CN208012424U - 换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种换热器，包括：壳体，具有内腔，壳体包括柱状的筒体；多根换热管，沿筒体的轴向布置在内腔中；第一折流板，沿筒体的轴向设置在多根换热管之间。本实用新型的技术方案有效地解决了现有技术中换热器的端差与冷却剂进、出口的温差相近，导致换热器能耗高、设计难度高的问题。

Description

换热器

技术领域

本实用新型涉及相变换热领域，具体而言，涉及一种换热器。

背景技术

在目前工业生产中，不管是制冷剂气化后的加压冷却，还是将化学反应后的气态产物进行液化，都得需要一台或者多台具有相变冷却功能的换热器，然而在当前工业应用中，用于气相物质冷却为液相物质的相变换热器，多以列管式换热器为主，其中被冷却液化的物质通常走壳程，而冷却剂通常走管程。并且在这种相变换热器中，为提高列管内流体速度，一般在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，并在整个换热器管束中会往返多次，所以将这种换热形式称为多管程。同样，为提高管外流体流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。并且在这种换热器的设计中，为了提高换热器的换热效率，一般多管程与多壳程配合应用。

虽然这种多管程与多壳程配合应用的列管式换热器提高了一定的换热效率，然而在这种换热器中，管程的冷却剂是沿换热器的轴向进行往返流动着，而壳程被冷却的介质是沿着换热器的径向进行往返流动着，所以对于一个逆向流动换热的冷却器来说，冷却剂交叉流动在被冷却物质之间，这样使得换热器的端差与冷却剂进、出口的温差相差不大，导致换热器的能耗升高。尤其对于具有相变功能的冷却器来说，液化后介质的温度决定着该液体的饱和蒸汽压，所以当被液化后介质的温度较高时，需要较高的气相压力才能将该气体进行液化，因此需要增加被冷却介质加压系统的负荷来解决该问题。这样将会进一步增加了整个加压及冷却系统的设计难度。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种换热器，以解决现有技术中换热器的端差与冷却剂进、出口的温差相近，导致换热器能耗高、设计难度高的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种换热器，包括：壳体，具有内腔，壳体包括柱状的筒体；多根换热管，沿筒体的轴向布置在内腔中；第一折流板，沿筒体的轴向设置在多根换热管之间。

进一步地，换热器还包括沿筒体的径向布置的多个第二折流板，多个第二折流板沿流体流动方向间隔设置在筒体内。

进一步地，第二折流板包括交替设置地上折流板和下折流板，上折流板的顶端与筒体的内表面和/或第一折流板的下表面连接。

进一步地，上折流板的底端设置有第一过流部，下折流板的顶端设置有第二过流部，下折流板的底部设置有第三过流部，各管程中第三过流部的高度从筒体的顶端向底端逐渐增大地设置。

进一步地，第一折流板将内腔分成多个流道，各流道中的多根换热管形成换热管组，换热管组的底面至该换热管组下方的第一折流板的上表面或壳体内表面的距离从筒体的顶端向底端逐渐增大地设置。

进一步地，壳体还包括设置在筒体的第一端的第一封头和设置在筒体的第二端的第二封头，筒体、第一封头和第二封头形成内腔，第一封头中沿筒体的轴向设置有隔板，第一折流板与隔板对应设置。

进一步地，壳体还包括设置在筒体的第一端的第一封头和设置在筒体的第二端的第二封头，筒体、第一封头和第二封头形成内腔，第一封头和第二封头中均设置有隔板，以在第二封头内分成多个空间，在第一封头内分成多个空间，第一折流板为多个，多个第一折流板中一部分与第一封头中的隔板对应设置，多个第一折流板中其余部分与第二封头中的隔板对应设置。

进一步地，壳体的两端均设置有端板，多根换热管穿设在端板中，第一折流板靠近对应隔板的一端与端板连接，第一折流板远离对应隔板的一端与端板之间留有间隙。

进一步地，第一封头上设置有第一进口和第一出口，或者，第一封头和第二封头中的一个上设置有第一进口，第一封头和第二封头中的另一个上设置有第一出口；筒体上设置有第二进口和第二出口，第一进口低于第一出口，第二进口高于第二出口。

进一步地，筒体的下方设置有积液包，第二出口设置在积液包上，第二出口包括气相出口和液相出口。

应用本实用新型的技术方案，第一折流板的布置方向与换热管的布置方向相同，均沿筒体的轴向布置在内腔中，改变了流体在壳程中的流动趋势，使在换热管中流动的管程流体的流向与在壳体和多根换热管之间的壳程流体的流向能够完全逆向，从而提高管程流体的进、出口的温差，降低换热器端差，提高换热器的换热效率，进一步降低气体加压系统负荷，降低换热器能耗和设计难度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的换热器的实施例的剖视结构示意图；

图2示出了图1的换热器的A处局部放大示意图；以及

图3示出了图1的换热器的B-B向剖视结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、壳体；11、筒体；12、第一封头；13、第二封头；14、端板；151、第一隔板；152、第二隔板；153、第三隔板；20、换热管；30、第一折流板；40、第二折流板；41、第一上折流板；42、第一下折流板；43、第二上折流板；44、第二下折流板；45、第三上折流板；46、第三下折流板；47、第四上折流板；48、第四下折流板；51、第一过流部；52、第二过流部；53、第三过流部；531、过流部；532、过流部；61、第一进口；62、第一出口；63、第二进口；64、第二出口；641、气相出口；642、液相出口；70、积液包。

具体实施方式

在传统列管式换热器中，虽然壳程的折流板既可以使流经壳程的介质沿换热器径向进行往返流动，增加其流动速度及停留时间，又可以对换热器的列管起到一定的支撑作用，并且在制造工艺上来说相对较为简单。但存在换热器换热效率较低，能耗较高等问题。本申请针对此问题对换热器结构进行了改进。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例一：

如图1所示，实施例一的换热器包括壳体10、多根换热管20和第一折流板30。其中，壳体10包括柱状的筒体11并具有内腔，多根换热管20沿筒体11的轴向布置在内腔中。第一折流板30也沿筒体11的轴向设置在多根换热管20之间。

应用本实施例的技术方案，第一折流板30的布置方向与换热管20的布置方向相同，均沿筒体11的轴向布置在内腔中，改变了流体在壳程中的流动趋势，使在换热管20中流动的管程流体的流向与在壳体10和多根换热管20之间的壳程流体的流向能够完全逆向，从而提高管程流体的进、出口的温差，降低换热器端差，提高换热器的换热效率，进一步降低气体加压系统负荷，降低换热器能耗和设计难度。

在将气相物质冷却为液态的过程中，气体液化会释放出较多的液化潜热，并且被液化后液体的温度决定着该物质的饱和蒸汽压，所以在有相变的换热器中，采用逆向交叉流动的换热方式会使换热器的端差减小，从而通过降低被液化后液体的温度来降低其饱和蒸汽压，进一步降低了加压系统的负荷。

进一步地，如图1所示，本实施例的壳体10还包括设置在筒体11的第一端的第一封头12和设置在筒体11的第二端的第二封头13，筒体11、第一封头12和第二封头13形成内腔。具体地，第一封头12中设置有第一隔板151和第二隔板152以在第一封头12内形成三个空间，相应地，第二封头13中设置有第三隔板153以在第二封头13内形成两个空间，使管程流体在换热器中能够在第一隔板151、第二隔板152和第三隔板153的作用下往复流经四个换热管长度，即本实施例的换热器为四管程换热器。相应地，本实施例的第一折流板30为三个，三个第一折流板30中的两个分别与第一封头12中的第一隔板151和第二隔板152对应设置，剩余一个第一折流板30与第二封头13中的第三隔板153对应设置。

在图中未示出的其他实施例中，第二封头中设置的第三隔板的数量与第一封头中设置的第二隔板的数量可以相同，使换热器形成奇数管程的换热器。

在列管式换热器中，壳程流体的流动速度对换热器的换热效率影响较大。本实施例的换热器采用第一折流板将壳程分为不同层数，增加了壳程流体的流速，进而使得流体的湍流程度加剧，从而来提高壳程对流传热的传热系数，进一步提高换热器的换热效率。相变换热器的换热效率提高使气体液化的饱和蒸汽压降低。在相同的生产负荷下，加压系统的负荷降低，从而进一步实现加压装置的节能减排的目的，降低了加压、液化系统的设计难度。

上述结构中第一折流板与隔板数量相同并对应设置，使壳程流体的分层数量与管程数量相同，进而使壳程流体的流动方向与管程流体的流动方向形成同步逆向流动，从而确保换热器中各处的管程流体和壳程流体的流动趋势均为逆向，保证换热效果。

具体地，如图1所示，本实施例的壳体10的两端均设置有端板14，多根换热管20穿设在端板14中，各第一折流板30靠近对应隔板的一端与端板14连接，各第一折流板30远离对应隔板的一端与端板14之间留有间隙。上述结构进一步确保换热器中各处的管程流体和壳程流体的流动趋势均为逆向，保证换热效果。

进一步地，如图1所示，本实施例的第一封头12上设置有第一进口61和第一出口62，筒体11上设置有第二进口63和第二出口64，第一进口61低于第一出口62，第二进口63高于第二出口64。优选地，在本实施例中，从第一进口61流入的管程流体为液态流体，从第二进口63流入的壳程流体为气态流体，气态流体在流动过程中向液态流体放热，并能够通过壳体10向外散热，提高冷却效果。

在图中未示出的奇数管程的换热器的实施例中，第一进口和第一出口可以适应性地分别设置在第一封头和第二封头上，以使流体能够在换热管中往返流动。

进一步地，如图1所示，本实施例的换热器还包括沿筒体11的径向布置的多个第二折流板40，多个第二折流板40沿流体流动方向间隔设置在筒体11内。第二折流板40起到导流作用，使壳程流体在沿壳体10的轴向移动的过程中还能够沿壳体10的径向往复流动，进而保证壳程流体与换热管20充分接触，保证换热效果。

如图1和图2所示，本实施例的第二折流板40包括交替设置地上折流板和下折流板，其中，第四管程对应的第一上折流板41的顶端与筒体11的内表面连接，第三管程对应的第二上折流板43的顶端与第一折流板30的下表面连接。第三上折流板45和第四上折流板47与第二上折流板43结构相似。上折流板的底端设置有第一过流部51，如图2所示，本实施例的第一过流部51为上折流板与各第一折流板30或壳体10的内表面之间的间隙，壳程流体能够通过第一过流部51继续向下游流动。

与上折流板相对的，本实施例的下折流板的顶端设置有第二过流部52，以使壳程流体能够沿壳体10的径向往复流动。

与上折流板不同的是，本实施例的下折流板的底部设置有第三过流部53，如图2和图3所示，第三过流部53包括过流部531、过流部532等。具体地，第四管程对应的第一下折流板42的两侧与壳体10的内表面连接，第一下折流板42的下边缘与第一折流板30之间留有间隙，间隙形成过流部531；第三管程对应的第二下折流板44的两侧与壳体10的内表面连接，第二下折流板44的下边缘与第一折流板30之间留有间隙，间隙形成过流部532；第三下折流板46、第四下折流板48与第一下折流板42和第二下折流板44的结构相似。在不同的温度、压力下，壳程的气态流体在放热过程中可能会发生相变，凝结成液态流体。第三过流部53使这部分液体能够顺利流向下游，避免流体聚集在下折流板和第一折流板形成的凹槽中，进而没过换热管20，影响换热管20的换热面积和换热效率。

优选地，如图2所示，在本实施例中，气态流体从上向下流动，随着换热的进行，凝结成的液态流体越来越多，因此，为了使液态流体及时顺畅地从第三过流部53排出，避免液态流体在第二折流板之间汇集、液位逐渐升高，如图3所示，本实施例的换热器沿上下方向过流部531的高度h1小于过流部532的高度h2。同理，图3中，h3大于h2、h4大于h3，使凝结的壳程液态流体在气态流体的推动作用下会沿第一折流板继续向下游流动，第三过流部53的高度逐渐增大地设置进一步地避免液体浸没换热管20，对换热效率造成影响。

同理，如图1和图3所示，在本实施例中，三个第一折流板30将内腔分成四个流道，各流道中的换热管20排列形成换热管组，换热管组的底面至对应的第一折流板30的上表面或壳体内表面的距离从筒体11的顶端向底端逐渐增大地设置。具体地，如图3所示，第四管程对应的换热管组的下表面与对应的第一折流板的上表面之间的距离为H1，第三管程对应的换热管组的下表面与对应的第一折流板的上表面之间的距离为H2，第二管程对应的换热管组的下表面与对应的第一折流板的上表面之间的距离为H3，第一管程对应的换热管组的下表面与筒体11的内表面之间的距离为H4，H1＜H2＜H3＜H4，从而避免凝结的壳程液态流体没过换热管，影响换热效率。

第一进口61、第一出口62、第二进口63和第二出口64的管路上分别设置有阀门，当气态流体在第二进口63上的阀门的控制下进入换热器内腔后，气态流体受第一折流板30的影响沿壳体10的轴向流动，与换热管20中的液态冷却剂流体形成逆向交流换热。当气态流体流动至第二封头13侧的端板14时，未凝结成液态的气态流体和冷却凝结的液体流体进入第二层与第三管程的液态流体换热，以此类推。由于从上到下，通过顶端通道的气态流体会越来越少，液态流体会逐渐越多，所以第一层的换热管20的换热面积最大，从上到下换热面积逐渐减少。

进一步地，如图1所示，本实施例的筒体11的下方设置有积液包70，第二出口64设置在积液包70上，积液包70中设有挡板，第二出口64包括气相出口641和液相出口642。最终气态流体和液态流体均进入积液包70中，当积液包70中的液体达到一定液位时，打开阀门将凝结后的液态流体从液相出口642排出换热器，通过阀门控制积液包70液位稳定。未冷却凝结的气态流体通过挡板导流并从气相出口641流出换热器，

在相变换热器中，由于被液化液体的温度决定着饱和蒸气压，所以当被冷却气体的压力一定时，随着气相物质与冷却剂的交叉流动，气相物质的温度会逐渐降低。降低到一定温度后，会有一定量的气相物质被液化，随着温度的进一步降低，气化物质的液化量会进一步增加，所以本实施例的换热器在每个第一折流板和对应的下折流板之间留有不同大小的第三过流部，使得被冷却的液体能够聚集并通过第三过流部，避免了该部分液体占用一定的换热面积，影响换热器的换热效率。并且由于气相物质的液化，使得气体的空间大大减小，未液化的气体会及时补充该部分空间，所以会形成一定的推动力，该推动力会推动积液区的液体按气体的流动方向进行流动，最后进入换热器的积液包70，实现了各第一折流板上的液体自动收集的目的。

实施例二：

实施例二的换热器为双管程列管式换热器，壳体包括筒体和设置在筒体的第一端的第一封头以及设置在筒体的第二端的第二封头，筒体、第一封头和第二封头形成内腔，第一封头中沿筒体的轴向设置有一个隔板，第二封头中不设置隔板，第一折流板与第一封头中的隔板对应设置，使管程流体在换热器中折返一次，形成双管程列管式换热器。其他结构与实施例一相似。本实施例的换热器也能提高管程流体的进、出口的温差，降低换热器端差，提高换热器的换热效率，达到降低气体加压系统负荷，降低换热器能耗和设计难度的目的。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

第一折流板的布置方向与换热管的布置方向相同，均沿筒体的轴向布置在内腔中，改变了流体在壳程中的流动趋势，使在换热管中流动的管程流体的流向与在壳体和多根换热管之间的壳程流体的流向能够完全逆向，从而提高管程流体的进、出口的温差，降低换热器端差，提高换热器的换热效率，进一步降低气体加压系统负荷，降低换热器能耗和设计难度。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种换热器，其特征在于，包括：

壳体(10)，具有内腔，所述壳体(10)包括柱状的筒体(11)；

多根换热管(20)，沿所述筒体(11)的轴向布置在所述内腔中；

第一折流板(30)，沿所述筒体(11)的轴向设置在多根所述换热管(20)之间，所述第一折流板(30)将所述内腔分成多个流道，各所述流道中的多根所述换热管(20)形成换热管组，所述换热管组的底面至该换热管组下方的所述第一折流板(30)的上表面或所述壳体(10)的内表面的距离从所述筒体(11)的顶端向底端逐渐增大地设置。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括沿所述筒体(11)的径向布置的多个第二折流板(40)，多个所述第二折流板(40)沿流体流动方向间隔设置在所述筒体(11)内。

3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述第二折流板(40)包括交替设置地上折流板和下折流板，所述上折流板的顶端与所述筒体(11)的内表面和/或所述第一折流板(30)的下表面连接。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述上折流板的底端设置有第一过流部(51)，所述下折流板的顶端设置有第二过流部(52)，所述下折流板的底部设置有第三过流部(53)，各管程中所述第三过流部(53)的高度从所述筒体(11)的顶端向底端逐渐增大地设置。

5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述壳体(10)还包括设置在所述筒体(11)的第一端的第一封头(12)和设置在所述筒体(11)的第二端的第二封头(13)，所述筒体(11)、所述第一封头(12)和所述第二封头(13)形成所述内腔，所述第一封头(12)中沿所述筒体(11)的轴向设置有隔板，所述第一折流板(30)与所述隔板对应设置。

6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述壳体(10)还包括设置在所述筒体(11)的第一端的第一封头(12)和设置在所述筒体(11)的第二端的第二封头(13)，所述筒体(11)、所述第一封头(12)和所述第二封头(13)形成所述内腔，所述第一封头(12)和所述第二封头(13)中均设置有隔板，以在所述第二封头(13)内分成多个空间，在所述第一封头(12)内分成多个空间，所述第一折流板(30)为多个，多个所述第一折流板(30)中一部分与所述第一封头(12)中的隔板对应设置，多个所述第一折流板(30)中其余部分与所述第二封头(13)中的隔板对应设置。

7.根据权利要求5或6所述的换热器，其特征在于，所述壳体(10)的两端均设置有端板(14)，多根所述换热管(20)穿设在所述端板(14)中，所述第一折流板(30)靠近对应隔板的一端与所述端板(14)连接，所述第一折流板(30)远离对应隔板的一端与所述端板(14)之间留有间隙。

8.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，

所述第一封头(12)上设置有第一进口(61)和第一出口(62)，或者，所述第一封头(12)和所述第二封头(13)中的一个上设置有第一进口(61)，所述第一封头(12)和所述第二封头(13)中的另一个上设置有第一出口(62)；

所述筒体(11)上设置有第二进口(63)和第二出口(64)，所述第一进口(61)低于所述第一出口(62)，所述第二进口(63)高于所述第二出口(64)。

9.根据权利要求8所述的换热器，其特征在于，所述筒体(11)的下方设置有积液包(70)，所述第二出口(64)设置在所述积液包(70)上，所述第二出口(64)包括气相出口(641)和液相出口(642)。