CN106643238A - 一种多级分液板式冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级分液板式冷凝器，其包括前端盖板、后端盖板、换热板，水侧密封垫和蒸气侧密封垫，所述水侧密封垫和蒸气侧密封垫分别位于所述换热板两侧与相邻的换热板、前端盖板或者后端盖板形成蒸气流道和冷却水流道，所述蒸气侧密封垫内设置若干分液密封条，所述与相邻的所述换热板或者前端盖板侧壁组成冷凝液沟槽，所述冷凝液沟槽低端与分液角孔相通。本发明具有的优点和有益技术效果如下：有助于降低冷凝换热热阻；使得蒸气维持在较高的干度下冷凝换热，保持较高的换热系数，达到强化凝结传热的目的；使其在最佳的分液工况下运行，保障换热器分液冷凝的效果；结构简单，降低加工成本，保持了传统板式换热器结构紧凑，经济性较好的优点。

Description

一种多级分液板式冷凝器

【技术领域】

本发明涉及冷凝器领域，特别是涉及一种多级分液板式冷凝器。

【背景技术】

板式换热器由一系列波纹板片叠加而成，利用密封垫片在板片之间形成狭窄的沟槽流道，冷热流体通过换热板上的角孔分别进入相邻的流道内，通过金属换热板进行热量的交换。板式换热器是一种传热性能好，结构紧凑的高效换热器，在液体与液体介质的换热场合应用广泛。

在许多场合直接将单相液-液传热的板式换热器直接用作冷凝器使用。通常存在两个缺点：一是蒸气角孔通常按照液体流动来设计的，蒸气比体积大，容易导致流动速度过大，压力损失严重的问题；二是普通液-液传热换热器是通过增大湍流实现单相的强化传热，而冷凝强化需要通过及时排出凝结液、降低液膜厚度来实现传热强化。

为了适用于蒸气冷凝换热，目前现有产品和相关专利中针对换热板片的改进主要是从以下两个方面进行：一方面是通过对蒸气角孔的设计，增加角孔流通截面积，改善流动性能，减小压降；另一方面是涉及换热板波型的改进，目的是为了迅速排走凝结液，减薄液膜厚度，改善传热性能。

如下图1和图2所示，为日本的日阪公司推出的YX-80型冷凝器换热板，蒸气角孔普遍根据蒸气的比体积进行设计，有效的改善了流动特性。换热板片采用两种不同波纹的板片，分别用于冷却水流路和蒸气流路，便于冷凝过程中形成的凝结液沿着波纹凹槽及时排出。近几年，其他类型的板式冷凝器也仅仅是局限在原有板片基础上对尺寸进行改进。此类换热器在实际应用中，通常为了保证蒸气能够完全冷凝，通常设计负荷会比实际负荷偏大，这将导致凝结液积聚在板式换热器下半部分，这部分的传热主要是凝结液和冷却介质间的无相变换热，使得板式冷凝器换热效果恶化。同时，积聚的凝结液不能及时排除，增大了板式换热器的流动阻力。因此，仅仅针对板片波型的改进设计虽然能及时将局部的凝结液膜引流至排液口，但无法解决凝结液在板式换热器下部积聚的问题。

此外，现有一些专利针对分液式板式冷凝器提出了一些设计方案，结构较为复杂，可行性较低。同时，分液效果无法得到保证，容易出现蒸气击穿和凝结液无法及时排除的问题。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述现有板式冷凝器存在的不足，提出一种多级分液板式冷凝器，在蒸气冷凝过程中及时引出凝结液，降低凝结液膜厚度，强化凝结传热的同时，有效的避免的凝结液在板式换热器下部积聚的问题。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：一种多级分液板式冷凝器，其包括前端盖板、后端盖板、至少一块换热板，至少一块水侧密封垫和至少一块蒸气侧密封垫，所述水侧密封垫和蒸气侧密封垫分别位于所述换热板两侧与相邻的换热板、前端盖板或者后端盖板形成蒸气流道和冷却水流道，所述换热板上设置有蒸气进口角孔、分液角孔，冷却水进口角孔、冷却水出口角孔和末级泠凝夜分液角孔；所述水侧密封垫设置有冷却水出口角孔、冷却水进口角孔和与所述分液角孔相配合的通孔；所述蒸气侧密封垫内设置若干分液密封条，所述分液密封条与相邻的所述换热板或者前端盖板侧壁组成冷凝液沟槽，所述冷凝液沟槽低端与分液角孔相通。

所述分液密封条为倾斜设置，其倾斜角为与竖直方向夹角为30～60°范围内。

所述换热板上设置有利于凝结液排出的导流沟槽。

所述蒸气侧密封垫内设置进口角孔。

所述前端盖板上设置有蒸气进口、冷却水出口和第级至第n级液位镜；所述液位镜分别设置在所述分液密封条组成的液槽位置。

所述后端盖板分别设置冷却水进口、凝结液出口、第1级至第n级分液出口，并且在第1级至第n级分液出口外部设置有调解阀门，从调解阀门出来的凝结液通过管路汇集至第n级凝结液出口。

每级换热空间需保证最小的换热面积，其计算公式为：

式中：

A_i，min——第i级所需最小换热面积，m²；

m_i——进入第i级的蒸汽流量，kg/s；

x_i——第i级冷凝后蒸汽干度；

r——蒸汽潜热，kJ/kg；

Q——总换热量，kW；

A——换热器总换热面积，m²；

为保证冷凝器出口蒸汽完全冷凝，最后一级通常具有较大的换热面积。

与现有技术相比，本发明具有的优点和有益技术效果如下：采用逆流布置，通过密封垫和换热板的组合设计，在蒸气侧密封垫上设计斜置的分液密封条，换热板上布置凝结液分液角孔和导流槽结构，形成多级分液冷凝结构。不断的排出在蒸气凝结过程中形成的凝结液，降低凝结液膜的厚度，有助于降低冷凝换热热阻。同时，使得蒸气维持在较高的干度下冷凝换热，保持较高的换热系数，达到强化凝结传热的目的。针对分液冷凝实际应用中可能存在的蒸气击穿和凝结液溢出导致的分液冷凝器失效的问题，在中间凝结液出口流路上设置阻力调节阀，用来调节该级凝结液流路的阻力。并在换热器前端盖板上设置液位镜，可以实时观测凝结液液位的高低，并通过改变阀门的开度，调节每级分液流路的阻力，使其在最佳的分液工况下运行，保障换热器分液冷凝的效果。仅采用了一种结构的换热板，结构简单，降低加工成本，保持了传统板式换热器结构紧凑，可以实现分液板式冷凝器在工业生产中的加工制造，经济性较好的优点。同时，换热器分液级数和每级换热面积的大小等结构尺寸参数可以根据实际负荷进行优化设计，实际应用可行性高。

【附图说明】

图1为现有板式冷凝器中冷却板片结构示意图；

图2为现有板式冷凝器中冷凝板片结构示意图；

图3为本发明一种多级分液板式冷凝器的整体结构立体装配图1；

图4为本发明一种多级分液板式冷凝器的整体结构立体装配图2；

图5为本发明一种多级分液板式冷凝器中后端盖板的结构示意图；

图6为本发明一种多级分液板式冷凝器中水侧密封垫的结构示意图；图7为本发明一种多级分液板式冷凝器中换热板的结构示意图；

图8为本发明一种多级分液板式冷凝器中蒸气侧密封垫的结构示意图；

图9本发明一种多级分液板式冷凝器中前端盖板的结构示意图；

图10本发明一种多级分液板式冷凝器中的蒸气侧密封垫与换热板结合时的结构示意图(虚线为蒸气流向，实线为冷凝液流向)；

图11本发明一种多级分液板式冷凝器中的水侧密封垫与换热板结合时的结构示意图(虚线为冷却水流向)；

图12本发明一种多级分液板式冷凝器中液位镜结构示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述说明。

一种多级分液板式冷凝器，如图2-11所示，其包括前端盖板2、后端盖板1、至少一块换热板7，至少一块水侧密封垫8和至少一块蒸气侧密封垫6，所述水侧密封垫8和蒸气侧密封垫6分别位于所述换热板7两侧，形成蒸气流道和冷却水流道。所述换热板4上设置有蒸气进口角孔65、第1级至第n(n为大于1的自然数)级凝结液的分液角孔，冷却水进口角孔、冷却水出口角孔和末级泠凝夜分液角孔64，其中分液角孔用于将凝结液排出冷凝器。所述水侧密封垫8设置有冷却水出口角孔81、冷却水进口角孔82和与所述分液角孔相配合的通孔，其主要起到流道密封和不同流体隔离的作用，在与相邻的两个换热板之间的狭窄空间形成冷却水流道。所述分液密封条与相邻的所述换热板或者前端盖板侧壁组成冷凝液沟槽15，在所述换热板7上设置有利于凝结液排出的导流沟槽。所述换热板7与所述导流沟槽处设置有导流凹槽。

所述蒸气侧密封垫6由流道密封圈和多个斜置的分液密封条共同组成一个整体密封结构。所述蒸气侧密封垫6内设置进口角孔65。其中流道密封圈起到隔绝冷热流体的作用；斜置的分液密封条起到阻截凝结液的作用，与流道密封圈边缘连接，形成冷凝液沟槽15。所述分液密封条的数目由分液级数来确定，所述分液密封条的倾斜角度根据实际应用效果可设置在与竖直方向夹角为30～60°范围内。优选的，所述倾斜角度为45°，形成冷凝液沟槽15与形成的液体处于最佳位置，汽液分离效果最好。整个蒸气侧密封垫采用耐高温橡胶材料制成。蒸气侧密封垫与相邻两个换热板7之间的狭窄空间形成蒸气流道。其中，所述分液密封条自上往下相互之间的竖直距离是增大的。优选的，所述分液密封条自上往下相互之间的竖直距离是增大六分之一到十分之一，也可以可以起到最优化的处理结果。优选的，所述分液密封条的末端与其相对侧壁之间的距离小于整个空间距离的三分之一。

所述前端盖板2上设置有蒸气进口4、冷却水出口5和第1级至第n(n为大于1的自然数)级液位镜3。所述液位镜3分别设置在对应于所述分液密封条组成的液槽位置。所述液位镜3上设置最低刻度线32和最高刻度线31，用于起到警示作用。

所述后端盖板1分别设置冷却水进口14、凝结液出口13、第1级至第n级分液出口(10,11,12)，并且在第1级至第n级分液出口(10,11,12)外部设置有调解阀门，从调解阀门出来的凝结液通过管路汇集至第n级凝结液出口。

其中，所述蒸气流道和冷却水流道呈交错布置，蒸气在蒸气流道内从上至下流动，冷却水在冷却水流道内从下往上流动，与蒸气形成逆流布置。蒸气流道中对应的分液角孔、斜置密封条及其对应的上部换热空间共同组成了一个分液结构单元。

工作时，蒸气由蒸气进口角孔65进入蒸气流道，在流道内通过换热板7放出热量，部分蒸气冷凝成凝结液。利用重力作用和换热板4与蒸气侧密封垫6组成的冷凝液沟槽15的导流作用，使得凝结液汇集在第1级分液角孔处，并通过分液角孔(61)将该级的凝结液及时排出。未完全凝结的蒸气继续沿着蒸气流道继续凝结，在第2级凝结液分液角孔(62)位置将凝结液排出；依次继续凝结，在第3级至第n级分液角孔(63)位置不断将凝结液排出。由于凝结液膜是冷凝传热的主要热阻，高干度蒸气具有较高的换热系数。在冷凝过程中通过第1级至第n级的分液结构，及时排出冷凝过程中产生的凝结液，降低凝结液膜的厚度，使得蒸气维持在较高的干度下冷凝换热，有助于降低冷凝换热热阻，提高换热系数。

在换热器设计时，可以根据实际工况情况选取合适的分液级数，进行换热板和密封垫的设计。随着分液冷凝过程的进行，每级分液结构中斜置密封条上部空间的换热面积逐渐增大，每级换热空间需保证最小的换热面积，其计算公式为：

式中：

A_i，min——第i级所需最小换热面积，m²；

m_i——进入第i级的蒸汽流量，kg/s；

x_i——第i级冷凝后蒸汽干度，j为自然数；

r——蒸汽潜热，kJ/kg；

Q——总换热量，kW；

A——换热器总换热面积，m²；

为保证冷凝器出口蒸气完全冷凝，最后一级通常具有较大的换热面积。

在实际应用中，对某一级分液结构，当分液角孔出口阻力过大时，该级集聚的凝结液增多，凝结液会从斜置密封垫片上方溢出，使分液冷凝换热效果变差；当分液角孔出口阻力过小时，换热结构集聚的凝结液减少，容易导致蒸气通过分液角孔排出换热器，使得分液冷凝器工作失效。因此，为保证分液效果，换热板分液角孔的直径需设计在合适的范围内，在换热器后端盖板凝结液出口流路上设置阻力调节阀，用来调节该级凝结液流路的阻力。

如图12所示，为方便观测，在换热器前端盖板的对应位置设置的液位镜3，用来观测凝结液的位置。其中，液位镜的最高液位刻度线31与蒸气密封垫片上斜置密封条的上沿相平齐；最低液位刻度线32与蒸气通过排液口排出冷凝器的位置相平齐。凝结液液位处于最高液位刻度线31和最低液位刻度线32之间时，表示分液冷凝器处于良好分液状态。

本发明涉及的板式冷凝器采用逆流布置，通过水侧密封垫8和蒸气侧密封垫6和换热板4的组合设计，在蒸气侧密封垫上设计斜置的分液密封条，换热板4上布置凝结液分液角孔和冷凝液沟槽15结构，形成多级分液冷凝结构。在工作时不断的排出蒸气凝结过程中形成的凝结液，降低凝结液膜的厚度，有助于降低冷凝换热热阻。同时，使得蒸气维持在较高的干度下冷凝换热，保持较高的换热系数，达到强化凝结传热的目的。

本发明涉及的板式冷凝器在中间凝结液出口流路上设置阻力调节阀，用来调节该级凝结液流路的阻力。在换热器前端盖板上设置液位镜，可以实时观测凝结液液位的高低。通过改变阀门的开度，调节每级分液流路的阻力，可以使分液冷凝结构在最佳的分液工况下运行，保障换热器分液冷凝的效果。有效避免蒸气击穿和凝结液溢出导致的分液冷凝器失效的问题。

本发明涉及的板式冷凝器仅采用了一种结构的换热板，结构简单，降低加工成本，保持了传统板式换热器结构紧凑，经济性较好的优点。同时，换热器分液级数和每级换热面积的大小等结构尺寸参数可以根据实际负荷进行优化设计，实际应用可行性高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种多级分液板式冷凝器，其包括前端盖板、后端盖板、至少一块换热板，至少一块水侧密封垫和至少一块蒸气侧密封垫，其特征在于：所述水侧密封垫和蒸气侧密封垫分别位于所述换热板两侧与相邻的换热板、前端盖板或者后端盖板形成蒸气流道和冷却水流道，所述换热板上设置有蒸气进口角孔、分液角孔、冷却水进口角孔、冷却水出口角孔和末级冷凝夜分液角孔；所述水侧密封垫设置有冷却水出口角孔、冷却水进口角孔和与所述分液角孔相配合的通孔；所述蒸气侧密封垫内设置若干分液密封条，所述分液密封条与相邻的所述换热板或者前端盖板侧壁组成冷凝液沟槽，所述冷凝液沟槽低端与分液角孔相通。

2.如权利要求2所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述分液密封条为倾斜设置，其倾斜角为与竖直方向夹角为30～60°。

3.如权利要求2所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述倾斜角为与竖直方向夹角为45°。

4.如权利要求3所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述换热板上设置有利于凝结液排出的导流沟槽。

5.如权利要求1所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述分液密封条自上往下相互之间的竖直距离是增大的。

6.如权利要求1所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述前端盖板上设置有蒸气进口、冷却水出口和第1级至第n级液位镜；所述液位镜分别设置在对应于所述分液密封条组成的液槽位置。

7.如权利要求1所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：所述后端盖板分别设置冷却水进口、凝结液出口、第1级至第n级分液出口，并且在第1级至第n级分液出口外部设置有调解阀门，从调解阀门出来的凝结液通过管路汇集至第n级凝结液出口。

8.如权利要求1所述的一种多级分液板式冷凝器，其特征在于：每级换热空间需保证最小的换热面积，其计算公式为：

式中：

A_i，min——第i级所需最小换热面积，m²；

m_i——进入第i级的蒸汽流量，kg/s；

x_i——第i级冷凝后蒸汽干度；

r——蒸汽潜热，kJ/kg；

Q——总换热量，kW；

A——换热器总换热面积，m²。