CN117628968B - 一种蒸汽工程换功网络用两相换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器技术领域，具体为一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，换热器包括热流道和冷流道，热流道进入含气态组分的工质，冷流道进入含液态组分的工质，热流道和冷流道进出路径上均设置压力调整结构，换热器设有换热壁面的相变工质分离结构。通过冷热工质进出换热器路径上的压力调整结构来改变工质在换热器内过流时的压强，让工质状态接近相变点，换热过程两个流道均发生相变来快速地交换热量，相变的组分被离心作用或者尖刺导向来转移到流道的中央，防止占据换热壁面的位置影响后续热交换过程。

Description

一种蒸汽工程换功网络用两相换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体为一种蒸汽工程换功网络用两相换热器。

背景技术

蒸汽功交换网络用作回收公用蒸汽的热量与压力，对于表压小于1bar的低品质公用蒸汽，通常加设冷凝器回收软水，既造成热能浪费又增加固定投资；对于高压公用蒸汽，常采用节流+喷水雾降低过热度，造成压力能和热能的双重浪费。

气波蒸汽换功技术利用波转子高增压比的功交换特性，可实现较大的增压比，在蒸汽增压、降低过热度应用会有显著优势，增压效率远高于喷射增压器；可实现两相增压特性又优于常规透平设备。发展该公用蒸汽交换核心设备对于提高系统能效管理、降低碳耗有重要实用价值。而气波蒸汽换功技术只是对于蒸汽的温度与压力进行的调配以及取走了部分的有用功，大量的热量还是需要换热器进行热量转移，以便在排出一部分充分释放热量与压力的凝结水同时，获得能够重新回流做功的蒸汽。

一般换热器只是流体工质的温度变化换热，都是显热值来转移热量，部分场景的换热器也只有一个流道的相变情况，在蒸汽功交换网络中，蒸汽与待加热液态工质的换热过程存在蒸汽的凝结放热，相变过程释放工质的潜热，换热功率可以很大，但现有技术换热器的相变条件确定，无法使用在较大的温度范围上，石化行业使用蒸汽的场合下，对很多的有机物反应条件有特殊要求，有时就经常需要将工质进行预处理的加热，例如六十度热水与二十度乙酸乙酯的换热，采用传统换热器进行换热则换热功率较低，若换热量需求较大，则需要很大尺寸规格的换热器才能承担任务。

目前的换热器设计都是沿用传统的增加尺寸来提升换热量的思路，对于相变换热器的考虑很少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，换热器包括热流道和冷流道，热流道进入含气态组分的工质，冷流道进入含液态组分的工质，热流道和冷流道进出路径上均设置压力调整结构，换热器设有换热壁面的相变工质分离结构。

优选地，换热器包括端板、换热单元、总冷进管、总冷出管、总热进管、总热出管、总凝液出管，换热单元有若干个且依次紧贴布置，最外侧换热单元使用端板夹合，换热单元包括壳体、热管，壳体上设置线性排布且竖直延伸的管孔，壳体下部设置水平延伸的冷流进道，壳体上部设置水平延伸的冷流出道，壳体侧面设置水平延伸的热流进道、第一热流出道、第二热流出道，热流进道、第一热流出道、第二热流出道均设有连接到管孔内腔的通孔，其中热流进道、第二热流出道连接到管孔的下部且热流进道高于第二热流出道，第一热流出道连接到管孔的上部，热管插入管孔内且热管下端穿出管孔连接冷流进道，热管为变径结构，热管上端直径大于下端直径，热管上端直径与管孔直径相同，热管上端连接冷流出道，

所有冷流进道均连接到总冷进管，所有冷流出道连接到总冷出管，热流进道连接到总热进管，所有第一热流出道连接到总热出管，所有第二热流出道连接到总凝液出管。

优选地，管孔底部带有中央拱起的集液斜面。

优选地，热管下部外壁上设置泄流斜面，泄流斜面呈锥形锥尖向上，泄流斜面的底端为悬空边沿。

优选地，热管在管孔内为转动设置，热管底端设置受迫转轮，受迫转轮位于冷流进道内，冷流进道内液体从受迫转轮周围过流时为非对称流动。

优选地，冷流进道侧壁上设置若干挡板，挡板位于受迫转轮的前方，挡板部分遮挡冷流进道朝向受迫转轮的流动液体。

优选地，挡板为弧形，挡板凹面朝向受迫转轮。

作为另一种可选方案，换热器包括换热板、盖板，若干换热板竖直放置并水平叠放，换热板侧面边缘使用密封条密封，盖板覆盖叠放的换热板上端与下端，换热板的板间区域作为交替的热流道和冷流道，盖板上具有对插发夹形的汇热道和汇冷道，汇热道与换热板之间的热流道连通，汇冷道与换热板之间的冷流道连通，换热板板间冷工质向上流动，换热板板间热工质向下流动，换热板板面上设有斜刺，处于热流道内的斜刺倾斜向下，处于冷流道内的斜刺倾斜向上。

优选地，换热板上端宽度大于下端宽度。

优选地，盖板和换热板的连接位置使用嵌合结构且在嵌槽内设置密封条。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明不论通过管式还是板式换热结构，都通过冷热流道上下游设置压力调整结构来改变工质相变点，使得换热过程两个流道均发生相变过程来快速地交换热量，冷流道内液态工质受热部分气化，气泡被离心作用或者尖刺导向来转移到流道的中央，防止占据换热壁面的位置影响后续热交换过程，气泡的产生也可以对冷流道内壁面上的粘滞底层造成扰动，进一步减薄粘滞底层的厚度，让热量从粘滞底层传递到液体的更深处，热流道内相应发生凝结的相变过程，凝液是气体粘滞底层产生的，凝结后占据体积大大减小，也能为后续气体腾挪换热表面，

管式换热结构可以利用液体的流动来带动热管的转动提升相变组分从换热壁面上的脱除作用，但换热面积比板式换热结构低，板式换热结构通过设置流道的宽度变化可以承受相变产生的工质体积变化维持稳定流速，但相变组分从换热壁面上的脱除只能依靠被动的导向作用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明具体实施方式一的外形结构示意图；

图2是本发明换热单元的结构示意图；

图3是本发明换热单元的竖直剖切示意图（图中为方便展示热流进道、第一热流出道、第二热流出道在管孔侧面的高度位置，相比于图2作为旋转放置）；

图4是图3中A-A处剖面结构示意图；

图5是本发明具体实施方式二的竖直剖面示意图；

图6是图5中B处放大的结构示意图；

图7是图5中C-C处剖面结构示意图；

图8是本发明具体实施方式二的外形炸开示意图；

图中：1-端板、2-换热单元、21-壳体、211-冷流进道、212-冷流出道、213-热流进道、214-第一热流出道、215-第二热流出道、22-热管、221-泄流斜面、23-受迫转轮、24-挡板、219-管孔、2191-集液斜面、31-总冷进管、32-总冷出管、33-总热进管、34-总热出管、35-总凝液出管、4-换热板、41-斜刺、5-盖板、51-汇热道、52-汇冷道。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

具体实施方式一：一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，换热器包括热流道和冷流道，热流道进入含气态组分的工质，冷流道进入含液态组分的工质，热流道和冷流道进出路径上均设置压力调整结构，换热器设有换热壁面的相变工质分离结构。

通过冷热工质进出换热器路径上的压力调整结构来改变工质在换热器内过流时的压强，可以让工质处于相变的临界值附近，例如将输入的常压80度热水降压到31kPa，则其汽化点将来到70度成为气态，部分汽化的水分子吸收热量使尚处于液态的80度液态水降温，只要液态水组分降温到70度无法维持汽化，则汽化停止，此时成为70度的气液混合态，可以将蒸汽部分输入换热器热流道，其换热对象被加热的最高温度也只会是70度，上述是以气态的负压水蒸汽举例，相变过程可以释放巨大热量，可以以较小的换热器尺寸实现较大的换热功率，相应的，冷流道内的工质也可以通过调压的方式来改变相变点，使其经过换热器的过程中可以通过相变来储存显著的热量，还是以水为例，20度水降压至12kPa使其沸点降低至50度，在换热器中其升温至50度后，部分工质通过气化显著吸收热量，从换热器中出来后，重现回到常压下，气液混合的水气体全部液化释放的潜热将水加热，可以显著升温，提高升温量。

换热壁面上的相变物质应当及时从接触面上脱离，防止影响后续未相变工质与换热面的接触。

调压结构如果是要将工质在过流时的压力降低，则可以通过换热器前设置流阻阀，换热器后设置抽吸泵来实现，如果是要将工质增压，则可以通过换热器前设置增压泵，换热器后设置泄压阀来实现。

换热器包括端板1、换热单元2、总冷进管31、总冷出管32、总热进管33、总热出管34、总凝液出管35，换热单元2有若干个且依次紧贴布置，最外侧换热单元2使用端板1夹合，换热单元2包括壳体21、热管22，壳体21上设置线性排布且竖直延伸的管孔219，壳体21下部设置水平延伸的冷流进道211，壳体21上部设置水平延伸的冷流出道212，壳体21侧面设置水平延伸的热流进道213、第一热流出道214、第二热流出道215，热流进道213、第一热流出道214、第二热流出道215均设有连接到管孔219内腔的通孔，其中热流进道213、第二热流出道215连接到管孔219的下部且热流进道213高于第二热流出道215，第一热流出道214连接到管孔219的上部，热管22插入管孔219内且热管22下端穿出管孔219连接冷流进道211，热管22为变径结构，热管22上端直径大于下端直径，热管22上端直径与管孔219直径相同，热管22上端连接冷流出道212，

所有冷流进道211均连接到总冷进管31，所有冷流出道212连接到总冷出管32，热流进道213连接到总热进管33，所有第一热流出道214连接到总热出管34，所有第二热流出道215连接到总凝液出管35。

如图1~3所示，模块组合的换热单元2内设置若干热管22，以热管22壁面为换热面，热管22内从下往上流过冷工质，热管22外也是从下往上流过热工质，热工质从热流进道213进入管孔219的内腔，热工质在换热过程的凝液流到管孔219的底部从第二热流出道215排出，从第一热流出道214排出的是气态热工质，此处的热工质出流需要双路是因为凝液无法从下往上走，因为热流道内仍然是气态热工质为主要组分，而冷流道内也就是热管22内，相变产生的气泡则能够上浮往冷流出道212，可以混合着液态冷工质一同从冷流出道212排走，热管22的变径是处于相变后工质连续性流动的速度变化考虑的，热管22内冷工质部分相变为气态需要占据更多空间，需要更大的过流面积来过流，否则冷工质在热管22的上部会流动显著加速，影响换热停留时间，而热工质在管孔219内与热管22外壁接触冷凝，气态组分减少，占据空间减少，正好利用热管22变径导致的管孔219内下部空间宽裕而上部狭窄来设置从下往上的热工质流动方向，此外，热管22的变径可以促进相变过程中的相变组分从换热壁面上尽快脱离，考察热管22内壁面上的气泡，气泡上浮倾向于离开变径斜面，考察热管22外壁面上的凝液，凝液加速下滑空出热管22外壁面进行后续换热。

管孔219底部带有中央拱起的集液斜面2191。

如图3所示，管孔219中间拱起则凝液掉落到管孔219底部后向四周流动朝向第二热流出道215靠拢，防止凝液钻入热管22穿出管孔219处的缝隙进入到冷流进道211中。

热管22下部外壁上设置泄流斜面221，泄流斜面221呈锥形锥尖向上，泄流斜面221的底端为悬空边沿。

如图3所示，热管22外壁的凝液流下，若一直沿着热管22外壁流动，则会进入到热管22穿出管孔219处的缝隙处，所以在向下流动的中间路径上加入斜面使凝液较大径向位置的悬空边沿处滴落，让凝液远离热管22穿出管孔219处的缝隙。

热管22在管孔219内为转动设置，热管22底端设置受迫转轮23，受迫转轮23位于冷流进道211内，冷流进道211内液体从受迫转轮23周围过流时为非对称流动。

非对称流动可以是冷流进道211的通道中心线与热管22的轴线存在错位实现，也可以是通过遮挡物的形式遮挡液体撞击到受迫转轮23的作用面。如图3、4所示，受迫转轮23受到不对称的流动撞击力，带动热管22进行转动，离心作用使得热管22内壁上的气泡受到朝向轴线运动的力，也使得热管22外壁的凝液被甩走，保持热管22内外壁持续与未相变的工质接触。

冷流进道211侧壁上设置若干挡板24，挡板24位于受迫转轮23的前方，挡板24部分遮挡冷流进道211朝向受迫转轮23的流动液体。

如图4所示，挡板24用来改造冷流进道211内液体从受迫转轮23旁的流动方式，只要存在不对称，则受迫转轮23就会进行转动继而带动热管22转动，当然，热管22转动会消耗冷工质的压力势能。

挡板24为弧形，挡板24凹面朝向受迫转轮23。

如图4所示，弧形的挡板24可以在保持受迫转轮23周围非对称流动的前提下，减小液体从受迫转轮23处过流的流阻损失。

具体实施方式二：换热器包括热流道和冷流道，热流道进入含气态组分的工质，冷流道进入含液态组分的工质，热流道和冷流道进出路径上均设置压力调整结构，换热器设有换热壁面的相变工质分离结构。

换热器包括换热板4、盖板5，若干换热板4竖直放置并水平叠放，换热板4侧面边缘使用密封条密封，盖板5覆盖叠放的换热板4上端与下端，换热板4的板间区域作为交替的热流道和冷流道，盖板5上具有对插发夹形的汇热道51和汇冷道52，汇热道51与换热板4之间的热流道连通，汇冷道52与换热板4之间的冷流道连通，换热板4板间冷工质向上流动，换热板4板间热工质向下流动，换热板4板面上设有斜刺41，处于热流道内的斜刺41倾斜向下，处于冷流道内的斜刺41倾斜向上。

如图5~7所示，冷工质和热工质分别向上和向下通过换热板4板间通道，板式换热结构具有更大的换热面积且可以设置逆向的冷热流向，换热效果更好，斜刺41将冷流道壁面上的气泡导向流道竖直中央并上浮，将换热壁面空出以便容纳新的液体工质，热流道的斜刺41则是将凝液导向流道中央面并滴落。

如图8所示，换热板4上端宽度W1大于下端宽度W2。上宽下窄的换班板4对应热工质与冷工质的换热前后体积变化，保持相对稳定的过流速度。盖板5和换热板4的连接位置使用嵌合结构且在嵌槽内设置密封条。盖板5即用作所有换热板4的固定件，整体上不再需要将换热板4串起来的锁合结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (4)

1.一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，其特征在于：所述换热器包括热流道和冷流道，热流道进入含气态组分的工质，冷流道进入含液态组分的工质，所述热流道和冷流道进出路径上均设置压力调整结构，所述换热器设有换热壁面的相变工质分离结构；

所述换热器包括端板（1）、换热单元（2）、总冷进管（31）、总冷出管（32）、总热进管（33）、总热出管（34）、总凝液出管（35），所述换热单元（2）有若干个且依次紧贴布置，最外侧换热单元（2）使用端板（1）夹合，所述换热单元（2）包括壳体（21）、热管（22），所述壳体（21）上设置线性排布且竖直延伸的管孔（219），壳体（21）下部设置水平延伸的冷流进道（211），壳体（21）上部设置水平延伸的冷流出道（212），壳体（21）侧面设置水平延伸的热流进道（213）、第一热流出道（214）、第二热流出道（215），所述热流进道（213）、第一热流出道（214）、第二热流出道（215）均设有连接到管孔（219）内腔的通孔，其中热流进道（213）、第二热流出道（215）连接到管孔（219）的下部且热流进道（213）高于第二热流出道（215），第一热流出道（214）连接到管孔（219）的上部，所述热管（22）插入管孔（219）内且热管（22）下端穿出管孔（219）连接冷流进道（211），热管（22）为变径结构，热管（22）上端直径大于下端直径，热管（22）上端直径与管孔（219）直径相同，热管（22）上端连接冷流出道（212），

所有所述冷流进道（211）均连接到总冷进管（31），所有所述冷流出道（212）连接到总冷出管（32），所述热流进道（213）连接到总热进管（33），所有第一热流出道（214）连接到总热出管（34），所有第二热流出道（215）连接到总凝液出管（35）；

所述热管（22）在管孔（219）内为转动设置，热管（22）底端设置受迫转轮（23），所述受迫转轮（23）位于冷流进道（211）内，所述冷流进道（211）内液体从受迫转轮（23）周围过流时为非对称流动；

所述冷流进道（211）侧壁上设置若干挡板（24），所述挡板（24）位于受迫转轮（23）的前方，挡板（24）部分遮挡从冷流进道（211）向受迫转轮（23）流动的流动液体。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，其特征在于：所述管孔（219）底部带有中央拱起的集液斜面（2191）。

3.根据权利要求2所述的一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，其特征在于：所述热管（22）下部外壁上设置泄流斜面（221），所述泄流斜面（221）呈锥形锥尖向上，泄流斜面（221）的底端为悬空边沿。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽工程换功网络用两相换热器，其特征在于：所述挡板（24）为弧形，挡板（24）凹面朝向受迫转轮（23）。