[发明专利]双相变潜热换热器

说明书

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。

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