CN1056922C - 类环状流双相变换热器 - Google Patents
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类环状流双相变换热器，上部配置有进气分配器，下部配置有集液引出管，中心主体部分配置有若干层的作蒸发通道用的板翅式换热元件，其与作为冷凝通道用的板翅式换热元件相连接，能够实现低温流体的高效沸腾传热与冷凝传热，具有高传热系数，高热流密度和小传热温差同时具备的优点。
Description
本发明涉及一种板翅式两相流相变换热器，属于工程热物理与能源利用学科领域。
板翅式换热器在五十年代开始应用于深冷和空气分离装置等领域，与管式换热器相比，具有结构紧凑，传热系数较高等优点。但是，随着空分装置向大型化方向发展，现有的板翅式换热器的结构型式存在热流密度及传热系数依然偏小、传热温差偏大等缺陷(参考文献〖1〗《低温原理与装置》上、下册，张祉佑，石秉三主编，机械工业出版社出版；参考文献〖2〗《低温换热器》，陈长青主编，机械工业出版社出版)。如果将现有的板翅式换热器用于3万立方标准氧气/小时的大空分装置中作为主冷凝蒸发器，空气分馏塔的直径就将过于庞大(大于4米)，这将超过现今铁路运输所允许的最大高度。而且，由于现有的换热器的传热温差偏大，将使分馏塔上、下塔之间的压差偏大，压缩能耗增大，无法实现高效、节能的超低压流程。
本发明的目的旨在克服上述现有技术的缺点，提出一种类环状流双相变换热器，以便能够实现低温流体(液氮、液氧等)的高效沸腾传热与冷凝传热。
本发明通过传热机理和结构上的改变使双相变换热器具有高传热系数、高热流密度和小传热温差同时具备的优点，并使换热器的结构更加合理，紧凑，降低有色金属材料的消耗和空分装置的压缩功的消耗。因此，采用本发明不但能降低空分装置的一次性投资成本，还可以降低装置的长期运行费用，并为空分装置实现超低压流程创造了条件。
本发明可适用的流体有液氧、液氮和液氩等低温流体，并可适用于各种氟利昂和水等工质流体。该换热器不仅适用于空分装置，也适用于制冷、石油、化工、核电等生产领域的相变换热。
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是蒸发换热元件(1)的结构示意图。
图3是冷凝换热元件(2)的结构示意图。
图4是冷凝换热元件(2)的一个实施例的横截面示意图。
图5是本发明的第一个实施例的横截面示意图。
图6是本发明的第二个实施例的横截面示意图。
图7是本发明的第三个实施例的横截面示意图。
图8是本发明的第四个实施例的横截面示意图。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细的说明。
参见图1，本发明包括由若干层的作蒸发通道用的板翅式换热元件(1)，换热元件(1)与作为冷凝通道用的板翅式换热元件(2)相连接，待蒸发液体由换热元件(1)的底部进口(10)进入换热元件(1)的通道中蒸发，蒸发后的气体由换热元件(1)的上部出口(9)排出。待冷凝气体由上进气分配器(5)通过冷凝通道导流孔(4)进入冷凝换热元件(2)的通道中冷凝，冷凝后的液体通过冷凝通道集液孔(7)流出集液引出管(6)。另外，图1中，(3)是蒸发通道的中部补液孔，(8)是外侧板，(11)是固定支架。
参见图2，蒸发换热元件(1)中的翅片(13)和(26)被补液孔(3)分成几段，每段长200～500mm，靠近封条(14)的换热元件(1)的左右两侧翅片(13)的节距较小，节距为1.2mm以下，高度为6mm以下，而被翅片(13)夹在中间的翅片(26)的节距较大，为1.2～3.5mm，高度为6mm以下。图中(15)是蒸发通道的下导流片，(12)是蒸发通道的上导流片。
参见图3，冷凝换热元件(2)由中间隔条(21)分为上、下两部分，其上部包括进气导流片(17)。导流片(17)的上部配置一上封条(16)，其下部连接有冷凝翅片(18)，其翅片高度为3～6.5mm，翅片节距为1.5mm以下。中间隔条(21)的下部包括有进气导流片(17)，其下部也连接有冷凝翅片(18)，翅片(18)的下部配置有出液导流片(20)。另外，图3中，(19)是冷凝通道的侧封条，(22)是冷凝通道的下封条。
参见图4，该冷凝换热元件(2)为一整体式冷凝通道。
参见图5，本发明包括由若干层的作蒸发通道用的板翅式换热元件(1)，与作为冷凝通道用的板翅式换热元件(2)，通过隔板(24)相连接，一一依次间隔排列。最外层的冷凝换热元件(2)，其外侧与外侧板(23)相连，其内侧与隔板(24)相连。其左右两端为封条(19)。蒸发换热元件(1)左右两侧为密节距翅片(13)(翅片节距为1.2mm以下，翅片高度为6mm以下)，其两侧为封条(14)，其中间部分为翅片(26)(翅片节距为1.2～3.5mm，高度为6mm以下)，或为无翅片的直通道(26)，通道宽度为20～50mm。冷凝换热元件(2)的翅片(18)，其翅片节距为1.5mm以下，高度为3～6.5mm。
参见图6，本发明的第二个实施例与图5的不同之处是，蒸发换热元件(1)为一个密节距翅片(13)(节距为1.2mm以下)和一个宽节距翅片(26)(节距为1.2～3.5mm)一一相邻排列，其翅片高度均为6mm以下。其余部分均与图5相同。
参见图7，本发明的第三个实施例的结构与图5不同之处是蒸发换热元件(1)包括由3～4个密节距翅片(13)跟由2个密节距翅片拉伸而成的直通道(26)一一相邻排列。密节距翅片(13)的翅片节距为1.2mm以下，翅片高度为6mm以下。其它部分与图5相同。
参见图8，本发明的第四个实施例的结构与图5的不同之处是蒸发换热元件(1)包括由3～4个密节距翅片(13)跟1～2个宽节距翅片(26)一一相邻排列，密节距翅片(13)的翅片节距为1.2mm以下，高度为6mm以下。宽节距翅片(26)的节距为1.2～3.5mm，翅片高度为6mm以下，其它部分与图5相同。
本发明的工作原理是：由于采用了密排小节距蒸发翅片(13)的结构形式，使沸腾通道中的汽泡在上升过程中变形为扁平汽泡，从而使汽泡与壁面之间的液膜变得很薄。根据微膜沸腾理论，沸腾侧的热阻主要来自液膜的导热热阻。因此，液膜厚度的减小不仅降低了液体起沸的过热度，还减小了沸腾传热的热阻，提高了传热系数，同时，还可使大部分沸腾通道中流体的流型在较小的传热温差下就能够转变为类环状流流型。当大部分沸腾通道(13)中流体的流型为环状流流型时，沸腾通道(13)的传热温差达到最小值，而热流密度和传热系数达到最大值。但是，在大部分蒸发通道(13)出现环状流流型后，如果通道下部的液体流入量稍有不足，则在中、上部通道表面的环状液膜将会被撕裂，出现局部蒸干的传热恶化现象，传热温差将急剧上升，传热系数急剧下降。
为了防止这种因液体流入量不足而导致的传热恶化现象，本发明采取了分段补液的措施，即每隔200～500mm设置一补液孔(3)，并在单元的中心部分设置了流动阻力较小的无翅片的直通道或翅片节距较大的宽通道(26)。这样，新鲜液体就可从侧面补液孔(3)流进两段翅片间的横向走廊通道(27)，直接向上部沸腾通道补液。同时，从下部沸腾直通道或宽通道(26)流出的液体进入走廊通道(27)后也可同时向上部沸腾通道(13)进行补液，这样，就避免了上部通道壁面与沸腾流体之间的传热温差急剧增加，使换热器即使在很高的热流密度下也能保证整个沸腾通道的绝大部分保持环状流流型，从而使沸腾通道始终处于最佳的传热状态。
本发明对板翅式单元的冷凝换热元件(2)采取了分段冷凝、分段排液的措施。通常空分用板翅式冷凝蒸发器的高度为2m。但由于通道太长，因而冷凝通道的下部容易产生积液，致使这部分的冷凝通道无法对气体起冷凝作用。针对现有的换热器所存在的缺陷，本发明采取了将冷凝换热元件(2)分隔成上、下两层，并在上、下冷凝通道上增设下导流翅片和上导流翅片(17)，以实现分别进气和分段排液(见图3所示)，可有效地消除冷凝换热元件下部的积液现象，进一步提高了冷凝通道换热面积的有效利用率，强化了冷凝侧对气体的冷凝作用。
由于采取了以上三种强化传热措施，本发明可使空分装置的重要设备一精馏塔中主冷凝蒸发器的传热系数比德国林德公司80年代的同类产品提高30％以上，总传热温差降低到1.25K以下。
根据冷凝蒸发器的不同的运行热负荷，本发明具有不同的实施方案，下面仅以三种方案说明类环状流双相变冷凝蒸发器的特点。一、冷凝蒸发器的板长为500～1100mm时
冷凝侧为上、下贯通的整体式冷凝通道结构，如图4所示。二、冷凝蒸发器的板长为1100～2100mm时
冷凝侧为上、下两层分体式冷凝通道结构，如图3所示，各自分别进气，分段出液，以克服因通道过长，底层的传热面受静液柱的影响太大而影响传热的缺陷，进一步提高冷凝换热效率。三、冷凝蒸发器的板长为2100～3100mm时
冷凝侧为上、中、下三层分体式冷凝通道结构，各自分别进气和出液，使冷凝液得以及时排出，使冷凝通道底部的换热表面得以充分利用，大大提高冷凝传热系数，进一步减少冷凝传热温差。
Claims (6)
1.类环状流双相变换热器，上部配置有进气分配器(5)，下部配置有集液引进管(6)，中心主体部分配置有若干层的作蒸发通道用的板翅式换热元件(1)，与作为冷凝通道用的板翅式换热元件(2)相连接，本发明的特征是，所说的蒸发换热元件(1)靠近蒸发换热元件(1)两侧封条(14)的翅片(13)的翅片高度为6mm以下，翅片节距为1.2mm以下，中间部分的翅片(26)的节距为1.2～3.5mm，翅片高度为6mm以下，所说的蒸发换热元件(1)中的窄节距翅片(13)和宽节距翅片(26)通道被补液孔(3)分成若干段，每段长200～500mm。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所说的蒸发换热元件(1)每隔200～500mm设有横向无翅片走廊通道(27)。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所说的冷凝换热元件(2)的翅片高度为3～6.5mm，翅片节距为1.5mm以下。
4.根据权利要求1、3所述的换热器，其特征在于，所说的冷凝换热元件(2)的冷凝侧为上、下贯通的整体式冷凝通道结构形式。
5.根据权利要求1、3所述的换热器，其特征在于，所说的冷凝换热元件(2)的冷凝侧为上、下两层分体式冷凝通道结构形式。
6.根据权利要求1、3所述的换热器，其特征在于，所说的冷凝换热元件(2)的冷凝侧为上、中、下分体式冷凝通道结构形式。
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