CN104390492A - 一种卧式双相变换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式双相变换热器，包括卧式壳体，卧式壳体内水平设有相变筒，相变筒内设有若干换热单元；换热单元包括竖向筒体；竖向筒体内设有若干水平设置的连通管，竖向筒体顶部至少一个连通管为绝热管，竖向筒体底部至少一个连通管为绝热管；其他连通管为双相变换热管；相变筒一端底部连接有低温液体进管，相变筒于同一端顶部连接有低温蒸汽出管，另一端的卧式壳体侧壁设有高温蒸汽进口，该端卧式壳体的底壁上设有高温液体出口；冷凝腔处的相变筒顶壁和底壁上分别设有上开口和下开口。本发明结构简单，节约能耗，便于安装，换热面的热流密度较以往大大提高，换热器尺寸得以大大减少，介质能够无须额外的输送动力而利用相变作用自动通过。

Description

一种卧式双相变换热器

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。现有的两种换热器均不适应双相变的工作状况。

　　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30；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30的的管子）设计无法稳定发生相变传热。

　　申请人据此设计出上下堆叠式的双相变换热器，还会存在如下问题：

　　1. 各单元液位均需要单独控制，实现难度较大，运行可靠性低；

2. 无法采用绝热管设计，所以管路依旧比较复杂；

3. 立式设计整体高度较高，也不利于整体机组布局；

4. 制造加工困难，材料消耗多，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、换热效率高、传热温差小、便于制造和安装使用、且介质能够无须额外的输送动力而利用相变作用自动通过的卧式双相变换热器。

为实现上述目的，本发明的一种卧式双相变换热器包括卧式壳体，卧式壳体内水平设有相变筒，相变筒内沿水平方向均匀间隔设有若干换热单元；相变筒与卧式壳体的顶壁、底壁、左侧壁和右侧壁均间隔设置，相变筒与卧式壳体之间围成高温蒸汽腔；

换热单元包括竖向筒体，竖向筒体上端与相变筒顶壁密封连接，竖向筒体下端与相变筒底壁密封连接，

竖向筒体内壁与该处相变筒的顶壁和底壁之间围成冷凝腔；各换热单元的竖向筒体外壁与相变筒内壁之间围成蒸发出气腔；

竖向筒体内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的连通管，各连通管的两端与竖向筒体两端的蒸发出气腔相连通；

竖向筒体顶部至少一个连通管为绝热管，竖向筒体底部至少一个连通管为绝热管；绝热管之外的其他连通管为双相变换热管；

相变筒一端底部连接有低温液体进管，低温液体进管向外伸出卧式壳体并与卧式壳体之间密封配合，低温液体进管向内伸入蒸发出气腔；相变筒于同一端顶部连接有低温蒸汽出管，低温蒸汽出管向外伸出卧式壳体并与卧式壳体之间密封配合，

低温液体进管另一端的卧式壳体侧壁设有高温蒸汽进口，该端卧式壳体的底壁上设有高温液体出口；

所述冷凝腔处的相变筒顶壁上设有上开口，上开口连通高温蒸汽腔与冷凝腔；所述冷凝腔处的相变筒底壁上设有下开口，下开口连通冷凝腔与高温蒸汽腔。

所述相变筒的左右两侧壁为平封头结构。

所述连通管的长径比小于等于30。

液态低温介质由低温液体进管9流入相变筒2内的蒸发出气腔6，蒸发出气腔6内的低温介质在通过相变筒2内具有较高导热系数的双相变换热管8时（低温介质走的是管程，高温介质走的是壳程），与相变筒2冷凝腔5内的高温介质进行热交换，从而受热蒸发。蒸发后的低温蒸汽由低温蒸汽出管10流出本发明的卧式双相变换热器。  

发明人最初设计的没有设置绝热管7的技术方案，由于各连通管均为双相变换热管，因此在沸腾相变的作用下，管子两侧的液位也不能保证一致，导致各处液位不一致，单点监控液位的方法无法保证各处液位均处于正常状态，需要使用多套监控装置进行多点监控，既增加了设备成本和安装设备的成本，又使控制液位的操作变得非常复杂。

本发明中绝热管7的导热系数低，因此低温介质在其内吸收的热量非常有限，不会发生相变（蒸发）。

这样，竖向筒体4顶部的绝热管7就成为畅通的蒸汽外排的通道。

竖向筒体4底部的绝热管7自然成为各蒸发出气腔6之间畅通的连接通道，避免因管内发生沸腾相变而形成不稳定的压力，导致管子两侧的液位不平，保证各蒸发出气腔6内的液态低温介质处于良好的导通状态，从而使各蒸发出气腔6内的液位始终保持一致。一致的液位使得液位控制变得简单，只需要监测、控制任意一处的液位，就能够控制整个相变筒2内低温工质的液位。与以往相比，不仅节约了设备数量及成本，也大大简化了安装操作，以及实际工作中控制液位的操作。

在低温液态工质蒸发的同时，气态高温介质由高温蒸汽进口11流入卧式壳体1内的高温蒸汽腔3，并通过各上开口13进入各换热单元的冷凝腔5（高温介质走的是壳程），在冷凝腔5内，被双相变换热管8内的低温介质所冷却，从而发生冷凝现象。冷凝时，冷凝腔5内高温蒸汽的体积急剧减小，形成一定的负压，从而自动将高温蒸汽进口11处的高温介质吸引过来，无须额外设置驱动高温介质的动力装置。冷凝后形成的高温液体，则在重力的作用下，自动向下通过下开口14流至高温蒸汽腔3（卧式壳体1）的底壁，然后从高温液体出口12流出本发明的卧式双相变换热器。

    本发明所采用的工作介质：发生相变的介质根据不同的应用有不同选择，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单/多效蒸发浓缩设备、单/多级蒸馏塔、各类干燥设备上。这些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，把原来直排的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或蒸馏或干燥设备，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；采用本发明的卧式双相变换热器可以全面取消20吨以下小型燃煤锅炉的使用，社会效益巨大。

本发明结构简单，能够利用相变作用产生介质流动的动力，从而无须单独设置输送介质的装置，简化了本发明的结构，节约了连接管道，节省了相应的设备成本和安装、运行成本，起到了节能降耗的作用。

竖向筒体底部绝热管的设置，有效保证了相变筒内各处低温液态工质液位的一致性，使得单点监控液位成为现实，便于监控和调节低温液态工持的液位。同时，竖向筒体顶部绝热管的设置，避免了沸腾相变造成的阻力，使得低温介质沸腾后产生的低温蒸汽能够畅通地通过绝热管向低温蒸汽出管流动。

本发明中，换热面两侧都发生相变，一侧气体冷凝放出潜热，另一侧液体沸腾蒸发吸收潜热。通过这种方式，通过换热面的热流密度大大提高，换热器尺寸得以大大减少。同时，由于本发明中的换热单元属于卧式布置，且低温蒸汽和高温蒸汽都由侧边进出，高温液体由底部流出，因此，沸腾相介质在沸腾后，生成的气体在体积膨胀、浮力等作用下能够自动通过低温蒸汽出口向外排出，而冷凝相介质在冷凝后，体积急剧减小，产生的负压作用将高温蒸汽进口处的蒸汽自动吸引过来，冷凝后产生的液体则在重力的作用下自动向下汇集并通过高温液体出口流出。上述过程完全避免了液体或气体输送能耗，十分节能，符合低碳环保的产业发展方向。

本发明对外只有4个接口，因此十分方便现场安装，连接起来十分方便快捷。本发明是卧式布置，高度较堆叠式大大减小，即使在高度有限的工作区域（厂房）内也能够轻松安装使用。

本发明中，沸腾相变在双相变换热管内发生，短管的长径比控制在30以内，短管的长径比优选小于等于20，这样管内沸腾的大量汽泡可以及时排到管外（即蒸发出气腔），避免了长径比过长时大量汽泡对沸腾换热系统的负面影响。冷凝相变在管外发生，具有换热系数高的优点。

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，降低了双相变传热温差。

由于吸热蒸发的液体填充在管内，相比于管外沸腾，液体填充量少，有利于成本的降低。

同立式设计一样，本设计与传统管式、板式换热器相比，还有一个明显的优势：可以通过调节液位的高位，不必停机和拆装设备，就能够改变实际换热面积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

图1中箭头所示方向为该处介质的流向。

如图1所示，本发明的一种卧式双相变换热器包括卧式壳体1，卧式壳体1内水平设有相变筒2，相变筒2内沿水平方向均匀间隔设有若干换热单元；相变筒2与卧式壳体1的顶壁、底壁、左侧壁和右侧壁均间隔设置。相变筒2可以通过连接杆或连接架等结构架设在卧式壳体1底壁上，也可以通过连接结构连接在卧式壳体1的其他侧壁上。相变筒2与卧式壳体1之间围成高温蒸汽腔3。

换热单元包括竖向筒体4，竖向筒体4上端与相变筒2顶壁密封连接，竖向筒体4下端与相变筒2底壁密封连接，

竖向筒体4内壁与该处相变筒2的顶壁和底壁之间围成冷凝腔5；各换热单元的竖向筒体4外壁与相变筒2内壁之间围成蒸发出气腔6。

竖向筒体4内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的连通管，各连通管的两端与竖向筒体4两端的蒸发出气腔6相连通；相临的蒸发出气腔6通过连通管相互连通。

竖向筒体4顶部（低温介质的液面以上）至少一个连通管为绝热管7，竖向筒体4底部至少一个连通管为绝热管7。绝热管7之外的其他连通管为双相变换热管8。图1中，竖向筒体4顶部和底部各设置一个绝热管7，其他连通管皆为双相变换热管8。其中，绝热管7的导热系数低于双相变换热管8的导热系数，在选取管材制作连通管时，以保证绝热管7内不发生相变、双相变换热管内发生相变为原则选择管材并制作管子。在上述原则指导下，制作绝热管和双相变换热管是本领域技术人员的常规能力，可通过试验选择多种不同的管材制作绝热管7或双相变换热管8。

相变筒2一端底部连接有低温液体进管9，低温液体进管9向外伸出卧式壳体1并与卧式壳体1之间密封配合，低温液体进管9向内伸入蒸发出气腔6；相变筒2于同一端顶部连接有低温蒸汽出管10，低温蒸汽出管10向外伸出卧式壳体1并与卧式壳体1之间密封配合，

低温液体进管9另一端的卧式壳体1侧壁设有高温蒸汽进口11，该端卧式壳体1的底壁上设有高温液体出口12；

所述冷凝腔5处的相变筒2顶壁上设有上开口13，上开口13连通高温蒸汽腔3与冷凝腔5；所述冷凝腔5处的相变筒2底壁上设有下开口14，下开口14连通冷凝腔5与高温蒸汽腔3。

所述相变筒2的左右两侧壁为平封头结构，当然也可以采用普通椭圆封头。

所述连通管的长径比小于等于30。

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。

工作时，液态低温介质由低温液体进管9流入相变筒2内的蒸发出气腔6，蒸发出气腔6内的低温介质在通过相变筒2内具有较高导热系数的双相变换热管8时（低温介质走的是管程，高温介质走的是壳程），与相变筒2冷凝腔5内的高温介质进行热交换，从而受热蒸发。蒸发后的低温蒸汽由低温蒸汽出管10流出本发明的卧式双相变换热器。  

发明人最初设计的没有设置绝热管7的技术方案，由于各连通管均为双相变换热管，因此在沸腾相变的作用下，管子两侧的液位也不能保证一致，导致各处液位不一致，单点监控液位的方法无法保证各处液位均处于正常状态，需要使用多套监控装置进行多点监控，既增加了设备成本和安装设备的成本，又使控制液位的操作变得非常复杂。

本发明中绝热管7的导热系数低，因此低温介质在其内吸收的热量非常有限，不会发生相变（蒸发）。

这样，竖向筒体4顶部的绝热管7就成为畅通的蒸汽外排的通道。

竖向筒体4底部的绝热管7自然成为各蒸发出气腔6之间畅通的连接通道，避免因管内发生沸腾相变而形成不稳定的压力，导致管子两侧的液位不平，保证各蒸发出气腔6内的液态低温介质处于良好的导通状态，从而使各蒸发出气腔6内的液位始终保持一致。一致的液位使得液位控制变得简单，只需要监测、控制任意一处的液位，就能够控制整个相变筒2内低温工质的液位。与以往相比，不仅节约了设备数量及成本，也大大简化了安装操作，以及实际工作中控制液位的操作。

在低温液态工质蒸发的同时，气态高温介质由高温蒸汽进口11流入卧式壳体1内的高温蒸汽腔3，并通过各上开口13进入各换热单元的冷凝腔5（高温介质走的是壳程），在冷凝腔5内，被双相变换热管8内的低温介质所冷却，从而发生冷凝现象。冷凝时，冷凝腔5内高温蒸汽的体积急剧减小，形成一定的负压，从而自动将高温蒸汽进口11处的高温介质吸引过来，无须额外设置驱动高温介质的动力装置。冷凝后形成的高温液体，则在重力的作用下，自动向下通过下开口14流至高温蒸汽腔3（卧式壳体1）的底壁，然后从高温液体出口12流出本发明的卧式双相变换热器。

    本发明所采用的工作介质：发生相变的介质根据不同的应用有不同选择，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单/多效蒸发浓缩设备、单/多级蒸馏塔、各类干燥设备上。这些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，把原来直排的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或蒸馏或干燥设备，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；采用本发明的卧式双相变换热器可以全面取消20吨以下小型燃煤锅炉的使用，社会效益巨大。

　　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 (3)

1.一种卧式双相变换热器，其特征在于：包括卧式壳体，卧式壳体内水平设有相变筒，相变筒内沿水平方向均匀间隔设有若干换热单元；相变筒与卧式壳体的顶壁、底壁、左侧壁和右侧壁均间隔设置，相变筒与卧式壳体之间围成高温蒸汽腔；

换热单元包括竖向筒体，竖向筒体上端与相变筒顶壁密封连接，竖向筒体下端与相变筒底壁密封连接，

竖向筒体内壁与该处相变筒的顶壁和底壁之间围成冷凝腔；各换热单元的竖向筒体外壁与相变筒内壁之间围成蒸发出气腔；

竖向筒体内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的连通管，各连通管的两端与竖向筒体两端的蒸发出气腔相连通；

竖向筒体顶部至少一个连通管为绝热管，竖向筒体底部至少一个连通管为绝热管；绝热管之外的其他连通管为双相变换热管；

相变筒一端底部连接有低温液体进管，低温液体进管向外伸出卧式壳体并与卧式壳体之间密封配合，低温液体进管向内伸入蒸发出气腔；相变筒于同一端顶部连接有低温蒸汽出管，低温蒸汽出管向外伸出卧式壳体并与卧式壳体之间密封配合，

低温液体进管另一端的卧式壳体侧壁设有高温蒸汽进口，该端卧式壳体的底壁上设有高温液体出口；

所述冷凝腔处的相变筒顶壁上设有上开口，上开口连通高温蒸汽腔与冷凝腔；所述冷凝腔处的相变筒底壁上设有下开口，下开口连通冷凝腔与高温蒸汽腔。

2.根据权利要求1所述的卧式双相变换热器，其特征在于：所述相变筒的左右两侧壁为平封头结构。

3.根据权利要求1或2所述的卧式双相变换热器，其特征在于：所述连通管的长径比小于等于30。