CN102313404B - 一种分液式螺旋管结构的冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于换热、传热技术领域的一种分液螺旋管结构的冷凝器。在分液螺旋管结构的冷凝器的壳体内固定螺旋换热管，螺旋换热管外圆周上分布导液管，螺旋换热管上端为冷凝工质进口管，下端为冷凝工质出口管；壳体外圆周上端为冷却水出口，下端为冷却水进口。在冷凝过程中利用表面张力、毛细力和离心力的共同作用将分布在螺旋外圆周侧壁面处厚液膜非能动导出，促进冷凝相变过程的薄液膜传热；降低螺旋管外圆周侧冷凝液膜热阻，从而显著提高冷凝相变管侧换热性能。此分液式高效螺旋管冷凝器主要靠离心力和毛细力分离冷凝液，不受重力影响，在地面及微重力环境下均可显著提高冷凝换热系数。

Description

一种分液式螺旋管结构的冷凝器

技术领域

本发明属于换热及传热技术领域，特别涉及一种分液螺旋管结构的冷凝器。

背景技术

工业过程中释放大量低品位余热(如烟气余热、蒸汽余热等)有待利用，其热量主要包含显热和潜热两部分。以燃煤锅炉烟气为例，其中水蒸气体积份额约为8％，携带潜热热量占余热总量的30％左右，而燃气和燃油锅炉烟气中水蒸气体积份额高达18％，携带潜热热量占余热总量的65％左右；可见利用冷凝换热技术回收余热中的潜热，能够大幅度提高热能回收利用率。

同时，螺旋管式热换热器与一般直管管壳式换热器相比，具有传热系数大，结构紧凑，易于清洗，污垢热阻小等优点，虽然造价比同样传热面积的管壳式换热器高，可是因为传热系数大，容易维修，同时螺旋换热管呈蛇形盘管状，具有弹簧作用，没有热应力造成的破坏漏失，所以广泛使用。螺旋管换热器与直管换热器相比具有较高的换热效率，其根本原因在于流体在弯管中流动时产生离心力，该离心力导致管内垂直流动方向上产生二次流，从而增强流体的扰动实现强化换热；与普通的水平弯管相比，螺旋管的螺旋上升结构(螺旋上升角)使得流体在流动方向上受到扭转作用，该扭转作用也会显著影响流动和换热；此外，浮升力引起的管内混合对流也会影响螺旋管的换热特性；总之，由于螺旋管具有螺旋上升结构，使得螺旋管内的流动受到离心力、扭转力以及浮升力的共同作用，导致螺旋管内的边界层发展、截面温度分布、层流向湍流转换、换热系数及摩擦阻力等特性与常规的直管不同。

而在螺旋管内发生冷凝相变过程时，其管内存在汽液两相流体。由于其密度、体积的不同，导致各自受到的离心力、扭转力以及浮生力不同；使得气体靠近内壁面区，冷凝液靠近外壁面区，造成冷凝液膜在圆周截面方向上厚度不均匀，截面两相流型表现出显著的不对称性。同时由于螺旋上升结构的存在汽液两相流流速差异增大，两相区之间的剪切力增大，促使冷凝流型弹状流中的汽弹空间在螺旋通道内近内壁区拉长，而在螺旋外圆周侧存留较长的液桥区。这些螺旋管相变流型上的特点使得局部壁面的传热性能具有本身的独特性，对其流型和局部传热性能的考察及基于此特点的合理调控为设计高效螺旋管换热器提供了新思路，同时对于相变传热学科领域具有深远的学术价值。

目前国内外强化冷凝换热研究主要针对光滑直管或者内翅片、内螺旋、内凹槽的直管的研究，而对于螺旋管内冷凝相变传热的强化研究尚未报道。本发明即针对螺旋管冷凝器中螺旋换热管内汽液两相流在受到离心力、扭转力和浮升力共同作用下表现出的流动不对称性，利用在螺旋换热管外圆周侧设置微细导液管，将分布在外圆周壁面处的厚液膜及时导离，从而调整截面流型对称度的同时，形成薄液膜传热，达到提高螺旋管冷凝器换热效率的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分液螺旋管结构的冷凝器，其特征在于，在分液螺旋管结构的冷凝器的壳体内固定螺旋换热管，螺旋换热管外圆周上分布导液管，螺旋换热管上端为冷凝工质进口管，下端为冷凝工质出口管；壳体外圆周上端为冷却水出口，下端为冷却水进口。

所述螺旋换热管外圆周上分布与壳体轴线同向导液管，具有三种结构形式，其一为导液管通过微细管与螺旋换热管的每圈相连，不与壳体内侧接触；其二为在螺旋管外圆周的一半面上固定一截面为半圆环形的积液腔，所述垂直于壳体轴线的微细管不直接与螺旋管外圆周壁面相连，而是与半圆环形的积液腔相联通；在螺旋管外圆周壁面的半圆范围内加工3个壁面大孔，丝网包覆在3个壁面大孔的表面，丝网在此主要起分液作用；其三为在螺旋管外圆周的一半面上固定一截面为半圆环形的积液腔，所述垂直于壳体轴线的微细管不直接与螺旋管外圆周壁面相连，而是与半圆环形的积液腔相联通；在螺旋管外圆周壁面的半圆范围内加工3-7个壁面微孔，在此微孔起分液作用。

所述螺旋换热管外圆周上分布导液管为等距离或非等距离分布；至少在两根以上。

所述微细管的当量直径、起主要分液作用的丝网孔径和壁面微孔的当量孔径均用d表示，其

其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρ_f为冷凝液密度，ρ_g为汽相密度。

所述螺旋换热管材料为碳钢、铜及铜合金、不锈钢或镍及镍合金材料。

所述螺旋换热管采用外表面光滑管或采用外表面有径向低翅片管绕成螺旋换热管。

所述壳体材料采用铸铁、青铜碳钢或不锈钢制造。

本发明的有益效果是：(1)利用在螺旋换热管外圆周侧设置分液结构及导液管，在离心力、扭转力和毛细力的作用下使得冷凝液从螺旋管外圆周侧及时被抽吸分离，从而调整螺旋换热管中气液两相在截面方向上的不对称度，减薄螺旋管外圆周侧的厚液膜，使之转变为高效传热的薄液膜传热；此分液螺旋冷凝器结构基于螺旋管内两相流流动的特殊性；利用外圆周侧的微细导液管减薄螺旋管外圆周侧的厚液膜，消减由于离心力、扭转力引起的汽液流动不对称性；从根本上强化了螺旋冷凝管的换热性能。从根本上提高冷凝相变传热的效率。(2)本发明中利用毛细力或液体表面张力导出液体是无需耗能的非能动过程，其效果不受重力影响，即不受螺旋换热管倾斜角的限制，因而，该结构不仅可应用于普通冷凝传热及存在蒸气冷凝的场合，还可推广于微重力条件下的冷凝传热。使其在不增大阻力的情况下显著提高冷凝相变换热管道的传热效率。

附图说明

图1是分液式螺旋管冷凝器结构示意图。

图2是螺旋管丝网分液结构剖面示意图。

图3是螺旋管壁面多孔分液结构剖面示意图。

图中标号：(1)壳体，(2)螺旋换热管，(3)导液管，(4)冷凝工质进口管，(5)冷凝工质出口管，(6)冷却水进口管，(7)冷却水出口管，(8)微细管，(9)积液腔，(10)丝网，(11)壁面大孔，(12)壁面微孔。

具体实施方式

本发明提供一种分液螺旋管结构的冷凝器。以下结合附图对本发明进行说明，但不以任何方式限制本发明。

图1所示为分液式螺旋管冷凝器结构示意图。图中，在分液螺旋管结构的冷凝器的壳体1内固定螺旋换热管2，螺旋换热管外圆周上分布导液管3，螺旋换热管上端为冷凝工质进口管4，下端为冷凝工质出口管5；壳体外圆周上端为冷却水出口7，下端为冷却水进口6。螺旋换热管2采用焊接方式与冷凝工质进口管4和冷凝工质出口管5连接。冷凝工质进口管4、冷凝工质出口管5、冷却水出口7和冷却水进口6可以采用焊接方法或机械结构进行密封连接。

所述螺旋换热管2外圆周上等距离或非等距离分布着至少两根以上的导液管3；每根导液管3与壳体1轴线同向，并由多根垂直于壳体1轴线的微细管8与螺旋换热管2的每圈联通，但是导液管3不与壳体1内侧接触；用于分离螺旋管外圆周侧的冷凝液；将分离出的冷凝液汇集并远传至螺旋管2的末端。

所述垂直于壳体轴线的微细管8，由于其联通具有两相流流动的螺旋管壁面，微细管8主要作用为分离冷凝液，所以其特征尺度需小于等于液体表面张力起主要作用的尺度，即微细管8的当量直径为d，

其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρ_f为冷凝液密度，ρ_g为汽相密度。

所述螺旋换热管材料为碳钢、铜及铜合金、不锈钢或镍及镍合金材料。螺旋换热管采用外表面光滑的管或采用外表面有径向低翅片管绕成螺旋换热管。

所述壳体材料采用铸铁、青铜碳钢或不锈钢制造。

图2为螺旋管丝网分液结构剖面示意图；如图所示，在螺旋管2外圆周的一半面固定一截面为半圆环形的积液腔9，其垂直于壳体轴线的微细管8不直接与螺旋管2外圆周壁面相连，而是与半圆环形的积液腔9相联通；在螺旋管2外圆周壁面的半圆范围内加工3个壁面大孔11，丝网10包覆在3个壁面大孔11的表面，丝网10在此主要起分液作用，其特征孔尺寸需小于等于液体表面张力起主要作用的尺度，即丝网孔的当量直径d需满足

其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρ_f为冷凝液密度，ρ_g为汽相密度。

图3为螺旋管壁面多孔分液结构剖面示意图；如图所示其垂直于壳体轴线的微细管8不直接与螺旋管外圆周壁面相连，而是与一截面为半圆环形的积液腔9相联通；在螺旋管外圆周壁面的半圆范围内直接加工壁面微孔12，当冷凝液聚集在螺旋管外圆周壁面时，利用壁面微孔12使液体在表面张力下被分离至积液腔9内。其壁面微孔12的特征尺度需小于等于液体表面张力起主要作用的尺度，壁面微孔12的孔径为d，

其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρ_f为冷凝液密度，ρ_g为汽相密度。

由于微细管和导液管的特征尺度小于等于液体表面张力起主要作用的尺度，当汽液混合物在螺旋换热管内流动时，由于离心力和扭转力的作用冷凝液聚集在螺旋管的外圆周侧，形成厚液膜或者长液桥，而这些集聚的冷凝液在液体表面张力作用下，优先进入毛细管和导液管，从而及时导出冷凝液，使之转变为薄液膜传热的同时调整螺旋管内两相流的截面不对称度。达到调控流型保证沿整个管长方向的高效薄液膜换热，显著提高螺旋管冷凝过程的传热系数。

本发明适用于任何需要蒸汽冷凝的场合。本发明采用毛细结构实现螺旋冷凝换热管内厚液膜处冷凝液的分离，消减了截面两相分布的不对称度，减薄了外圆周壁面附近冷凝液膜的厚度，达到整个圆周整个管长均为高效的薄液膜传热，其不受重力影响，在地面及微重力环境下都可显著提高冷凝传热系数。

实施例1：

针对冷凝水换热过程，选用长2600mm的φ10mm×1mm的普通光滑铜管绕至成直径为80mm、螺距为15mm的螺旋上升管；选用长220mm的φ180mm×5mm的不锈钢管作为壳体；在螺旋管的始末两端焊接与螺旋铜管同直径的冷凝液进出管，并使得进出口管与壳体轴线平行。在螺旋管的外圆周侧从四个方向在每一圈螺旋管上加工孔径为1mm的微孔，利用φ3mm×1mm的光滑铜管垂直于壳体轴线方向与之焊接，并将螺旋管外圆周壁面每个方向上焊接的微细管利用一平行于壳体轴线φ4mm×1mm的铜管联通，并延伸至螺旋管末端与冷凝液出口相连。最后在壳体侧面加工φ20mm的孔，并与φ22mm×1mm的不锈钢管焊接作为冷却水进出口管，将壳体的顶端和底端密封，获得直接在壁面连接微管的分液式螺旋冷凝器。

其壁面连接微管起主要分液的作用其孔径d＝1mm，其确定过程为，冷凝工质为水，在一个大气压且温度为50℃时，σ＝0.06794N/m，g＝9.8m/s²，ρ_f＝987.99kg/m³，ρ_g＝0.0831kg/m³，

约等于4.8mm，而1mm＜4.8mm，从而孔径d满足

所以通过微孔可使冷凝相变过程中的液态水进入导液管3中，并及时导至螺旋换热管末端，使得螺旋换热管外圆周壁面处聚集的液体得到疏导，从而提高相变传热的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，在分液螺旋管结构的冷凝器的壳体内固定螺旋换热管，螺旋换热管外圆周上分布导液管，螺旋换热管上端为冷凝工质进口管，下端为冷凝工质出口管；壳体外圆周上端为冷却水出口，下端为冷却水进口；其中，螺旋换热管外圆周上等距离或非等距离分布着两根以上的导液管；每根导液管与壳体轴线同向；并由多根垂直于壳体轴线的微细管与螺旋换热管的每圈连通。

2.根据权利要求1所述分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，所述分液螺旋管结构具有三种结构形式：其一为导液管通过微细管直接与螺旋换热管的每圈相连，不与壳体内侧接触；其二为在螺旋换热管外圆周的一半面上固定一截面为半圆环形的积液腔，所述垂直于壳体轴线的微细管不直接与螺旋换热管外圆周壁面相连，而是与半圆环形的积液腔相连通；在螺旋换热管外圆周壁面的半圆范围内加工3个壁面大孔，丝网包覆在3个壁面大孔的表面，丝网在此主要起分液作用；其三为在螺旋换热管外圆周的一半面上固定一截面为半圆环形的积液腔，所述垂直于壳体轴线的微细管不直接与螺旋换热管外圆周壁面相连，而是与半圆环形的积液腔相连通；在螺旋换热管外圆周壁面的半圆范围内加工3-7个壁面微孔。

3.根据权利要求2所述分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，微细管的当量直径、起主要分液作用的丝网孔和壁面微孔的当量孔径均用d表示，其

，其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρ_f为冷凝液密度，ρ_g为汽相密度。

4.根据权利要求1所述分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，所述螺旋换热管材料为碳钢、铜、铜合金、不锈钢、镍或镍合金材料。

5.根据权利要求1所述分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，所述螺旋换热管采用外表面光滑的管或采用外表面有径向低翅片管绕成螺旋换热管。

6.根据权利要求1所述分液螺旋管结构的冷凝器， 其特征在于，所述壳体材料采用铸铁、青铜碳钢或不锈钢制造。

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