CN102620587A - 一种管壳式脉动热管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管壳式脉动热管换热器，包括壳程、管程以及设置在壳程两端的密封法兰和封头，所述管程设置在所述壳程内，该管程通过中间隔板被分为上下连通的折返流体通道，其两端所述的密封法兰、封头与所述壳程两端法兰圈固定并密封连接，在所述管程与壳程上设置有脉动热管，所述脉动热管的冷凝段位于壳程内，脉动热管的蒸发段位于管程内。本发明将脉动热管分组插入管壳式换热器，充分利用了热交换空间，且根据沿程换热过程中热流量的大小选择相应的热管工质，实现了能量的梯级利用。此外，本发明可以任一方位布置，结构紧凑，体积小，制造工艺简单，方便拆装维护，无需外加泵驱使流动，使用安全，具有良好的应用前景。

Description

一种管壳式脉动热管换热器

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为高效梯级利用能源而设计的管壳式脉动热管换热器。

技术背景

随着经济的飞速发展，能源紧缺及浪费问题日趋严重，对涉及能耗的各种工业环节采用积极有效的节能减排措施将具有十分重要的工程意义。管壳式换热器因具有可靠性高、结构紧凑、制作简单等优点被广泛的应用于石油化工、电力、环保、能源等各种工业领域。为此，对管壳式换热器进行优化设计或结构改进，提高其换热效能，是节能减排的一项重要举措。

热管是一种利用其内部工质的相变潜热而实现能量交换的高效换热器件，较之显热对流换热具有更高的传热性能，且成本低廉，可靠性高。因此，热管已经成为一种非常具有应用前景的冷、热流体热交换媒介而被应用于管壳式换热器中。目前，较为常用的热管主要有传统毛细芯热管和重力热管等。但毛细芯热管内壁上加工有毛细芯，制作工艺较为复杂，热管尺寸和重量大，而重力热管虽不需吸液芯，但冷凝段工质必须依靠重力辅助回流至蒸发段实现循环，所以在水平或是逆重力方向工作时，热管传热性能会大大的降低甚至产生失效。因此，此类管壳式热管换热器虽换热效率高，但是存在着制造工艺复杂、使用灵活性差、不宜沿逆重力方向布置等问题，因此，其应用推广受到一定限制。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种成本低廉、结构简单、安装维护方便、可沿任意角度工作、并可实现能量梯级利用的管壳式脉动热管换热器。

技术方案

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种管壳式脉动热管换热器，包括壳程、管程以及设置在壳程两端的密封法兰和封头，所述管程设置在所述壳程内，该管程通过中间隔板被分为上下连通的折返流体通道，其两端采用法兰连接和密封圈或胀接的密封方式，将所述的密封法兰、封头与所述壳程两端法兰圈固定并密封连接，其特征在于：在所述管程与壳程上设置有脉动热管，所述脉动热管的冷凝段位于壳程内，脉动热管的蒸发段位于管程内。

所述脉动热管沿所述管程轴向分组插入所述换热器，每组所述脉动热管沿所述管程的周向呈花瓣状均匀排布，且排布密度和角度可根据工作负荷调整。

所述脉动热管采用模块化设计，通过一种热管固定组件以可拆装的方式安装在所述管程上，所述热管固定件为两片相互配合的法兰盘，所述法兰盘上加工有与所述脉动热管相配合的凹槽，所述脉动热管置于所述凹槽内并通过所述固定法兰夹紧并与所述管程周向的插槽法兰连接并密封。

根据所述换热器内的沿程换热热流量的大小选择相应沸点的热管工质来实现能量的梯级利用。

所述脉动热管的蒸发段内壁面进行亲水化壁面改性，冷凝段内壁面进行疏水化壁面改性。

本发明脉动热管是通过毛细金属管经反复弯折并首尾相接后抽真空并充注工质而形成的闭路式脉动热管，毛细金属管的材料可以根据工作条件、与工作介质相容性等选择不同的材料，如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜（合金）、铝（合金）、镍（合金）等。所述毛细管的当量直径介于0.5 ～3.5mm。

所述脉动热管是一种新型热管，其工作原理和传统热管有很大不同。由于其通道尺寸为毛细尺度，表面张力克服重力作用使管内工质在蛇形密闭的真空空间里形成随机分布的气栓和液栓。其工作时，工质在蒸发段吸热蒸发，气泡迅速膨胀增大而升压，推动工质流向低温冷凝段，气泡在冷凝段收缩破裂，压力下降。由于两端压差，以及气/液栓分布的随机性和局部传热的不均匀性导致在相邻管内压力的不平衡，造成工质在蒸发段和冷凝段间自激励脉动流动，实现热量由一端到另一端的传递。整个工作过程无需消耗外部机械功和电功，完全是热驱动下的自我脉动。与传统热管相比，其有以下优点：体积小，结构简单，成本低，传热性能好，可根据需要随意弯曲。

所述脉动热管的蛇形通道弯数大于16（平行管段数大于32）。这样，足够多的通道弯头就可以提供管内足够大的表面张力及管间不平衡压力驱动力，从而克服重力对所述脉动热管工作性能的影响，使所述换热器可以在任意角度下正常工作。

在所述每组脉动热管间的所述壳程内设置有垂直于壳程主轴的折流板，以增加壳程内流体的换热路径及流体自身的扰动，从而达到强化传热的作用。

所述的脉动热管内的工质充液率为30% ～ 60%，热管内的工质可根据管壁金属相容性及能量梯级利用原理进行选择。在所述脉动热管换热器换热初始段热流量较高，可选用沸点较高的工质，如水等。而在换热末尾段热流量较低，可选用沸点较低的工质，如R123，丙酮等。这种针对沿程不同换热热流量而选用相应热管工质的方法，可有效实现工质能量的梯级利用，是一种有效的节能方法。

所述的脉动热管冷凝段内壁面进行疏水化处理，可以抑制膜状凝结，促进珠状凝结的形成，减小蒸汽与壁面热交换的热阻。所述脉动热管蒸发段内壁面进行亲水化处理，减小了液态工质在亲水性表面的接触角，可以形成均匀的水膜，从而增大了蒸发表面，提高了蒸发传热的效果。总之，采用这两种设计可以使所述脉动热管的传热得到强化，从而提升所述脉动热管换热器的整体换热性能。

有益效果

本发明涉及一种管壳式脉动热管换热器。该换热器采用脉动热管作为换热器管程和壳程内冷、热工质间的传热元件，充分结合了相变潜热和对流显热传热，提高了换热效果，而且增加了管程与壳程之间的对流换热面积；同时，可依据换热器内冷、热流体的不同工作温度选用相应的热管工作介质，经济有效地梯级利用了低品位热能；对蒸发段和冷凝段内壁面分别进行了亲水化和疏水化壁面改性，强化了蒸发段和冷凝段的蒸发和冷凝换热性能；此外，本发明无需消耗外部机械功和电功，无需吸液芯，结构简单，体积小，可以在任意角度下工作，适用范围广，无需其它附属设备，成本低，拆装方便，使用安全。

附图说明

图1为脉动热管换热器的立体结构示意图。

图2为脉动热管换热器的装配示意图。

图3为脉动热管与固定组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1和图2分别给出本发明的立体结构示意图及其装配示意图。由图可知，本发明所提出的管壳式脉动热管换热器，主要包括壳程6、管程7以及设置在壳程两端的密封法兰3、8和封头2、9组成。如图1和图2所示，在所述管程7的中部采用隔板1将所述管程7分割为上下两个折返通道，所述隔板1与所述管程7采用胀接连接，在所述管程7与封头2、9相隔的两端壁面上分别加工有供流体通过的蜂窝孔11及供所述隔板1穿过并固定的贯通槽12。左封头2、左密封法兰3及右封头9、右密封法兰8分别布置在所述壳程6的左右两端，采用法兰连接和密封圈10或胀接的密封方式，将所述的封头2、9、密封法兰3、8与壳程两端法兰圈连接并将所述换热器整体密封，所述封头2、9的中部腔体也与所述隔板1采用胀接的方法密封连接。所述壳程6和管程7分别作为热流体通道和冷流体通道。如图2所示，所述脉动热管5沿所述管程的管程轴向分组插入所述换热器内，所述脉动热管5的蒸发段和冷凝段分别插入所述的热流体通道和冷流体通道，每组所述脉动热管5沿所述管程7的周向呈花瓣状均匀排布，其排布角度及密度可以根据工作负荷灵活调整。在所述每组脉动热管间的所述壳程内布置有垂直于壳程主轴的折流板4，以增加壳程内流体的换热路径及流体自身的扰动，从而达到强化传热的效果。所述脉动热管5采用模块化设计，每个脉动热管模块通过一种固定组件方便地安装于加工在所述管程周向的插槽法兰13上，以便日后的拆装维护。如图3所示，所述的固定组件由两块相互配合大小形状相互对称的法兰盘14组成，在每片法兰盘的一侧加工有与所述脉动热管平行管段相配合的凹槽，所述脉动热管5置于所述凹槽内并通过所述法兰盘14夹紧并焊接密封，最终将该模块与所述管程周向的插槽法兰13连接并密封。

所述脉动热管5是通过毛细金属管经反复弯折并首尾相接后抽真空并充注工质而形成的闭路式脉动热管，所述毛细管的当量直径介于0.5 ～3.5mm，所述脉动热管的蛇形通道弯数大于16（平行管段数大于32），这样足够多的通道弯头就可以提供管内足够大的表面张力及管间不平衡压力驱动力，从而克服重力对所述脉动热管工作性能的影响，使所述换热器可以在任意角度下正常工作。所述的脉动热管5内的工质充液率为30% ～ 60%，热管内的工质可根据管壁金属相容性进行选择，如水、氨、乙醇、甲醇、丙酮、R123制冷剂等。同时，根据能量梯级利用原理，在所述脉动热管换热器换热初始段热流量较高，可选用沸点较高的工质，如水等，而在换热末尾段热流量较低，可选用沸点较低的工质，如R123，丙酮等。这种针对不同换热热流量选用相应热管工质的方法，可有效实现能量的梯级利用。

此外，所述脉动热管5的管壁由高导热率的金属或合金材料制成，可以根据工作条件、与工作介质相容性等选择不同的材料，如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜（合金）、铝（合金）、镍（合金）等。同时，对所述的脉动热管5冷凝段L1和蒸发段L2的内壁面进行疏水化和亲水化壁面改性，如通过化学方法，在所述冷凝段内壁表面制备一层合成高分子疏水表面，如在黄铜表面制备六氟丙烯聚合物表面、紫铜表面制备聚八氟环丁烷表面等；采用浸渍和光催化方法，在所述蒸发段内壁表面制备一层超亲水的二氧化钛及氧化锌亲水薄膜。采用这样的设计可以抑制冷凝段膜状凝结，促进珠状凝结的形成，减小蒸汽与壁面热交换的热阻；减小液态工质蒸发段内壁表面的接触角，促进均匀水膜的形成，从而增大了蒸发表面，促进了蒸发传热的效果。总之，采用这两种设计可以使所述脉动热管5的传热得到强化，从而提升所述脉动热管换热器的整体换热性能。

Claims (5)

1.一种管壳式脉动热管换热器，包括壳程、管程以及设置在壳程两端的密封法兰和封头，所述管程设置在所述壳程内，该管程通过中间隔板被分为上下连通的折返流体通道，其两端采用法兰连接和密封圈或胀接的密封方式，将所述的密封法兰、封头与所述壳程两端法兰圈固定并密封连接，其特征在于：在所述管程与壳程上设置有脉动热管，所述脉动热管的冷凝段位于壳程内，脉动热管的蒸发段位于管程内。

2.如权利要求1所述的管壳式脉动热管换热器，其特征在于，所述脉动热管沿所述管程轴向分组插入所述换热器，每组所述脉动热管沿所述管程的周向呈花瓣状均匀排布，且排布密度和角度可根据工作负荷调整。

3.如权利要求2所述的管壳式脉动热管换热器，其特征在于，所述脉动热管采用模块化设计，通过一种热管固定组件以可拆装的方式安装在所述管程上，所述热管固定件为两片相互配合的法兰盘，所述法兰盘上加工有与所述脉动热管相配合的凹槽，所述脉动热管置于所述凹槽内并通过所述固定法兰夹紧并与所述管程周向的插槽法兰连接并密封。

4.如权利要求2所述的管壳式脉动热管换热器，其特征在于，根据所述换热器内的沿程换热热流量的大小选择相应沸点的热管工质来实现能量的梯级利用。

5.如权利要求2所述的管壳式脉动热管换热器，其特征在于，所述脉动热管的蒸发段内壁面进行亲水化壁面改性，冷凝段内壁面进行疏水化壁面改性。

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