CN102278904A - 一种内分液罩式冷凝换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于强化传热技术领域的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。该冷凝换热管是在普通外换热管内设置具有微孔或缝隙结构的内分液罩。换热过程形成的冷凝液通过上述微孔或缝隙，在液体表面张力作用下，被及时抽吸至内分液罩，进行汽液两相流分离；冷凝液在内分液罩内流动并通过内分液罩排出换热管，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，从而提高冷凝传热系数。本发明从根本上解决了冷凝传热中沿管长方向形成厚液膜使传热恶化的技术难题，且不受重力影响，在地面及微重力环境下都可显著提高冷凝传热系数。

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，并已达成共识，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型。(2)内壁强化结构虽具有强化效果但并未解决冷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峰教授(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，其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρf为冷凝液密度，ρg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
Figure BDA0000079648330000051
其中σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρf为冷凝液密度，ρg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1～2mm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，提高冷凝传热效率。
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
Figure BDA0000079648330000052
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液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意图；
图2是狭缝壁面的内分液罩式冷凝换热管结构示意图；
图3是丝网结构的内分液罩式冷凝换热管结构示意图；
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意图，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，或利用泡沫金属、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意图，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，但其多孔结构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利用不同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(
Figure BDA0000079648330000081
)，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，在地面及微重力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φ12mm×1mm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φ6mm、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度之和)。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d＝1.4mm，冷凝工质为水，在一个大气压且温度为50℃时，σ＝0.06794N/m，g＝9.8m/s2，ρf＝987.99kg/m3，ρg＝0.0831kg/m3，
Figure BDA0000079648330000091
约等于4.8mm，而1.4mm＜4.8mm，从而孔径d满足
Figure BDA0000079648330000092
所以通过多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。

Claims (10)

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d，其中：σ为冷凝液表面张力，g为重力加速度，ρf为冷凝液密度，ρg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。
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