CN204177245U - 卧式双相变换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种卧式双相变换热器，包括卧式壳体，卧式壳体内均匀间隔设有若干换热单元，换热单元包括筒体，筒体内壁与壳体之间围成冷凝腔；筒体外壁与壳体之间围成蒸发出气腔；筒体内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的换热蒸发管，各换热蒸发管的两端与筒体两端的蒸发出气腔相连通；筒体一端底部设有与蒸发出气腔相连通的低温液体进口，筒体一端的换热单元冷凝腔的底部设有高温液体出口；各蒸发出气腔的顶部分别向上连通有低温蒸汽管；各冷凝腔的顶部分别向上连通有高温蒸汽管。本实用新型管路连接非常简单，易于安装，能适应高度有限的场合且能够统一控制所有换热单元液位；能够保证双相变换热的正常进行，减小换热器尺寸并节省能量。

Description

卧式双相变换热器

技术领域

本实用新型涉及换热器技术领域。

背景技术

常规换热器在工作时，其换热面两侧的介质一般不发生相变，比如液/液、气/气、气/液换热。或换热面一侧的介质发生相变，比如蒸汽/液、蒸汽/气加热器。无相变换热器只能传递物料的显热，单侧相变加热器的蒸汽端发生冷凝相变放出潜热，而另一侧液体或气体物料没有相变，只是温度被提升。通常物料的显热量要比潜热量小得多，所以同样的热交换量，传统换热器通常需要很大的设备尺寸，以及大量的液体或气体输送能耗。 

常用的换热器有两种：板式换热器与管壳式换热器。现有的两种换热器均不适应双相变的工作状况。

经过本申请发明人的创造性研究，对现有两种换热器不适应双相变工作的原因有了规律性的认识，即物料发生相变时，必然伴随着体积流量的剧烈变化，板式换热器换热面之间的间隙较小，所以难以适应这种变化，不能用作双相变换热器；管壳式换热器的壳程通常是长度大于直径，单管长径比（长径比指管内沸腾液位深度与管子直径之比。）普遍远远大于20；这种情况下沸腾相变侧必然造成气液剧烈混和状态，冷凝相变侧风阻损失大、管束效应明显、液膜热阻效应强，这些因素综合在一起，导致长管（长管指长径比大于20的的管子）设计无法稳定发生相变传热。

如果据此设计出上下堆叠式的双相变换热器，则还会存在如下问题：

1.每一换热单元都对外拥有单独的4个接口，管路连接非常复杂。

2.各层换热单元的液位均需要单独控制，无法统一控制所有换热单元内的液位。

3.上下堆叠换热单元的方式，造成设备整体高度较高，在高度有限的场合难以使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种管路连接非常简单，易于安装，能够适应高度有限的场合且能够统一控制所有换热单元液位的卧式双相变换热器。

为实现上述目的，本实用新型的卧式双相变换热器包括卧式壳体，卧式壳体内均匀间隔设有若干换热单元，壳体两端设有封头；

换热单元包括筒体，筒体上端与壳体顶壁密封连接，筒体下端与壳体底壁密封连接，筒体内壁与壳体之间围成冷凝腔；各换热单元的筒体外壁与壳体之间围成蒸发出气腔，各蒸发出气腔相互连通；

筒体内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的换热蒸发管，各换热蒸发管的两端与筒体两端的蒸发出气腔相连通；

筒体至少一端底部设有与蒸发出气腔相连通的低温液体进口，筒体一端的换热单元冷凝腔的底部设有高温液体出口；各冷凝腔的底部均连通有高温液体管，各高温液体管均与高温液体出口相连通；

各蒸发出气腔的顶部分别向上连通有低温蒸汽管；各冷凝腔的顶部分别向上连通有高温蒸汽管。

壳体顶部设有低温蒸汽出口和高温蒸汽进口，所述各低温蒸汽管均与低温蒸汽出口相连通，所述各高温蒸汽管均与高温蒸汽进口相连通。

所述封头为平封头或弧形封头。

所述筒体两端底部均设有与蒸发出气腔相连通的低温液体进口。

所述换热蒸发管的长径比小于等于20。

低温蒸汽出口12和高温蒸汽进口13的设置，使得所有换热单元的对外接口得以统一，使本实用新型对外只需要连接四个接口即可，这四个接口是：高温蒸汽进口13、高温液体出口8、低温液体进口7和低温蒸汽出口12。这种设置大大简化了对外管路的连接，提高了安装效率，降低了安装难度。

所述封头2为平封头或弧形封头。本实用新型中，卧式壳体1两侧优选采用平封头，相比使用弧形封头，可以显著减少沸腾相液体（即低温液体）的用量。平封头也是本领域常规结构，图中仅示出了弧形封头，不再示出平封头。

本实用新型所采用的工作介质：发生相变的介质根据不同的应用有不同选择，例如：水、氨、二氧化碳等；各类单质制冷剂或非共沸混合制冷剂（CFC类，HCFC类，HFC类，R400等）；各类碳氢化合物（丙烷、乙醇、乙烯、丙酮等）。基于本实用新型的技术方案，本领域技术人员有能力根据实际应用的需要选择合适的工作介质。

本实用新型适用于各类低温蒸汽回收场合，特别是与机械压缩式热泵系统相结合。

用在热泵机组的蒸发器上，可以直接回收低温蒸汽的潜热，取消了水冷凝器的水耗、水输送能耗以及凉水塔投资及运转费用，并且提高了回收温度进而提高了热泵机组整机效率。

用在热泵机组的冷凝器上，可直接生产蒸汽用于工业生产线。特别是用在各类传统单/多效蒸发浓缩设备、单/多级蒸馏塔、各类干燥设备上。这些设备都大量消耗外来锅炉蒸汽，并且使用冷凝器结合凉水塔把末级低温蒸汽直接排放到大气中。利用本实用新型，把原来直排的低温蒸汽引入热泵机组的蒸发器，把热泵机组冷凝器生产的高温蒸汽直接送回蒸发浓缩或蒸馏或干燥设备，这样可以完全取消外来锅炉蒸汽的使用，从而大大降低能源消耗量。在本实用新型的基础上还可采用各类表面强化换热技术，提升整机效率，减少传热温差，降低投资成本。蒸馏塔情况与此类似。

本实用新型中各蒸发出气腔相互连通，因此各蒸发出气腔内的低温（仅是相对低温）液体的液位都是同样的高度，这样就无须对每一个换热单元单独控制其液位，只须控制一个液位即可保证所有换热单元内低温液体的液位处于正常状态，与上下堆叠换热单元的方式相比，大大方便了液位控制，简化了操作，更容易保证系统的正常工作。

本实用新型对外只有4个接口，因此十分方便现场安装，连接起来十分方便快捷。本实用新型是卧式布置，高度较堆叠式大大减小，即使在高度有限的工作区域（厂房）内也能够轻松安装使用。

本实用新型中，沸腾相变在换热蒸发管内发生，短管的长径比控制在20以内，这样管内沸腾的大量汽泡可以及时排到管外（即蒸发出气腔），避免了长径比过长时大量汽泡对沸腾换热系统的负面影响。冷凝相变在管外发生，具有换热系统高的优点。

本实用新型能够保证双相变换热的正常进行，大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸并节省了95%以上的工作介质输送时消耗的能量。

由于吸热蒸发的液体填充在管内，相比于管外沸腾，液体填充量少，有利于成本的降低。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

图1中箭头所示方向为该处介质的流向。

如图1所示，本实用新型的卧式双相变换热器包括卧式壳体1，卧式壳体1内均匀间隔设有若干换热单元，壳体1两端设有封头2。

换热单元包括筒体3，筒体3上端与壳体1顶壁密封连接，筒体3下端与壳体1底壁密封连接，筒体3内壁与壳体1之间围成冷凝腔4；各换热单元的筒体3外壁与壳体1之间围成蒸发出气腔5，各蒸发出气腔5相互连通；

筒体3内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的换热蒸发管6，各换热蒸发管6的两端与筒体3两端的蒸发出气腔5相连通；所述换热蒸发管6的长径比小于等于20。

筒体3至少一端底部设有与蒸发出气腔5相连通的低温液体进口7，优选的情况是所述筒体3两端底部均设有与蒸发出气腔5相连通的低温液体进口7，这样可以加快进液速度。

筒体3一端的换热单元冷凝腔4的底部设有高温液体出口8；各冷凝腔4的底部均连通有高温液体管9，各高温液体管9均与高温液体出口8相连通；

各蒸发出气腔5的顶部分别向上连通有低温蒸汽管10；各冷凝腔4的顶部分别向上连通有高温蒸汽管11。

壳体1顶部设有低温蒸汽出口12和高温蒸汽进口13，所述各低温蒸汽管10均与低温蒸汽出口12相连通，所述各高温蒸汽管11均与高温蒸汽进口13相连通。

低温蒸汽出口12和高温蒸汽进口13的设置，使得所有换热单元的对外接口得以统一，使本实用新型对外只需要连接四个接口即可，这四个接口是：高温蒸汽进口13、高温液体出口8、低温液体进口7和低温蒸汽出口12。这种设置大大简化了对外管路的连接，提高了安装效率，降低了安装难度。

所述封头2为平封头或弧形封头。本实用新型中，卧式壳体1两侧优选采用平封头，相比使用弧形封头，可以显著减少沸腾相液体（即低温液体）的用量。平封头也是本领域常规结构，图中仅示出了弧形封头，不再示出平封头。

本实用新型所采用的工作介质：发生相变的介质根据不同的应用有不同选择，例如：水、氨、二氧化碳等；各类单质制冷剂或非共沸混合制冷剂（CFC类，HCFC类，HFC类，R400等）；各类碳氢化合物（丙烷、乙醇、乙烯、丙酮等）。基于本实用新型的技术方案，本领域技术人员有能力根据实际应用的需要选择合适的工作介质。

本实用新型适用于各类低温蒸汽回收场合，特别是与机械压缩式热泵系统相结合。

用在热泵机组的蒸发器上，可以直接回收低温蒸汽的潜热，取消了水冷凝器的水耗、水输送能耗以及凉水塔投资及运转费用，并且提高了回收温度进而提高了热泵机组整机效率。

用在热泵机组的冷凝器上，可直接生产蒸汽用于工业生产线。特别是用在各类传统单/多效蒸发浓缩设备、单/多级蒸馏塔、各类干燥设备上。这些设备都大量消耗外来锅炉蒸汽，并且使用冷凝器结合凉水塔把末级低温蒸汽直接排放到大气中。利用本实用新型，把原来直排的低温蒸汽引入热泵机组的蒸发器，把热泵机组冷凝器生产的高温蒸汽直接送回蒸发浓缩或蒸馏或干燥设备，这样可以完全取消外来锅炉蒸汽的使用，从而大大降低能源消耗量。在本实用新型的基础上还可采用各类表面强化换热技术，提升整机效率，减少传热温差，降低投资成本。蒸馏塔情况与此类似。

工作时，低温液体由低温液体进口7进入壳体1内的蒸发出气腔5；由于各换热单元的蒸发出气腔5相互连通，因此只须控制一个液位即可保证所有换热单元的低温液体的液位处于正常状态。

高温蒸汽由高温蒸汽进口13流入，经高温蒸汽管11进入各冷凝腔4；高温蒸汽在冷凝腔4内遇到换热蒸发管6时，与换热蒸发管6内的低温液体进行热交换，管外的高温蒸汽（当换热蒸发管6内外的介质相同时，冷凝腔4内的高温蒸汽的压力高于换热蒸发管6内低温液体的压力）遇冷发生冷凝现象，生成的高温液体经高温液体管9和高温液体出口8流出。

低温液体由低温液体进口7进入壳体1内的蒸发出气腔5，进而进入换热蒸发管6，在换热蒸发管6内吸收管外高温蒸汽的热量，发生蒸发现象。产生的低温蒸汽流出换热蒸发管6，通过蒸发出气腔5进入低温蒸汽管10，最终通过低温蒸汽出口12流出。

本实用新型能够保证双相变换热的正常进行，大大提高了通过换热面的热流密度，从而能够大大减小换热器的尺寸并节省了95%以上的工作介质输送时消耗的能量。

在本发明的基础上还可采用各类表面强化换热技术，提升整机效率，减少传热温差，降低投资成本。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1. 卧式双相变换热器，其特征在于：包括卧式壳体，卧式壳体内均匀间隔设有若干换热单元，壳体两端设有封头；

换热单元包括筒体，筒体上端与壳体顶壁密封连接，筒体下端与壳体底壁密封连接，筒体内壁与壳体之间围成冷凝腔；各换热单元的筒体外壁与壳体之间围成蒸发出气腔，各蒸发出气腔相互连通；

筒体内沿上下方向均匀间隔设有若干水平设置的换热蒸发管，各换热蒸发管的两端与筒体两端的蒸发出气腔相连通；

筒体至少一端底部设有与蒸发出气腔相连通的低温液体进口，筒体一端的换热单元冷凝腔的底部设有高温液体出口；各冷凝腔的底部均连通有高温液体管，各高温液体管均与高温液体出口相连通；

各蒸发出气腔的顶部分别向上连通有低温蒸汽管；各冷凝腔的顶部分别向上连通有高温蒸汽管。

2. 根据权利要求1所述的卧式双相变换热器，其特征在于：壳体顶部设有低温蒸汽出口和高温蒸汽进口，所述各低温蒸汽管均与低温蒸汽出口相连通，所述各高温蒸汽管均与高温蒸汽进口相连通。

3. 根据权利要求1或2所述的卧式双相变换热器，其特征在于：所述封头为平封头或弧形封头。

4. 根据权利要求1或2所述的卧式双相变换热器，其特征在于：所述筒体两端底部均设有与蒸发出气腔相连通的低温液体进口。

5. 根据权利要求1或2所述的卧式双相变换热器，其特征在于：所述换热蒸发管的长径比小于等于20。