一種用於非共沸多組分混合物冷凝設置突刺的梯形板翅式換熱器的製作方法與工藝

2023-06-13 01:56:51 2

本發明屬於換熱器領域，尤其涉及一種不同沸點混合介質冷凝使用的換熱器，屬於F28D的換熱器領域。

背景技術：
不同沸點混合介質的冷凝是天然氣液化(主要成分為沸點-162℃甲烷、沸點-88℃乙烷、沸點-42℃丙烷等)、空氣分離、混合冷劑製冷、石油或廢塑料裂解、生物質氣生產等行業的主要工藝過程。為降低工藝過程的損失，此類生產工藝希望按照溫度級別逐級冷卻析出不同沸點的組分，同一股製冷劑或產物在不同溫度區間自身也進行熱量交換，因此要求冷凝設備方便實現多股介質同時換熱。目前能方便實現多股介質同時換熱的設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構，承壓較高，應用較廣泛，但難以採取換熱強化措施，換熱係數較低，體積和重量難以縮減。板翅式換熱器隨著近年製造工藝的改進，承壓能力逐漸提高。憑其傳熱係數更高、更緊湊、重量更輕的優勢，在天然氣液化等很多場合出現取代纏繞管換熱器的趨勢。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係數，但現有板翅式換熱器的翅片形式主要是針對單相介質(重點是氣相介質)換熱的機理設計的：平直翅片是擴展了換熱面積和減小了水力直徑；波紋翅片、鋸齒翅片、百葉窗翅片是在擴展面積基礎上擾動流體減薄邊界層；被公認可適用於相變換熱的打孔翅片、片帶翅片在用於冷凝換熱時可以破壞液膜的連續性，但在高雷諾數工況也被證實效果並不比平直翅片有優勢。天然氣液化中非共沸多組分混合介質冷凝的熱阻機制與純組分物質冷凝有明顯區別，理論分析和實驗已證明換熱係數比純組分冷凝明顯降低。現有對非共沸混合介質冷凝換熱的研究更多集中在含一種不凝氣體的工況，採用低紋槽、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被證實效果突出的措施，在含不凝氣體情況下效果有時不明顯。，而天然氣液化、石油裂解行業的冷凝換熱過程和機理更為複雜，冷凝過程通常包含兩種以上的不凝氣體，換熱情況更加複雜。針對上述問題，本發明提供了一種新的板翅式換熱器，從而解決沸點不同的多組分混合介質的冷凝。

技術實現要素：
本發明提供了一種新的板翅式換熱器，從而解決沸點不同的多組分混合介質的冷凝，以提高換熱效率，降低流體流動阻力。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種用於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，所述板片之間設置翅片，所述翅片為梯形翅片，所述梯形翅片包括傾斜於板片的傾斜部分和水平部分，傾斜部分構成梯形的兩個腰，其特徵在於，在傾斜部分上通過衝壓方式加工突刺，從而使傾斜部分兩側的流體通過傾斜部分上衝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方向向外延伸。作為優選，所述翅片包括水平部分，所述水平部分與板片平行並且與板片貼在一起，所述傾斜部分與水平部分連接。作為優選，所述梯形為等腰梯形，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，相鄰的板片的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，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方向的夾角為a，滿足如下公式：6.58*h/H＝c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,sin(b/2)＝c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))2，其中Ln是對數函數，c1、c2、c3、c4、c5是係數，0.24<c1<0.25,0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88，0.68<c4<0.70，1.14<c5<1.15；19°<a<71°，55°<b<165°；10mm<w<15mm，6mm<H<14mm；0.19<L*sin(a)/w<0.41,0.29<6.58*h/H<0.47；H是以相鄰板片相對的面之間的距離，W是以等腰三角形底邊的中點在等腰梯形腰上的點在平行於板片方向延伸到等腰梯形另一條腰的距離，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離；等腰梯形底邊的銳角為c，90°<c<74°作為優選，c1＝0.2432，c2＝0.689，c3＝0.872，c4＝0,698，c5＝1.143。作為優選，所述突刺的延伸方向與混合物的流動方向的夾角為a，同一個傾斜部分設置多個突刺，沿著混合物的流動方向，所述的夾角a越來越小。作為優選，同一個傾斜部分設置多個突刺，多個突刺交錯從傾斜部分兩側向外延伸。作為優選，沿著梯形翅片的長邊向著短邊延伸的方向，向梯形流道內延伸的突刺長度L越來越大。作為優選，沿著梯形翅片的長邊向著短邊延伸的方向，L增加的幅度越來越大。作為優選，所述突刺的延伸方向與混合物的流動方向的夾角為a，同一個傾斜部分設置多個突刺，沿著混合物的流動方向，所述的夾角a越來越小。作為優選，同一個傾斜部分設置多個突刺，多個突刺交錯從傾斜部分兩側向外延伸。作為優選，所述突刺延伸的長度為L，同一個傾斜部分設置多個突刺，沿著混合物的流動方向，所述的長度L越來越小。作為優選，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，並且傾斜於板片，所述等腰三角形的頂角為b，同一個傾斜部分設置多個突刺，沿著混合物的流動方向，所述的頂角b越來越大。作為優選，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，並且傾斜於板片，所述等腰三角形的底邊為S1，同一個傾斜部分設置多個突刺，沿著混合物的流動方向，所述的S1越來越小。作為優選，同一個傾斜部分設置多個突刺，相鄰突刺的距離為S2，沿著混合物的流動方向，所述的S2越來越大。與現有技術相比較，本發明的板式換熱器及其換熱板片具有如下的優點：1)本發明首次將衝壓的突刺應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。2)一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流體，強化不同的熱阻環節；3)衝壓「微刺」形成的小孔，藉助「微刺」下遊壓力場的影響，可實現翅片兩側介質的壓力及質量交換，對粘性底層和液膜的穩定性造成破壞，強化換熱；4)針對非共沸多組分混合物的流體，能夠藉助「微刺」實現擴大氣液界面以及氣相邊界層與冷卻壁面的接觸面積並增強擾動；5)易加工實現，製作難度和成本不會明顯上升；6)通過大量的實驗，確定了最佳的板翅式換熱器的結構尺寸；7)通過設計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方向的夾角為a等參數沿著流體流動方向的變化，提高了換熱效率或者降低流體壓力。8)解決了含有不凝氣體的換熱效率低的問題，大大的節約了能源。附圖說明圖1是本發明一種板翅式換熱器換熱板片結構示意圖；圖2是本發明一個板翅單元的結構示意圖；圖3是本發明設置突刺結構傾斜部分平面的示意圖；圖4是本發明設置突刺結構傾斜部分平面的另一個示意圖；圖5是本發明的三角形突刺結構示意圖；圖6是本發明三角形突刺流道中的切面結構示意圖；圖7本發明突刺向傾斜部分兩側延伸的結構示意；圖8傾斜部分突刺、孔對壓力及質量交換的影響示意圖。附圖標記如下：1密封件，2流體通道，3板片，4傾斜部分，5水平部分，6突刺，7翅片。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，「/」表示除法，「×」、「*」表示乘法。如圖1所示，一種用於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之間設置翅片7。所述翅片7包括傾斜與板片3的傾斜部分4，在傾斜部分4上通過衝壓方式加工突刺6，從而使傾斜部分4兩側的流體通過傾斜部分4上通過衝壓方式形成的孔連通；所述突刺6從傾斜部分4向外延伸。所述翅片為梯形翅片，所述梯形翅片包括傾斜於板片的傾斜部分和水平部分，傾斜部分構成梯形的兩個腰。通過設置突刺6，具有如下的優點：1)一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流體，強化不同的熱阻環節；2)衝壓「微刺」形成的小孔，藉助「微刺」下遊壓力場的影響，可實現翅片兩側介質的壓力及質量交換，對粘性底層和液膜的穩定性造成破壞，強化換熱，見圖83)針對非共沸多組分混合物的流體，能夠藉助「微刺」實現擴大氣液界面以及氣相邊界層與冷卻壁面的接觸面積並增強擾動；4)易加工實現，製作難度和成本不會明顯上升。在板翅式換熱器內採取上述措施，能夠極大的提高了非共沸混合介質冷凝換熱簡易又有效的技術。與採取「打孔」翅片相比，能夠提高20－30％的換熱效率。作為優選，所述的突刺6與混合物的流動方向所形成的夾角為銳角，如圖8所示。作為優選，如圖2所示，所述的翅片7為直角型翅片，所述翅片7包括水平部分5和傾斜部分4，所述水平部分5與板片3平行並且與板片3貼在一起，所述傾斜部分4與水平部分5連接。如圖6所示，所述突刺6的延伸方向與混合物的流動方向的夾角為a，如圖3所示，沿著混合物的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突刺6，沿著混合物的流動方向，所述的夾角a越來越大。通過實驗發現，通過夾角a的逐漸變大，與夾角a完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高10％左右的換熱效率。作為優選，沿著混合物的流動方向，夾角a變大的幅度越來越小。通過實驗發現，變化夾角a的變大的幅度，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低5％左右的流動阻力。作為優選，所述突刺6延伸的長度為L，沿著混合物的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突刺6，沿著混合物的流動方向，所述的長度L越來越大。通過實驗發現，通過長度L的逐漸變大，與長度L完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高9％左右的換熱效率。作為優選，沿著混合物的流動方向，長度L變大的幅度越來越小。通過實驗發現，長度L的變大的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低5％左右的流動阻力。作為優選，所述突刺6為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分4上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的頂角為b，沿著混合物的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突刺6，沿著混合物的流動方向，在底邊長度保持不變的情況下，所述的突刺頂角b越來越小。通過實驗發現，通過突刺頂角b的逐漸變小，與頂角b完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高8％左右的換熱效率。作為優選，沿著混合物的流動方向，頂角b變小的幅度越來越小。通過實驗發現，頂角b變小的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低4％左右的流動阻力。作為優選，所述突刺6為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的底邊長度為h，沿著混合物的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突刺6，沿著混合物的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突刺，在頂角保持不變的情況下，沿著混合物的流動方向，所述的h越來越大。通過實驗發現，通過h的逐漸變大，與h完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高7％左右的換熱效率。作為優選，沿著混合物的流動方向，h變大的幅度越來越小。通過實驗發現，h變大的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低5％左右的流動阻力。作為優選，沿著流體的流動方向，同一傾斜部分設置多排突刺6，如圖3和4所示，每排突刺之間的距離為S2，沿著混合物的流動方向，所述的S2越來越大。之所以如此設置，主要目的是通過S2的變大，實現在保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力。通過實驗發現，流動阻力降低10％左右。所述S2是以相鄰排的突刺的底邊為計算距離的。作為優選，如圖4所示，多排突刺6為錯列結構。在實驗中發現，相鄰板片3的距離不能過大，過大會導致換熱效率的降低，過小會導致流動阻力過大，同理，對於等腰三角形的底邊長度、頂角、突刺、翅片傾斜部分的距離與流體流動方向的夾角都不能過大或者過小，過大或過小都會導致換熱效率的降低或者流動阻力的變大，因此在相鄰板片3的距離、等腰三角形的底邊長度、頂角、突刺、翅片傾斜部分與流體流動方向的夾角之間滿足一個最優化的尺寸關係。因此，本發明是通過多個不同尺寸的換熱器的上千次數值模擬以及試驗數據，在滿足工業要求承壓情況下(10MPa以下)，在實現最大換熱量的情況下，總結出的最佳的換熱板片的尺寸優化關係。相鄰的板片的距離為H(即等腰梯形長邊和短邊的距離也是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，所述梯形為等腰梯形，所述突刺為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，相鄰的板片的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，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方向的夾角為a，滿足如下公式：6.58*h/H＝c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,sin(b/2)＝c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))2，其中Ln是對數函數，c1、c2、c3、c4、c5是係數，0.24<c1<0.25,0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88，0.68<c4<0.70，1.14<c5<1.15；19°<a<71°，55°<b<165°；10mm<w<15mm，6mm<H<14mm；0.19<L*sin(a)/w<0.41,0.29<6.58*h/H<0.47；H是以相鄰板片相對的面之間的距離，W是以等腰三角形底邊的中點在等腰梯形腰上的點在平行於板片方向(即平行於梯形的長邊或短邊方向)延伸到等腰梯形另一條腰的距離，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離；作為優選，等腰梯形底邊的銳角為c，90°<c<74°作為優選，c1＝0.2432，c2＝0.689，c3＝0.872，c4＝0,698，c5＝1.143。通過上述公式的出的「突刺」的最佳的幾何尺度，可以提高換熱效率，同時可以實現僅對粘性底層、或包含液膜、及至包含氣相邊界層不同尺度內熱阻的強化，避免措施過度，造成不必要的阻力損失。作為優選，所述的同一排的相鄰的突刺的底邊都在一條線上，同一排相鄰的突刺距離為S1，所述4×h<S1<6×h，其中S1是以相鄰兩個等腰三角形突刺的底邊的中點的距離。作為優選，相鄰排的突刺的等腰三角形的底邊互相平行，等腰三角形的頂點到底邊中點的距離為L，相鄰排的距離S2為4*L<S2<7*L。優選為S2＝5*L相鄰排的等腰三角形的底邊不同時，採取兩條底邊的加權平均數來計算。作為優選，同一排的等腰三角形的夾角和底邊完全相同。即形狀完全相同，為相等形。對於前面的公式，對於前後排尺寸不同的突刺，也依然適用。對於沒有提到的具體尺寸參數，按照正常的換熱器進行設計。沿著梯形翅片的短邊向著梯形的長邊延伸，向梯形流道內延伸的突刺的夾角a越來越大。主要是通過夾角的不斷變化，可以在保證提高換熱效率的同時，減少流動阻力。因為在梯形形流道內，段岸邊的流通面積最小，長邊的流通面積最大，因此，通過流通面積小的位置設置的夾角a小，可以降低流動阻力，同時又避免頂角位置處因為流動阻力過大而造成短路現象發生。作為優選，沿著梯形翅片的短邊向著梯形的長邊延伸，夾角a增加的幅度越來越大。通過實驗發現，通過增加夾角a的幅度，可以提高大約10％左右的換熱效率，而阻力增加相對只增加1％左右。因此極大的提高了換熱效率。沿著梯形翅片的短邊向著梯形的長邊延伸，向梯形流道內延伸的L越來越大。主要是通過L的不斷變化，可以在保證提高換熱效率的同時，減少流動阻力。因為在梯形流道內，頂角的流通面積最小，底邊的流通面積最大，因此，通過流通面積小的位置設置的L小，可以降低流動阻力，同時又避免短邊位置處因為流動阻力過大而造成短路現象發生。作為優選，沿著梯形翅片的短邊向著長邊延伸，L增加的幅度越來越大。通過實驗發現，通過增加L的幅度，可以提高大約10％左右的換熱效率，而阻力增加相對只增加0.8％左右。因此極大的提高了換熱效率。作為優選，如圖7所示，傾斜部分上設置多個突刺6，所述突刺向傾斜部分的不同側延伸作為優選，同一個傾斜部分設置多排突刺，至少一排突刺與其他排突刺向傾斜部分的延伸側不同。作為優選，相鄰的每排突刺向傾斜部分的不同側延伸。通過如此設置，可以使得流體在傾斜部分兩側的通道中交替換熱換質，進一步提高換熱效率。與在同一側相比，能夠提高8％左右。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。