CN105157455A - 一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法 - Google Patents

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刘金平
李日新
陈肖依
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Abstract

本发明公开了一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法，包括高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C；这三个区之间分别通过第一和第二芯体间导流器连接，该两个芯体间导流器是由钝角三角形导流器和直角三角形导流器钎焊成的直角梯形导流器，高、中和低温区换热芯体的通道宽度由上至下依次递减。本可变通流面积的逆流板翅式换热器，在相变换热领域中的多个不同尺寸的板翅式换热器串接使用相比，其优势在于加工简单、节省材料、管道连接简单，尤其是应用于深低温混合工质制冷系统中，高低温区的保温做得更加合理，节省保温材料；如将本可变通流面积的逆流板翅式换热器倒置布置，还可实现向下降膜沸腾和向上冷凝。

Description

一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法
技术领域
本发明涉及工程热物理与能源利用学科领域，尤其涉及一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法。
背景技术
板翅式换热器具有结构紧凑、易于实现大型化、传热效率高的特点，其已广泛应用于石油、化工、空气分离、天然气液化、航空航天等领域。
传统的板翅式换热器虽然已在流道排布、导流器设计以及翅片上做了许多改动，但是有一点是不变的，就是换热器的换热芯体中每一股流的通流面积始终是恒定的。对于进出口物流比体积相差很大的相变换热，如果采用单个流通面积恒定的板翅式换热器，其流速设计是很难做到合理的，倘若以液相流速为标准设计，则气相时候的流速将会过大，倘若以气相流速作为标准设计，则液相时候的流速将会过小，为了兼顾两者，通常会选择折中的流速进行设计或者采用不同流通面积的板翅式换热器进行串接。串接板翅式换热器可以解决流速分配的问题，但是会出现制造成本增加、设备投资增大、设备占地面积大、封头连接部位增多、保温困难等问题。倘若以较为简单的加工难度、较低的加工成本能够在单个板翅式换热器中实现流通面积的改变，这将会使得板翅式换热器在相变换热领域更具有优势。
对于混合工质深低温领域，板翅式换热器一般作为理想的回热器，但是目前这种等通流面积的板翅式换热器在应用时至少存在以下三个缺点：
(1)板翅式换热器里的混合工质换热过程为相变换热，工质在高低温端的密度相差几百倍，这使得换热器进出口的流速差异巨大，低温端流速过小，传热效果差；高温端流速过大，引起压降大。
(2)板翅式换热器里的混合工质具有大温度滑移的特点，这使得换热器高低端的温差在160℃以上。换热器轴向长度过短，横截面面积过大时，将会带来一定的轴向导热而弱化换热效果。
(3)板翅式换热器里的混合工质在冷凝侧为高压侧，冷凝方向为垂直向下，沸腾侧为低压侧，沸腾方向为垂直向上。这样的物流方向布置缺点是低压侧物流流向由于与重力方向相反导致压降偏大，影响系统性能。但是，这是受到目前等通流面积的限制的，无法把冷凝侧和沸腾侧的流动方向对调过来。如果板翅式换热器为变流通面积设计，就能保证低温端流速，即可实现向下降膜沸腾，增强换热，减小压降。
因此，无论是从改善两相换热和流动的情况，还是确保保温合理、减少充灌量，对板翅式换热器流通面积可以根据流体状态、换热情况和轴向导热等情况综合考虑来设计改变，对混合工质低温制冷系统都是有益的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种可变通流面积的逆流板翅式换热器及其控制方法，使得板翅式换热器更能适应流体速度的变化，改善换热和流动情况，并且减少设备制造和投资成本。
本发明通过下述技术方案实现：
一种可变通流面积的逆流板翅式换热器，包括高温区换热芯体A；中温区换热芯体B；低温区换热芯体C；所述高温区换热芯体A与中温区换热芯体B之间通过第一芯体间导流器2连通，中温区换热芯体B与低温区换热芯体C之间通过第二芯体间导流器3连通；
所述高温区换热芯体A的顶部连接高温导流器1，高温导流器1上设置带有热流体进口31的热流体进口封头21和带有冷流体出口32的冷流体出口封头22，
所述低温区换热芯体C的底部连接低温导流器4，低温导流器4上设置带有热流体出口33的热流体出口封头23和冷流体进口34的冷流体进口封头24。
所述第一芯体间导流器2和第二芯体间导流器3为变通径导流器。
所述变通径导流器是由钝角三角形导流器25和直角三角形导流器26钎焊成的直角梯形导流器。
所述高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C的通道宽度由上至下依次递减。
所述高温区换热芯体A的翅片类型为平直翅片；中温区换热芯体B的翅片类型为多孔翅片；低温区换热芯体C的翅片类型为锯齿翅片。
上述逆流板翅式换热器的流体逆流布置方法步骤：
热流体从热流体进口31进入，进过热流体进口封头21分配后经由高温导流器1流入高温区换热芯体A，在高温区换热芯体A和中温区换热芯体B之间经过第一芯体间导流器2后进入中温区换热芯体B，在中温区换热芯体B和低温区换热芯体C之间经过第二芯体间导流器3后进入低温区换热芯体C，并在低温区换热芯体C经低温导流器4后由热流体出口33流出；
冷流体从冷流体进口34进入，进过冷流体进口封头24分配后经由低温导流器4流入低温区换热芯体C，在低温区换热芯体C和中温区换热芯体B之间经过第二芯体间导流器3进入中温区换热芯体B；
在中温区换热芯体B和高温区换热芯体A之间经第一芯体间导流器2进入高温区换热芯体A，并在高温区换热芯体A经高温导流器1从冷流体出口32流出。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本可变通流面积的逆流板翅式换热器，第一芯体间导流器和第二芯体间导流器为变通径导流器，该变通径导流器是由钝角三角形导流器和直角三角形导流器钎焊成的直角梯形导流器，这种结构能够根据流体的流动和换热特点设计成可变通流面积的形式，从而使物流压降和换热均达到最合理情况。
本可变通流面积的逆流板翅式换热器，在相变换热领域中的多个不同尺寸的板翅式换热器串接使用相比，其优势在于加工简单、节省材料、管道连接简单，尤其是应用于深低温混合工质制冷系统中，高低温区的保温做得更加合理，节省保温材料。此外，如将本可变通流面积的逆流板翅式换热器倒置布置，还可实现向下降膜沸腾和向上冷凝。
高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C的通道宽度由上至下依次递减，可以使流体的流速更加匹配。
附图说明
图1为本发明可变通流面积的逆流板翅式换热器结构示意图。
图2为图1中第一芯体间导流器和第二芯体间导流器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明一种可变通流面积的逆流板翅式换热器，包括高温区换热芯体A；中温区换热芯体B；低温区换热芯体C；所述高温区换热芯体A与中温区换热芯体B之间通过第一芯体间导流器2连通，中温区换热芯体B与低温区换热芯体C之间通过第二芯体间导流器3连通；
所述高温区换热芯体A的顶部连接高温导流器1，高温导流器1上设置带有热流体进口31的热流体进口封头21和带有冷流体出口32的冷流体出口封头22，
所述低温区换热芯体C的底部连接低温导流器4，低温导流器4上设置带有热流体出口33的热流体出口封头23和冷流体进口34的冷流体进口封头24。
所述第一芯体间导流器2和第二芯体间导流器3为变通径导流器。
所述变通径导流器是由钝角三角形导流器25和直角三角形导流器26钎焊成的直角梯形导流器。
所述高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C的通道宽度由上至下依次递减。
所述高温区换热芯体A的翅片类型为平直翅片；中温区换热芯体B的翅片类型为多孔翅片；低温区换热芯体C的翅片类型为锯齿翅片。
上述逆流板翅式换热器的流体逆流布置方法步骤：
热流体从热流体进口31进入，进过热流体进口封头21分配后经由高温导流器1流入高温区换热芯体A，在高温区换热芯体A和中温区换热芯体B之间经过第一芯体间导流器2后进入中温区换热芯体B，在中温区换热芯体B和低温区换热芯体C之间经过第二芯体间导流器3后进入低温区换热芯体C，并在低温区换热芯体C经低温导流器4后由热流体出口33流出；
冷流体从冷流体进口34进入，进过冷流体进口封头24分配后经由低温导流器4流入低温区换热芯体C，在低温区换热芯体C和中温区换热芯体B之间经过第二芯体间导流器3进入中温区换热芯体B；
在中温区换热芯体B和高温区换热芯体A之间经第一芯体间导流器2进入高温区换热芯体A，并在高温区换热芯体A经高温导流器1从冷流体出口32流出。
高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C，三个温区的划分温度点分别为冷物流的露点温度和热物流的泡点温度，冷物流露点温度以上的为高温区，此时冷物流为过热气体状态，热物流为干度较大的两相状态，因此高温区对应的高温区换热芯体A的宽度较大；冷物流露点温度和热物流泡点温度之间的温区为中温区，此时冷物流和热物流均为两相状态，因此中温区对应的中温区换热芯体B宽度适中；热物流泡点以下的温区为低温区，此时热物流为过冷液体状态，冷物流为干度较小状态，因此低温区对应的低温区换热芯体C的宽度较小。
不同换热芯体的流道数和流道排布相同，翅片数相同，翅片高度相同，只是翅片间距不同。各导流器的斜排分流通道与竖排分流通道相同。不同换热芯体同层通道和隔壁通道之间的隔板，在变通径导流器上下边焊接连接，连成一体。
本发明中根据换热情况板翅式换热器变径两次，在其他实施方式中，该变径次数可根据设计需要进行改动。此外，不同温区的换热芯体的具体尺寸可根据实际情况设定。
在本实施例中，高温区换热芯体A有效宽度为800mm，长度为1000mm,中温区换热芯体B有效宽度为600mm，长度为1000mm,低温区换热芯体C有效宽度为400mm，长度为1000mm，三个换热芯体的厚度均为600mm。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可变通流面积的逆流板翅式换热器，其特征在于：包括高温区换热芯体A；中温区换热芯体B；低温区换热芯体C；所述高温区换热芯体A与中温区换热芯体B之间通过第一芯体间导流器(2)连通，中温区换热芯体B与低温区换热芯体C之间通过第二芯体间导流器(3)连通；
所述高温区换热芯体A的顶部连接高温导流器(1)，高温导流器(1)上设置带有热流体进口(31)的热流体进口封头(21)和带有冷流体出口(32)的冷流体出口封头(22)；所述低温区换热芯体C的底部连接低温导流器(4)，低温导流器(4)上设置带有热流体出口(33)的热流体出口封头(23)和冷流体进口(34)的冷流体进口封头(24)。
2.根据权利要求书1所述的可变通流面积的逆流板翅式换热器，其特征在于：所述第一芯体间导流器(2)和第二芯体间导流器(3)为变通径导流器。
3.根据权利要求书2所述的可变通流面积的逆流板翅式换热器，其特征在于：所述变通径导流器是由钝角三角形导流器(25)和直角三角形导流器(26)钎焊成的直角梯形导流器。
4.根据权利要求书1至3中任一项所述的可变通流面积的逆流板翅式换热器，其特征在于：所述高温区换热芯体A、中温区换热芯体B和低温区换热芯体C的通道宽度由上至下依次递减。
5.根据权利要求书4所述的可变通流面积的逆流板翅式换热器，其特征在于：所述高温区换热芯体A的翅片类型为平直翅片；中温区换热芯体B的翅片类型为多孔翅片；低温区换热芯体C的翅片类型为锯齿翅片。
6.权利要求1至5中任一项所述逆流板翅式换热器的流体逆流布置方法，其特征在于如下步骤：
热流体从热流体进口(31)进入，进过热流体进口封头(21)分配后经由高温导流器(1)流入高温区换热芯体A，在高温区换热芯体A和中温区换热芯体B之间经过第一芯体间导流器(2)后进入中温区换热芯体B，在中温区换热芯体B和低温区换热芯体C之间经过第二芯体间导流器(3)后进入低温区换热芯体C，并在低温区换热芯体C经低温导流器(4)后由热流体出口(33)流出；
冷流体从冷流体进口(34)进入，进过冷流体进口封头(24)分配后经由低温导流器(4)流入低温区换热芯体C，在低温区换热芯体C和中温区换热芯体B之间经过第二芯体间导流器(3)进入中温区换热芯体B；
在中温区换热芯体B和高温区换热芯体A之间经第一芯体间导流器(2)进入高温区换热芯体A，并在高温区换热芯体A经高温导流器(1)从冷流体出口(32)流出。
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