一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统论文和设计-陆飞浩

全文摘要

一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统，包括卧式的空气冷却器、气液分离器、空气加热器，空气加热器内设有板翅换热组件，空气冷却器和气液分离器组合设置在卧式壳体内，进入系统的高温空气分为二路，主管路与空气加热器相连接，旁管路与壳体相连接，壳体右侧与空气加热器冷流进口相连接，空气加热器上的热流出口通过回流管路与进气接口相连接，空气加热器内设有独立的板翅热流通道和板翅冷流通道，在主管路上设有开关阀门，在旁管路上设有可自动调节阀门。本发明结构设计合理、高效节能，空气阻力低至5kPa以内，而且提高传热系数，系统简洁可靠，同时降低造价和运行费用，使得系统出口空气质量得到提高，促进发酵稳定生产。

主设计要求

1.一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统，其特征在于：包括卧式的空气冷却器、气液分离器、空气加热器以及内部空气管路，空气加热器内设有板翅换热组件，空气加热器上设有热流进口和热流出口，空气冷却器和气液分离器左右组合设置在一卧式的压力容器壳体内，该壳体的左侧开设有进气接口，右侧开设有出气接口，进入系统的高温空气分为二路，其中主管路与空气加热器上的热流进口相连接，旁管路与壳体左侧的进气接口相连接，壳体右侧的出气接口通过法兰与空气加热器的左侧的冷流进口相连接，空气加热器上的热流出口通过回流管路与壳体左侧的进气接口相连接，空气加热器的右侧开设有系统出气口，在空气加热器内设有独立的板翅热流通道和板翅冷流通道，主管路进入的高温空气经过空气加热器板翅热流通道放热后从热流出口经回流管路进入空气冷却器中，经空气冷却器和气液分离器处理后的湿冷空气从空气加热器的左侧的冷流进口经板翅冷流通道换热后从空气加热器右侧的系统出气口排出，在主管路上设有开关阀门，在旁管路上设有可调节的阀门。

设计方案

2.根据权利要求1所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述板翅换热组件是由若干翅片板、平板依次间隔连续叠合而成，其中翅片板采用平直翅片形式，且位于平板上下两侧相邻的二块翅片板的方向正交设置，翅片板上下两面为截面呈矩形波的空气通道，翅片板的非通道两侧用封条封堵，这样形成相邻的、独立的、互不混合的板翅热流通道和板翅冷流通道。

3.根据权利要求2所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述空气加热器上的热流进口和热流出口分别开设在空气加热器的上端面右侧和左侧，板翅热流通道通过分隔密封条分隔成对应于空气加热器的热流进口和热流出口的二个，二个板翅热流通道的底部相通，从空气加热器热流进口进入的高温空气经第一板翅热流通道，向下在底部折流，向上进入第二板翅热流通道，然后从热流出口进入回流管路。

4.根据权利要求3所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述翅片板采用0.2～0.3mm厚的铝板压制翅片板，封条与平板之间采用粘结固定或者采用铆钉固定，翅片板与平板之间采用铆钉固定，并逐层铆接、叠加，翅片板两侧非通道与封条之间采用粘结固定，板翅换热组件的外部用框架压紧，框架采用槽钢加螺杆的形式。

5.根据权利要求1所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述空气冷却器是由若干组沿壳体长度方向竖直设置的换热单元组成，每组换热单位包括筒状的翅片换热管，翅片换热管竖直于壳体的长度方向设置，翅片换热管的上下两端开口处设有上管箱和下管箱，上管箱和下管箱分别伸出壳体外，上管箱上可拆卸地盖设有焊接有进水接管和出水接管的上盖板，下管箱的下端可拆卸地盖设有焊接有排污接管的下盖板。

6.根据权利要求5所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述上管箱是由焊接在翅片换热管上的矩形接管、矩形管板、矩形法兰和管程分隔板组成，矩形管板焊接固定在矩形接管内，矩形管板的平面长、宽尺寸都小于筒体直径，其厚度在12～20mm之间，冷却水从上盖板的进水接管进入上管箱、换热管内部、下管箱、再向上经换热管内部、上管箱，最后从出水接管引出，壳体底部开设有供换热单元冷却后产生的冷凝液排出的第一排液口。

7.根据权利要求6所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述下管箱与上管箱对称设置，下管箱的结构与上管箱基本相同，不同之处在于下管箱的管程分隔板比上管箱的管程分隔板少一块，管程分隔板是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱内没有分隔板。

8.根据权利要求7所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述上盖板和下盖板为对称设置的矩形盖板，上盖板和下盖板密封盖设在上管箱和下管箱的上端和下端，上盖板和下盖板通过螺栓与上管箱和下管箱上的矩形法兰可拆卸地连接固定。

9.根据权利要求1至8任一权利要求所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述气液分离器设置在壳体内位于空气冷却器的右侧，气液分离器包括多个分离单元管，分离单元管沿壳体的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，壳体底部设有供湿空气经凝聚、离心沉降后产生的液滴排出的第二排液口。

10.根据权利要求9所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述分离单元管内含导流和稳流装置，分离单元管的末端设有出气接口和排液接口，排液接口排出的液滴最终从第二排液口排出壳体，排气口排出的饱和湿空气最终从出气接口排出。

设计说明书

技术领域

本发明属于化工生产技术领域，涉及一种压缩空气净化系统，尤其涉及一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统，应用于好气性发酵的无菌空气预处理。

背景技术

好气性发酵是指微生物发酵过程需要氧气，用于基质同化、菌体生长和产物代谢。氧气的来源是空气，在发酵运行中必须持续提供洁净、干燥、无杂菌的空气，此空气还需要一定的压力，以克服设备、管道阻力损失、液态深层发酵基质产生的静压力和工艺所需罐内压力。

当今，膜技术已广泛应用于发酵无菌空气处理，但膜设备要求进口空气是干燥、干净的，因此必须通过前置预处理系统进行冷却除水降湿处理。传统的前置预处理系统通常是采用循环水、冷冻水两级冷却，两级除水，然后蒸汽加热的工艺，设备为普通列管式换热器和旋风分离器。这种传统的前置预处理系统有以下缺点：1、工艺复杂，阻力损失大；2、设备效率低，冷却后凝析水去除率低，除湿效果差；3、由于设备效率低，冷却和加热的温差都很大，能耗高。

经查，现有专利号200910208228的中国专利《空气预处理系统》，基本解决了阻力较高的问题，但其空气加热热源采用循环热水，热水的热量来源是系统空气冷却器内独立设置的换热单元。热水循环运行需要另行设置一套支持系统，包括热水储存桶、水泵及自控装置、辅助蒸汽加热装置和系统自控系统等，其运行费用包括水泵电费、热水流经换热设备的除垢清洗费用、自控维护费用等。可见其系统复杂，可靠性不够高，运行费用也较高。

还有，专利号为200920120153.4的中国专利《发酵空气预处理系统》，其加热热源是热空气本身，加热器采用传统管壳式结构，系统简洁、可靠性高，发酵生产安全稳定。但在节能减排的要求日益提高的当下，该系统还需改进，特别是阻力损失须进一步降低，为此须在流程工艺和设备结构两方面进行彻底革新。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、阻力更低、使用维护更方便的应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统，其特征在于：包括卧式的空气冷却器、气液分离器、空气加热器以及内部空气管路，空气加热器内设有板翅换热组件，空气加热器上设有热流进口和热流出口，空气冷却器和气液分离器左右组合设置在一卧式的压力容器壳体内，该壳体的左侧开设有进气接口，右侧开设有出气接口，进入系统的高温空气分为二路，其中主管路与空气加热器上的热流进口相连接，旁管路与壳体左侧的进气接口相连接，壳体右侧的出气接口通过法兰与空气加热器的左侧的冷流进口相连接，空气加热器上的热流出口通过回流管路与壳体左侧的进气接口相连接，空气加热器的右侧开设有系统出气口，在空气加热器内设有独立的板翅热流通道和板翅冷流通道，主管路进入的高温空气经过空气加热器板翅热流通道放热后从热流出口经回流管路进入空气冷却器中，经空气冷却器和气液分离器处理后的湿冷空气从空气加热器的左侧的冷流进口经板翅冷流通道换热后从空气加热器右侧的系统出气口排出，在主管路上设有开关阀门，在旁管路上设有可调节的阀门。

作为改进，所述板翅换热组件是由若干翅片板、平板依次间隔连续叠合而成，其中翅片板采用平直翅片形式，且位于平板上下两侧相邻的二块翅片板的方向正交设置，翅片板上下两面为截面呈矩形波的空气通道，翅片板的非通道两侧用封条封堵，这样形成相邻的、独立的、互不混合的板翅热流通道和板翅冷流通道。

进一步，所述空气加热器上的热流进口和热流出口分别开设在空气加热器的上端面右侧和左侧，板翅热流通道通过分隔密封条分隔成对应于空气加热器的热流进口和热流出口的二个，二个板翅热流通道的底部相通，从空气加热器热流进口进入的高温空气经第一板翅热流通道，向下在底部折流，向上进入第二板翅热流通道，然后从热流出口进入回流管路。

再进一步，所述翅片板采用0.2～0.3mm厚的铝板压制翅片板，封条与平板之间采用粘结固定或者采用铆钉固定，翅片板与平板之间采用铆钉固定，并逐层铆接、叠加，翅片板两侧非通道与封条之间采用粘结固定，板翅换热组件的外部用框架压紧，框架采用槽钢加螺杆的形式。

再改进，所述空气冷却器是由若干组沿壳体长度方向竖直设置的换热单元组成，每组换热单位包括筒状的翅片换热管，翅片换热管竖直于壳体的长度方向设置，翅片换热管的上下两端开口处设有上管箱和下管箱，上管箱和下管箱分别伸出壳体外，上管箱上可拆卸地盖设有焊接有进水接管和出水接管的上盖板，下管箱的下端可拆卸地盖设有焊接有排污接管的下盖板。

进一步，所述上管箱是由焊接在翅片换热管上的矩形接管、矩形管板、矩形法兰和管程分隔板组成，矩形管板焊接固定在矩形接管内，矩形管板的平面长、宽尺寸都小于筒体直径，其厚度在12～20mm之间，冷却水从上盖板的进水接管进入上管箱、换热管内部、下管箱、再向上经换热管内部、上管箱，最后从出水接管引出，壳体底部开设有供换热单元冷却后产生的冷凝液排出的第一排液口。

再进一步，所述下管箱与上管箱对称设置，下管箱的结构与上管箱基本相同，不同之处在于下管箱的管程分隔板比上管箱的管程分隔板少一块，管程分隔板是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱内没有分隔板。

再进一步，所述上盖板和下盖板为对称设置的矩形盖板，上盖板和下盖板密封盖设在上管箱和下管箱的上端和下端，上盖板和下盖板通过螺栓与上管箱和下管箱上的矩形法兰可拆卸地连接固定。

进一步，所述气液分离器设置在壳体内位于空气冷却器的右侧，气液分离器包括多个分离单元管，分离单元管沿壳体的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，壳体底部设有供湿空气经凝聚、离心沉降后产生的液滴排出的第二排液口。

最后，所述分离单元管内含导流和稳流装置，分离单元管的末端设有出气接口和排液接口，排液接口排出的液滴最终从第二排液口排出壳体，排气口排出的饱和湿空气最终从出气接口排出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：空气加热器内的翅换热器组件通过粘结、铆钉的方式装配，使得装配方便、结构牢固，同时减少接触热阻；翅片板采用0.2～0.3mm厚的铝板压制翅片板，翅片板的金属壁热阻极小，冷热流通道相邻且互不混合，板翅换热器结构紧凑，其比表面积(单位体积的换热面积)可达1000～2500m^{2<\/sup>\/m^{3<\/sup>，传热系数高，空气阻力极小；空气冷却器与气液分离器组合在一个壳体内，前后布置，可降低制造成本、减小空气阻力；空气冷却器上设计了矩形管箱结构，并设置可拆卸的上下盖板，便于清洗、维护。本发明结构设计合理、更加高效节能，对比传统空气预处理系统，本系统空气阻力低至5kPa以内，而且传热系数更高；加热器、分离器无需维护，系统维护费用极低；系统工艺简洁，可靠性好，阻力损失极低，出口空气质量稳定，可促进发酵安全生产，促进节能减排工作。}}

附图说明

图1是本发明提供的发酵空气预处理系统的结构示意图；

图2是图1中的空气冷却器沿A-A线的剖视图；

图3是图1中气液分离器的进口端沿B-B线的剖视图；

图4是图1空气加热器的纵向剖视图；

图5是板翅换热器组件中的翅片板、平板、封条分列组合示意图；

图6是翅片板与平板、封条铆接示意图；

图7是板翅换热器组件外部框架示意图；

图8是图7的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～8所示，一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统(或者装置)，包括从左至右依次设置的空气冷却器2、气液分离器3、空气加热器1，其中空气加热器1、空气冷却器2、气液分离器3均为卧式结构，空气加热器1的上端面左侧和右侧分别开设有热流出口1b和热流进口1a，空气加热器1内设有板翅换热组件，空气冷却器2和气液分离器3左右组合设置在一卧式的压力容器壳体40内，该壳体40的左侧开设有进气接口401，右侧开设有出气接口402，从系统入口100进入的高温空气分为二路，其中主管路10与空气加热器1上的热流进口1a相连接，旁管路20与壳体40左侧的进气接口401相连接，壳体40右侧的出气接口402通过法兰5与空气加热器1的左侧的冷流进口1c相连接，空气加热器1上的热流出口1b通过回流管路30与壳体40左侧的进气接口401相连接，空气加热器1的右侧开设有系统出气口1d，在空气加热器1内设有板翅热流通道和板翅冷流通道110，主管路10进入的高温空气经过空气加热器1板翅热流通道放热后从热流出口1b经回流管路30进入空气冷却器2中，经空气冷却器2和气液分离器3处理后的湿冷空气从空气加热器1的左侧的冷流进口1c经板翅冷流通道110换热后从空气加热器1右侧的系统出气口1d排出。

本实施例的空气加热器1内板翅换热组件是由若干翅片板11、平板12依次间隔连续叠合而成，其中翅片板11采用平直翅片形式，翅片板11采用0.2～0.3mm厚的铝板压制翅片板，对比传统采用1mm厚不锈钢换热管，翅片板11的金属壁热阻仅是后者的2％，由于空气加热器1内冷、热流体都是同源压缩空气，因此板翅换热组件压差极小，通常只有几百帕斯卡，可以按常压设计，由于流体压差极小，板片之间压紧后可以保证冷热流体不泄漏串流，不影响系统出口空气质量；翅片板11上下两面为截面呈矩形波的空气通道，这个结构制造简易成熟，适合气气低阻力换热；为了形成冷、热流体相邻的、互不混合的独立通道，位于平板12上下两侧相邻的二块翅片板11的方向正交设置，翅片板11的非通道两侧用封条13封堵，这样形成相邻的、独立的、互不混合的板翅热流通道和板翅冷流通道110；其中板翅热流通道通过分隔密封条分隔成对应于空气加热器1的热流进口1a和热流出口1b的二个，二个板翅热流通道的底部相通，从空气加热器1热流进口1a进入的高温空气经第一板翅热流通道，向下在底部折流，向上进入第二板翅热流通道，然后从热流出口1b进入回流管路30；这样板翅冷流通道110内冷流空气水平方向，单流程；板翅热流通道内的热流空气竖直方向，先下后上，双流程，在设备底部折流；装配时，封条13与平板12之间采用粘结固定或者采用铆钉15固定，翅片板11与平板12之间采用铆钉固定，并逐层铆接、叠加，翅片板11两侧非通道与封条13之间采用粘结固定，这种装配方式相比传统的焊接方式成本更低，加工也更加方便；板翅换热组件的外部用框架14压紧，框架14采用槽钢加螺杆的形式，以保证板片之间紧密压实，旋紧螺杆上的螺母，就是对换热组件的翅片板11、平板23施加压紧预应力，以减小两者传热接触热阻。

本实施例的空气冷却器2是由三组换热单元20组成，换热单元20沿壳体40的长度方向排列，每组换热单元20包括筒状的翅片换热管21、上管箱22和下管箱23，翅片换热管21竖直于壳体40的长度方向设置，上管箱22和下管箱23对称盖设在翅片换热管21的上下两端开口处，上管箱22和下管箱23分别伸出壳体40外，上管箱22上可拆卸地盖设有焊接有进水接管241和出水接管242的上盖板24，下管箱23的下端可拆卸地盖设有焊接有排污接管251的下盖板25；上管箱22是由焊接在翅片换热管21上的矩形接管222、矩形管板221、矩形法兰223和管程分隔板224组成，矩形管板221焊接固定在矩形接管222内，矩形管板221的平面长、宽尺寸都小于翅片换热管21直径，其厚度在12～20mm之间，下管箱23的结构与上管箱22基本相同，不同之处在于下管箱23的管程分隔板224比上管箱22的管程分隔板224少一块，管程分隔板224是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱23内没有管程分隔板224，上盖板24和下盖板25为对称设置的矩形盖板，上盖板24和下盖板25密封盖设在上管箱22和下管箱23的上端和下端，上盖板24和下盖板25通过螺栓与上管箱22和下管箱23上的矩形法兰223可拆卸地连接固定，需要时可拆卸螺栓，打开上盖板24或下盖板25，对管箱内部和换热管内部进行清洗，只要换热单元20设置有二组以上，就可实现逐一清洗，不影响壳程空气的正常流通；冷却水从上盖板24的进水接管241进入上管箱22、翅片换热管21内部、下管箱23、再向上经翅片换热管21内部、上管箱22，最后从出水接管242引出；每组换热单元20可走相同或不同的冷却水，每组换热单元20冷却水的通断可以分别操作，即可以在冷却负荷较低的冬春季，在壳程空气流通的情况下，对管箱进行逐一拆开清洗。这种不停机的在线清洗，降低了生产运行成本；从空气加热器1的空气进口1a进入的空气经蒸发段12、空气旁路通道14后从第一接口1b进入空气冷却器2冷却，其中水蒸汽被冷却、冷凝，析出的冷凝水凝聚在翅片换热管21表面，受重力作用往下流动，积聚在底部，通过第一排液口26排出壳体40，被气流夹带的小直径液雾液滴进入后续的气液分离器3。

气液分离器3设置在壳体40内位于空气冷却器2的右侧，气液分离器3采用专利公开号201811387224所述设备，气液分离器3包括多个分离单元管31，分离单元管31沿壳体40的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，由于空气冷却器2与气液分离器3组合在同一壳体40内，空气流通截面没有突变，不需要经过整流，湿空气自然均匀分配流量进入每个分离单元管31；分离单元管31内含导流和稳流装置311，分离单元管的末端设有排气口312和排液接口313，壳体40底部后侧设有供湿空气经凝聚、离心沉降后产生的液滴排出的第二排液口32，湿空气进入内部，由于导流产生旋转，其中液滴经过多次撞击凝聚，并离心沉降在分离单元管31管壁，从末端排液口313排出，之后汇集在底部，最终从第二排液口32排出壳体40，除尽水份的饱和湿空气从排气口312排出，最终从出气接口402排出，出气接口402通过法兰5与空气加热器1的冷流进口1c相连接。

空气冷却器2和气液分离器3的组合设计，节约了阻力和造价。而且空气冷却器2的开口设计既满足了工艺清洗方便的要求，也符合压力容器强度方面的设计要求，它最大限度地保留了圆筒壳体的完整性，可以通过有限元的分析计算验证。

湿空气从空气加热器1的冷流进口1c进入板翅冷流通道110，直线通过，与相邻板翅热流通道内的热空气发生热交换，空气被加热，降低相对湿度，最后从系统出口1d排出。如图4所示，在圆截面上，板翅组件外围(图中阴影线区域①、②、③)均有密封板封堵，冷湿空气不流通。

另外，在主管路10上设有开关阀门101，在旁管路20上设有可自动调节的阀门201，可根据空气加热器1冷流空气的加热需求，通过调节旁管路20上阀门201的开度，来实现主管路10、旁管路20的空气流量分配和阻力平衡。

本实施例的板翅换热组件属紧凑式结构，其比表面积(单位体积的换热面积)可达1000～2500m^{2<\/sup>\/m^{3<\/sup>，同样的换热面积，其壳体直径是最小的，另外，本实施例的成本低于同类系统的制造成本，其系统空气阻力可控制在在5kPa以下。}}

可以说本系统在使用工艺性能、技术指标性能、设备安全性能和较低的造价多方面达到了比较理想的结合。

设计图

一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统论文和设计

一种应用板翅换热技术的发酵空气预处理系统论文和设计-陆飞浩

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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