CN118129506A - 一种两相流换热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相流换热装置及方法，属于换热技术领域。一种两相流换热装置及方法，包括壳体、进液管、出液管、封头一、进气管、出气管、封头二、横隔板、第一腔室、第二腔室以及若干个管程件，所述管程件包括上管段、下管段和弯管段；本发明通过上管段、下管段、弯管段组成的管程件，为气态介质提供了较长的流动路径，增加了气态介质与液态介质之间的接触面积，从而提高了热量交换的效率，同时，弯管段的设计不仅通过改变介质流动方向，产生扰流和混合效果，有助于打破热边界层，减少热阻，进一步加速了热量传递的过程，还便于承托封头二稳定地与壳体的右侧进行安装，大大简化了安装过程，提高了安装效率。

Description

一种两相流换热装置及方法

技术领域

本发明涉及换热技术领域，尤其涉及一种两相流换热装置及方法。

背景技术

两相流换热技术，作为工业领域一种高效的热量管理方式，其重要性不言而喻。在液态和气态两种相态共存的状态下，物质间的热量传递过程尤为关键，为了实现热量在液态和气态介质间的有效转移，工业界广泛采用管壳式热传递设备，该设备充分利用了两相流体的特性，如流体密度、导热性和比热容等参数的差异，通过精确设计和优化，使得热量的传递路径更为高效，这不仅提高了能量的利用效率，降低了能源浪费，同时也为工业生产过程中的热量管理带来了革命性的进步。

然而，目前的管壳式换热设备，通常包括壳程部和若干个管束部，管束部水平分布在壳程部的两侧之间，这种布局虽可使得进入管束的气体能够与壳程部内部的液体进行两相流换热，但是，由于管束在壳程部两侧呈直线分布，流动路径相对较短，热量在液态和气态介质之间的传递往往不够充分，这可能导致部分热量未能得到有效利用，降低了整体换热效率，增加了能源消耗。为此，针对该问题，本发明提出了一种两相流换热装置及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的两相流换热装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种两相流换热装置，包括壳体，所述壳体靠近上表面的左侧连通有进液管，所述壳体靠近下表面的右侧连通有出液管，所述壳体的左侧设有封头一，所述封头一的下表面连通有进气管，所述封头一的上表连通有出气管，所述壳体的右侧连接有封头二；当所述封头一与所述壳体的左侧在连接重合时，所述封头一的左侧壁固定有与所述壳体左侧相抵触的横隔板，使所述封头一的内部通过所述横隔板与所述壳体左侧的抵触下，有形成的第一腔室和第二腔室，若干个管程件，位于所述壳体的两侧之间，其中，所述管程件包括连接在所述壳体两侧之间的上管段和连接在所述壳体两侧之间的下管段，所述上管段的左端与所述第一腔室相对应，所述下管段的左端与所述第二腔室相对应，所述上管段和下管段对应的右端之间对接有设置在所述封头二上的弯管段。

优选地，所述封头二的内部设有容纳腔，用于容纳所述弯管段固定在所述封头二上，所述弯管段的一端连通有与所述上管段右端进行对接的密封接头一，所述弯管段的另一端连通有与所述下管段右端进行对接的密封接头二。

优选地，所述壳体靠近内部的上壁固定有多个等距分布的上折流板，所述壳体靠近内部的下壁固定有多个等距分布的下折流板，所述下折流板与上折流板相互竖直错开。

优选地，所述进气管的内壁连接有相适配的过滤板，所述第二腔室内设有引流件。

优选地，所述引流件包括有连接在所述横隔板底部上的竖板，所述竖板的底部固定有位于所述进气管顶端口上方对应的倾斜板，所述倾斜板上固定有与所述第二腔室内底壁相贴合的水平板。

优选地，当所述竖板与所述横隔板的顶部为滑动连接时，所述竖板的左侧固定有L型齿板，所述L型齿板的内侧壁与右侧之间套设有导杆，所述导杆的一端固定在所述第二腔室的左侧壁上，所述导杆的另一端固定有限位块，所述限位块与所述L型齿板的内侧壁之间固定有套设在所述导杆上的弹簧一，所述L型齿板的底部齿槽连接有相适配的驱动件，用于带动所述L型齿板做间歇式的往复运动。

优选地，所述驱动件包括固定在所述横隔板底部上的竖安装板，所述竖安装板上安装有驱动部，所述驱动部的输出端连接有与所述L型齿板底部齿槽相适配的圆形半齿轮。

优选地，当所述驱动件带动所述L型齿板配合竖板向右移动时，所述过滤板与所述进气管的内壁为滑动连接，所述过滤板的顶部设有与所述倾斜板进行联动的弹性伸缩件。

优选地，所述弹性伸缩件包括固定在所述过滤板顶部中心且延伸至所述进气管顶端上方的竖杆，所述竖杆的顶端连接有抵触球头，所述竖杆的表面套设有定位套，所述定位套与所述抵触球头之间固定有套设在所述竖杆上的弹簧二，所述定位套的表面固定有多个呈圆周分布且固定在所述进气管内壁上的定位杆。

本发明还提供一种两相流换热装置的使用方法，包括：

步骤S1、液态介质通过进液管进入壳体内部流动，与此同时，气态介质则通过进气管进入封头一内部形成的第二腔室内；

步骤S2、进入第二腔室的气态介质随后从多个对应的下管段的左端流入，经过下管段内部，与壳体内的液态介质形成初步的热量交换，随后，气态介质通过弯管段流入上管段，在上管段内部继续与液态介质进行深入的热量交换；

步骤S3、经过充分的热量交换后，气态介质最终进入第一腔室内，并通过出气管排出装置，同时，液态介质在壳体内完成热量传递后，通过出液管排出装置。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过上管段、下管段、弯管段组成的管程件，为气态介质提供了较长的流动路径，增加了气态介质与液态介质之间的接触面积，从而提高了热量交换的效率，同时，弯管段的设计不仅通过改变介质流动方向，产生扰流和混合效果，有助于打破热边界层，减少热阻，进一步加速了热量传递的过程，还便于承托封头二稳定地与壳体的右侧进行安装，大大简化了安装过程，提高了安装效率。

2、本发明通过上折流板和下折流板的等距分布及相互竖直错开的设计，可以形成一个类似于S型的流道，这种设计延长了液态介质在壳体内的流动距离，增加了气态介质与液态介质之间的接触面积和接触时间，从而提高了热量交换的效率，而且，由于折流板的相互竖直错开，介质在流动过程中会不断改变方向，产生强烈的扰流和混合效果，这种扰流和混合有助于打破热边界层，减少热阻，加速热量在介质之间的传递过程。

3、本发明通过竖板、倾斜板以及水平板等结构组成的引流件，设计在第二腔室内，能够有效地引导气态介质更集中地进入下管段，提高了介质进入管程件的效率，从而优化了整个装置的热量交换过程，其次，通过改变气态介质在第二腔室内的分布和流动状态，还有助于减少流动死区和涡流的形成，降低了能量损失，进一步提升了装置的换热性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种两相流换热装置的侧剖结构示意图；

图2为本发明提供的一种两相流换热装置的弯管段与上管段对接结构示意图；

图3为本发明提供的一种两相流换热装置的管程件结构示意图；

图4为本发明提供的一种两相流换热装置的前剖结构示意图；

图5为本发明提供的一种两相流换热装置的壳体剖视结构示意图；

图6为本发明提供的一种两相流换热装置的封头一的侧剖结构示意图；

图7为本发明提供的一种两相流换热装置的封头一的前剖结构示意图；

图8为本发明提供的一种两相流换热装置的图7中A处局部放大结构示意图。

图中：1、壳体；11、进液管；12、出液管；13、封头一；14、进气管；15、出气管；16、封头二；17、横隔板；18、第一腔室；19、第二腔室；110、容纳腔；111、上折流板；112、下折流板；2、管程件；21、上管段；22、下管段；23、弯管段；24、密封接头一；25、密封接头二；3、过滤板；4、引流件；41、竖板；42、倾斜板；43、水平板；44、L型齿板；45、导杆；46、限位块；47、弹簧一；5、驱动件；51、竖安装板；52、驱动部；53、圆形半齿轮；6、弹性伸缩件；61、竖杆；62、抵触球头；63、定位套；64、弹簧二；65、定位杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-图6，一种两相流换热装置，包括壳体1，壳体1靠近上表面的左侧连通有进液管11，壳体1靠近下表面的右侧连通有出液管12，壳体1的左侧设有封头一13，封头一13的下表面连通有进气管14，封头一13的上表连通有出气管15，壳体1的右侧连接有封头二16；当封头一13与壳体1的左侧在连接重合时，封头一13的左侧壁固定有与壳体1左侧相抵触的横隔板17，使封头一13的内部通过横隔板17与壳体1左侧的抵触下，有形成的第一腔室18和第二腔室19，若干个管程件2，位于壳体1的两侧之间，其中，管程件2包括连接在壳体1两侧之间的上管段21和连接在壳体1两侧之间的下管段22，上管段21的左端与第一腔室18相对应，下管段22的左端与第二腔室19相对应，上管段21和下管段22对应的右端之间对接有设置在封头二16上的弯管段23。

在上述技术方案中，本发明设计的管程件2主要由上管段21、下管段22和弯管段23三大部分组成，这样的结构设计为气态介质在装置内的流动提供了更长的路径，从而优化了热量传递的效果。

具体而言，上管段21位于第一腔室18对应的位置，而下管段22则对应在第二腔室19中，当气态介质从进气管14进入第二腔室19后，会沿着下管段22流动，随后通过弯管段23进入上管段21，并最终流向第一腔室18，在这个过程中，气态介质与壳体1内部流动的液态介质充分接触，实现了高效的热量交换。

值得一提的是，弯管段23的设计不仅保证了介质流动的连续性，还进一步增强了热量交换的效果，因为当气态介质进入弯管段23时，由于管道方向的改变，流体受到离心力的作用，使得原本有序的流动结构被破坏，流体在弯管段23内发生旋转和涡旋运动，流速和方向的变化导致流体内部产生剪切力和压力梯度，这些力的作用使得流体中的不同层之间发生相对运动，从而产生了扰动和混合，这有助于打破热边界层，减少热阻，从而加速热量传递的过程。

在一个优选地实施方式中，参照图3，封头二16的内部设有容纳腔110，用于容纳弯管段23固定在封头二16上，这样设计，不仅为弯管段23提供了安装空间，还确保了弯管段23固定在封头二16上的稳定性和可靠性，弯管段23的一端连通有与上管段21右端进行对接的密封接头一24，弯管段23的另一端连通有与下管段22右端进行对接的密封接头二25。

对于上述技术方案，本发明中的弯管段23的两端分别通过密封接头一24和密封接头二25与上管段21和下管段22进行对接，这种设计不仅确保了介质流动的连续性，还增强了管程件2整体的密封性，防止介质泄漏，同时，密封接头一24和密封接头二25的插接设计，使得弯管段23与上管段21和下管段22的连接变得简单而快捷，而且在封头二16与壳体1进行安装连接时，这种插接结构不仅方便了安装操作，还使得密封接头一24和密封接头二25能够承托封头二16，确保承托封头二16稳定地与壳体1的右侧进行安装，这种设计不仅提高了安装效率，还保证了安装质量。

此外，在封头二16与壳体1进行拆卸时，弯管段23可以分别从上管段21和下管段22的右端脱离，这种设计使得拆卸过程变得简单方便，同时也方便了设备的维护和检修，通过拆卸弯管段23，可以方便地检查上管段21、下管段22、密封接头一24及密封接头二25等部件的磨损和损坏情况，及时进行更换或维修，确保设备的正常运行。

在一个优选地实施方式中，参照图4和图5，壳体1靠近内部的上壁固定有多个等距分布的上折流板111，壳体1靠近内部的下壁固定有多个等距分布的下折流板112，下折流板112与上折流板111相互竖直错开。

本发明，通过上折流板111和下折流板112的设计，可以增加液态介质在壳体1内流动的路径长度，进一步配合管程件2内的气态介质在装置内均匀分布，提高热量交换的效率，而且，上折流板111和下折流板112的相互竖直错开设计，使得液态介质在流动过程中不断改变方向，产生扰流效果，这种扰流效果有助于打破热边界层，减少热阻，能够用于促进液态介质与气态介质之间的热量传递，同时，扰流还能增强介质之间的混合，提高热量分布的均匀性，此外，上折流板111和下折流板112的设计还能起到支撑和固定管程件2的作用，确保管程件2在壳体1内部稳定、可靠地运行，这有助于减少振动和噪音，提高设备的稳定性和使用寿命，所以通过管程件2、上折流板111和下折流板112之间的协同配合，进一步提高了两相流换热装置的热交换效率和稳定性。

在一个优选地实施方式中，参照图6和图7，进气管14的内壁连接有相适配的过滤板3，用于对气态介质中含有的杂质进行过滤，防止杂质进入管程件2中发生堵塞，降低装置换热效率，第二腔室19内设有引流件4，引流件4包括有连接在横隔板17底部上的竖板41，竖板41的底部固定有位于进气管14顶端口上方对应的倾斜板42，倾斜板42上固定有与第二腔室19内底壁相贴合的水平板43。

本发明，通过竖板41、倾斜板42和水平板43组成的引流件4，不仅隔绝了第二腔室19左侧的空间，使第二腔室19的内部空间得到优化降低，更重要的是，引流件4中的倾斜板42对应在进气管14顶端口的上方，这样当气态介质从进气管14进入第二腔室19时，会首先通过倾斜板42的倾斜截面使得气态介质能够更集中地沿其倾斜方向流动，靠近引流件4的右侧，这种设计不仅使得气态介质的流动更加有序和集中，而且能够减少介质在流动过程中的扩散和损失，从而提高气态介质进入下管段22的效率。

在一个优选地实施方式中，参照图7，当竖板41与横隔板17的顶部为滑动连接时，竖板41的左侧固定有L型齿板44，L型齿板44的内侧壁与右侧之间套设有导杆45，导杆45的一端固定在第二腔室19的左侧壁上，导杆45的另一端固定有限位块46，限位块46与L型齿板44的内侧壁之间固定有套设在导杆45上的弹簧一47，L型齿板44的底部齿槽连接有相适配的驱动件5，用于带动L型齿板44做间歇式的往复运动，驱动件5包括固定在横隔板17底部上的竖安装板51，竖安装板51上安装有驱动部52，驱动部52的输出端连接有与L型齿板44底部齿槽相适配的圆形半齿轮53。

本发明，通过启动采用伺服电机的驱动部52带动圆形半齿轮53沿L型齿板44底部持续转动时，可以使L型齿板44在圆形半齿轮53的带动下和弹簧一47的复位下，能够间歇往复带动引流件4中的竖板41在第二腔室19内移动，这样设计，有助于改变气态介质在第二腔室19内的分布和流动状态，使气态介质更加均匀和高效地进入下管段22，同时，还能够减少流动死区和涡流的形成，降低能量损失，其次，引流件4在第二腔室19内的这种间歇往复的移动，也可以增加气态介质与引流件4之间的接触面积和接触时间，这种增加的接触可以促进气态介质中的杂质或颗粒与引流件4之间的碰撞和附着，从而进一步减少杂质进入管程件2的可能性，这有助于提高整个装置的换热效率和运行稳定性。

在一个优选地实施方式中，参照图7和图8，当驱动件5带动L型齿板44配合竖板41向右移动时，过滤板3与进气管14的内壁为滑动连接，过滤板3的顶部设有与倾斜板42进行联动的弹性伸缩件6，弹性伸缩件6包括固定在过滤板3顶部中心且延伸至进气管14顶端上方的竖杆61，竖杆61的顶端连接有抵触球头62，竖杆61的表面套设有定位套63，定位套63与抵触球头62之间固定有套设在竖杆61上的弹簧二64，定位套63的表面固定有多个呈圆周分布且固定在进气管14内壁上的定位杆65。

本发明，当引流件4中的倾斜板42在间歇往复运动中与抵触球头62抵触时，会带动抵触球头62通过挤压弹簧二64带动竖杆61连接的过滤板3沿进气管14内壁滑动下移时，在这一移过程中，可以对进气管14内壁附着的杂质进行清理，减少了杂质在进气管14内壁的积累，保持了进气管14的清洁和畅通，有助于使气态介质更顺畅进入管程件2中与壳体1内的液态介质进行高效换热。

其次，当引流件4中的倾斜板42在间歇往复运动中不与抵触球头62抵触时，抵触球头62又可以在弹簧二64的复位作用下，配合过滤板3沿进气管14内壁上升，并在这一上升过程中，可以借助弹簧二64的弹力作用使得过滤板3产生抖动，有效地将附着在其上的杂质抖落，确保了过滤板3的持续过滤效果，防止了杂质的堆积和堵塞，延长了过滤板3的使用寿命，这种设计不仅通过清理进气管14内壁杂质保持了其清洁和畅通，还通过过滤板3的自清洁功能确保了过滤板3持续有效的过滤作用，在这两方面的优化共同作用，提高了气态介质进入管程件2的流畅性和换热效率，增强了整个装置的可靠性和性能稳定性。

本发明还提供一种两相流换热装置的使用方法，包括：

步骤S1、液态介质通过进液管11进入壳体1内部流动，与此同时，气态介质则通过进气管14进入封头一13内部形成的第二腔室19内；

步骤S2、进入第二腔室19的气态介质随后从多个对应的下管段22的左端流入，经过下管段22内部，与壳体1内的液态介质形成初步的热量交换，随后，气态介质通过弯管段23流入上管段21，在上管段21内部继续与液态介质进行深入的热量交换；

步骤S3、经过充分的热量交换后，气态介质最终进入第一腔室18内，并通过出气管15排出装置，同时，液态介质在壳体1内完成热量传递后，通过出液管12排出装置。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种两相流换热装置，其特征在于，包括：

壳体（1），所述壳体（1）靠近上表面的左侧连通有进液管（11），所述壳体（1）靠近下表面的右侧连通有出液管（12），所述壳体（1）的左侧设有封头一（13），所述封头一（13）的下表面连通有进气管（14），所述封头一（13）的上表连通有出气管（15），所述壳体（1）的右侧连接有封头二（16）；

当所述封头一（13）与所述壳体（1）的左侧在连接重合时，所述封头一（13）的左侧壁固定有与所述壳体（1）左侧相抵触的横隔板（17），使所述封头一（13）的内部通过所述横隔板（17）与所述壳体（1）左侧的抵触下，有形成的第一腔室（18）和第二腔室（19）；

若干个管程件（2），位于所述壳体（1）的两侧之间；

其中，所述管程件（2）包括连接在所述壳体（1）两侧之间的上管段（21）和连接在所述壳体（1）两侧之间的下管段（22），所述上管段（21）的左端与所述第一腔室（18）相对应，所述下管段（22）的左端与所述第二腔室（19）相对应，所述上管段（21）和下管段（22）对应的右端之间对接有设置在所述封头二（16）上的弯管段（23）。

2.根据权利要求1所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述封头二（16）的内部设有容纳腔（110），用于容纳所述弯管段（23）固定在所述封头二（16）上，所述弯管段（23）的一端连通有与所述上管段（21）右端进行对接的密封接头一（24），所述弯管段（23）的另一端连通有与所述下管段（22）右端进行对接的密封接头二（25）。

3.根据权利要求1所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述壳体（1）靠近内部的上壁固定有多个等距分布的上折流板（111），所述壳体（1）靠近内部的下壁固定有多个等距分布的下折流板（112），所述下折流板（112）与上折流板（111）相互竖直错开。

4.根据权利要求1所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述进气管（14）的内壁连接有相适配的过滤板（3），所述第二腔室（19）内设有引流件（4）。

5.根据权利要求4所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述引流件（4）包括有连接在所述横隔板（17）底部上的竖板（41），所述竖板（41）的底部固定有位于所述进气管（14）顶端口上方对应的倾斜板（42），所述倾斜板（42）上固定有与所述第二腔室（19）内底壁相贴合的水平板（43）。

6.根据权利要求5所述的一种两相流换热装置，其特征在于，当所述竖板（41）与所述横隔板（17）的顶部为滑动连接时，所述竖板（41）的左侧固定有L型齿板（44），所述L型齿板（44）的内侧壁与右侧之间套设有导杆（45），所述导杆（45）的一端固定在所述第二腔室（19）的左侧壁上，所述导杆（45）的另一端固定有限位块（46），所述限位块（46）与所述L型齿板（44）的内侧壁之间固定有套设在所述导杆（45）上的弹簧一（47），所述L型齿板（44）的底部齿槽连接有相适配的驱动件（5），用于带动所述L型齿板（44）做间歇式的往复运动。

7.根据权利要求6所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述驱动件（5）包括固定在所述横隔板（17）底部上的竖安装板（51），所述竖安装板（51）上安装有驱动部（52），所述驱动部（52）的输出端连接有与所述L型齿板（44）底部齿槽相适配的圆形半齿轮（53）。

8.根据权利要求6所述的一种两相流换热装置，其特征在于，当所述驱动件（5）带动所述L型齿板（44）配合竖板（41）向右移动时，所述过滤板（3）与所述进气管（14）的内壁为滑动连接，所述过滤板（3）的顶部设有与所述倾斜板（42）进行联动的弹性伸缩件（6）。

9.根据权利要求8所述的一种两相流换热装置，其特征在于，所述弹性伸缩件（6）包括固定在所述过滤板（3）顶部中心且延伸至所述进气管（14）顶端上方的竖杆（61），所述竖杆（61）的顶端连接有抵触球头（62），所述竖杆（61）的表面套设有定位套（63），所述定位套（63）与所述抵触球头（62）之间固定有套设在所述竖杆（61）上的弹簧二（64），所述定位套（63）的表面固定有多个呈圆周分布且固定在所述进气管（14）内壁上的定位杆（65）。

10.一种两相流换热装置的使用方法，应用于权利要求1所述的一种两相流换热装置，其特征在于，包括：

步骤S1、液态介质通过进液管（11）进入壳体（1）内部流动，与此同时，气态介质则通过进气管（14）进入封头一（13）内部形成的第二腔室（19）内；

步骤S2、进入第二腔室（19）的气态介质随后从多个对应的下管段（22）的左端流入，经过下管段（22）内部，与壳体（1）内的液态介质形成初步的热量交换，随后，气态介质通过弯管段（23）流入上管段（21），在上管段（21）内部继续与液态介质进行深入的热量交换；

步骤S3、经过充分的热量交换后，气态介质最终进入第一腔室（18）内，并通过出气管（15）排出装置，同时，液态介质在壳体（1）内完成热量传递后，通过出液管（12）排出装置。