CN105241294B - 一种三角形突刺板翅式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于非共沸多组分混合物冷凝的三角形板式翅片，所述翅片包括倾斜部分，相邻的倾斜部分在端部连接构成三角形的顶角，相邻的倾斜部分的另一端部的连线构成三角形的底边，所述底边与相邻的倾斜部分构成三角形，在倾斜部分上通过冲压方式加工突刺，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通；所述突刺从倾斜部分沿着混合物流动方向向外延伸。本发明提供了一种新的适用于在非共沸多组分混合物冷凝中使用的板翅，从而解决沸点不同的多组分混合介质的冷凝，以提高换热效率，降低流体流动阻力。

Description

一种三角形突刺板翅式换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种不同沸点混合介质冷凝使用的换热器，属于F28D的换热器领域。

背景技术

不同沸点混合介质的冷凝是天然气液化(主要成分为沸点-162℃甲烷、沸点-88℃乙烷、沸点-42℃丙烷等)、空气分离、混合冷剂制冷、石油或废塑料裂解、生物质气生产等行业的主要工艺过程。为降低工艺过程的损失，此类生产工艺希望按照温度级别逐级冷却析出不同沸点的组分，同一股制冷剂或产物在不同温度区间自身也进行热量交换，因此要求冷凝设备方便实现多股介质同时换热。目前能方便实现多股介质同时换热的设备主要是螺旋缠绕管换热器和板翅式换热器两种。螺旋缠绕管换热器为管壳结构，承压较高，应用较广泛，但难以采取换热强化措施，换热系数较低，体积和重量难以缩减。板翅式换热器随着近年制造工艺的改进，承压能力逐渐提高。凭其传热系数更高、更紧凑、重量更轻的优势，在天然气液化等很多场合出现取代缠绕管换热器的趋势。

虽然板翅式换热器在沸腾与冷凝相变工况下同样可以提供较高的换热系数，但现有板翅式换热器的翅片形式主要是针对单相介质(重点是气相介质)换热的机理设计的：平直翅片是扩展了换热面积和减小了水力直径；波纹翅片、锯齿翅片、百叶窗翅片是在扩展面积基础上扰动流体减薄边界层；被公认可适用于相变换热的打孔翅片、片带翅片在用于冷凝换热时可以破坏液膜的连续性，但在高雷诺数工况也被证实效果并不比平直翅片有优势。

天然气液化中非共沸多组分混合介质冷凝的热阻机制与纯组分物质冷凝有明显区别，理论分析和实验已证明换热系数比纯组分冷凝明显降低。现有对非共沸混合介质冷凝换热的研究更多集中在含一种不凝气体的工况，采用低纹槽、人工粗糙度表面等措施减小平均液膜厚度在纯组分冷凝时被证实效果突出的措施，在含不凝气体情况下效果有时不明显。，而天然气液化、石油裂解行业的冷凝换热过程和机理更为复杂，冷凝过程通常包含两种以上的不凝气体，换热情况更加复杂。

针对上述问题，本发明提供了一种新的板翅式换热器，从而解决沸点不同的多组分混合介质的冷凝。

发明内容

本发明提供了一种新的板翅式换热器，从而解决沸点不同的多组分混合介质的冷凝，以提高换热效率，降低流体流动阻力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于非共沸多组分混合物冷凝的三角形板式翅片，所述翅片包括倾斜部分，相邻的倾斜部分在端部连接构成三角形的顶角，相邻的倾斜部分的另一端部的连线构成三角形的底边，所述底边与相邻的倾斜部分构成三角形，其特征在于，在倾斜部分上通过冲压方式加工突刺，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通；所述突刺从倾斜部分沿着混合物流动方向向外延伸。

作为优选，沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，向三角形流道内延伸的突刺长度L越来越大。

作为优选，沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，L增加的幅度越来越大。

作为优选，所述突刺延伸的长度为L，沿着混合物的流动方向，同一个垂直部分设置多个突刺，沿着混合物的流动方向，所述的长度L越来越大。

作为优选，沿着混合物的流动方向，长度L变大的幅度越来越小。

作为优选，倾斜部分和底边之间的连线构成的三角形(即三角形翅片)是等边三角形，所述突刺为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，等边三角形为H，等腰三角形底边的长度为h，等腰三角形的顶角为b,所述突刺的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，满足如下公式：

7*h/H＝c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,其中0.19<c1<0.20,0.64<c2<0.66,

sin(b/2)＝c3-c4*Ln(sin(a))，其中＝0.47<c3<0.48，0.34<c4<0.36；

其中＝15°<a<66°，55°<b<165°，H＝6-14mm；

其中Ln是对数函数；

0.11<L*sin(a)/w<0.25,0.23<7*h/H<0.40

H是以相邻板片相对的面之间的距离，W是以等腰三角形底边的中点在等边三角形上的点在平行于底边方向延伸到等边三角形相邻边的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

作为优选，c1＝0.1968，c2＝0.6534，c3＝0.4737，c4＝0.3546。

作为优选，所述突刺的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，同一个倾斜部分设置多个突刺，沿着混合物的流动方向，所述的夹角a越来越小。

作为优选，同一个倾斜部分设置多个突刺，多个突刺交错从倾斜部分两侧向外延伸。

作为优选，所述突刺延伸的长度为L，同一个倾斜部分设置多个突刺，沿着混合物的流动方向，所述的长度L越来越小。

作为优选，所述突刺为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，并且倾斜于板片，所述等腰三角形的顶角为b，同一个倾斜部分设置多个突刺，沿着混合物的流动方向，所述的顶角b越来越大。

作为优选，所述突刺为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，并且倾斜于板片，所述等腰三角形的底边为S1，同一个倾斜部分设置多个突刺，沿着混合物的流动方向，所述的S1越来越小。

作为优选，同一个倾斜部分设置多个突刺，相邻突刺的距离为S2，沿着混合物的流动方向，所述的S2越来越大。

与现有技术相比较，本发明的板式换热器及其换热板片具有如下的优点：

1)本发明首次将冲压的突刺应用到共沸多组分混合物冷凝的板翅式换热器，克服了长期以来板翅式换热器换热效率低的问题，明显的提高了换热效率。

2)一方面可以破坏层流底层，另一方面与“打孔”翅片相比，未因打孔损失换热面积，而且“刺”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，强化不同的热阻环节；

3)冲压“微刺”形成的小孔，借助“微刺”下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热；

4)针对非共沸多组分混合物的流体，能够借助“微刺”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动；

5)易加工实现，制作难度和成本不会明显上升；

6)通过大量的实验，确定了最佳的板翅式换热器的结构尺寸；

7)通过设计相邻的板片的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b,所述突刺的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a等参数沿着流体流动方向的变化，提高了换热效率或者降低流体压力。

8)解决了含有不凝气体的换热效率低的问题，大大的节约了能源。

附图说明

图1是本发明一种板翅式换热器换热板片结构示意图；

图2是本发明一个板翅单元的结构示意图；

图3是本发明设置突刺结构倾斜部分平面的示意图；

图4是本发明设置突刺结构倾斜部分平面的另一个示意图；

图5是本发明的三角形突刺结构示意图；

图6是本发明三角形突刺流道中的切面结构示意图；

图7本发明突刺向倾斜部分两侧延伸的结构示意；

图8倾斜部分突刺、孔对压力及质量交换的影响示意图。

附图标记如下：

1密封件，2流体通道，3板片，4倾斜部分，5顶角，6突刺，7翅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所示，一种用于非共沸多组分混合物冷凝的板翅式换热器，所述板翅式换热器包括互相平行的板片3，所述相邻的板片3之间形成流体通道2，所述相邻的板片3之间设置翅片7。所述翅片7包括与板片3倾斜的倾斜部分4，在倾斜部分4上通过冲压方式加工突刺6，从而使倾斜部分4两侧的流体通过倾斜部分4上通过冲压方式形成的孔连通；所述突刺6从倾斜部分4向外延伸。

通过设置突刺6，具有如下的优点：

1)一方面可以破坏层流底层，另一方面与“打孔”翅片相比，未因打孔损失换热面积，而且“刺”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，强化不同的热阻环节；

2)冲压“微刺”形成的小孔，借助“微刺”下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热，见图8

3)针对非共沸多组分混合物的流体，能够借助“微刺”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动；

4)易加工实现，制作难度和成本不会明显上升。

在板翅式换热器内采取上述措施，能够极大的提高了非共沸混合介质冷凝换热简易又有效的技术。与采取“打孔”翅片相比，能够提高20－30％的换热效率。

作为优选，所述的突刺6与混合物的流动方向所形成的夹角为锐角，如图8所示。

作为优选，如图2所示，作为优选，如图2所示，所述的翅片7为三角型翅片，所述翅片7包括与上下板片3连接的倾斜部分4，相邻的翅片以及板片3之间构成三角形。

如图6所示，所述突刺6的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，如图3所示，沿着混合物的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突刺6，沿着混合物的流动方向，所述的夹角a越来越大。

通过实验发现，通过夹角a的逐渐变大，与夹角a完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高10％左右的换热效率。

作为优选，沿着混合物的流动方向，夹角a变大的幅度越来越小。通过实验发现，变化夹角a的变大的幅度，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，所述突刺6延伸的长度为L，沿着混合物的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突刺6，沿着混合物的流动方向，所述的长度L越来越大。通过实验发现，通过长度L的逐渐变大，与长度L完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高9％左右的换热效率。

作为优选，沿着混合物的流动方向，长度L变大的幅度越来越小。通过实验发现，长度L的变大的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，所述突刺6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分4上。作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，参见图3、4所示。所述等腰三角形的顶角为b，沿着混合物的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突刺6，沿着混合物的流动方向，在底边长度保持不变的情况下，所述的突刺顶角b越来越小。通过实验发现，通过突刺顶角b的逐渐变小，与顶角b完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高8％左右的换热效率。

作为优选，沿着混合物的流动方向，顶角b变小的幅度越来越小。通过实验发现，顶角b变小的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低4％左右的流动阻力。

作为优选，所述突刺6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的底边长度为h，沿着混合物的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突刺6，沿着混合物的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突刺，在顶角保持不变的情况下，沿着混合物的流动方向，所述的h越来越大。通过实验发现，通过h的逐渐变大，与h完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高7％左右的换热效率。

作为优选，沿着混合物的流动方向，h变大的幅度越来越小。通过实验发现，h变大的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，沿着流体的流动方向，同一倾斜部分设置多排突刺6，如图3和4所示，每排突刺之间的距离为S2，沿着混合物的流动方向，所述的S2越来越大。之所以如此设置，主要目的是通过S2的变大，实现在保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力。通过实验发现，流动阻力降低10％左右。

所述S2是以相邻排的突刺的底边为计算距离的。

作为优选，如图4所示，多排突刺6为错列结构。

在实验中发现，相邻板片3的距离不能过大，过大会导致换热效率的降低，过小会导致流动阻力过大，同理，对于突刺的等腰三角形的底边长度、顶角、突刺、三角形翅片的夹角与流体流动方向的夹角等都不能过大或者过小，过大或过小都会导致换热效率的降低或者流动阻力的变大，因此在相邻板片3的距离、等腰三角形的底边长度、顶角、突刺与流体流动方向的夹角等参数之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的换热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下(10MPa以下)，在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的换热板片的尺寸优化关系。

所述相邻的倾斜部分以及板片3(即底边)之间构成的三角形(即三角形翅片)是等边三角形，所述突刺为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，相邻的板片的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，满足如下关系：

7*h/H＝c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,其中0.19<c1<0.20,0.64<c2<0.66,优选，c1＝0.1968，c2＝0.6534；

sin(b/2)＝c3-c4*Ln(sin(a))，其中＝0.47<c3<0.48，0.34<c4<0.36，

优选，c3＝0.4737，c4＝0.3546；

其中＝15°<a<66°，55°<b<165°，H＝6-14mm，

0.11<L*sin(a)/w<0.25,0.23<7*h/H<0.40；

Ln是对数函数；

H是以相邻板片相对的面之间的距离，即等边三角形的底边中点到顶角的距离，W是以等腰三角形底边的中点在的等边三角形上的点在平行于板片方向(即底边方向)延伸到等边三角形相邻边的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

通过上述公式可以看出，W从板片到等边三角形的顶角是不断的变小的，相应的L也不断变小。

通过上述公式的出的“突刺”的最佳的几何尺度，可以提高换热效率，同时可以实现仅对粘性底层、或包含液膜、及至包含气相边界层不同尺度内热阻的强化，避免措施过度，造成不必要的阻力损失。

作为优选，所述的同一排的相邻的突刺的底边都在一条线上，同一排相邻的突刺距离为S1，所述4×h<S1<6×h，其中S1是以相邻两个等腰三角形突刺的底边的中点的距离。

作为优选，相邻排的突刺的等腰三角形的底边互相平行，等腰三角形的顶点到底边中点的距离为L，相邻排的距离S2为4*L<S2<7*L。优选为S2＝5*L

相邻排的等腰三角形的底边不同时，采取两条底边的加权平均数来计算。

作为优选，同一排的等腰三角形的夹角和底边完全相同。即形状完全相同，为相等形。

对于前面的公式，对于前后排尺寸不同的突刺，也依然适用。

对于没有提到的具体尺寸参数，按照正常的换热器进行设计。

沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，向三角形流道内延伸的突刺的夹角a越来越大。主要是通过夹角的不断变化，可以在保证提高换热效率的同时，减少流动阻力。因为在三角形流道内，顶角的流通面积最小，底边的流通面积最大，因此，通过流通面积小的位置设置的夹角a小，可以降低流动阻力，同时又避免顶角位置处因为流动阻力过大而造成短路现象发生。

作为优选，沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，夹角a增加的幅度越来越大。通过实验发现，通过增加夹角a的幅度，可以提高大约10％左右的换热效率，而阻力增加相对只增加1％左右。因此极大的提高了换热效率。

沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，向三角形流道内延伸的L越来越大。主要是通过L的不断变化，可以在保证提高换热效率的同时，减少流动阻力。因为在三角形流道内，顶角的流通面积最小，底边的流通面积最大，因此，通过流通面积小的位置设置的L小，可以降低流动阻力，同时又避免顶角位置处因为流动阻力过大而造成短路现象发生。

作为优选，沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，L增加的幅度越来越大。通过实验发现，通过增加L的幅度，可以提高大约10％左右的换热效率，而阻力增加相对只增加0.8％左右。因此极大的提高了换热效率。

作为优选，如图7所示，倾斜部分上设置多个突刺6，所述突刺向倾斜部分的不同侧延伸

作为优选，同一个倾斜部分设置多排突刺，至少一排突刺与其他排突刺向倾斜部分的延伸侧不同。

作为优选，相邻的每排突刺向倾斜部分的不同侧延伸。

通过如此设置，可以使得流体在倾斜部分两侧的通道中交替换热换质，进一步提高换热效率。与在同一侧相比，能够提高8％左右。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种用于非共沸多组分混合物冷凝的三角形板式翅片，所述翅片包括倾斜部分，相邻的倾斜部分在端部连接构成三角形的顶角，相邻的倾斜部分的另一端部的连线构成三角形的底边，所述底边与相邻的倾斜部分构成三角形，其特征在于，在倾斜部分上通过冲压方式加工突刺，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通；所述突刺从倾斜部分沿着混合物流动方向向外延伸；

沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，向三角形流道内延伸的突刺长度L越来越大；

沿着三角形翅片的顶角向着三角形的底边，L增加的幅度越来越大。

2.一种板式换热器，包括权利要求1所述的翅片。