CN109690227B - 竖管式热交换器和热交换方法 - Google Patents

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Abstract

具有沿竖直方向(V)延伸的管(32)的热交换器(5A)，其具有：‑第一室(25)，第一室具有：下部(44)，下部配有用于包括至少一种液体和含有雾气的第一蒸汽的二相流体的至少一个入口(12)；上部(46)；以及第一回收件(42)，第一回收件适于由第一蒸汽通过和适于以向下部返回液体的形式回收雾气，然后第一蒸汽到达上部中，‑中央室(30)，形成在管上流动并至少部分地汽化形成第二蒸汽的液膜，比二相流体更热的流体在内部流经管(32)，以及‑第二室(35)，其接收第一蒸汽和第二蒸汽以形成第三蒸汽，且具有用于未汽化液体的出口(16)和用于第三蒸汽的出口(14)，第一室和第二室围绕竖直方向一起形成围绕中央室的一个空间。

Description

竖管式热交换器和热交换方法
技术领域
本发明涉及管式热交换器，其适于至少具有一种液体及其蒸汽的二相流体，例如液态和气态丙烷的二相混合物。
本发明还涉及具有多个这种热交换器的装置。
本发明还涉及能够用于这种热交换器的热交换方法。
背景技术
在二相流体与更热流体之间的热交换领域，公知的是使用更热流体流经卧管的卧管式交换器。这种交换器例如用于丙烷制冷循环，其中，交换器用于汽化液态丙烷。
然而，这种交换器体积大，因为其占地面积大，特别是当其级联使用时。
因此，本发明的一个目的是提供一种交换器，其可减少占地面积，同时具有良好的热效率。
发明内容
为此，本发明涉及热交换器，其具有用于基本上沿竖直方向延伸的管，热交换器具有：
-第一室，第一室具有：下部，下部配有用于包括至少一种液体和含有雾气的第一蒸汽的二相流体的至少一个入口；上部；以及第一回收件，第一回收件适于由第一蒸汽通过和适于以向下部返回的液相的形式回收雾气，然后第一蒸汽到达上部中，
-中央室，中央室具有管，并且适于被供以来自位于第一室下部中的液浴的所述液体和适于形成液膜，液膜在管的外部面上流动和至少部分地汽化以形成第二蒸汽，比二相流体更热的流体在内部流经所述管，以及
-第二室，第二室用于接纳来自第一室的上部的第一蒸汽、以及第二蒸汽，并形成第三蒸汽，第二室优选具有第二回收件，第二回收件适于由第二蒸汽通过以及回收第二蒸汽中含有的雾气，第二室具有用于未汽化液体的至少一个出口、和用于第三蒸汽的至少一个出口，
第一室和第二室围绕竖直方向一起形成围绕中央室的一个空间。
根据具体的实施例，根据所有技术上可行的组合，热交换器具有以下一个或多个特征：
-在沿一水平面的截面上，由形成一个圆圈的外壳体向外径向地限定，外壳体优选是半圆形的，第一室由形成一圆圈区段的内壳体向内径向地限定，内壳体优选是半圆圈形的；
-第一回收件形成基本上呈水平的板件，分开第一室的下部与上部，和/或可选的第二回收件在沿水平面的截面上形成一圆圈区段，优选是半圆圈形的，并向外径向地限定中央室的一部分；
-第一室由适于分开液浴与中央室的密封的内壳体向内径向地限定，第一室具有至少一条通道，通道适于浸入液浴中和使液浴与中央室的入口进行流体连接，或者热交换器具有压缩机，用以使液体从液浴向中央室的入口上升；
-中央室具有一个或多个基本上呈水平的板件，中央室的板件适于分配管中的液体和形成液膜，中央室的板件限定管所通过的通孔，中央室优选具有含金属泡沫的若干套管，套管在管与板件之间径向延伸以使每个液膜均质化；
-中央室具有保持至少一些管的至少一个保持栅格，热交换器具有杯形件，杯形件固定在相关管上以回收被保持栅格破裂的液膜，每个杯形件限定一个通孔以形成新的液膜，中央室优选具有含金属泡沫的若干辅助套管，每个辅助套管在相关的管之一与杯形件之一之间径向地延伸以使新的液膜均质化；以及
-中央室具有用于接收液体的液体收集器、和附加管，附加管从液体收集器向下延伸，优选竖直延伸，适于在内部接收液体和形成向管的液体喷射，管优选地具有围绕竖直方向并形成适于回收液体喷射的翼片的螺旋的外部结构，液膜在外部结构上流动。
本发明还涉及具有多个如上所述的热交换器的装置，热交换器沿竖直方向叠置，装置优选具有使热交换器彼此连接的级联通道系统。
根据一个特殊实施例，装置是这样的，热交换器具有外壳，外壳适于限定热交换器一旦叠置相对彼此的固定相对位置。
最后本发明涉及使用基本上沿竖直方向延伸的管的热交换方法，所述热交换方法包括以下步骤：
-提供具有若干管的中央室，以及第一室和第二室，第一室和第二室围绕竖直方向一起形成围绕中央室的一个空间，
-向第一室的下部提供二相流体，二相流体具有至少一种液体以及含有雾气的第一蒸汽，
-使第一蒸汽穿过第一回收件用于以向下部返回液相的形式回收雾气，然后第一蒸汽到达第一室的上部，
-从位于第一室的下部的液浴向中央室供给所述液体，
-形成液膜，液膜在管的外部面上流动并至少部分地汽化以形成第二蒸汽，比二相流体更热的流体在内部流经所述管，
-在第二室中接收来自第一室的上部的第一蒸汽、和第二蒸汽，并形成第三蒸汽，
-通过第二室的至少一个出口排出未汽化的液体，和通过第二室的至少一个出口排出第三蒸汽，以及
-可选地，使第二蒸汽穿过位于第二室中的第二回收件，回收第二蒸汽中含有的雾气。
附图说明
根据下面参照附图仅作为例子所作的说明，本发明将得到更好的理解，附图如下：
-图1是本发明装置的竖直剖视示意图，其具有多个根据第一实施例所述的热交换器；
-图2是图1所示的最上的热交换器的竖直剖视图；
-图3是图1和2所示热交换器的水平面剖视示意图；
-图4是位于图1至3所示热交换器中的立管的一部分的竖直剖视示意图；
-图5是根据本发明第二实施例的热交换器的竖直面剖视示意图；以及
-图6是图5所示热交换器的立管的一个区段的细部图。
具体实施方式
本发明第一实施例的装置1参照图1加以说明。
装置1具有三个热交换器5A、5B、5C，以及有利地一个通道系统10，三个热交换器沿竖直方向V进行叠置。
根据未示出的其它实施例，装置1仅具有两个热交换器，或者三个以上的叠置热交换器。
这些热交换器5A、5B、5C每一个都具有一个包括至少一种液体和第一蒸汽的二相流体入口12、若干个用于蒸汽的出口14、以及一个用于未汽化液体的出口16。
装置1还具有用于向装置1提供比二相流体更热的流体的入口18、以及用于该更热的流体的出口20。
通道系统10使热交换器5A的出口16与热交换器5B的入口12进行流体连接，使热交换器5B的出口16与热交换器5C的入口12进行流体连接。
在所示的实施例中，入口18位于装置1的顶部，而出口20位于装置的底部。
每个热交换器5A、5B、5C具有一个外壳22，外壳具有互补形状，一旦叠置，适于限定热交换器5A、5B、5C彼此的相对固定位置。
例如，外壳22在每个热交换器5A、5B、5C的下部限定一个槽24，热交换器5A和5B的槽沿竖直方向V分别接纳在由热交换器5B和5C的外壳22形成的托座26中。
为了便于由通道系统10进行连接，热交换器5B的入口12与热交换器5A、5C的入口12相对于竖直方向V是径向相对的。同样，热交换器5B的出口14与热交换器5A、5C的出口14相对。
另外，热交换器5A、5B、5C在结构上基本上彼此类似，下面仅参照图2和3详述热交换器5A。
二相流体例如是丙烷。
更热的流体例如是混合致冷剂(英语为mixed refrigerant)或者供给气(英语为feed gas)。
如图2和3所示，热交换器5A具有第一室25、中央室30和第二室35，第一室25用于通过入口12接收二相流体以及在槽24的一部分中形成液浴27，中央室30具有多个基本上竖直的管32，适于从液浴27进行供给和适于至少部分地汽化所述液体，第二室35用于接收来自第一室和中央室的蒸汽，第一室和第二室围绕竖直方向V绕中央室一起形成空间40。
第一室25具有第一回收件42，第一回收件将第一室25分成下部44和上部46，下部44具有入口12和液浴27，上部46通过自调节孔48与第二室35进行流体连通。
第一室25还具有通道50，通道50适于浸入液浴27中和适于使液浴与中央室30的入口52进行流体连接。
第一室25沿基本上呈水平的平面P在截面上具有半环形形状。第一室25径向向内由内壳体54限定，内壳体54有利地沿平面P在截面上呈半圆形、以及是竖直的。第一室25径向向往由外壳体56径向限定，外壳体56有利地沿平面P上在截面上呈半圆形，和有利地构成热交换器5A的外壳22的一部分。
第一回收件42从内壳体54径向延伸至外壳体56并有利地形成基本上呈水平的板体。第一回收件4在分开第一室25与第二室35的两个隔板58之间2围绕竖直方向V角度地延伸。
隔板58有利地在一个竖直面P'上延伸，且具有若干自调节孔48。
通道50例如竖直延伸并有利地贴靠内壳体54。
第一回收件42适于由来自下部44的载有雾气的第一蒸汽通过和适于使液相返回内部。第一回收件42具有现有技术人员公知的和例如US 3 997 303和US 7 105 036中述及的材料。这种材料限定迂回通道，允许雾气液滴聚结及其在重力作用下返回下部44。
根据未示出的其它实施例，第一室25不呈半圆形，而是围绕竖直方向V有角度地延伸，所述角度小于180°，或者大于180°。
根据未示出的其它实施例，第一室25不是由圆形(圆圈区段)的壳体径向限定，而是具有非圆形的形状。
在所示的实施例中，中央室30沿平面P在截面上具有大体圆形形状。中央室30从头到尾被一些管32穿过。中央室30有利地具有多个基本水平的板件60，适合用于在管32之间分配液体。
中央室30还有利地具有：用于保持管32的若干保持格栅62；适于向中央室的和第二室35的底部可能存在的液浴66排出最高的板件60上的液体溢流的一条通道64；以及，若干中间溢流通道68，适于使板件60之一上的液体溢流向紧邻其下的板件溢出。
板件60有利地沿竖直方向V匀称地间隔开。
在所示的实施例中，热交换器5A中有四个板件60，热交换器5B和5C中有三个。
根据未示出的其它实施例，可仅有一个板件、两个板件、三个板件或者多于四个板件。
最高的板件60在中央室30中限定液体收集器70，液体收集器由通道50与液浴27进行流体连接，以及由溢流通道64与液浴66进行流体连接。
中央室30一方面由第一室25的内壳体54、另一方面由有利地为半圆柱形形状的并例如竖直布置的第二回收件69向外径向地限定。
如图4所示，每个板件60限定若干管32通过的若干通孔72。
含有金属泡沫的若干套管74有利地围绕管32安装在通孔72中。
套管74从管32的外部面76径向延伸到通孔72的边缘78。
例如，每个套管74从板件60之一的上表面80竖直延伸，有利地从该板件向下伸出。
金属泡沫例如是一种铝基泡沫，例如ERG航空航天公司销售的
Figure GDA0002534045740000071
泡沫。
保持格栅62(图2)例如基本上呈水平。保持格栅62有利地竖直地匀称间隔开。每个保持格栅62例如与两个板件60基本上保持等距离，最低的格栅62除外，最低的格栅与最低的板件60和外壳22保持等距离。
如图4所示，保持格栅62至少触及一些管32。
有利地，若干杯形件82在保持格栅62与管之间的接触区之下固定在管32上。杯形件82向上开口，以便能回收从管32之一径向离开的液体，以及限定用于管32与液体的通孔84。
有利地，含有金属泡沫的辅助套管86紧接着通孔84之下围绕管32进行布置。附加套管86例如由与套管74相同的材料制成。
第二室35例如由第二回收件69向内径向地限定，由外壳体88向外径向地限定，外壳体88沿平面P有利地基本上呈半圆形。
外壳体56和88至少在它们高度的一部分上一起形成竖直圆柱体。
出口14有利地竖直匀称地分布在第二室35中。
出口16竖直位于液浴66处。
现在来说明装置1的操作。
每个热交换器5A、5B、5C操作相似，除了热交换器5A以高压例如3至5绝对巴的操作，而热交换器5B以中压例如2至3绝对巴操作，以及热交换器5C以低压例如1至2绝对巴操作。
因此，下面仅将详细说明热交换器5A的操作。
如图2所示，二相流体(箭头F1)允许通过入口12，进入热交换器5A的第一室25的下部44。第一次分离发生在液体与第一蒸汽之间。液体(箭头F2)下落到在槽24中形成的液浴27中。第一蒸汽(箭头F3)在压力作用下上升并通过第一回收件42。
第一回收件42回收第一蒸汽中含有的雾气并使之向液浴27返回到液态(箭头F4)。在图2中，箭头F4是象征性的，因为雾气的回收以不是必须沿通道流动的液滴形式进行，且可如同下雨那样回落到下部44。
第一回收件42有利地回收第一蒸汽中含有的至少约99.5％重量的雾气。
除去雾气的第一蒸汽进入上部46(箭头F6)。然后，除去雾气的第一蒸汽有利地在中央室30的每一侧通过自调节孔48穿过隔板58(图3，箭头F7)。然后，第一蒸汽进入第二室35，并通过出口14排出(箭头F)。
如图2所示，液浴27在其表面上经受进入热交换器5A的二相流体的压力，在通道50中上升(箭头F9)，以到达位于中央室30顶部的液体收集器70中。
更热流体通过入口18输入到热交换器5A中，这里自上而下在管32中竖直流动(箭头F10)。然后，更热流体进入热交换器5B，其中更热流体流过管32，然后进入热交换器5C。更热流体通过出口20从装置1排出(图1)。
在液体收集器70中，液体在最高的板件60之上形成液浴90(图4)。如果出现溢流，液浴90可选地通过中间溢流通道68之一流动，直接流到紧接其下的板件60上。如果溢流较大，则液浴90通过通道64流动，到达位于中央室30和第二室35之下的液浴66中。
液浴66通过出口16流到热交换器5A外(图2)。
如图4所示，液浴90围绕每个管32分布，并通过孔72流动。液体流经套管74，这在每个管32的外表面76上产生均质液膜92。液膜92竖直流动(箭头F11)，同时升温，管32内部被更热流体加热。液膜92至少部分汽化(箭头F12)，在中央室30内产生第二蒸汽。
当液膜92可能地遇到保持格栅62之一时(箭头F13)，液膜破裂。杯形件82回收液体，包括如果液体由于保持格栅62而径向离开管32。回收的液体通过杯形件82的孔84流动，流经附加套管86(箭头F14)，再形成沿管32流动的均质的液膜94。因此，未汽化液体流到下一个板件60。
每个板件60的操作相似，未汽化液体最后进入中央室30底部的液浴66，且进入第二室35，通过出口16排出(图2)。
第二蒸汽在压力作用下进入中央室30，穿过第二回收件69(箭头F15)。第二蒸汽中可能含有的雾气以液态回收，并流到液浴66中。然后，第二蒸汽进入第二室35，与第一蒸汽混合，再通过出口14从热交换器5A排出。
如图1所示，通过出口16排出的液体由通道系统10输送到热交换器5B的入口12，形成新的二相流体，新的二相流体在所述交换器中进行与在热交换器5A中的二相流体同样的步骤，但是，以降低的压力进行，该压力为平均压力。
因此，在这些步骤实施过程中和在这些热交换器上，液体在管32上逐渐汽化，形成最后在热交换器5C的出口14回收的蒸汽。任何未汽化液体部分在热交换器5C的出口16进行收集。
更热的流体通过穿过热交换器5A至5C的管32而逐渐冷却。其通过热交换器5C底部的出口20冷却排出。
现在，参照图5和6，根据本发明的第二实施例，说明热交换器100。热交换器100类似于图1至4所示的热交换器5A。相似的构件采用相同的数字标号，不再予以说明。下面仅说明不同之处。
在所示的实施例中，热交换器100不与相似的交换器竖直叠置。根据未示出的其它实施例，其与相似的热交换器叠置。
热交换器100具有出口116(图5)，出口116不位于第二室35一侧，而位于第一室25一侧，使来自液浴27的液体排出。热交换器100还具有压缩机110，以便压缩来自出口116的液体并使之通过入口52注入液体收集器70中。
中央室30具有若干附加管132，附加管从液体收集器70向下竖直延伸，以在内部接收来自液体收集器70的液体。
附加管132适于向外形成向管32的液体喷射134。例如，附加管132具有竖直匀称地间隔开的孔136。
管32有利地具有围绕竖直方向V的螺旋形的外部结构138以及形成适于回收液体喷射134的翼片140。
交换器100的操作类似于热交换器5A的操作。下面仅详细说明不同之处。
液浴27的液体不在液体收集器70中通过一条通道50上升，而是通过出口116排出，由压缩机110注入到入口52中。
液体收集器70中的液体不使用板件上的孔，而是进入附加管132，以形成液体喷射134。
液体喷射134到达管32的外部结构138(图6)并被其回收以形成液膜92。液膜92在螺旋的结构上流动(箭头F11)并至少部分地汽化(箭头F12)，在中央室30中形成第二蒸汽。
未汽化的液体进入液浴66，液浴66与液浴27连通。同样，第二回收件69从第二蒸汽中可能存在的雾气回收的液体进入液浴66，然后进入液浴27。
可选地，压缩机110还用于使二相流体注入到入口12中(箭头F1)。
由于上述特征，装置1和热交换器100结构非常紧凑，占地面积小。此外，其易于制造，热效率高。其有利地采用能标准化的一个或多个组件的形状。
第一回收件42和任何第二回收件69可从生产线除去若干推荐使用的设备部件(例如：制冷循环中压缩机之前的球形瓶)，甚至必要时，不使用这些回收部件。
选用的保持格栅62有效保持管32，有利地防止振动。
选用的杯形件82可减少保持格栅82的破裂效应。
套管74和附加套管86也是可选的，其使液膜92、94围绕管32均匀分布。

Claims (16)

1.热交换器(5A；100)，其具有用于基本上沿竖直方向(V)延伸的管(32)，其特征在于，热交换器具有：
-第一室(25)，第一室具有：
下部(44)，下部配有用于包括至少一种液体和含有雾气的第一蒸汽的二相流体的至少一个入口(12)，
上部(46)，以及
第一回收件(42)，第一回收件适于由第一蒸汽通过和适于以向下部(44)返回的液相的形式回收雾气，然后第一蒸汽到达上部(46)中，
-中央室(30)，中央室具有管(32)，并且适于被供以来自位于第一室(25)的下部(44)中的液浴(27)的所述液体和适于形成液膜(92,94)，液膜在管(32)的外部面(76)上流动和至少部分地汽化以形成第二蒸汽，比二相流体更热的流体在内部流经所述管(32)，以及
-第二室(35)，第二室用于接纳来自第一室(25)的上部(46)的第一蒸汽、以及第二蒸汽，并形成第三蒸汽，第二室(35)具有用于未汽化液体的至少一个出口(16；116)、和用于第三蒸汽的至少一个出口(14)，
第一室(25)和第二室(35)围绕竖直方向(V)一起形成围绕中央室的一个空间(40)。
2.根据权利要求1所述的热交换器(5A；100)，其特征在于，在沿水平面(P)的截面上：
-第一室(25)和第二室(35)由形成一个圆圈的外壳体(56,88)向外径向地限定，
-第一室(25)由形成一圆圈区段的内壳体(54)向内径向地限定。
3.根据权利要求1所述的热交换器(5A；100)，其特征在于，第一回收件(42)形成基本上呈水平的板件，分开第一室(25)的下部(44)与上部(46)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器(5A；100)，其特征在于，
-第一室(25)由适于分开液浴(27)与中央室(30)的密封的内壳体(54)向内径向地限定，第一室(25)具有至少一条通道(50)，通道适于浸入液浴(27)中和使液浴(27)与中央室的入口(52)进行流体连接，或者
-热交换器具有压缩机(115)，用以使液体从液浴(27)向中央室(30)的入口(52)上升。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器(5A)，其特征在于，中央室(30)具有一个或多个基本上呈水平的板件(60)，中央室的板件适于分配所述管(32)中的液体和形成液膜(92)，板件(60)限定管所通过的通孔(74)。
6.根据权利要求5所述的热交换器(5A)，其特征在于，中央室(30)具有保持至少一些管(32)的至少一个保持栅格(62)，热交换器具有杯形件(82)，杯形件固定在相关管(32)上以回收被保持栅格(62)破裂的液膜(92)，每个杯形件(82)限定一个通孔(84)以形成新的液膜(94)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，中央室(30)具有用于接收液体的液体收集器(70)、和附加管(132)，附加管从液体收集器(70)向下延伸，适于在内部接收液体和形成向管(32)的液体喷射(134)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，第二室(35)具有第二回收件(69)，第二回收件适于由第二蒸汽通过以及回收第二蒸汽中含有的雾气。
9.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，
-外壳体(56,88)是半圆圈形的，以及
-圆圈区段是半圆圈形的。
10.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，中央室(30)具有含金属泡沫的若干套管(74)，套管(74)在管与板件(60)之间径向延伸以使每个液膜(92)均质化。
11.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，中央室(30)具有含有金属泡沫的若干辅助套管(86)，每个辅助套管(86)在相关的管(32)之一与杯形件(82)之一之间径向地延伸以使新的液膜(94)均质化。
12.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，管(32)具有围绕竖直方向(V)并形成适于回收液体喷射(134)的翼片(140)的螺旋的外部结构(138)，液膜(92)在外部结构(138)上流动。
13.具有多个根据权利要求1至12中任一项所述的热交换器(5A,5B,5C)的装置(1)，其特征在于，热交换器(5A,5B,5C)沿竖直方向(V)叠置。
14.根据权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，热交换器(5A,5B,5C)具有外壳(22)，外壳适于限定热交换器(5A,5B,5C)一旦叠置相对彼此的固定相对位置。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，装置还具有使热交换器(5A,5B,5C)彼此连接的级联通道系统(10)。
16.使用基本上沿竖直方向(V)延伸的管(32)的热交换方法，其特征在于，所述热交换方法包括以下步骤：
-提供具有若干管(32)的中央室(30)、以及第一室(25)和第二室(35)，第一室和第二室围绕竖直方向(V)一起形成围绕中央室(30)的一个空间(40)，
-向第一室(25)的下部(44)提供二相流体，二相流体具有至少一种液体以及含有雾气的第一蒸汽，
-使第一蒸汽穿过第一回收件(42)用于以向下部(44)返回液相的形式回收雾气，然后第一蒸汽到达第一室(25)的上部(46)，
-从位于第一室(25)的下部(44)的液浴(27)向中央室(30)供给所述液体，
-形成液膜(92)，液膜在管(32)的外部面(76)上流动并至少部分地汽化以形成第二蒸汽，比二相流体更热的流体在内部流经所述管(32)，
-在第二室(35)中接收来自第一室(25)的上部(46)的第一蒸汽、和第二蒸汽，并形成第三蒸汽，以及
-通过第二室(35)的至少一个出口(16；116)排出未汽化的液体，和通过第二室(35)的至少一个出口(14)排出第三蒸汽。
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