CN109791023A - 壳管式冷凝器和壳管式冷凝器的换热管 - Google Patents

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CN109791023A CN201780048004.9A CN201780048004A CN109791023A CN 109791023 A CN109791023 A CN 109791023A CN 201780048004 A CN201780048004 A CN 201780048004A CN 109791023 A CN109791023 A CN 109791023A
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Abstract

本发明涉及换热设备，具体地讲涉及冷凝器的设计。本发明所实现的技术成果是降低管内与壳体空间中的热载体之间热阻增加的风险。所述冷凝器包括：壳体，所述壳体内具有一束管，所述管在其外表面上具有凹槽；间隔件；用于管内的热载体的入口和出口；以及用于壳体空间热载体的入口和出口。与用于本发明的原型的情况不同，所述管在外侧涂有疏水材料，并且所述间隔件之间的距离从所述壳体空间热载体的入口到其出口减小。该冷凝器与原型的不同之处还在于，所述管在内表面上带有肋和具有高粘附阻力系数的材料涂层。

Description

壳管式冷凝器和壳管式冷凝器的换热管
本发明涉及壳管式换热设备，具体地讲涉及壳管式冷凝器，并且可用于能源、石油加工、石油化学、化工、天然气和其他行业。
有许多与换热设备相关的技术解决方案。它们的共同特征是一种壳体，该壳体容纳：一束用管板固定就位的换热管、分配室、用于壳侧热载体的输入和输出通道、以及用于管的输入和输出通道。一直在寻求新的解决方案，旨在改进这些设备，特别是它们的开采性能，包括壳管式冷凝器。
存在一种壳管式冷凝器，其中换热管由聚四氟乙烯(PTFE)或金属制成，PTFE层喷在表面上[CN1078802，优先权日期1971年12月1日，公布日期1993年11月24日；]MPC：F28D7/10，F28D7/10]。
存在一种壳管式冷凝器，该壳管式冷凝器包括引导间隔件，并且沿着壳体的整个长度，在其下部，存在具有穿孔的管和在管内的适当直径的杆[SU409445，优先权日期1971年12月1日，公布日期1973年11月30日；MPC：F28D7/00.F28F9/00]。
将一种壳管式冷凝器选为本发明的原型，其中该壳管式冷凝器包括壳体，该壳体容纳：一束用位于壳体的对接表面上的管板固定就位的换热管、用于管热载体的入口和出口连接管、用于管内热载体的连接管，其中换热管在外表面上带有凹槽[UA74177，优先权日期2012年2月24日，公布日期：2012年10月25日，MPC F28F1/10]。
该原型的缺点是由于以下事实降低管内与壳侧上的热载体之间的传热系数的风险很高：管的设计不能有效地减少外表面上冷凝膜的形成，它还会在内表面上形成难溶性化合物的晶体结构，其低导热性显著增加热阻系数并因此损害壳管式冷凝器的效率。
本发明所针对的技术问题是增加管内与壳体空间中的热载体之间的总导热系数。
本发明努力实现的技术成果是降低壳管式冷凝器的管内与壳体空间中的热载体之间热阻增加的风险。
第一种形式的壳管式冷凝器的实质如下。
该壳管式冷凝器包括壳体，该壳体容纳：一束在外表面上带有凹槽且用管板固定就位的换热管、引导间隔件、用于壳体空间的热载体的输入和输出、以及用于管内热载体的入口和出口。与原型的情况不同，换热管的外表面覆盖有具有一定疏水系数的材料，而引导间隔件之间的距离从壳体空间热载体的入口到出口减小。
第二种形式的壳管式冷凝器的实质如下。
该壳管式冷凝器包括壳体，该壳体容纳：一束在外表面上具有凹槽且用管板固定就位的管、引导间隔件、用于管中的热载体的入口和出口、以及用于壳体空间中的热载体的入口和出口。与原型的情况不同，换热管的外表面涂有疏水材料。管在其内表面上带有肋，该内表面涂有低粘附阻力材料，并且引导间隔件之间的距离从壳体空间热载体的入口到其出口减小。
第一种形式的壳管式冷凝器的换热管的实质如下。
壳管式冷凝器的换热管在外表面上带有凹槽。与原型的情况不同，管的外表面涂有疏水材料，而在内表面上涂有高粘附阻力材料，内表面带有肋。
根据第二种形式的壳管式冷凝器的换热管的实质如下。
壳管式冷凝器的换热管在外表面上带有凹槽。与原型不同，其外表面涂有疏水系数材料，而其内表面涂有高粘附阻力系数并带有肋。
疏水材料确保防水涂层，由此冷凝物从外表面滚落。疏水材料可以通过界面角来表征。90°-150°的界面角确保换热管的外表面的最高防水特性。这种质量的材料包括合成聚酰胺或聚合物、尼龙、特氟龙或聚四氟乙烯。
引导间隔件之间的缩小间距确保了热载体沿着壳体空间以恒定的在65-120m/s内的最佳速度移动。壳体空间中的热载体经由入口以蒸汽的形式引入冷凝器，在从入口到出口并从一次运行到另一次运行中移动时冷凝。由于流体的体积小于蒸汽的体积，因此壳体空间中的热载体的总体积减小，使得当蒸汽继续在壳体空间中扩散时，***进一步运行期间的压力下降，最后，蒸汽速度也降低。由于引导间隔件之间的距离缩短这一主要原理，蒸汽的平均速度在壳体空间中热载体的每次通过的持续时间内保持恒定。因此，在这种情况下，热载体的通过是两个相邻的引导间隔件之间的距离，其中蒸汽沿着直线垂直于管移动。对于壳体空间热载体的每次通过而言蒸汽的恒定平均速度由壳体空间中热载体的每次通过期间的平均体积蒸汽排放量与壳体空间中热载体的特定通过的横截面积的恒定比率保证。
该比率使用以下公式计算。
其中：
D′i是壳体空间的第1次通过开始时的蒸汽体积排放量，m3/h
D″i是壳体空间的第1次通过结束时的蒸汽体积排放量，m3/h
Fi是壳体空间中的热载体的一次通过的横截面积，m2
F是所有通过的总横截面积，m2
n是通过的总数。
可以使用的用来保持壳体空间中特别是转向区域中的热载体的恒定速度的额外方式是与前面的方式相比减小连续引导间隔件之间的窗口面积。
壳管式冷凝器的换热管在其外表面上带有凹槽，这使得可以产生倾斜区域。这减小在换热管外表面上形成的冷凝膜的厚度，或者将其破坏。凹槽可以具有不同的形状并且可以不同地定向；它们可以形成圆形、螺旋形或多面体的凹陷。它们可以通过切割、剪切、滚花或冲压而产生。凹槽的最佳尺寸可以如下：凹槽可以具有圆形，其半径为换热管外径的0.04-0.1，而外表面的倾斜区域的圆半径可以为换热管的外径的0.3-2。凹槽的深度可以是0.1-3mm，而任何两个相邻凹槽之间的距离可以取决于换热管的外径；它可以大于或小于换热管的直径；但是，它不得超过换热管的直径的10倍以上。
具有高粘附阻力的材料确保在换热管的内表面上形成具有低摩擦系数的涂层，这防止存在于管内的热载体中的盐和其他杂质的粘附和沉积。具有高粘附阻力的材料可包括合成聚酰胺、聚合物或含氟材料、特氟龙、聚四氟乙烯或不同的金属喷雾。这些材料也可以作为涂层在管的内表面上彼此组合施加：金属喷雾可以成为底层，而含氟材料将成为顶层。聚四氟乙烯或特氟龙允许施加非常薄的涂层(从0.1微米开始)，从而防止管中与壳体空间中的热载体之间的热阻的额外增长。
根据第二种形式制造的换热管在内表面上带有肋，从而促进湍流涡旋的形成，这些湍流涡旋破坏管内热载体的层流，从而降低盐和其他杂质沉积在换热管的内表面上的概率。湍流涡旋还促进盐与其他杂质之间对已经形成在管内表面上的难溶性化合物的结晶结构的研磨相互作用，这有助于清除管的现有沉积物。
肋可以具有不同的形状：圆形、菱形、矩形等。肋可以定位在指定的点处，具有指定的高度，这将取决于管的壁的直径和厚度、管中热载体的流速和性质、以及盐和其他杂质的存在。为了降低肋之间沉积盐的风险，并因而降低管内与壳体空间中的热载体之间热阻增加的风险，肋可以按规则的间隔隔开，它们之间的间距为换热管外径的01-10的范围内。肋的高度可以为0.1-10mm。肋的宽度可以为0.5-10mm。
圆形肋可以通过铣削、滚花或剪切制成。菱形肋可以通过在管的内表面上切割或冲压纵横交错的螺旋凹槽来制造，而矩形肋可以通过在管的内表面上切割或冲压纵横交错的直线纵向和横向凹槽来制造。
肋也可以通过设置在管内和/或固定到其内表面上的***件制造。它们可以具有肋、螺旋带、环或波纹部件的形状。为了加强管内热载体流动中的涡旋，可以在***件中穿孔，同时可以将它们的表面涂上高粘附阻力材料。
换热管内表面上的肋可以制成外表面上的凹槽的对应部分。例如，管的内表面上的肋可以在对该管的外表面上的凹槽进行滚花加工的过程中制造，这赋予一些额外的可靠性并简化了换热管的制造。
本发明提供了新的、现有技术未知的实质性特征的组合。这些特征是：
-壳管式冷凝器的引导间隔件之间的距离从壳体空间热载体的入口到出口减小，从而确保了壳体空间中的热载体的恒定速度，这因在整个壳体空间中非冷凝热载体的流动而能从换热管的外表面有效除去冷凝液滴。
-换热管的外表面涂有疏水材料，这减少了冷凝液滴与换热管外表面的粘附。
-换热管的内表面涂有具有高粘附阻力系数的材料，这减少了盐颗粒与管内表面之间的分子相互作用，从而阻碍了难溶性化合物的结晶沉积物在换热管的内表面上的形成。
-换热管在其内表面上带有肋，这在管内的热载体流中产生涡旋，这将破坏换热管表面上的结晶沉积物。
本发明的特定特征的这种组合确保了从换热管的外表面有效地除去冷凝液滴，减少了冷凝液滴在管外表面上的粘附，从而阻碍难溶性化合物的结晶沉积物在管内表面上形成或将已经形成的此类沉积物破坏，这确保实现所需的技术成果：降低管内与壳体空间中的热载体之间的热阻增加的风险，同时所述热载体之间的传热系数放大。
所述新的实质性特征表明本发明符合“新颖性”可专利性标准。
所提出的发明的这些特征是已知的，如在各种科学和技术出版物中所述，然而，它们通常针对不同的技术成果，例如改善换热管(聚四氟乙烯涂层)的耐磨性或延长管内与壳体空间中的热载体之间的接触持续时间。此外，所述特征彼此的组合在现有技术中是未知的，它们与换热管外表面上存在凹槽和内表面上存在肋的组合也是未知的。包括以下特征的装置设计实现了以下协同效应：换热管具有疏水材料涂层、换热管表面上具有凹槽和肋、以及引导间隔件之间的距离逐渐减小—壳管式冷凝器的管内与管外的热载体之间的传热系数显著增加，包括由于管内与管外的热载体之间的热阻系数降低。
这种协同效应由于以下事实而实现：壳体空间中的在换热过程中冷凝的热载体仅在覆盖有疏水材料的换热管的外表面上形成非常薄的膜。因此，它形成液滴，其中大部分从管的弧形区域向下滚入圆形凹槽中，而留在管的弧形表面上的那些液滴被壳体空间中的热载体流带走。由于引导间隔件之间的距离从壳体空间热载体的入口到其出口减小，因此维持了流动速度。管内的热载体中的盐颗粒被管的涂有高粘附阻力材料的内表面排斥。它们与肋相互作用，从而形成涡旋，这些涡旋对先前形成的盐沉积物具有研磨作用，从而非常有效地将它们破坏。
为了说明所实现的协同效应，分析了单独或组合应用一种或另一种特征的效果。从可用信息中得知，换热管上的凹槽使传热系数提高1.5-1.9倍，将换热管涂上疏水材料使该系数提高2.6-3.2倍，逐渐减小引导间隔件之间的距离使该系数提高1.1-1.2倍，将换热管内部涂上高粘附阻力材料使该系数提高1.8-2.4倍(取决于开采时间)，存在肋使该系数提高1.4-1.6倍。在实践中，应用本发明将传热系数提高6.2-13.4倍。该结果超过基于上述理论数据计算的所述特征的组合应用的预测总效果数倍。这证实了可以实现协同效应。
本发明用以下附图说明。
图1.热载体单向进入壳体的壳管式冷凝器，以及冷凝液冷却器。总体视图。纵向剖面。
图2.热载体单向流入壳体空间而无冷凝液冷却器的壳管式冷凝器。总体视图。纵向剖面。
图3.热载体双向进入壳体而无冷凝液冷却器的壳管式冷凝器。总体视图。纵向剖面。
图4.壳管式冷凝器的换热管，外表面上具有圆形凹槽。总体视图。
图5.壳管式冷凝器的换热管，外表面上具有螺旋凹槽。总体视图。
图6.壳管式冷凝器的换热管，外表面上具有圆形凹槽，内表面上具有对应的圆形肋。纵向剖面。
图7.壳管式冷凝器的换热管，外表面上具有圆形凹槽，内表面上具有菱形肋。纵向剖面。
图8.壳管式冷凝器的换热管，外表面上具有螺旋凹槽，内表面上具有对应的菱形肋。纵向剖面。
图9.壳管式冷凝器的换热管，其具有外表面上的圆形凹槽，并且还具有穿孔环形状的***件。纵向剖面。
壳管式冷凝器包括壳体1、分配室2和转向室3。壳体1容纳一束用管板5固定就位的换热管4、引导间隔件6、壳侧热载体入口7、壳侧热载体出口8、管内热载体入口9、管内热载体出口10。间隔件6之间的距离Sn从入口7到出口8减小，使得Sn>Sn+1。换热管4涂有疏水材料并带有凹槽11，由此在管的外表面4上形成弧形凸起区段12。
壳管式冷凝器如下操作。
温度低于蒸汽饱和温度的冷却剂经由入口9以低于壳体空间1中的蒸汽饱和温度的温度供给到管中。冷却剂从入口9循环到分配室2，然后经由换热管4和转向室3返回到分配室2和出口10。壳体空间中的待冷却的热载体经由入口7进入壳体空间1。在与管4的外表面接触时，它开始部分冷凝，从而流向出口8。冷凝物的液滴13在换热管的外表面上形成，其中大部分从弧形段12向下滚入凹槽11中。残余冷凝物14被未冷凝的壳体空间热载体带走，其速度因连续间隔件6之间的距离从壳体空间热载体的入口7到其出口8逐渐减小而维持。
根据第二种形式，壳管式冷凝器的管4除了第一种形式之外还带有肋15；管的内表面也涂有高粘附阻力材料。
这种壳管式冷凝器以类似于第一种形式的方式操作。由于在这些表面上的高粘附阻力材料涂层，存在于冷却剂中的盐颗粒16只有少量沉淀在管4的内表面上，从而仅形成盐沉积物的薄层17。与肋15相互作用的冷却剂产生涡旋，这也阻碍了盐16在换热管的内表面上的沉积，并且由于冷却剂和存在于冷却剂中的盐颗粒16的流动引起的磨蚀，将先前形成的盐层17破坏。
由于上述布置，在换热管的外表面上形成的冷凝物的膜很薄，另一方面，在管的内表面上形成的盐沉积物较少。这实现了期望的技术成果：降低管内与管外的热载体之间的热阻增加的风险，同时增加管中与壳体空间中的热载体之间的总换热系数。由于所需的接触面积减小，管束可以做得更小并且重量更轻，从而使得整个壳管式冷凝器更小并且重量更轻。

Claims (15)

1.一种壳管式冷凝器，包括壳体，所述壳体容纳：一束在其外表面上带有凹槽且用管板紧固就位的换热管、间隔件、用于管空间和壳体空间热载体的入口和出口，其中换热管的外表面带有疏水材料涂层，并且所述间隔件之间的距离从所述壳体空间热载体的入口到其出口减小。
2.一种壳管式冷凝器，包括壳体，所述壳体容纳：一束在其外表面上带有凹槽且用管板紧固就位的管、间隔件、用于管空间和壳体空间的热载体的入口和出口，其中所述换热管在外表面上带有疏水材料涂层，同时在其内表面上带有肋和低粘附阻力材料涂层，并且连续间隔件之间的距离从所述壳体空间热载体的入口到其出口减小。
3.如权利要求1或2所述的壳管式冷凝器，其中所述间隔件之间的距离以这样的方式减小，即在所述壳体空间热载体的每次通过期间保持恒定的平均蒸汽速度。
4.如权利要求3所述的壳管式冷凝器，其中所述间隔件之间的距离以这样的方式减小，即保持所述壳体空间热载体每次通过时的蒸汽平均体积流速与所述壳体空间热载体的适当通过的横截面积之间的恒定比率。
5.一种壳管式冷凝器管，在其外表面上带有凹槽，其中其内表面带有疏水材料涂层。
6.一种壳管式冷凝器管，在其外表面上带有凹槽，其中它还带有疏水材料涂层，而其内表面带有肋和具有高粘附阻力系数的材料涂层。
7.如权利要求5或6所述的壳管式冷凝器管，其中它在其外表面上具有尼龙、特氟龙或聚四氟乙烯涂层。
8.如权利要求5或6所述的壳管式冷凝器管，其中在其外表面上的所述涂层由确保90°–150°范围内的界面角的材料制成。
9.如权利要求5或6所述的壳管式冷凝器管，其中所述凹槽具有圆形，其半径在所述换热管外径的0.04-0.1的范围内。
10.如权利要求5或6所述的壳管式冷凝器的换热管，其中所述凹槽之间的表面上的倾斜区域的圆半径为所述管的外径的0.3-2的范围内。
11.如权利要求6所述的壳管式冷凝器的换热管，其中它在内部涂有含氟材料和/或喷涂金属。
12.如权利要求6所述的壳管式冷凝器的换热管，其中所述内表面上的所述肋对应于所述外表面上的所述凹槽。
13.如权利要求12所述的壳管式冷凝器的换热管，其中所述肋和凹槽的形状为圆形。
14.如权利要求12所述的壳管式冷凝器的换热管，其中肋和凹槽彼此之间的定位为所述管的所述外径的0.1-10倍。
15.如权利要求12所述的壳管式冷凝器的换热管，其中所述内表面上的肋的高度为0.5-10mm。
CN201780048004.9A 2016-08-05 2017-07-31 壳管式冷凝器和壳管式冷凝器的换热管 Pending CN109791023A (zh)

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