CN102954731B - 一种高效节能节水的水冷式冷凝器 - Google Patents

Abstract

一种高效节能节水的水冷式冷凝器，冷凝管内安装间歇性自转钢丝螺旋。流化球随螺旋流作螺旋线运动，自身的离心力自然地富集到管内壁，离心压力对硬垢作用的流态化清洗效果得以大大强化。钢丝螺旋的径向振动，尤其是流化球在管内壁高速滚动对边界层强烈的横向搅动，很有效的降低了滞流层的过热度，缓垢防垢作用明显。流化球均布构件显著提高各冷凝管清洗的均匀性。钢丝螺旋外径与管内壁之间大于流化球直径2倍的间隙，消除了固定钢丝螺旋线背侧污垢的流态化清洗盲区。因此，能长期运行保持高洁净度，又能避免钢丝螺旋线和管内壁的过分磨损，管内测传热系数比无污垢时还提高15％～35％，冷凝器节能节水效果显著，汽轮机冷凝器的应用效益更大。

Description

一种高效节能节水的水冷式冷凝器

技术领域

本发明专利涉及一种高效节能节水的水冷式冷凝器，涉及卧式列管水冷式冷凝器管内的在线自动清洗(尤其是其中的硬垢)和传热强化高效节能。它适用于卧式的各种列管水冷式冷凝器，对作为汽轮机附属设备的抽真空设备的水冷式冷凝器更为适合。

背景技术

文献(管内污垢流体动力螺旋自动清洗新技术，清洗世界，2005，21(6)，1～4)报道的技术，利用换热管内的传热流体带动钢丝螺旋自转实现污垢自动清洗，同时又具有较高幅度的对流传热强化效果。结构非常简单，流体阻力又比较低，技术经济性能综合指标比较理想。但是，仍然存在比较重要的缺陷：

一是钢丝螺旋与换热管内壁之间存在有尚未满意解决办法的磨损难题，虽然可以通过塑包钢丝螺旋技术解决，但是若包塑层太薄，磨损寿命太短；若包塑层加厚，又只能在少数高流速、大直径的换热管设备应用，并且流体阻力太大。

二是钢丝螺旋的成型工艺，是先按圆柱弹簧预制，组装时再拉伸变形成为大螺距的钢丝螺旋，这种无模自由成型的螺旋外圆不可能是几何园，并且自转要求螺旋外径必须比换热管内径小数毫米。因此，钢丝螺旋自转时对换热管内壁污垢是不均匀清洗，残留污垢较多，洁净度低。

三是在重力影响下自转钢丝螺旋清洗，对软污垢效果较好，对硬垢则只限于靠近换热管底部的小范围有一定的效果，其余大部分面积几乎无效，因此往往是初期效果比较理想，但总是效果缓慢的逐渐下降，不能满足长周期高效运行的需要。发明人对数十家电厂冷凝器高压水枪清洗出来的水垢仔细观察的结果：在数量上大部分或绝大部分属于软的水垢，但不是全部为软垢，总是有形状如手指甲碎片那样的硬垢。因此，在水冷式冷凝器贴近管内壁的污垢底层，实际上普遍普遍存在有缓慢生长的硬垢。

发明内容

本发明专利提出一种高效节能的水冷式冷凝器，将连续自转钢丝螺旋转换成间歇性自转的结构，不仅全面保留并且成分发扬和强化钢丝螺旋的基本优点，较好地解决了钢丝螺旋与冷凝管内壁之间的磨损问题，同时由于采取低浓度螺旋流态化清洗，还解决了钢丝螺旋清洗硬垢的能力太弱和污垢清洗不均匀性的两大问题。

本发明专利的技术方案为：一种高效节能节水的水冷式冷凝器，主要部件有冷凝管、钢丝螺旋、转轴、流化球、球均布构件、出口室、球循环机构。

每根冷凝管内设置一根能够自转的钢丝螺旋，通过转轴安装在冷凝管进口端的管口架上。螺旋钢丝的直径1.0～3.0mm。钢丝螺旋外径与管内壁之间的直径间隙大于流化球直径的两倍。钢丝螺旋的螺距为冷凝管内径的(1.0～2.5)倍，螺旋螺距大小的设计原则是，主要依据硬垢对清洗强度的要求和冷却水流速的高低，因为螺距愈小、冷却水流速愈高，流化球的离心力愈大，对硬垢的清洗能力愈强。

转轴不仅是钢丝螺旋的轴向定位元件，而且是钢丝螺旋连续自转变换为间歇性旋转的最重要零件。转轴有转轴挂钩、转轴曲臂、转轴斜臂构成。转轴挂钩用于连接钢丝螺旋。转轴曲臂用于钢丝螺旋的轴向定位。固定挡杆固定在管口架上，固定档杆的数量是1或2。转轴旋转时，转轴斜臂被固定挡杆阻挡而停止旋转。停转后，钢丝螺旋受到冷却水的作用力增大到最大值，钢丝螺旋弹性变形的轴向拉伸量及其弹性变形能也随之逐步增大到最大值。这一弹性变形增大的过程中，转轴斜臂和固定挡杆两者的弹性弯曲变形也逐步增大，增大到一定程度后就会相互滑过交叉点脱开，又开始继续旋转。这样，将钢丝螺旋由原本连续的自转转换为间歇性的自转，并且，间歇旋转的周期长短与停转的时间比例大小及其平均转速的高低，可以简便地通过改变转轴斜臂的斜角β，调节转轴斜臂与固定档杆的交错点位置-弹性弯曲变形的刚度得以实现，进而达到满足控制磨损的要求。值得特别强调的是，钢丝螺旋在停转时，对流传热强化效果最好-比旋转时近乎成倍增高，自转清洗的动力矩也是最大，因此防止自转被卡咬的可靠性也更高。

流化球是硬垢清洗的主要元件。清洗时，流化球在冷却水中的体积浓度范围为0.1％～3.0％，流化球的直径范围为0.8～4.0mm。由钢丝螺旋导流形成的螺旋流中，流化球会在自身离心力作用下自动地集聚到管内壁，成倍提高近管内壁区的流化球体积浓度，值得特别强调的是：流化球对管内壁作用的离心压力是能够有效清洗硬垢的重要条件。流化球材质对管程液体必须是惰性的，可以选择河沙、填充耐磨塑料球、金属球、瓷球、胶球等等。

球均布构件的功能是促使流化球比较均匀地分配到各冷凝管。球均布构件主要有导流盖、均布分流板、均布导向板，其次有防沉积板和防涡板。导流盖的作用是使冷却水在管箱里向上流动的垂直分速度超过流化球沉降速度一定值。均布分流板的作用是强制性的将进口冷却水及其流化球分配到对应区域的冷凝管内。均布导向板的作用是引导流化球在水平方向的均布。防沉积板和防涡板的作用就是防止和减少底排冷凝管管口下方空间的涡流和流化球的沉积。

冷凝器的出口室是多功能的。出口室内的斜导板，将冷却水在出口管前导流为较高分速度向下流动，然后在斜导板前端的急弯区实施离心力惯性分离，甩下流化球，沉积到存球区循环使用。出口室内的加球管用来添加流化球。

流化球的循环机构有球浓度调控阀、球循环管线、循环砂泵或文丘里、进水管组成。循环砂泵或文丘里为流化球提供循环动力。小型冷凝器采用文丘里，大中型冷凝器采用循环砂泵。球浓度调控阀通过调节循环管线冷却水量的办法，控制冷凝管内流化球的合理浓度，浓度范围在0.1％～3％。在循环管线的水平段、和文丘里或循环砂泵的出口段，都必须安装有固定的钢丝螺旋或固定厚层橡塑包裹的钢丝螺旋，以防流化球在水平段循环管线发生沉积堵塞，以便促进流化球比较均匀的分散到进水管的冷却水里。流化球的螺旋流态化清洗可以是连续清洗，也可以是周期性清洗，只需通过流化球的循环机构的适当操作实现。

生产运行时，蒸汽进入冷凝管外，冷凝水在冷凝器底部排出。冷却水进入冷凝管内。钢丝螺旋旋转时自动清洗作用强，对流传热强化作用弱；钢丝螺旋停转时自动清洗作用弱，对流传热强化作用最强。在球均布构件的作用下，流化球能够比较均匀地进入各冷凝管，在螺旋流冷却水的带动下，对管内壁污垢(包括硬垢)实现螺旋流态化清洗，使管内冷却水一侧的传热系数比无污垢时还提高15％～35％。应用这种技术的汽轮机机组冷凝器的经济效益大：小型机组能够多发电2.5％～4.0％、中型机组2.0％～2.5％、大型机1.5％～2.0％，并且同时还可以降低冷却水量10％～20％。

附图说明

图1是一种高效节能节水的水冷式冷凝器的结构总图。

图2a、图2b是表示图1中流化球均布结构部件的A-A、B-B剖视图

图3是一种高效节能节水的水冷式冷凝器采用砂泵循环使流化球循环流动的方案图。

图4是冷凝管内安装间歇性自转钢丝螺旋线的组装结构图

具体实施方式

下面结合附图1、图2a、图2b、图3、图4，对本发明作进一步详细的描述。

图中的1管板2冷凝管3蒸汽进口4导流盖5承压盖6均布导向板7球均布构件8防涡板9冷凝液出口10防沉积板11均布分流板12进水管13球浓度调控阀14文丘里15循环管线16循环机构17存球区18流化球19急弯区20加球管21出口室22管程隔板23斜导板24循环砂泵25钢丝螺旋26螺旋勾头27转轴挂钩28固定挡杆29转轴斜臂30转轴曲臂31转轴32管口架33进液口

一种高效节能节水的水冷式冷凝器，主要部件有冷凝管2、钢丝螺旋25、转轴31、流化球18、球均布构件7、出口室21、球循环机构16。

每根冷凝管2内设置一根钢丝螺旋25，通过转轴31安装在冷凝管2进口端的管口架32上。螺旋钢丝25的直径1.0～3.0mm。钢丝螺旋25外径与冷凝管2内壁之间的直径间隙大于流化球18直径的两倍。钢丝螺旋25的螺距为冷凝管2内径的(1.0～2.5)倍，钢丝螺旋25螺距大小的选择原则是，主要依据硬垢对清洗强度的要求和冷却水流速的高低，因为相同流速下螺距愈小，流化球18的离心力愈大，对硬垢的清洗能力愈强。

转轴31不仅是钢丝螺旋25的轴向定位元件，而且是钢丝螺旋25连续自转变换为间歇性旋转的最重要零件。转轴31有转轴挂钩27、转轴曲臂30、转轴斜臂29构成。转轴挂钩27用于连接钢丝螺旋25。转轴曲臂30用于钢丝螺旋25的轴向定位。固定挡杆28固定在管口架32上，固定档杆28的数量是1或2。转轴31旋转时，转轴斜臂29被固定挡杆28阻挡而停止旋转。停转时，钢丝螺旋25受到冷却水的作用力增大到最大值，钢丝螺旋25弹性变形的轴向拉伸量及其弹性变形能的储存量也随之逐步增大到最大值。这一弹性变形过程中，转轴斜臂29和固定挡杆28两者的弹性弯曲变形也逐步增大，达到其一定程度后就会相互滑过交叉点脱开，又开始继续旋转。因此，钢丝螺旋25由原先的连续自转转换为间歇性自转。间歇旋转的周期长短与停转的时间比例大小及其平均转速的高低，可以简便地通过调节转轴斜臂29的斜角β，改变转轴斜臂29与固定档杆28的交错点位置——弹性弯曲变形的刚度得以实现，进而达到控制磨损的要求。值得特别强调的是，钢丝螺旋25在停转时，对流传热强化效果最好-比旋转时近乎成倍增高，自转清洗的动力矩也是最大，因此防止自转被卡咬的可靠性也更高。

流化球18是硬垢清洗的主要元件。清洗作业时，流化球18在冷却水中的体积浓度范围为0.1％～3.0％，流化球18的直径范围为0.8～4.0mm。在由钢丝螺旋25导流形成的螺旋流中，流化球18会在自身离心力作用下自动地集聚到管内壁，成倍提高了近管内壁区的流化球18体积浓度，值得特别强调的是：流化球18对管内壁作用的离心压力是能够有效清洗硬垢的很重要条件。流化球18材质对管程液体必须是惰性的，可以选择河沙、填充耐磨塑料球、金属球、瓷球、胶球等等。

球均布构件7的功能是使流化球18均布到各冷凝管2。球均布构件7有导流盖4、均布分流板11、均布导向板6、防沉积板10和防涡板8。导流盖4的作用是使冷却水在管箱里向上流动的分速度超过流化球18沉降速度一定值。均布分流板11的作用是强制性的将进口冷却水及其流化球分配到上下两区的冷凝管2内。均布导向板6的作用是引导流化球18在水平方向的均布。防沉积板10和防涡板8的作用就是防止和减少底排冷凝管2管口下方空间的涡流和流化球18的沉积。

出口室21多功能。出口室21内的斜导板23，将冷却水在出口管前导流为较高分速度向下流动，然后在急弯区19实施离心力惯性分离，甩下流化球18，沉积到存球区17循环使用。出口室21内的加球管20用来添加流化球18。

流化球18的循环机构16有球浓度调控阀13、球循环管线15、文丘里14或循环砂泵24、进水管12组成。文丘里14或循环砂泵24为流化球18提供循环动力。小型冷凝器采用文丘里15，大中型冷凝器采用循环砂泵24，球浓度调控阀13通过调节循环管线15冷却水量的办法，控制冷凝管2内流化球18的合理浓度，浓度范围在0.1％～3％。在循环管线15的水平段、和文丘里14或循环砂泵24的出口段，都必须安装有固定的钢丝螺旋或固定厚层橡塑包裹的钢丝螺旋，以防流化球18在循环管线15水平段发生沉积堵塞，以便促进流化球18比较均匀的分散到进水管12的冷却水里。流化球18的清洗可以是连续清洗，也可以是周期性清洗，只需通过流化球18的循环机构16的适当操作实现。

生产运行时，蒸汽进入冷凝管2外，冷凝水在冷凝器底部排出。冷却水进入冷凝管2内。钢丝螺旋25旋转时自动清洗作用强，对流传热强化作用弱；钢丝螺旋25停转时自动清洗作用弱，对流传热强化作用最强。在流化球18的均布构件7的作用下，流化球18能够比较均匀地进入各冷凝管2，在螺旋流冷却水的带动下，对管内壁污垢(包括硬垢)实现螺旋流态化清洗，使管内冷却水一侧的传热系数比无污垢时还提高15％～35％。汽轮机机组冷凝器采用这种技术的经济效益显著：小型机组可以多发电2.5％～4.0％、中型机组2.0％～2.5％、大型机1.5％～2.0％，并且同时还可以减少冷却水消耗量10％～20％。

Claims (4)

1.一种节能节水的水冷式冷凝器，主要零部件有冷凝管(2)、钢丝螺旋(25)、转轴斜臂(29)、固定挡杆(28)、流化球(18)、球均布构件(7)、出口室(21)、循环机构(16)，其特征在于：每根冷凝管(2)内设置一根能够自转的钢丝螺旋(25)，通过转轴(31)安装在冷凝管(2)进口端的管口架(32)上；转轴斜臂(29)和固定在管口架(32)上的固定挡杆(28)组成的转换机构，将钢丝螺旋(25)的连续自转变换为间歇性旋转，可以调节转轴斜臂(29)的斜角β的大小，改变转轴斜臂(29)和固定挡杆(28)的交错点位置，进而控制停转的时间比例与平均转速高低，解决钢丝螺旋(25)和冷凝管(2)内壁之间的磨损问题，又增大钢丝螺旋(25)的对流传热强化效果；流化球(18)经过循环机构(16)加入进水管(12)，在球均布构件(7)的协助下比较均匀地分配到各冷凝管(2)内进行高效的螺旋流态化清洗；流化球(18)在出口室(21)内斜导板(23)前端的急弯区(19)在自身离心力作用下分离到存球区(17)，经过循环机构(16)循环使用。

2.根据权利要求1的一种节能节水的水冷式冷凝器，其特征在于：球均布构件(7)主要零部件有导流盖(4)、均布导向板(6)、均布分流板(11)。

3.根据权利要求1的一种节能节水的水冷式冷凝器，其特征在于；钢丝螺旋(25)的钢丝直径1.0～3.0mm，钢丝螺旋(25)外径与冷凝管(2)内壁之间的直径间隙大于流化球(18)直径的两倍，钢丝螺旋(25)的螺距为冷凝管(2)内径的1.0～2.5倍。

4.根据权利要求1的一种节能节水的水冷式冷凝器，其特征在于：螺旋流态化清洗时，流化球(18)在冷却水中的体积浓度范围为0.1％～3.0％，流化球(18)的直径范围为0.8～4.0mm。