CN103791744A - 双相变潜热换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双相变潜热换热器，包括换热单元，换热单元包括密封壳体，壳体内上下间隔设有上、下密封挡板，上、下密封挡板之间设有若干竖管，竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室，上密封挡板上方设有蒸汽腔室，各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通；各竖管底部均与一液体腔室相连通；竖管的长径比小于20；蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口，中间腔室的壳体上设有第二蒸汽进出口，中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口，液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口。本发明能够实现双相变潜热换热的正常进行，大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸并节省了95%以上的单相变换热时冷却工质输送时消耗的能量。

Description

双相变潜热换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域。

背景技术

常规换热器在工作时，其换热面两侧的介质一般不发生相变，比如液/液、气/气、气/液换热。或换热面一侧的介质发生相变，比如蒸汽/液、蒸汽/气加热器。无相变换热器只能传递物料的显热，单侧相变加热器的蒸汽端发生冷凝相变放出潜热，而另一侧液体或气体物料没有相变，只是温度被提升。通常物料的显热量要比潜热量小得多，所以同样的热交换量，传统换热器通常需要很大的设备尺寸，以及大量的液体或气体输送能耗。 

常用的换热器有两种：板式换热器与管壳式换热器。之所以没有出现换热面两侧的介质均发生相变的换热器，是因为现有的两种换热器均不适应双相变的工作状况，并且对此缺乏规律性的认识。

经过本申请发明人的创造性研究，对现有两种换热器不适应双相变工作的原因有了规律性的认识，即物料发生相变时，必然伴随着体积流量的剧烈变化，板式换热器换热面之间的间隙较小，所以难以适应这种变化，不能用作双相变换热器；管壳式换热器的壳程通常是长度大于直径，单管长径比（长径比指管内沸腾液位深度与管子直径之比。）普遍远远大于20；这种情况下沸腾相变侧必然造成气液剧烈混和状态，冷凝相变侧风阻损失大、管束效应明显、液膜热阻效应强，这些因素综合在一起，导致长管（长管指长径比大于20的的管子）设计无法稳定发生相变传热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够大幅缩小换热器体积、降低介质输送能耗的双相变潜热换热器。

为实现上述目的，本发明的双相变潜热换热器包括换热单元，换热单元包括密封壳体，壳体内上下间隔设有上密封挡板和下密封挡板，上、下密封挡板之间均匀设有若干竖管，竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室，上密封挡板上方设有蒸汽腔室，各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通；各竖管底部均与一液体腔室相连通，液体腔室位于下密封挡板下方并与下密封挡板相临；所述竖管的长径比小于20；所述蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口，所述中间腔室顶部的壳体上设有第二蒸汽进出口，所述中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口，所述液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口。

所述换热单元上下堆叠设有两个以上。

所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体内，各换热单元与罩体围成蒸汽空腔，罩体内设有蒸汽管，蒸汽管选择连通第一蒸汽进出口或第二蒸汽进出口，且蒸汽管的顶部向上伸出罩体；罩体内设有液管，液管选择连通第一液体进出口或第二液体进出口，且液管的底部向下伸出罩体；所述罩体的侧壁中部设有罩体蒸汽进口，所述罩体的底端连通有罩体液体出口。

最顶部的换热单元的壳体顶部呈封头结构，最底部的换热单元的壳体底部呈封头结构。

本发明具有如下的优点：

竖管的长径比小于20，能够避免沸腾相变一侧造成气液剧烈混和现象，避免冷凝相变侧风阻损失大、管束效应明显、液膜热阻效应强等现象，从而保证稳定的冷凝或沸腾，保证换热效率。本发明能够保证双相变换热的正常进行，采用竖管内外的两种工作介质均发生相变（即管程和壳程的工作介质均发生相变）的工作方式，本发明大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸，有效实现潜热高密度换热，同时也节省了95%以上的液体或气体（即工作介质）输送时消耗的能量。

基本单元使用短管，占地面积通常较大；使用堆叠的方法，把多个换热单元上下堆叠集合在一起，这样不仅占地面积小，而且各换热单元之间的压力相互平衡，压力容器更容易设计。

如果没有设置罩体，则每个换热单元都要对外连接4根管道，造成外部管道又多又乱，增大连接难度并使降低设备的紧凑程度。由于设置了罩体，体积流量最大的汽态流就可以取消分布管路。这样做不但流量分布更加均匀，同时整体设备外观紧凑，综合换热效率也高；用于内凝外沸式时，单元的圆周表面也可用于冷凝换热，换热面积显著提高。最后，本发明结构简单，便于制造和使用。

总之，本发明能够保证双相变换热的正常进行，大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸并节省了95%以上的工作介质输送时消耗的能量。上下堆叠设置多个换热单元，并设置罩体，可以简化本发明的连接结构，使整体设备更加紧凑，并使工作介质的流量分布地更加均匀，提高综合换热效率。

附图说明

图1是本发明中换热单元的结构示意图；

图2是三个换热单元上下堆叠在一起的结构示意图；

图3是设有罩体时本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的双相变潜热换热器包括换热单元，换热单元包括密封壳体1，壳体1内上下间隔设有上密封挡板2和下密封挡板3，上、下密封挡板2、3之间均匀设有若干竖管4，竖管4与上、下密封挡板2、3之间的壳体1围成中间腔室5，上密封挡板2上方设有蒸汽腔室6，各竖管4的顶部开口与蒸汽腔室6相连通；各竖管4底部均与一液体腔室7相连通，液体腔室7位于下密封挡板3下方并与下密封挡板3相临；所述竖管4的长径比小于20，本领域技术人员可以依据不同物料性质选取不同的长径比。

所述蒸汽腔室6处的壳体1上设有第一蒸汽进出口8，所述中间腔室5顶部的壳体1上设有第二蒸汽进出口9，所述中间腔室5底部的壳体1上设有第一液体进出口10，所述液体腔室7处的壳体1上设有第二液体进出口11。第一、第二液体进出口10、11的管径小于第一、第二蒸汽进出口8、9的管径。

所述换热单元上下堆叠设有两个以上。所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体12内，各换热单元与罩体12围成蒸汽空腔13。

罩体12内设有蒸汽管14，蒸汽管14选择连通第一蒸汽进出口8或第二蒸汽进出口9，且蒸汽管14的顶部向上伸出罩体12。

罩体12内设有液管15，液管15选择连通第一液体进出口10或第二液体进出口11，且液管15的底部向下伸出罩体12。

所述罩体12的侧壁中部设有罩体蒸汽进口16，所述罩体12的底端连通有罩体液体出口17。

最顶部的换热单元的壳体1顶部呈封头结构，最底部的换热单元的壳体1底部呈封头结构。

本发明所采用的工作介质：发生相变的介质有不同选择，例如：水、氨、二氧化碳等；各类单质制冷剂或非共沸混合制冷剂（CFC类，HCFC类，HFC类，R400等）；各类碳氢化合物（丙烷、乙醇、乙烯、丙酮等）。基于本发明的技术方案，本领域技术人员有能力根据实际应用的需要选择合适的工作介质。

本发明适用于各类低温蒸汽回收场合，特别是与机械压缩式热泵系统相结合。

用在热泵机组的蒸发器上，可以直接回收低温蒸汽的潜热，取消了水冷凝器的水耗、水输送能耗以及凉水塔投资及运转费用，并且提高了回收温度进而提高了热泵机组整机效率。

用在热泵机组的冷凝器上，可直接生产蒸汽用于工业生产线。特别是用在各类传统蒸发浓缩设备上。传统蒸发浓缩设备都大量消耗外来锅炉蒸汽，并且使用冷凝器结合凉水塔把末级低温蒸汽直接排放到大气中。利用本发明，把蒸发浓缩设备的末级低温蒸汽引入热泵机组的蒸发器，把热泵机组冷凝器生产的高温蒸汽直接送回蒸发浓缩设备，这样可以完全取消外来锅炉蒸汽的使用，从而大大降低能源消耗量。在本发明的基础上还可采用各类表面强化换热技术，提升整机效率，减少传热温差，降低投资成本。

使用时，本发明的双相变潜热换热器既可以采用外凝内沸（指各竖管4内的介质由液态吸热后蒸发为气态，同时各竖管4外、中间腔室5内的介质即管外壳程介质则由气态放热后冷凝为液态）的工作方式，也可以采用内凝外沸的工作方式。

采用外凝内沸的工作方式时，如图3所示，蒸汽管14连通第一蒸汽进出口8，同时液管15连通第二液体进出口11。换热过程是：高温蒸汽由罩体蒸汽进口16进入蒸汽空腔13，然后通过各换热单元的第二蒸汽进出口9进入中间腔室5，与各竖管4内的蒸发介质进行换热后得到冷凝，冷凝后形成的液体由第一液体进出口10流出中间腔室5，然后落在蒸汽空腔13的底部，并通过罩体液体出口17流出罩体12；与此同时，液态的蒸发介质由罩体液体出口17流入罩体12，通过液管15后进入各换热单元的第二液体进出口11；然后，液态的蒸发介质经过液体腔室7流入各竖管4，流经竖管4时，液态的蒸发介质得到管外冷凝介质的热量后蒸发，蒸发后形成的气体依次经蒸汽腔室6、第一蒸汽进出口8和蒸汽管14后流出罩体12。

采用外沸内凝的工作方式时，蒸汽管14连通第二蒸汽进出口9，同时液管15连通第一液体进出口10。换热过程是：蒸发介质的高温蒸汽由罩体蒸汽进口16进入蒸汽空腔13，然后通过各换热单元的第一蒸汽进出口8进入中间腔室5，与各竖管4内的蒸发介质进行换热后得到冷凝，冷凝后形成的液体由第二液体进出口11流出中间腔室5，然后落在蒸汽空腔13的底部，并通过罩体液体出口17流出罩体12；与此同时，液态的蒸发介质由罩体液体出口17流入罩体12，通过液管15后进入各换热单元的第一液体进出口10；然后，液态的蒸发介质经过液体腔室7流入各竖管4，流经竖管4时，液态的蒸发介质得到管外冷凝介质的热量后蒸发，蒸发后形成的气体依次经蒸汽腔室6、第二蒸汽进出口9和蒸汽管14后流出罩体12。

本发明能够保证双相变换热的正常进行，大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸并节省了95%以上的工作介质输送时消耗的能量。上下堆叠设置多个换热单元，并设置罩体12，可以简化本发明的连接结构，使整体设备更加紧凑，并使工作介质的流量分布地更加均匀，提高综合换热效率。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.双相变潜热换热器，其特征在于：包括换热单元，换热单元包括密封壳体，壳体内上下间隔设有上密封挡板和下密封挡板，上、下密封挡板之间均匀设有若干竖管，竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室，上密封挡板上方设有蒸汽腔室，各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通；各竖管底部均与一液体腔室相连通，液体腔室位于下密封挡板下方并与下密封挡板相临；所述竖管的长径比小于20；

所述蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口，所述中间腔室顶部的壳体上设有第二蒸汽进出口，所述中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口，所述液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口。

2.根据权利要求1所述的双相变潜热换热器，其特征在于：所述换热单元上下堆叠设有两个以上。

3.根据权利要求2所述的双相变潜热换热器，其特征在于：所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体内，各换热单元与罩体围成蒸汽空腔，

罩体内设有蒸汽管，蒸汽管选择连通第一蒸汽进出口或第二蒸汽进出口，且蒸汽管的顶部向上伸出罩体；

罩体内设有液管，液管选择连通第一液体进出口或第二液体进出口，且液管的底部向下伸出罩体；

所述罩体的侧壁中部设有罩体蒸汽进口，所述罩体的底端连通有罩体液体出口。

4.根据权利要求2或3所述的双相变潜热换热器，其特征在于：最顶部的换热单元的壳体顶部呈封头结构，最底部的换热单元的壳体底部呈封头结构。

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