CN104390495A - 一种过冷式冷凝换热器及其换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过冷式冷凝换热器及其换热方法，冷凝换热器包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元，所述冷凝器本体包括筒体单元和设于所述筒体两侧的第一封头和第二封头，所述第一封头上设有蒸汽入口和蒸汽出口，所述筒体单元包括第一筒体和第二筒体，所述第一筒体和所述第二筒体之间通过气液分离器隔开，所述第一封头内设有隔板，所述管内冷却单元设于所述筒体单元内，所述过冷单元设于所述第二封头。通过隔板将换热管内的蒸汽换热在两个筒体单元中各分为两程，确保每一程蒸汽流速基本保持均匀；加之过冷单元以及管外冷却单元的换热，保证了换热的可靠性，扩大了冷凝换热器的适用范围。

Description

一种过冷式冷凝换热器及其换热方法

技术领域

本发明涉及能源高效利用技术的热工设备，具体涉及一种过冷式冷凝换热器及其换热方法。

背景技术

冷凝换热器是通过将蒸汽转变成液态实现带走热量的冷却装置，广泛应用于化工、制冷、石油、动力及能源等领域。过热蒸汽进入冷凝换热器后经历冷却、饱和冷凝和过冷三个过程，通过释放显热和潜热以达到换热的目的。研究表明，凝结换热的热阻主要在凝结液膜的表面，因此提高冷凝换热的目标是加速凝结液的***，减薄凝结液膜的厚度。

目前主流的强化冷凝换热技术主要包括肋管、螺旋槽管和内螺旋翅片管等，上述强化管技术虽然能够在一定程度上提高冷凝换热器的冷凝换热系数，但明显存在的由凝结液堆积导致的冷凝测阻力增加、以及下游部分换热面积未被充分利用等在内的问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种过冷式冷凝换热器及其换热方法，旨在通过避免冷凝液堆积来有效利用换热面积，从而显著提高传热系数。

本发明采用的技术方案具体为：

一种过冷式冷凝换热器，包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元，所述冷凝器本体包括筒体单元和设于所述筒体两侧的第一封头和第二封头，所述第一封头上设有蒸汽入口和蒸汽出口，所述筒体单元包括第一筒体和第二筒体，所述第一筒体和所述第二筒体之间通过气液分离器隔开，所述第一封头内设有隔板，所述管内冷却单元设于所述筒体单元内，所述过冷单元设于所述第二封头。

在上述过冷式冷凝换热器中，所述管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元、第三程换热单元和第四程换热单元，其中：所述第一筒体的隔板第一侧内设有第一换热管，所述第一筒体和所述第一换热管形成了第一程换热单元；所述第二筒体的隔板第一侧内设有第二换热管，所述第二筒体和所述第二换热管形成了第二程换热单元；所述第二筒体的隔板第二侧内设有第三换热管，所述第二筒体和所述第三换热管形成了第三程换热单元；所述第一筒体的隔板第二侧内设有第四换热管，所述第一筒体和所述第四换热管形成了第四程换热单元；所述第二程换热单元内，所述气液分离器与所述第二封头之间设有第一导流管，所述第三程换热单元内，所述气液分离器与所述第二封头之间设有第二导流管。

在上述过冷式冷凝换热器中，所述过冷单元包括过冷换热管和冷凝液出管组件，所述过冷换热管设于所述第二封头，所述过冷换热管的两端设有过冷工质入口和过冷工质出口，所述过冷工质入口和所述过冷工质出口伸出所述第二封头外，所述第二封头的底部设有第一冷凝液出管和第二冷凝液出管，所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管中分别设有第一调节阀门和第二调节阀门，所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管汇聚有共同的过冷凝结液出口。

在上述过冷式冷凝换热器中，所述过冷换热管为蛇形结构。

在上述过冷式冷凝换热器中，还包括管外冷却单元，所述管外冷却单元包括第一筒体、第二筒体和连通管，所述第一筒体上设有冷却工质入口，所述第二筒体上设有冷却工质出口，所述第一筒体和所述第二筒体的内腔通过所述连通管相连通。

在上述过冷式冷凝换热器中，所述连通管为U型结构。

一种过冷式冷凝换热器的换热方法，包括管内冷却单元的冷却和过冷单元的冷却，其中：

所述管内冷却单元的换热过程具体为：

过热蒸汽从蒸汽入口进入冷凝换热器的第一封头，第一封头内设有隔板，使得过热蒸汽只从部分截面进入本体的第一筒体，第一筒体内设有第一换热管，过热蒸汽进入第一程换热单元在第一换热管内换热冷凝，过热蒸汽换热冷凝后变为剩余蒸汽与冷凝液，剩余蒸汽与冷凝液进入第一筒体和第二筒体之间的冷凝液气液分离器中，冷凝液经由第一导流管导至凝结液收集器中，剩余蒸汽进入第二程换热单元，即第二筒体中的第二换热管进行进一步冷凝，实现了汽液分离；经第二换热管冷凝换热后，得到的冷凝液自动流入凝结液收集器中，得到的剩余蒸汽进入第三程换热单元即第三换热管中进行换热，在气液分离器中再次实现汽液分离，得到的凝结液回流至凝结液收集器中，得到的剩余蒸汽进入第四程换热单元即第四换热管，最后得到的剩余蒸汽从蒸汽出口排出；此时凝结液收集器中的冷凝液处于饱和状态；

所述过冷单元的换热过程具体为：

采用过冷换热管在第二封头处进行过冷，过冷工质从过冷换热管的过冷工质入口进入过冷换热管中，从过冷换热管的过冷工质出口排出，未凝结的蒸气由蒸汽出口排出冷凝换热器；在第二封头还设有两个冷凝液出管，通过设于第二封头和冷凝液出口之间的第一调节阀门和第二调节阀门来调整凝结液的出口流量，避免凝结液位升高至冷凝换热管内，导致破坏管内的凝结换热，过冷的凝结液经第一冷凝液出管和第二冷凝液出管末端的共同出口即过冷凝结液出口排出换热器；凝结液收集器设有液位高度计，用以观察凝结液收集器内的液面高度，进而控制凝结液出口流量。

在上述过冷式冷凝换热器的换热方法中，所述过冷换热管为蛇形结构。

在上述过冷式冷凝换热器的换热方法中，还包括管外冷却单元的换热，所述管外冷却单元的换热过程具体为：冷却工质从冷却工质入口进入第一筒体的筒内，对第一换热管进行管外冷却，通过连通管进入第二筒体，最后从冷却工质出口排出，整个***由支架进行支撑。

在上述过冷式冷凝换热器的换热方法中，所述连通管为U型结构。

本发明产生的有益效果是：

利用冷凝换热的进口段效应，通过设置分级导流管迅速导出各级管程的凝结液，避免凝结液进入下一级管程，保证了过热蒸气在无液膜状态下进行凝结换热，充分利用了换热面积，提高了换热器器的换热系数；

通过优化的沿程递减排布的换热管，实现了蒸汽入口的均流速换热，有效了减少换热面积；同时通过过冷段的设计，确保了冷凝液的过冷度，防止了冷凝液汽化；

通过在上封头设置蒸气出口，实现了蒸气串联换热，并可以控制蒸气在换热器内的凝结换热速率。大大减少了换热面积，减少了材料损耗，同时也可以采用光滑管代替较为昂贵的强化管进行换热，降低了换热设备的成本。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种过冷式冷凝换热器的结构示意图。

图中：1、蒸汽入口 2、(第一封头)上封头 3、隔板 41、第二筒体 42、第一筒体 51、第一换热管 52、第二换热管 53、第三换热管 54、第四换热管 6、气液分离器 71、第一导流管 72、第二导流管 8、凝结液收集器(第二封头，即下封头) 9、蒸汽出口 10、过冷换热管 11、过冷工质入口、12过冷工质出口 131、第一冷凝液出管 132、第二冷凝液出管 141、第一调节阀门 142、第二调节阀门 15、过冷凝结液出口 16、液位高度计 17、冷却工质入口 18、连通管 19、冷却工质出口 20、支架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种过冷式冷凝换热器，包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元，冷凝器本体包括筒体单元和设于筒体两侧的第一封头2和第二封头8，第一封头2上设有蒸汽入口和蒸汽出口，筒体单元包括第一筒体41和第二筒体42，第一筒体41和第二筒体42之间通过气液分离器6隔开，第一封头2内设有隔板3，管内冷却单元设于筒体单元内，过冷单元设于第二封头8；其中：

管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元、第三程换热单元和第四程换热单元，其中：第一筒体41的隔板第一侧(左侧)内设有第一换热管51，第一筒体41和第一换热管51形成了第一程换热单元；第二筒体42的隔板第一侧(左侧)内设有第二换热管52，第二筒体42和第二换热管52形成了第二程换热单元；第二筒体42的隔板第二侧(右侧)内设有第三换热管53，第二筒体41和第三换热管54形成了第三程换热单元；第一筒体41的隔板第二侧(右侧)内设有第四换热管54，第一筒体41和第四换热管54形成了第四程换热单元；第二程换热单元内，气液分离器6与第二封头8之间设有第一导流管71，第三程换热单元内，气液分离器6与第二封头8之间设有第二导流管72。

过冷单元包括蛇形结构的过冷换热管10和冷凝液出管组件，过冷换热管10设于第二封头8，过冷换热管10的两端设有过冷工质入口11和过冷工质出口12，过冷工质入口11和过冷工质出口12伸出第二封头8外，第二封头8的底部设有第一冷凝液出管131和第二冷凝液出管132，第一冷凝液出管131和第二冷凝液出管132中设有第一调节阀门141和第二调节阀门142，第一冷凝液出管131和第二冷凝液出管132汇聚有共同的过冷凝结液出口15。

还包括管外冷却单元，管外冷却单元包括第一筒体41、第二筒体42和U型结构的连通管18，第一筒体41上设有冷却工质入口17，第二筒体42上设有冷却工质出口19，第一筒体41和第二筒体42的内腔通过连通管18相连通。

上述过冷式冷凝换热器的冷却过程中的管内冷却单元、过冷单元以及管外冷却单元的换热过程具体为：

(1)管内冷却单元(通过过热蒸汽冷却)的换热：

过热蒸汽从蒸汽入口1进入冷凝换热器的上封头2，上封头2内设有隔板3，使得过热蒸汽只从部分截面(左大半截面)进入本体的第一筒体41，第一筒体41内设有第一换热管51，过热蒸汽进入第一程换热单元在第一换热管51内换热冷凝，过热蒸汽换热冷凝后变为剩余蒸汽与冷凝液，剩余蒸汽与冷凝液进入第一筒体41和第二筒体42之间的冷凝液气液分离器6中，冷凝液经由第一导流管71导至凝结液收集器8(即下封头)中，剩余蒸汽进入第二程换热单元，即第二筒体42中的第二换热管52进行进一步冷凝，实现了汽液分离。经第二换热管52冷凝换热后，得到的冷凝液自动流入凝结液收集器8中，得到的剩余蒸汽进入第三程换热单元即第三换热管53中进行换热，在气液分离器6中再次实现汽液分离，得到的凝结液回流至凝结液收集器8中，得到的剩余蒸汽进入第四程换热单元即第四换热管54，最后得到的剩余蒸汽从蒸汽出口9排出。此时凝结液收集器8中的冷凝液处于饱和状态；

(2)过冷单元(通过过冷工质冷却)的换热：

采用过冷换热管10在下封头8处进行过冷，过冷工质从蛇形过冷换热管10的过冷工质入口11进入蛇形过冷换热管10中，从蛇形过冷换热管10的过冷工质出口12排出。未凝结的蒸气由蒸汽出口9排出冷凝换热器。在下封头8还设有两个冷凝液出管(131、132)，通过设于下封头8和冷凝液出口之间的两个调节阀门(141、142)来调整凝结液的出口流量，避免凝结液位升高至冷凝换热管内，导致破坏管内的凝结换热，过冷的凝结液经两个冷凝液出管(131、132)末端的共同出口即过冷凝结液出口15排出换热器。凝结液收集器8设有液位高度计16，用以观察凝结液收集器8内的液面高度，进而控制凝结液出口15流量；以及

(3)管外冷却单元(通过冷却介质冷却)的换热：

冷却工质从冷却工质入口17进入第一筒体41的筒内，对第一换热管51进行管外冷却，通过U型连通管18进入第二筒体42，最后从冷却工质出口19排出，整个***由支架20进行支撑。

作为一种优选，导流管(71、72)为光管，且导流管的数量不超过凝结换热管数量的十分之一，导流管的管口与管板平面在同一水平面，换热管(51、52、53、54)则高出管板2-5cm。

作为一种优选，换热管(51、52、53、54)为光管、内翅化管或者内外翅化管，各级换热管的长度一致，且各级换热管数量沿流动方向逐渐减少，以保证蒸汽进入各级换热管时流速基本一致为原则。

下封头(凝结液收集器)出口具有安装有调节阀的两个出口管路，一个为液体流出主管，另一个为液体流出旁通管，通过流出主管和旁通管调节阀开度，控制凝结液面在下封头的下二分之一高度左右，避免液面下降导致蒸气随凝结液流出或液面升高进入换热管内。

通过利用短管设计和汽液分离装置，使得整个冷凝过程均能充分利用管内冷凝入口段极高的冷凝换热能力，大幅度地提高了整个冷凝换热器的换热性能，有效减少了换热面积，避免了整个***中复杂流型的产生。同时通过过冷段的设计，有效防止了冷凝液重新汽化，极大程度上扩大了冷凝换热器的适用范围。蒸汽出口的设置可以调整蒸汽的凝结速率，下封头8设置的冷凝液双出口以及液位高度计16，有效避免了液面升高进入凝结换热管内以及蒸汽随冷凝液流出的现象。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过冷式冷凝换热器，其特征在于，包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元，所述冷凝器本体包括筒体单元和设于所述筒体两侧的第一封头和第二封头，所述第一封头上设有蒸汽入口和蒸汽出口，所述筒体单元包括第一筒体和第二筒体，所述第一筒体和所述第二筒体之间通过气液分离器隔开，所述第一封头内设有隔板，所述管内冷却单元设于所述筒体单元内，所述过冷单元设于所述第二封头。

2.根据权利要求1所述的过冷式冷凝换热器，其特征在于，所述管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元、第三程换热单元和第四程换热单元，其中：

所述第一筒体的隔板第一侧内设有第一换热管，所述第一筒体和所述第一换热管形成了第一程换热单元；

所述第二筒体的隔板第一侧内设有第二换热管，所述第二筒体和所述第二换热管形成了第二程换热单元；

所述第二筒体的隔板第二侧内设有第三换热管，所述第二筒体和所述第三换热管形成了第三程换热单元；

所述第一筒体的隔板第二侧内设有第四换热管，所述第一筒体和所述第四换热管形成了第四程换热单元；

所述第二程换热单元内，所述气液分离器与所述第二封头之间设有第一导流管，所述第三程换热单元内，所述气液分离器与所述第二封头之间设有第二导流管。

3.根据权利要求1所述的过冷式冷凝换热器，其特征在于，所述过冷单元包括过冷换热管和冷凝液出管组件，所述过冷换热管设于所述第二封头，所述过冷换热管的两端设有过冷工质入口和过冷工质出口，所述过冷工质入口和所述过冷工质出口伸出所述第二封头外，所述第二封头的底部设有第一冷凝液出管和第二冷凝液出管，所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管中分别设有第一调节阀门和第二调节阀门，所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管汇聚有共同的过冷凝结液出口。

4.根据权利要求3所述的过冷式冷凝换热器，其特征在于，所述过冷换热管为蛇形结构。

5.根据权利要求1所述的过冷式冷凝换热器，其特征在于，还包括管外冷却单元，所述管外冷却单元包括第一筒体、第二筒体和连通管，所述第一筒体上设有冷却工质入口，所述第二筒体上设有冷却工质出口，所述第一筒体和所述第二筒体的内腔通过所述连通管相连通。

6.根据权利要求5所述的过冷式冷凝换热器，其特征在于，所述连通管为U型结构。

7.一种过冷式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，包括管内冷却单元的换热和过冷单元的换热，其中：

所述管内冷却单元的换热过程具体为：

过热蒸汽从蒸汽入口进入冷凝换热器的第一封头，第一封头内设有隔板，使得过热蒸汽只从部分截面进入本体的第一筒体，第一筒体内设有第一换热管，过热蒸汽进入第一程换热单元在第一换热管内换热冷凝，过热蒸汽换热冷凝后变为剩余蒸汽与冷凝液，剩余蒸汽与冷凝液进入第一筒体和第二筒体之间的冷凝液气液分离器中，冷凝液经由第一导流管导至凝结液收集器中，剩余蒸汽进入第二程换热单元，即第二筒体中的第二换热管进行进一步冷凝，实现了汽液分离；经第二换热管冷凝换热后，得到的冷凝液自动流入凝结液收集器中，得到的剩余蒸汽进入第三程换热单元即第三换热管中进行换热，在气液分离器中再次实现汽液分离，得到的凝结液回流至凝结液收集器中，得到的剩余蒸汽进入第四程换热单元即第四换热管，最后得到的剩余蒸汽从蒸汽出口排出；此时凝结液收集器中的冷凝液处于饱和状态；

所述过冷单元的换热过程具体为：

采用过冷换热管在第二封头处进行过冷，过冷工质从过冷换热管的过冷工质入口进入过冷换热管中，从过冷换热管的过冷工质出口排出，未凝结的蒸气由蒸汽出口排出冷凝换热器；在第二封头还设有两个冷凝液出管，通过设于第二封头和冷凝液出口之间的第一调节阀门和第二调节阀门来调整凝结液的出口流量，避免凝结液位升高至冷凝换热管内，导致破坏管内的凝结换热，过冷的凝结液经第一冷凝液出管和第二冷凝液出管末端的共同出口即过冷凝结液出口排出换热器；凝结液收集器设有液位高度计，用以观察凝结液收集器内的液面高度，进而控制凝结液出口流量。

8.根据权利要求7所述的过冷式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，所述过冷换热管为蛇形结构。

9.根据权利要求7所述的过冷式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，还包括管外冷却单元的换热，所述管外冷却单元的换热过程具体为：

冷却工质从冷却工质入口进入第一筒体的筒内，对第一换热管进行管外冷却，通过连通管进入第二筒体，最后从冷却工质出口排出，整个***由支架进行支撑。

10.根据权利要求9所述的过冷式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，所述连通管为U型结构。