CN105277005B - 波纹板冷凝式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于强化传热技术领域，涉及一种具有气液分离效果的波纹板冷凝式换热器，包括箱体、进气口、出气口、上集箱、下集箱、多个波纹板换热元件、积液斗和排液管。有多个平行的具有导流内通道的波纹板换热元件竖直布置在换热器箱体内，各波纹板换热元件的导入管穿过箱体与上集箱连通，各波纹板换热元件的导出管穿过箱体与下集箱连通，进气口与换热器箱体的一端连通，出气口与箱体的另一端连通，积液斗与箱体的底部内连通，排液管与积液斗底部内连通。本发明的波纹板冷凝式换热器适用于热湿气体的冷凝换热过程，波纹板换热元件能起到高效换热和气液分离的效果；同时冷凝液可以溶解热湿气体中的污染气体和微小颗粒物，对气体净化起到一定的作用。

Description

波纹板冷凝式换热器

技术领域

本发明涉及强化传热技术领域，尤其涉及一种波纹板冷凝式换热器。

背景技术

天然气作为一种优质、高效、清洁的燃料，广泛应用于工业生产、城市交通和居民生活等方面，已成为目前工业锅炉和工业炉窑的主要燃料。由于天然气的成分主要甲烷气体，其燃烧后的烟气含有大量的水蒸气，容积比高达20％左右。通常可以把干烟气与一定量水蒸汽的混合物称为湿烟气，根据燃烧计算，每立方米天然气燃烧后产生的水蒸汽量达到1.652kg/m3汽化潜热达到4130kJ/m3。但是目前国内的燃气锅炉和工业炉窑由于结构上的限制及其他因素，排烟温度一般达到200℃以上，烟气中的相当一部分显热和水蒸气的凝结潜热没有得到利用就排入大气，造成了较大的浪费，燃气锅炉的热效率仅为90％左右。随着我国天然气供需矛盾的突出和价格的不断上升，高效利用天然气，降低使用成本变得非常迫切，其中高效回收燃烧天然气的烟气中的低温余热显得尤为重要，不仅要回收利用烟气的显热，更重要的是回收烟气中水蒸气的潜热，使烟气温度降低到水蒸气露点以下，回收凝结过程放出凝结潜热。

同时，在工农业生产中，有含有大量水分的物料需要干燥，许多食品、药品化学品需要用热空气进行干燥。热空气干燥物品后，吸收物料中大量的水蒸气成为饱和湿气体状态后，通常温度在80～120℃左右废气排入大气，根据湿废气的计算，温度在60℃时处于饱和状态，水蒸汽的容积分额达到30％，造成了较大热污染和能源的浪费；但是随着节能技术的发展，可以采用热泵技术来回收废气的余热，将排气温度降到接近大气温度，回收湿废气中大部分的显热和凝结潜热，提高整个干燥系统的能源利用率。

回收低温湿气体的显热和潜热通常需要将湿气体温度降到其水蒸汽的露点温度以下才能实现。为了提高气体侧的换热系数，普遍采用翅片管换热器，将传统的翅片管换热器直接应用湿气体回收其显热和凝结潜热时，当湿气体与低于露点温度的壁面换热时，在换热面将产生凝结液，但由于结构上的不足和气流直接冲刷，凝结液不能及时分离出去，很快回流到主流中去，而此时主流的温度有可能远高于露点温度，这样凝结液就会再蒸发到主流中去，使主流温度下降，结果凝结潜热没有回收到，直接影响整体换热器的换热效率，因此只有当主流温度降也降低到露点温度以下后，才能真正回收凝结潜热，进一步即使主流温度降到露点温度以下，在主流气体中凝结的微小颗粒凝结液，也需要高效气液分离装置将湿气体中的液滴快速除去。本发明的波纹板冷凝式换热器能要克服传统翅片管换热器的这种不足之处，利用波纹换热板的结构特点，对热湿气体换热过程能起到高效换热和气液分离的双重效果，即使主流湿气体的温度高于水蒸气的饱和温度，只要换热壁面的低于当地水蒸气的饱和温度，换热过程中产生的凝结液将附着在波纹板表面，不易被气体冲刷带走且在重力作用下能快速排除，这样就有效回收凝结潜热。

另外凝结换热机理的研究表明，液膜导热热阻是凝结换热热阻的主要部分，液膜层的面积越大、越厚，热阻也就越大，因而强化冷凝的关键是尽可能减小冷凝液的液膜厚度，而减小冷凝液的液膜厚度务必兼顾以下两个因素：一是在换热表面形成特殊的扩展表面，改变液膜的表面张力分布，冷凝液在表面张力的作用下堆积在形成于扩展表面的凹槽部位，凹槽的传热量虽被削弱(减弱)，但扩展表面的尖锐部位的液膜的厚度变得很薄，传热效果显著改善，总体的换热性能得到有效提高；二是设法提高扩展表面的排液速度，避免扩展表面被冷凝液堵塞，其原理是采用尖锐扩展表面以减小表面张力对液滴产生的滞留作用，或者利用槽道引导冷凝液积聚以增加重力对液滴脱离的作用，从而加速液滴的脱离。正是基于该研究，业界一直致力于对冷凝换热器用的换热管表面结构进行探索，使冷凝换热的换热系数进一步提高，并且既可高效换热又能节约能源。

综上所述，显著提高冷凝换热效率的根本在于减小冷凝液膜的厚度，只有冷凝液膜厚度变得很薄，传热效果才能显著改善；同时，冷凝换热产生的冷凝液能够及时排出，总体的换热性能才能得到有效提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了能够提高热湿气体冷凝换热效果，快速气液分离、排液，提高整体的换热效率，有效回收热湿气体的显热和凝结热，本发明提供一种波纹板冷凝式换热器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种波纹板冷凝式换热器，包括箱体、多个波纹板换热元件、上集箱、下集箱、积液斗和排液管，所述箱体的一端设有进气口，箱体的另一端设有出气口，进气口和出气口相连通，所述多个波纹板换热元件相互平行布置在箱体内，每个波纹板换热元件靠近进气口的一端为导出端，每个波纹板换热元件靠近出气口的一端为导入端，所述的导入端连通有导入管，导出端连通有导出管，所述上集箱置于箱体外的上方，且上集箱通过导入管与波纹板换热元件相连通，下集箱置于箱体外的下方，且下集箱通过导出管与波纹板换热元件相连通，所述积液斗安装在箱体底部，且与箱体内相连通，所述排液管安装在积液斗的底部，且与积液斗内相连通。

为了提高换热和气液分离效果，所述多个波纹板换热元件在垂直于板内冷却介质的流动方向上相互平行布置，每个波纹板换热元件包括前波纹换热片、后波纹换热片和多根隔条，所述前波纹换热片和后波纹换热片相互前后间隔对置，所述多根隔条相互平行设置在前波纹换热片和后波纹换热片之间，相邻隔条之间形成从波纹板换热元件导入端通向导出端的流道，流道的两端分别与导入管和导出管相连通。多个流道的设置，可以使得冷却介质均匀分布到整个换热面，同时可大幅度提高单位体积内的换热面积。

为了使热湿气体换热过程中产生的冷凝液快速分离并从换热面排出，作为优先，所述多个换热元件以并联方式排列，而且将平板式换热板压制成波浪状，一端嵌入导入管，另一端嵌入导出管，形成一种波纹板换热元件，同时将一组波纹板在垂直于板内冷却介质的流动方向上相互平行设置在箱体内，这样换热面上产生的冷凝液在重力作用下快速分离到底部，同时气体中冷凝液在波纹板形成的弯曲流道中易被换热面吸附，从而达到高效气液分离的效果。

为了强化冷却介质和热湿气体的换热过程，作为优选，所述上集箱置于箱体外的上方靠近出气口，所述下集箱置于箱体外的下方靠近进气口，两种换热介质采用逆向流动方式。热湿气体从进气口进入箱体，与波纹板换热元件换热后从出气口排出，上集箱置于出气口箱体外的上部，下集箱置于进气口箱体外的下部，冷却介质从上集箱进口管进入，经导入管分配到波纹板换热元件的内部通道内，再经导出管汇流到下集箱，从出口管流出。

在换热过程中，含湿气体中的微小颗粒物将粘附在波纹换热板上，不能被冷凝液带走，长时间聚集会恶化换热，降低换热效率，为了解决这个问题，本发明在箱体上部安装可以自由拆卸的活动板，便于清洗箱体内部的波纹板换热元件。

本发明的有益效果是：一种波纹板冷凝式换热器，

1.波纹换热板彼此前后对置的而成，在换热表面形成特殊的扩展表面，改变液膜的表面张力分布，同时增大了气体侧的换热系数，使传热效果显著改善。

2.由于采用波纹换热板元件且竖直布置在换热器箱体内，热湿气体中冷凝液能够在重力作用下实现气液分离，快速将冷凝液排出，使液膜变薄，提高气水分离和提高换热效率。

3.冷凝液能溶解湿气体中的污染物和微小颗粒物，对排出的气体有净化的作用。

4.该波纹板冷凝式换热器应用范围广，不仅可以应用在工业生产中，同时也可以应用在农业生产生活之中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是本发明波纹板换热元件的结构示意图。

图4是图3的B-B剖面图。

图中：1、进气口，2、箱体，21、活动板，3、出气口，4、波纹板换热元件，5、上集箱，6、下集箱，7、积液斗，8、排液管，41、前波纹换热片，42、后波纹板换热片，43、隔条，44、导出管，45、导入管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-4所示，是本发明最优实施例，一种波纹板冷凝式换热器，包括箱体2、多个波纹板换热元件4、上集箱5、下集箱6、积液斗7和排液管8，箱体2的一端设有进气口1，箱体2的另一端设有出气口3，进气口1和出气口3相连通，多个波纹板换热元件4相互平行布置在箱体2内，每个波纹板换热元件4靠近进气口1的一端为导出端，每个波纹板换热元件4靠近出气口3的一端为导入端，导入端连通有导入管45，导出端连通有导出管44，上集箱5置于箱体2外的上方，且上集箱5通过导入管45与波纹板换热元件4相连通，下集箱6置于箱体2外的下方，且下集箱6通过导出管44与波纹板换热元件4相连通，积液斗7安装在箱体2的底部，且与箱体2内相连通，排液管8安装在积液斗7的底部，且与积液斗7内相连通。

多个波纹板换热元件4在垂直于板内冷却介质的流动方向上相互平行布置图1中是从前往后相互平行布置，每个波纹板换热元件4包括前波纹换热片41、后波纹换热片42和多根隔条43，前波纹换热片41和后波纹换热片42相互前后间隔对置，多根隔条43相互平行焊接在前波纹换热片41和后波纹换热片42之间，制造时，先由彼此对置的前后换热片(41、42)，中间焊接多根隔条43构成具有多个流道的换热板，再通过相关工艺压制成波浪状形成波纹换热板，相邻两条隔条43之间形成从波纹板换热元件4导入端通向导出端的流道，流道的两端分别与导入管45和导出管44相连通，共同组成波纹板换热元件4。

多个波纹板换热元件4以并联方式排列，从前往后竖直设置在箱体2内，上集箱5置于箱体2外的上方靠近出气口3，下集箱6置于箱体2外的下方靠近进气口1。箱体2的上部设置有可拆卸的活动板21。

本发明一种波纹板冷凝式换热器的工作原理如下：

波纹板冷凝式换热器箱体2左侧的进气口1与工业生产中产生的热湿气体(燃烧天然气的湿烟气、工艺湿气体、干燥后的湿废气等)出口相连，热湿气体从换热器箱体2的进气口1进入波纹板冷凝式换热器，热湿气体流经各波纹板换热元件4，热湿气体中的不凝结气体被冷却降温，温度逐步下降，最后从出气口流出换热器；而热湿气体得水蒸汽，当遇到低于其饱和温度的换热壁面时，水蒸汽凝结放出冷凝热，凝结液将集聚在换热表面，通过自身惯性、重力和气体作用汇聚到积液斗7，经排液管8排出，从而快速排液和降低冷凝液膜厚度，提高换热器的整体换热效率，同时冷凝液还溶解含湿气体中的污染气体和微小颗粒物，对气体净化起到一定的作用。

冷却介质通过进口管进入上集箱5，经导入管分流到各波纹板换热板的导流内通道内，冷却介质与低温湿气体进行充分换热后，温度逐步上升，最后经导出管汇流到下集箱内，由下集箱6的出口管排出。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种波纹板冷凝式换热器，包括箱体（2）、多个波纹板换热元件（4）、上集箱（5）、下集箱（6）、积液斗（7）和排液管（8），其特征在于：所述箱体（2）的一端设有进气口（1），箱体（2）的另一端设有出气口（3），进气口（1）和出气口（3）相连通，所述多个波纹板换热元件（4）相互平行布置在箱体（2）内，每个波纹板换热元件（4）靠近进气口（1）的一端为导出端，每个波纹板换热元件（4）靠近出气口（3）的一端为导入端，所述的导入端连通有导入管（45），导出端连通有导出管（44），

所述上集箱（5）置于箱体（2）外的上方，且上集箱（5）通过导入管（45）与波纹板换热元件（4）相连通，下集箱（6）置于箱体（2）外的下方，且下集箱（6）通过导出管（44）与波纹板换热元件（4）相连通，

所述积液斗（7）安装在箱体（2）的底部，且与箱体（2）内相连通，所述排液管（8）安装在积液斗（7）的底部，且与积液斗（7）内相连通，

所述多个波纹板换热元件（4）在垂直于板内冷却介质的流动方向上相互平行布置，每个波纹板换热元件（4）包括前波纹换热片（41）、后波纹换热片（42）和多根隔条（43），所述前波纹换热片（41）和后波纹换热片（42）相互前后间隔对置，所述多根隔条（43）相互平行设置在前波纹换热片（41）和后波纹换热片（42）之间，相邻隔条（43）之间形成从波纹板换热元件（4）导入端通向导出端的流道，流道的两端分别与导入管（45）和导出管（44）相连通。

2.如权利要求1所述的波纹板冷凝式换热器，其特征在于：所述多个波纹板换热元件（4）以并联方式排列，且多个波纹板换热元件（4）在垂直于板内冷却介质的流动方向上相互平行布置在箱体（2）内。

3.如权利要求1所述的波纹板冷凝式换热器，其特征在于：所述上集箱（5）置于箱体（2）外的上方靠近出气口（3），所述下集箱（6）置于箱体（2）外的下方靠近进气口（1）。

4.如权利要求1所述的波纹板冷凝式换热器，其特征在于：所述箱体（2）的上部设置有可拆卸的活动板（21）。