CN110234952B - 具有改进的通道几何形状的液/气混合装置的热交换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有板(2a，2b，2c，……)的热交换器(1)，这些板限定了用于引导至少一种制冷剂流体(F1)的第一系列通路(10)和用于引导至少一种产热流体(F2)的第二系列通路(20)，第一系列的至少一个通路(10)被限定在第二板(2b)和限定第二系列的相邻通路(20)的第一板(2a)之间。混合装置(3)安排在第一系列的通路(10)中，并且包括面向第一板(2a)安排的第一表面(3a)和面向第二板(2b)安排的第二表面(3b)、用于引导制冷剂流体(F1)的气相(61)的至少一个第一通道(31)、以及用于引导制冷剂流体(F1)的液相(62)的至少一个第二通道(32)。根据本发明，平行于纵向方向(z)测量的第二通道(32)的纵向截面在第二表面(3b)的方向上减小。

Description

具有改进的通道几何形状的液/气混合装置的热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括用于流体中的每种流体的以热交换关系放置的一系列通路，该交换器包括至少一个混合装置，该至少一个混合装置被配置成将具有液相/气相两相的至少一种混合物分配到该系列通路中的一个通路中。
具体地讲，本发明可以应用于热交换器，该热交换器通过与至少一种其他流体(例如天然气)热交换，蒸发至少一种液-气混合物流、尤其是多组分混合物流，例如碳氢化合物的混合物。
背景技术
通常用于交换器的技术是铝钎焊板和翅片交换器的技术，这使得可以获得高度紧凑的且提供较大交换表面积的装置。
这些交换器包括板，在这些板之间插入由一系列翅片或波纹支路形成的热交换波纹，从而构成蒸发通路堆叠和冷凝通路堆叠，一者旨在蒸发制冷剂液体，并且另一者旨在冷凝产热气体。流体之间的热交换可以在相变情况下或者在没有相变的情况下发生。
为了确保采用液-气混合物的交换器正确操作，所有通路中液相和气相的比例必须相同，并且在同一通路中必须均匀。
交换器的尺寸是在相均匀分布的前提下计算的，并且因此是在液相蒸发结束时的单一温度(等于混合物的露点)的前提下计算的。
在多组分混合物的情况下，蒸发结束时的温度将取决于通路中的液相和气相的比例。
在两相不均匀分布的情况下，制冷剂流体的温度曲线则将根据通路而变化，或者甚至在同一通路内变化。由于这种不均匀的分布，存在这样一种可能性：与两相混合物处于热交换关系的(多个)产热流体可能具有高于预期的交换器出口温度，并且因此这降低了热交换器的性能。
一种用于尽可能均匀分配混合物的液相和气相的解决方案是将它们分开地引入交换器中，然后，一旦它们在交换器内就将它们混合在一起。
文献FR-A-2563620描述了这样一种交换器，其中，带有槽的杆插入一系列通路中，该带有槽的杆旨在引导两相混合物。这种混合装置包括用于液相和气相的、通向公共混合容积的分开的入口，该公共混合容积配备有一个出口以用于将-液气混合物分配到热交换区。
然而，进给到混合装置的液相然后不可避免地与在其他系列通路的相邻通路中循环的(多个)产热流体处于热交换状态。这可能导致液相实际上在相应入口内开始蒸发，从而导致混合物的两相在该系列的某些通路中以及在同一通路内的某些区域中的不均匀分布。
为了最小化在混合装置处可能发生的热交换，一种解决方案可以是将混合装置安装在交换器的没有其他流体循环的区域中。于是，混合装置将只好定位在交换器的一个端部处、没有排放或供应流体的任何装置，并且这将需要对交换器进行整体重组，并且必然导致其尺寸增大。此外，这种解决方案不允许两相混合物引入到交换器的中部，这在方法的具体细节要求的情况下可能是期望。
发明内容
本发明的目的是完全或部分解决上述问题，特别是通过提出一种热交换器，其中，混合物的液相和气相的分布尽可能均匀，并且这样做不会过度增加交换器的结构的复杂性或增大其尺寸。
因此，根据本发明的解决方案是一种热交换器，该热交换器包括若干板，这些板彼此平行安排以便限定用于引导至少一种制冷剂流体的第一系列通路和用于引导至少一种产热流体的第二系列通路，该至少一种产热流体被放置为至少与所述制冷剂流体处于热交换关系，第一系列的至少一个通路被限定在第一板和限定第二系列的相邻通路的第二板之间，在第一系列的所述至少一个通路中还安排有混合装置，并且该混合装置包括：
-至少一个第一通道，该至少一个第一通道用于引导制冷剂流体的气相，
-至少一个第二通道，该至少一个第二通道用于引导制冷剂流体的液相，
其特征在于，平行于第二板测量的该第二通道的纵向截面在所述第二板的方向上减小。
根据本案，本发明的交换器可以包括以下技术特征中一个或多个：
-孔口，该孔口安排在第一通道和第二通道之间，所述孔口包括通向第二通道的入口和通向第一通道的出口，该第二通道的纵向截面从该孔口的入口朝向第二板减小。
-第一通道和第二通道平行于第一板和第二板延伸。
-第一通道安排在第二通道和第一板之间。
-这些通路在纵向方向上延伸，第一通道在纵向方向上延伸，并且第二通道在正交于纵向方向的侧向方向上延伸。
-第一通道由在混合装置内形成的第一空腔形成。
-混合装置包括面向第一板安排的第一表面和面向第二板安排的第二表面，第一空腔通到第一表面。
-第二通道由在混合装置内形成的第二空腔形成。
-第二空腔通到第二表面。
-混合装置包括在侧向方向上彼此相继的若干第一纵向通道。
-第二通道包括位于孔口的入口水平处的第一端部和位于第二板的侧面上的第二端部，在第二端部处测量的第二通道的纵向截面和在第一端部处测量的第二通道的纵向截面之间的比率包含在0与0.8之间、优选地在0.2与0.8之间。
-第二通道(32)的纵向截面朝向第二板(2b)逐渐减小。
-第二通道在侧向方向上延伸，在垂直于侧向方向的平面中，第二通道的截面至少部分的具有朝向第二板收敛的截头圆锥形形状。
-第二通道的纵向截面方面的减小是由所述第二通道在第二板的方向上发生的侧向收缩引起的。
-混合装置进一步包括平行于第一通道延伸的至少一个第三通道，所述第三通道安排在第二通道与第二板之间。
本发明可以应用于热交换器，该热交换器通过与至少一种其他流体(例如天然气)热交换而蒸发至少一种液-气混合物流、尤其是多组分混合物(例如碳氢化合物的混合物)流。
表述“天然气”涉及含有烃(至少包括甲烷)的任何组合物。这包括“天然”组合物(在任何处理或洗涤之前)，以及已经部分处理、基本上处理或完全处理以用于还原和/或除去一种或多种化合物的任何组合物，包括但不限于硫、二氧化碳、水、汞和某些重芳烃。
附图说明
现在将通过以下仅通过非限制性示例给出并参考附图的描述更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的一个实施例的进给有液-气两相混合物的热交换器的通路的部分在平行于纵向方向和横向方向的平面上的截面的示意图；
-图2是图1的交换器的一系列通路在平行于纵向方向且垂直于侧向方向的平面上的截面的示意图；
-图3A和图3B是在垂直于图1的平面的两个平面上的截面的示意图，其展示了根据本发明的交换器与其装配在一起的混合装置的一个实施例；
-图4A和图4B是图3A和图3B的混合装置以及这种装置的替代性形式的局部视图；
-图5和图6是根据本发明的其他实施例的混合装置的截面的示意图。
具体实施方式
图1和图2展示了根据本发明的一个实施例的热交换器1，该热交换器包括板2a、2b、2c……的在两个维度(纵向方向z和横向方向y)上延伸的堆叠。板2a、2b、2c……以一定间隔、彼此平行且彼此上下安排，并且因此经由所述板形成用于流体处于间接热交换关系的多个通路。侧向方向y被描绘为正交于纵向方向z并且平行于板2a、2b、2c……。
优选地，每个通路具有扁平的且平行六面体形状。与每个连续板的长度和宽度相比，两个连续板之间的间隔较小。
交换器1可以包括多个板(数量超过20甚至超过100)，从而在这些板之间限定了用于引导至少一种制冷剂流体F1的第一系列通路10和用于引导至少一种产热流体F2的第二系列通路20(在图1中不可见)，所述流体的流动总体上在纵向方向z。第一系列的通路10可以被安排以使它们中的全部或一些与第二系列的通路20中的全部或一些交替或相邻。
以本身已知的方式，交换器1包括分配装置和排放装置43、52，该分配装置和排放装置被配置成选择性地将各种流体分配到通路10、20中，并从所述通路10、20排放所述流体。
通路10、20沿着板2a……的边缘的密封通常由附接到板2a……上的侧向和纵向密封条4提供。侧向密封条4不完全阻塞通路10、20，但是有利地在通路的斜对角相对的角部中留有流体入口开口和出口开口。
第一系列的通路10的开口被安排成一个在另一个之上重合，而第二系列的通路20的开口布置在相对的角部。被彼此上下放置的开口分别在半管形状的歧管40、45、50、55中彼此结合，流体通过这些歧管被分配和排放出。
在图1和图2的描绘中，半管状歧管50、45用来将流体引入交换器1中，并且半管状歧管40、55用于从交换器1排出这些流体。
在实施例的这种替代性形式中，进给流体中的一种的歧管和排出另一流体的歧管是位于交换器的同一端部处，因此流体F1、F2逆流流过交换器1。
根据实施例的另一替代性形式，制冷剂流体和产热流体可以等同地并流循环，进给流体中的一种的装置和排出另一流体的装置于是位于交换器1的相反的端部处。
优选地，当交换器1运行时，纵向方向竖直定向。制冷剂流体F1通常竖直地并且在该方向的向上的指向上流动。在不脱离本发明范围的情况下，流体F1、F2的流动的其他方向和指向当然是可以想象的。
应当注意的是，在本发明的上下文中，一种或多种制冷剂流体F1和具有不同性质的一种或多种产热流体F2可以在同一交换器的第一系列的通路10和第二系列的通路20内流动。
分配和排放装置43、52有利地包括安排在两个连续板2a、2b之间呈波纹片的形式的分配波纹44、51、54……，这些波纹从入口开口和出口开口延伸。分配波纹44、51、54确保流体在通路10、20的整个宽度上均匀分配和回收。
此外，通路10、20有利地包括安排在板2a、2b……之间的热交换结构。这些结构的目的是增加交换器的热交换表面积。具体地，热交换结构是与通路中循环的流体接触，并通过传导将热通量传递到相邻的板，这些热交换结构可以通过钎焊附接到相邻的板，从而增加交换器的机械强度。
热交换结构还充当板之间的间隔物，特别是在交换器通过钎焊被组装时，并且以便避免板在加压流体使用期间的任何变形。热交换结构还为交换器的通路中的流体流动提供引导。
优选地，这些结构包括热交换波纹11，这些热交换波纹在分配波纹44、51、54沿着通路10、20的长度延长时，有利地平行于板地跨通路10、20的宽度和长度延伸。因此，交换器的通路10、20展现出其长度的构成热交换部分本身的主要部分，该主要部分覆盖有热交换结构，所述主要部分与覆盖有分配波纹44、51、54的分配部分侧面相接。
图1展示了第一系列1的通路10，该通路被配置成分配呈两相液-气混合物的形式的制冷剂流体F1。制冷剂流体F1在分离器装置6中被分离成气相61和液相62，气相和液相通过侧向歧管30和歧管50被分开地引入到交换器1中。然后，两相61、62通过安排在通路10中并在图1中示意性描绘的混合装置3而彼此混合。有利地，若干通路10、或者甚至第一系列的所有通路10，包括混合装置3。
图2是图1的交换器在平行于纵向方向z和垂直于侧向方向y的平面上的截面示意图。其示出了第一系列的通路10和第二系列的通路20的堆叠，混合装置3被安排在两个通路10中。
根据本发明的混合装置3有利地由棒或杆构成，棒或杆被容纳在通路10中并且优选地在通路10的截面中在通路10的几乎全部高度或者甚至在其全部高度上延伸，使得混合装置与形成通路10的每个板2a、2b接触。
混合装置3有利地通过钎焊固定到相邻的板2a和板2b上。
混合装置3可以平行于纵向方向z展现包括在20mm与200mm之间的第一尺寸，并且平行于侧向方向y呈现包括在100mm与1400mm之间的第二尺寸。
如在图3A和图3B中可以看出，混合装置3特别地由面向交换器的第一板2a安排的第一表面3a和面向第二板2b安排的第二表面3b界定。第二板2b与第三板2c一起形成相邻的通路20。第一表面3a和第二表面3b优选地分别大致平行(即平行或接近平行于第一板2a和第二板2b延伸。
混合装置3有利地具有平行六面体的整体形状。如下文所解释，第一表面3a和第二表面3b总体上是平面的，但是可以局部展现形成流体通道的空腔。
混合装置3至少包括用于引导制冷剂流体F1的气相61的第一通道31，流体的流动方向由箭头61表示。
此外，用于引导制冷剂流体F1的液相62的至少一个第二通道32。
根据本发明，第二通道32的纵向截面在第二表面3b的方向上减小。
应当注意的是，在本发明的上下文中，第二通道32的纵向截面或所述通道的开口的纵向截面是指平行于第二表面3b测量的通道截面，即在所述通道的平行于第二板3b的截面平面中。
因此，在图3A中展示的实施例中，第一通道31在纵向方向z上延伸，并且第二通道32在侧向方向y上延伸。因此，第二通道32的纵向截面在箭头x所指示的方向上减小。
通过在第二板2b的方向上减小第二通道32的纵向截面，液相62和第二板2b的部分(该部分在混合装置3的水平上延伸)之间的接触面积减小，从而使得可以大大减少在相邻通路20中循环的产热流体F2和制冷剂流体F1的液相62之间可能发生的热交换。这使得可以在液相与所述制冷剂流体F1的气相混合之前限制甚至避免液相的蒸发。因此，混合物的两相在两相混合物的情况下，实际上尽可能均质地分布在通路内部，并且在两相混合物的情况下，也均质地分布在各通路之间。
这种解决方案具有实施简单、不改变交换器的大小并且不使其结构更加复杂的优点。
有利的是，纵向通道31和第二通道32通过安排在第一通道31和第二通道32之间的至少一个孔口34而处于流体连通。孔口34包括通向第二通道32的入口342和通向第一通道31的出口341。一个或多个孔口34可以沿着y方向安排。
第二通道32的纵向截面从孔口34的入口342朝向第二表面3b减小。
在运行时，液相62和气相61的混合发生在出口341的整个下游，并且两相液/气混合物通过一个或多个通路33从混合装置中分配。
通道31、32和/或通路33可以通到混合装置3的端面35、36，或者通到从所述面35、36朝向装置3内部后退的面。
优选地，第一通道31和第二通道32具有细长的形状，与它们的宽度相比它们的长度较大。
有利地，第一通道31和第二通道32穿过混合装置3。因此，第二通道32在侧向方向y上测量的通路10的几乎全部宽度或者甚至在其全部宽度上延伸。
在本发明的上下文中，第一系列的至少一个通路10被限定在第一板2a和第二板2b之间，第一板2a还限定了紧邻相关通路10的第二系列的相邻通路20。混合装置3安排在第一系列相关通路10中。
有利地，第一通道31由混合装置3内形成的空腔形成。
根据图3A至图6中展示的替代性形式，第一通道31可以由形成在混合装置3内并且通到第一表面3a的空腔形成。优选地，第二通道32由混合装置3内形成的空腔形成。
在图4A中特别展示的实施例的一种形式中，形成第二通道32的空腔通到第二表面3b。于是，第二通道32包括位于第二表面3b处的开放第二端部321。
根据图4B展示的替代性形式，第二通道32由盲内腔形成。
图3A至图6展示了包括单个第二通道32的混合装置3。装置3还可以有利地包括若干在纵向反向z上彼此相继的侧向通道32。
同样地，混合装置3可以包括一个或多个纵向通道31。图3B展示了装置3，该装置包括在侧向方向y上彼此相继的一排纵向通道31。优选地，纵向通道31基本上彼此平行延伸。第一纵向通道31有利地安排在第二通道32和第一表面3a之间。
更具体地讲，第二通道32有利地包括位于孔口34的入口342的水平处的第一端部322和位于第二表面3b的侧面上的第二端部321。
根据本发明的一个有利实施例，第二通道32的纵向截面以这样的方式减小，即在第二端部321处测量的第二通道32的纵向截面和在第一端部处322测量的第二通道32的纵向截面之间的比率包括在0与0.8之间、优选地在0.2与0.8之间。
这种确定尺寸使得可以最小化相邻流体和在第二通道32中循环的液体之间的热交换。
通过举例的方式，在图4A或4B中展示的构型中，第二通道32的纵向截面的比率(等于0)对应于其横截面在形状上为三角形的第二通道32。
在两端开口的第二通道32的情况下，在第一端部322处或底部322处测量的开口321的纵向截面和第二通道32的宽度之间的比率包括在0.2与0.8之间。
具体地讲，如图3A、图4A和图4B所示，第二通道32的纵向截面可以朝着第二表面3b逐渐减小。
根据本发明的一个有利实施例，如图3A、图4A和图4B所示，第二通道32的截面至少部分地具有朝向第二表面3b收敛的截头圆锥形形状。
可替代地，第二通道32的纵向截面减小是由所述第二通道32在第二表面3b的方向上的侧向收缩324引起的。“收缩”的意思是第二通道32宽度急剧减小，典型地是这样的减小，其使得上文限定的纵向截面的比率包括在0.2与0.8之间，这种减小发生在第二表面3b的方向上通常小于4mm的距离上。
以这样的方式，在制冷剂流体F1与气相混合之前在相邻通路20中循环的产热流体F2和制冷剂流体的液相之间发生的热交换更进一步减少。
优选地，收缩324基本对称地发生。
有利地，收缩使得第二通道32具有呈倒T形形状的截面，如图5和图6所展示的。
更具体地讲，第二通道32可以包括垂直于底部322安排的侧向壁323，并且所述底部322可以平行于纵向方向z安排。
图3B的表示仍然适用于混合装置3在垂直于图5或图6的平面的平面中的表示。
根据本发明的一个特定实施例(图6中展示)，混合装置3进一步包括用于引导制冷剂流体F1的气相61的第三通道37，所述第三通道37在第二通道32和第二表面3b之间在纵向方向z上延伸。
该第三通道37的存在使得可以更进一步最小化在第二通道32中循环的液体和在相邻通路中循环的流体之间的热交换。这实际上使得可以在第二通道和第二板2b之间形成用作热绝缘体的气体屏障。
需要强调的是，第一通道31和第三通道37可以具有相同或不同的形状和数量。如图6所示，第二通道32的开口321有利地通向第三通道37。在此实施例中，混合装置3包括用于两相液/气混合物的至少两个通路33。
当然，本发明不限于在本申请中描述和展示的特定示例。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以考虑本领域技术人员能力范围内的其他替代性形式或实施例。
例如，根据本发明的交换器主要针对以下情况进行描述，其中，通路10、20在纵向方向z上延伸，第一通道31在纵向方向z上延伸，并且第二通道32在正交于纵向方向z的侧向方向y上延伸。也可以想到相反的情况，即第一通道31在侧向方向y上延伸并且第二通道32在纵向方向z上延伸。侧向方向y和纵向反向z也可以不相互正交。

Claims (16)

1.一种热交换器(1)，该热交换器包括若干板(2a，2b，2c)，该若干板彼此平行安排以便限定用于引导至少一种制冷剂流体(F1)的第一系列通路(10)和用于引导至少一种产热流体(F2)的第二系列通路(20)，该至少一种产热流体被放置为至少与所述制冷剂流体(F1)处于热交换关系，该第一系列通路(10) 的至少一个通路被限定在第一板(2a)和限定该第二系列通路(20) 的相邻通路的第二板(2b)之间，在该第一系列通路(10) 的所述至少一个通路中还安排混合装置(3)并且该混合装置包括：
-至少一个第一通道(31)，该至少一个第一通道用于引导该制冷剂流体(F1)的气相(61)，
-至少一个第二通道(32)，该至少一个第二通道用于引导该制冷剂流体(F1)的液相(62)，
其特征在于，平行于第二板(2b)测量的第二通道(32)的纵向截面在所述第二板(2b)的方向上减小。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，孔口(34)安排在该第一通道(31)和该第二通道(32)之间，所述孔口(34)包括通向该第二通道(32)的入口(342)和通向该第一通道(31)的出口(341)，该第二通道(32)的纵向截面从该孔口(34)的入口(342)朝向该第二板(2b)减小。
3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第一通道(31)和该第二通道(32)平行于该第一板(2a)和第二板(2b)延伸。
4.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第一通道(31)安排在该第二通道(32)和该第一板(2a)之间。
5.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述第一系列通路(10)和所述第二系列通路(20)在纵向方向(z)上延伸，该第一通道(31)在纵向方向(z)上延伸，并且该第二通道(32)在正交于纵向方向(z)的侧向方向(y)上延伸。
6.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第一通道(31)由该混合装置(3)内形成的第一空腔形成。
7.如权利要求6所述的热交换器，其特征在于，该混合装置(3)包括面向该第一板(2a)安排的第一表面(3a)和面向该第二板(2b)安排的第二表面(3b)，该第一空腔通到该第一表面(3a)。
8.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，该第二通道(32)由该混合装置(3)内形成的第二空腔形成。
9.如权利要求8所述的热交换器，其特征在于，在该混合装置(3)内形成的该第二空腔通到该第二表面(3b)。
10.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该混合装置(3)包括在侧向方向(y)上彼此相继的若干第一通道(31)，所述第一通道沿纵向方向延伸。
11.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于，该第二通道(32)包括位于该孔口(34)的入口(342)的水平处的第一端部(322)和位于该第二板(2b)的侧面上的第二端部(321)，在该第二端部(321)处测量的该第二通道(32)的纵向截面与在该第一端部(322)处测量的该第二通道(32)的纵向截面之间的比率包含在0与0.8之间。
12.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于，在该第二端部(321)处测量的该第二通道(32)的纵向截面与在该第一端部(322)处测量的该第二通道(32)的纵向截面之间的比率包含在0.2与0.8之间。
13.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第二通道(32)的纵向截面朝向该第二板(2b)逐渐减小。
14.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第二通道(32)在侧向方向(y)上延伸，在垂直于侧向方向(y)的平面中，该第二通道(32)的截面至少部分地具有朝向该第二板(2b)收敛的截头圆锥形形状。
15.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该第二通道(32)的纵向截面的减小是由所述第二通道(32)在该第二板(2b)的方向上发生的侧向收缩(324)引起的。
16.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于，该混合装置(3)进一步包括平行于该第一通道(31)延伸的至少一个第三通道(37)，所述第三通道(37)安排在该第二通道(32)和该第二板(2b)之间。
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