CN104266513A - 一种立式冷凝器 - Google Patents

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李凤清
王敏
孙苑洱
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Abstract

本发明涉及一种立式冷凝器,该冷凝器包括换热板对束、膨胀节和壳体,所述的换热板对束由多对换热板对组成,换热板对是由两块金属板通过多点焊接形成,是可供换热流体流通的板程腔体,换热板对束安装在壳体内,各换热板对之间及其与壳体之间形成壳程腔体;所述的膨胀节设置在换热板对束一端。与现有技术相比,本发明具有可改变冷凝液的凝结状态、降低热阻、结构调整灵活、换热效率高、成本低、清洗方便等优点。

Description

一种立式冷凝器
技术领域
[0001] 本发明涉及冷凝器,尤其是涉及一种新型高效立式冷凝器。
背景技术
[0002] 冷凝器作为一侧有相变的热交换器,主要进行凝结换热过程,广泛应用于化工、石 化、制冷等行业中。对于有相变的换热过程,特点是发生相变的流体温度基本保持不变,在 相对较小温差下进行换热;换热量主要为潜热r,r 一般较大,因此所需的传热系数较高;影 响相变换热的物性除了单相流体的影响因素外,还有潜热、表面张力和浮升力等;由于相变 产生冷凝液,冷凝液为热量进一步传递增加了热阻。冷凝液液膜带来的热阻及其流动状况 使流体形态变得复杂,为较好地控制整个换热过程增加了难度。
[0003] 凝结换热主要分为膜状凝结和珠状凝结。膜状凝结为冷凝液沿整个壁面形成一 层薄膜,并在重力作用下流动,凝结放出的汽化潜热必须通过液膜,因此,液膜厚度直接影 响了热量传递;当凝结液体不能很好的浸润壁面时,则在壁面上形成许多小液珠,此时壁面 的部分表面与蒸汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结(可能大几倍,甚至一个数量 级)。冷凝过程严格上说,首先是由珠状过渡到膜状,在珠状冷凝到一定程度,冷凝液增多才 会形成膜状,因此理想的状态是在珠状冷凝过程即完成换热;达到这一理想状况很难,这需 要在较高的换热效率下配合灵活的结构设计。
[0004] 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度,强化方式可用 一些特殊的表面使在其上冷凝的液膜拉薄,或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。为了加强流体扰动,促进对流换热,冷凝器传热元件由最初的光管到后来的椭圆管、波 纹管、异滴形管和交变曲面波纹管等新型高效盘管,再到后来把传热元件由管式变为板式。 这些方法中,虽然能较大程度地强化换热,一定程度改变凝结形式,但是这些特殊的设计都 导致了流体压降大大升高,并且这些设备结构的灵活性较低,不能根据工况的变化而调整; 同时,常规板式换热器中的密封垫片易受腐蚀也是一个薄弱环节。
[0005] 此外,重力加速g对自然对流换热有很大影响。努赛尔数Nu是表征对流换热强烈 程度的准数,Nu越大表示对流换热越强,其表达式如下:
[0006] Nu=f(Gr,Pr)
[0007] 其中:
Figure CN104266513AD00031
,所以Nu与重力加速度g成正比。
[0008] 因此
Figure CN104266513AD00032
换热加强。对于换热器形式,常规的列管式均为卧式,这在形 式上就降低了换热效率。
发明内容
[0009] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可改变冷凝液 的凝结状态、降低热阻、结构调整灵活、换热效率高、成本低、清洗方便的立式冷凝器。
[0010] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种立式冷凝器,其特征在于,该冷 凝器包括换热板对束、膨胀节和壳体,所述的换热板对束是由两块金属板通过多点焊接形 成的板对组成,可供换热流体流通的板程腔体的部件,每个换热板对由于点焊使得平面部 分均匀凸起,内外侧均形成了触点,触点密度根据工况可调,对流体进行扰动。换热板对束 安装在壳体内,各换热板对之间及其与壳体之间形成壳程腔体,所述的膨胀节设置在多对 换热板对束一端。
[0011] 所述的换热板对上均匀设置了多个焊接触点形成枕式换热元件。
[0012] 所述的多个焊接触点交错设置,常用工况的触点密度为200〜5000个/m2,触点间 距一般为20〜100mm,在一些特殊工况要求下也可以上下调整,在制造工艺上均可达到。
[0013] 所述的各对换热板对之间设有控制板对间距的固定件,形成整体板对束。
[0014] 所述的固定件用来将板对之间的距离控制在根据工况要求所设计的特定的距离, 将板对外边缘紧凑的固定住,并且没有深入板束内侧,不会对壳程流体形成折流或扰流影 响。
[0015] 所述的壳体底部设有冷却流体入口,顶部设有冷却流体出口,侧壁设有待冷凝气 体入口、冷凝液出口以及不凝性气体出口;待冷凝热气体物料由壳体上的待冷凝气体入口 径向进入冷凝器壳程腔体,冷凝后的冷凝液从冷凝液出口流出,不凝性气体从不凝性气体 出口排出,由于板片间均匀密布的触点加强了气体的扰动,增大了换热效率;同时触点和 凸起为气体冷凝提供了液化核心,使凝结过程接近于珠状凝结,降低了液膜厚度,减小了热 阻。冷却流体从壳体底部冷却流体入口进入经过膨胀节进入板程腔体,从顶部冷却流体出 口流出,同样由于板对间触点的扰动,使液体达到湍流的状态,增加了换热效率。总的过程 就是加强了两侧流体的湍动,同时由于表面的不平整性破坏了形成液膜的均一流动,利用 灵活的结构形式,使冷凝过程大部分在珠状冷凝状态下进行,降低了热阻,增加换热效率。
[0016] 所述的待冷凝气体入口设置在壳体侧壁顶部,所述的冷凝液出口和不凝性气体出 口设置在壳体侧壁底部。
[0017] 所述的膨胀节为波纹管膨胀节,是一种能自由伸缩的弹性补偿元件,能有效的起 到补偿轴向变形的作用;当换热板对束和壳体由于温差和压力作用变形不一致时,能吸收 变形能,自动调节壳体和换热板对束中的应力大小。
[0018] 换热板对束的两块板间距和多对换热板对束间距都是根据各种工况下流体流量、 压降要求以及流体物性清洁程度等要求调节。本发明利用了板片灵活的结构形式,可通过 调节板间距、触点密度、板对间距设计寻求最优结构参数以达到最佳的换热效果,如热侧冷 凝蒸汽流量较大,可以满足换热的情况下,加大板对间距,增加通过性,就能降低压降。
[0019] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0020] 一、改变冷凝液的凝结状态,降低热阻;
[0021] 触点和凹凸不平的表面为气体冷凝提供了液化核心。对于壳程冷凝热气体,由于 板间触点的存在,触点部分没有冷侧流体通过,因此壳程气体通过有触点的地方时,换热程 度相对于没触点的地方弱,因此打乱了冷凝液的形成均一性,使凝结过程接近珠状凝结,降 低了液膜厚度,减小了热阻。
[0022] 二、板片结构参数可以灵活调节;
[0023] 根据不同的工况要求,可以灵活调节板间距、板对间距和触点密度,达到不同程度 的换热效果。因为有这些灵活的结构特性,可以控制冷凝过程主要在珠状冷凝状态下进行。
[0024] 三、换热效率高,节省设备占地面积;
[0025] 由于板间有触点,能加大液体的扰动,使液体的流动形式呈湍流状态,大大强化了 传热。同时对于有气态的流体,板对间的凹凸不平腔体能够强化气体的扰动,较大程度地增 大了含气侧换热(气体传热效率一般较低)。越高的换热效率,意味着达到同样的换热效果 所需的换热面积越小,这样不仅减小了设备的占地面积,同样减少了设备的安装、维护清洗 等的难度。
[0026] 四、较大程度降低气体压降;
[0027] 由于整个结构较通透,并且可以根据流体流量和介质物性调整流体通道,能达到 很低的压降。特别适用于气液流量相差较大以及真空冷凝等要求较低压降下进行的工况。 [0028] 五、不易结垢,拆卸清洗方便;
[0029] 由于触点存在,且流体流动形式为湍流,由此产生壁面剪切力较大,使换热器本身 有了自清洁功能;此外,即使长时间使用后,有了一定程度的结垢,整个换热板束可以从壳 体中拆卸出来进行清洗,壳程间距较大,清洗很方便。
附图说明
[0030] 图1为本发明枕式换热元件的正面局部结构示意图;
[0031] 图2为本发明枕式换热元件的侧面局部结构示意图;
[0032] 图3为本发明高效板式立式冷凝器的整体结构示意图;
[0033] 下面将结合附图及具体实施例,对本发明作进一步说明;
[0034] 图1中标号所示:
[0035] a、板片表面,b、板程腔体,c、焊接触点;
[0036] 图2中标号所示:
[0037] N1、冷却流体入口,N2、冷却流体出口,N3、冷凝液出口,N4、待冷凝气体入口,N5、不 凝性气体出口;
[0038] ①、壳体,②、换热板对束,③、壳程腔体,④、膨胀节。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0040] 实施例
[0041] 如图1〜3所示,一种立式冷凝器,该冷凝器包括换热板对束②、膨胀节④和壳体 ①,所述的换热板对是由两块金属板通过多点焊接形成可供换热流体流通的板程腔体b的 部件,多对换热板对束安装在壳体内,各对换热板对束之间及其与壳体之间形成壳程腔体 ③,所述的换热板对上均匀设置了多个焊接触点c形成枕式换热器,如图1〜2所示。所述 的多个焊接触点交错设置,常用工况的触点密度为200〜5000个/m2,触点间距一般为20〜 100mm,在一些特殊工况要求下也可以上下调整,在制造工艺上均可达到。在本实施例中触 点密度为3000个/m2,触点间距一般为35〜40mm。
[0042] 每个换热板对由于点焊使得平面部分均匀凸起,板片表面a内外侧均形成了触 点,触点密度根据工况可调,对流体进行扰动。所述的各对换热板对束之间设有控制板对间 距的固定件。所述的固定件用来将板对之间的距离控制在根据工况要求所设计的特定的距 离,将板对外边缘紧凑的固定住,并且没有深入板束内侧,不会对壳程流体形成折流或扰流 影响。
[0043] 所述的膨胀节④设置在多对换热板对束一端。所述的膨胀节为波纹管膨胀节,通 常设置在换热板束下端,它是一种能自由伸缩的弹性补偿元件,能有效的起到补偿轴向变 形的作用。当换热板对束和壳体由于温差和压力作用变形不一致时,能吸收变形能,自动调 节壳体和换热板对束中的应力大小。
[0044] 由于整个过程中,流体温度的差别,通常在入口温差较大的一侧装有膨胀节消除 附加热应力。这样就完成了整个冷凝换热过程。
[0045] 所述的壳体①底部设有冷却流体入口N1,顶部设有冷却流体出口N2,侧壁设有待 冷凝气体入口N4、冷凝液出口N3以及不凝性气体出口N5 ;所述的待冷凝气体入口N4设置 在壳体侧壁顶部,所述的冷凝液出口N3和不凝性气体出口N5设置在壳体侧壁底部。待冷 凝热气体物料由壳体上的待冷凝蒸汽入口N4径向进入冷凝器壳程腔体③,与从冷凝器底 部N1 口进入,走板程腔体b的冷却流体进行逆流换热;经过换热,形成的冷凝液在重力作用 下往冷凝器下部流动,从冷凝液出口N3流出,不凝性气体从不凝性气体出口N5排出,这样 就使冷凝液和不凝气气体分离开来,由于板片间均匀密布的触点加强了气体的扰动,增大 了换热效率;同时触点和凸起为气体冷凝提供了液化核心,使凝结过程接近于珠状凝结,降 低了液膜厚度,减小了热阻。冷却流体从壳体底部冷却流体入口N1进入经过膨胀节④进入 板程腔体,冷却流体完成换热后,温度有所升高,从顶部冷却流体出口N2流出,同样由于板 对间触点的扰动,使液体达到湍流的状态,增加了换热效率。总的过程就是加强了两侧流体 的湍动,同时由于表面的不平整性破坏了形成液膜的均一流动,利用灵活的结构形式,使冷 凝过程大部分在珠状冷凝状态下进行,降低了热阻,增加换热效率。
[0046] 换热板对束的两块板间距和多对换热板对束间距都是根据各种工况下流体流量、 压降要求以及流体物性清洁程度等要求调节。

Claims (7)

1. 一种立式冷凝器,其特征在于,该冷凝器包括换热板对束、膨胀节和壳体,所述的换 热板对束由多对换热板对组成,换热板对是由两块金属板通过多点焊接形成,是可供换热 流体流通的板程腔体,换热板对束安装在壳体内,各换热板对之间及其与壳体之间形成壳 程腔体,所述的膨胀节设置在换热板对束一端。
2. 根据权利要求1所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的换热板对束中各板对 上均匀设置了多个焊接触点形成枕式换热元件。
3. 根据权利要求2所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的多个焊接触点交错设 置,触点密度为200〜5000个/m2,触点间距一般为20〜100mm。
4. 根据权利要求1所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的各对换热板对之间设 有控制板对间距的固定件。
5. 根据权利要求1所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的壳体底部设有冷却流 体入口,顶部设有冷却流体出口,侧壁设有待冷凝气体入口、冷凝液出口以及不凝性气体出 口;待冷凝热气体物料由壳体上的待冷凝气体入口径向进入冷凝器,沿轴向流经壳程腔体, 冷凝后的冷凝液从冷凝液出口流出,不凝性气体从不凝性气体出口排出,冷却流体从壳体 底部冷却流体入口进入经过膨胀节进入板程腔体,从顶部冷却流体出口流出。
6. 根据权利要求5所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的待冷凝气体入口设置 在壳体侧壁顶部,所述的冷凝液出口和不凝性气体出口设置在壳体侧壁底部。
7. 根据权利要求1所述的一种立式冷凝器,其特征在于,所述的膨胀节为波纹管膨胀 节,是一种能自由伸缩的弹性补偿元件,能有效的起到补偿轴向变形的作用;当换热板对束 和壳体由于温差和压力作用变形不一致时,能吸收变形能,自动调节壳体和换热板对束中 的应力大小。
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