CN111256487B - 一种构成循环回路的蒸汽冷却装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构成循环回路的蒸汽冷却装置及方法，由蒸汽入口、集水槽、调节阀、节流孔板、冷却外管、挡板、喷淋装置、冷却水通道、冷却内管、蒸汽出口组成，所述节流孔板中的节流孔经过倒角处理；所述冷却外管采用螺旋槽纹管来实现强化换热；所述挡板安装时与冷却外管形成一个夹角；喷淋装置错列布置，将冷却水雾化后喷向蒸汽使其冷却；蒸汽出口和真空泵相连；冷却水通道将集水槽中的水引入喷淋装置，形成循环。本发明通过循环水对蒸汽进行冷却，形成气液混合区增加换热系数，有利于对冷却内管内的流体进行冷却，节约水资源，操作便捷。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽冷却设备技术领域，具体是一种构成循环回路的蒸汽冷却装置。
背景技术
现代工业中，冷却设备的用水占用水量的70％-80％，在水资源短缺的背景之下，由于水的汽化潜能和比热远大于气体的比热，所以蒸发冷却的冷却效果更为显著，蒸发式冷却技术凭借自身特点逐渐发展起来。
蒸发式冷却方法，将空冷和水冷有机结合起来，主要是冷却管内外交换热量的过程，冷却水可循环使用，节约水资源，减轻工业中的用水压力。在实际使用过程中，冷却水易在换热管内堆积，产生水垢，同时不能及时排出的冷凝液滴会使冷凝液膜不断加厚，不利于换热，降低了冷却效率，不符合高效节能的发展需求。
发明内容
本发明针对现有蒸汽式冷却装置使用过程中的不足，提供了一种构成循环回路的蒸汽冷却装置，可以促进液滴掉落，减薄冷凝液膜的厚度，进一步节约水资源，同时提高冷却效率。
本发明采用如下的技术方案：
一种构成循环回路的蒸汽冷却装置，其包括蒸汽入口、集水槽、调节阀、节流孔板、冷却外管、挡板、喷淋装置、冷却水通道、冷却内管和蒸汽出口；
所述蒸汽入口设置在所述集水槽的侧壁上端，冷却外管竖向设置于集水槽顶部，且集水槽的顶部通过节流孔板与冷却外管的底部连通，所述蒸汽出口设置于冷却外管侧壁上部；所述的冷却内管在冷却外管内腔中螺旋上升布置，其进出口均位于冷却外管外部；所述冷却内管外部安装有翅片；所述冷却外管的内壁上沿程不同高度布置有若干挡板和若干喷淋装置，所述挡板伸入冷却内管与冷却外管之间的蒸汽流道中，所述的喷淋装置通过带有调节阀的冷却水通道连接所述集水槽，用于将集水槽中的冷却水雾化后喷入蒸汽流道中。
作为优选，所述挡板为波纹状，安装时其板体走向与冷却外管的轴线形成一个向下的夹角，以形成波浪形通道供蒸汽流通；挡板从冷却外管内壁开始伸入冷却内管的内凹侧。
作为优选，所述挡板上开设有若干通孔，用于使表面聚集的水流入集水槽，避免冷凝液膜不断加厚。
作为优选，所述节流孔板中的节流孔经过倒角处理。
作为优选，其特征在于，所述冷却外管采用螺旋槽纹管，其内壁具有螺旋槽纹。
作为优选，所述喷淋装置在所述冷却外管内壁的沿程及周向上均匀布设，且对向的喷淋装置在高度上错列布置；所述喷淋装置的冷却水喷射方向向下倾斜，与冷却外管的轴向方向存在一个夹角。
作为优选，所述冷却内管采用螺旋盘管，且外部喷涂防锈涂层。
作为优选，所述蒸汽出口与外部抽吸负压源连接。
作为优选，所述挡板沿长度方向的横截面，由两个呈中心对称的弧线拼接成 S形波纹，每条弧线的曲率半径为10mm，每条弧线起始端的切线角度与水平面的夹角为22.5°，挡板两端之间的水平间距l与冷却外管直径D的比值l/D＝0.6。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述蒸汽冷却装置的蒸汽冷却方法，其特征在于：将待冷却的蒸汽从蒸汽入口通入，穿过节流孔板后进入冷却内管与冷却外管之间的蒸汽流道中，并在挡板的阻隔下螺旋上升；蒸汽通入过程中，不断将集水槽中的通过冷却水通道引入喷淋装置，冷却水雾化后同上升的蒸汽混合，使部分冷却水吸收高温蒸汽的热量后汽化成蒸汽，和经过冷却的蒸汽从蒸汽出口排出，部分高温蒸汽冷凝形成液滴，和剩余的冷却水一起在重力作用下重新流入集水槽，形成循环回路；待冷却的蒸汽在流动过程中通过三个方面来实现冷却内管内的流体冷却：一是利用冷却水接触高温蒸汽并通过汽化吸收大量热量，同时冷却外管的螺旋槽纹进一步有利于相变换热；二是利用挡板错列布置形成的波浪形蒸汽通道，促进蒸汽和冷却水的充分接触，形成气液混合区强化换热；三是利用冷却内管外部安装的翅片结构，使翅片表面的水蒸发带走大量热量，通过空冷和水冷相结合，加快内部蒸汽的冷却过程。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的蒸汽冷却装置中，挡板上的小孔使冷凝液滴顺利落下，减薄了冷凝液膜，波浪形的气体通道使蒸汽和冷却水充分接触，吸收更多热量，提高了冷却效率；
(2)本发明的蒸汽冷却装置利用多种强化换热方法，空冷和水冷相结合，形成气液混合区强化换热，提高了冷却效率，同时强化换热结构的使用增加了换热面积，减小了设备尺寸；
(3)本发明的蒸汽冷却装置避免冷却水在换热管内堆积，使更多冷却水加入冷却循环中，节约了水资源。
附图说明
为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：
图1为本发明所涉及的蒸汽冷却装置的结构示意图；
图2为本发明所涉及的挡板沿长度方向的横截面示意图；
图3为本发明所涉及的挡板的平面俯视示意图；
图中：1、蒸汽入口；2、集水槽；3、调节阀；4、节流孔板；5、冷却外管； 6、挡板；7、喷淋装置；8、冷却水通道；9、冷却内管；10、蒸汽出口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，为本发明的一个较佳实施例中提供的一种构成循环回路的蒸汽冷却装置，该装置包括蒸汽入口1、集水槽2、调节阀3、节流孔板4、冷却外管5、挡板6、喷淋装置7、冷却水通道8、冷却内管9和蒸汽出口10。
其中，蒸汽入口1设置在集水槽2的侧壁上端，冷却外管5竖向设置于集水槽 2顶部，且集水槽2的顶部通过节流孔板4与冷却外管5的底部连通，蒸汽出口10 设置于冷却外管5侧壁上部，待冷却的蒸汽从蒸汽入口1通入，经过节流孔板4后上升，再通过蒸汽出口10排出。为了节流孔板4中的节流孔经过倒角处理，使蒸汽流速平缓增加，以合理的热力状态进入冷却外管5，减少能量耗散。
在运行过程中，可以在蒸汽出口10设置真空泵提供负压，作为蒸汽在通道内流动的动力。冷却内管9在冷却外管5内腔中螺旋上升布置，其进出口均位于冷却外管5外部，冷却内管9内通入冷却介质，进行空冷冷却，冷却介质可以是水或者其他的冷却剂。为了提高换热效率，可以在冷却内管9外部沿程安装有翅片，提高换热面积。
另外，本发明中除了冷却内管9的空冷换热之外，还通过水雾喷淋进行水冷降温。其做法是在冷却外管5的内壁上沿程不同高度布置有多个挡板6和多个喷淋装置7，其中挡板6伸入冷却内管9与冷却外管5之间的蒸汽流道中，而每个喷淋装置7通过带有调节阀3的冷却水通道8连接集水槽2，用于将集水槽2中的冷却水雾化后喷入蒸汽流道中。喷淋装置7在冷却外管5内壁的沿程及周向上均匀布设，且对向的喷淋装置7在高度上错列布置。为了提高错流换热效率，喷淋装置 7的冷却水喷射方向向下倾斜，与冷却外管5的轴向方向存在一个夹角。喷淋装置7的这个夹角，能够有利于蒸汽和冷却水的充分混合，也能更好地喷洒到冷却内管9的外壁，促进管内介质的冷却。
同时，本实施例中的冷却外管5采用螺旋槽纹管，其内壁具有螺旋槽纹。同时，冷却内管9采用螺旋盘管，且外部喷涂防锈涂层。这使得整个蒸汽流道的形态呈现螺旋形式。这种螺旋槽纹管增大了换热面积，减薄了边界层，促进冷却水和蒸汽的混合，有利于相变传热，使冷却水吸收更多热量。而冷却内管9采用螺旋盘管，外部装有翅片，增加了换热面积，使管内的蒸汽同时能够同时被空气冷却，提高换热效率，管外喷涂了防锈涂层，防止冷却水中含有的杂质腐蚀表面，同时延长了装置的使用寿命。
基于上述蒸汽冷却装置的蒸汽冷却方法，其具体做法如下：将待冷却的蒸汽从蒸汽入口1通入，穿过节流孔板4后进入冷却内管9与冷却外管5之间的蒸汽流道中，并在挡板6的阻隔下螺旋上升；蒸汽通入过程中，不断将集水槽2中的通过冷却水通道8引入喷淋装置7，冷却水雾化后同上升的蒸汽混合，使部分冷却水吸收高温蒸汽的热量后汽化成蒸汽，和经过冷却的蒸汽从蒸汽出口10排出，部分高温蒸汽冷凝形成液滴，和剩余的冷却水一起在重力作用下重新流入集水槽2，形成循环回路；待冷却的蒸汽在流动过程中通过三个方面来实现冷却内管 9内的流体冷却：一是利用冷却水接触高温蒸汽并通过汽化吸收大量热量，同时冷却外管5的螺旋槽纹进一步有利于相变换热；二是利用挡板6错列布置形成的波浪形蒸汽通道，促进蒸汽和冷却水的充分接触，形成气液混合区强化换热；三是利用冷却内管9外部安装的翅片结构，使翅片表面的水蒸发带走大量热量，通过空冷和水冷相结合，加快内部蒸汽的冷却过程。
在该装置运行过程中，内部冷却水的用量可以根据目标冷却效果进行调节。以高温蒸汽以流量30t/h，温度250℃的初始状态流入蒸汽入口1，依据气液两相流的相关理论，以物质平衡和热量平衡为计算原则来确定冷却水量，
式中，Wcw为减温水的用量，kg/h；Wos为出口蒸汽的产量，kg/h；his为进口蒸汽的焓值，kJ/kg；hos为出口蒸汽的焓值，kJ/kg；hcw为冷却水的焓值，kJ/kg； h’os为饱和水的焓值，kJ/kg，
为冷却水中未蒸发部分所占比例。
根据实际需求，确定调节阀3的具体开度大小，调整冷却水的用量，保证冷却管内的冷却效果达到最佳。
为了提高高温蒸汽在蒸汽通道内的整体换热效率，本实施例中对冷却内管9 和冷却外管5之间的蒸汽流道进行了结构优化，具体的优化措施为：
将挡板6设置为波纹状，安装时其板体走向与冷却外管5的轴线形成一个向下的夹角，以形成波浪形通道供蒸汽流通。挡板6的厚度w不宜过大。所谓板体走向是指挡板6的两个端部之间的连线方向。挡板6从冷却外管5内壁开始伸入冷却内管9的内凹侧，由此使得高温蒸汽在向上流动是会波浪形的挡板6阻隔，延长换热时间，强化换热效率。而且如图2所示，本实施例中的挡板6沿长度方向的横截面，由两个呈中心对称的弧线拼接成S形波纹。同时，如图3所示，挡板6 的板面上均匀开设有若干通孔，用于使表面聚集的水流入集水槽2，避免冷凝液膜不断加厚。
装置中各挡板6的结构形式和安装形态会直接影响换热的效率，本实施例中经过大量的优化，表明当挡板长度l与冷却外管的直径D的比值为l/D＝0.6，此时换热效果最佳。进一步通过试验，给出了挡板的最佳安装形式：在本实施例中，每条弧线的曲率半径R为10mm，挡板6两端之间的水平间距l与冷却外管直径D 的比值l/D＝0.6。由于挡板6为波纹状，因此安装时可以调节其与冷却外管5之间的向下夹角β，β角度实际上是挡板6的安装端面的垂线与水平面的夹角。调整β的角度范围在5°-10°之间，使每条弧线起始端的切线角度与水平面的夹角α为22.5起，在该安装形式下能够保证蒸汽的冷却效果最佳。
为了说明上述挡板的安装形式对最终效果的影响，本实施例中对不同安装形式下的装置结构进行了效果测试。在本实施例的基础上，另外增设了两组对照，对照组一中在蒸汽通道内完全不设置挡板6，在对照组二中通过调节挡板6 的安装角，使其每条弧线起始端的切线角度与水平面的夹角α为0°，即保持水平状态。在不同的安装状态下，测试其综合评价指标PEC：
式中，Nu为无量纲换热系数努塞尔数；f为阻力系数；下标0代表不使用挡板的情况。
结果表明，当夹角α为22.5°时，本实施例的冷却装置综合评价指标PEC，是对照组一种不使用挡板的冷却装置的1.41倍，是对照组二中冷却装置的1.2倍。由此表明，本发明的挡板设置形式能够强化气液混合区换热，提高装置整体换热效率。
以上所述的实施案例仅为本发明的具体实施方式，并非本发明的保护范围的限定。熟悉本领域的相关技术人员在本发明的基础上还可以做出其他不同方法的尝试。而由本发明引发出的不经过创造性劳动而进行的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，包括蒸汽入口（1）、集水槽（2）、调节阀（3）、节流孔板（4）、冷却外管（5）、挡板（6）、喷淋装置（7）、冷却水通道（8）、冷却内管（9）和蒸汽出口（10）；
所述蒸汽入口（1）设置在所述集水槽（2）的侧壁上端，冷却外管（5）竖向设置于集水槽（2）顶部，且集水槽（2）的顶部通过节流孔板（4）与冷却外管（5）的底部连通，所述蒸汽出口（10）设置于冷却外管（5）侧壁上部；所述的冷却内管（9）在冷却外管（5）内腔中螺旋上升布置，其进出口均位于冷却外管（5）外部；所述冷却内管（9）外部安装有翅片；所述冷却外管（5）的内壁上沿程不同高度布置有若干挡板（6）和若干喷淋装置（7），所述挡板（6）伸入冷却内管（9）与冷却外管（5）之间的蒸汽流道中，所述的喷淋装置（7）通过带有调节阀（3）的冷却水通道（8）连接所述集水槽（2），用于将集水槽（2）中的冷却水雾化后喷入蒸汽流道中。
2.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述挡板（6）为波纹状，安装时其板体走向与冷却外管（5）的轴线形成一个向下的夹角，以形成波浪形通道供蒸汽流通；挡板（6）从冷却外管（5）内壁开始伸入冷却内管（9）的内凹侧。
3.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述挡板（6）上开设有若干通孔，用于使表面聚集的水流入集水槽（2），避免冷凝液膜不断加厚。
4.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述节流孔板（4）中的节流孔经过倒角处理。
5.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述冷却外管（5）采用螺旋槽纹管，其内壁具有螺旋槽纹。
6.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述喷淋装置（7）在所述冷却外管（5）内壁的沿程及周向上均匀布设，且对向的喷淋装置（7）在高度上错列布置；所述喷淋装置（7）的冷却水喷射方向向下倾斜，与冷却外管（5）的轴向方向存在一个夹角。
7.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述冷却内管（9）采用螺旋盘管，且外部喷涂防锈涂层。
8.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述蒸汽出口（10）与外部抽吸负压源连接。
9.根据权利要求1所述的构成循环回路的蒸汽冷却装置，其特征在于，所述挡板（6）沿长度方向的横截面，由两个呈中心对称的弧线拼接成S形波纹，每条弧线的曲率半径为10mm，每条弧线起始端的切线角度与水平面的夹角为22.5°，挡板（6）两端之间的水平间距l与冷却外管直径D的比值l/D=0.6。
10.一种利用权利要求1~9任一所述蒸汽冷却装置的蒸汽冷却方法，其特征在于：将待冷却的蒸汽从蒸汽入口（1）通入，穿过节流孔板（4）后进入冷却内管（9）与冷却外管（5）之间的蒸汽流道中，并在挡板（6）的阻隔下螺旋上升；蒸汽通入过程中，不断将集水槽（2）中的冷却水通过冷却水通道（8）引入喷淋装置（7），冷却水雾化后同上升的蒸汽混合，使部分冷却水吸收高温蒸汽的热量后汽化成蒸汽，和经过冷却的蒸汽从蒸汽出口（10）排出，部分高温蒸汽冷凝形成液滴，和剩余的冷却水一起在重力作用下重新流入集水槽（2），形成循环回路；待冷却的蒸汽在流动过程中通过三个方面来实现冷却内管（9）内的流体冷却：一是利用冷却水接触高温蒸汽并通过汽化吸收大量热量，同时冷却外管（5）的螺旋槽纹进一步有利于相变换热；二是利用挡板（6）错列布置形成的波浪形蒸汽通道，促进蒸汽和冷却水的充分接触，形成气液混合区强化换热；三是利用冷却内管（9）外部安装的翅片结构，使翅片表面的水蒸发带走大量热量，通过空冷和水冷相结合，加快内部蒸汽的冷却过程。
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2020
- 2020-01-17 CN CN202010055142.3A patent/CN111256487B/zh active Active
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