CN1153947C - 改善热传递的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种热传送的方法和装置，其中加热介质流过位于热交换器的水套区3内且将其热量传递给与其相接触的液体的热交换元件(1，8)。借助辅助加热元件(2，9)，水套区(3)内的热交换元件之间的液体被局部加热到这样高的温度，使得在液体中这些辅助加热元件(2，9)的表面发生成核沸腾，所形成的蒸气气泡在水套区(3)内正常的加热交换元件(1、8)之间上浮。为此，提供了由垂直叠置、以水平方向延伸的热交换元件(1、8)和封闭热交换元件(1、8)的水套区(3)的外壳组成的蒸发冷凝器，其中辅助加热元件(2、9)同与热交换元件(1、8)分开的加热介质回路连通，且布置于热交换元件(1、8)之下，最好是在竖向结构的下三分之一处。

Description

改善热传递的方法和装置
本发明涉及一种改善热交换器中热传递的方法和装置，其中一种加热介质流过位于热交换器的水套区域且将其热传递给其所接触的液体的热交换元件。本发明涉及一种在热流动密度和加热壁过热度低，因而在加热元件的表面不发生气泡蒸发的工艺过程中改善加热元件(沸腾池)的表面上的热传递的方法。在这种情况下，加热元件的表面上的热通常只能通过自由对流传递，而且热传递通常较差。
在蒸发器锅炉中，液体在加热表面上的蒸发发生于水平或垂直的扁平加热壁，或是在管束的表面上。加热元件可以通过液体或借助电能或原子能进行加热(参见例如VDI热图表，第四版，Ha部分)，这种装置是利用已知的计算方法或在实验的基础上设计的。其中加热壁的过热度足够高，在加热壁的表面上产生气泡蒸发。在这种情况下，对于给定的设备能力，热传递系数通常较高，而所要求的加热面积较小。对于热交换元件的表面温度和周围液体的沸腾温度之间的温度差低于20℃，特别是低于2℃～10℃之处，则在加热壁上通常不发生气泡蒸发。在这种情况下，热只是通过热传导和对流来传递。在这种情况下热交换表面的热传递系数较低，其结果是所要求的加热表面的面积和装置的容积必须较大。
在制冷技术中，采用的是水平管束，此时，加热壁的温度和液体的沸腾温度之间的温度差较小。这些水平管束被喷洒上所要蒸发的制冷介质(参见例如R.Billet的《Verdampfung und ihre technschenAnwendungen》(蒸发及其技术应用)Verlag Chemie(1983))。为了避免管子上有干燥区，所喷洒的制冷剂量必须大于所蒸发的液体量。一般而言，制冷剂借助泵多次循环。泵通常要受到磨损。另外，它们在传输沸腾液体时，必须具有合适的入口高度。
本发明就是基于显著改善热交换元件的表面和邻接液体的沸腾温度之间温度差小(加热壁过热度低)，从而造成热交换表面上热流密度低这种情况下的热传递问题。在本例中(即本发明的上下文中)“温度差小”可以理解为表示加热壁的过热度低到在热交换元件的表面上不发生气泡蒸发。
根据本发明，这个问题的解决是通过辅助加热元件将水套区内热交换元件之间的液体局部加热到这样高的一个温度，使得在这些辅助加热元件的表面发生成核沸腾，而且所形成的蒸发气泡在水套区的主热交换元件之间上浮。
这样，所形成的气泡在其它没有气泡蒸发产生的加热元件之间向上流动。由于上浮的气泡增加了对流，由此改善了所有热交换元件的热传递。蒸发气泡从液体的表面逸出。无气泡液体比加热元件之间的含气泡的液体密度要大，因此在加热元件的区域外向下流动。这样，在蒸发器内即产生了循环流动。
辅助加热元件的表面温度和周围液体的沸腾温度之间的温度差ΔTH最好高于10℃，尤其是最好高于20℃。
辅助加热元件有利的是可以用电能或借助作为加热介质的液体、气体或冷凝蒸气来加热。特别是，所用的加热介质可以是气态氯，在辅助加热元件中冷凝的氯或其他制冷剂。
根据一个特定的实施例，根据本发明的方法最好是在冷凝含惰性气体的氯蒸气的热交换器中实施，其中存在于水套区的液体也包括液体氯，复合热交换和水套区以氯回流换热器的形式操作。液态氯连续引入水套区，在通过热交换器引入的热能的作用下蒸发，随后再次以氯气的形式连续排出；同时，气态氯作为加热介质引入热交换元件，在通过作为气体氯的蒸发冷凝器的热交换元件的过程中，它至少部分地冷凝且以液态氯的形式连续排出。
实施上述方法的装置基于一个蒸发冷凝器，该冷凝器包括垂直方向重叠布置、沿水平方向延伸的热交换元件和一个封闭热交换元件的水套区的外壳，根据本发明，其特点是有辅助加热元件，它布置在热交换元件下面或之间，特别是布置在竖向结构的下三分之一处，而且同与热交换元件分开的加热介质回路连通。
热交换元件最好包括平行于外壳的轴线布置的管子。
或者，热交换元件还可以包括具有垂直取向的热交换表面且与外壳的轴线平行布置的中空板。
所用的辅助加热元件的形式最好是平行于外壳的轴线布置的电加热元件或中间有加热介质流过的管子。
在一个已被证明特别有优点的实施例中，为了促进在类似于回路反应器的容器内的循环流动，在热交换元件的两侧布置有导板。该导板形成一包含热交换元件的向上流动区和在热交换元件的外侧形成的向下流动区的分界线。
在由于加热元件的表面温度和邻接液体的沸点之间温度差小而造成加热元件的表面不发生气泡蒸发的蒸发器中，用上述辅助加热元件，可以使整个装置的热传递显著改善。
已经发现，在给定的特定条件下，即使用少量的辅助加热元件，也足以使管束的平均热交换系数较没有任何气泡形成的自由对流所得到的有成倍的改善。所需要的加热表面积和装置容积由于此特性可显著减少。上述辅助加热元件对于包含水平管束或垂直布置的板状元件的蒸发器均适用。
下面通过特定的例子和附图对本发明做更详细的说明。
图1是一个带辅助加热装置的热交换器，其中热交换元件包括水平布置的管子；
图2是一个带辅助加热装置的热交换器，其中热交换元件包括垂直中空板；及
图3是一氯回流换热器操作的流程图。
在图1以截面图形式示出的蒸发器中，含有惰性气体的氯在管子1中在约5.3巴abs的压力下被液化。最高的冷凝温度为+11℃，随着已液化的氯的量增加，该温度下降，因为惰性气体的比例提高了。在蒸发器的水套区3(即各管子1之间的区域)，已液化的氯蒸发。液态氯上方的压力约为3.4巴abs。在管束的水套区内的平均沸腾点约为-1至-2℃。在管子1中未冷凝的氯在布置于下游的热交换器(未示出)中进一步被液化。在氯的冷凝和蒸发之间如果温度差这样小，则在管子表面上没有气泡蒸发发生。在管束下面或在管束的底部区域，一些管子2通过其它装置来加热，例如用来自布置在下游的冷凝器中的已液化的制冷剂或用热水作为加热介质。加热介质的温度要高到使这些辅助加热元件的表面温度和周围液体的沸腾温度之间的温度差ΔTH大到在辅助加热元件的表面能发生气泡蒸发(成核沸腾)。这通常是加热壁过热度超过5℃至10℃特别是超过20℃时所发生的情况。蒸发的气泡(蒸汽Md)在热交换器管束的各管子1之间上浮，且从液体4的表面逸出。没有气泡或仅含少量气泡的液体5(液流Mu)在装置6的水套和管束之间向下流动。为了促进(加强)这种循环流动，在由管子1组成的管束和装置6的外壳之间布置有导向板7。
在图2所示的蒸发器中，它包括板状热交换元件8(中空板)，由管子9构成的辅助加热元件以与图1中实施例类似的方式布置在上述热交换元件之下。该辅助加热元件用电或通过加热介质加热到这样高的温度，即在其表面产生气泡。所产生的蒸汽3(液流Md)在元件8之间上浮，如上例所述，且从液体的表面10逸出。没有或仅含少量气泡的液体5(液流Mu)在外壳壁11和最外侧的加热元件之间的中间区域向下流动。为了加强所形成的环流，在水套区内布置有一块或多块导向板12。
辅助加热元件2(见图1)和9(见图2)也可以布置在热交换元件1(即，管束内)和8(即，中空板之间)的底部区域。在本上下文中，底部区域可以理解为管束或垂直布置的中空板总高度的大约三分之一。在两种情况下，加热介质均通过加热回路引入，它与主热交换元件1和8是分开的。
图3给出一用于纯的或含惰性气体的蒸气(例如氯)的回流式液化和汽化的热交换器13，以及与其相连的冷却系统14，后者例如可以设计为单级或多级的形式，使在热交换器13中未冷凝的残余气体15的蒸气进一步冷凝。作为带辅助加热的回流换热器的例子，示出一个带水平式可拆卸管束16的热交换器。含惰性气体的氯18通过入口17进入该回流换热器。在所示的实施例中，此氯和惰性气体混合物首先流过管束16的上部管，然后在经转向腔19折转后，流过下部管。在管中冷凝的氯27通过出口20离开热交换器13或回流式换热器而排入贮液装置21。在热交换器13中未冷凝的氯和惰性气体混合物15通过出口22离开热交换器13。在冷却系统14中，一部分额外的氯被冷凝。在冷却器14中被冷凝的氯23通过出口24离开冷却器14，且最好也排入贮液装置21。在热交换系统14中没有液化的残余气体24从出口25排出。冷却系统14所用的冷却介质26例如可以是水、沸腾的弗里昂或沸腾的氯，其压力低于回流换热器13的水套区的压力。为了冷却蒸汽和惰性气体混合物18，已液化的氯27或28在低于主流股18的压力的压力下在热交换器13的水套区蒸发。液态氯28自贮液装置21通过一节流阀29进入热交换器13的水套区。存在于回流换热器内的液态相(液态氯)28的量通过热交换器13的水套区内的液位30来控制。在热交换器13的水套区中形成的蒸气31随后最好通过集雾器32。而后，蒸汽31通过出口33离开热交换器13。
为在热交换器13内产生成核沸腾所需的补充加热在这种情况下通过毛细管34来获得，有加热液体35或冷凝蒸气作为加热介质从中流过，加热介质最好包括已在冷却系统14内蒸发且随后被压缩的冷却剂26。由于离开贮液装置21的流股28的量一般小于流股27和23量的总和，多余的量36排放到例如液氯的贮液罐。

Claims (12)

1.一种改善热交换器中热传递的方法，其中，一种加热介质通过将其热量传递给液体的热交换元件(1、8)，该热交换元件与该液体接触并位于热交换器的水套区(3)内，其特征在于，水套区(3)内的热交换元件之间的液体由辅助加热元件(2、9)局部加热到这样高的温度，使得在液体中这些辅助加热元件(2、9)的表面发生成核沸腾，而且所形成的蒸气气泡在水套区(3)内的主热交换元件(1、8)之间上浮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，辅助加热元件(2、9)的表面温度和周围液体的沸腾温度之间的温度差ΔTH大于10℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，辅助加热元件(2、9)用电加热或用液体、气体或冷凝蒸气作为加热介质。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所用的加热介质是气态氯、在辅助加热元件(2、9)内冷凝的氯或其它制冷剂。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，存在于水套区内的液体中也包括液体氯，且组合的热交换器(13)和水套区以氯回流换热器的形式操作，其它液态氯(28)连续引入水套区且在通过热交换器引入的热能的作用下蒸发，而且，以氯气(31)的形式再被连续地排出，同时气态氯(18)以加热介质的形式引入热交换元件(16)，且在通过作为气态氯的蒸发冷凝器的热交换元件的过程中至少部分冷凝，且以液体氯(27)的形式连续排出。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温度差ΔTH大于20℃
7.一种实施根据权利要求1-5所述的方法的装置，它包括一蒸发冷凝器，其内含垂直叠置、以水平方向延伸的热交换元件(1、8)和一个封闭热交换元件(1、8)的水套区(3)的外壳，其特征在于，辅助加热元件(2、9)布置在热交换元件(1、8)之下或之间，该辅助加热元件同与热交换元件(1、8)分开的加热介质回路连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，热交换元件包括与外壳的轴线平行布置的管子(1)。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，热交换元件包括具有垂直取向的热交换表面且与外壳的轴线平行布置的中空板(8)。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，辅助加热元件包括与外壳的轴线平行布置的电热的加热元件或其中有加热介质流过的管子。
11.根据权利要求7-10所述的装置，其特征在于，为了在外壳内产生类似于回路反应器的循环流动，在热交换元件(1、8)的两侧布置有导向板(7、12)，形成含有热交换元件的上升流Md的流动区和在热交换元件的区域外侧形成的下降流Mu的流动区的分界线。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述辅助加热元件(2、9)处于竖向结构的下三分之一处。
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