CN100560172C - 一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，包括水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的水平管降膜蒸发器内安装有导流装置，该导流装置安装于相应的蒸发管的底端；在蒸发管束中还装有二次布液装置，该二次布液装置安装于构成排气通道的相邻两排蒸发管之间。本发明的含有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其蒸发管管间液体流动稳定，并且最大限度的维持为柱状流，能够避免飞溅、偏离、局部干涸现象的发生，可以有效的提高传热效率。

Description

一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器

技术领域

本发明属于蒸发器设计技术领域，涉及一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器。

背景技术

传统的水平管降膜蒸发器主要由布液器、水平管束、外部壳体等部件组成。布液器位于整个水平管降膜蒸发器的上部，液态工质经布液器布液后，在水平管束外形成一层均匀液膜，并沿管束向下流动，在此过程中，液态工质与管内热流体换热发生相变。水平管降膜蒸发器具有传热系数高、换热温差小、工质充灌量少等优点。

为确保水平管降膜蒸发器具有较高的换热效率，目前尚有以下技术问题有待进一步解决：1、蒸发管外液态工质分布不均匀；2、竖直方向上管间液态工质流动不稳定(应尽量维持稳定的柱状流)；3、由于工质蒸气流动、液量不足、强化管表面粗糙度不同等原因造成管间液流沿竖直方向的偏离；4、液态工质滴至蒸发管上发生飞溅。上述问题中前三者会使水平管降膜蒸发器在工作过程中，蒸发管表面产成局部干涸现象，尤其是在蒸发器底部的管束，液态工质流量减少，极易受其影响而产生局部干涸现象；另外气道中较大气流也容易引起气道中的液流偏离从而造成下面的管束发生局部干涸现象。而液态工质飞溅会引发其有效换热质量的损失。文献及相关专利中多采用调整蒸发管束的布局来解决上述问题，目前比较常见的管束排列方式有矩形、三角形及旋转三角形等排列方式，这种设计虽然可以保证液体与蒸发管表面接触，减少有效换热质量的损失，但是无法规范其接触的区域，不能从根本上解决局部堆积和局部干涸现象。

针对上述问题，部分研究者从另外一个角度入手，提出了在每个蒸发管下半圆周外安装一个半圆的液态工质收集器，并且收集器上端两侧各突出一个延伸结构，液态工质流至蒸发管顶部后沿着管周绕流，之后并不是直接从蒸发管下部流至下面一排蒸发管顶部，而是在收集器内囤积至其沿外突结构自然外溢，相邻两排蒸发管的收集器外突结构流出的液体汇集在一起，流至下面一排蒸发管的顶部。这样的结构可以明显改善液体流动的稳定性，有效避免局部干涸现象的发生，但是也存在一些缺陷。1、由于收集器包裹在蒸发管的主要产气区所以产生的气态工质必须向上穿过收集器中的液体从上半管周与收集器之间的狭小空间排出，这样需要克服更多阻力，对于低热通量，气泡不容易溢出，可能会造成整体换热效果降低；2、由于液体收集器的存在，使处于同一水平面上的蒸发管、液体收集器以及外溢的液态工质联成一体，形成了一个不透气的隔离层，阻止了气态工质沿管列上升，只能从壳体两侧向上流动，这样可能会增加蒸汽排出的能量损耗；3、液体收集器的加工工艺复杂，安装难度也比较大，会造成成本上升，不利于推广。

发明内容

本发明旨在提出一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器。

水平管降膜蒸发器内，由于液态工质在流动过程中不断吸热蒸发，沿管束竖直方向上，工质主要呈现出三种流态：1、临近布液器的几排管束间，由于液态工质蒸发较少，主要呈现为片状流；2、位于中部的管束间，由于部分蒸发，液量减少，主要呈现为柱状流；3、位于底部的管束间，由于液体大量蒸发，主要呈现为滴状流。即整个水平管降膜蒸发器工作过程中，液态工质沿竖直方向上主要分为片状流、柱状流及滴状流三个流动阶段。当液态工质处于片状流阶段时，重力作用下液流加速流动引起的飞溅、液量较大引起局部液体堆积是降低换热效率的主要影响因素，由于液量较大，发生偏离及局部干涸现象的几率很小；当液态工质处于柱状流阶段时，影响换热的主要因素为飞溅、偏离、局部堆积及干涸，飞溅同样为重力作用引起，偏离(液态工质流动过程中沿竖直方向的偏离及相对于来流液柱沿蒸发管轴向的偏离)为强化蒸发管(多为螺纹结构)表面状况、蒸发管表面液态工质气化产生的气泡、气流吹动因素引起，蒸发管表面上液态工质局部堆积及干涸是液柱分布不均匀及液量减少引起的；当液态工质处于滴状流阶段时，影响换热的主要因素为偏离(主要是液态工质流动过程中沿竖直方向的偏离)，偏离多为强化蒸发管表面状况及气流吹动引起。

鉴于以上分析，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，包括水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的水平管降膜蒸发器内安装有导流装置，该导流装置安装于相应的蒸发管的底端；在蒸发管束中还装有二次布液装置，该二次布液装置安装于构成排气通道的相邻两排蒸发管之间。

本发明的含有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其蒸发管管间液体流动稳定，并且最大限度的维持为柱状流，能够避免飞溅、偏离、局部干涸现象的发生，可以有效的提高换热效率。

附图说明

图1为蒸发管管束排列形式图示；其中(a)为三角形排列形式，(b)为矩形排列形式；

图2为连续型片状导流装置图示；

图3为锯齿型片状导流装置图示；

图4为线状导流装置图示；

图5为二次布液装置图示；其中，图(a)、(b)分别给出了两种构型

图6为带有导流装置及二次布液装置的蒸发管束列向图示；

以下结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式

本发明的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，不同于传统蒸发管束，它包括水平管降膜蒸发器，水平管降膜蒸发器内安装有导流装置，该导流装置安装于相应的蒸发管的底端；在蒸发管束中还装有二次布液装置，该二次布液装置安装于构成排气通道的相邻两排蒸发管之间。

导流装置按照不同的液态工质的流动形态设计为不同的形状，其形状包括连续片状、锯齿片状以及线状等，如图2～图4所示。

1)对于处于片状流阶段的液体流，本发明采用连续的片状导流装置，并在导流片上布置有按一定规律分布的凹凸结构，借此提高其实际工作能力。该导流装置除可以稳定管间液体方向、减缓液体流动速度外，还可以通过导流片的凹凸结构使分布于导流片两面的液体在管长方向上均匀分布，避免由于流量过大而在下一排蒸发管上的堆积现象发生。另外，该片状导流装置还可以起到翅片的作用，能够有效的增强片状流阶段的换热效果。

2)对于处于柱状流阶段的液体流，由于柱状流是水平管降膜蒸发器中换热效果相对较好的流态，所以只需布置相应的导流装置，规范液体流动方向、避免局部堆积即可，故本发明采用锯齿型片状导流装置。

3)对于处于滴状流阶段的液体流，由于液体流进入该阶段时，已完成其主要换热过程，且该阶段中液量较少，故只采用线状导流装置来规范液流流动方向即可。

4)对于处于片状流到柱状流过渡区域的液体流，由于此处相对稳定柱状流区域流量较大，故采用连续型片状导流装置；对于处于柱状流到滴状流过渡区域的液体流，由于此处相对稳定滴状流区域流量较大，故采用锯齿型片状导流装置。

5)片状导流装置的宽度及其表面结构可以根据不同工质的性质进行调节。例如工质粘度较大，由于液体本身流动稳定性较好，导流装置的宽度可以设计的小一些，否则要大一些，但是一般不超过两水平管间垂直间距的一半。由于滴状流稳定性差，故线状导流装置必须完全连接在两管之间，高度等于管间距。

其次，本发明中涉及的水平管降膜蒸发器的蒸发管束中还装有二次布液装置，该装置安装于构成排气通道的相邻两排蒸发管之间。由于气道多布置在柱状流区域，气流会造成液态工质流动过程中沿竖直方向的偏离及相对于来流液柱沿蒸发管轴向的偏离，使得液流偏离相邻的下一排蒸发管或形成局部堆积；另外，若在此处安装锯齿型片装导流装置会对气流造成阻碍，影响排气，故在此处布置半月形条状二次布液装置，收集上部流下的液态工质并进行再分配，即二次布液。该策略能够使下部管束上的液态工质分布更加均匀，有效避免气流对液体流向的影响，从而有效的避免气道以下蒸发管束上的局部堆积及局部干涸现象的发生。

如图5所示，该二次布液装置长度等于蒸发管管长，侧面为半月形，其上设置有按一定规律布置的短管，收集的液体达到一定高度时沿其侧向开孔流出起到二次布液的作用。

实施例：

水平管降膜蒸发器的管束排列形式可选用传统水平管降膜蒸发器的管束排列形式，即矩形排列、三角形排列等，如图1所示。

一、导流装置

由于不同流态阶段设置不同形式的导流装置，所以需事先确定三种流态(片状流、柱状流、滴状流)所占管排区间。每种流态所占管排区间可通过布液器上方液态工质总流量计算确定。据此布置相应的连续型片状导流装置、锯齿型片状导流装置及线状导流装置。每种导流装置的具体形式如下所述：

1、连续型片状导流装置

如图2所示，该导流装置为长度为蒸发管管长，宽度为1/3H～1/2H(其中：H为竖直方向上相邻两排蒸发管间距离)、厚度为1mm左右的薄金属片(该金属片材料与蒸发管材料一致，方便焊接)。该导流表面可视液态工质的粘稠情况设置不同形式的凹凸结构，借此减缓液体的管间流速并使液态工质沿管长方向均匀分布。

2、锯齿型片状导流装置

如图3所示，锯齿型片状导流装置的外形尺寸与连续型片状导流装置相同，其锯齿结构处的齿顶距离为2～3个波长λ_Γ，即柱状流初始阶段布置齿顶距离较小锯齿型片状导流装置，随着液量减少(蒸发造成)采用齿顶距离较大锯齿型片状导流装置。

波长λ_Γ定义如下：

${\mathrm{\λ}}_T=2\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{n\σ}}{{\mathrm{g\ρ}}_L}\right)}^{\frac{1}{2}}$

σ为制冷剂液体的张力系数，单位：N·m^-1；ρ_L为制冷剂液体密度，单位：kg·m^-3；g为重力加速度，单位：m·s^-2；其中，n根据膜厚的情况取不同值，若膜相对较厚，取为3，相对较薄取为2。一般情况下，对于粘度较小工质，取2与实际观察相符。

3、线状导流装置

如图4所示，线状导流装置为直径小于1mm的金属丝，其两端连接在竖直方向上相邻两蒸发管上，相邻两个金属丝间的距离2个波长左右。

二、二次布液装置

如图5所示，二次布液装置为弯月形条状结构，其长度等于蒸发管管长，弦长略大于蒸发管直径，其上布置有等距短管，短管间距小于2倍波长。二次布液装置布置于气道中，竖直方向上相邻两根蒸发管之间，距其下蒸发管1/2管间距处。图5(b)所示构型中短管侧向开孔模式可以避免图5(a)构型中液流通过短管上端开孔直接流至下一排蒸发管。

图6显示了带有导流及二次布液装置的水平管降膜蒸发器的一列蒸发管中导流装置和二次布液装置的分布。

Claims (7)

1.一种带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，包括水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的水平管降膜蒸发器内安装有导流装置，该导流装置安装于相应的蒸发管的底端；在蒸发管束中还装有二次布液装置，该二次布液装置安装于构成排气通道的相邻两排蒸发管之间。

2.如权利要求1所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的导流装置的形状为连续片状、锯齿片状或线状。

3.如权利要求1所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的二次布液装置的长度等于蒸发管管长，侧面为半月形，在二次布液装置的底部有均匀分布的短管，短管的侧向开孔。

4.如权利要求2所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的导流装置中连续片状的导流结构外表面带有凹凸结构，结构形式及高度依据流体物性确定。

5.如权利要求2所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的导流装置中的锯齿片状导流结构其锯齿结构处的齿顶距离为2-3个波长λ_Γ，其具体尺寸随着在蒸发管束中所处的位置进行调整，

${\mathrm{\λ}}_T=2\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{n\σ}}{g{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{\frac{1}{2}}$

σ为制冷剂液体的张力系数，单位：N·m^-1；ρ_L为制冷剂液体密度，单位：kg·m^-3；g为重力加速度，单位：m·s^-2；其中，n根据膜厚的情况取不同值，若膜相对较厚，取为3，相对较薄取为2。

6.如权利要求2所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的导流装置中的线状导流结构其高度为蒸发管管间距，其相邻两根线间距离为2个波长λ_Γ，

${\mathrm{\λ}}_T=2\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{n\σ}}{g{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{\frac{1}{2}}$

σ为制冷剂液体的张力系数，单位：N·m^-1；ρ_L为制冷剂液体密度，单位：kg·m^-3；g为重力加速度，单位：m·s^-2；其中，n根据膜厚的情况取不同值，若膜相对较厚，取为3，相对较薄取为2。

7.如权利要求3所述的带有导流装置和二次布液装置的水平管降膜蒸发器，其特征在于，所述的二次布液装置距其下蒸发管1/2管间距处，其内部短管间距小于2倍波长λ_Γ，

${\mathrm{\λ}}_T=2\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{n\σ}}{g{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{\frac{1}{2}}$

σ为制冷剂液体的张力系数，单位：N·m^-1；ρ_L为制冷剂液体密度，单位：kg·m^-3；g为重力加速度，单位：m·s^-2；其中，n根据膜厚的情况取不同值，若膜相对较厚，取为3，相对较薄取为2。

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