CN2544233Y - 高效换热套管蒸发式冷凝器 - Google Patents

Abstract

高效换热套管蒸发式冷凝器，包括外壳、冷却空气风机、PVC冷却填料、循环冷却水泵和接水盘，冷却空气风机安装在外壳的顶部，冷却空气风机下部依次设循环冷却水布水管、PVC冷却填料、双层高效换热套管组件和接水盘；双层高效换热套管组件通过冷却水连接管与循环冷却水布水管连接；接水盘通过循环冷却水泵与冷却水连接管连接；双层高效换热套管组件的端部总管内设置排液汽体隔板。通过采用高效换热套管外管的直接蒸发散热以及缩短冷却水的扬程高度和连接管路长度，因而能大幅度减小了冷却水泵所需的流量和扬程，达到降低了冷却水泵的电能消耗的目的。本实用新型还具有降低材料消耗、减少体积与重量及降低运行电耗与冷却水消耗等特点。

Description

高效换热套管蒸发式冷凝器

                         技术领域

本实用新型涉及制冷与空调设备的冷凝器，具体涉及一种高效换热套管蒸发式冷凝器。可用于工业领域生产工艺过程中汽体介质的冷凝过程。

                         背景技术

冷凝器是化工、轻工、冶金、医药、食品加工等领域中，各类工业冷源、民用空调及制冷中不可缺少的散热设备。目前广泛使用的有壳管式冷凝器、套管式冷凝器、窄缝通道板式冷凝器以及蒸发式冷凝器，这些冷凝器由于结构不同，具有各自的优点，同时也存在各自的不足。

1.在冷凝器循环冷却水对流换热一侧

现有的壳管式冷凝器、套管式冷凝器、淋水式冷凝器和板式冷凝器的冷凝介质凝结放出的热量是通过循环冷却水在冷凝器中温升显热带出。冷却水吸收的显热再由冷却塔以水分蒸发潜热排放到大气环境中。这种方式需要冷却水的循环量大；冷凝器内冷却水的流动速度高，因而，冷凝器水侧对流换热系数高，冷凝器的结构较为紧凑。但是，由于上述冷凝器冷却水循环量大，通常情况下，冷凝器与冷却塔为分体布置，这样则要求配置大容量、高扬程循环水泵，因而造成水泵的价格和电耗都很高。

现有的盘管蒸发式冷凝器的冷凝介质凝结放热，则是由盘管外表面以水分蒸发潜热的方式将热量排放到大气环境。由于现有的盘管蒸发式冷凝器冷却水循环量远小于采用冷却塔的冷凝器的循环量，因而水泵的价格和电耗都很低，由于盘管外的喷水量小，而且盘管单位体积外表面积远小于PVC填料单位体积外表面积，因而管外冷却水蒸发效率不高，所以现有的盘管蒸发式冷凝器体积庞大、结构不紧凑，运输和安装成本高。

2.在冷凝器冷凝介质凝结换热一侧

由于冷凝介质凝结换热的阻力主要取决于冷凝介质的流速以及凝结液体在换热表面形成的液膜的传热阻力。对于壳管式冷凝器，它是由金属壳体、冷凝(强化)换热管、管板和端盖组成。冷凝介质在壳体内的冷凝(强化)换热管外表面凝结，由于壳体内冷凝介质流动速度较低，汽体凝结基本上属于大空间内管外膜状凝结换热，而壳体内较大的空间使得壳管式冷凝器的制造必须符合压力容器制造标准，从而也提高了制造成本。

现有的套管式冷凝器是由内外套管和冷却水连接弯头组成，其外套管的作用相当于壳管式冷凝器的金属壳体；内套管可以是光滑换热管或强化换热管。在现有的套管式冷凝器中，冷凝介质在内外套管间较小的环缝内流动凝结，虽然冷凝介质在环缝内的流动速度较高，但凝结后的液体始终沿环缝流动，随着凝结过程的进行，凝结液体逐渐增多，内套管被凝结液体淹没的换热面积也逐渐增大，液膜热阻的增大将导致凝结换热系数迅速降低，所以现有的套管式冷凝器的总体传热系数不能得到有效提高。

现有的板式冷凝器，它是由金属板冲压沟槽后，叠合在一起而形成流体通道，冷凝介质和冷却水分别在金属板两侧的沟槽内流动，在冷凝介质一侧，随着凝结过程的进行，凝结表面同样会被凝结的液体逐渐淹没，因而凝结换热系数会逐渐下降而影响板式冷凝器的总体换热效果。此外，板式冷凝器还存在密封困难、不易清洗的问题。

现有的淋水式冷凝器和盘管蒸发式冷凝器，在凝结介质一侧也存在着上述冷凝器中的同样问题，即：凝结液体会逐渐淹没凝结表面而使凝结换热性能下降。

                         发明内容

本实用新型综合上述各类冷凝器的优点，克服上述各类冷凝器存在的不足，提供一种降低材料消耗、减少体积与重量及降低运行电耗与冷却水消耗的高效换热套管蒸发式冷凝器。其技术方案如下：

高效换热套管蒸发式冷凝器，包括外壳、冷却空气风机、PVC冷却填料、循环冷却水泵和接水盘，其特征在于冷却空气风机安装在外壳的顶部，冷却空气风机下部依次设循环冷却水布水管、PVC冷却填料、双层高效换热套管组件和接水盘；双层高效换热套管组件通过冷却水连接管与循环冷却水布水管连接；接水盘通过循环冷却水泵与冷却水连接管连接；双层高效换热套管组件的端部总管内设置排液汽体隔板。高效换热套管组件由内管和外管组成偏心套管结构；内管下部安装管状金属丝网吸液芯，一端由金属丝网布封闭；另一端在凝结介质集管内向下弯90°。所述高效换热套管的外管和内管分别是三维内微肋和三维外微肋凝结换热强化管，套管的外管和内管采用焊接或胀接的方法与端板连接。

所述高效换热套管组件由两种不同直径的内外套管组合而成。

所述高效换热套管的内套管冷却水设置清洗旁通管路。

相比现有技术，本实用新型具有以下优点：

(1)高效换热套管与PVC填料一体化的有机组合，相对于现有的壳管式冷凝器、套管式冷凝器、淋水式冷凝器和板式冷凝器与冷却塔分体布置方式，降低了冷却水泵的电能消耗、节省了设备的占地面积以及设备的现场安装费用。

(2)将内管和外管同时作为换热表面的套管组合方式，与现有的壳管式冷凝器(其外壳体仅为容器)、套管式冷凝器(仅内套管为换热表面)比较，单位体积换热面积和单位重量换热面积大幅提高。

(3)内套管冷却水设置了专门的清洗旁通管路。在冷凝器低负荷时，通过切换内套管冷却水清洗旁通管路，能够在冷凝器不停止运行的情况下对内管水侧进行清洗。

(4)偏心套管结构增大了环缝下部的排液空间，因而有效地避免内套管被冷凝液体淹没，使内套管冷凝换热系数得到提高。

(5)在内套管的下部设置管状金属丝网吸液芯排液装置能迅速将环缝内的凝结液体排向端部，有效地避免了环缝内的积液。

(6)在端部总管内设置排液汽体隔板，实现内套管凝结介质和冷却水的逆流高效换热。同时避免了上层套管内凝结的液体进入下层套管而淹没凝结表面。

(7)采用了两种不同直径的内外套组合而成的高效套管冷凝器，使环缝内的凝结介质不会由于凝结汽体逐渐减少而大幅降低流体速度。

(8)内外套管采用三维微肋换热强化表面，有效地提高了冷凝介质的换热系数。

                         附图说明

图1是高效套管蒸发式冷凝器内部结构示意图。

图2是图1的I局部结构示意图。

图3是图2的A-A断面示意图。

图中：1-带排液装置的高效强化换热套管组件，2-冷却水蒸发冷却降温PVC填料，3-冷却空气风机，4-循环冷却水泵，5-接水盘，6-循环冷却水布水管，7-冷却水连接管，8-汽体隔板，9-排液孔，10-内套管，11-外套管，12-吸液芯，13、14、15-阀门，16-外壳，17-清洗旁通管路。

                         具体实施方式

见图1，高效换热套管蒸发式冷凝器，包括外壳16、冷却空气风机3、PVC冷却填料2、循环冷却水泵4和接水盘5，冷却空气风机3安装在外壳16的顶部，冷却空气风机3下部依次设循环冷却水布水管6、PVC冷却填料2、双层高效换热套管组件1和接水盘5；双层高效换热套管组件1通过冷却水连接管7与循环冷却水布水管6连接；接水盘5通过循环冷却水泵4与冷却水连接管7连接；双层高效换热套管组件1的端部总管内设置排液汽体隔板。冷凝介质汽体从高效强化换热套管组件1上部的进气口(L₁₁)进入，汽体在套管的环形窄缝内凝结，冷凝液体从组件下部的排液口(L₁₂)流出。冷却空气从外部环境引入，空气在高效换热套管1和PVC填料2的间隙中进行对流蒸发和换热后，由顶部的风机3引出再排回到大气环境中。冷却水从风机3下部的布水管6均匀喷淋在PVC填料2上部，冷却循环水在重力作用下流经PVC填料2和高效套管换热组件1直接落入接水盘5。同时与流过PVC填料的空气充分接触，热水与空气之间进行蒸发和对流换热，热量经冷却空气风机3由空气带出而散失到大气环境中。另一方面接水盘5内收集的循环冷却水由冷却水泵4送入到高效套换热组件1的内套管10下部进水总管，冷却水在内套管内与环形窄缝内流动的冷凝介质形成逆向流动，在内套管内冷却水以对流方式吸收热量而温度升高后，从内套管上部的出水总管排出，经连接管再引至风机3下部的布水管6而构成冷却水的循环回路。

本实用新型采用如图2所示的排液结构设计，在套管端部的总管内设置带有排液孔9的汽体隔板8，实现内套管凝结介质和冷却水的逆流高效换热。同时避免了上层套管内凝结的液体进入下层套管而淹没凝结表面。隔板的作用一是为了使套管内凝结介质与内管内的冷却水成逆向流动；二是为了使上部套管内凝结的液体通过隔板的排液孔直接排入底部的集液总管，以避免上部套管凝结的液体进入下部套管而淹没凝结表面，这样在各层套管内的凝结过程均处于高汽体干度范围。克服凝结换热系数随着凝结液体增多而下降的问题。

本实用新型的套管与通常的套管式冷凝器中的套管所不同的是：通常的套管式冷凝器中的内外套管是采用同心结构；而本发明的高效套管蒸发式冷凝器中的内外套管10、11则采用如图3所示的偏心结构，在内套管10的下部设置了吸液芯12，吸液芯12是用金属丝网卷制而成的管状结构，吸液芯紧贴内外管。这种偏心套管结构增大了环缝下部的排液空间，能有效避免内套管被冷凝液体淹没，使内套管冷凝换热系数得到提高。其作用是利用液体的表面张力使得在内外管微肋强化换热表面凝结的液体吸附到吸液芯中。当丝网吸液芯液体浸润达到一定程度，液体则沿着凝结汽体流动方向流入到端部的垂直短管，进入垂直短管的液体受到重力的作用而加速。垂直短管内的液体加速产生的虹吸作用则会抽吸吸液芯内的液体，从而有效地减少了液体淹没凝结表面。管状金属丝网吸液芯一方面起支撑内管避免内管发生弯曲的作用，另一方面利用毛细现象和虹吸现象起收集和排除环套内凝结液体的作用。从而提高了凝结换热一侧的换热系数。

此外，为了确保各层套管的环缝内凝结汽体的流速，本发明的高效套管蒸发式冷凝器的套管采用了两种不同外径(Φ12mm和Φ14mm)的内管与Φ21mm内径的外管配合而得到两种不同环缝流动截面的套管组合。在靠近凝结介质汽体进口的上部套管，由于汽体凝结量较少，汽体流速较高，因而上部的套管采用大截面环缝(外径Φ12mm的内管与内径Φ21mm外管配合)；在靠近凝结介质液体出口的下部套管，一部分汽体在上部套管内已经凝结成液体，而进入下部套管的汽体流量减少，则下部套管采用小截面环缝(外径Φ14mm的内管与内径Φ21mm外管配合)可以使汽体保持一定的流动速度。通过以上的措施，结合内外套管高效三维微肋强化凝结换热表面，极大地提高了凝结介质一侧的换热系数，因而使高效套管蒸发式冷凝器的整体性能得到大幅度提高。

本实用新型采用一体化结构，其冷凝介质凝结放出的热量通过两种途径排放到大气环境中去，在内套管表面凝结的冷凝介质放出的热量由流过内套管的冷却水以显热的方式带出，吸收了显热的冷却水在上部PVC填料表面主要以水分蒸发的潜热方式排放到大气环境。而在外套管内表面凝结的冷凝介质放出的热量是由喷淋到外套管上的冷却水所蒸发的水分潜热直接由横向流过外套管的冷却空气排放到大气环境，与现有的蒸发式盘管冷凝器不同的是喷淋到外套管的冷却水经过了PVC填料的冷却降温，使冷却水与外套管之间的换热温差增大，提高了蒸发换热的效率。因此，本实用新型的高效蒸发式套管冷凝器的设计的冷却水循环方式兼顾了以上两类冷凝器的优点。

本实用新型的对流凝结换热过程是在套管的环形窄缝内进行，套管的内管和外管采用经过特殊加工的三维微肋强化换热表面，三维微肋的作用是利用液体表面张力将冷凝换热表面凝结的液体拉入三维微肋间的沟槽，使三维微肋暴露在凝结汽体中，从而减小凝结表面液膜的传热热组。

在套管的环形窄缝内和套管端部有特殊设计的排除冷凝液体的装置，排液装置的作用是避免换热表面被冷凝液体淹没、最大限度地降低凝结换热表面液膜的热阻。由于带排液装置的高效强化换热套管的独特结构，使得本发明在排热重量比(单位排热量所对应的设备重量)、体积比(单位排热量所占的体积)、能耗比、制造成本等关键技术指标均优于现行的各类冷凝器与冷却塔的组合和现行的蒸发式冷凝器。

这种冷凝器还将高效换热套管与循环冷却水***和空气冷却***有机的结合为一体，因而，能极大地提高冷凝器的性能。独特的设计结构使得这种套管高效蒸发式冷凝器具备了现有的壳管式冷凝器、套管式冷凝器、窄缝通道板式冷凝器以及现有的蒸发式冷凝器的功能和特点。并且，在冷凝器低负荷时，通过切换内套管冷却水清洗旁通管路17，即关闭阀门13、14，打开阀门15能够在冷凝器不停止运行的情况下对内管水侧进行清洗。

Claims (6)

1.高效换热套管蒸发式冷凝器，包括外壳(16)、冷却空气风机(3)、PVC冷却填料(2)、循环冷却水泵(4)和接水盘(5)，其特征在于冷却空气风机(3)安装在外壳(16)的顶部，冷却空气风机(3)下部依次设循环冷却水布水管(6)、PVC冷却填料(2)、双层高效换热套管组件(1)和接水盘(5)；双层高效换热套管组件(1)通过冷却水连接管(7)与循环冷却水布水管(6)连接；接水盘(5)通过循环冷却水泵(4)与冷却水连接管(7)连接。

2.根据权利要求1所述的高效换热套管蒸发式冷凝器，其特征在于所述双层高效换热套管组件(1)的端部总管内设置排液汽体隔板(8)。

3.根据权利要求1或2所述的高效换热套管蒸发式冷凝器，其特征在于所述高效换热套管组件(1)由内管(10)和外管(11)组成偏心套管结构；内管(10)下部安装管状金属丝网吸液芯(12)，一端由金属丝网布封闭；另一端在凝结介质集管内向下弯90°。

4.根据权利要求3所述的高效换热套管蒸发式冷凝器，其特征在于所述高效换热套管的外管(11)和内管(10)分别是三维内微肋和三维外微肋凝结换热强化管，套管的外管和内管采用焊接或胀接的方法与端板连接。

5.根据权利要求4所述的高效换热套管蒸发式冷凝器，其特征在于所述高效换热套管组件(1)由两种不同直径的内外套管组合而成。

6.根据权利要求5所述的高效换热套管蒸发式冷凝器，其特征在于所述高效换热套管(1)的内套管冷却水管设置清洗旁通管路(17)。

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