Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
INTERNAL LIQUID SEPARATING HOOD-TYPE CONDENSATION HEAT EXCHANGE TUBE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/016943
Kind Code:
A1
Abstract:
An internal liquid separating hood-type condensation heat exchange tube, comprising an external heat exchange tube (1) and an internal liquid separating hood (2) disposed in the cavity of the external heat exchange tube (1) and coaxial with the external heat exchange tube (1). The internal liquid separating hood (2) is a hollow tube with a plurality of microholes or gaps distributed in a wall surface. The condensate formed during heat exchange passes through the microholes or gaps, is sucked into the internal liquid separating hood (2) in time under the effect of liquid surface tension, and is then discharged out of the heat exchange tube via the internal liquid separating hood (2). Steam is held back to flow in the clearance between the external heat exchange tube (1) and the internal liquid separating hood (2), so that the inner wall of the external heat exchange tube (1) is exposed to the steam to the greatest extent, and a thin liquid film is formed on the inner wall surface of the external heat exchange tube (1), thus improving the condensation heat transfer coefficient.

Inventors:
CHEN HONGXIA (CN)
XU JINLIANG (CN)
WANG WEI (CN)
Application Number:
PCT/CN2012/000274
Publication Date:
February 07, 2013
Filing Date:
March 05, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UNIV NORTH CHINA ELEC POWER (CN)
CHEN HONGXIA (CN)
XU JINLIANG (CN)
WANG WEI (CN)
International Classes:
F28F13/04; F28F1/00; F28F9/00
Foreign References:
CN102278904A2011-12-14
CN201293586Y2009-08-19
CN101762203A2010-06-30
CN2101210U1992-04-08
SU1430713A11988-10-15
JPH08151956A1996-06-11
Attorney, Agent or Firm:
BEIJING ZHCC INTELLECTUAL PROPERTY CO., LTD (CN)
北京众合诚成知识产权代理有限公司 (CN)
Download PDF:
Claims:
权 利 要 求 书

1、 一种内分液罩式冷凝换热管, 包括外换热管 (1 ), 其特征在于: 在所 述外换热管 (1 ) 腔内设置一个与其同轴的内分液罩 (2), 内分液罩 (2) 是壁面 为多孔结构(6)的中空管, 所述多孔结构(6)指壁面上分布有多个微孔或缝隙, 所述微孔或缝隙的当量直径为 , 1.83 / 一—, 其中: ^为冷凝液表面张

力, g为重力加速度, ^为冷凝液密度, 为汽相密度。

2、 根据权利要求 1所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述外换热管 (1 ) 是光滑换热管, 或是具有扩展受热面的换热管。

3、 根据权利要求 2所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述具有扩展受热 面的换热管为翅片管、 凹槽管或波节管。

4、 根据权利要求 1所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述内分液罩 (2) 分为减阻罩 (4) 和主分液罩 (5 ) 两部分, 且两部分均为多孔结构 (6), 减阻罩

(4) 位于靠近冷凝换热管气体入口的一侧, 减阻罩 (4) 形状为中空的圆台形、 圆锥形或其它沿流体流动方向逐渐扩张的流线形; 减阻罩 .(4) 末端和主分液罩

(5 ) 始端相连, 主分液罩 (5 ) 为圆管形。

5、 根据权利要求 4所述的冷凝换热管, 其特征在于: 冷凝液由主分液罩 (5 ) 的末端排出, 主分液罩 (5 ) 的末端与外换热管 (1 ) 的末端平齐。

6、 根据权利要求 1所述的冷凝换热管, 其特征在于: 内分液罩(2)采用 金属光管、 泡沫金属管、 金属丝网或多孔陶瓷材料加工而成。

7、 根据权利要求 1 所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述微孔或缝隙是 圆孔、 方孔或狭缝, 其尺寸为单一尺度或多种尺度。

8、 根据权利要求 1 所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述微孔或缝隙的 分布形式为均匀、 非均匀、 平行、 交错或交叉。 9、 根据权利要求 1所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述外换热管 (1) 和所述内分液罩 (2) 之间有支架 (3), 支架 (3) 用以支撑内分液罩 (2), 将内 分液罩 (2) 对称均匀的分布在外换热管 (1) 的腔内。

10、 根据权利要求 9所述的冷凝换热管, 其特征在于: 所述支架 (3) 为多 孔结构 (6), 多孔结构 (6) 形成了垂直于冷凝换热管和平行于冷凝换热管的两 种通道: 垂直通道 (7) 和平行通道 (8), 用以抽吸冷凝液至内分液罩 (2) 内。

Description:
一种内分液罩式冷凝换热管

技术领域

本发明属于强化传热技术领域,涉及一种提高 管内冷凝相变换热效率的内分 液罩式冷凝换热管。

背景技术

冷凝相变换热器(即冷凝器)由于相变传热的 高效性广泛应用在制冷、空调、 发电、 石化等领域。 在一些应用场合, 比如利用低品位热源驱动 ORC循环中需 要尽量降低朗肯循环中冷凝器内的温度和压力 , 使得冷凝器在小温差(管内有机 工质与管外空气或冷却水温差小)驱动下工作 , 导致换热面积的增大及投资成本 的提高。 同时在制冷、 空调、 石化等领域, 进一步提高冷凝换热效率, '能够大幅 度降低成本, 具有显著的降级效益和社会效益。 这为高效冷凝器的设计、 制造和 运行提出了重大需求。

冷凝相变是两相流学科中一个重要的相变过程 , 管内的冷凝过程从汽态到冷 凝液态的不断演变过程中气液的含量逐渐变化 , 使得从全汽态到全液态过程中呈 现了湿蒸汽流、 环状流、 分层流、 弹状流、 塞状流、 泡状流等不同流型。 同时, 由于冷凝液的不断出现和集聚, 液体在冷凝管内从开始的小液滴逐渐形成壁面 薄 液膜、 壁面厚液膜到液桥最后到全液状态。 如果说环状流时壁面冷凝液薄液膜的 形成, 增大了汽固之间的换热系数; 那这种同时具有一定热阻的液膜必定存在最 佳厚度值。 根据国内外研究学者报道, 并己达成共识, 薄液膜状态的环状流具有 最高的传热效率,即在整个冷凝过程中随着流 型从环状流转变到分层流、弹状流、 塞状流, 液膜在壁面由薄液膜聚集到厚液膜甚至到液桥 状态, .其液膜热阻显著增 加, 从而导致冷凝过程传热系数逐渐降低、 传热效果明显恶化的现状。 因此冷凝 过程中的流型演变才是冷凝管换热效率恶化、 衰减的根本原因。 目前国内外强化冷凝换热方面主要采用各种形 式的强化管,'如微翅管、 凹槽 管、 波节管、 及安装插入物的强化管。 从强化效果来讲, 微翅片管通过增强冷凝 液膜的掺混、 引起管内流体的扰动, 一般比凹槽管的强化效果明显, 能够将光滑 管的冷凝传热系数提高 80-180%。 而对于不同倾斜角度的凹槽管, 且其强化效果 受质流速度的影响, 质速越大、 冷凝液导出越快, 强化效果越明显。 波节强化管 一般可将光滑管的传热系数提高 50%; 另外管内插入双螺旋丝结构的强化管, 亦 能显著强化竖直管内冷凝换热。 但目前采用的冷凝强化管, 均未能注意到冷凝流: 型的变化、 从流型演变的根本出发, 而只是通过引起旋转流、 二次流, 使中心流 体与管壁流体产生置换, 破坏边界层的发展, 从而强化管内冷凝。 具有以下共同 点: (1 ) 内壁微细结构主要改变了近壁区的流动和传热 性能, 不能从整体上调控 流犁。 (2)内壁强化结构虽具有强化效果但并未解决 凝换热管管长方向上换热 性能衰减的演变特征。 (3 ) 强化管增加了制造难度, 冷凝器成本增大。

2007年,清华大学相变与界面传递实验室彭晓 教授(彭晓峰,吴迪,张扬, 高性能冷凝器技术原理与实践, 化工进展, 2007,26(1):97-104. ) 将整个管内冷凝 近似为薄液膜冷凝, 根据努赛尔层流、 膜状凝结分析解知冷凝换热液膜厚度与管 长的 1/4次方成正比、 平均表面传热系数与整个管长的 1/4次方成反比, 定量的 揭示了冷凝传热系数随换热管长度的增大而衰 减的客观事实; 并利用短管效应, 舍弃冷凝换热管后续低传热流型, 保留初始过程高传热性能流型; 同时将短管出 口利用重力将汽液分离后得到的汽相再进入下 一短管继续冷凝, 使冷凝流型始终 维持在环状流的方法显著提高了冷凝换热管的 传热效率。其基于对冷凝各流型传 热性能的认识, 从冷凝科学过程的角度强化传热; 但其出发点是直接避开传热效 果差的流型, 缩短换热管长度; 同时, 利用重力进行汽液分离的方法使得冷凝器 在不同倾角换热器下的设计必须不同, 在微重力条件下的应用具有一定局限性。 综上所述, 显著提高冷凝传热效率必须从冷凝的科学过程 出发, 调控流型, 才能从根本上提高其换热性能, 解决其沿管长恶化的现状。 本发明即根据流型演 变过程中液膜增厚、 热阻增大的特征, 提出一种有别于彭小峰教授技术的新型内 分液罩式冷凝换热管, 及时疏导、 分离冷凝液, 从而达到调控流型、 从根本上提 高冷凝换热效率的高效冷凝换热管。

发明内容

本发明的目的在于改变传统强化传热方法中流 型和传热分离的局面, 解决冷. 凝传热中沿管长方向形成厚液膜使传热恶化的 的关键问题, 提供了一种有别于现 有技术的内分液罩式冷凝换热管, 此种冷凝换热管是基于调控冷凝传热流型以改 进完整冷凝传热流动与传热性能的新思想, 能够从冷凝的物理过程出发, 从流型 控制出发, 根本上、 大幅度提高冷凝相变传热的效率。

一种内分液罩式冷凝换热管, 包括外换热管, 在所述外换热管腔内设置一个 与其同轴的内分液罩, 内分液罩是壁面为多孔结构的中空管, 所述多孔结构指壁 面上分布有多个微孔或缝隙, 所述多个指两个以上, 所述微孔或缝隙的当量直径 为 d, < 1.83 I σ , 其中: σ为冷凝液表面张力, g为重力加速度, 为冷 凝液密度, 为汽相密度。

本发明的工作原理为: 由于内分液罩上的微孔或缝隙的特征尺度小于 等于液 体表面张力起主要作用的尺度, 当汽液混合物在外换热管与内分液罩之间的环 形 间隙内流动时, 在液体表面张力作用下, 进行汽液两相流分离, 换热过程形成的 冷凝液液体被内分液罩的微孔或缝隙结构所捕 获, 并通过上述微孔或缝隙进入内 分液罩, 冷凝液在内分液罩内流动并通过内分液罩及时 排出冷凝换热管, 蒸汽被 保留在外换热管与内分液罩的间隙内流动, 使外换热管内壁最大限度的与蒸汽接- 触, 并在外换热管内壁面上形成薄液膜, 从而调控流型保证沿整个管长方向的高 效薄液膜换热, 显著提高冷凝传热系数。

所述的外换热管为普通的冷凝换热管,可以是 目前研究、应用中的所有换热 管类型, 比如光滑换热管, 或是垂直翅片管、 螺旋翅片管、 凹槽管、 波节管等具 有扩展受热面的换热管。

所述内分液罩可分为减阻罩和主分液罩两部分 , 内分液罩主要基于毛细效 应或液体表面张力原理, 利用其壁面微孔或缝隙结构进行冷凝液的及时 疏导并远 传至冷凝换热管的末端, 从而实现调控流型、 从根本上提高冷凝换热效率的高效 冷凝换热管。

为了减小冷凝气体在进口的阻力, 内分液罩在靠近冷凝换热管气体入口的 部分设计为沿着流体流动方向具有倾斜角度的 减阻罩, 减阻罩形状可以为中空的 圆台形、 圆锥形或其它沿流体流动方向逐渐扩张的流线 形, 其长度对应于冷凝过 程环状流型之前的所有流型长度之和。 减阻罩末端和主分液罩始端相连, 主分液 罩为圆管形, 其管外径与外换热管的间隙略大于环状流液膜 壁厚。 主分液罩末端 与外换热管末端平齐, 分离的冷凝液及时通过主分液罩末端导出, 从而排出冷凝 换热管。

内分液罩管壁面上的微孔或缝隙可以是圆孔、 方孔或狭缝等, 其尺度可相同 也可不同, 可以均匀、—非均匀、 平行、 交错或交叉等多种形式分布。 内分液罩的 多孔结构可通过在金属光管壁面加工而成, 也可以利用金属丝网、 泡沫金属管甚 至是多孔陶瓷等多孔材料直接加工成内分液罩 ,成本低廉、取材广泛、加工简单。 其具体孔径尺寸、 分布与冷凝液表面张力和冷凝量有关; 对于不同冷凝工质, 内 分液罩的微孔或缝隙的当量直径 d≤1 , 其中 σ为冷凝液表面张力,

g为重力加速度, P/ 为冷凝液密度, p g 为汽相密度。 冷凝工质表面张力大, 当量 直径略大, 反之略小。对于水, 毛细孔的直径可在 1〜2 mm之间, 对应不同工质 及混合物的毛细孔直径可类比。本发明中内分 液罩的多孔结构可以将冷凝过程中 分层流中的厚液膜、 弹状流的液桥通过内分液罩及时分离、 导出, 还可以有效的 校正水平换热管内的流型不对称性, 从而调控流型、 优化流型, 提高冷凝传热效 在外换热管内壁与内分液罩之间设置若干支架 , 同内分液罩一样, 本发明中 所述支架亦为可广泛取材的多孔结构。 多孔结构的当量直径也满足公式

, 支架的第一个作用是用以支撑内分液罩, 将内分液罩对称均

匀的分布在外换热管内, 第二个作用是引液作用, 即利用毛细多孔结构将外换热 管内壁近壁区的冷凝液体通过支架的微孔及时 被抽吸到分液罩内, 进一步提高分 液罩的分离效率, 同时, 及时将近壁区冷凝液引走提高了近壁区冷凝液 的更新速 率, 维持了冷凝壁面的过冷度。

本发明的效果和益处是: (1 ) 内分液罩式冷凝换热管通过内分液罩及时将冷 凝过程的冷凝液分离, 可有效减薄分层流液膜、 消除弹状流的液桥; 将导致传热 恶化的弹状流或厚液膜转变成高效传热的环状 流; 此冷凝换热管强化冷凝的方法 是从冷凝的基本物理过程出发, 从科学的角度根本上解决了冷凝传热过程恶化 的 问题。 (2)本发明中利用毛细力或液体表面张力导出 体是无需耗能的非能动过- 程, 其效果不受重力影响, 即不受冷凝换热管倾斜角的限制, 因而, 该结构不仅 可应用于普通冷凝传热及存在蒸气冷凝的场合 , 还可推广于微重力条件下的冷凝 传热。 使其在不增大阻力的情况下显著提高冷凝相变 换热管道的传热效率。

附图说明

图 1是微孔壁面的内分液罩式冷凝换热管结构示 图;

图 2是狭缝壁面的内分液罩式冷凝换热管结构示 图;

图 3是丝网结构的内分液罩式冷凝换热管结构示 图; 图 4为内分液罩式冷凝换热管的支架结构示意图 其中 (a) 孔结构支架, (b) 丝网结构支架, (c) 导管结构支架;

图中标号: (1 ) 外换热管, (2) 内分液罩, (3 ) 支架, (4) 减阻罩, (5 ) 主 分液罩, (6 ) 多孔结构, (7) 垂直通道, (8 ) 平行通道, (9) 内分液罩内冷凝液 流动方向, (10) 外换热管与内分液罩的间隙中的流体流动方向 。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明, 但不以任何方式限制本发明。

图 1为微孔壁面的内分液罩式冷凝换热管结构示 图, 由外换热管 1、 内分 液罩 2和支架 3组成。 - 其中内分液罩 2为冷凝换热管的关键核心部分, 由减阻罩 4和主分液罩 5组 成, 减阻罩 4和主分液罩 5都为多孔结构 6。 - 多孔结构 6为壁面微孔形式, 可以在内分液罩 2壁面直接打孔, 或利用泡沬' 金属、 多孔陶瓷等多孔材质加工而成。 微孔在管体可均匀分布; 亦可根据不同工 质的冷凝流型在环状流区稀疏, 在弹状流和塞状流区域较密集的非均匀分布。

图 2为狭缝壁面的内分液罩式冷凝换热管结构示 图, 由外换热管 1、 内分 液罩 2和支架 3组成。 内分液罩 2分为减阻罩 4和主分液罩 5两部分, 减阻罩 4 和主分液罩 5都为多孔结构 6, 但其多 ¾^结构 6为狭缝式。 其细缝的分布形式可 平行、 交错、 交叉分布。

图 3为丝网结构的内分液罩式冷凝换热管。 由外换热管 1、 内分液罩 2和支 架 3组成。 内分液罩 2分为减阻罩 4和主分液罩.5两部分。 减阻罩 4和主分液罩 5都为多孔结构 6, 此内分液罩 2利用不伺目数的金属丝网编制而成。 '

图 4为内分液罩式冷凝换热管的支架结构示意图 包括(a)孔结构支架、(b) 丝网结构支架和 (c) 导管结构支架。 这三种支架结构都由多个支架组成, 沿管长方向每隔一段距离在内分液罩 2 与外换热管 1的间隙中设置一个支架。

其中, 孔结构支架的每个支架由三个支腿组成, 支腿为多孔结构。 三个支腿 对称的分布在同管长方向垂直的面上。孔结构 可通过在材料上沿管长方向和垂直 管长方向上直接打孔加工而成。

丝网结构支架的每个支架由三个支腿组成, 支腿为丝网多孔结构。 三个支腿 对称的分布在同管长方向垂直的面上。丝网结 构支架是利用多层金属丝网垂直交 叉焊接而成。

孔结构支架和丝网结构支架的多孔结构形成了 垂直于冷凝换热管和平行于 换热管的两种通道: 垂直通道 7和平行通道 8。 导管结构支架的每个支架为一个主体为环状导 管的支架, 环状导管套在内分 液罩 2上, 与外换热管 1接触, 但不与内分液罩 2接触, 环状导管通过一系列短 导管与内分液罩 2相连, 环状导管与短导管方向对应的位置上设有微孔 , 形成了 垂直通道 7, 环状导管上的相邻垂直通道 7之间也设置有微孔, 形成了平行通道 8。 三种支架的垂直通道 7主要用于及时分离外换热管 1近壁区的冷凝液, 提高 近壁区冷凝液的更新速率。平行通道 8主要用于从平行方向协助主分液罩 5导出 厚液膜区和液桥区的主体积液。

上述内分液罩 2及支架 3的多孔结构 6的孔径尺寸和冷凝液的表面张力有关。 微孔(或狭缝) 的当量直径根据冷凝液的表面张力确定 ( ), 使 得在曲面压差的推动下微孔 (或狭缝) 只允许液体进入。

. 本发明适用于任何需要蒸汽冷凝的场合, 可单管使用、 多管并联使用、 或将 冷凝换热管组装成新的冷凝器使用。本发明采 用毛细结构实现冷凝换热管内的汽 液分离, 形成汽体和液体不同的流动通道, 不受重力影响, 在地面及微重 环境 下都可显著提高冷凝传热系数。

实施例 1: '

针对冷凝水换热过程, 选用长 50cm的 Φ 12mm X lmm的普通光滑铜管作为 外换热管 1 ;选用目数 14、丝径 0.4mm、孔径为 1.4mm的金属丝网,裁剪长 35cm、 宽度为 18.84mm (宽度等于主分液罩 5管圆周长)的长方形丝网,卷制成 Φ 6ηπη、 长 35cm的内分液罩 2的圆柱形主分液罩 5。 取同样丝网, 裁剪一梯形卷制成圆 台形减阻罩 4侧面, 一圆形做为减阻罩 4顶盖。 并裁剪多片扇形丝网做成高度为 2mm的丝网结构支架。 将减阻罩 4、 主分液罩 5和丝网支架 3焊接为一体, 放入 光滑外换热管 1中, 获得丝网结构的内分液罩式冷凝换热管。

由减阻罩 4和主分液罩 5组成的内分液罩 2与外换热管 1同轴、 长度相同, 且贯穿外换热管 1, 内分液罩 2的始、 末端与外换热管 1的端口平齐, 减阻罩 4 的长度为 15cm (即等于冷凝过程环状流型之前的所有流型长 之和)。 减阻罩 4 的始端 (截面小的一端)位于冷凝换热管的气体入口 一侧, 减阻罩 4的末端与主 分液罩 5始端相连, 此冷凝换热管内外管间隙为 2mm。

内分液罩 2及支架 3的多孔结构 6的孔径 1.4mm, 冷凝工质为水, 在一个 大气压且温度为 50 °C时, σ =0.06794N/m, g=9.8m/s 2 Pf =987.99kg/m 3 , 等于 4.8mm, 而 1.4mm<4.8mm, 从而孔径 孔结构可使冷凝相变过程中的液态水进入内

分液罩 2中, 并及时导出冷凝换热管, 使得内分液罩 2内为液体流动, 而外换热 管 1与内分液罩 2间的环形间隙内为蒸汽流动, 从而提高相变传热的效率。

以上所述, 仅为本发明较佳的具体实施方式, 但本发明的保护范围并不局限 于此, 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内, 可轻易想到 的变化或替换, 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此, 本发明的保护范围应 该以权利要求的保护范围为准。