CN105473958B - 一种壳板式热交换器及壳板式热交换器的使用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷却和冷凝循环制冷剂的壳板式热交换器(1)。热交换器(1)包括用于降低气态制冷剂的温度到高于制冷剂的冷凝温度的过热减温器(2)，其中过热减温器(2)由一叠波纹过热减温器热量传递板(3)形成。过热减温器(2)连接到用于冷凝制冷剂的主要部分的冷凝器(4)，其中冷凝器由一叠波纹冷凝器热量传递板(5)形成。冷凝器(4)连接到用于进一步地降低制冷剂温度的过冷却器(6)，其中过冷却器(6)由一叠波纹过冷却器热量传递板(7)形成，并且其中一叠波纹过热减温器热量传递板(3)、一叠波纹冷凝器热量传递板(5)和一叠波纹过冷却器热量传递板(7)设置在同一个共同的连续壳(8)之内。冷凝器(4)和过冷却器(6)通过设置在一叠波纹冷凝器热量传递板(5)和/或一叠波纹过冷却器热量传递板(7)下部的液态制冷剂容器(9)连接，冷凝的制冷剂被收集在液态制冷剂容器(9)中，液态制冷剂通过过冷却器入口导管(10)继续进入过冷却器(6)。本发明还公开了壳板式热交换器(1)的使用。

Description

一种壳板式热交换器及壳板式热交换器的使用
技术领域
本发明涉及一种用于冷却和冷凝循环制冷剂的壳板式热交换器，尤其涉及一种壳板式热交换器的应用。
背景技术
壳板式(或板壳式)热交换器包括一系列的波纹板，其在外围相互焊接成对(所谓盒)，继而沿入口孔和出口孔相互焊接，以形成一个完整的板组。焊接的板组被插入并且被焊接或用螺栓固定在管壳之内，板包通常由钢形成并且不具有外围垫圈。壳板式热交换器是一种通用设计，结合了壳管式交换器的强度和板式交换器的热效率，壳板式热交换器结合了典型圆柱壳的压力和温度性能和板式热交换器的优异的热传递性能。圆形或椭圆形壳和板确保机械负载的均匀分布，而不具有发生在矩形板角部的应力集中。因此，壳板式热交换器结合了传统的壳管式热交换器的优点而且具有板式交换器所具有的高效率。
由此从专利WO 97/45689可知，板壳式热交换器被用于在冰箱电路中蒸发制冷剂，另一种板壳式热交换器被用于在冰箱回路中冷凝制冷剂。但这种热交换器设计复杂并且难以安装。
因此，本发明的一个目的是提供一种更简单和有成本效益的热交换器设计。
发明内容
本发明涉及一种用于冷却和冷凝循环制冷剂的壳板式热交换器。热交换器包括用于降低气态制冷剂温度到高于冷凝温度的过热减温器，其中过热减温器是由一叠波纹过热减温器热量传递板形成。过热减温器与用于冷凝制冷剂的冷凝器相连，其中冷凝器由一叠波纹冷凝器热量传递板形成。过热减温器与过冷却器相连，过冷却器用于进一步降低冷凝制冷剂的温度，其中过冷却器由一叠波纹过冷却器热量传递板形成，并且其中一叠波纹过热减温器热量传递板、一叠波纹冷凝器热量传递板和一叠波纹过冷却器热量传递板均设置在同一个共同的连续壳之内。冷凝器和过冷却器通过液态制冷剂容器相连接，液态制冷剂容器设置在一叠冷凝器热量传递板和/或一叠过冷却器热量传递板下面，冷凝的制冷剂被收集在液态制冷剂容器中，而液态制冷剂从液态制冷剂容器通过过冷却器入口管道继续进入过冷却器。
压力容器比如过热减温器、冷凝器和过冷却器在商业使用前必须经过独立机构的压力测试和批准。这同样是复杂的并且昂贵的。因此，通过将过热减温器、冷凝器和过冷却器设置于同一个共同的连续壳之内，所有三个功能均只通过一次测试和批准来实现。
而且，通过将过热减温器、冷凝器和过冷却器设置在同一个共同的连续壳之内，可以避免复杂的收尾设置和三者之间的管道系统，从而减少费用和简化安装。并且，壳板式热交换器总体设置更紧凑，从而简化安装和增加可用性。
而且，假如当制冷剂进入过冷却器时是气态，过冷却器的效率会严重降低。并且，假如壳板式热交换器传送气态制冷剂，例如制冷循环的效率也会严重降低，利用重力收集设置于冷凝器和/或过冷却器下方的液态制冷剂容器中的液态制冷剂以确保仅使液态制冷剂持续地进入过冷却器是有益的。
本发明的一个方面，所述过冷却器入口导管的导管入口开口设置在所述液态制冷剂容易的底部。
将过冷却器入口导管的入口开口设置在液态制冷剂容器的底部是有益的，这增加了制冷剂容器的容量，并且此处的过冷却器入口导管具有几乎完全排空液态制冷剂容器的能力。
本发明的一个方面，所述液态制冷剂容器设置在所述壳之外。
将液态制冷剂容器设置在热交换器壳之外是有益的，这使热交换器的设计更简单。
本发明的一个方面，所述壳包围所述过热减温器，所述冷凝器和所述过冷却器。
使壳包围着过热减温器、冷凝器和过冷却器是有益的，此种设计确保牢固而耐用的壳能承受内部高压。
本发明的一个方面，所述壳板式热交换器包括制冷剂导管，所述制冷剂通过制冷剂管道从所述过热减温器流动到所述冷凝器，其中所述制冷剂导管设置在所述壳之内。
将制冷剂导管设置在壳之内是有益的，可以避免复杂的管道系统，从而减少费用和简化安装。
本发明的一个方面，所述壳板式热交换器包括冷却剂导管，冷却剂导管连续地延伸穿过所述共同的连续壳之内的所述过热减温器、所述冷凝器、所述过冷却器。
将冷却剂导管设置为连续地延伸穿过壳之内的过热减温器、冷凝器和过冷却器是有益的，这避免了外部管道系统，从而减少费用和简化安装。
本发明的一个方面，所述过热减温器和所述冷凝器通过设置在共同的连续壳之内的第一分隔板分隔，其中所述第一分隔板包括制冷剂导管和冷却剂管道开口。
将分隔板设置在过热减温器和冷凝器之间是有益的，板将确保制冷剂被正确地从过热减温器导入冷凝器中，同时确保冷凝的液态不会从冷凝器流入过热减温器中，从而提高了两者的效率。
本发明的一个方面，所述冷凝器和所述过冷却器通过设置在共同的连续壳之内的第二分隔板分隔，其中，所述第二分隔板仅包括冷却剂管道开口。
将分隔板设置在冷凝器和过冷却器之间是有益的，板将阻止制冷剂直接从冷凝器进入过冷却器中，使液态和气态制冷剂能够分隔以提高过冷却器的效率。
本发明的一个方面，分隔垫圈被设置于一个或多个所述热量传递板和所述壳之间，以引导制冷剂在所述冷凝器和所述过冷却器之间和/或所述过热减温器和所述冷凝器之间的流动。
使用垫圈来将冷凝器和过冷却器分隔和/或过热减温器和冷凝器分隔——代替第一和/或第二分隔板——是有益的，因为垫圈需要更简单和便宜的热交换器设计。
本发明的一个方面，所述连续壳由单体的管形成。
由单体的管形成壳式有益的，由于壳是压力容器，这简化了制造过程和减少费用。
本发明的一个方面，所述连续壳由两个或更多个相连接的壳部件形成。
由两个或更多个相连接的壳部件形成连续壳是有益的，例如在维护或维修工作中随后有可能打开壳。
本发明的一个方面，所述热交换器包括焊接到所述壳两端的端板。
焊接端板确保了压力容器即牢固又密封。
本发明的一个方面，所述壳是圆柱体的。
将壳形成为圆柱体是有益的，此种形状确保加载在壳上的压力均匀分布。
本发明的一个方面，所述过热减温器热量传递板、所述冷凝器热量传递板和所述过冷却器热量传递板本质相同。
壳板式热交换器之内的所有热量传递板本质相同是有益的，减少制造成本，简化装配。
本发明的一个方面，所述共同的连续壳是压力容器，设计和/或准许承受0.7到15兆帕之间的压力，优选地，1.5到10兆帕之间，最优选地，2.5到7.5兆帕之间。
假如，壳设计承受的压力太低，泄露甚至爆炸的风险太大。然而，假如壳设计承受压力太高，壳变得过重和昂贵。因此，提出的压力范围呈现了安全和成本之间的优越关系。
根据之前公开的任一用于冷却和冷凝制冷循环中制冷剂的壳板式热交换器，本发明还涉及壳板式热交换器的使用。
根据用于冷却和冷凝制冷循环中制冷剂的现有发明，使用壳板式热交换器是有益的，这确保较便宜和更安全的制冷循环。
附图说明
下面将参照附图进一步解释本发明：
图1是本发明的一个实施例的冷却剂流经壳板式热交换器的横截面的侧视图；
图2是本发明的一个实施例的制冷剂流经壳板式热交换器的横截面的侧视图；
图3是可分的壳板式热交换器的横截面的侧视图；及
图4是本发明的一个实施例的壳板式热交换器的热量传递板的正视图。
具体实施方式
图1是本发明的一个实施例的冷却剂流经壳板式热交换器的横截面的侧视图。
在本实施例中，冷却剂入口22设置在一个端板21中，冷却剂出口23设置在相对的端板21中，制冷剂入口24设置在壳8的冷却剂出口23端，制冷剂出口25设置在壳8的另一端。因此，在本实施例中，制冷剂和冷却剂设置为反向地流动，但在另一实施例中，制冷剂和冷却剂可以以相同方向流过热交换器1。
在另一实施例中，热交换器1可以包括多于一个的冷却剂入口22、冷却剂出口23、制冷剂入口24和/或制冷剂出口25并且/或者部分或全部的入口22、24和/或所有出口23、25设置在端板22中。
在本实施例中，热交换器1包括过热减温器2，冷凝器4和过冷却器6，设置在相同的共同连续壳8之内，包含3个热交换器功能。
每个过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6由数个热量传递板3、5、7焊接在一起而形成，如图4所示。
图1中的箭头表示实施例中冷却剂通过热交换器1的冷却剂导管14流动。
在本实施例中，整个冷却剂导管14设置在壳8之内，但在另一个实施例中，冷却剂管道14的至少一部分设置在壳8之外，例如，通过分隔板15、18或其他。
首先冷却剂在冷却剂入口22处进入热交换器1，并且流过过冷却器6。第二分隔板18阻止进入过冷却器4，从而促使冷却剂朝第二分隔板18的上部冷却剂导管开口17横向运行，进入冷凝器4。在冷凝器4中，冷凝器冷却剂阻挡装置30促使冷却剂朝冷凝器4的底部横向运行，然后纵向运行，直到第一分隔板15促使冷却剂朝第一分隔板15的上部冷却剂通道开口17向上运行。从冷却剂通道开口17，冷却剂被促使向下通过过热减温器2，最终通过冷却剂出口23排出。
因此，在本实施例中，冷却剂一次通过过冷却器6和过热减温器2中，二次通过冷凝器4，但在另一实施例中，过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6的一个或多个被设置成包括允许更少次或，特别地，更多次通过的装置。
流过热交换器1的制冷剂和冷却剂的区别是，制冷剂通常在一个封闭的回路中循环，其中在循环期间至少两次改变物质从一种状态到另一种状态(气体和液态形式之间)，而冷却剂的主要作用是消除制冷剂中的热量。
在本实施例中，冷却剂是水，例如，循环通过外部空气冷却热交换器或传输吸收的热量到可以利用的指定地方。
然而，在另一个实施例中，冷却剂可以是盐水或其他形式的自然的或人造的冷却剂，适用于流过结合在一起的过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6。
在本实施例中，过热减温器热量传递板3，冷凝器热量传递板5和过冷却器热量传递板7实质上相同，以减少生产成本及简化装配，但在另一实施例中，板3、5、7可以为它们的特殊使用、为它们在热交换器1中特殊位置、为特殊温度而设计，或其他使板3、5、7在热交换器中的设计变化的因素。
同样的，在本实施例中，所有板3、5、7，壳8和端板21都由不锈钢制成，因为这种材料的强度和耐用度，但在另一实施例中，热转换器的所有或部分部件由其他材料如钛、铝、复合材料或其他材料制成。
图2是本发明的一个实施例的制冷剂流经壳板式热交换器1的横截面的侧视图。
图2中的箭头表示一个实施例中，制冷剂流经过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6。
在本实施例中，高温气态制冷剂通过制冷剂入口24进入热交换器1，直接向上经过过热减温器2以消散部分热量给过热减温器2内的流经板组内侧的冷却剂。制冷剂导管13沿第一分隔板15的上边缘以确保过热减温器的气态制冷剂直接进入冷凝器，当制冷剂向下通过冷凝器中相对冷的热量传递板5时制冷剂冷凝。液态制冷剂接着通过液态制冷剂出口16流出壳8，并被收集于设置在壳8外部的液态制冷剂容器9中。
在另一实施例中，液态制冷剂可以替换或在流向过冷却器6前也被收集在壳8之内。
过冷却器入口管道10向下延伸进入液态制冷剂容器9，以便过冷却器入口导管10的导管入口开口11设置在液态制冷剂容器9的底部12，以确保仅液态流向过冷却器6。
过冷却器6中，液态制冷剂通过设置在壳8顶部的制冷剂出口25流出热交换器1之前被进一步被冷却。
在本实施例中，制冷剂仅通过一次过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6，但在另一实施例中，过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6的一个或多个设置为包括允许通过多于一次。
在本实施例中，制冷剂为氨，但在另一实施例中，制冷剂可以为二氧化碳、丁烷、HFC、水蒸气或其他流体适合于壳板式热交换器1中作为制冷剂。
在本实施例中，壳板式热交换器1根据现有发明是用于冷却和冷凝制冷循环的制冷剂。例如低温液态制冷剂离开壳板式热交换器1后通常直接进入膨胀阀，至少部分制冷剂蒸发使得减少压力，因此，使得温度骤降。在这个阶段，低温制冷剂然后被用于冷却整个制冷剂蒸汽。气态制冷剂然后直接通过压缩机压缩制冷剂，从而大大提高它的问题。高温气态制冷剂然后通向过热减温器2，过热减温器的制冷剂在进入冷凝器4之前温度降低到仅高于冷凝温度，气态制冷剂在冷凝器4中冷凝成液态制冷剂。最后，在循环重复前，液态制冷剂在过冷却器6中进一步被冷却。
图1-3公开的实施例中，热交换器中如过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6的不同功能由第一分隔板15和第二分隔板18分开。然而，在本发明的另一实施例中，功能可能被分隔垫圈(未显示)分开，分隔垫圈设置为引导制冷剂在两个相邻的功能中流动。假如，垫圈被用于代替分隔板15、18，过热减温器2、冷凝器4和过冷却器6可能由一个大的板组形成，板组具有冷却剂阻挡装置被战略性地设置在十二指由分隔垫圈的入口盒开口26和出口盒开口27中的一个中，入口盒开口26或出口盒开口27如图4所示。
图3是可分的壳板式热交换器的横截面的侧视图。
图1和2公开的实施例中，壳8由一个单体圆柱管形成，以增加壳8的强度并且减少壳8中不必要的应力集中的风险。在另一实施例中，壳8也可以由数个壳部件焊接在一起而形成，或如图3公开的，以由数个壳部件19、20栓接在一起的方式，以保证壳8随后可以在维护和/或维修的情况下被打开。完全焊接的过热减温器热量转换板组、冷凝器热量转换板组和过冷却器热量转换板组允许在壳8内快速并容易移动和改装，因此，确保过程中停机时间保持最小。
在本实施例中，第一分隔板15设置为在两个壳部件19、20连接之间伸出。在此可以安全地在固定位置设置第一分隔板。
图4是本发明的一个实施例的壳板式热交换器的热量传递板的侧视图。
在本实施例中，板3、5、7与其他板3、5、7背对背焊接，形成所谓的盒。板3、5、7沿外边缘焊接，以便水从入口盒开口26进入盒，水仅可能通过出口盒开口27流出盒。多个盒然后围绕着入口盒开口26和出口盒开口27焊接在一起，以形成过热减温器热量转换板组，冷凝器热量转换板组或过冷却器热量转换板组。然后，冷却剂流动在盒内产生，制冷剂流动跨盒的外侧(即，之间)产生。
在本实施例中，板3、5、7首先环绕以适合环形壳8，但在另一实施例中，板3、5、7形成以适合不同形状的壳8——如椭圆或长的。
在本实施例中，板3、5、7提供了通道29的压纹，以便当盒由冷却剂形成时，可以通过这些通道29从入口盒开口26流动到出口盒开口27。压纹也增加了板3、5、7的表面区域，因此，增加它的热量转换能力。
在本实施例中，板3、5、7在板3、5、7的顶部和底部提供了边缘切口28，以允许制冷剂同时沿上边缘和下边缘通过这些板，确保制冷剂不会沿板3、5、7的侧边通过，并确保板3、5、7完全集中在壳8之内。
在本实施例中，板3、5、7——从而盒以及板组——完全紧紧地配合在壳8之内，以确保制冷剂正确地通过和绕着板3、5、7流动，但在另一个实施例中，板3、5、7，盒和/或板组可能包括垫圈或其他形式的密封方式以确保正确地流过壳8。
为确保冷却剂不会和制冷剂混合，单个的板组也与单个的分隔板15、18围绕着冷却剂通道开口17、入口盒开口26和出口盒开口27焊接。
上述，本发明描述了壳板式热交换器1、过热减温器2、冷凝器4、过冷却器6和如图所示的其他的特殊实施例，但，本领域技术人员容易理解在所附权利要求的范围内可以由多种变化形式。
清单
1、壳板式热交换器
2、过热减温器
3、过热减温器热量传递板
4、冷凝器
5、冷凝器热量传递板
6、过冷却器
7、过冷却器热量传递板
8、壳
9、液态制冷剂容器
10、过冷却器入口导管
11、导管入口开口
12、液态制冷剂容器的底部
13、制冷剂导管
14、冷却剂导管
15、第一分隔板
16、液态制冷剂出口
17、冷却剂管道开口
18、第二分隔板
19、第一壳部件
20、第二壳部件
21、端板
22、冷却剂入口
23、冷却剂出口
24、制冷剂入口
25、制冷剂出口
26、入口盒开口
27、出口盒开口
28、边缘切口
29、通道
30、冷凝器冷却剂阻挡装置

Claims (15)

1.一种用于冷却和冷凝循环制冷剂的壳板式热交换器(1)，所述热交换器(1)包括：
过热减温器(2)，所述过热减温器(2)用于将气态制冷剂的温度降低到高于所述制冷剂的冷凝温度的温度，其中所述过热减温器(2)由一叠波纹过热减温器热量传递板(3)形成，所述过热减温器(2)连接到冷凝器(4)，所述冷凝器(4)用于冷凝所述制冷剂，其中所述冷凝器(4)由一叠波纹冷凝器热量传递板(5)形成，所述冷凝器(4)连接到过冷却器(6)，所述过冷却器(6)用于进一步降低被冷凝的制冷剂的温度，其中所述过冷却器(6)由一叠波纹过冷却器热量传递板(7)形成，
其中所述一叠波纹过热减温器热量传递板(3)、所述一叠波纹冷凝器热量传递板(5)和所述一叠波纹过冷却器热量传递板(7)沿线形横轴设置在共同的连续的壳(8)内，以使得所述一叠波纹冷凝器热量传递板(5)沿所述线形横轴位于所述一叠波纹过热减温器热量传递板(3)和所述一叠波纹过冷却器热量传递板(7)之间，其中所述壳(8)包围所述过热减温器(2)、所述冷凝器(4)和所述过冷却器(6)，并且
其中所述冷凝器(4)和所述过冷却器(6)通过液态制冷剂容器(9)相连，所述液态制冷剂容器(9)设置在所述一叠波纹冷凝器热量传递板(5)和/或所述一叠波纹过冷却器热量传递板(7)下面，因此所述被冷凝的制冷剂被收集在所述液态制冷剂容器(9)中，液态制冷剂从所述液态制冷剂容器通过过冷却器入口导管(10)继续进入所述过冷却器(6)。
2.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述过冷却器入口导管(10)的导管入口开口(11)设置在所述液态制冷剂容器(9)的底部，和/或
其中所述过冷却器入口导管(10)从所述液态制冷剂容器(9)的顶部进入所述液态制冷剂容器(9)。
3.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述液态制冷剂容器(9)设置在所述共同的连续的壳(8)外，和/或
其中所述壳板式热交换器(1)还包括：
制冷剂入口，所述制冷剂入口位于所述过热减温器下方，所述过热减温器配置成通过所述制冷剂入口从所述壳的外面接收作为气体的制冷剂；以及
制冷剂出口，所述制冷剂出口位于所述过冷却器上方，所述过冷却器配置成通过所述制冷剂出口将作为液体的制冷剂排出到所述壳的外面。
4.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述壳板式热交换器(1)包括制冷剂导管(13)，所述制冷剂通过所述制冷剂导管从所述过热减温器(2)流动到所述冷凝器(4)，并且其中所述制冷剂导管(13)设置在所述共同的连续的壳(8)内。
5.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述壳板式热交换器(1)包括冷却剂导管(14)，所述冷却剂导管(14)连续地延伸穿过所述共同的连续的壳(8)内的所述过热减温器(2)、所述冷凝器(4)和所述过冷却器(6)。
6.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述过热减温器(2)和所述冷凝器(4)被设置在所述共同的连续的壳(8)内的第一分隔板(15)分隔，并且其中所述第一分隔板(15)包括制冷剂导管(13)和冷却剂通道开口(17)。
7.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述冷凝器(4)和所述过冷却器(6)被设置在所述共同的连续的壳(8)内的第二分隔板(18)分隔，并且其中所述第二分隔板(18)仅包括冷却剂通道开口(17)。
8.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述连续的壳(8)形成为单体管。
9.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述连续的壳(8)由两个或更多个相连接的壳部件(19，20)形成。
10.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述热交换器(1)包括焊接到所述壳(8)的两端的端板(21)。
11.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述波纹过热减温器热量传递板(3)、所述波纹冷凝器热量传递板(5)和所述波纹过冷却器热量传递板(7)是相同的，和/或
其中所述波纹过热减温器热量传递板布置在与所述波纹冷凝器热量传递板和所述波纹过冷却器热量传递板平行的平面中。
12.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述共同的连续的壳(8)是被设计为和/或准许为承受0.7-15兆帕之间的压力的压力容器。
13.用于冷却和冷凝制冷循环中的制冷剂的如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)的使用。
14.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述共同的连续的壳(8)是被设计为和/或准许为承受1.5-10兆帕之间的压力的压力容器。
15.如权利要求1所述的壳板式热交换器(1)，其中所述共同的连续的壳(8)是被设计为和/或准许为承受2.5-7.5兆帕之间的压力的压力容器。
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