專利名稱：類環狀流雙相換熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種板翅式兩相流相變換熱器，屬于工程熱物理與能源利用學科領域。
板翅式換熱器在五十年代開始應用于深冷和空氣分離裝置等領域，與管式換熱器相比，具有結構緊湊，傳熱系數較高等優點。但是，隨著空分裝置向大型化方向發展，現有的板翅式換熱器的結構型式存在熱流密度及傳熱系數依然偏小、傳熱溫差偏大等缺陷(參考文獻〖1〗《低溫原理與裝置》上、下冊，張祉佑，石秉三主編，機械工業出版社出版；參考文獻〖2〗《低溫換熱器》，陳長青主編，機械工業出版社出版)。如果將現有的板翅式換熱器用于3萬立方標準氧氣/小時的大空分裝置中作為主冷凝蒸發器，空氣分餾塔的直徑就將過于龐大(大于4米)，這將超過現今鐵路運輸所允許的最大高度。而且，由于現有的換熱器的傳熱溫差偏大，將使分餾塔上、下塔之間的壓差偏大，壓縮能耗增大，無法實現高效、節能的超低壓流程。
本發明的目的旨在克服上述現有技術的缺點，提出一種類環狀流雙相變換熱器，以便能夠實現低溫流體(液氮、液氧等)的高效沸騰傳熱與冷凝傳熱。
本發明通過傳熱機理和結構上的改變使雙相變換熱器具有高傳熱系數、高熱流密度和小傳熱溫差同時具備的優點，并使換熱器的結構更加合理，緊湊，降低有色金屬材料的消耗和空分裝置的壓縮功的消耗。因此，采用本發明不但能降低空分裝置的一次性投資成本，還可以降低裝置的長期運行費用，并為空分裝置實現超低壓流程創造了條件。
本發明可適用的流體有液氧、液氮和液氬等低溫流體，并可適用于各種氟利昂和水等工質流體。該換熱器不僅適用于空分裝置，也適用于制冷、石油、化工、核電等生產領域的相變換熱。
圖1是本發明的立體結構示意圖。
圖2是蒸發換熱元件(1)的結構示意圖。
圖3是冷凝換熱元件(2)的結構示意圖。
圖4是冷凝換熱元件(2)的一個實施例的橫截面示意圖。
圖5是本發明的第一個實施例的橫截面示意圖。
圖6是本發明的第二個實施例的橫截面示意圖。
圖7是本發明的第三個實施例的橫截面示意圖。
圖8是本發明的第四個實施例的橫截面示意圖。
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作詳細的說明。
參見圖1，本發明包括由若干層的作蒸發通道用的板翅式換熱元件(1)，換熱元件(1)與作為冷凝通道用的板翅式換熱元件(2)相連接，待蒸發液體由換熱元件(1)的底部進口(10)進入換熱元件(1)的通道中蒸發，蒸發后的氣體由換熱元件(1)的上部出口(9)排出。待冷凝氣體由上進氣分配器(5)通過冷凝通道導流孔(4)進入冷凝換熱元件(2)的通道中冷凝，冷凝后的液體通過冷凝通道集液孔(7)流出集液引出管(6)。另外，圖1中，(3)是蒸發通道的中部補液孔，(8)是外側板，(11)是固定支架。
參見圖2，蒸發換熱元件(1)中的翅片(13)和(26)被補液孔(3)分成幾段，每段長200～500mm，靠近封條(14)的換熱元件(1)的左右兩側翅片(13)的節距較小，節距為1.2mm以下，高度為6mm以下，而被翅片(13)夾在中間的翅片(26)的節距較大，為1.2～3.5mm，高度為6mm以下。圖中(15)是蒸發通道的下導流片，(12)是蒸發通道的上導流片。
參見圖3，冷凝換熱元件(2)由中間隔條(21)分為上、下兩部分，其上部包括進氣導流片(17)。導流片(17)的上部配置一上封條(16)，其下部連接有冷凝翅片(18)，其翅片高度為3～6.5mm，翅片節距為1.5mm以下。中間隔條(21)的下部包括有進氣導流片(17)，其下部也連接有冷凝翅片(18)，翅片(18)的下部配置有出液導流片(20)。另外，圖3中，(19)是冷凝通道的側封條，(22)是冷凝通道的下封條。
參見圖4，該冷凝換熱元件(2)為一整體式冷凝通道。
參見圖5，本發明包括由若干層的作蒸發通道用的板翅式換熱元件(1)，與作為冷凝通道用的板翅式換熱元件(2)，通過隔板(24)相連接，一一依次間隔排列。最外層的冷凝換熱元件(2)，其外側與外側板(23)相連，其內側與隔板(24)相連。其左右兩端為封條(19)。蒸發換熱元件(1)左右兩側為密節距翅片(13)(翅片節距為1.2mm以下，翅片高度為6mm以下)，其兩側為封條(14)，其中間部分為翅片(26)(翅片節距為1.2～3.5mm，高度為6mm以下)，或為無翅片的直通道(26)，通道寬度為20～50mm。冷凝換熱元件(2)的翅片(18)，其翅片節距為1.5mm以下，高度為3～6.5mm。
參見圖6，本發明的第二個實施例與圖5的不同之處是，蒸發換熱元件(1)為一個密節距翅片(13)(節距為1.2mm以下)和一個寬節距翅片(26)(節距為1.2～3.5mm)一一相鄰排列，其翅片高度均為6mm以下。其余部分均與圖5相同。
參見圖7，本發明的第三個實施例的結構與圖5不同之處是蒸發換熱元件(1)包括由3～4個密節距翅片(13)跟由2個密節距翅片拉伸而成的直通道(26)一一相鄰排列。密節距翅片(13)的翅片節距為1.2mm以下，翅片高度為6mm以下。其它部分與圖5相同。
參見圖8，本發明的第四個實施例的結構與圖5的不同之處是蒸發換熱元件(1)包括由3～4個密節距翅片(13)跟1～2個寬節距翅片(26)一一相鄰排列，密節距翅片(13)的翅片節距為1.2mm以下，高度為6mm以下。寬節距翅片(26)的節距為1.2～3.5mm，翅片高度為6mm以下，其它部分與圖5相同。
本發明的工作原理是由于采用了密排小節距蒸發翅片(13)的結構形式，使沸騰通道中的汽泡在上升過程中變形為扁平汽泡，從而使汽泡與壁面之間的液膜變得很薄。根據微膜沸騰理論，沸騰側的熱阻主要來自液膜的導熱熱阻。因此，液膜厚度的減小不僅降低了液體起沸的過熱度，還減小了沸騰傳熱的熱阻，提高了傳熱系數，同時，還可使大部分沸騰通道中流體的流型在較小的傳熱溫差下就能夠轉變為類環狀流流型。當大部分沸騰通道(13)中流體的流型為環狀流流型時，沸騰通道(13)的傳熱溫差達到最小值，而熱流密度和傳熱系數達到最大值。但是，在大部分蒸發通道(13)出現環狀流流型后，如果通道下部的液體流人量稍有不足，則在中、上部通道表面的環狀液膜將會被撕裂，出現局部蒸干的傳熱惡化現象，傳熱溫差將急劇上升，傳熱系數急劇下降。
為了防止這種因液體流人量不足而導致的傳熱惡化現象，本發明采取了分段補液的措施，即每隔200～500mm設置一補液孔(3)，并在單元的中心部分設置了流動阻力較小的無翅片的直通道或翅片節距較大的寬通道(26)。這樣，新鮮液體就可從側面補液孔(3)流進兩段翅片間的橫向走廊通道(27)，直接向上部沸騰通道補液。同時，從下部沸騰直通道或寬通道(26)流出的液體進入走廊通道(27)后也可同時向上部沸騰通道(13)進行補液，這樣，就避免了上部通道壁面與沸騰流體之間的傳熱溫差急劇增加，使換熱器即使在很高的熱流密度下也能保證整個沸騰通道的絕大部分保持環狀流流型，從而使沸騰通道始終處于最佳的傳熱狀態。
本發明對板翅式單元的冷凝換熱元件(2)采取了分段冷凝、分段排液的措施。通常空分用板翅式冷凝蒸發器的高度為2m。但由于通道太長，因而冷凝通道的下部容易產生積液，致使這部分的冷凝通道無法對氣體起冷凝作用。針對現有的換熱器所存在的缺陷，本發明采取了將冷凝換熱元件(2)分隔成上、下兩層，并在上、下冷凝通道上增設下導流翅片和上導流翅片(17)，以實現分別進氣和分段排液(見圖3所示)，可有效地消除冷凝換熱元件下部的積液現象，進一步提高了冷凝通道換熱面積的有效利用率，強化了冷凝側對氣體的冷凝作用。
由于采取了以上三種強化傳熱措施，本發明可使空分裝置的重要設備-精餾塔中主冷凝蒸發器的傳熱系數比德國林德公司80年代的同類產品提高30％以上，總傳熱溫差降低到1.25K以下。
根據冷凝蒸發器的不同的運行熱負荷，本發明具有不同的實施方案，下面僅以三種方案說明類環狀流雙相變冷凝蒸發器的特點。一、冷凝蒸發器的板長為500～1100mm時冷凝側為上、下貫通的整體式冷凝通道結構，如圖4所示。二、冷凝蒸發器的板長為1100～2100mm時冷凝側為上、下兩層分體式冷凝通道結構，如圖3所示，各自分別進氣，分段出液，以克服因通道過長，底層的傳熱面受靜液柱的影響太大而影響傳熱的缺陷，進一步提高冷凝換熱效率。三、冷凝蒸發器的板長為2100～3100mm時冷凝側為上、中、下三層分體式冷凝通道結構，各自分別進氣和出液，使冷凝液得以及時排出，使冷凝通道底部的換熱表面得以充分利用，大大提高冷凝傳熱系數，進一步減少冷凝傳熱溫差。
權利要求
1.類環狀流雙相變換熱器，上部配置有進氣分配器(5)，下部配置有集液引出管(6)，本發明的特征是，中心主體部分配置有若干層的作蒸發通道用的板翅式換熱元件(1)，與作為冷凝通道用的板翅式換熱元件(2)相連接。
2.根據權利要求1所述的換熱器，其特征在于，所說的蒸發換熱元件(1)靠近封條(14)的翅片(13)的翅片高度為6mm以下，翅片節距為1.2mm以下，中間部分的翅片(26)的節距為1.2～3.5mm，翅片高度為6mm以下。
3.根據權利要求1、2所述的換熱器，其特征在于，所說的蒸發換熱元件(1)中的翅片(13)和寬翅片通道(26)被補液孔(3)分成若干段，每段長200～500mm。
4.根據權利要求1、2所述的換熱器，其特征在于，所說的蒸發換熱元件(1)每隔200～500mm設有橫向無翅片走廊通道(27)。
5.根據權利要求1所述的換熱器，其特征在于，所說的冷凝換熱元件(2)的翅片高度為3～6.5mm，翅片節距為1.5mm以下。
6.根據權利要求1、5所述的換熱器，其特征在于，所說的冷凝換熱元件(2)的冷凝側為上、下貫通的整體式冷凝通道結構形式。
7.根據權利要求1、5所述的換熱器，其特征在于，所說的冷凝換熱元件(2)的冷凝側為上、下兩層分體式冷凝通道結構形式。
8.根據權利要求1、5所述的換熱器，其特征在于，所說的冷凝換熱元件(2)的冷凝側為上、中、下分體式冷凝通道結構形式。
全文摘要
類環狀流雙相變換熱器，上部配置有進氣分配器，下部配置有集液引出管，中心主體部分配置有若干層的作蒸發通道用的板翅式換熱元件，其與作為冷凝通道用的板翅式換熱元件相連接，能夠實現低溫流體的高效沸騰傳熱與冷凝傳熱，具有高傳熱系數，高熱流密度和小傳熱溫差同時具備的優點。
文檔編號F28D9/04GK1149707SQ9611873
公開日1997年5月14日 申請日期1996年7月24日 優先權日1996年7月24日
發明者吳裕遠, 陳流芳, 彭守運, 劉永忠 申請人:西安交通大學