一種多級分液板式冷凝器的制作方法

本發明涉及冷凝器領域，特別是涉及一種多級分液板式冷凝器。

背景技術：

板式換熱器由一系列波紋板片疊加而成，利用密封墊片在板片之間形成狹窄的溝槽流道，冷熱流體通過換熱板上的角孔分別進入相鄰的流道內，通過金屬換熱板進行熱量的交換。板式換熱器是一種傳熱性能好，結構緊湊的高效換熱器，在液體與液體介質的換熱場合應用廣泛。

在許多場合直接將單相液-液傳熱的板式換熱器直接用作冷凝器使用。通常存在兩個缺點：一是蒸氣角孔通常按照液體流動來設計的，蒸氣比體積大，容易導致流動速度過大，壓力損失嚴重的問題；二是普通液-液傳熱換熱器是通過增大湍流實現單相的強化傳熱，而冷凝強化需要通過及時排出凝結液、降低液膜厚度來實現傳熱強化。

為了適用于蒸氣冷凝換熱，目前現有產品和相關專利中針對換熱板片的改進主要是從以下兩個方面進行：一方面是通過對蒸氣角孔的設計，增加角孔流通截面積，改善流動性能，減小壓降；另一方面是涉及換熱板波型的改進，目的是為了迅速排走凝結液，減薄液膜厚度，改善傳熱性能。

如下圖1和圖2所示，為日本的日阪公司推出的YX-80型冷凝器換熱板，蒸氣角孔普遍根據蒸氣的比體積進行設計，有效的改善了流動特性。換熱板片采用兩種不同波紋的板片，分別用于冷卻水流路和蒸氣流路，便于冷凝過程中形成的凝結液沿著波紋凹槽及時排出。近幾年，其他類型的板式冷凝器也僅僅是局限在原有板片基礎上對尺寸進行改進。此類換熱器在實際應用中，通常為了保證蒸氣能夠完全冷凝，通常設計負荷會比實際負荷偏大，這將導致凝結液積聚在板式換熱器下半部分，這部分的傳熱主要是凝結液和冷卻介質間的無相變換熱，使得板式冷凝器換熱效果惡化。同時，積聚的凝結液不能及時排除，增大了板式換熱器的流動阻力。因此，僅僅針對板片波型的改進設計雖然能及時將局部的凝結液膜引流至排液口，但無法解決凝結液在板式換熱器下部積聚的問題。

此外，現有一些專利針對分液式板式冷凝器提出了一些設計方案，結構較為復雜，可行性較低。同時，分液效果無法得到保證，容易出現蒸氣擊穿和凝結液無法及時排除的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有板式冷凝器存在的不足，提出一種多級分液板式冷凝器，在蒸氣冷凝過程中及時引出凝結液，降低凝結液膜厚度，強化凝結傳熱的同時，有效的避免的凝結液在板式換熱器下部積聚的問題。

為了實現上述目的，本發明是這樣實現的：一種多級分液板式冷凝器，其包括前端蓋板、后端蓋板、至少一塊換熱板，至少一塊水側密封墊和至少一塊蒸氣側密封墊，所述水側密封墊和蒸氣側密封墊分別位于所述換熱板兩側與相鄰的換熱板、前端蓋板或者后端蓋板形成蒸氣流道和冷卻水流道，所述換熱板上設置有蒸氣進口角孔、分液角孔，冷卻水進口角孔、冷卻水出口角孔和末級泠凝夜分液角孔；所述水側密封墊設置有冷卻水出口角孔、冷卻水進口角孔和與所述分液角孔相配合的通孔；所述蒸氣側密封墊內設置若干分液密封條，所述分液密封條與相鄰的所述換熱板或者前端蓋板側壁組成冷凝液溝槽，所述冷凝液溝槽低端與分液角孔相通。

所述分液密封條為傾斜設置，其傾斜角為與豎直方向夾角為30～60°范圍內。

所述換熱板上設置有利于凝結液排出的導流溝槽。

所述蒸氣側密封墊內設置進口角孔。

所述前端蓋板上設置有蒸氣進口、冷卻水出口和第級至第n級液位鏡；所述液位鏡分別設置在所述分液密封條組成的液槽位置。

所述后端蓋板分別設置冷卻水進口、凝結液出口、第1級至第n級分液出口，并且在第1級至第n級分液出口外部設置有調解閥門，從調解閥門出來的凝結液通過管路匯集至第n級凝結液出口。

每級換熱空間需保證最小的換熱面積，其計算公式為：

式中：

A_i，min——第i級所需最小換熱面積，m²；

m_i——進入第i級的蒸汽流量，kg/s；

x_i——第i級冷凝后蒸汽干度；

r——蒸汽潛熱，kJ/kg；

Q——總換熱量，kW；

A——換熱器總換熱面積，m²；

為保證冷凝器出口蒸汽完全冷凝，最后一級通常具有較大的換熱面積。

與現有技術相比，本發明具有的優點和有益技術效果如下：采用逆流布置，通過密封墊和換熱板的組合設計，在蒸氣側密封墊上設計斜置的分液密封條，換熱板上布置凝結液分液角孔和導流槽結構，形成多級分液冷凝結構。不斷的排出在蒸氣凝結過程中形成的凝結液，降低凝結液膜的厚度，有助于降低冷凝換熱熱阻。同時，使得蒸氣維持在較高的干度下冷凝換熱，保持較高的換熱系數，達到強化凝結傳熱的目的。針對分液冷凝實際應用中可能存在的蒸氣擊穿和凝結液溢出導致的分液冷凝器失效的問題，在中間凝結液出口流路上設置阻力調節閥，用來調節該級凝結液流路的阻力。并在換熱器前端蓋板上設置液位鏡，可以實時觀測凝結液液位的高低，并通過改變閥門的開度，調節每級分液流路的阻力，使其在最佳的分液工況下運行，保障換熱器分液冷凝的效果。僅采用了一種結構的換熱板，結構簡單，降低加工成本，保持了傳統板式換熱器結構緊湊，可以實現分液板式冷凝器在工業生產中的加工制造，經濟性較好的優點。同時，換熱器分液級數和每級換熱面積的大小等結構尺寸參數可以根據實際負荷進行優化設計，實際應用可行性高。

【附圖說明】

圖1為現有板式冷凝器中冷卻板片結構示意圖；

圖2為現有板式冷凝器中冷凝板片結構示意圖；

圖3為本發明一種多級分液板式冷凝器的整體結構立體裝配圖1；

圖4為本發明一種多級分液板式冷凝器的整體結構立體裝配圖2；

圖5為本發明一種多級分液板式冷凝器中后端蓋板的結構示意圖；

圖6為本發明一種多級分液板式冷凝器中水側密封墊的結構示意圖；圖7為本發明一種多級分液板式冷凝器中換熱板的結構示意圖；

圖8為本發明一種多級分液板式冷凝器中蒸氣側密封墊的結構示意圖；

圖9本發明一種多級分液板式冷凝器中前端蓋板的結構示意圖；

圖10本發明一種多級分液板式冷凝器中的蒸氣側密封墊與換熱板結合時的結構示意圖(虛線為蒸氣流向，實線為冷凝液流向)；

圖11本發明一種多級分液板式冷凝器中的水側密封墊與換熱板結合時的結構示意圖(虛線為冷卻水流向)；

圖12本發明一種多級分液板式冷凝器中液位鏡結構示意圖。

【具體實施方式】

以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細的描述說明。

一種多級分液板式冷凝器，如圖2-11所示，其包括前端蓋板2、后端蓋板1、至少一塊換熱板7，至少一塊水側密封墊8和至少一塊蒸氣側密封墊6，所述水側密封墊8和蒸氣側密封墊6分別位于所述換熱板7兩側，形成蒸氣流道和冷卻水流道。所述換熱板4上設置有蒸氣進口角孔65、第1級至第n(n為大于1的自然數)級凝結液的分液角孔，冷卻水進口角孔、冷卻水出口角孔和末級泠凝夜分液角孔64，其中分液角孔用于將凝結液排出冷凝器。所述水側密封墊8設置有冷卻水出口角孔81、冷卻水進口角孔82和與所述分液角孔相配合的通孔，其主要起到流道密封和不同流體隔離的作用，在與相鄰的兩個換熱板之間的狹窄空間形成冷卻水流道。所述分液密封條與相鄰的所述換熱板或者前端蓋板側壁組成冷凝液溝槽15，在所述換熱板7上設置有利于凝結液排出的導流溝槽。所述換熱板7與所述導流溝槽處設置有導流凹槽。

所述蒸氣側密封墊6由流道密封圈和多個斜置的分液密封條共同組成一個整體密封結構。所述蒸氣側密封墊6內設置進口角孔65。其中流道密封圈起到隔絕冷熱流體的作用；斜置的分液密封條起到阻截凝結液的作用，與流道密封圈邊緣連接，形成冷凝液溝槽15。所述分液密封條的數目由分液級數來確定，所述分液密封條的傾斜角度根據實際應用效果可設置在與豎直方向夾角為30～60°范圍內。優選的，所述傾斜角度為45°，形成冷凝液溝槽15與形成的液體處于最佳位置，汽液分離效果最好。整個蒸氣側密封墊采用耐高溫橡膠材料制成。蒸氣側密封墊與相鄰兩個換熱板7之間的狹窄空間形成蒸氣流道。其中，所述分液密封條自上往下相互之間的豎直距離是增大的。優選的，所述分液密封條自上往下相互之間的豎直距離是增大六分之一到十分之一，也可以可以起到最優化的處理結果。優選的，所述分液密封條的末端與其相對側壁之間的距離小于整個空間距離的三分之一。

所述前端蓋板2上設置有蒸氣進口4、冷卻水出口5和第1級至第n(n為大于1的自然數)級液位鏡3。所述液位鏡3分別設置在對應于所述分液密封條組成的液槽位置。所述液位鏡3上設置最低刻度線32和最高刻度線31，用于起到警示作用。

所述后端蓋板1分別設置冷卻水進口14、凝結液出口13、第1級至第n級分液出口(10,11,12)，并且在第1級至第n級分液出口(10,11,12)外部設置有調解閥門，從調解閥門出來的凝結液通過管路匯集至第n級凝結液出口。

其中，所述蒸氣流道和冷卻水流道呈交錯布置，蒸氣在蒸氣流道內從上至下流動，冷卻水在冷卻水流道內從下往上流動，與蒸氣形成逆流布置。蒸氣流道中對應的分液角孔、斜置密封條及其對應的上部換熱空間共同組成了一個分液結構單元。

工作時，蒸氣由蒸氣進口角孔65進入蒸氣流道，在流道內通過換熱板7放出熱量，部分蒸氣冷凝成凝結液。利用重力作用和換熱板4與蒸氣側密封墊6組成的冷凝液溝槽15的導流作用，使得凝結液匯集在第1級分液角孔處，并通過分液角孔(61)將該級的凝結液及時排出。未完全凝結的蒸氣繼續沿著蒸氣流道繼續凝結，在第2級凝結液分液角孔(62)位置將凝結液排出；依次繼續凝結，在第3級至第n級分液角孔(63)位置不斷將凝結液排出。由于凝結液膜是冷凝傳熱的主要熱阻，高干度蒸氣具有較高的換熱系數。在冷凝過程中通過第1級至第n級的分液結構，及時排出冷凝過程中產生的凝結液，降低凝結液膜的厚度，使得蒸氣維持在較高的干度下冷凝換熱，有助于降低冷凝換熱熱阻，提高換熱系數。

在換熱器設計時，可以根據實際工況情況選取合適的分液級數，進行換熱板和密封墊的設計。隨著分液冷凝過程的進行，每級分液結構中斜置密封條上部空間的換熱面積逐漸增大，每級換熱空間需保證最小的換熱面積，其計算公式為：

式中：

A_i，min——第i級所需最小換熱面積，m²；

m_i——進入第i級的蒸汽流量，kg/s；

x_i——第i級冷凝后蒸汽干度，j為自然數；

r——蒸汽潛熱，kJ/kg；

Q——總換熱量，kW；

A——換熱器總換熱面積，m²；

為保證冷凝器出口蒸氣完全冷凝，最后一級通常具有較大的換熱面積。

在實際應用中，對某一級分液結構，當分液角孔出口阻力過大時，該級集聚的凝結液增多，凝結液會從斜置密封墊片上方溢出，使分液冷凝換熱效果變差；當分液角孔出口阻力過小時，換熱結構集聚的凝結液減少，容易導致蒸氣通過分液角孔排出換熱器，使得分液冷凝器工作失效。因此，為保證分液效果，換熱板分液角孔的直徑需設計在合適的范圍內，在換熱器后端蓋板凝結液出口流路上設置阻力調節閥，用來調節該級凝結液流路的阻力。

如圖12所示，為方便觀測，在換熱器前端蓋板的對應位置設置的液位鏡3，用來觀測凝結液的位置。其中，液位鏡的最高液位刻度線31與蒸氣密封墊片上斜置密封條的上沿相平齊；最低液位刻度線32與蒸氣通過排液口排出冷凝器的位置相平齊。凝結液液位處于最高液位刻度線31和最低液位刻度線32之間時，表示分液冷凝器處于良好分液狀態。

本發明涉及的板式冷凝器采用逆流布置，通過水側密封墊8和蒸氣側密封墊6和換熱板4的組合設計，在蒸氣側密封墊上設計斜置的分液密封條，換熱板4上布置凝結液分液角孔和冷凝液溝槽15結構，形成多級分液冷凝結構。在工作時不斷的排出蒸氣凝結過程中形成的凝結液，降低凝結液膜的厚度，有助于降低冷凝換熱熱阻。同時，使得蒸氣維持在較高的干度下冷凝換熱，保持較高的換熱系數，達到強化凝結傳熱的目的。

本發明涉及的板式冷凝器在中間凝結液出口流路上設置阻力調節閥，用來調節該級凝結液流路的阻力。在換熱器前端蓋板上設置液位鏡，可以實時觀測凝結液液位的高低。通過改變閥門的開度，調節每級分液流路的阻力，可以使分液冷凝結構在最佳的分液工況下運行，保障換熱器分液冷凝的效果。有效避免蒸氣擊穿和凝結液溢出導致的分液冷凝器失效的問題。

本發明涉及的板式冷凝器僅采用了一種結構的換熱板，結構簡單，降低加工成本，保持了傳統板式換熱器結構緊湊，經濟性較好的優點。同時，換熱器分液級數和每級換熱面積的大小等結構尺寸參數可以根據實際負荷進行優化設計，實際應用可行性高。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例，應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明構思在現有技術基礎上通過邏輯分析、推理或者根據有限的實驗可以得到的技術方案，均應該在由本權利要求書所確定的保護范圍之中。