CN108871017A

CN108871017A - 一种吸收式全焊接板壳式换热器

Info

Publication number: CN108871017A
Application number: CN201810464796.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋文春; 张磊; 邵珠文; 肖承燃; 涂善东
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: CN108871017B

Abstract

本发明公开了一种吸收式全焊接板壳式换热器，包括壳体、芯体以及设置在壳体上的冷剂水入口接管、浓吸收剂溶液入口接管、高温热水出口封头、高温热水接管、低温热水接管、低温热水封头、稀吸收剂溶液出口接管，所述的换热芯体安装在壳体内，由换热板对构成，所述的换热板对由两块金属板通过激光焊接形成板程腔体，供板程换热流体流通，各换热板对之间通过冷剂水导管和吸收剂溶液导管连接，芯体与壳体之间形成壳程腔体，供壳程换热流体流通，所述的金属板上间隔设置有半球形丁胞和半椭球形丁胞。本发明换热器具有不易结垢，可强化换热效果，提高换热效率，减小占地面积，而且结构灵活多变，可根据工况设计等优点。

Description

一种吸收式全焊接板壳式换热器

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体地说是涉及一种吸收式全焊接板壳式换热器。

背景技术

换热器作为一种热量交换设备，因其能实现不同温度的介质之间的热量交换而被广泛的应用于石油、化工、冶金、核电、医药等行业。随着社会生产力的提高，人们对能源的需求快速增长，如何提升能源利用效率已成人类面临的共同课题。其中，提高能源利用效率的关键一步便是提高换热器的换热效率。

在换热器领域，目前应用比较多的有管壳式换热器、板式换热器、板壳式换热器等。管壳式换热器内部装有可固定在管板上的管束，冷热介质分别在管程和壳程内流动，依靠管束壁面作为换热面实现间壁换热，其壳体多为圆筒型式，其优点为结构简单、适用范围广、稳定可靠，能在高温、高压工况下使用，但其占地面积大，换热效率低。板式换热器是由一系列冲压而成的波纹板片叠加而成的紧凑高效换热器，板片之间通过橡胶垫或者焊接方法形成相互交替的冷热流道，其流动方式大多为逆流或是错流形式，板式换热器具有结构紧凑、换热效率高等特点，但也有耐高温、耐高压、抗腐蚀能力差等缺点。

板壳式换热器兼顾管壳式换热器和板式换热器的优点：①以板片为传热面，冷热流体在相互交替的流道内各自流动，由于换热板片为波纹板，会在较低雷诺数的工况下产生湍流，传热系数高出传统的管壳式换热器好几倍；②结构紧凑，占地面积小，传热功率大；③耐高温，最高工作温度可达700℃；④耐高压，最高工作压力可达7MPa，远高于板式换热器。综上所述，由于板壳式换热器兼具管壳式换热器和板式换热器的优点，使得板壳式换热器成为得以在各行各业广泛应用的紧凑高效换热设备。其采用全焊接结构，无垫片材料，可根据高温、高压、低温、低压等各种操作环境的具体要求灵活选型。

然而，现有板壳式换热器也存在以下缺陷：

1、在现有板壳式换热器中，由于全焊接结构，导致介质在板片表面沉积结垢后出现换热效率下降、传热阻力增加、管路堵塞等不良现象。而目前的防垢焦点主要在改变介质物性上，诸如降低水的硬度，增加防垢剂等，其存在成本高、易污染环境等问题。因此，开发一种能高效传热、且能有效减少结垢的换热器板片非常有必要。

2.现有的板式换热器，因其利用橡胶垫进行液体分流，而橡胶垫的耐高温、耐高压、抗腐蚀能力较差，易出现漏液、串液等现象。

3.普通的全焊接板壳式换热器，其平直的板片易淤积污垢，且相对传热面积较小，导致换热效率较低。

4.目前存在的全焊接板壳式换热器，由于传热中温差以及普通的焊接，长期的温差应力和振动，使得板片存在易失效的问题且液体分布不均匀造成换热面积的浪费。

吸收式全焊接板壳式换热器是板壳式换热器的一种特殊形式，其也是热泵工作系统中的一个重要环节。热泵的工作原理是将低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。吸收式全焊接板壳式换热器可应用至热电联产集中供热和烟气冷凝回收等领域。由此可见，在解决现有板壳式换热器所存在问题的基础上，进一步提升吸收式换热器的换热效率，对增加热力管网的输送能力、大幅提高能源利用效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸收式全焊接板壳式换热器，该换热器具有不易结垢，换热效率高等优点。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种吸收式全焊接板壳式换热器，包括壳体和安装在壳体内部的芯体；

所述壳体上设置有冷剂水入口接管、浓吸收剂溶液入口接管、稀吸收剂溶液出口接管、低温热水封头和高温热水出口封头，低温热水封头上连接低温热水接管，高温热水出口封头上连接高温热水接管；

所述芯体由若干个换热板对构成，所述换热板对由两块金属板通过激光焊接而成，换热板对的内部形成板程腔体，各换热板对之间通过冷剂水导管和吸收剂溶液导管连接，芯体与壳体之间形成壳程腔体；

所述金属板的正反两面分别冲压有半球形丁胞，为了方便表述，将金属板的正面冲压的半球形丁胞称为正半球形丁胞，金属板的反面冲压的半球形丁胞称为反半球形丁胞，正半球形丁胞和反半球形丁胞在金属板上间隔排布，所述半球形丁胞的直径为4-8mm，深度为3-4mm，相邻正半球形丁胞和反半球形丁胞之间的间距为15-20mm；

在金属板的正面还冲压有半椭球形丁胞，半椭球形丁胞和半球形丁胞交叉布置，半椭球型丁胞的长轴方向长8-10mm，短轴方向长3-5mm，深度为1.5-3mm，所有半椭球形丁胞的伸展方向均一致，且半椭球形丁胞的长轴方向与金属板边缘的夹角为30-60°；

在金属板上还设置有折边和多个角孔，换热板对组装时，将两块金属板的正面相向布置，两块金属板的折边对接，并通过激光焊接在一起，此时两块金属板上的正半球形丁胞相接触，形成接触点；所述冷剂水导管和吸收剂溶液导管分别连接金属板上不同的角孔，冷剂水和吸收剂溶液分别通过角孔进入板程腔体；

所述换热板对组装成芯体时，相邻换热板对之间，朝外侧凸出的反半球形丁胞也相接触，形成接触点。

优选的，所述冷剂水导管和吸收剂溶液导管均采用膨胀节形式。

优选的，所述金属板上半球形丁胞的密度为1450-1500个/m²；金属板上椭球形丁胞的密度为1550-1600个/m²。

本发明的有益技术效果是：

(1)强化换热效果，提高换热效率，减小占地面积：

本换热器结构紧凑、体积小、安全方便、维护方便，有效减少了因无法产生逆流换热的无效换热区域，是一种高效的传热设备。丁胞结构能有效增强壳程和板程的流体扰动，大大增强传热效果，进而减少了设备的体积和占地面积，减少了设备安装数量，降低成本，方便了设备的运行维护。

(2)结构灵活多变，可根据工况设计：

换热面积灵活，可根据不同的工艺需求通过改变板片的大小和数量灵活调节。本换热器可根据换介质的的温度、压力、压降、换热效率等综合调整细节设计，以满足使用要求。

(3)不易结垢：

板片之间的丁胞以及丁胞接触形成的触点能使板片应力分布均匀，非常有效的缓解温差和振动引起的变形。凹凸不平的表面导致流体在较低雷诺数下为湍流，由此产生很大的壁面剪切力，从而实现了换热器的自清洁功能，不易结垢，维护成本低，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明吸收式全焊接板壳式换热器外部结构示意图；

图2为换热器内部芯体的结构示意图；

图3为金属板的平面结构示意图；

图4示出金属板局部区域的丁胞分布情况；

图5示出换热板对的侧视结构；

图6为芯体的部分分解结构示意图，主要示出流体流动情况。

图中：1.冷剂水入口接管，2.壳体，3.浓吸收剂溶液入口接管，4.高温热水出口封头，5.高温热水接管，6.低温热水接管，7.低温热水封头，8.稀吸收剂溶液出口接管，9.换热板对，10.冷剂水导管，11.吸收剂溶液导管，12.吸收剂溶液角孔，13.半球型丁胞，14.半椭球型丁胞，15.折边，16.冷剂水角孔，17.吸收剂溶液导管与板片间焊缝，18.丁胞触点，19.冷剂水导管与板片间焊缝，20.板对焊缝，21.板程，22.壳程。

具体实施方式

结合附图，一种吸收式全焊接板壳式换热器，包括壳体2和安装在壳体2内部的芯体。如图1所示，所述壳体2上设置有冷剂水入口接管1、浓吸收剂溶液入口接管3、稀吸收剂溶液出口接管8、低温热水封头7和高温热水出口封头4，低温热水封头7上连接低温热水接管6，高温热水出口封头4上连接高温热水接管5。

如图2所示，所述芯体由若干个换热板对9构成，所述换热板对9由两块金属板通过激光焊接而成，换热板对的内部形成板程腔体，供板程换热流体流通，各换热板对之间通过冷剂水导管10和吸收剂溶液导管11连接，芯体与壳体之间形成壳程腔体，供壳程换热流体流通。所述的换热器芯体主体为长方体结构。所述的换热器的摆放形式为立式、卧式或倾斜摆放中的一种。

如图3所示，所述金属板的正反两面分别冲压有半球形丁胞13，为了方便表述，将金属板的正面冲压的半球形丁胞称为正半球形丁胞，金属板的反面冲压的半球形丁胞称为反半球形丁胞，正半球形丁胞和反半球形丁胞在金属板上间隔排布，所述半球形丁胞的直径为4-8mm，深度为3-4mm，相邻正半球形丁胞和反半球形丁胞之间的间距为15-20mm。在金属板的正面还冲压有半椭球形丁胞14，半椭球形丁胞和半球形丁胞交叉布置，半椭球型丁胞的长轴方向长8-10mm，短轴方向长3-5mm，深度为1.5-3mm，所有半椭球形丁胞的伸展方向均一致，且半椭球形丁胞的长轴方向与金属板边缘的夹角为30-60°。金属板的厚度为0.4-0.6mm。所述金属板上半球形丁胞的密度为1450-1500个/m²；金属板上椭球形丁胞的密度为1550-1600个/m²。

图4示出金属板正面局部区域的丁胞分布情况，图中中心的半球形丁胞为向外凸出的，即正半球形丁胞，四周的四个半球形丁胞为向内凹的，即反半球形丁胞，图中的半椭球形丁胞同中心的正半球形丁胞一样，也均是向外凸出的。在金属板上还设置有折边15和多个角孔，换热板对组装时，将两块金属板的正面相向布置，两块金属板的折边对接，并通过激光焊接在一起，此时两块金属板上的正半球形丁胞相接触，形成接触点，或者说丁胞触点。所述角孔设置多个，包括吸收剂溶液角孔12和冷剂水角孔16，所述冷剂水导管和吸收剂溶液导管分别连接金属板上的吸收剂溶液角孔和冷剂水角孔，冷剂水和吸收剂溶液分别通过冷剂水角孔和吸收剂溶液角孔进入板程腔体。所述换热板对组装成芯体时，相邻换热板对之间，朝外侧凸出的反半球形丁胞也相接触，形成接触点，即丁胞触点18，如图5所示。其中，图5中还示出吸收剂溶液导管与板片间焊缝17，冷剂水导管与板片间焊缝19和板对焊缝20。

本发明通过在组成换热板对的金属板上合理布设半球形丁胞和半椭球形丁胞，不仅能极大地增强流体的湍流效果，进一步增强换热，还能增强结构的刚度，提高抗变形能力。换热板对内部，两个金属板片的半球形丁胞形成接触点，使金属板片应力分布均匀；换热板对间，相反方向的半球形丁胞也形成接触点，提升了芯体的整体机械性能。另外，该布置方式还利于加工，可降低加工难度，在保证加工可靠性和材料力学性能的情况下，极大地增加换热表面积。

进一步补充地说，本发明金属板采用方形波纹板结构形式，可克服传热不均衡等问题，适应能力较强，减少无法产生逆流换热的无效换热区域面积，提高换热效率、减少传热元件体积；此外，所述的波纹板冲压加工方便，加工工艺难度低。

所述的两块波纹板片设有方向相反的波纹，两种波纹的交叉点就形成接触点，这样还可消除振动，并且在促进湍流和热交换的同时，消除了由于疲劳裂缝引起的内部泄漏。

所述的波纹板片两面均匀设置有鼓泡或者说丁胞。板片之间的触点以及波纹上的鼓泡，利于流体分布均匀，同时相对于平板有较强的变形能力，故可以缓解介质之间由温差而造成的应力进行补偿，使波纹板片应力分布均匀，能够有效的缓解由于温差应力和流体冲击振动引起的变形。

另外，本发明吸收剂溶液导管与板片间焊缝、冷剂水导管与板片间焊缝以及板对焊缝均采用激光焊接方式进行焊接。焊接参数采用激光功率为1500W，焊接速度为1.5m/min，焦点位置为零。该焊接方式的选取可以保证焊缝熔透均匀，成型美观光亮，表面平整，无内部焊接缺陷，具有良好的焊接质量和密封性能。

作为对本发明的进一步设计，所述冷剂水导管10和吸收剂溶液导管11均采用膨胀节形式。这主要是考虑到板对和壳体因温差和压力作用不同导致的变形不一致问题，膨胀节形式的导管可起到补偿轴向变形的作用，能吸收变形以平衡调节壳体和换热板对间的应力大小。

本发明的换热过程大致如下：

如图6所示，低温热水经低温热水接管和低温热水封头进入换热器，流经壳程22。冷剂水经冷剂水入口接管进入换热器内部，再经冷剂水导管流入各板对内腔即板程21。浓吸收剂溶液经浓吸收剂溶液入口进入换热器内部，经浓吸收剂溶液导管流入各板对内腔，并与冷剂水混合。因吸收剂具有极强的吸水性，浓吸收剂溶液与冷剂水混合稀释后释放大量的热量，经板片导热，将热量传递至低温热水。在工业生产中产生的大量低温热水吸收热量后变为高温热水，提高了能源利用效率。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，上述实施例只是为了说明本发明的技术思路及特点，其目的是让技术人员能够了解本发明的内容和方法并能够顺利实施，并不限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容做出的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种吸收式全焊接板壳式换热器，其特征在于：包括壳体和安装在壳体内部的芯体；

2.根据权利要求1所述的一种吸收式全焊接板壳式换热器，其特征在于：所述冷剂水导管和吸收剂溶液导管均采用膨胀节形式。

3.根据权利要求1所述的一种吸收式全焊接板壳式换热器，其特征在于：所述金属板上半球形丁胞的密度为1450-1500个/m²；金属板上椭球形丁胞的密度为1550-1600个/m²。