CN101338959B - 一种高效的壳管式冷凝器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效的壳管式冷凝器，包括传热管管束和壳体，其特征在于：传热管管束由两种或两种以上的传热管构成；传热管管束根据气体去过热、气体冷凝和液体过冷三个不同的换热过程，选配各自适应的传热管。本发明的有益效果是：对于冷凝器中，气体过热管束、气体冷凝上层管束、冷凝下层管束、过冷管束的不同的换热过程和特点采用与之相适应的最佳传热管，相对于传统设计采用同种换热管仅对于冷凝上层管束换热优化，有效地提高了冷凝器的换热效果。

Description

一种高效的壳管式冷凝器 
技术领域
本发明涉及了一种冷凝器，具体为一种壳管式冷凝器，其具有较高换热系数，属于传热设备技术领域。
背景技术
在制冷与空调及其相关工业，水冷式冷凝器得到了广泛的应用。它们大多为壳管式换热器，在冷凝器中，主要有三种换热过程，包括：
1)过热气体的降温(去过热)；
2)气体冷凝成液体；
3)液体被进一步冷却至过冷状态。
这其中，1)、3)为没有气液状态变化的显热热交换过程，而2)为状态变化的潜热热交换过程。尽管这些过程换热有很大差异，但目前在冷凝器中，均采用统一冷凝型换热管。而这种换热管通常对于去过热及过冷过程，换热系数较低。
另外，在冷凝过程2)中，制冷剂在管外冷凝相变换热，冷却剂(例如水)在管内流动换热。传热管按一定的规律(如正三角形排列)形成管束被排列在管板之间，制冷剂通过较低温度的管束被冷凝，在传热管管壁形成冷凝液，由于重力作用往下滴落，很容易逐层在冷凝管上累积，形成上层管束下小雨，下层管束下大雨的情形。而膜状冷凝的换热系数很大程度上决定于管表面的冷凝液膜厚度，液膜越薄，冷凝换热系数越好。为减小冷凝液膜的厚度，现有设计会采用更高效的传热管来代替光管，这些传热管具有一些特殊的冷凝型三维表面(如锯齿状，参考图4c)，有利于减薄液膜和冷凝液的滴落。但是在冷凝器的管排数量显著增加时，位于下层区域的传热管由于滴落在表面的冷凝液量更大，而且新型传热管容易因为三维表面的表面张力的作用附积在表面而降低换热效率，因此传热管排数越大，换热衰减越多。这样，下层区域 的换热管的换热较差。
发明内容
本发明的发明目的是为了提供一种高效的壳管式冷凝器，以解决现有产品及设计中存在的上述问题。针对冷凝器的3个不同换热过程，通过采用各自适用的传热管来强化换热性能，来达到提高整个冷凝器性能，进一步提升冷冻机整机性能。
本发明的发明目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高效的壳管式冷凝器，包括传热管管束和壳体，其特征在于：传热管管束由两种或两种以上的传热管构成；传热管管束根据气体去过热、气体冷凝和液体过冷三个不同的换热过程，选配各自适应的传热管。
所述的冷凝器顶部用于气体降温的管束采用2维强化换热的传热管，其实际外表面积/光管面积大于3.0而小于6.0。
过冷器冷凝液相对换热管垂直流动换热时，所述的冷凝器底部用于液体过冷的管束采用2维强化换热的传热管，其实际外表面积/光管面积大于3.0而小于6.0。
过冷器冷凝液相对换热管轴向流动换热时，冷凝器底部用于液体过冷的管束采用轴向流体流动强化传热的3维强化换热的传热管。
气体降温的管束和液体过冷的管束之间为气体冷凝的管束，气体冷凝的管束为上下两层，冷凝器用于气体冷凝的下层管束采用不同于上层管束的传热管。例如，冷凝器用于冷凝的上层管束采用3维强化换热的传热管，用于冷凝的下层管束采用2维强化换热的传热管。
管程数为两程或以上时，冷却液优先经过下层管束再进入上层管束。各管程管束的换热管支数并不一定相同，而按照管内阻力及换热热流密度进行优化分配。
本发明的有益效果是：对于冷凝器中，气体过热管束、气体冷凝上层管束、冷凝下层管束、过冷管束的不同的换热过程和特点采用与之相适应的最佳传热管，相对于传统设计采用同种换热管仅对于冷凝上层管束换热优化，有效地提高了冷凝器的换热效果。
按照采用制冷剂R134a冷凝实际的试验结果，应用1758kw的冷冻机组测试，本发明与现有技术相比较，整体的饱和温度提高了0.85℃，过冷度由2.5℃增加到4.3℃。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明的技术特点；
图1是壳管式冷凝器圆筒截面图；
图2是壳管式冷凝器正视剖面图1；
图3是本发明冷凝器正视剖面图2；
图4是传热管形式的示意图，4a.一维表面换热管，4b.二维表面换热管，代号T1，4c.冷凝型三维表面换热管代号T2，4d，轴向流动传热强化的三维表面换热管代号T3；
图5是在降温用管束中的换热性能曲线；
图6是在冷凝用上层管束的换热性能曲线；
图7是在冷凝用下层管束的换热性能曲线；
图8是在过冷用管束的换热性能曲线；
图中：1-冷凝器  2-冷凝器壳体  3-传热管管束(3a，降温用；3b，冷凝用上层；3c冷凝用下层；3d过冷用；)4-管板  5-支撑板  6-水室  7-蒸汽入口  8-冷凝液出口  9-冷却剂入口  10-冷却剂出口  11-管程隔板位置
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
壳管式冷凝器的常规结构如图1，2，3所示，通常冷却液走于管内，壳体内，制冷剂过热气体从上部接  7进入，经过传热管管束3时，因管内的冷却液体温度较低，首先气体通过管束3a被冷却到接近饱和，再通过管束3b进一步冷凝成液体。在管束3b，3c中由于重力作用，冷凝液逐渐从管上滴落， 再由于冷凝器的管间距通常较小，这样冷凝液很容易逐层在管上累积，形成上层管束3b区域下小雨，下层管束3c区域下大雨的情形。而膜状冷凝的换热系数很大程度上决定于管表面的冷凝液膜厚度，液膜越薄，冷凝换热系数越好。通常的设计中，减少管排数，可有效提高平均冷凝换热系数，但每排的管枝数要增加，显然这会受到壳体直径的限制。通常，在冷凝器中为了提高系统的效率，在底部液位以下会设置传热管束3d，让冷凝液体进一步过冷。
这样整个冷凝器的换热至上而下按照不同位置及不同的换热特点可分为四个区域，分别为降温管束3a，上层冷凝管束3b，下层冷凝管束3c和过冷管束3d。其中3a，3d为没有状态变化显热换热(3a管外为气体降温，3d管外为液体过冷的变化)；3b，3c为介质从气体冷凝为液体的潜热换热。尽管这些过程换热有很大差异，但目前在冷凝器中，人们制作此类换热器时，会采用同一种高效传热管来代替光管，这些传热管具有一些特殊的冷凝型三维表面(如锯齿状，参考图4c)，有利于减薄液膜和冷凝液相下的滴落。但是，这种换热管通常对于单纯气体降温及液体过冷过程，换热系数较低；而且这种传热管因为三维外表面的表面张力的作用容易附积在管外表面而降低换热效率，因此传热管排数越大，换热衰减越多，这样导致下层的换热管束3c的换热也较差。
常见的冷凝传热管主要有一维型表面(如光管，参考图4a)，两维型表面(T1管，即低翅片管，参考图4b)，和现有技术为提高单管冷凝性能而推荐的三维冷凝型换热表面(T2管，如锯齿状管，花瓣管，外表滚花型...参考图3c)，另外一种换热管T3如图4d，是为了在管外流体轴向流动时强化传热的，在轴向外翅片之间留出了供流体流动的通道。
按照图5和图8，在管束3a和3d中采用低翅管T1(参照图4b)，对比于三维冷凝型传热管T2可以提高显热换热的性能。因为低翅管能够提供显热传热要求更高的外表面积比，当二维强化表面管T2的外表面积比上同外径光管面积比P为3.0倍以上时，这种强化更为明显。但为保证穿管方便，传热管外径通常小于管孔径，这样翅片高度限制在3mm以下，又因为机加工的限制，翅片的轴向密度通常不超过2500个/m，这样面积比P通常小于6.0。
按照图6，在冷凝上层管束3b中，采用的是一种三维换热表面T2管(商 品名Turbo-C)，比采用T2管，其冷凝侧换热性能增加了35％以上。T2型传热管在外表面形成很多尖点和转折点，有利于在局部区域减薄冷凝液膜，促进冷凝液的滴落排除，以提高其冷凝换热系数，T2管通常随热流密度的减小而换热性能增加，并且随着换热管排数的减少而出现换热性能的强化。这种传热管被广泛应用于现有的冷凝器设计中。
按照图7，在冷凝用下层管束3c中，因冷凝液膜较厚地累积在换热管上，现有技术为提高单管冷凝性能而推荐的三维冷凝换热表面(T2管，参考图3c)对于换热器的排数更为敏感，随着排数的增加，性能衰减更多。T2管与两维型表面(即T1低翅片管，参考图4b)相比，管外换热系数在热流密度较大时，甚至比T1低。并不是所有的传热管都会随着排数的增加而换热情况变差，不同的传热管冷凝换热对于排数的敏感程度不一样，这些数据对于换热器设计人员非常关键。在实施例中，在冷凝用下层管束3c中采用T1管可有效改善该区域的传热。
另外，通常的冷凝器为了将冷却液接口放在同一端，管程数采用2程和4程较普遍，绝大部分为2程。对于2程及以上的设计在水室需设置隔板11。这样，将冷却液入口设置在底部，即管束3c的区域有利于提高3c区域的热流密度，按图7，热流密度大的区域，采用T1管优势更大，而这样导致上层3b区域的换热管的热流密度较小，按照图5，更有利于发挥T2管在低热流密度区域的优势。
在换热管底部的过冷器c4位置，经常将冷凝液通过导流板汇聚使得冷凝液沿管轴向流动与换热管内的冷却液形成逆流的换热，这样可以充分提高过冷器的换热效率，针对该区域的换热特点，采用轴向流动强化的三维管(T3，参考图4d)，相对于T1，T2管可进一步提高传热性能，在图8中有这三类管对于不同冷凝液轴向流速的管外传热系数比较，T3＞T2＞T1。
因为在管束区域划分了a，b，c，d不同的区域，导致管程1和2的管内的阻力不同，各管束的热流密度分配也有变化；按照传热，阻力，成本最优化的原则可在不同区域确定不同的传热管数量，这样的换热器优势更大。例如，b区域采用T2管，c区域采用T1管，当水阻系数T2＞T1时，减少c区域管的数量，增加b区域管的数量，可以进一步增加c区域的热流密度而减少b区域 的热流密度，按图6，7的性能曲线，管束3b中，T2管在低热流密度区域优势明显，而管束3c中，T1管在高热流密度区域换热性能较好，这样调配，对T1，T2传热管的综合效果更有利，而两程的水阻力分配也可以平衡。
进一步的在1758kw的冷冻机测试的结果可以反映这一分析结果，采用冷凝器按管程在管束分成上下两区域(为方便对比，其顶部去过热及底部过冷的区域分别并入上下两区域的管束)，共按三个方案作比较，分别为：
1)方案1，采用500枝3660mm长外径19mm的T2管；
2)方案2，采用250枝3660mm长外径19mm的T2管在上层管束，采用250枝同长度和外径的T1管在下层管束；
3)方案3，采用280枝3660mm长外径19mm的T2管在上层管束，采用220枝同长度和外径的T1管在下层管束(同样流量下，220枝T1管与280枝T2管的水侧阻力接近)；
测试按照国家标准GB/T 18430.1-2001蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组，测试结果如下表：
项目 方案1 方案2 方案3
饱和温度 36.8℃ 36.25℃ 35.95℃
水侧阻力 56.6kpa 50.9kpa 56.5kpa
因为同样换热量及换热器工况下，饱和温度越高，对应换热管束的换热效率越高，因此，将整个管束分为上下两个管束，并分别采用T2，T1管可有效提高换热系数(饱和温度降低0.55℃)，在总管数不变的前提下，优化分配各管束的数量，如方案3增加T2管的数量，减少T1管的数量可以进一步提高冷凝器的换热系数(饱和温度降低0.3℃)。
与现有技术相比，设置将冷凝器分成多个管束区域，对于降温管束3a、冷凝上层管束3b、冷凝下层管束3c、过冷管束3d的不同的换热过程和特点采用与之相适应的最佳传热管，这样的设计有效地提高了冷凝器的换热效果。
按照采用制冷剂R134a冷凝实际的试验结果，应用1758kw的冷冻机组测试，本发明与现有技术相比较，整体的饱和温度提高了0.85℃，过冷度由2.5℃增加到4.3℃。冷凝器换热效率的提高可有效降低冷凝温度和压力，从而提高整个系统的能效。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种高效的壳管式冷凝器，包括传热管管束和壳体，其特征在于：所述传热管管束从上至下分为：用于气体降温的管束、用于气体冷凝的上层管束、用于气体冷凝的下层管束和用于液体过冷的管束；传热管管束根据气体过热、气体冷凝和液体过冷三个不同的换热过程，采用与三个不同的换热过程相适应的传热管。
2.根据权利要求1所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：冷凝器顶部用于气体降温的管束采用2维强化换热的传热管，其实际外表面积/光管面积大于3.0而小于6.0。
3.根据权利要求1所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：过冷器冷凝液相对传热管垂直流动换热时，所述的冷凝器底部用于液体过冷的管束采用2维强化换热的传热管，其实际外表面积/光管面积大于3.0而小于6.0。
4.根据权利要求1所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：过冷器冷凝液相对传热管轴向流动换热时，冷凝器底部用于液体过冷的管束采用轴向流体流动强化传热的3维强化换热的传热管。
5.根据权利要求1所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：冷凝器用于气体冷凝的下层管束采用不同于用于气体冷凝的上层管束的传热管。
6.根据权利要求5所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：冷凝器用于气体冷凝的上层管束采用3维强化换热的传热管，用于气体冷凝的下层管束采用2维强化换热的传热管。
7.根据权利要求5所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：管程数为两程以上时，冷却液优先经过用于气体冷凝的下层管束再进入用于气体冷凝的上层管束。
8.根据权利要求6所述的一种高效的壳管式冷凝器，其特征在于：管程数为两程以上时，各管程管束的传热管支数并不一定相同，而按照管内阻力及换热热流密度进行优化分配。
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附图1-2.
附图1a.

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