CN116036623A - 一种强化卧管蒸发器传热系数的方法、卧管蒸发器及辅助布膜扰动环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强化卧管蒸发器传热系数的方法、卧管蒸发器及辅助布膜扰动环，其方法包括三个工艺环节：软化预处理工艺、汽液同向工艺和辅助布膜工艺。本发明的强化卧管蒸发器传热系数的方法和卧管蒸发器以及辅助布膜扰动环，可以显著提高强化卧管蒸发器的传热系数。

Description

一种强化卧管蒸发器传热系数的方法、卧管蒸发器及辅助布膜扰动环

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种强化卧管蒸发器传热系数的方法、卧管蒸发器及辅助布膜扰动环。

背景技术

卧管蒸发器技术最早用于美国海军军舰海水淡化，属于薄膜蒸发器的一种，蒸发效率高，运行能耗低。

在其优化设计中，换热管表面液膜的流动是需要考虑的重要参数。对于卧管降膜蒸发，布膜一般包括三种模式，如附图1中(a)、(b)、(c)所示。

当液膜的流速充分降低或传热量增加时，易于发生膜破裂，薄膜可能因变薄、破裂并形成干斑。这种干斑会导致换热管表面平均传热系数大幅降低。

Ganic和Getachew(1986)以及Gross(1994)通过研究发现这些导致表面平均传热系数大幅降低的干斑其形成包括如下几种机制：

(1)液体惯性力。停滞点处液体减速引起的压力有利于干燥斑块的重新润湿。

(2)表面张力。界面表面张力倾向于增大干斑的尺寸。

(3)马朗戈尼效应。由表面温度梯度引起的表面张力变化产生的力。它倾向于将液体从层中最薄的位置输送出去，导致干斑形成。

(4)蒸汽惯性力。同时发生的蒸汽流在液体周围产生吸力，增加了干斑的尺寸。

(5)界面剪切应力。来自前缘的液体被蒸汽流夹带，使液膜变薄，对于向上的蒸汽流尤其如此。

卧管蒸发器布膜受到影响因素很多，其中如附图1(c)所示的片状流动模式能更好地避免在换热管上形成干斑。该片状模式是目前较为广泛采用的运行状态，但是在实际运行过程中，因为各种因素影响，其传热效率依然很难达到理想状态，如何更好的改善液膜的流动状态并最大限度的改善换热管的传热效率，是本领域迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的现状，本发明的一个目的在于提供一种强化卧管蒸发器传热系数的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种强化传热系数的卧管蒸发器。

本发明的另一个目的在于提供一种辅助布膜扰动环。

本发明的技术方案如下：

一种强化卧管蒸发器传热系数的方法，其特征在于所述卧管蒸发器的运行至少包括：汽液同向工艺，卧管蒸发器运行过程中，二次蒸汽与液膜同向运行，所述卧管蒸发器的运行还包括辅助布膜工艺，所述辅助布膜工艺为通过扰动环套置于换热管上，并沿换热管轴向做往复运动，使换热管表面持续处于湿润状态，以强化卧管蒸发器的传热系数。

作为一种优选的技术方案，所述卧管蒸发器的运行还包括软化预处理工艺，所述软化预处理工艺为对蒸发介质布膜前预先进行化学软化处理。

作为一种优选的技术方案，所述汽液同向工艺通过所述卧管蒸发器的换热管束两端管箱与卧管蒸发器筒体之间半封闭，形成在一端或两端管箱下部的蒸汽通道，迫使蒸发产生的二次蒸汽与换热管上的布膜液流同向流动并通过该蒸汽通道排出。

作为一种优选的技术方案，所述辅助布膜工艺包括一组分别套设在所述卧管蒸发器换热管上的扰动环，所述扰动环内腔中最小内径处大于所述换热管的外径，且各扰动环均固定设置于一个或一组固定板上，所述固定板固定连接一轮架，所述轮架驱动固定板及扰动环沿换热管轴向做往复运动，以干扰换热管表面的液膜因蒸发及结垢产生干斑。

一种卧管蒸发器，所述卧管蒸发器为应用如上所述强化卧管蒸发器传热系数的方法的卧管蒸发器。

作为一种优选的技术方案，所述卧管蒸发器筒体内两端分别设置有一个或一组换热管束，且其中一个或若干个换热管束上设置有强制蒸汽与布膜液流同向流动的半封闭通道，以及辅助布膜的扰动环。

作为一种优选的技术方案，所述卧管蒸发器还包括用于分隔换热管束的隔板，所述隔板将换热管束分为若干换热管束段，且各换热管束段上分别设置有辅助布膜的扰动环。

一种辅助布膜扰动环，其特征在于：所述扰动环为环状等内径螺旋体结构，其环丝横截面为正方形或长方形，且其螺旋体一端或两端沿螺旋体收口圆环的切线方向设置有延伸段，所述延伸段截面与所述固定板上设置的插孔相适配并插置于该插孔中。

作为一种优选的技术方案，所述扰动环的螺旋体部分中间的一节距或若干节距最大，且该节距还用以容纳相邻扰动环延伸段的插置。

作为一种优选的技术方案，所述扰动环的螺旋体部分中，各节距按照从中间向两侧依次递减。

作为一种优选的技术方案，所述扰动环的螺旋体内壁与换热管外壁之间的间隙为2～2.5mm。

本发明的技术效果在于：

(1)本发明提供一种强化卧管蒸发器传热系数的方法，现有技术针对卧管蒸发器因易结垢会导致传热系数降低的技术困境，往往简单通过药剂除垢、机械除垢等方式，试图达到理想化的传热效率，然而，对于换热管传热系数降低，事实上并非仅仅只包括结垢一个因素导致，干斑现象也是造成传热系数降低的重要因素。本发明通过采用化学药剂软化预处理，结合蒸发过程中二次蒸汽对液膜的影响，利用汽液同向流动、辅助布膜扰动环相结合的技术方案，尽可能消除干斑现象对传热系数造成的不利影响，强化卧管蒸发器的传热系数。

(2)本发明通过采用换热管束两端管箱，与筒体之间形成半封闭蒸汽通道的方式，迫使蒸汽沿该通道排出，从而在换热管束上形成蒸发蒸汽与液膜同向向下流动，实验证明：蒸汽与液膜同向运动时能够显著降低干斑现象，即可以提高卧管蒸发器的传热系数。

(3)本发明通过在换热管上设置扰动环，利用扰动环在换热管上做往复运动，使换热管外壁持续处于湿润状态，并且可以直接扰动液体、优化换热管表面的液体分布，形成稳定液膜，抑制干斑现象。

(4)换热管在蒸发过程中，湿润表面积越大，其传热系数也越大，本发明的扰动环可以在干扰换热管干斑现象过程中，提高换热管的湿润表面积，提高传热系数。

(5)蒸发过程中，扰动环的往复运动可以确保换热管壁始终处于湿润状态，一方面保证了换热管壁上具有更多的核沸腾的成核点位，能够产生更多的气泡搅拌液膜，使得蒸发效率更高，传热系数更优，另一方面，使得换热管壁始终处于稳定的湿润状态，核沸腾成核点位可以稳定持续保留，有利于换热管的高传热系数保持更持久。

(6)本发明的扰动环采用环状等内径螺旋体结构，扰动环与换热管之间存在2～2.5mm的间隙，既可以保证扰动环顺畅沿换热管轴向做往复运动，又利于高效扰动液体，形成稳定液膜。

附图说明

图1所示为换热管表面液膜的三种形式。

图2所示为本发明的卧管蒸发器的汽液同向的结构示意图。

图3所示为本发明的卧管蒸发器的结构示意图。

图4所示为本发明的轮架结构示意图。

图5所示为本发明的辅助布膜扰动环的一种实施例的结构示意图。

图6所示为本发明的固定板的结构示意图。

图7所示为固定板的装配示意图。

图8所示为实验所用的固定板和扰动环的装配示意图。

图9所示为换热管外径与传热系数的实验曲线图。

图10所示为进水硬度与运行时间的实验曲线图。

图11所示为本发明与普通卧管蒸发器的运行时长与传热系数的曲线图。

附图标记列示如下：

1-端面管板，2-上滚轮，3-轮架，4-中间隔板，5-上固定板，6-中间隔板，7-扰动环，8-内管板，9-下滚轮轨道托架，10-下滚轮轨道，11-下滚轮，12-下固定板，13-换热管，14-筒体，15-上滚轮轨道，16-连接通道，17-接头，18-内管箱，19-丝网除沫器，20-喷嘴，21-蒸汽出口，22-循环液出口，23-轮架上轮固定板，24-轮架骨架，25-轮架立柱，26-轮架横梁。

具体实施方式

现将详细参考本申请的实施例，在图中说明本申请的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本申请而提供，而非限制本申请。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下可在本申请中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本申请涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”等可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。如说明书中所使用，除非上下文另外明确指出，否则术语“一”，“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除列出的要素外可能还有其他要素。

现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字表示相同的元件，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

图2所示为本发明的卧管蒸发器的汽液同向的结构示意图。

图3所示为本发明的卧管蒸发器的结构示意图。

本发明的卧管蒸发器包括：1-端面管板，2-上滚轮，3-轮架，4-中间隔板，5-上固定板，6-中间隔板，7-扰动环，8-内管板，9-下滚轮轨道托架，10-下滚轮轨道，11-下滚轮，12-下固定板，13-换热管，14-筒体，15-上滚轮轨道，16-连接通道，17-接头，18-内管箱，19-丝网除沫器，20-喷嘴，21-蒸汽出口，22-循环液出口，23-轮架上轮固定板，24-轮架骨架，25-轮架立柱，26-轮架横梁。

作为一种选优的实施方法，卧管蒸发器通过将蒸汽出口设置在筒体中部，蒸汽出口两侧通过封板、管箱及筒体形成通道，让卧管蒸发器的换热管上沸腾形成的蒸汽只能先向下运动，经过内管箱底部，进入两个内管箱和封板形成的通道，经过除沫器到达蒸汽出口，从而实现，二次蒸汽和循环液同向流动，减少对流传热，防止液膜被蒸汽流夹带变薄，形成干斑，导致表面平均传热系数变小。

具体的运行流程：当循环液进入喷嘴20后，雾化后喷洒到换热管13表面，形成液膜垂直于换热管13向下流动，换热完成后在换热管13表面沸腾，由于内管箱18、封板、筒体14形成一个半封闭的空间，产生的蒸汽将垂直于换热管13从间隙向下运动，经过两边内管箱18底部来到筒体14内部中间，经由内管箱18、封板、筒体14形成的蒸汽通道，通过丝网除沫器19进入蒸汽出口21，达到和循环液同向流动的目的。

本发明的汽液同向工艺，还可以基于其它的结构或装置实施，例如，可以利用在蒸发器筒体内设置定向引流风机或是在筒体内设置更多的封板，实现蒸汽定向流动。

图4所示为本发明的轮架结构示意图。

图5所示为本发明的辅助布膜扰动环的一种实施例的结构示意图。

图6所示为本发明的固定板的结构示意图。

图7所示为固定板的装配示意图。

作为一种实施例，在卧管蒸发器的左右两侧各设有一组换热管束，相应的，每组换热管束均设置有一套辅助布膜装置。

换热管13两端各有一块管板，换热管13通过胀接或者焊接的方式固定在端面管板1和内管板8上，端面管板1和内管板8固定连接在筒体14上，优选为焊接连接。

在端面管板1和内管板8之间分布若干块中间隔板，将端面管板1和内管板8之间等分成若干管段，中间隔板固定连接在筒体14内壁上，优选为焊接连接。

换热管13上每一管段都装配有扰动环7，扰动环7固定在固定板上，固定板分为上固定板5和下固定板12，上固定板5固定连接在轮架横梁26的上侧，下固定板12固定连接在轮架横梁26的下侧，轮架3由轮架上轮固定板21、轮架骨架24、轮架立柱25、轮架横梁26组成，轮架上轮固定板21连接上滚轮2，上滚轮2在上滚轮轨道15上运动，在轮架3的下部固定有下滚轮11，下滚轮11在下滚轮轨道10上来回运动，下滚轮轨道10固定在下滚轮轨道托架9上，下滚轮轨道托架9底部和两侧设置有可调螺丝，可对下滚轮轨道10进行调节，保证下滚轮轨道10的水平度及平行度，下滚轮轨道托架9固定连接在端面管板1和中间隔板4上，轮架的轨道及轮子布置在筒体14侧面，中间隔板开孔，轮架可在隔板开孔内往复运动，并带动上固定板5和下固定板12做往复运动，固定板带动固定在其上面的扰动环7沿换热管13表面往复运动，扰动环7套在换热管13上，通过扰动环7的往复运动使换热管外壁持续处于湿润状态，并且可以直接扰动液体、优化换热管表面的液体分布，形成稳定液膜，抑制干斑现象。

端面管板1的中间开有连接通道16，接头17通过连接通道16，一端和轮架3相连，一端和动力装置相连。接头17可以选用常规的万能接头。

作为优选的实施例，扰动环7采用正方形钢丝螺旋绕制一体式成型，制作简单，在其一端有一个较长的伸出端，伸出端穿过固定板上插孔后延伸插置固定在同一块固定板上的相邻的扰动环7的螺旋体节距内，这样的结构可以保证扰动环7运行中不会掉落。

扰动环7的螺旋体结构并非均匀节距，其中间有一节或多节节距较其它节距大，用来卡住固定在同一块固定板上相邻的扰动环。

本发明创造性地将卧管蒸发器的蒸汽流向改为与循环液流向同向流动，弱化了气体剪切力，可以使换热管表面液膜不容易形成干斑，同时采用辅助布膜工艺，人为干预换热管表面的布膜状态，保证换热管上液膜均匀，不会形成干斑。其技术理论关键点在于：

1、改变蒸汽流向，与循环液流向相同，减少水平管上干斑形成几率，增加传热系数。

2、增加一套辅助布膜装置，让液膜更加稳定。

以下为与本发明相关实验

实验内容：(1)选择合理的管径以及水平管布局，增强布膜效果。

通过实验测量了较小的管径具有较高传热系数。冲击区域在总流动面积中的相应比例随着直径的减小而增加，从而导致更好的性能。

根据GB151-2014管壳式换热器标准上的要求，国标换热管有以下几种规格：

图1 GB151-2014《管壳式换热器标准》推荐换热管间距

换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，常用的换热管中心距见表12。

表12mm

选取12到30换热管，先按照GB151-2014推荐的换热管进行试验测得传热系数如图9所示。

通过曲线可以看出，当换热管外径为小于19mm时，卧管蒸发器的传热系数随换热管外径的增大而缓慢升高，当换热管外径为19mm是传热系数达到最高，换热管外径超过19mm后,传热系数随换热管外径的增大而开始下降，因此选择换热管外径为19mm。

(2)扰动环与换热管之间合理的间隙，保证布膜均匀，通过实验发现当扰动环内径D，和换热管外径d，满足D＝d+4～5mm装置的传热系数达到最高。如图8所示。

(3)进卧管蒸发器之前，如待处理液为易结垢水质则做软化预处理，防止扰动环表面及缝隙内结垢卡死，影响布膜。

软化对辅助布膜装置影响，以进水硬度3500mg/L为例，通过实验得出不同的软化效果，卧管蒸发器辅助布膜装置能保证产水80％以上连续运行的时间如图10所示。

从实验所得数据图上可以看出，处理硬度高，易结垢废水时，化学药剂软化对于该装置卧管蒸发器能否正常运行，保持高的传热系数很重要，试验过程中，当硬度到达3500mg/L时，换热管表面形成大量垢体，导致该辅助布膜装置的扰动环在运行30小时左右会被垢卡住无法动弹，起不到提高传热系数的作用，产水率下降至80％以下，随着软化效果的越来越好，硬度越来越低，该***保持高传热系数运行的时间就越长，当软化到硬度小于500mg/L以后，***维持高传热系数达到20天以上。

(4)扰动环采用2205不锈钢方丝螺旋卷制，耐腐蚀性能好，不完全固定，上下左右都有一定补偿量，正常状态下，布膜时不会卡死。

(5)同样的处理量300吨每天卧管蒸发器试验机，处理同样经过软化以后的废水，软化后硬度100mg/L，两种蒸发器采用相同管径的换热管：

一种采用普通卧管蒸发器，蒸汽流向上，没有扰动环辅助布膜装置一种采用强化传热系数的方法及设备的卧管蒸发器，采用蒸汽循环水水流同向，都向下，有扰动环辅助布膜装置，传热系数参数对比如下：

可从图11中看出经过强化传热后，卧管蒸发器的传热系数平均增加500W/(m²·K),提高了25％以上。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员而言，依据本发明公开的技术内容和实质，还可以做出其它的变型和改进，但这些变型和改进均将包含于本发明的保护范围。

本说明书使用实施例来公开本申请，包括最佳实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本申请，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实施例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种强化卧管蒸发器传热系数的方法，其特征在于所述卧管蒸发器的运行至少包括：汽液同向工艺，卧管蒸发器运行过程中，二次蒸汽与液膜同向运行，所述卧管蒸发器的运行还包括辅助布膜工艺，所述辅助布膜工艺为通过扰动环套置于换热管上，并沿换热管轴向做往复运动，使换热管表面持续处于湿润状态，以强化卧管蒸发器的传热系数。

2.如权利要求1所述的强化卧管蒸发器传热系数的方法，其特征在于：所述卧管蒸发器的运行还包括软化预处理工艺，所述软化预处理工艺为对蒸发介质布膜前预先进行化学软化处理。

3.如权利要求1所述的强化卧管蒸发器传热系数的方法，其特征在于：所述汽液同向工艺通过所述卧管蒸发器的换热管束两端管箱与卧管蒸发器筒体之间半封闭，形成在一端或两端管箱下部的蒸汽通道，迫使蒸发产生的二次蒸汽与换热管上的布膜液流同向流动并通过该蒸汽通道排出。

4.如权利要求1所述的强化卧管蒸发器传热系数的方法，其特征在于：所述辅助布膜工艺包括一组分别套设在所述卧管蒸发器换热管上的扰动环，所述扰动环内腔中最小内径处大于所述换热管的外径，且各扰动环均固定设置于一个或一组固定板上，所述固定板固定连接一轮架，所述轮架驱动固定板及扰动环沿换热管轴向做往复运动，以干扰换热管表面的液膜因蒸发及结垢产生干斑。

5.一种卧管蒸发器，其特征在于：所述卧管蒸发器为应用如权利要求1-4所述的任一强化卧管蒸发器传热系数的方法的卧管蒸发器。

6.如权利要求5所述的卧管蒸发器，其特征在于：所述卧管蒸发器筒体内两端分别设置有一个或一组换热管束，且其中一个或若干个换热管束上设置有强制蒸汽与布膜液流同向流动的半封闭通道，以及辅助布膜的扰动环。

7.如权利要求6所述的卧管蒸发器，其特征在于：所述卧管蒸发器还包括用于分隔换热管束的隔板，所述隔板将换热管束分为若干换热管束段，且各换热管束段上分别设置有辅助布膜的扰动环。

8.一种辅助布膜扰动环，其特征在于：所述扰动环为环状等内径螺旋体结构，其环丝横截面为正方形或长方形，且其螺旋体一端或两端沿螺旋体收口圆环的切线方向设置有延伸段，所述延伸段截面与所述固定板上设置的插孔相适配并插置于该插孔中。

9.如权利要求8所述的辅助布膜扰动环，其特征在于：所述扰动环的螺旋体部分中间的一节距或若干节距最大，且该节距还用以容纳相邻扰动环延伸段的插置。

10.如权利要求9所述的辅助布膜扰动环，其特征在于：所述扰动环的螺旋体部分中，各节距按照从中间向两侧依次递减。

11.如权利要求8所述的辅助布膜扰动环，其特征在于：所述扰动环的螺旋体内壁与换热管外壁之间的间隙为2～2.5mm。

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