本申請涉及制冷與低溫技術領域、空氣液化分離領域、天然氣液化領域、氣體低溫液化領域中應用的換熱器。

背景技術：

板翅式換熱器在制冷與低溫技術領域、空氣液化分離領域、天然氣液化領域、氣體低溫液化領域中有廣泛應用，在上述各領域中廣泛采用深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，并采用板翅式換熱器作為關鍵的回熱換熱器，通過將循環(huán)工質(zhì)高、低壓布置于間隔的不同通道內(nèi)，以逆流方式實現(xiàn)高、低壓間的回熱換熱，進而將系統(tǒng)的室溫部分與低溫部分有效地連接在一起，可使系統(tǒng)實現(xiàn)大溫跨下的制冷效果。

由于非共沸多元混合制冷劑的采用，使得深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)與采用單相氣體循環(huán)工質(zhì)的常規(guī)低溫制冷系統(tǒng)對回熱換熱器具有明顯不同的要求。首先，深冷多元混合工質(zhì)在回熱換熱器內(nèi)參與換熱的流體(包括高壓和低壓)存在劇烈相變，其體積流量在進、出口存在顯著差異，而常規(guī)的低溫氣體制冷系統(tǒng)，進、出口體積流量差異相對較小。其二，深冷多元混合工質(zhì)在回熱換熱器內(nèi)參與換熱的流體(包括高壓和低壓)進、出口干度(含氣率)變化較大，而常規(guī)低溫氣體制冷系統(tǒng)中回熱換熱器內(nèi)通常為單相流動。其三，常規(guī)的低溫氣體制冷系統(tǒng)，可通過增加換熱面積來提高換熱效率和熱力學效率，而對于深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其換熱效率與兩相流動狀態(tài)和流體流速密切相關，簡單的增加換熱面積往往不能取得預期效果并可能由于流速過低產(chǎn)生偏流而帶來負面影響。

研究表明：對于深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)用的板翅式回熱換熱器，除仔細考慮換熱器通道間的兩相流動均勻性外，最為重要的是換熱流體在換熱器通道內(nèi)沿程流速的設計，尤其是有明顯爬升的流道。在上升通道內(nèi)，當流速小于某值時，兩相流動就會發(fā)生氣、液相分離，這會使得液相在部分子通道內(nèi)累積，形成液體擁塞而使其失效，這不但影響回熱換熱器的傳熱效率，而且會改變循環(huán)工質(zhì)組份濃度，甚至使整個深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)失效；而當流速過大時，流體流經(jīng)換熱器會產(chǎn)生較大的壓降，這會造成熱力學效率降低，浪費能量。

板翅式換熱器是深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)領域中應用最廣泛的換熱器種類之一，板翅式換熱器通常由換熱芯體、封頭及進出口管組成，換熱芯體包括隔板、傳熱翅片、導流翅片、封條，在相鄰兩隔板與封條內(nèi)放置傳熱翅片、導流翅片組成夾層，稱為通道，多個通道分層疊置起來釬焊成一整體換熱芯體，其具有傳熱效率高、緊湊、輕巧(多為鋁合金制造)、適應性強的優(yōu)點，可適用于：氣－氣、氣－液、液－液、各種流體之間的換熱以及發(fā)生集態(tài)變化的相變換熱。通過流道的布置和組合能夠適應：逆流、錯流、多股流、多程流等不同的換熱工況。目前，實際使用的板翅式換熱器，流體通道全程流通截面積維持不變，即流體流經(jīng)通道過程中，其在低溫口端和高溫口端的流道截面積完全相等，為了避免氣液相分離產(chǎn)生液相積聚的問題，通常以上升通道內(nèi)的流體最小流速大于兩相流動氣、液相發(fā)生分離的臨界流速為具體結構尺寸的設計依據(jù)，這樣雖然保證了制冷系統(tǒng)的正常工作，但會在高、低壓均引入更大的壓力損失為代價，使制冷系統(tǒng)效率無法進一步提高。

此外，在深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，往往在其循環(huán)流程中需加入氣液相分離器，使混合制冷劑氣液相分離，實現(xiàn)混合制冷劑的分溫區(qū)冷量供應，以獲取更高的熱力學效率。新增加氣液相分離器設備，使深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)更加復雜，體積更龐大，且增加設備成本。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于此，有必要提供一種流道寬度持續(xù)變化的板翅式換熱器，以兼顧換熱器內(nèi)的相變傳熱、兩相流動、流動壓降及其與系統(tǒng)的熱力耦合的問題。

為解決上述技術問題，本申請?zhí)峁┝艘环N板翅式換熱器，包括換熱芯體、分別位于所述換熱芯體兩端的封頭及分別連接于所述封頭上的流體出入口，所述換熱芯體包括若干個分層疊置于一體的通道，每個通道包括隔板、傳熱翅片、導流翅片、封條，所述傳熱翅片與所述導流翅片內(nèi)置于所述隔板與封條之間構成所述通道，所述通道的寬度是連續(xù)變化的。

優(yōu)選地，所述流體出入口包括高溫口與低溫口，所述高溫口包括熱流體入口與冷流體出口，所述低溫口包括熱流體出口與冷流體入口，所述通道的寬度在高溫口的一端大于低溫口的一端，所述通道寬度是沿換熱流體流動方向連續(xù)變化的。

優(yōu)選地，所述通道呈梯形布置。

優(yōu)選地，所述通道在低溫口端的最小寬度為100mm；所述通道在高溫口端的最大寬度為1500mm。

優(yōu)選地，所述傳熱翅片為平直形翅片、鋸齒形翅片、波紋形翅片、多孔形翅片、百葉窗形翅片中的一種或多種組合，所述傳熱翅片切割成與通道相匹配的梯形，放置于通道內(nèi)釬焊成一體。

優(yōu)選地，所述傳熱翅片的翅距沿換熱流體流動方向連續(xù)變化，所述換熱芯體的低溫口端的翅距小于所述高溫口端的翅距，所述翅距的變化率與通道寬度的變化率相同或接近。

優(yōu)選地，所述翅距在所述通道的低溫口端小至1mm，在所述通道的高溫口端大至10mm

優(yōu)選地，所述流體出入口包括連接于下部封頭上的流體入口與流體液相出口、及連接于所述上部封頭上的流體氣相出口，熱流體從流體入口進入，經(jīng)過所述封頭后進入換熱芯體向上爬升，在與冷流體換熱過程中持續(xù)冷卻產(chǎn)生冷凝液，在所述通道內(nèi)氣液相分離，氣相流體繼續(xù)上升從低溫口端的流體氣相出口流出，液相流體在重力作用下往下流動并在高溫口端的流體液相出口流出。

優(yōu)選地，設所述通道內(nèi)換熱流體體積流量為Q，流體平均流速為V，通道寬度為L，通道內(nèi)翅片高度為H，則滿足如下公式：

V＝Q/(H×L–S_截)≤V_分

其中S_截是通道內(nèi)翅片本身的截面積，V_分是流體氣液相分離速度，V_分依據(jù)相關設計文獻獲取。

本申請板翅式換熱器，通過將所述通道寬度設計成可連續(xù)變化的結構，可使所述流道寬度從低溫口端至高溫口端實現(xiàn)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的連續(xù)變化，可更好滿足深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)高效運行，且易制造、成本低。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1為本申請板翅式換熱器實施例一的流道界面示意圖；

圖2為本申請板翅式換熱器實施例二的流道界面示意圖；

圖3為本申請板翅式換熱器實施例三的流道界面示意圖。

具體實施方式

為使本申請的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本申請具體實施例及相應的附圖對本申請技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。

以下結合附圖，詳細說明本申請各實施例提供的技術方案。

實施例一

請參閱圖1所示，本申請實施例一的板翅式換熱器用于天然氣液化的深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，以實現(xiàn)110K溫度天然氣液化。

本發(fā)明的板翅式換熱器包括換熱芯體、分別位于所述換熱芯體兩端的封頭2、分別連接于所述封頭2上的流體出入口1。所述換熱芯體包括若干個分層疊置并釬焊成一體的通道，每個通道包括隔板(圖未示)、傳熱翅片3、導流翅片5、封條4。所述隔板與封條4將所述傳熱翅片3與導流翅片5包覆于內(nèi)構成所述通道。所述流體出入口1包括高溫口與低溫口，所述高溫口包括熱流體入口與冷流體出口，所述低溫口包括熱流體出口與冷流體入口。

本申請板翅式換熱器使用的熱流體為高壓混合工質(zhì)，流體入口處為常溫，含氣率為1，流體出口處溫度為110K，含氣率為0.1。流體出口處的體積流量不到流體入口處體積流量的1/10；本申請板翅式換熱器使用的冷流體為低壓的混合工質(zhì)，流體入口處溫度為105K，含氣率為0.1，流體出口處為常溫，含氣率為1，冷流體在流體出口處的體積流量是在流體入口處體積流量的10倍；

本申請板翅式換熱器的所述通道設置為梯形結構，當然，在具體實施中，不限于梯形結構，主要是指所述通道的寬度是連續(xù)變化的，所述通道在低溫口端的最小寬度為100mm；所述通道在高溫口端的最大寬度為1500mm。為匹配上述結構，所述通道內(nèi)的傳熱翅片3為切割成梯形的鋸齒形結構。對流經(jīng)通道的換熱流體來說，其在高溫口端的流通截面積是低溫口端流通截面積的8倍。通過所述通道寬度的連續(xù)變化設計，流體在高溫口端的流速接近于低溫口端流速，相對均勻的流速可更好滿足深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)高效運行的要求。

實施例二

請參閱圖2所示，實施例二的板翅式換熱器仍然用于天然氣液化的深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)110K溫度天然氣液化。

相較于實施例一，本實施例二的區(qū)別在于：所述通道內(nèi)的傳熱翅片3為多孔型傳熱翅片，且所述傳熱翅片3的翅距沿換熱流體主流方向連續(xù)變化，翅距在所述通道的低溫口端小至1mm，在所述通道的高溫口端大至10mm。

實施例三

請參閱圖3所示，本申請實施例三的板翅式換熱器用于微型深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)120K溫區(qū)制冷，且?guī)Х帜蛛x功能。

相較于實施例一，實施例三的板翅式換熱器的流體出入口1包括連接于下部封頭2上的流體入口7與流體液相出口6、及連接于所述上部封頭2上的流體氣相出口8。

本申請實施例三板翅式換熱器需要進行分凝分離。采用高壓的混合工質(zhì)作為熱流體：在流體入口7處的溫度為260K，含氣率為0.85，流體氣相出口8在所述板翅式換熱器的頂部，溫度為250K，所述熱流體液相出口6在所述板翅式換熱器的底部，溫度為260K。采用低壓的混合工質(zhì)作為冷流體：在流體入口7處溫度為240K，含氣率為0.95，在流體出口處的溫度為255K，含氣率為1。對流經(jīng)所述通道的換熱流體來說，通過計算，所述通道內(nèi)氣液分離的分離速度V_分為0.2m/s。在翅高H＝6.310mm、V≤V_分的情況下，計算出所述板翅式換熱器的通道寬度需大于600mm。據(jù)此，所述換熱器下部為高溫口端，最大的通道寬度在高溫口端，為1500mm；所述換熱器上部為低溫口端，最小的通道寬度在低溫口端，為600mm。熱流體在通道內(nèi)實現(xiàn)分凝分離功能，冷凝的液相流體積聚于所述封頭2內(nèi)，并從流體液相出口6流出所述換熱器，而氣相流體爬升從所述換熱器頂部的流體氣相出口8流出。

設所述通道內(nèi)換熱流體體積流量為Q，流體平均流速為V，通道寬度為L，通道內(nèi)翅片高度為H，則滿足如下公式：

V＝Q/(H×L–S_截)≤V_分

其中S_截是通道內(nèi)翅片本身的截面積，V_分是流體氣液相分離速度，V_分依據(jù)相關設計文獻獲取

本申請板翅式換熱器，通過將所述通道寬度設計成可連續(xù)變化的結構，可使所述流道寬度從低溫口端至高溫口端實現(xiàn)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的連續(xù)變化，可更好滿足深冷多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)高效運行，且易制造、成本低。

本領域內(nèi)的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

還需要說明的是，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本申請的實施例而已，并不用于限制本申請。對于本領域技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的權利要求范圍之內(nèi)。