CN110360858B - 一种用于相变换热的热交换器板束 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相变换热的热交换器板束，该板束由多个换热单元组成，每个换热单元包括波纹板片及镶块，波纹板片两两对扣形成板管，构成无相变侧介质的流通通道，板管与板管间通过镶块连接构成有相变侧介质的流通通道。其中，每组换热单元有相变侧介质的流通通道截面尺寸不同，其尺寸随着气相含量的下降而减小，通过将上述多组换热单元垂直叠落起来，就构成了适用于相变换热的热交换板束。本发明通过在不同物性状态设置不同的流道截面尺寸，有效地解决了由于气相流速过大导致的压降增加的问题；同时，大大强化具有相变场合的换热效果，提高设备的使用性能及经济性能。

Description

一种用于相变换热的热交换器板束

技术领域

本发明属于热交换器设计与制造技术领域，具体涉及一种热交换器板束，特别是涉及一种适用于相变换热的热交换器板束。

背景技术

板式冷凝器是板式换热器的一种，由一系列金属波纹板片叠装而成，通过一侧的冷却介质将另一侧的蒸汽冷凝，实现对蒸汽的回收。目前，冷凝器所采用的板型大多数场合仍为无相变的板式换热器板型，即冷、热介质的流通通道截面积相同，板片间的波纹相互接触，此种结构有助于促进流体湍动，实现液-液介质的强化传热，增强了换热效果，同时便于板束的加工、制造和安装。

但是上述结构设计对于一侧有相变发生的冷凝器来说有两个缺点，一是冷侧介质为液相，热侧介质为气相，气体的密度小，进入换热器时体积流量较大，特别是负压气体的密度小于正压气体密度，其体积流量更是相当庞大，如果热侧和冷侧采用传统的无相变板式换热器板型，即窄流道截面，会造成流道内气体流速很高，使得冷凝器压力损失过大，降低了设备的经济性。二是热侧介质会经由气相-气液相-液相，如果热侧采用窄流道截面，蒸汽冷凝后会在传热面上形成过厚的液膜，降低冷凝效果；如果热侧采用不同于冷侧的宽通道结构，对于入口处蒸汽来说，可极大的降低进口流速，减小压降，节约成本，但对于冷凝后的液相介质来说，较大流通截面使得液相介质流速降低，会大大降低了液-液换热效率，无法保证设备的换热性能。

因此，相变侧介质如果在不同的物性区域均采用相同的流通截面积及波纹形式，会导致冷热侧介质换热不充分、换热效果差。

发明内容

本发明提供一种用于相变换热的热交换器板束，用以解决相变侧介质压降过大的问题，提高设备的换热性能及经济性。

本发明通过下述技术方案实现上述技术目的：

一种用于相变换热的热交换器板束，由多组换热单元串联组成，每组换热单元包括波纹板片及镶块，波纹板片两两对扣形成板管，构成无相变侧介质的流通通道，板管与板管间通过镶块连接构成有相变侧介质的流通通道，每组换热单元中有相变侧介质的流通通道截面尺寸均不同，将多组换热单元竖直叠落在一起，形成了用于相变换热的热交换器板束。

所述多组换热单元至少包括全气相区域换热单元、气-液混合相区域换热单元、全液相区域换热单元，并依次从上往下叠落形成用于相变换热的热交换器板束。

所述全气相区域换热单元和气-液混合相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起不接触，全液相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起相互接触，使得有相变侧介质的流通通道的截面尺寸不同，随着气相含量的下降，相变侧流道截面尺寸逐渐减小，即全气相区域截面宽度h1>气-液混合相区域截面宽度h2>全液相区域截面宽度h3。

所述全气相区域换热单元、气-液混合相区域换热单元和全液相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起均相互接触。

所述各组换热单元中，所述各组换热单元中，板片波纹的密集程度，即波纹间距m不同；随着气相含量的下降逐渐增加，即全气相区域板片波纹密集度<气-液混合相区域板片波纹密集度<全液相区域板片波纹密集度。

所述各组换热单元中有相变侧介质的流通通道中板片的波纹形状不同，且全气相区域换热单元或气-液混合区域换热单元中的板片两侧的波纹深度相等或不等。

所述多组换热单元均为独立板束，板束中的流道垂直布置。

本发明取得的有益效果：

传统应用于相变场合的换热器，其板束冷、热介质流道均采用相同流通截面尺寸，本发明中的板束根据相变侧介质不同阶段的物性状态设置不同的流道截面尺寸。相变侧介质为气相状态时，传热单元板束相变侧采用宽通道结构（现有技术中一侧波纹深度4mm以上，两板片通道宽度8mm以上时，一般可认为是宽通道，反之为窄通道），通过调节相变侧板片的波纹深度及板间距实现宽通道结构。板片波纹凸起可接触亦可不接触，此结构设置可降低气体在流道内的流速，减小压降的损失；相变侧介质为气-液混合状态时，传热单元板束相变侧通道变窄，波纹密集度（板片上的波纹间距）增加，但板片波纹凸起仍可接触或不接触，随着液相介质增加而减小换热通道的尺寸，有助于优化传热性能；当相变侧介质为液相状态时，介质流速降低，则该区域传热单元相变侧板片波纹相互接触，增加液体在通道的扰动性能及换热效率。该板束结构可大大优化设备的换热性能及设备尺寸，降低能耗并提高经济性，保证介质流速及压降消耗均在合理范围内。

附图说明

图1 为本发明单流程工况下板束整体结构示意图；

图2 为本发明全焊接板管示意图；

图3 为构成本发明板管的波纹板片结构示意图；

图4 为图1中A-A剖面不同物性阶段板束相变侧流通截面尺寸示意图；

图5为本发明多流程工况下板束整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其有益效果进一步说明。

参照图1、2、3，一种用于相变换热的热交换器板束，由多组换热单元串联组成，每个换热单元包括波纹板片及镶块，波纹板片两两对扣形成板管，构成冷侧（无相变侧）介质的流通通道，板管与板管间通过镶块连接构成热侧（有相变侧）介质的流通通道；每组换热单元中有相变侧介质的流通通道截面尺寸均不同。冷、热流体的流动方式为交错流，冷侧介质侧进侧出，热侧介质上进下出，将多个换热单元竖直叠落在一起，通过对侧板进行焊接将其固定，形成了用于相变换热的热交换器板束。

实施例1，参照图1、2、4，为板束内部冷、热介质均为单流程的冷凝工况下，用于相变换热的热交换器板束，由多组换热单元串联组成，每组换热单元对应一个物性阶段，本实施例将板束内部的冷凝过程分为三个阶段：全气相区域换热单元101、气-液混合相区域换热单元102、全液相区域换热单元103，并依次从上往下叠落形成用于相变换热的热交换器板束。

上述全气相区域换热单元和气-液混合相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起不接触，全液相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起相互接触。 使得每个换热单元中热侧介质流道的截面尺寸均不同，其中，全气相区域换热单元101中对应的截面尺寸为h1，气-液混合相区域换热单元102中对应的截面尺寸为h2，全液相区域换热单元103中对应的截面尺寸为h3，三者之间的关系为：随着气相含量的下降，相变侧流道截面尺寸逐渐减小，即全气相区域截面宽度h1>气-液混合相区域截面宽度h2>全液相区域截面宽度h3。其中8≤h1≤15mm；6≤h2≤8mm；4≤h3≤6mm。热侧介质处于全气相区域换热单元101区域时为全气相，由于气体的密度小，此区域内气体的体积流量较大，会产生较大的压降损耗，因此该区域对应的换热单元内热侧采用宽通道结构，板片波纹间不接触，此设置可降低蒸汽在流道内的流速，减小压降的损失；热侧介质处于气-液混合相区域换热单元102区域时为气-液混合状态，此时，传热单元热侧通道变窄，同时板片上波纹尺寸变密，但板片波纹间仍不接触，此设计有助于优化液相的传热性能；热侧介质处于全液相区域换热单元103区域时为全液相，介质流速大大降低，则该区域对应的传热单元中板片波纹尺寸变得更小，同时板片波纹相互接触，用以增加液体在通道的扰动性能，提高换热效率。通过对不同区域的换热单元采用不同流道尺寸，可大大优化设备的换热性能及设备尺寸，降低能耗并提高经济性，保证各阶段介质流速及压降消耗均在合理范围内。

本实施例中，各组换热单元中的板片波纹的密集程度，即波纹间距m不同；随着气相含量的下降逐渐增加，即全气相区域板片波纹密集度<气-液混合相区域板片波纹密集度<全液相区域板片波纹密集度。即波纹间距m1>m2>m3。通过对不同区域的换热单元采用不同的波纹形式，使得换热单元换热面积各不相同，可大大优化设备的换热性能及设备尺寸，降低能耗并提高经济性，保证各阶段介质流速及压降消耗均在合理范围内。

本实施例中，各组换热单元中有相变侧介质的流通通道中板片的波纹形状不同，且全气相区域换热单元或气-液混合区域换热单元中的板片两侧的波纹深度相等或不等。针对全气相区域或气-液混合区域板片采用泡状波纹，全液相区域板片可采用人字形、泡状、条状等波纹形式。当冷热介质进出口温差或冷热介质入口流量相差较大（一般相差3倍以上）的工况时，板片两侧的波纹深度不等，即为非等间距波纹板片。相变侧波纹深度较大，以此增加换热面积，提高换热效率，同时泡状波纹密集度较人字形波纹板低，降低流动阻力。液相区域板片两侧的波纹深度可相等或不等，波纹密集度最大，用以提高湍流效果，提升换热效率。

每组换热单元为独立的板束，板束内的板片经金属薄板冲压加工而成，板片波纹形式及波纹尺寸需要根据热侧介质的物性状态进行合理选择。在蒸汽冷凝工况下，冷热介质进出口流量相差较大，则气体的体积流量在入口处较大。则全气相区域换热单元101、气液混合相区域换热单元102及全液相区域换热单元103的波纹形式为泡状波纹，如图3所示。相变侧全气相区域换热单元101及气液混合相区域换热单元102区域泡状波纹凸起不接触，则相变侧流道的截面尺寸h等于2倍的波纹深度+板片波纹凸起间的间距d。设置全气相区域换热单元101中板片波纹深度为4mm，间距d1为1mm，气液混合相区域换热单元102中板片波纹深度3.5mm，间距d2为0.5mm，全液相区域换热单元103中板片波纹深度2.5mm。此设置使全气相区域换热单元101中的通道截面尺寸h1及气体与板片的接触面大于气液混合相区域换热单元102中的，降低了全气相区域换热单元101中的气体阻力降，同时提高了换热效果。同理，气液混合相区域换热单元102的通道中仍含有部分未冷凝气体，因此气液混合相区域换热单元102中的通道截面尺寸h2及气体与板片的接触面大于全液相区域换热单元103的通道截面尺寸h3。而全液相区域换热单元103与传统的液-液板式换热器换热方式相同，板片的波纹形式可灵活选择，波纹深度2.5mm为常规泡状板片波纹深度，亦可选择人字形或条状波纹。同时，全气相区域换热单元101中板片波纹密集度<气液混合相区域换热单元102中板片波纹的密集度<全液相区域换热单元103中板片波纹的密集度，通过设置波纹间距实现，即m1>m2>m3。

实施例2，实施例2的实施过程与实施例1的实施过程基本相同。不同之处在于实施例2的各组板束的相变侧通道的波纹凸起相接触，即：相变侧流道的截面尺寸h等于2倍的波纹深度，此种布置方式可增强气体侧换热效果。同时提高设备的承压能力。

实施例3，为板束内部热介质为单流程、冷介质为多流程的冷凝工况下，实施例3的实施过程与实施例1的实施过程基本相同。参照附图5，不同之处在于实施例3的板束端部水平方向上设置分程隔板，隔板与相应管箱焊接，同时冷流体的进、出口分别位于第一流程及第三流程传热单元板束端口处，用于实现冷流体的多流程流动。冷热介质的流动方式为错逆流。

实施例1、2、3中所述的多组换热单元均为独立板束，板束中的流道垂直布置，有利于相变冷凝后的液滴随着重力的作用及时向下排走。

图1、2、5中，实心箭头代表热侧介质运动方向，空心箭头代表冷侧介质运动方向。

此次实施例以冷凝器为例进行介绍，但本发明仍可用于蒸发器、再沸器及重沸器等有相变换热设备。

各换热单元中板束板片的长宽、厚度等参数，冷流体在板束内的流动方向及流程数，具体物性区域的划分及传热单元数量的设置，根据实际的工况进行调整。

冷却介质及蒸汽从各自入口进入板束后，在其相应的流道内流动，蒸汽侧从上至下穿过串联板束，冷却介质可同时横穿三组板束或多流程流动。由于温差的存在，蒸汽将热量传递给冷却介质，从而实现了蒸汽的冷凝及回收的目的。

Claims (5)

1.一种用于相变换热的热交换器板束，其特征在于，由多组换热单元串联组成，每组换热单元包括波纹板片及镶块，波纹板片两两对扣形成板管，构成无相变侧介质的流通通道，板管与板管间通过镶块连接构成有相变侧介质的流通通道，每组换热单元中有相变侧介质的流通通道截面尺寸均不同，将多组换热单元竖直叠落在一起，形成了用于相变换热的热交换器板束；所述多组换热单元至少包括全气相区域换热单元、气-液混合相区域换热单元、全液相区域换热单元，并依次从上往下叠落形成用于相变换热的热交换器板束；所述全气相区域换热单元和气-液混合相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起不接触，全液相区域换热单元中有相变侧介质的流通通道中的板片波纹凸起相互接触，使得有相变侧介质的流通通道的截面尺寸不同，随着气相含量的下降，相变侧流道截面尺寸逐渐减小，即全气相区域截面宽度h1>气-液混合相区域截面宽度h2>全液相区域截面宽度h3。

2.根据权利要求1所述的一种用于相变换热的热交换器板束，其特征在于：各组所述换热单元中，板片波纹的密集程度，即波纹间距m不同；随着气相含量的下降逐渐增加，即全气相区域板片波纹密集度<气-液混合相区域板片波纹密集度<全液相区域板片波纹密集度。

3.根据权利要求2所述的一种用于相变换热的热交换器板束，其特征在于：各组所述换热单元中有相变侧介质的流通通道中板片的波纹形状不同，且全气相区域换热单元或气-液混合区域换热单元中的板片两侧的波纹深度相等或不等。

4.根据权利要求1所述的一种用于相变换热的热交换器板束，其特征在于：多组所述换热单元均为独立板束，板束中的流道垂直布置。

5.根据权利要求1所述的一种用于相变换热的热交换器板束，其特征在于：有相变侧介质为单流程，无相变侧介质为单流程或多流程；两侧介质流动形式为交错流或错逆流。