CN105066729B - 一种具有分液功能的板式冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有分液功能的板式冷凝器，包括前压紧板、后压紧板和中间换热模块，所述前压紧板和后压紧板分别安装于中间换热模块的两侧；所述中间换热模块设置有冷却水流道和蒸汽流道。本发明的有益效果是：及时分液，排除冷凝液，有效降低冷凝液液膜厚度，减小冷凝传热热阻，有效改善板式冷凝器的换热效果；无运动部件，运行故障率小，可靠性高；保持了常规板式换热器的基本结构特征，继承了常规板式换热器紧凑性好、占用面积小、传热系数高、组装使用灵活的优点；采用分程冷却的思想，针对冷凝换热过程温度曲线的变化规律，分程配置冷却流体的温度和流量，使得温度匹配关系更加合理，有效减小传热温差，降低换热器损失。

Description

一种具有分液功能的板式冷凝器

【技术领域】

本发明涉及冷凝器领域，尤其是一种强化相变传热，可用于蒸汽冷凝的具有分液功能的板式冷凝器。

【背景技术】

板式换热器是由一系列互相平行的具有波纹表面的金属薄板相互叠加而成，板与板之间的空间形成换热流体的通道，流体通过板片进行传热，单位体积有效传热面积较大，具有结构紧凑、换热系数高、组装灵活、使用方便等优点。板式换热器广泛适用于医药、食品及造船等行业。在上述行业中“液体-液体”之间换热情况较多，板式换热器的优势也较为明显。对于相变换热场合，如制冷空调、热泵与化工行业，专用的板式蒸发器和板式冷凝器较少。将现有的板式换热器应用于这些相变换热场合(如蒸发器和冷凝器)产生的效果较差。

用于相变换热场合中的蒸发器，英国APV公司专门开发出相关的板式蒸发器，其采用降膜蒸发原理，能够较好强化板式蒸发器传热效果。而对于板式冷凝器，现有应用中仅仅是在传统的“液-液”型板式换热器的基础上，增大蒸汽侧的孔径和板面波纹节距，以达到较好的减小流体压降的效果，但传热效果改善并不显著。

板式冷凝器是将蒸汽或气体中的热量带走，从而将其转变成液体的板式热交换装置。利用金属薄板形成的通道，蒸汽与冷却介质交叉布置，两股流体通过金属板进行传热。在大多数工业应用场合，蒸汽在低温壁面上凝结形成的冷凝液在壁面上铺展成液膜，这种冷凝称之为膜状冷凝。凝结放出的热量必须穿过液膜，而冷凝液的热导率较低，液膜成为凝结传热的主要热阻。因此，强化冷凝传热的关键是减薄液膜的厚度。

公开号为CN104154769A的中国专利申请公开《备自动除液功能的板式冷凝器》提出一种利用刮液板结构的自动除液功能的板式冷凝器，该结构理论上可以达到自动除液的功能。但该结构复杂不易加工，带有运动部件容易出故障，且结构上已经不具有传统的板式换热器的优势，使其应用受到较大限制。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有板式换热器不能及时排除冷凝液而导致板式冷凝器冷凝换热系数较低等不足，提出一具有分液功能的板式冷凝器，通过分液结构及时将冷凝液排除，有效降低板式冷凝器的液膜热阻，从而提高换热系数；同时，该结构可以实现冷凝过程的分程冷凝，可以实现冷凝过程的分段冷凝，减小传热温差，降低换热器损失。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：具有分液功能的板式冷凝器，包括前压紧板、后压紧板和中间换热模块，所述前压紧板和后压紧板分别安装于中间换热模块的两侧；所述中间换热模块设置有冷却水换热流道和蒸汽换热流道。

所述中间换热模块由若干第一传热板和第二传热板依次交错堆叠组成，在所述第一传热板和第二传热板之间设置第一密封垫和第二密封垫，所述第一密封垫和第二密封垫依次交错设置在所述第一传热板和第二传热板之间。

所述第一传热板设置有蒸汽进口角孔、冷凝液出口角孔、排气角孔、分液角孔、第一程冷却水进口角孔、第一程冷却水出口角孔、第二程冷却水进口角孔和第二程冷却水出口角孔；所述第二传热板设置有蒸汽进口角孔、冷凝液出口角孔、分液角孔、第一程冷却水进口角孔、第一程冷却水出口角孔、第二程冷却水进口角孔和第二程冷却水出口角孔。当所述第一传热板与第二传热板堆叠时，所述蒸汽进口角孔、冷凝液出口角孔、分液角孔、第一程冷却水进口角孔、第一程冷却水出口角孔、第二程冷却水进口角孔和第二程冷却水出口角孔分别对应安装在中间换热模块内形成第一程冷却水换热流道、第二程冷却水换热流道以及蒸汽换热流道。

所述前压紧板上设置蒸汽入口、中间排液口、冷凝器出口、第一程冷却水入口、第一层冷却水出口、第二程冷却水入口和第二程冷却水出口；所述蒸汽入口与所述蒸汽进口角孔连接，所述中间排液口与分液角孔连接，所述冷凝器出口与冷凝液出口角孔连接，第一程冷却水入口与第一程冷却水进口角孔连接，所述第一层冷却水出口与第一程冷却水出口角孔连接，所述第二程冷却水入口与第二程冷却水进口角孔连接，所述第二程冷却水出口与第二程冷却水出口角孔连接。

本发明解决了常规板式换热器凝结液膜无法及时排除的问题，从而克服板式冷凝器冷凝传热热阻较大、传热效果不理想等不足；解决了冷凝换热温度匹配问题，可以实现特定工况的分段冷凝，如蒸汽预冷、冷凝液过冷等过程，更加合理的调节温度匹配关系，减小传热温差，降低换热器的损失；解决现有的板式分液冷凝器结构复杂的问题，上增加分液结构，改善冷凝传热效果的同时，仍然具有常规板式换热器紧凑性好、占用面积小、传热系数高、组装灵活等优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：及时分液，排除冷凝液，有效降低冷凝液液膜厚度，减小冷凝传热热阻，有效改善板式冷凝器的换热效果；无运动部件，运行故障率小，可靠性高；保持了常规板式换热器的基本结构，继承了常规板式换热器紧凑性好、占用面积小、传热系数高、组装使用灵活的优点,相比与其他板式冷凝器专利来说，更具有实际应用意义；采用分程冷却的思想，正对冷凝换热过程温度曲线的变化规律，分程配置冷却流体，使得温度匹配关系更加合理，有效减小传热温差，降低换热器火用损失。

【附图说明】

图1为本发明具有分液功能的板式冷凝器立体装配图结构示意图；

图2为本发明中第一密封垫的主视结构示意图；

图3为本发明中第二密封垫的主视结构示意图；

图4为本发明中第一传热板的主视结构示意图；

图5为本发明中第一传热板的后视结构示意图；

图6为本发明中第二传热板的主视结构示意图；

图7为本发明中第二传热板的后视结构示意图；

图8为本发明流体流道示意图；

图9为本发明蒸汽换热流道示意图；

图10为本发明冷却时流道示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述说明。

一种具有分液功能的板式冷凝器，如图1-7所示，其包括前压紧板1、后压紧板2和中间换热模块，所述前压紧板和后压紧板分别安装于中间换热模块的两侧；所述中间换热模块设置有冷却水换热流道和蒸汽换热流道。所述中间换热模块由若干第一传热板3和第二传热板4依次交错堆叠组成，在所述第一传热板3和第二传热板4之间设置第一密封垫5和第二密封垫6，所述第一密封垫5和第二密封垫6依次交错设置在所述第一传热板3和第二传热板5之间，在第一传热板3与第二传热板4之间形成冷流体空间和热流体空间，且冷流体空间与相邻的热流体空间由第一传热板3或者第二传热板4相隔，可以有效的进行传热。

所述中间换热模块由若干所述第一传热板3与第二传热板4两种传热板依次呈对的交错叠在一起组成。如图4-7所示，第一传热板3设置有用于输入热蒸汽的蒸汽进口角孔14、用于排出冷凝液的冷凝液出口角孔17、排气角孔15、分液角孔16、第一程冷却水进口角孔18、第一程冷却水出口角孔19、第二程冷却水进口角孔20、第二程冷却水出口角孔21；第二传热板4设置有蒸汽进口角孔14、冷凝液出口角孔17、分液角孔16、第一程冷却水进口角孔18、第一程冷却水出口角孔19、第二程冷却水进口角孔20、第二程冷却水出口角孔21。第一传热板3与第二传热板4的区别是，第一传热板3在第二传热板4的基础上增加了排气角孔15。当所述第一传热板3与第二传热板4两种传热板依次呈对的交错叠在一起时，所示第一传热板3与第二传热板4相应的蒸汽进口角孔14、冷凝液出口角孔17、分液角孔16、第一程冷却水进口角孔18、第一程冷却水出口角孔19、第二程冷却水进口角孔20、第二程冷却水出口角孔21等交错的与相应的冷流体空间和热流体空间连接，第一传热板3上增加了排气角孔15与热流体空间相通。

其中，蒸汽进口角孔14的尺寸应根据蒸汽种类、流量、流速等因素确定，通常约为冷却水角孔截面积的3～10倍，优选的为为冷却水角孔截面积的5～6倍；中间的排气角孔15设置在分液角孔的正上方，形状可以采用矩形、圆形、梯形等多种形状，便于蒸汽通过、并利于板间流体流动；换热器中间分液接口外设置调节阀，防止蒸汽通过分液角流出，避免蒸汽泄漏。

在第一传热板3和第二传热板4的换热区域设置有凹凸形波纹以强化传热。第一传热板3和第二传热板4采用热导率较好的金属材料制成。每片第一传热板3和第二传热板4可以分为上下两个区域，所有第一传热板3和第二传热板4的上部和下部区域分别组成一个流程，第一传热板3和第二传热板4在流程内的有效传热面积应根据实际分液效果计算确定。

在第一传热板3与第二传热板4之间布置两种规格的密封垫，分别是第一密封垫5和第二密封垫6，第一密封垫5和第二密封垫6依次交错分布在第一传热板3与第二传热板4之间，在第一传热板3与第二传热板4上为两股流体分配不同的流动区域。同时，密封垫还起到防止流体外漏、两股流体之间内漏的作用。第一密封垫5和第二密封垫6采用耐高温、耐高压、弹性良好的橡胶材料制成。

所述前压紧板1上设置蒸汽入口7、中间排液口8、冷凝器出口9、第一程冷却水入口10、第一层冷却水出口11、第二程冷却水入口12和第二程冷却水出口13。上述接口与相应冷流体空间和热流体空间连接，形成换热循环。所述前压紧板1与第一传热板3之间通过第一密封垫5形成相应的冷流体空间和热流体空间，后压紧板2与第一传热板3或者第二传热板4通过第一密封垫5或第二密封垫6形成相应的冷流体空间和热流体空间。若干热流体空间连通为蒸汽换热流道，每个热流体空间就是一个换热管程；若干冷流体空间连通为冷却水换热流道，每个冷流体空间就是一个换热流程。

本发明的工作原理如下：

如图8和图9所示，换热器在工作时，蒸汽由蒸汽入口7进入换热器，首先沿着第一传热板3与第二传热板4间的蒸汽换热流道进入第一流程蒸汽通道，被第一流程的冷却水冷却。部分蒸汽凝结成的冷凝液和蒸汽一同向下流动，冷凝液通过设置在低位的排液角孔排出；未凝结的蒸汽通过第一传热板上的排气角孔进入第二流程的蒸汽通道，被第二流程的冷却水继续冷却，蒸汽完全冷凝之后由冷凝液出口9流出。

通过合理配置蒸汽进口角孔14、排气角孔15、分液角孔16的尺寸，可以及时将蒸汽在第一流程凝结的冷凝液及时完全排出。同时，可以在中间分液接口外设置调节阀，合理控制调节阀的开度，使之产生一定的流动阻力，避免蒸汽通过分液角孔排出，造成蒸汽泄漏。

通过合理配置第一流程换热板的有效换热面积，使得蒸汽在第一流程产生的凝结液控制在合理范围之内。第二流程的有效换热面积应稍大于使蒸汽刚好全部凝结成饱和液体时需要的换热面积，从而保证进入到第二流程的蒸汽完全被冷凝成液体。

如图10所示，两个流程分别使用两股冷却水进行冷却。通过调节冷却水的进口温度和流量，从而实现该分液冷凝过程的调节控制。两股冷却水可以使用不同温度的冷却水，以实现和蒸汽的良好匹配。当进入该换热器的蒸汽过热度较高时，若采用较低温度的冷却水，传热温差较大，换热器火用损失较大。此时，在该换热器的第一流程通入合适温度的冷却水，在保证良好分液效果的同时，有效降低换热器火用损失；同理，当出口冷凝液需要过冷时，在第二流程采用温度较低的冷却水，足可以保证冷凝液过冷，也不会对第一流程造成明显影响。通过以上结构该换热器可以实现蒸汽中间排液、分程冷凝的过程。中间部位设置分液结构及时排除冷凝液，降低了凝结液液膜厚度，有效提高换热系数。采用多流程布置，分程冷凝，保证冷凝效果的同时，利于冷凝过程的冷热流体温度的匹配，减小传热温差，减小换热器火用损失。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种具有分液功能的板式冷凝器，其特征在于，包括前压紧板(1)、后压紧板(2)和中间换热模块，所述前压紧板(1)和后压紧板(2)分别安装于中间换热模块的两侧；所述中间换热模块设置有冷却水换热流道和蒸汽换热流道；所述中间换热模块由若干第一传热板(3)和第二传热板(4)依次交错堆叠组成，在所述第一传热板(3)和第二传热板(4)之间设置第一密封垫(5)和第二密封垫(6)，所述第一密封垫(5)和第二密封垫(6)依次交错设置在所述第一传热板(3)和第二传热板(4)之间；所述第一传热板(3)设置有蒸汽进口角孔(14)、冷凝液出口角孔(17)、排气角孔(15)、分液角孔(16)、第一程冷却水进口角孔(18)、第一程冷却水出口角孔(19)、第二程冷却水进口角孔(20)和第二程冷却水出口角孔(21)；所述第二传热板(4)设置有蒸汽进口角孔(14)、冷凝液出口角孔(17)、分液角孔(16)、第一程冷却水进口角孔(18)、第一程冷却水出口角孔(19)、第二程冷却水进口角孔(20)和第二程冷却水出口角孔(21)；当所述第一传热板(3)与第二传热板(4)堆叠时，所述蒸汽进口角孔(14)、冷凝液出口角孔(17)、分液角孔(16)、第一程冷却水进口角孔(18)、第一程冷却水出口角孔(19)、第二程冷却水进口角孔(20)和第二程冷却水出口角孔(21)分别对应安装在中间换热模块内形成第一程冷却水换热流道、第二程冷却水换热流道以及蒸汽换热流道。

2.按照权利要求1所述的一种具有分液功能的板式冷凝器，其特征在于，所述前压紧板(1)上设置蒸汽入口(7)、中间排液口(8)、冷凝器出口(9)、第一程冷却水入口(10)、第一程冷却水出口(11)、第二程冷却水入口(12)和第二程冷却水出口(13)；所述蒸汽入口(7)与所述蒸汽进口角孔(14)连接，所述中间排液口(8)与分液角孔(16)连接，所述冷凝器出口(9)与冷凝液出口角孔(17)连接，第一程冷却水入口(10)与第一程冷却水进口角孔(18)连接，所述第一程冷却水出口(11)与第一程冷却水出口角孔(19)连接，所述第二程冷却水入口(12)与第二程冷却水进口角孔(20)连接，所述第二程冷却水出口(13)与第二程冷却水出口角孔(21)连接。