一種用于非共沸多組分混合物冷凝的三角突刺形板翅式換熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于換熱器領(lǐng)域，尤其涉及一種不同沸點(diǎn)混合介質(zhì)冷凝使用的換熱器，屬 于F28D的換熱器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 不同沸點(diǎn)混合介質(zhì)的冷凝是天然氣液化（主要成分為沸點(diǎn)-16 2 °C甲烷、沸 點(diǎn)-88°C乙烷、沸點(diǎn)-42°C丙烷等）、空氣分離、混合冷劑制冷、石油或廢塑料裂解、生物質(zhì) 氣生產(chǎn)等行業(yè)的主要工藝過程。為降低工藝過程的擁損失，此類生產(chǎn)工藝希望按照溫度級(jí) 別逐級(jí)冷卻析出不同沸點(diǎn)的組分，同一股制冷劑或產(chǎn)物在不同溫度區(qū)間自身也進(jìn)行熱量交 換，因此要求冷凝設(shè)備方便實(shí)現(xiàn)多股介質(zhì)同時(shí)換熱。目前能方便實(shí)現(xiàn)多股介質(zhì)同時(shí)換熱的 設(shè)備主要是螺旋纏繞管換熱器和板翅式換熱器兩種。螺旋纏繞管換熱器為管殼結(jié)構(gòu)，承壓 較高，應(yīng)用較廣泛，但難以采取換熱強(qiáng)化措施，換熱系數(shù)較低，體積和重量難以縮減。板翅式 換熱器隨著近年制造工藝的改進(jìn)，承壓能力逐漸提高。憑其傳熱系數(shù)更高、更緊湊、重量更 輕的優(yōu)勢(shì)，在天然氣液化等很多場合出現(xiàn)取代纏繞管換熱器的趨勢(shì)。
[0003] 雖然板翅式換熱器在沸騰與冷凝相變工況下同樣可以提供較高的換熱系數(shù)，但現(xiàn) 有板翅式換熱器的翅片形式主要是針對(duì)單相介質(zhì)（重點(diǎn)是氣相介質(zhì)）換熱的機(jī)理設(shè)計(jì)的： 平直翅片是擴(kuò)展了換熱面積和減小了水力直徑；波紋翅片、鋸齒翅片、百葉窗翅片是在擴(kuò)展 面積基礎(chǔ)上擾動(dòng)流體減薄邊界層；被公認(rèn)可適用于相變換熱的打孔翅片、片帶翅片在用于 冷凝換熱時(shí)可以破壞液膜的連續(xù)性，但在高雷諾數(shù)工況也被證實(shí)效果并不比平直翅片有優(yōu) 勢(shì)。
[0004] 天然氣液化中非共沸多組分混合介質(zhì)冷凝的熱阻機(jī)制與純組分物質(zhì)冷凝有明顯 區(qū)別，理論分析和實(shí)驗(yàn)已證明換熱系數(shù)比純組分冷凝明顯降低?，F(xiàn)有對(duì)非共沸混合介質(zhì)冷 凝換熱的研究更多集中在含一種不凝氣體的工況，采用低紋槽、人工粗糙度表面等措施減 小平均液膜厚度在純組分冷凝時(shí)被證實(shí)效果突出的措施，在含不凝氣體情況下效果有時(shí)不 明顯。，而天然氣液化、石油裂解行業(yè)的冷凝換熱過程和機(jī)理更為復(fù)雜，冷凝過程通常包含 兩種以上的不凝氣體，換熱情況更加復(fù)雜。
[0005] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種新的板翅式換熱器，從而解決沸點(diǎn)不同的多組 分混合介質(zhì)的冷凝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種新的板翅式換熱器，從而解決沸點(diǎn)不同的多組分混合介質(zhì)的冷 凝，以提高換熱效率，降低流體流動(dòng)阻力。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種用于非共沸多組分混合物冷凝的板翅式換熱器，所述板翅式換熱器包括互相 平行的板片，所述板片之間設(shè)置翅片，所述翅片包括傾斜于板片的傾斜部分，其特征在于， 在傾斜部分上通過沖壓方式加工突刺，從而使傾斜部分兩側(cè)的流體通過傾斜部分上沖壓方 式形成的孔連通；所述突刺從傾斜部分沿著混合物流動(dòng)方向向外延伸。
[0009] 作為優(yōu)選，所述的翅片為三角型翅片，所述翅片包括與上下板片連接的所述的傾 斜部分，相鄰的翅片以及板片之間構(gòu)成三角形。
[0010] 作為優(yōu)選，沿著三角形翅片的頂角向著三角形的底邊，向三角形流道內(nèi)延伸的突 刺長度L越來越大。
[0011] 作為優(yōu)選，沿著三角形翅片的頂角向著三角形的底邊，L增加的幅度越來越大。
[0012] 作為優(yōu)選，傾斜部分以及板片之間構(gòu)成的三角形是等邊三角形，所述突刺為等腰 三角形，所述等腰三角形的底邊設(shè)置在傾斜部分上，相鄰的板片的距離為H，等腰三角形底 邊的長度為h，等腰三角形的頂角為b，所述突刺的延伸方向與混合物的流動(dòng)方向的夾角為 a，滿足如下公式：
[0013] 7*h/H = cl*Ln(L*sin(a)/w)+c2,其中 0· 19〈cl〈0. 20, 0· 64〈c2〈0. 66，
[0014] sin (b/2) = c3-c4*Ln (sin (a))，其中=0· 47〈c3〈0. 48,0· 34〈c4〈0. 36 ;
[0015] 其中=15° <a〈66。，55。<b〈165。，H = 6-14mm ;
[0016] 其中Ln是對(duì)數(shù)函數(shù)；
[0017] 0· 1 l〈L*sin (a) /w〈0. 25, 0· 23〈7*h/H〈0. 40
[0018] H是以相鄰板片相對(duì)的面之間的距離，W是以等腰三角形底邊的中點(diǎn)在等邊三角 形上的點(diǎn)在平行于板片方向延伸到等邊三角形相鄰邊的距離，L為等腰三角形的頂點(diǎn)到底 邊中點(diǎn)的距離。
[0019] 作為優(yōu)選，cl = 0· 1968, c2 = 0· 6534, c3 = 0· 4737, c4 = 0· 3546。
[0020] 作為優(yōu)選，所述突刺的延伸方向與混合物的流動(dòng)方向的夾角為a，同一個(gè)傾斜部分 設(shè)置多個(gè)突刺，沿著混合物的流動(dòng)方向，所述的夾角a越來越小。
[0021] 作為優(yōu)選，同一個(gè)傾斜部分設(shè)置多個(gè)突刺，多個(gè)突刺交錯(cuò)從傾斜部分兩側(cè)向外延 伸。
[0022] 作為優(yōu)選，所述突刺延伸的長度為L，同一個(gè)傾斜部分設(shè)置多個(gè)突刺，沿著混合物 的流動(dòng)方向，所述的長度L越來越小。
[0023] 作為優(yōu)選，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設(shè)置在傾斜部分上，并 且傾斜于板片，所述等腰三角形的頂角為b，同一個(gè)傾斜部分設(shè)置多個(gè)突刺，沿著混合物的 流動(dòng)方向，所述的頂角b越來越大。
[0024] 作為優(yōu)選，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設(shè)置在傾斜部分上，并 且傾斜于板片，所述等腰三角形的底邊為S1，同一個(gè)傾斜部分設(shè)置多個(gè)突刺，沿著混合物的 流動(dòng)方向，所述的S1越來越小。
[0025] 作為優(yōu)選，同一個(gè)傾斜部分設(shè)置多個(gè)突刺，相鄰?fù)淮痰木嚯x為S2,沿著混合物的流 動(dòng)方向，所述的S2越來越大。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的板式換熱器及其換熱板片具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0027] 1)本發(fā)明首次將沖壓的突刺應(yīng)用到共沸多組分混合物冷凝的板翅式換熱器，克服 了長期以來板翅式換熱器換熱效率低的問題，明顯的提高了換熱效率。
[0028] 2) -方面可以破壞層流底層，另一方面與"打孔"翅片相比，未因打孔損失換熱面 積，而且"刺"和"孔"可以分別在不同高度上擾動(dòng)流體，強(qiáng)化不同的熱阻環(huán)節(jié)；
[0029] 3)沖壓"微刺"形成的小孔，借助"微刺"下游壓力場的影響，可實(shí)現(xiàn)翅片兩側(cè)介質(zhì) 的壓力及質(zhì)量交換，對(duì)粘性底層和液膜的穩(wěn)定性造成破壞，強(qiáng)化換熱；
[0030] 4)針對(duì)非共沸多組分混合物的流體，能夠借助"微刺"實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大氣液界面以及氣相 邊界層與冷卻壁面的接觸面積并增強(qiáng)擾動(dòng)；
[0031] 5)易加工實(shí)現(xiàn)，制作難度和成本不會(huì)明顯上升；
[0032] 6)通過大量的實(shí)驗(yàn)，確定了最佳的板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸；
[0033] 7)通過設(shè)計(jì)相鄰的板片的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，相鄰的傾斜部分 的距離為w，等腰三角形的頂角為b，所述突刺的延伸方向與混合物的流動(dòng)方向的夾角為a 等參數(shù)沿著流體流動(dòng)方向的變化，提高了換熱效率或者降低流體壓力。
[0034] 8)解決了含有不凝氣體的換熱效率低的問題，大大的節(jié)約了能源。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明一種板翅式換熱器換熱板片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明一個(gè)板翅單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明設(shè)置突刺結(jié)構(gòu)傾斜部分平面的示意圖；
[0038] 圖4是本發(fā)明設(shè)置突刺結(jié)構(gòu)傾斜部分平面的另一個(gè)示意圖；
[0039] 圖5是本發(fā)明的三角形突刺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖6是本發(fā)明三角形突刺流道中的切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖7本發(fā)明突刺向傾斜部分兩側(cè)延伸的結(jié)構(gòu)示意；
[0042] 圖8傾斜部分突刺、孔對(duì)壓力及質(zhì)量交換的影響示意圖。
[0043] 附圖標(biāo)記如下：
[0044] 1密封件，2流體通道，3板片，4傾斜部分，5頂角，6突刺，7翅片。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。
[0046] 本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，"/"表示除法，" X 表示乘法。
[0047] 如圖1所示，一種用于非共沸多組分混合物冷凝的板翅式換熱器，所述板翅式換 熱器包括互相平行的板片3,所述相鄰的板片3之間形成流體通道2,所述相鄰的板片3之 間設(shè)置翅片7。所述翅片7包括與板片3傾斜的傾斜部分4,在傾斜部分4上通過沖壓方式 加工突刺6,從而使傾斜部分4兩側(cè)的流體通過傾斜部分4上通過沖壓方式形成的孔連通； 所述突刺6從傾斜部分4向外延伸。
[0048] 通過設(shè)置突刺6,具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0049] 1) -方面可以破壞層流底層，另一方面與"打孔"翅片相比，未因打孔損失換熱面 積，而且"刺"和"孔"可以分別在不同高度上擾動(dòng)流體，強(qiáng)化不同的熱阻環(huán)節(jié)；
[0050] 2)沖壓"微刺"形成的小孔，借助"微刺"下游壓力場的影響，可實(shí)現(xiàn)翅片兩側(cè)介質(zhì) 的壓力及質(zhì)量交換，對(duì)粘性底層和液膜的穩(wěn)定性造成破壞，強(qiáng)化換熱，見圖8
[0051] 3)針對(duì)非共沸多組分混合物的流體，能夠借助"微刺"實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大氣液界面以及氣相 邊界層與冷卻壁面的接觸面積并增強(qiáng)擾動(dòng)；
[0052] 4)易加工實(shí)現(xiàn)，制作難度和成本不會(huì)明顯上升。
[0053] 在板翅式換熱器內(nèi)采取上述措施，能夠極大的提高了非共沸混合介質(zhì)冷凝換熱簡 易又有效的技術(shù)。與采取"打孔"翅片相比，能夠提高20 - 30%的換熱效率。
[0054] 作為優(yōu)選，所述的突刺6與混合物的流動(dòng)方向所形成的夾角為銳角，如圖8所示。
[0055] 作為優(yōu)選，如圖2所示，作為優(yōu)選，如圖2所示，所述的翅片7為三角型翅片，所述 翅片7包括與上下板片3連接的傾斜部分4,相鄰的翅片以及板片3之間構(gòu)成三角形。
[0056] 如圖6所示，所述突刺6的延伸方向與混合物的流動(dòng)方向的夾角為a，如圖3所示， 沿著混合物的流動(dòng)方向，同一個(gè)傾斜部分4設(shè)置多個(gè)突刺6,沿著混合物的流動(dòng)方向，所述 的夾角a越來越大。
[0057] 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過夾角a的逐漸變大，與夾角a完全相同相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的 換熱效率，能夠大約提高10%左右的換熱效率。
[0058] 作為優(yōu)選，沿著混合物的流動(dòng)方向，夾角a變大的幅度越來越小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 變化夾角a的變大的幅度，可以保證換熱效率的情況下，進(jìn)一步降低流動(dòng)阻力，能夠大約降 低5 %左右的流動(dòng)阻力。
[0059] 作為優(yōu)選，所述突刺6延伸的長度為L，沿著混合物的流動(dòng)方向，同一個(gè)傾斜部分4 設(shè)置多個(gè)突刺6,沿著混合物的流動(dòng)方向，所述的長度L越來越大。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過長度 L的