一種臥式雙相變換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種臥式雙相變換熱器，包括臥式殼體，臥式殼體內水平設有相變筒，相變筒內設有若干換熱單元；換熱單元包括豎向筒體；豎向筒體內設有若干水平設置的連通管，豎向筒體頂部至少一個連通管為絕熱管，豎向筒體底部至少一個連通管為絕熱管；其他連通管為雙相變換熱管；相變筒一端底部連接有低溫液體進管，相變筒于同一端頂部連接有低溫蒸汽出管，另一端的臥式殼體側壁設有高溫蒸汽進口，該端臥式殼體的底壁上設有高溫液體出口；冷凝腔處的相變筒頂壁和底壁上分別設有上開口和下開口。本發(fā)明結構簡單，節(jié)約能耗，便于安裝，換熱面的熱流密度較以往大大提高，換熱器尺寸得以大大減少，介質能夠無須額外的輸送動力而利用相變作用自動通過。
【專利說明】一種臥式雙相變換熱器

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及換熱器【技術領域】。

【背景技術】
[0002]常規(guī)換熱器在工作時，其換熱面兩側的介質一般不發(fā)生相變，比如液/液、氣/氣、氣/液換熱?；驌Q熱面一側的介質發(fā)生相變，比如蒸汽/液、蒸汽/氣加熱器。無相變換熱器只能傳遞物料的顯熱，單側相變加熱器的蒸汽端發(fā)生冷凝相變放出潛熱，而另一側液體或氣體物料沒有相變，只是溫度被提升。通常物料的顯熱量要比潛熱量小得多，所以同樣的熱交換量，傳統(tǒng)換熱器通常需要很大的設備尺寸，以及大量的液體或氣體輸送能耗。
[0003]常用的換熱器有兩種:板式換熱器與管殼式換熱器?，F(xiàn)有的兩種換熱器均不適應雙相變的工作狀況。
[0004]經過本申請發(fā)明人的創(chuàng)造性研究，對現(xiàn)有兩種換熱器不適應雙相變工作的原因有了規(guī)律性的認識，即物料發(fā)生相變時，必然伴隨著體積流量的劇烈變化，板式換熱器換熱面之間的間隙較小，所以難以適應這種變化，不能用作雙相變換熱器；管殼式換熱器的殼程通常是長度大于直徑，單管長徑比(長徑比指管內沸騰液位深度與管子直徑之比。)普遍遠遠大于30 ;這種情況下沸騰相變側必然造成氣液劇烈混和狀態(tài)，冷凝相變側風阻損失大、管束效應明顯、液膜熱阻效應強，這些因素綜合在一起，導致長管(長管指長徑比大于30的的管子)設計無法穩(wěn)定發(fā)生相變傳熱。
[0005] 申請人:據(jù)此設計出上下堆疊式的雙相變換熱器，還會存在如下問題:
1.各單元液位均需要單獨控制，實現(xiàn)難度較大，運行可靠性低；
2.無法采用絕熱管設計，所以管路依舊比較復雜；
3.立式設計整體高度較高，也不利于整體機組布局；
4.制造加工困難，材料消耗多，成本較高。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、換熱效率高、傳熱溫差小、便于制造和安裝使用、且介質能夠無須額外的輸送動力而利用相變作用自動通過的臥式雙相變換熱器。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種臥式雙相變換熱器包括臥式殼體，臥式殼體內水平設有相變筒，相變筒內沿水平方向均勻間隔設有若干換熱單元；相變筒與臥式殼體的頂壁、底壁、左偵彳壁和右側壁均間隔設置，相變筒與臥式殼體之間圍成高溫蒸汽腔；
換熱單元包括豎向筒體，豎向筒體上端與相變筒頂壁密封連接，豎向筒體下端與相變筒底壁密封連接，
豎向筒體內壁與該處相變筒的頂壁和底壁之間圍成冷凝腔；各換熱單元的豎向筒體外壁與相變筒內壁之間圍成蒸發(fā)出氣腔；
豎向筒體內沿上下方向均勻間隔設有若干水平設置的連通管，各連通管的兩端與豎向筒體兩端的蒸發(fā)出氣腔相連通； 豎向筒體頂部至少一個連通管為絕熱管，豎向筒體底部至少一個連通管為絕熱管；絕熱管之外的其他連通管為雙相變換熱管；
相變筒一端底部連接有低溫液體進管，低溫液體進管向外伸出臥式殼體并與臥式殼體之間密封配合，低溫液體進管向內伸入蒸發(fā)出氣腔；相變筒于同一端頂部連接有低溫蒸汽出管，低溫蒸汽出管向外伸出臥式殼體并與臥式殼體之間密封配合，
低溫液體進管另一端的臥式殼體側壁設有高溫蒸汽進口，該端臥式殼體的底壁上設有高溫液體出口；
所述冷凝腔處的相變筒頂壁上設有上開口，上開口連通高溫蒸汽腔與冷凝腔；所述冷凝腔處的相變筒底壁上設有下開口，下開口連通冷凝腔與高溫蒸汽腔。
[0008]所述相變筒的左右兩側壁為平封頭結構。
[0009]所述連通管的長徑比小于等于30。
[0010]液態(tài)低溫介質由低溫液體進管9流入相變筒2內的蒸發(fā)出氣腔6，蒸發(fā)出氣腔6內的低溫介質在通過相變筒2內具有較高導熱系數(shù)的雙相變換熱管8時(低溫介質走的是管程，高溫介質走的是殼程)，與相變筒2冷凝腔5內的高溫介質進行熱交換，從而受熱蒸發(fā)。蒸發(fā)后的低溫蒸汽由低溫蒸汽出管10流出本發(fā)明的臥式雙相變換熱器。
發(fā)明人最初設計的沒有設置絕熱管7的技術方案，由于各連通管均為雙相變換熱管，因此在沸騰相變的作用下，管子兩側的液位也不能保證一致，導致各處液位不一致，單點監(jiān)控液位的方法無法保證各處液位均處于正常狀態(tài)，需要使用多套監(jiān)控裝置進行多點監(jiān)控，既增加了設備成本和安裝設備的成本，又使控制液位的操作變得非常復雜。
[0011]本發(fā)明中絕熱管7的導熱系數(shù)低，因此低溫介質在其內吸收的熱量非常有限，不會發(fā)生相變(蒸發(fā))。
[0012]這樣，豎向筒體4頂部的絕熱管7就成為暢通的蒸汽外排的通道。
[0013]豎向筒體4底部的絕熱管7自然成為各蒸發(fā)出氣腔6之間暢通的連接通道，避免因管內發(fā)生沸騰相變而形成不穩(wěn)定的壓力，導致管子兩側的液位不平，保證各蒸發(fā)出氣腔6內的液態(tài)低溫介質處于良好的導通狀態(tài)，從而使各蒸發(fā)出氣腔6內的液位始終保持一致。一致的液位使得液位控制變得簡單，只需要監(jiān)測、控制任意一處的液位，就能夠控制整個相變筒2內低溫工質的液位。與以往相比，不僅節(jié)約了設備數(shù)量及成本，也大大簡化了安裝操作，以及實際工作中控制液位的操作。
[0014]在低溫液態(tài)工質蒸發(fā)的同時，氣態(tài)高溫介質由高溫蒸汽進口 11流入臥式殼體I內的高溫蒸汽腔3，并通過各上開口 13進入各換熱單元的冷凝腔5 (高溫介質走的是殼程)，在冷凝腔5內，被雙相變換熱管8內的低溫介質所冷卻，從而發(fā)生冷凝現(xiàn)象。冷凝時，冷凝腔5內高溫蒸汽的體積急劇減小，形成一定的負壓，從而自動將高溫蒸汽進口 11處的高溫介質吸引過來，無須額外設置驅動高溫介質的動力裝置。冷凝后形成的高溫液體，則在重力的作用下，自動向下通過下開口 14流至高溫蒸汽腔3 (臥式殼體I)的底壁，然后從高溫液體出口 12流出本發(fā)明的臥式雙相變換熱器。
[0015]本發(fā)明所采用的工作介質:發(fā)生相變的介質根據(jù)不同的應用有不同選擇，例如:水、氨、二氧化碳等；各類單質制冷劑或非共沸混合制冷劑(CFC類，HCFC類，HFC類，R400等);各類碳氫化合物(丙烷、乙醇、乙烯、丙酮等)?；诒景l(fā)明的技術方案，本領域技術人員有能力根據(jù)實際應用的需要選擇合適的工作介質。
[0016]本發(fā)明適用于各類低溫蒸汽回收場合，特別是與機械壓縮式熱泵系統(tǒng)相結合。
[0017]用在熱泵機組的蒸發(fā)器上，可以直接回收低溫蒸汽的潛熱，取消了水冷凝器的水耗、水輸送能耗以及涼水塔投資及運轉費用，并且提高了回收溫度進而提高了熱泵機組整機效率。
[0018]用在熱泵機組的冷凝器上，可直接生產蒸汽用于工業(yè)生產線。特別是用在各類傳統(tǒng)單/多效蒸發(fā)濃縮設備、單/多級蒸餾塔、各類干燥設備上。這些設備都大量消耗外來鍋爐蒸汽，并且使用冷凝器結合涼水塔把末級低溫蒸汽直接排放到大氣中。利用本發(fā)明，把原來直排的低溫蒸汽引入熱泵機組的蒸發(fā)器，把熱泵機組冷凝器生產的高溫蒸汽直接送回蒸發(fā)濃縮或蒸餾或干燥設備，這樣可以完全取消外來鍋爐蒸汽的使用，從而大大降低能源消耗量；采用本發(fā)明的臥式雙相變換熱器可以全面取消20噸以下小型燃煤鍋爐的使用，社會效益巨大。
[0019]本發(fā)明結構簡單，能夠利用相變作用產生介質流動的動力，從而無須單獨設置輸送介質的裝置，簡化了本發(fā)明的結構，節(jié)約了連接管道，節(jié)省了相應的設備成本和安裝、運行成本，起到了節(jié)能降耗的作用。
[0020]豎向筒體底部絕熱管的設置，有效保證了相變筒內各處低溫液態(tài)工質液位的一致性，使得單點監(jiān)控液位成為現(xiàn)實，便于監(jiān)控和調節(jié)低溫液態(tài)工持的液位。同時，豎向筒體頂部絕熱管的設置，避免了沸騰相變造成的阻力，使得低溫介質沸騰后產生的低溫蒸汽能夠暢通地通過絕熱管向低溫蒸汽出管流動。
[0021]本發(fā)明中，換熱面兩側都發(fā)生相變，一側氣體冷凝放出潛熱，另一側液體沸騰蒸發(fā)吸收潛熱。通過這種方式，通過換熱面的熱流密度大大提高，換熱器尺寸得以大大減少。同時，由于本發(fā)明中的換熱單元屬于臥式布置，且低溫蒸汽和高溫蒸汽都由側邊進出，高溫液體由底部流出，因此，沸騰相介質在沸騰后，生成的氣體在體積膨脹、浮力等作用下能夠自動通過低溫蒸汽出口向外排出，而冷凝相介質在冷凝后，體積急劇減小，產生的負壓作用將高溫蒸汽進口處的蒸汽自動吸引過來，冷凝后產生的液體則在重力的作用下自動向下匯集并通過高溫液體出口流出。上述過程完全避免了液體或氣體輸送能耗，十分節(jié)能，符合低碳環(huán)保的產業(yè)發(fā)展方向。
[0022]本發(fā)明對外只有4個接口，因此十分方便現(xiàn)場安裝，連接起來十分方便快捷。本發(fā)明是臥式布置，高度較堆疊式大大減小，即使在高度有限的工作區(qū)域(廠房)內也能夠輕松安裝使用。
[0023]本發(fā)明中，沸騰相變在雙相變換熱管內發(fā)生，短管的長徑比控制在30以內，短管的長徑比優(yōu)選小于等于20，這樣管內沸騰的大量汽泡可以及時排到管外(即蒸發(fā)出氣腔)，避免了長徑比過長時大量汽泡對沸騰換熱系統(tǒng)的負面影響。冷凝相變在管外發(fā)生，具有換熱系數(shù)高的優(yōu)點。
[0024]本發(fā)明能夠保證雙相變換熱的正常進行，大大提高了通過換熱面的熱流密度，從而能夠大大減小換熱器的尺寸，降低了雙相變傳熱溫差。
[0025]由于吸熱蒸發(fā)的液體填充在管內，相比于管外沸騰，液體填充量少，有利于成本的降低。
[0026]同立式設計一樣，本設計與傳統(tǒng)管式、板式換熱器相比，還有一個明顯的優(yōu)勢:可以通過調節(jié)液位的高位，不必停機和拆裝設備，就能夠改變實際換熱面積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0028]圖1中箭頭所示方向為該處介質的流向。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明的一種臥式雙相變換熱器包括臥式殼體1，臥式殼體I內水平設有相變筒2，相變筒2內沿水平方向均勻間隔設有若干換熱單元；相變筒2與臥式殼體I的頂壁、底壁、左側壁和右側壁均間隔設置。相變筒2可以通過連接桿或連接架等結構架設在臥式殼體I底壁上，也可以通過連接結構連接在臥式殼體I的其他側壁上。相變筒2與臥式殼體I之間圍成高溫蒸汽腔3。
[0030]換熱單元包括豎向筒體4，豎向筒體4上端與相變筒2頂壁密封連接，豎向筒體4下端與相變筒2底壁密封連接，
豎向筒體4內壁與該處相變筒2的頂壁和底壁之間圍成冷凝腔5 ;各換熱單元的豎向筒體4外壁與相變筒2內壁之間圍成蒸發(fā)出氣腔6。
[0031]豎向筒體4內沿上下方向均勻間隔設有若干水平設置的連通管，各連通管的兩端與豎向筒體4兩端的蒸發(fā)出氣腔6相連通；相臨的蒸發(fā)出氣腔6通過連通管相互連通。
[0032]豎向筒體4頂部(低溫介質的液面以上)至少一個連通管為絕熱管7,豎向筒體4底部至少一個連通管為絕熱管7。絕熱管7之外的其他連通管為雙相變換熱管8。圖1中，豎向筒體4頂部和底部各設置一個絕熱管7，其他連通管皆為雙相變換熱管8。其中，絕熱管7的導熱系數(shù)低于雙相變換熱管8的導熱系數(shù)，在選取管材制作連通管時，以保證絕熱管7內不發(fā)生相變、雙相變換熱管內發(fā)生相變?yōu)樵瓌t選擇管材并制作管子。在上述原則指導下，制作絕熱管和雙相變換熱管是本領域技術人員的常規(guī)能力，可通過試驗選擇多種不同的管材制作絕熱管7或雙相變換熱管8。
[0033]相變筒2 —端底部連接有低溫液體進管9，低溫液體進管9向外伸出臥式殼體I并與臥式殼體I之間密封配合，低溫液體進管9向內伸入蒸發(fā)出氣腔6 ;相變筒2于同一端頂部連接有低溫蒸汽出管10，低溫蒸汽出管10向外伸出臥式殼體I并與臥式殼體I之間密封配合，
低溫液體進管9另一端的臥式殼體I側壁設有高溫蒸汽進口 11，該端臥式殼體I的底壁上設有高溫液體出口 12 ；
所述冷凝腔5處的相變筒2頂壁上設有上開口 13，上開口 13連通高溫蒸汽腔3與冷凝腔5;所述冷凝腔5處的相變筒2底壁上設有下開口 14，下開口 14連通冷凝腔5與高溫蒸汽腔3。
[0034]所述相變筒2的左右兩側壁為平封頭結構，當然也可以采用普通橢圓封頭。
[0035]所述連通管的長徑比小于等于30。
[0036]在本發(fā)明的基礎上還可采用各類表面強化換熱技術，提升整機效率，減少傳熱溫差，降低投資成本。
[0037]工作時，液態(tài)低溫介質由低溫液體進管9流入相變筒2內的蒸發(fā)出氣腔6，蒸發(fā)出氣腔6內的低溫介質在通過相變筒2內具有較高導熱系數(shù)的雙相變換熱管8時(低溫介質走的是管程，高溫介質走的是殼程)，與相變筒2冷凝腔5內的高溫介質進行熱交換，從而受熱蒸發(fā)。蒸發(fā)后的低溫蒸汽由低溫蒸汽出管10流出本發(fā)明的臥式雙相變換熱器。
發(fā)明人最初設計的沒有設置絕熱管7的技術方案，由于各連通管均為雙相變換熱管，因此在沸騰相變的作用下，管子兩側的液位也不能保證一致，導致各處液位不一致，單點監(jiān)控液位的方法無法保證各處液位均處于正常狀態(tài)，需要使用多套監(jiān)控裝置進行多點監(jiān)控，既增加了設備成本和安裝設備的成本，又使控制液位的操作變得非常復雜。
[0038]本發(fā)明中絕熱管7的導熱系數(shù)低，因此低溫介質在其內吸收的熱量非常有限，不會發(fā)生相變(蒸發(fā))。
[0039]這樣，豎向筒體4頂部的絕熱管7就成為暢通的蒸汽外排的通道。
[0040]豎向筒體4底部的絕熱管7自然成為各蒸發(fā)出氣腔6之間暢通的連接通道，避免因管內發(fā)生沸騰相變而形成不穩(wěn)定的壓力，導致管子兩側的液位不平，保證各蒸發(fā)出氣腔6內的液態(tài)低溫介質處于良好的導通狀態(tài)，從而使各蒸發(fā)出氣腔6內的液位始終保持一致。一致的液位使得液位控制變得簡單，只需要監(jiān)測、控制任意一處的液位，就能夠控制整個相變筒2內低溫工質的液位。與以往相比，不僅節(jié)約了設備數(shù)量及成本，也大大簡化了安裝操作，以及實際工作中控制液位的操作。
[0041]在低溫液態(tài)工質蒸發(fā)的同時，氣態(tài)高溫介質由高溫蒸汽進口 11流入臥式殼體I內的高溫蒸汽腔3，并通過各上開口 13進入各換熱單元的冷凝腔5 (高溫介質走的是殼程)，在冷凝腔5內，被雙相變換熱管8內的低溫介質所冷卻，從而發(fā)生冷凝現(xiàn)象。冷凝時，冷凝腔5內高溫蒸汽的體積急劇減小，形成一定的負壓，從而自動將高溫蒸汽進口 11處的高溫介質吸引過來，無須額外設置驅動高溫介質的動力裝置。冷凝后形成的高溫液體，則在重力的作用下，自動向下通過下開口 14流至高溫蒸汽腔3 (臥式殼體I)的底壁，然后從高溫液體出口 12流出本發(fā)明的臥式雙相變換熱器。
[0042]本發(fā)明所采用的工作介質:發(fā)生相變的介質根據(jù)不同的應用有不同選擇，例如:水、氨、二氧化碳等；各類單質制冷劑或非共沸混合制冷劑(CFC類，HCFC類，HFC類，R400等);各類碳氫化合物(丙烷、乙醇、乙烯、丙酮等)。基于本發(fā)明的技術方案，本領域技術人員有能力根據(jù)實際應用的需要選擇合適的工作介質。
[0043]本發(fā)明適用于各類低溫蒸汽回收場合，特別是與機械壓縮式熱泵系統(tǒng)相結合。
[0044]用在熱泵機組的蒸發(fā)器上，可以直接回收低溫蒸汽的潛熱，取消了水冷凝器的水耗、水輸送能耗以及涼水塔投資及運轉費用，并且提高了回收溫度進而提高了熱泵機組整機效率。
[0045]用在熱泵機組的冷凝器上，可直接生產蒸汽用于工業(yè)生產線。特別是用在各類傳統(tǒng)單/多效蒸發(fā)濃縮設備、單/多級蒸餾塔、各類干燥設備上。這些設備都大量消耗外來鍋爐蒸汽，并且使用冷凝器結合涼水塔把末級低溫蒸汽直接排放到大氣中。利用本發(fā)明，把原來直排的低溫蒸汽引入熱泵機組的蒸發(fā)器，把熱泵機組冷凝器生產的高溫蒸汽直接送回蒸發(fā)濃縮或蒸餾或干燥設備，這樣可以完全取消外來鍋爐蒸汽的使用，從而大大降低能源消耗量；采用本發(fā)明的臥式雙相變換熱器可以全面取消20噸以下小型燃煤鍋爐的使用，社會效益巨大。
[0046]以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種臥式雙相變換熱器，其特征在于:包括臥式殼體，臥式殼體內水平設有相變筒，相變筒內沿水平方向均勻間隔設有若干換熱單元；相變筒與臥式殼體的頂壁、底壁、左側壁和右側壁均間隔設置，相變筒與臥式殼體之間圍成高溫蒸汽腔； 換熱單元包括豎向筒體，豎向筒體上端與相變筒頂壁密封連接，豎向筒體下端與相變筒底壁密封連接， 豎向筒體內壁與該處相變筒的頂壁和底壁之間圍成冷凝腔；各換熱單元的豎向筒體外壁與相變筒內壁之間圍成蒸發(fā)出氣腔； 豎向筒體內沿上下方向均勻間隔設有若干水平設置的連通管，各連通管的兩端與豎向筒體兩端的蒸發(fā)出氣腔相連通； 豎向筒體頂部至少一個連通管為絕熱管，豎向筒體底部至少一個連通管為絕熱管；絕熱管之外的其他連通管為雙相變換熱管； 相變筒一端底部連接有低溫液體進管，低溫液體進管向外伸出臥式殼體并與臥式殼體之間密封配合，低溫液體進管向內伸入蒸發(fā)出氣腔；相變筒于同一端頂部連接有低溫蒸汽出管，低溫蒸汽出管向外伸出臥式殼體并與臥式殼體之間密封配合， 低溫液體進管另一端的臥式殼體側壁設有高溫蒸汽進口，該端臥式殼體的底壁上設有高溫液體出口 ； 所述冷凝腔處的相變筒頂壁上設有上開口，上開口連通高溫蒸汽腔與冷凝腔；所述冷凝腔處的相變筒底壁上設有下開口，下開口連通冷凝腔與高溫蒸汽腔。
2.根據(jù)權利要求1所述的臥式雙相變換熱器，其特征在于:所述相變筒的左右兩側壁為平封頭結構。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的臥式雙相變換熱器，其特征在于:所述連通管的長徑比小于等于30。
【文檔編號】F25B39/00GK104390492SQ201410684029
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權日:2014年11月25日
【發(fā)明者】付紅曉 申請人:鄭州四維淀粉技術開發(fā)有限公司