CN109269322A - 一种低温换热器及冷箱设备 - Google Patents

Abstract

一种低温换热器及冷箱设备，属于热能利用技术领域。低温换热器由壳体及设置在壳体内部的换热管道构成；在壳体构成的腔体顶部设有通入待冷却的高温流体的第一入口、在腔体的底部设有输出低温液体的第一出口；在腔体的底部还设有换热管道的第二入口，在腔体的顶部设有换热管道的第二出口；壳体设有绝热结构。冷箱设备包括上述的低温换热器。本低温换热器能够减少换热器内部与外部环境的热量交换，提高换热效率。

Description

一种低温换热器及冷箱设备

技术领域

本发明涉及热能利用技术领域，具体而言，涉及一种低温换热器及冷箱设备。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要。换热器主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。例如电厂低温用聚四氟乙烯换热器是发电厂为降低排烟温度进行余热回收的新型装置设备。

冷箱是一组高效、绝热保冷的低温换热设备。在深冷分离过程中经常采用，如在石油裂解气的深冷分离过程中就采用在-100～-140℃左右工作的冷箱。它由结构紧凑的高效换热器和气液分离器所组成。因为低温极易散冷，要求极其严密的绝热保冷，故用绝热材料把换热器和分离器均包装在一个箱形物内，称之为冷箱。

现有技术中，换热器通常由壳体和设置在壳体内部的换热管道组成，但是在使用过程中能量损失较多，使得换热效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温换热器及冷箱设备，能够减少换热器内部与外部环境的热量交换，提高换热效率。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种低温换热器，由壳体及设置在壳体内部的换热管道构成；在所述壳体构成的腔体顶部设有通入待冷却的高温流体的第一入口，在所述腔体的底部设有输出低温液体的第一出口；在所述腔体的底部还设有所述换热管道的第二入口，在所述腔体的顶部设有所述换热管道的第二出口；所述壳体和所述换热管道均为耐低温材料，并且所述壳体上设有高度保低温的绝热结构。

进一步地，所述壳体由低温钢材料构成，并且设置有保温绝热材料或设置有真空的绝热结构。

进一步地，所述高温流体第一入口处、输出所述冷却后流体的第一出口处、所述换热管道的第二入口管道以及所述换热管道的第二出口管道与所述壳体的连接处均设有高度绝热的保温套或者保温结构。

进一步地，所述换热管道包括多层蚊香型盘管，相邻的两层蚊香型盘管之间管道连通，蚊香型盘管的串联或并联，用于增加所述换热管道的长度和换热面积，并使得所述换热管道与待冷却的流体充分换热。

进一步地，所述壳体内部设置有中心支柱和承托，所述承托与所述壳体，和所述中心支柱固接，用于承载所述蚊香型换热管道，并且将每层的蚊香型盘管架空，使得所述换热管道与待冷却的流体充分接触和充分的换热；所述中心支柱设置于多层所述蚊香型盘管的中心位置，用于填补和扩大多层所述蚊香型盘管的中心内径，与所述承托和所述壳体共同承载和固定多层所述蚊香型盘管。

进一步地，所述承托包括多个，且多个所述承托分别与所述中心支柱和所述壳体固定连接，用于增强所述壳体的承压能力，多个所述承托与多层所述蚊香型盘管相对应，所述承托用于固定和承载每层所述的蚊香型盘管。

进一步地，位于最底层的所述承托与所述壳体底部之间设置有气液分离装置，所述气液分离装置与所述壳体内壁之间形成储液腔，所述高温流体冷却后流至所述储液腔，所述储液腔与所述低温液体的第一出口连通。

进一步地，所述低温换热器的材料包括低温钢或真空绝热材料。

本发明实施例的另一方面，提供一种冷箱设备，包括：上述任意一项的低温换热器。

进一步地，所述壳体外周套设有附加壳体，所述壳体与所述附加壳体之间设置有蚊香型的拓展换热管道；且所述拓展换热管道与所述壳体内部的换热管道串联连接，所述附加外壳体上设有第一入口，用于通入待冷却的高温流体和输出冷却后的流体，所述拓展换热管道冷却产生的液体从所述附加壳体底部的出液口输出；所述拓展换热管道与所述换热管道之间设有通气的进出口。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的低温换热器，通过设置壳体以及壳体高度真空保低温绝热结构和设置在壳体内部的蚊香型换热管道；使得本实施例的低温换热器在使用中，可以使这种低温换热器内部与外部完全保障低温和绝热，保证低温换热器内部的冷量尽量不被损失，采用蚊香型换热管道，相对于其他板式换热器、夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器，更加便于制造加工，并且体积小成本低，提高本低温换热器的换热效率。

本发明实施例还在壳体底部设置有气液分离和储液腔，高温流体冷却后流至储液腔，通过壳体底部的气液分离和储液腔共同作用，能够确保壳体底部输出的是低温的液态流体，储液腔与低温液体的第一出口输出管道连通；该低温换热器除了满足特殊低温换热器的需求，该低温换热器结构还适用于生产和制造特殊需求的冷箱设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的低温换热器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明实施例提供的冷箱设备的结构示意图。

图标：100-低温换热器；1-第一入口；2-第一出口；3-第二入口；4-第二出口；110-壳体；5-中心支柱；6-承托；7-支撑；8-换热管道；9-蚊香型盘管；10-保温套；11-气液分离装置；17-网孔；12-储液腔；200-冷箱设备；13-附加壳体；14-进出口；15-出液口；16-拓展换热管道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本发明实施例提供一种低温换热器100，由壳体110及设置在壳体110内部的换热管道8构成；在壳体110构成的腔体顶部设有通入待冷却的高温流体的第一入口1、在腔体的底部设有输出低温液体的第一出口2；在腔体的底部还设有换热管道8的第二入口3，在腔体的顶部设有换热管道8的第二出口4，壳体110设有绝热结构。

需要说明的是，第一，第二入口3通入的是极其低温的液体流体，因此蚊香型换热管道8输入的为极其低温的流体，与第一入口1输入的高温流体进行换热，导致第一入口1输入的高温流体的温度不断地降低，达到最低温度后，经过气液分离装置11，进入到储液腔12，最后再由第一出口2对外输出。

第二，流体包括气体和液体，因此本实施例的低温换热器100可以用于冷却高温气体，还可以用于冷却高温液体；当高温流体为气体时，冷却后形成液体，通过气液分离装置11和储液腔12共同作用，通过第一出口2将呈现液态的流体对外输出；当高温流体为液体时，冷却后形成较低温液体，可以没有气液分离装置11和储液腔12，输入的高温流体为液态，可以去掉以上这两个部件，直接通过蚊香型换热管道8降低温度即可。

本发明实施例提供的低温换热器100在使用中，高温流体从第一入口1进入壳体110内，低温冷却液(例如液氮、液氢)从第二入口3进入换热管道8内，高温流体和低温液体在壳体110内进行热交换，高温气体被冷凝成液体并从第一出口2输出，低温液体被加热后成为气体并从第二出口4输出，完成换热的过程。

本发明实施例提供的低温换热器100，通过设置壳体110和设置在壳体110内部的蚊香型换热管道8，在壳体110上设置保温结构，优选真空保低温绝热结构，使得本实施例的低温换热器100在使用中可以使低温换热器100内部与外部环境隔绝开来，避免外界热能进入壳体110内部，减少和避免低温换热器100内部的冷量损失和降低制冷成本，达到特殊的低温工艺和特殊需求。

在壳体110的底部，设置有承托6、支撑7以及气液分离装置11，最底部的承托6与底部壳体110的空间为储液腔12，低温冷却液(例如液氮、液氢)从第二入口3进入换热管道8内，与从第一入口1进入壳体110内的高温流体进行换热，高温气体被低温冷却液(例如液氮、液氢)冷凝成为液态，通过最底部的承托6和气液分离装置11，进入到储液腔12，由第一出口2输出低温的冷凝液态。

储液腔12占用壳体110底部的空间大小，根据实际情况和需求进行设计，底部承托6和气液分离装置11，及支撑7，分别与壳体110和中心支柱5形成固接(固接包括焊接和螺丝紧固等)，用于承载换热管道8的重量，同时设置有气液分离作用的孔洞，有利于冷凝液体进入储液腔12，第一出口2设置于储液腔12的中下部或者底部，有利于冷凝液体的输出。如果第一入口1输入的介质为液态，该储液腔12可以根据情况缩小空间或者取消掉，第一出口2，第二入口3，均为低温液体输入和输出，由于低温液体的温度极其低，为避免冷量损失，该低温换热器100的低温输入和输出接口处，均设置有保温结构的保温套10，该低温换热器100的输出管道也是一样，均需要做保低温绝热，具体的保低温绝热结构和层数不作详细具体的限定，这些属于保低温绝热和真空隔热技术领域的范畴。

第三，本实施例中壳体110设置有保低温的高度绝热结构，优选真空绝热结构，具体的保低温绝热结构和层数不作详细具体的限定，这些属于保低温绝热和真空隔热技术领域的范畴。可以采用双层(甚至三层)壳体110抽真空处理，也可以采用真空绝热板，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例的第一入口1设置在壳体110的顶部，根据情况可设置为开口的输入管道接口，该低温换热器100顶部可全封闭、半封闭、或者全开口结构，输入接口方式的具体实施，需要根据实际情况和需求而定，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例，采用高度保低温的绝热壳体110，作为该低温换热器100的第一换热介质的容器，更加低温的第二介质从第二入口3输入，通过叠加在一起的蚊香型盘管9，与第一介质进行充分接触和充分换热，能够大大的提高该低温换热器100的换热效率，为了更加有利于和第一介质进行充分的换热，每层蚊香型盘管9之间，还设置有盘管之间的承托6，该盘管间的承托6与壳体110和中心支柱5形成固接，其作用除对蚊香型盘管9实现承重外，还具有隔离和架空每层蚊香型盘管9的作用，有利于蚊香型盘管9与壳体110内部的第一介质进行充分的换热；蚊香型盘管9之间的承托6为导热的金属，也相当于是所述蚊香型盘管9的换热面积，同时，该蚊香型盘管9间的承托6与壳体110和中心支柱5形成固接，也有利于提高壳体110承受压力的能力，即使壳体110内部压力很大，通过蚊香型盘管9间的承托6与中心支柱5形成固接，也能有效和明显的提高壳体110承受内部压力和外部压力的能力，一举多得。

请参照图2，通过采用上述的结构，可以增加换热管道8内的冷却液(例如液氮、液氢)与高温流体的换热面积，进而增加本实施例的低温换热器100的换热效率。具体地，采用上述的结构，使得每层蚊香型盘管9的表面积均为有效的换热面积，在换热的过程都能起到换热的作用。本实施例的低温换热器100的总换热面积为多层蚊香型盘管9的表面积之和，因此，具有较大的换热面积。同时生产和制造这种蚊香型盘管9，管道采用机械不断地旋转即可，相对其他来说较容易，因此制造成本也较低。

为了增加换热管道8的换热面积和延长换热管道8的长度，每层蚊香型盘管9可以采用串联和并联进行组合，同时还可以通过增加中心支柱5的半径，扩大蚊香型盘管9的内径，进一步延长和扩大蚊香型盘管9的外径，达到增加换热管道8的换热面积和延长换热管道8的长度的目的，此处不再赘述。

由于蚊香型盘管9为管道盘旋缠绕而成，因此蚊香型盘管9的中心形状为圆形。而与之相应的，中心支柱5也可以选择圆管。此外，中心支柱5可以为实心管道，也可以为空心的管道，而优选地，为了减轻本实施例的低温换热器100的重量，降低成本，中心支柱5优选空心的管道。

需要说明的是，由于本发明实施例既可以冷却高温气体，也可以冷却高温液体，因此气液分离装置11可以根据实际需要进行选择是否设置，当冷却的是高温液体的时候，可以不设置气液分离装置11，本发明实施例对气液分离装置11的结构形式不作具体限定，示例的，可以采用网板，当高温气体在壳体110内冷却后，会变成液体，但是还会有气体，因此实际在气液分离装置11处的流体已经是气体和液体的混合物了。在气体和液体一起流动时，液体会受到重力的作用产生向下的速度，并穿过网孔17流至储液腔12内。优选地，网板与中心支柱5之间的夹角为锐角，这样一来，当一部分气体随着液体一起穿过网孔17时，由于气体的密度小于液体，因此会朝上方流动，当接触到倾斜的网板时，一部分会在气液分离装置11上冷凝成液体，并沿着网板流下至储液腔12内。为了增加承托6的承重强度，可以在承托6下面设置支撑7。

采用上述结构，使得本实施例的低温换热器100在对高温气体进行冷却时，可以将气体和冷凝形成的液体分离，进而使得对高温气体冷却的更加彻底。

优选的，低温换热器100的材料包括低温钢。

需要说明的是，本发明实施例对低温钢的选型不作具体限定，示例的，可以采用304钢，还可以采用其他材料。采用耐低温材料使得本实施例的低温换热器100在低温状态下使用中不容易出现变脆和出现裂纹等情况。

本发明实施例的另一方面，提供一种冷箱设备200，包括：上述任意一项的低温换热器100。本冷箱设备200具有与前述实施例中的低温换热器100相同的结构和有益效果。由于低温换热器100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

可选地，请参照图3，第一入口1设置在附加壳体13上，壳体110与附加壳体13之间设置有拓展换热管道16，拓展换热管道16与换热管道8连通。拓展换热管道16的通道与换热管道8的通道之间设有通气的进出口14，便于第一入口1输入的第一介质，通过进出口14进入到里面的换热管道8里面，继续进行换热和从第一出口2输出液体。

需要说明的是，本发明实施例提供的冷箱设备200主要用于冷却气体。

采用上述的结构，可以使得本实施例的冷箱设备200更好地冷凝不同成分的气体，具体地，高温气体进入附加壳体13与壳体110之间，并与拓展换热管道16内的冷却介质进行换热，将冷凝点温度高的气体进行冷凝，冷凝产生的液体通过出液口15，对外进行输出；剩余气体进入壳体110内，并与换热管道8内的冷却液进行换热，将冷凝点温度最低的气体冷凝。

为了更好的分离和冷凝第一入口1输入的不同沸点的气体介质，该冷箱设备200可以在壳体110外增加多层附加壳体13，且附加壳体13之间均设置拓展换热管道16，并且通过拓展的出液口15，输出不同的冷凝液体介质，例如，当在壳体110外周设置两层附加壳体13时，第一入口1输入的是空气(第二入口3输入的是极其低温的液氮、液氢)，空气中的水蒸气，在最外层拓展换热管道16中冷凝，水从最外的出液口15输出，去除水蒸气的空气继续进入到里面的附加壳体13内部，与拓展换热管道16内的冷却液继续换热，温度进一步降低，空气中的二氧化碳等冷凝温度更低的介质也产生冷凝，液体通过出液口15输出，空气中冷凝温度最低的氮气和氧气，进入到壳体110的腔体里面，与换热管道8内的冷却液进行换热，换热管道8内的冷却液是第二入口3输入的极其低温的介质(例如液氢、液氦)，沸点温度明显低于氮气和氧气的冷凝温度，因此冷凝温度极低的氧气、氮气也被冷凝成为液体，通过第一出口2对外输出。液氢、液氦吸热气化形成高压，对外驱动汽轮机发电，因此所述换热管道8及拓展换热管道16，不但要选择耐低温钢材料，同时还要求具有一定的承压能力。该冷箱结构为前面所述的低温换热器100结构的放大版和拓展应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温换热器，其特征在于，由壳体及设置在壳体内部的换热管道构成；在所述壳体构成的腔体顶部设有通入待冷却的高温流体的第一入口，在所述腔体的底部设有输出低温液体的第一出口；在所述腔体的底部还设有所述换热管道的第二入口，在所述腔体的顶部设有所述换热管道的第二出口；所述壳体和换热管道均为耐低温材料，并且所述壳体上设有高度保低温的绝热结构。

2.如权利要求1所述的低温换热器，其特征在于，所述壳体由低温钢材料构成，并且设置有保温绝热材料或设置有真空的绝热结构。

3.如权利要求1所述的低温换热器，其特征在于，所述高温流体第一入口处、输出所述冷却后流体的第一出口处、所述换热管道的第二入口管道以及所述换热管道的第二出口管道与所述壳体的连接处均设有高度绝热的保温套或者保温结构。

4.如权利要求1～3任一项所述的低温换热器，其特征在于，所述换热管道包括多层蚊香型盘管，相邻的两层蚊香型盘管之间管道连通，蚊香型盘管的串联或并联，用于增加所述换热管道的长度和换热面积，并使得所述换热管道与待冷却的流体充分换热。

5.如权利要求4所述的低温换热器，其特征在于，所述壳体内部设置有中心支柱和承托，所述承托与所述壳体，和所述中心支柱固接，用于承载所述蚊香型换热管道，并且将每层的蚊香型盘管架空，使得所述换热管道与待冷却的流体充分接触和充分的换热；所述中心支柱设置于多层所述蚊香型盘管的中心位置，用于填补和扩大多层所述蚊香型盘管的中心内径，与所述承托和所述壳体共同承载和固定多层所述蚊香型盘管。

6.如权利要求5所述的低温换热器，其特征在于，所述承托包括多个，且多个所述承托分别与所述中心支柱和所述壳体固定连接，用于增强所述壳体的承压能力，多个所述承托与多层所述蚊香型盘管相对应，所述承托用于固定和承载每层所述的蚊香型盘管。

7.如权利要求5或6所述的低温换热器，其特征在于，位于最底层的所述承托与所述壳体底部之间设置有气液分离装置，所述气液分离装置与所述壳体内壁之间形成储液腔，所述高温流体冷却后流至所述储液腔，所述储液腔与所述低温液体的第一出口连通。

8.如权利要求1～3、5或6任一项所述的低温换热器，其特征在于，所述低温换热器的材料包括低温钢或真空绝热材料。

9.一种冷箱设备，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项的低温换热器。

10.如权利要求9所述的冷箱设备，其特征在于，所述壳体外周套设有附加壳体，所述壳体与所述附加壳体之间设置有蚊香型的拓展换热管道；且所述拓展换热管道与所述壳体内部的换热管道串联连接，所述附加外壳体上设有第一入口，用于通入待冷却的高温流体和输出冷却后的流体，所述拓展换热管道冷却产生的液体从所述附加壳体底部的出液口输出；所述拓展换热管道与所述换热管道之间设有通气的进出口。