气液两相流体均布装置

技术领域

本发明属于绕管式换热器技术领域，具体涉及一种气液两相流体均布装置。

背景技术

绕管式换热器以其承压性好、可适应大温差、传热温差小、传热面积大、效率较高、维修方便等特点，被广泛应用于大型石油化工、煤化工、大型陆基及海上LNG工厂的液化流程中。国内用于石油化工和煤化工的绕管式换热器的工程应用技术已经相当成熟，而中国天然气液化装置用大型绕管式换热器的设计和制造技术仍相对薄弱，全球90%以上的大型LNG绕管式换热器的设计和制造技术均被国外公司垄断，国产化进程缓慢。

LNG绕管式换热器中，天然气从管程向上逐渐被冷凝，与天然气换热的壳侧气液两相混合冷剂则向下进行降膜蒸发，因壳侧这种特殊的换热方式，LNG绕管式换热器在实际应用中会面临内部壳侧两相工质分布不均，导致局部传热恶化、换热效率降低等问题。为解决该问题，常在LNG绕管式换热器入口处设置壳侧介质分配器，而现有的壳侧介质分配器仍存在气液两相流体分配均布性差，气体对液体分配均匀性干扰大等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种气液两相流体均布装置，该装置设置于绕管式换热器的入口处，可均匀分布气液两相流体，提高换热器的换热效率，降低换热器的能耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

气液两相流体均布装置，安装于绕管式换热器的壳体内，与气液入口相对应，包括：

中心筒，具有一体形成的上段部分和下段部分，所述下段部分的内侧下部设有封板；

气液分离器，安装于所述中心筒的上段部分，与所述气液入口相对应，用于气液分离；

气液均布器，安装于所述中心筒的下段部分，用于均匀分布气体和液体；

其中，所述气液分离器包括挡板、支撑块和收集筒，所述收集筒的底部与中心筒上端相连接，所述挡板位于所述收集筒内，经所述支撑块与所述中心筒或收集筒连接固定；

所述气液均布器包括多个沿所述壳体的圆周方向间隔分布于所述中心筒下段部分外侧的液体分配臂，相邻的液体分配臂之间的间隔空间形成供气体通过的气体通道，所述液体分配臂包括由上向下设置的顶板、第一液体分配盘和第二液体分配盘，所述顶板、第一液体分配盘和第二液体分配盘的两径向侧经第一侧板连接密封，所述顶板、第一液体分配盘和第二液体分配盘的外周侧经第二侧板密封连接，所述第二侧板外侧与所述壳体内侧连接；所述中心筒与液体分配臂连接处设有侧向开口，所述第一液体分配盘和第二液体分配盘上均设有分液孔。

在本申请的一种实施例中，所述挡板为向上凸起的弧面板，所述挡板在壳体轴向方向的投影面积大于所述气液入口和/或所述中心筒的投影面积。

在本申请的一种实施例中，所述收集筒的上部直径大于中心筒的直径且小于壳体的内径，收集筒的下部呈倒锥筒形与中心筒的上端连接。

在本申请的一种实施例中，所述收集筒的上沿高于所述挡板的顶部。

在本申请的一种实施例中，所述液体分配臂和气体通道的投影面积均呈扇形结构，所述气体通道连通所述气液均布器的上侧和下侧。

在本申请的一种实施例中，所述侧向开口设于所述顶板和第一液体分配盘之间的中心筒侧壁上，所述封板与所述第一液体分配盘位于同一水平高度。

在本申请的一种实施例中，所述第一液体分配盘上的分液孔孔径大于所述第二液体分配盘上的分液孔孔径，所述第一液体分配盘上分液孔的开设密度小于所述第二液体分配盘上分液孔的开设密度。

在本申请的一种实施例中，所述第一液体分配盘的分液孔孔径为5~10mm，第一液体分配盘的分液孔孔距为60~100mm；所述第二液体分配盘的分液孔孔径为3~5mm。

在本申请的一种实施例中，所述顶板沿径向向下倾斜设置，靠近中心筒侧的位置高于与第二侧板连接侧的位置。

在本申请的一种实施例中，所述第一侧板上设有连通气体通道和液体分配臂的通气孔，所述通气孔位于所述第一液体分配盘和第二液体分配盘之间，连通气体通道和液体分配臂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的气液两相均布装置在中心筒的上段部分安装气液分离器，下段部分安装气液均布器，使进入的气液两相流体在中心筒上部经气液分离器进行气液分离，避免气体对液体分布造成影响。液体经中心筒内进入气液均布器的液体分配臂内，在第一液体分配盘上进行液体的预分配，并保持一定的液位高度；然后进入下侧的第二液体分配盘上进行第二次液体分配，即液体的独立分配；液体在第一液体分配盘和第二液体分配盘上均保持一定的液位高度，确保液体更加均匀地分配流下。气体越过气液分离器的上沿，在中心筒外侧与壳体形成的空间内向下流动，经气体通道流向气液均布器的下侧进入换热段。本发明的气液两相均布装置有效避免了气体对液体均匀分配造成的影响，且液体经过两次分配，分配更加均匀；气体也经过间隔设置的气体通道向下流动进行分配，均匀分配后的气体与均匀分配后的液体进入换热器的换热段，使得气液两相在换热段内均匀分布，保证换热器内传热均匀，换热效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的剖视结构示意图。

图2为本发明图1中A-A方向的剖视结构示意图。

图3为本发明图1中B-B方向的剖视结构示意图。

图4为本发明中第一侧板的结构示意图。

图5为本发明中一种实施例的第二侧板的结构示意图。

图6为本发明中另一种实施例的第二侧板的结构示意图。

附图标记：

1、壳体；11、气液入口；2、中心筒；21、封板；22、侧向开口；3、挡板；31、支撑块；32、收集筒；4、气体通道；5、顶板；6、第一液体分配盘；61、分液孔；7、第二液体分配盘；8、第一侧板；81、通气孔；9、第二侧板；F、液体；G、气体。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1至图3所示，本发明的一个实施例提供了一种气液两相流体均布装置，该装置安装于绕管式换热器的壳体1内，位于绕管式换热器的入口端，与壳体1上的气液入口11相对应。

本实施例公开的气液两相流体均布装置主要包括：

中心筒2，具有一体形成的上段部分和下段部分；

安装于中心筒2上段部分顶端的气液分离器和安装于中心筒2下段部分外侧的气液均布器。

如图1所示，中心筒2同轴设置于壳体1内，其上端与壳体1的气液入口11相对应，中心筒2的下段部分的侧壁上开设有侧向开口22，中心筒2的下段部分的内侧设有封板21，封板21位于侧向开口22之下且大致与侧向开口22相临近。

气液分离器，安装于中心筒2的上段部分的顶端，与气液入口11相对应，从气液入口11进入壳体1内的气液两相流体经气液分离器后分离，分离后的液体F经中心筒2进入到气液均布器，分离的后的气体G则进入到中心筒2外壁与壳体1的内壁形成的空间内，然后再经过气液均布器与液体F在壳体1的底部汇合。

具体地，气液分离器包括挡板3、支撑块31和收集筒32，下面对挡板3、支撑块31和收集筒32的形状及连接关系作具体的说明。

收集筒32大致为一个向上开口的筒状件，其直径大于中心筒2的直径，优选为中心筒2直径的2倍左右，向上的开口用于接纳来自于气液入口11的气液两相流体。收集筒32的下端具有与中心筒2相连通的通道口，以使分离后的液体F经中心筒2进入到气液均布器中。

支撑块31设置在收集筒32内壁，主要作用是用于支撑挡板3。支撑块31可以为一个整体，也可以不是整体。当支撑块31为一个整体时，支撑块31上至少应该具有供液体F通过的孔洞；当支撑块31不是一个整体时，支撑块31为多个支撑块单体组成的组合物，多个支撑块单体离散布置，相邻的支撑块单体之间形成供液体F通过的间隙。本实施例对支撑块31的形状不作具体限定，只要能实现上述功能即可。

挡板3支撑并固定于支撑块31的上端，在流体流经路径上，挡板3位于中心筒2与气液入口11之间，当来自于气液入口11的气液两相流体冲击到在挡板3的上表面上，液体F从挡板3的边缘溅射反射到收集筒32的内壁，然后再经过支撑块31上的孔洞进而流向中心筒2内；气体G从收集筒32的上沿溢出，进入中心筒2的外壁与壳体1的内壁之间形成的空间内，并在压力作用下向下流动。在一个具体的实施场景中，挡板3朝向气液入口11的一侧具有外凸的弧面，这样便于更好地对气液两相流体形成溅射效果。

气液均布器，安装于中心筒2的下段部分的外侧，与中心筒2配合用于均匀分布气体G和液体F。

具体地，如图1至图3所示，气液均布器包括多个沿壳体1的圆周方向间隔分布于中心筒2下段部分外侧的液体分配臂，相邻的液体分配臂之间的间隔空间形成供气体G通过的气体通道4。液体分配臂和气体通道4的数量相等，二者相互邻接，沿壳体1的周向方向均布设置。每一个液体分配臂的结构基本相同，在图2和图3的示例中，液体分配臂的数量设置为4个；当然，本实施例对液体分配臂的具体数量不作限制。

液体分配臂包括：

由上向下依次设置顶板5、第一液体分配盘6和第二液体分配盘7；以及

将顶板5、第一液体分配盘6、第二液体分配盘7连接在一起的两个第一侧板8和一个第二侧板9。

顶板5、第一液体分配盘6和第二液体分配盘7的形状基本相同，它们在空间上沿着中心筒2的轴线方向由上向下布置，所述的上下方向以图1的视角为参考。在俯视方向上，参见图2和图3的俯视图，基本上类似于一个扇形，扇形的两个半径段分别配置一个第一侧板8，扇形的弧形段配置一个第二侧板9。

顶板5、第一液体分配盘6和第二液体分配盘7的内周侧均与中心筒2的外壁密封连接，顶板5、第一液体分配盘6、第二液体分配盘7的两边的半径段与竖向设置的第一侧板8连接密封，顶板5、第一液体分配盘6、第二液体分配盘7的外周侧与竖向设置的第二侧板9密封连接，这样，顶板5、第一液体分配盘6、第二液体分配盘7、第一侧板8和第二侧板9共同围成了一个相对密闭的腔体。

更为具体地，顶板5、第一液体分配盘6与两侧的第一侧板8的一部分、外侧的第二侧板9的一部分及内侧的中心筒2外壁的一部分形成上层腔体；第一液体分配盘6、第二液体分配盘7与两侧的第一侧板8的一部分、外侧的第二侧板9的一部分及内侧的中心筒2外壁的一部分形成下层腔体。

第二侧板9的外侧与壳体1的内壁连接，气液均布器将壳体1内部分隔成上下两部分，且上下两部分经气体通道4分散连通，使气体G向下流动时经气体通道4进行均匀分配。

如图1和图2所示，中心筒2上的侧向开口22位于与液体分配臂的连接处，即中心筒2内的液体F可从侧向开口22流入液体分配臂内进行均匀分配。

第一液体分配盘6和第二液体分配盘7上均均布设有若干分液孔61，使液体F依次经过第一液体分配盘6进行预分配和经过第二液体分配盘7进行液体的独立分配，保证液体F分配更加均匀。

在一个具体的实施例中，如图1所述，挡板3可为向上凸起的弧面板，挡板3的轴向投影面积大于气液入口11的投影面积和中心筒2的投影面积。即从气液入口11进入的气液两相流体冲击到挡板3的上表面上，可确保气液充分分离，避免气体随液体直接进入到中心筒2内，影响后续液体F的均匀分配。

在一个具体的实施例中，收集筒32的上部为柱形筒体，如圆柱形筒体或四棱柱形筒体等，且上部柱形筒体的直径大于中心筒2的直径、小于壳体1的内径；收集筒32的下部呈倒锥形结构，且经倒锥形结构的下端与中心筒2的上端连接密封，倒锥形结构起汇集导流作用，将分离出的液体导入中心筒2内。

收集筒32的上沿高于挡板3向上凸起的顶部，避免经挡板3分离的液体F溅出影响均匀分配效果。

气液均布器安装于中心筒2圆周外，其间隔设置的液体分配臂和气体通道4的投影面积均呈扇形结构，气体通道4连通壳体1内气液均布器的上侧和下侧，对气体G进行分配。

具体地，侧向开口22设于顶板5和第一液体分配盘6之间的中心筒2侧壁上，侧向开口22的数量与液体分配臂的数量相等，侧向开口22的形状可为圆形、矩形、椭圆形等。中心筒2内的封板21与第一液体分配盘6位于同一水平高度。保证中心筒2内的液体经侧向开口22可完全进入第一液体分配盘6上进行分配，并依次进入第二液体分配盘7进行分配。

如图2和图3所示，第一液体分配盘6上的分液孔61的孔径大于第二液体分配盘7上的分液孔61孔径，且第一液体分配盘6上分液孔61的开设密度小于第二液体分配盘7上分液孔61的开设密度。

具体地，第一液体分配盘6上的分液孔61的孔径范围为5~10mm，第一液体分配盘6上的分液孔61可按正三角形、正方形等形状阵列分布，孔距范围为60~100mm。第二液体分配盘7上的分液孔61的孔径范围为3~5mm，第二液体分配盘7上的分液孔61沿径向方向分布排列。液体F在第一液体分配盘6上保持一定的液位高度，即液体F在中心筒2内封板21上的液位高度；液体F在第一液体分配盘6上进行预分配；然后流向第二液体分配盘7上，并在第二液体分配盘7上保持一定的液位高度，进行液体F的独立分配，使得液体F分配更加均匀。

在一种实施例中，如图1所述，顶板5为沿壳体1的径向方向向外、向下倾斜设置，即顶板5靠近中心筒2的一侧位置高于顶板5与第二侧板9连接侧的位置。第一液体分配盘6和第二液体分配盘7水平设置且它们相互平行。倾斜设置的顶板5可使进入第一液体分配盘6上的液体F中未完全分离的气体沿顶板5、经侧向开口22从中心筒2逸出，进一步避免气体G对液体F均匀分配造成影响。

如图1和图4所述，第一侧板8为梯形结构，每个液体分配臂的第一侧板8上设有至少一个通气孔81，通气孔81可为圆形、矩形、椭圆形等结构，通气孔81均位于第一液体分配盘6和第二液体分配盘7之间的第一侧板8上，通气孔81可连通气体通道4和液体分配臂内部。通气孔81使得第一液体分配盘6和第二液体分配盘7上的液体F分配相对独立，分配更加均匀。

在一种实施例中，如图1、图2、图3和图5所述，第二侧板9为圆柱形筒体结构的一部分，其内侧与多个液体分配臂中的顶板5、第一液体分配盘6和第二液体分配盘7的外周侧焊接密封，其外侧与壳体1内壁连接固定。

在另一种实施例中，如图1和图6所示，第二侧板9为弧形板，包括多块，其数量与液体分配臂的数量相等。弧形板的内侧与液体分配臂中的顶板5、第一液体分配盘6和第二液体分配盘7的外周侧焊接连接，弧形板的外侧与壳体1内壁连接固定。

综上，本发明的气液两相均布装置，在中心筒2的上段部分安装气液分离器，下段部分安装气液均布器，使进入的气液两相流体在在中心筒2的上部经气液分离器进行气液分离，避免气体对液体分别造成影响；液体经中心筒2内进入气液均布器的液体分配臂内第一液体分配盘6上进行液体的预分配，并保持一定的液位高度，然后进入下侧的第二液体分配盘7上进行第二次液体的独立分配，液体在第一液体分配盘6和第二液体分配盘7上均保持一定的液位高度，确保液体更加均匀的分配流下；气体越过气液分离器的上沿，在中心筒2外侧与壳体1形成的空间内向下流动，经气体通道4流向气液均布器的下侧进入换热器的换热段。该装置有效避免了气体对液体均匀分配造成的影响，且液体经过两次分配，分配更加均匀；气体也经过间隔设置的气体通道4向下流动进行分配，均匀分配后的气体与均匀分配后的液体进入换热器的换热段，使得气液两相在换热段内均匀分配，有效保证绕管式换热器内传热均匀，换热效率高。