CN115218557A - 一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，包括两端呈封闭状的管状壳体，所述管状壳体分别通过均压板和隔板将其沿轴向依次分割成冷介质暂存腔室、换热腔室以及排气腔室，换热腔室内均匀布设有多根螺旋换热管，换热管的一端穿过隔板后与排气腔室连通，另一端安装有旋流喷头，旋流喷头通过均压板上的螺纹孔与冷介质暂存腔室连通，换热腔室的管壁上分别设有气态热介质入口和排液口，且设有气态热介质入口一侧的直径大于排液口一侧直径。本发明通过均压板与旋流喷头的共同作用使液态冷却介质能够以扇状雾态等量均匀进入螺旋换热管内，加之螺旋换热管合理的布局，能够实现冷却介质与气态热介质充分的换热，显著提高了传热系数和换热效率。
Description
技术领域
本发明属于管壳式换热器技术领域，具体涉及一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器。
背景技术
众所周知，蒸发器是制冷***中的一种热交换设备，是制冷剂在低温下吸热的热交换器，其作为制冷四大件中很重要的一个部件，工作原理为低温的冷凝“液”体通过蒸发器，与外界的空气或其它热介质进行热交换，“气”化吸热使热量转移，达到制冷的效果。蒸发器主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化，蒸发室使气液两相完全分离。
其中，管壳式蒸发器由于传热效果较好、结构紧凑、占地面积小、制造简单、维护成本较低、安装方便等优点，因此被广泛应用于各种制冷设备中。其按照料液(液态冷介质)进入加热管的位置不同可分为降膜式蒸发器和升膜式蒸发器，其中两者的最大区别在于，升膜式蒸发器料液是在高速的二次蒸汽流及真空的作用下在管壁成膜并向上运动，蒸发后料液与二次蒸汽从蒸发器顶部进入分离器，实现蒸发后料液与二次蒸汽的分离；而降膜式蒸发器则是在料液分布器的作用下将来料分配给每根降膜管并以膜的状态沿着管壁在自身重力及二次蒸汽流的作用下自上而下流动，蒸发后的料液与二次蒸汽在蒸发器底部进入分离器中实现蒸发后的料液与二次蒸汽的彻底分离。由于升膜式蒸发器要求加热温差较大，操作不易控制，易造成跑斜等现象的发生，因此，近年来逐渐被市场淘汰，而现有的降膜式蒸发器存在以下弊端：一是由于料液蒸发时体积会膨胀很多倍，所以考虑到气化后的流速，进入蒸发器的料液体积一般较少，压力不均匀致使进入每只换热管的流量分布不均匀，造成局部换热不均；
二是现有蒸发器换热管结构(直列管)及其布局不合理，造成料液在蒸发器内停留时间很短，无法与热介质进行充分的接触；三是对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降；基于以上原因，导致现有的降膜式蒸发器整体换热效率不高，料液无法充分利用。
有鉴于此，本发明人设计了一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，该降膜蒸发器先通过节流装置对进入冷介质暂存腔室的液态冷介质降压，然后通过均压板与旋流喷头的共同作用，使液态冷介质均匀充满冷介质暂存腔室，其次在旋流喷头的作用使其均匀的喷入螺旋换热管中，在换热腔室内液态冷介质与气态热介质进行充分换热，且螺旋换热管布局合理，从而实现了高效换热的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，包括两端呈封闭状的管状壳体，所述管状壳体的腔室分别通过均压板和隔板将其沿轴向分割成冷介质暂存腔室、换热腔室以及排气腔室，且所述换热腔室位于冷介质暂存腔室和排气腔室之间；
其中，所述冷介质暂存腔室与制冷剂进液管连通，用于暂存液态冷介质；
所述换热腔室内沿管状壳体轴向均匀布设有多根螺旋换热管，每根所述螺旋换热管的一端穿过隔板后与排气腔室连通，所述螺旋换热管的另一端安装有旋流喷头，且所述旋流喷头位于两个均压板之间，每个所述均压板开设有螺纹孔，所述旋流喷头安装在均压板上并通过螺纹孔与冷介质暂存腔室连通，所述换热腔室的管壁上分别开设有气态热介质入口和排液口，所述气态热介质入口靠近冷介质暂存腔室一侧开设、且与载气管道连接，所述排液口靠近排气腔室一侧开设，用于排出经换热腔室将气态热介质液化后的液体；
所述排气腔室上开设有排气口，用于排出经换热腔室将液态冷介质汽化后的气体。
进一步地，所述换热腔室由同轴的第一腔室和第二腔室组成，且所述第一腔室的直径大于第二腔室，所述气态热介质入口设置在所述第一腔室的管壁上，用于使刚进入换热腔室的气态热介质充分均匀地与螺旋换热管接触。
进一步地，多根所述螺旋换热管在换热腔室内呈多层并按照螺旋线形状交错缠绕布设，且任意相邻两层螺旋换热管之间的距离相同、螺旋缠绕方向相反。
进一步地，每一层所述螺旋换热管均以管状壳体的轴心线为中心呈环形阵列布设，同时每一层所述螺旋换热管的根数由内层至外层按顺序递增，且位于同一层螺旋换热管的螺距、螺旋半径、螺旋方向均相同。
进一步地，所述旋流喷头包括喷嘴和套设在所述喷嘴外部的喷壳，所述喷壳入口端处可拆卸连接有过滤网罩，出端口处开设有喷流孔，所述喷嘴位于喷流孔的一侧环形均布有三个螺旋导流槽。
进一步地，所述旋流喷头与均压板的连接处、旋流喷头与螺旋换热管的连接处以及螺旋换热管与隔板的连接处均采用密封连接方式，以防止气体或者液体泄露。
进一步地，所述降膜蒸发器安装时采用垂直或者水平的布设方式，当垂直布设时，所述冷介质暂存腔室位于管状壳体的顶端。
进一步地，所述制冷剂进液管与节流装置连接，用于对流入冷介质暂存腔室的液态冷介质降压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，该降膜蒸发器进入其内部的液态冷介质先是通过节流装置节流降压后，然后经由制冷剂进液管进入冷介质暂存腔室，由于均压板和旋流喷头的共同作用，液态冷介质均匀的充满冷介质暂存腔室，即在旋流喷头前后形成压力差，通过该压力差的作用，使得液态冷介质在通过旋流喷头的螺旋导流槽后，能够均匀的以扇状雾态的形式进入位于换热腔室前端(直径稍大)的螺旋换热管内，并先接触到螺旋换热管管壁，随即与气态热态介质进行换热；另外旋流喷头根据螺旋换热管的布局在均压板上采用层状环形阵列均布的方式，任意相邻两侧螺旋换热管之间的螺旋缠绕方向相反，增加换热腔室和螺旋换热管内的湍流度。综上所述，该降膜蒸发器结构相比与传统蒸发器具有以下优点：一是液态冷介质能够在旋流喷头的作用下以扇状雾态均匀进入换热管接触管壁，更易成膜，有利于换热；二是换热管采用螺旋式且结构布局合理，相较于传统的层流/直列管，不仅延长了液态冷介质与气态热介质热交换的时间，而且配合换热腔室的结构，增加了湍流度；三是该结构利用螺旋换热管产生的扰动以及液体相较于气体较大的密度和粘度，在有限的下降过程中均匀的蒸发，极大地增强了液体成膜的效果，增强了单位面积的换热强度，提高了对流传热系数；基于以上优点，该降膜蒸发器相比与传统技术显著的提高了换热效率，且经过实际测试，其换热强度提高2～3倍。
2、本发明一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，该降膜蒸发器由于液态冷介质在管侧均匀蒸发几乎是等温过程(液态冷介质变成气态冷介质，温度没有改变，只是相态发生了改变)，蒸发器即使采用顺流方式也可以实现很小的端差(因为是相态发生了改变，获得的热量主要引起了介质的相变，即主要是潜热的改变，显热的改变极小)，因此该降膜蒸发器的布局可以垂直或者水平两种方式，方便根据需要进行现场需求进行布设。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明管状壳体结构示意图；
图2为本发明蒸发器整体结构示意图；
图3为本发明均压板结构示意图；
图4为本发明旋流喷头结构示意图；
图5为本发明旋流喷头中喷嘴结构示意图；其中，a为喷嘴主视图，b为喷嘴侧视图。
其中：1为管状壳体；2为均压板；3为隔板；4为制冷剂进液管；5为螺旋换热管；6为旋流喷头；11为冷介质暂存腔室；12为换热腔室；12-1为第一腔室；12-2为第二腔室；13为排气腔室；21为螺纹孔；61为喷嘴；62为喷壳；63为过滤网罩；121为气态热介质入口；122为排液口；131为排气口；611为螺旋导流槽；621为喷流孔。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
请参见图1～5所示，本发明提供一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，包括两端呈封闭状的管状壳体1，其整体外形呈圆柱状，管状壳体1的腔室分别通过均压板2和隔板3将其沿轴向(长度方向)分割成冷介质暂存腔室11、换热腔室12以及排气腔室13，且换热腔室12位于冷介质暂存腔室11和排气腔室13之间，即冷介质暂存腔室11和排气腔室13位于管状壳体1的首尾两端，各个腔室的容积根据实际需求进行设定。通过以上设置，冷介质暂存腔室11内存储的液态冷介质(如氟利昂)等通过管道进入换热腔室12与其内部的气态热介质进行热交换，即可实现将液态冷介质转化为气态，并经排气腔室13排出，同时将气态热介质液化为液体，并经排液口排出。
具体的，本发明实施例中冷介质暂存腔室11上开设有入口，冷介质暂存腔室11通过入口与制冷剂进液管4连通，冷介质暂存腔室11用于暂存液态冷介质，为了避免进入冷介质暂存腔室11内的液态冷介质压力不均或者过高，导致后续进入换热管的流量不均，影响换热效率。优选的，本发明制冷剂进液管4上连接有节流装置(现有技术，图中未显示)，通过节流装置对流入冷介质暂存腔室11内液态冷介质降压。
本发明实施例中换热腔室12内沿管状壳体1轴向均匀布设有多根螺旋换热管5，每根螺旋换热管5的一端穿过隔板3后与排气腔室13连通，螺旋换热管5的另一端安装有旋流喷头6，且旋流喷头6位于两个均压板2之间，每个均压板2开设有螺纹孔21，旋流喷头6安装在均压板2上并通过螺纹孔21与冷介质暂存腔室11连通，换热腔室12的管壁上分别开设有气态热介质入口121和排液口122，气态热介质入口121靠近冷介质暂存腔室11一侧开设、且与载气管道连接，排液口122靠近排气腔室13一侧开设，用于排出经换热腔室12将气态热介质液化后的液体；排气腔室13上开设有排气口131，用于排出经换热腔室12将液态冷介质汽化后的气体。
优选的，本发明实施例在气态热介质入口121和冷介质暂存腔室11的入口均设置有过滤网，过滤网对进入蒸发器内部的介质进行过滤除杂净化，减少了换热腔室12内壁和螺旋换热管5内外壁结垢现象的发生，保证蒸发器长期稳定运行。
其中，本发明实施例换热腔室12由同轴的第一腔室12-1和第二腔室12-2组成，且第一腔室12-1的直径大于第二腔室12-2，气态热介质入口121设置在第一腔室12-1的管壁上，排液口122设置在第二腔室12-2末端底部，即刚进入换热腔室12的气态热介质的空间相对比较大，减少阻力的同时使气态热介质充分均匀地与螺旋换热管5(管内有冷介质)接触，提高换热效率。
另外，本发明实施例中多根螺旋换热管5在换热腔室12内呈多层并按照螺旋线形状交错缠绕布设，且任意相邻两层螺旋换热管5之间的间距相同、螺旋缠绕方向相反；每一层螺旋换热管5均以管状壳体5的轴心线为中心呈环形阵列布设，同时每一层螺旋换热管5的根数由内层至外层按顺序递增，且位于同一层螺旋换热管5的螺距、螺旋半径、螺旋方向均相同，其端部的分布图如图2所示。这样设置在使用时，换热管内的冷介质将沿着换热管的螺旋方向流动，换热腔室12内的气态热介质将沿着同层间螺旋管所构成的螺旋通道流动，其换热优点体现在以下几个方面：一是由于冷介质在螺旋流动的过程中将产生二次环流，加之相邻两层螺旋管的螺旋角为相反数，因此增大了换热腔室12以及螺旋换热管5内以及螺旋换热管5相邻层的湍流度，因此增强了热交换能力；二是换热管采用螺旋管缠绕方式，其长度远远大于换热腔室12长度，既增大了换热面积又大大的延长了换热时间，进一步提高了换热效率。
如图4、5所示，本发明采用的旋流喷头6包括喷嘴61和套设在喷嘴61外部的喷壳62，喷壳62入口端处可拆卸连接有过滤网罩63，该过滤网罩63相较于冷介质暂存腔室11入口处的过滤网孔隙小，以过滤冷介质中细杂质防止阻塞旋流喷头6，出端口处开设有喷流孔621，喷嘴61位于喷流孔621的一侧环形设置有三个螺旋导流槽611，这样当液态冷却介质经过旋流喷头6内部通道时经三个螺旋导流槽611切向作用，即经过旋流喷头6后的液态冷介质能够以扇状雾态的形式均匀喷射在螺旋换热管5的管壁内，每一只旋流喷头6对应一根螺旋换热管5，保证每根螺旋换热管5的换热效果相同或者接近。
本发明实施例在旋流喷头6与均压板2的连接处、旋流喷头6与螺旋换热管5的连接处以及螺旋换热管5与隔板3的连接处均采用密封连接方式，例如焊接，以防止气体或者液体泄露。
本发明蒸发器由于液体在管侧均匀蒸发几乎是等温过程，蒸发器即使采用顺流方式也可以实现很小的端差，因此可根据现场环境或者设备需求选择垂直或者水平的布设方式，当垂直布设时，冷介质暂存腔室11位于管状壳体1的顶端。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，包括两端呈封闭状的管状壳体(1)，所述管状壳体(1)的腔室分别通过均压板(2)和隔板(3)将其沿轴向分割成冷介质暂存腔室(11)、换热腔室(12)以及排气腔室(13)，且所述换热腔室(12)位于冷介质暂存腔室(11)和排气腔室(13)之间；
其中，所述冷介质暂存腔室(11)与制冷剂进液管(4)连通，用于暂存液态冷介质；
所述换热腔室(12)内沿管状壳体(1)轴向均匀布设有多根螺旋换热管(5)，每根所述螺旋换热管(5)的一端穿过隔板(3)后与排气腔室(13)连通，所述螺旋换热管(5)的另一端安装有旋流喷头(6)，且所述旋流喷头(6)位于两个均压板(2)之间，每个所述均压板(2)开设有螺纹孔(21)，所述旋流喷头(6)安装在均压板(2)上并通过螺纹孔(21)与冷介质暂存腔室(11)连通，所述换热腔室(12)的管壁上分别开设有气态热介质入口(121)和排液口(122)，所述气态热介质入口(121)靠近冷介质暂存腔室(11)一侧开设、且与载气管道连接，所述排液口(122)靠近排气腔室(13)一侧开设，用于排出经换热腔室(12)将气态热介质液化后的液体；
所述排气腔室(13)上开设有排气口(131)，用于排出经换热腔室(12)将液态冷介质汽化后的气体。
2.根据权利要求1所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，所述换热腔室(12)由同轴的第一腔室(12-1)和第二腔室(12-2)组成，且所述第一腔室(12-1)的直径大于第二腔室(12-2)，所述气态热介质入口(121)设置在所述第一腔室(12-1)的管壁上，用于使刚进入换热腔室(12)的气态热介质充分均匀地与螺旋换热管(5)接触。
3.根据权利要求1或2所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，多根所述螺旋换热管(5)在换热腔室(12)内呈多层并按照螺旋线形状交错缠绕布设，且任意相邻两层螺旋换热管(5)之间的间距相同、螺旋缠绕方向相反。
4.根据权利要求3所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，每一层所述螺旋换热管(5)均以管状壳体(1)的轴心线为中心呈环形阵列布设，同时每一层所述螺旋换热管(5)的根数由内层至外层按顺序递增，且位于同一层螺旋换热管(5)的螺距、螺旋半径、螺旋方向均相同。
5.根据权利要求1所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，所述旋流喷头(6)包括喷嘴(61)和套设在所述喷嘴(61)外部的喷壳(62)，所述喷壳(62)入口端处可拆卸连接有过滤网罩(63)，出端口处开设有喷流孔(621)，所述喷嘴(61)位于喷流孔(621)的一侧环形均布有三个螺旋导流槽(611)。
6.根据权利要求1所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，所述旋流喷头(6)与均压板(2)的连接处、旋流喷头(6)与螺旋换热管(5)的连接处以及螺旋换热管(5)与隔板(3)的连接处均采用密封连接方式，以防止气体或者液体泄露。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，所述降膜蒸发器安装时采用垂直或者水平的布设方式，当垂直布设时，所述冷介质暂存腔室(11)位于管状壳体(1)的顶端。
8.根据权利要求7所述的一种均压螺旋管壳式降膜蒸发器，其特征在于，所述制冷剂进液管(4)与节流装置连接，用于对流入冷介质暂存腔室(11)的液态冷介质降压。
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