离核化点后在板片间滑移的过程中受到板片的挤压，从而使汽泡和壁面间的接触面积变大，根据微液膜蒸发理论，汽泡在滑移过程中会继续吸热长大从而带走更多的热量，并且使所经过的表面更新，加速了液体的对流，这些都是强化传热的措施；三.沟槽的形状为开口较小的内凹陷形，根据业内公知的理论，采用这种构型的沟槽能够更好的捕获微小的汽胚，形成更加稳定的汽化核心；四.强化构造之间的间距是根据理论计算得到的优化值，业内普遍认为核化点的间距超过汽泡脱离直径的3倍以上时，汽泡之间在近点的合并可能就变得很小，可以忽略不计。又考虑到在板片上应尽可能多的布置强化构造，因此在本实施例中采用的间距为25mm。

如图2所示为板片B的结构示意图，由316L不锈钢薄板制成，由1密封垫片安装区，2定位孔，3支撑条安装区，4换热区组成。板片B和板片A的不同在于板片B的换热区为光滑表面而板片A的传热区内具有特别设计的强化构造。

图3所示为本实施例中使用的‘正弦波’状不锈钢支撑条的结构示意图，支撑条的高度与板片A的强化构造的高度，以及硅胶密封垫受挤压后的厚度，三者之间具有一致性，这就保证了强化构造的有效性，并且保证了换热设备在工作时不会被蒸汽挤压导致变形。

工作时，将硅胶密封垫片装入图1，2所示的板片的密封垫片安装区，图3所示的‘正弦波’状不锈钢支撑条装入图1，2所示的板片的支撑条安装区，再将板片按照A-B-A-B的顺序依次叠放于直径5mm的不锈钢定位螺杆上，两端用不锈钢盖板压紧并以螺母固定，便构成板式换热设备，其中A正面和B的背面构成液体蒸发侧，A的背面和B的正面构成气体冷凝侧，将其浸没于水池中，液位高度介于200-210mm之间，低温的水经由侧面开口进入蒸发侧，吸收热量后形成蒸汽，从两侧开口区上方排出，高温的蒸汽由板片上方的蒸汽入口进入冷凝侧，放出热量后成为冷凝水由下方的出口排出。该设备的特殊设计使其省去了常规蒸发冷凝设备必需的喷淋装置，包括水泵和布液器，从而节约了能源，并且由于板片的间距小于液体的毛细尺度，板片间的液体汽化后产生的毛细效应会使液池中的液体自动补充到设备内部，从而保证了蒸发的连续进行。至此该实施例完成。

Claims (4)

1.一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，其特征是每组元件由板片A、B，支撑条和硅胶密封垫组成，两种板片上都包含换热区，流体进出口区，密封垫安装区和支撑条安装区，由A、B交互叠放组装成相变换热设备，该板式换热元件的特征是：a.板片A的换热区有向蒸发侧凸出的强化传热构造，该构造与板片B之间具有狭缝，狭缝的尺度是根据工作液体的物性参数计算得到的优化值，在该尺度下，狭缝具有微尺度效应；b.该构造的高度是根据工质的汽泡脱离直径计算得到的优化值；c.沟槽为开口较小的内凹陷形状；d.强化构造之间的间距是根据核化点影响范围计算得到的优化值；e.板片A的换热区有向冷凝侧凸出的强化传热构造，其高度与蒸发侧强化构造相同，作用为破坏冷凝形成的液膜，从而降低热阻。

2.根据权利要求1所述的一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，其特征是：支撑条，板片A上的强化构造，以及压紧后的硅胶密封垫具有相同的高度。

3.根据权利要求1所述的一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，其特征是：支撑条为‘正弦波’状。

4.根据权利要求1所述的一种用于蒸发冷凝的板式换热元件，其特征是：在指定区域装入支撑条和硅胶密封垫后将板片A和B交互叠放于定位杆上，用盖板和螺母固定后作为蒸发冷凝设备使用，该设备直接浸没于液池中，液体和蒸汽经由不同渠道进出换热设备，在传热元件两侧进行换热，不使用液体输送设备及喷淋布液器。

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