CN103791744B - 双相变潜热换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双相变潜热换热器,包括换热单元,换热单元包括密封壳体,壳体内上下间隔设有上、下密封挡板,上、下密封挡板之间设有若干竖管,竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室,上密封挡板上方设有蒸汽腔室,各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通;各竖管底部均与一液体腔室相连通;竖管的长径比小于20;蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口,中间腔室的壳体上设有第二蒸汽进出口,中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口,液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口。本发明能够实现双相变潜热换热的正常进行,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%以上的单相变换热时冷却工质输送时消耗的能量。
Description
技术领域
本发明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。之所以没有出现换热面两侧的介质均发生相变的换热器,是因为现有的两种换热器均不适应双相变的工作状况,并且对此缺乏规律性的认识。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够大幅缩小换热器体积、降低介质输送能耗的双相变潜热换热器。
为实现上述目的,本发明的双相变潜热换热器包括换热单元,换热单元包括密封壳体,壳体内上下间隔设有上密封挡板和下密封挡板,上、下密封挡板之间均匀设有若干竖管,竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室,上密封挡板上方设有蒸汽腔室,各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通;各竖管底部均与一液体腔室相连通,液体腔室位于下密封挡板下方并与下密封挡板相临;所述竖管的长径比小于20;所述蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口,所述中间腔室顶部的壳体上设有第二蒸汽进出口,所述中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口,所述液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口,第二蒸汽进出口和第一液体进出口分别位于壳体的相对两侧。
所述换热单元上下堆叠设有两个以上。
所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体内,各换热单元与罩体围成蒸汽空腔,罩体内设有蒸汽管,蒸汽管选择连通第一蒸汽进出口或第二蒸汽进出口,且蒸汽管的顶部向上伸出罩体;罩体内设有液管,液管选择连通第一液体进出口或第二液体进出口,且液管的底部向下伸出罩体;所述罩体的侧壁中部设有罩体蒸汽进口,所述罩体的底端连通有罩体液体出口。
最顶部的换热单元的壳体顶部呈封头结构,最底部的换热单元的壳体底部呈封头结构。
本发明具有如下的优点:
竖管的长径比小于20,能够避免沸腾相变一侧造成气液剧烈混和现象,避免冷凝相变侧风阻损失大、管束效应明显、液膜热阻效应强等现象,从而保证稳定的冷凝或沸腾,保证换热效率。本发明能够保证双相变换热的正常进行,采用竖管内外的两种工作介质均发生相变(即管程和壳程的工作介质均发生相变)的工作方式,本发明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,有效实现潜热高密度换热,同时也节省了95%以上的液体或气体(即工作介质)输送时消耗的能量。
基本单元使用短管,占地面积通常较大;使用堆叠的方法,把多个换热单元上下堆叠集合在一起,这样不仅占地面积小,而且各换热单元之间的压力相互平衡,压力容器更容易设计。
如果没有设置罩体,则每个换热单元都要对外连接4根管道,造成外部管道又多又乱,增大连接难度并使降低设备的紧凑程度。由于设置了罩体,体积流量最大的汽态流就可以取消分布管路。这样做不但流量分布更加均匀,同时整体设备外观紧凑,综合换热效率也高;用于内凝外沸式时,单元的圆周表面也可用于冷凝换热,换热面积显著提高。最后,本发明结构简单,便于制造和使用。
总之,本发明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。上下堆叠设置多个换热单元,并设置罩体,可以简化本发明的连接结构,使整体设备更加紧凑,并使工作介质的流量分布地更加均匀,提高综合换热效率。
附图说明
图1是本发明中换热单元的结构示意图;
图2是三个换热单元上下堆叠在一起的结构示意图;
图3是设有罩体时本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示,本发明的双相变潜热换热器包括换热单元,换热单元包括密封壳体1,壳体1内上下间隔设有上密封挡板2和下密封挡板3,上、下密封挡板2、3之间均匀设有若干竖管4,竖管4与上、下密封挡板2、3之间的壳体1围成中间腔室5,上密封挡板2上方设有蒸汽腔室6,各竖管4的顶部开口与蒸汽腔室6相连通;各竖管4底部均与一液体腔室7相连通,液体腔室7位于下密封挡板3下方并与下密封挡板3相临;所述竖管4的长径比小于20,本领域技术人员可以依据不同物料性质选取不同的长径比。
所述蒸汽腔室6处的壳体1上设有第一蒸汽进出口8,所述中间腔室5顶部的壳体1上设有第二蒸汽进出口9,所述中间腔室5底部的壳体1上设有第一液体进出口10,所述液体腔室7处的壳体1上设有第二液体进出口11。第一、第二液体进出口10、11的管径小于第一、第二蒸汽进出口8、9的管径。第二蒸汽进出口9和第一液体进出口10分别位于壳体的相对两侧。
所述换热单元上下堆叠设有两个以上。所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体12内,各换热单元与罩体12围成蒸汽空腔13。
罩体12内设有蒸汽管14,蒸汽管14选择连通第一蒸汽进出口8或第二蒸汽进出口9,且蒸汽管14的顶部向上伸出罩体12。
罩体12内设有液管15,液管15选择连通第一液体进出口10或第二液体进出口11,且液管15的底部向下伸出罩体12。
所述罩体12的侧壁中部设有罩体蒸汽进口16,所述罩体12的底端连通有罩体液体出口17。
最顶部的换热单元的壳体1顶部呈封头结构,最底部的换热单元的壳体1底部呈封头结构。
本发明所采用的工作介质:发生相变的介质有不同选择,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)。基于本发明的技术方案,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。
本发明适用于各类低温蒸汽回收场合,特别是与机械压缩式热泵***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蒸发浓缩设备上。传统蒸发浓缩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。利用本发明,把蒸发浓缩设备的末级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。
使用时,本发明的双相变潜热换热器既可以采用外凝内沸(指各竖管4内的介质由液态吸热后蒸发为气态,同时各竖管4外、中间腔室5内的介质即管外壳程介质则由气态放热后冷凝为液态)的工作方式,也可以采用内凝外沸的工作方式。
采用外凝内沸的工作方式时,如图3所示,蒸汽管14连通第一蒸汽进出口8,同时液管15连通第二液体进出口11。换热过程是:高温蒸汽由罩体蒸汽进口16进入蒸汽空腔13,然后通过各换热单元的第二蒸汽进出口9进入中间腔室5,与各竖管4内的蒸发介质进行换热后得到冷凝,冷凝后形成的液体由第一液体进出口10流出中间腔室5,然后落在蒸汽空腔13的底部,并通过罩体液体出口17流出罩体12;与此同时,液态的蒸发介质由罩体液体出口17流入罩体12,通过液管15后进入各换热单元的第二液体进出口11;然后,液态的蒸发介质经过液体腔室7流入各竖管4,流经竖管4时,液态的蒸发介质得到管外冷凝介质的热量后蒸发,蒸发后形成的气体依次经蒸汽腔室6、第一蒸汽进出口8和蒸汽管14后流出罩体12。
采用外沸内凝的工作方式时,蒸汽管14连通第二蒸汽进出口9,同时液管15连通第一液体进出口10。换热过程是:蒸发介质的高温蒸汽由罩体蒸汽进口16进入蒸汽空腔13,然后通过各换热单元的第一蒸汽进出口8进入中间腔室5,与各竖管4内的蒸发介质进行换热后得到冷凝,冷凝后形成的液体由第二液体进出口11流出中间腔室5,然后落在蒸汽空腔13的底部,并通过罩体液体出口17流出罩体12;与此同时,液态的蒸发介质由罩体液体出口17流入罩体12,通过液管15后进入各换热单元的第一液体进出口10;然后,液态的蒸发介质经过液体腔室7流入各竖管4,流经竖管4时,液态的蒸发介质得到管外冷凝介质的热量后蒸发,蒸发后形成的气体依次经蒸汽腔室6、第二蒸汽进出口9和蒸汽管14后流出罩体12。
本发明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。上下堆叠设置多个换热单元,并设置罩体12,可以简化本发明的连接结构,使整体设备更加紧凑,并使工作介质的流量分布地更加均匀,提高综合换热效率。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.双相变潜热换热器,其特征在于:包括换热单元,换热单元包括密封壳体,壳体内上下间隔设有上密封挡板和下密封挡板,上、下密封挡板之间均匀设有若干竖管,竖管与上、下密封挡板之间的壳体围成中间腔室,上密封挡板上方设有蒸汽腔室,各竖管的顶部开口与蒸汽腔室相连通;各竖管底部均与一液体腔室相连通,液体腔室位于下密封挡板下方并与下密封挡板相临;所述竖管的长径比小于20;
所述蒸汽腔室处的壳体上设有第一蒸汽进出口,所述中间腔室顶部的壳体上设有第二蒸汽进出口,所述中间腔室底部的壳体上设有第一液体进出口,所述液体腔室处的壳体上设有第二液体进出口;
第二蒸汽进出口和第一液体进出口分别位于壳体的相对两侧;
所述换热单元上下堆叠设有两个以上;
所述堆叠在一起的各换热单元皆置于一罩体内,各换热单元与罩体围成蒸汽空腔,
罩体内设有蒸汽管,蒸汽管选择连通第一蒸汽进出口或第二蒸汽进出口,且蒸汽管的顶部向上伸出罩体;
罩体内设有液管,液管选择连通第一液体进出口或第二液体进出口,且液管的底部向下伸出罩体;
所述罩体的侧壁中部设有罩体蒸汽进口,所述罩体的底端连通有罩体液体出口。
2.根据权利要求1所述的双相变潜热换热器,其特征在于:最顶部的换热单元的壳体顶部呈封头结构,最底部的换热单元的壳体底部呈封头结构。
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