CN104154680A - 重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，由分水箱、冷凝段、刮液单元和接水单位组成。冷却水由顶部分水箱进入冷凝管内，经过冷凝管流入悬吊箱中的接水斗，在接水斗装满后倾倒于悬吊箱中，并从其底部的冷却水出口流出。冷凝气体从壁面上部冷凝气体进口进入冷凝器中，在冷凝管外壁面冷凝成液体后从底部冷凝液体出口流出。接水斗接满液体后由于重力不平衡原理自动倾倒并减轻重量，在弹簧的收缩作用下带动磁铁和刮液器在冷凝管外表面进行自动的往复刮液作业，刮掉冷凝液膜、液滴和吸附的杂质，可有效降低冷凝管的传热热阻，增加传热和冷凝效率。本发明以充足的冷却水作为动力源，对流量低的冷凝液膜进行作业，可保证刮液的正常进行。

Description

重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器

技术领域

本发明涉及一种新型的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，是一种用于制冷技术领域的强化传热传质装置，也可以用于相应化工工业各种气体的冷凝器设备中。 

背景技术

冷凝器是把气体或蒸汽转变成液体的装置。冷凝器是制冷、空调与化工等行业中非常重要的设备，发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸汽得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸汽。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸汽冷凝。在蒸馏过程中，把蒸汽转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸汽的热量带走而运转的。 

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类。立式壳管式冷凝器由于冷却流量大流速高，使得传热系数较高，对水质要求不高，并且垂直安装占地面积小，且可以安装在室外，使其在水源充足的地方得到了较好的应用。在冷凝器工作过程中，蒸汽在管壁面冷凝，由于冷凝液的热导率低，因此强化冷凝传热的关键在于减小冷凝液膜厚度。膜状冷凝，是冷凝过程的一种。特点是冷凝液能形成液膜而完全润湿器壁表面。液膜愈积愈厚，多余的冷凝液就沿壁流下。由于壁面上始终覆盖着一层液膜，壁面和被冷凝蒸汽间的传热遇到了阻力，所以传热效率较低于滴状冷凝。现有技术通常通过采用可减小液膜厚度的纵槽管和波纹管来降低液膜厚度。这些冷凝管利用液体表面张力的作用，使冷凝液体集中于槽沟底部，而其他表面上的液膜厚度减薄。此外，蒸汽在管束外冷凝时，要合理布置管束位置，以减少上排管子表面的冷凝液对下排管子冷凝作用的影响，并避免液膜明显增厚。强化冷凝传热的另一途径是维持滴状冷凝，为此可在壁面上涂以疏水性涂层，或在蒸汽中喷入少量油性添加物，但都难以得到持久的滴状冷凝，冷凝器液膜厚度直接影响到整个冷凝效率，如何减小冷凝的液膜厚度是有待进一步研究的问题。 

发明内容

为了克服现有水冷式垂直冷凝管外冷凝液膜的存在弱化冷凝效率的等不足，本发明提供了一种新型的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，通过自动往复运动的刮液器来刮掉冷凝管外壁面的液膜和液滴，使得冷凝管外的冷凝热阻减小,从而提高冷凝效率。 

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案是： 

一种重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，该冷凝器由分水箱、冷凝管、方形壳体、刮液器、外框形磁铁、内框形磁铁、隔板、弹簧、悬吊绳、悬吊箱、接水斗、铰链、铰链支 架、复位垫、冷凝气体进口、冷凝液体出口、冷却水出口组成；分水箱呈方形，位于冷凝器顶部，分水箱底部和隔板分别固定在方形壳体的两端，方形壳体四角采用了圆角设计，方形壳体顶部侧边设有冷凝气体进口、底部侧面设有冷凝液体出口，垂直布置的冷凝管位于方形壳体内部，冷凝管两端分别固定在分水箱底面和隔板上，冷凝管内部分别与分水箱和隔板下部空间连通；刮液器由四层刮液环、短连杆和长连杆组成，刮液环呈契形，每一层刮液环的刮液环数量与冷凝管数量一致，刮液环的内径等于冷凝管的外径，刮液环的内壁面与冷凝管外壁面可滑动接触，同一层刮液环之间通过短连杆连接，相邻两层刮液环之间通过长连杆连接；内框形磁铁位于方形壳体内部，内框形磁铁的外壁面与方形壳体内壁面可滑动接触，内框形磁铁内壁面通过短连杆与由上至下的第二层刮液环固定连接；外框形磁铁位于方形壳体外，外框形磁铁的内壁面与方形壳体外壁面可滑动接触，外框形磁铁与内框形磁铁位置对应，之间产生具有吸引力的磁力，外框形磁铁四角顶部通过四根相同长度和弹性系数的弹簧与分水箱底面四角固定连接，外框形磁铁四角底部通过四根相同长度的悬吊绳与悬吊箱顶部的四角固定连接；悬吊箱呈方形，顶部呈开口形，悬吊箱中设有接水斗、复位垫、铰链支架；铰链支架和复位垫分别固定连接在悬吊箱的底部，接水斗的底板通过铰链连接在铰链支架上，接水斗的一侧底端与复位垫相对，悬吊箱底面与接水斗斗尖位置对应处设置有冷却水出口。 

进一步，所述的接水斗的底板为倾斜状态，当接水斗为空时，以铰链所处位置的竖线为分界线，靠近复位垫的接水斗一侧重量大于远离复位垫的接水斗一侧重量；当接水斗装满液体时，靠近复位垫的接水斗一侧重量小于远离复位垫的接水斗一侧重量。 

进一步，所述的方形壳体为非磁性材质制成。 

进一步，刮液器、悬吊箱、接水斗由密度低于1g/cm³的塑料的塑料制成。 

进一步，复位垫由橡胶制成。 

进一步，所述的刮液器包含四层刮液环，刮液器竖直方向的总长度为冷凝管长度的四分之三。所述的弹簧的单根弹簧劲度系数满足以下关系式： 

k＝(Gm-Gk)/L  式(1) 

其中，Gm为接水斗装满液体时悬吊箱的总重量；Gk为接水斗为空时悬吊箱的总重量；L为冷凝管的长度。 

本发明的有益效果是： 

第一，由于冷凝液体流量较小，难以作为动力源，本发明以流量充足的冷却水作为动力源，利用重力不平衡原理，通过设置悬吊箱、弹簧和磁铁，使得得冷凝管外的刮液器进行往复运动，刮掉冷凝管外表面的冷凝液膜、液滴和吸附的杂质，可有效降低冷凝管的传热热阻， 增加传热和冷凝效率。 

第二，本发明中刮液器包含四层刮液环，刮液器竖直方向的总长度为冷凝管长度的四分之三，可使得悬吊箱上下移动距离仅为降膜管长度的四分之一，可以有效节约空间，使得冷凝器更为紧凑。 

第三，本发明中冷凝器采用方形外壳，方形壳体四角采用了圆角设计，可在保证强度作用下更为有效地利用空间，增大换热面积。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1为本发明所述冷凝器接水斗为空时的结构示意图。 

图2为本发明所述冷凝器接水斗装满液体翻转时的结构示意图。 

图3为本发明所述刮液器的主视剖面图。 

图4为本发明所述刮液器的俯视图。 

图5为图2的A-A面的截面图。 

图中包含：分水箱1、弹簧2、冷凝气体进口3、方形壳体4、外框形磁铁5、内框形磁铁6、刮液器7、冷凝管8、悬吊绳9、冷凝液体出口10、隔板11、悬吊箱12、接水斗13、复位垫14、铰链15、铰链支架16、冷却水出口17、刮液环701、短连杆702及长连杆703。 

具体实施方式

请参见图1和图2所示，本发明所述重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，由分水箱1、冷凝管8、方形壳体4、刮液器7、外框形磁铁5、内框形磁铁6、隔板11、弹簧2、悬吊绳9、悬吊箱12、接水斗13、铰链15、铰链支架16、复位垫14、冷凝气体进口3、冷凝液体出口10及冷却水出口17组成。分水箱1呈方形，位于冷凝器顶部，分水箱1底部和隔板11分别固定在方形壳体4的两端，方形壳体4四角采用了圆角设计，方形壳体4顶部侧边设有冷凝气体进口3、底部侧面设有冷凝液体出口10，垂直布置的冷凝管8位于方形壳体4内部，冷凝管8两端分别固定在分水箱1底面和隔板11上，冷凝管8内部分别与分水箱1和隔板11下部空间连通。 

请进一步参见图3和图4所示，刮液器7由四层刮液环701、短连杆702和长连杆703组成，每一层刮液环的刮液环701的数量与冷凝管8的数量一致，刮液环701呈契形，刮液环701的内径等于冷凝管8的外径，刮液环701的内壁面与冷凝管8外壁面可滑动接触，同一层刮液环701之间通过短连杆702连接，相邻两层刮液环701之间通过长连杆703连接； 

请参见图5所示，内框形磁铁6位于方形壳体4内部，内框形磁铁6的外壁面与方形壳体4内壁面可滑动接触，内框形磁铁6的内壁面通过短连杆702与由上至下的第二层的刮液环701固定连接。外框形磁铁5位于方形壳体4外，外框形磁铁5的内壁面与方形壳体4外壁面可滑动接触，外框形磁铁5与内框形磁铁6位置对应，之间产生具有吸引力的磁力，外框形磁铁5四角的顶部分别与四根相同长度和弹性系数的弹簧2一端固定连接，四根弹簧2的另一端分别与分水箱1的底部固定连接，外框形磁铁5四角的底部分别与四根相同长度的悬吊绳9的一端固定连接，四根相同长度的悬吊绳9的另一端分别与悬吊箱12四角的顶部固定连接。 

悬吊箱12呈方形，顶部呈开口形，悬吊箱12中设有接水斗13、复位垫14、铰链支架16，铰链支架16和复位垫14分别固定连接在悬吊箱12的底部，接水斗13的底板通过铰链15连接在铰链支架16上，接水斗13的一侧底端与复位垫14相对，悬吊箱12底面与接水斗13斗尖位置对应处设置有冷却水出口17。 

在实施过程中，接水斗13的底板为倾斜状态，当接水斗13为空时，以铰链15所处位置的竖线为分界线，靠近复位垫14的接水斗13一侧重量大于远离复位垫14的接水斗13一侧重量；当接水斗13装满液体时，靠近复位垫14的接水斗13一侧重量小于远离复位垫14的接水斗13一侧重量。同时利用铰链支架16对接水斗13倾倒的最大角度进行限制，使其不会翻转，并设置了橡胶制成的复位垫14，使得接水斗13复位并减小复位冲击。 

方形壳体4为非磁性材质制成，刮液器7、悬吊箱12、接水斗13由密度低于1g/cm³的塑料制成，复位垫14由橡胶制成。 

所述的刮液器7竖直方向长度为冷凝管8长度的四分之三。所述的弹簧2的单根弹簧2劲度系数满足以下关系式： 

k＝(Gm-Gk)/L 

其中，Gm为接水斗13装满液体时悬吊箱12的总重量；Gk为接水斗13为空时悬吊箱12的总重量；L为冷凝管8的长度。 

本发明的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器的工作原理和工作过程如下： 

冷却水由顶部分水箱进入冷凝管8内，并从冷凝管8底部流出，流入悬吊箱12中的接水斗13，在接水斗13装满后倾倒于悬吊箱12中，并从位于悬吊箱12底部的冷却水出口17流出。制冷剂蒸汽从壁面上部冷凝气体进口3进入冷凝器中，在冷凝管8外壁面冷凝成液体后从冷凝液体出口10流出。 

在接水初始时刻，由于位于悬吊内部的接水斗13还未开始接水，接水斗13和悬吊箱12最轻，接水斗13、悬吊箱12、外框形磁铁5、内框形磁铁6、刮液器7在弹簧2的拉力下均 处于最高位置，弹簧2处于最小拉伸长度，当接水斗13的冷却水加满到一定程度，接水斗13位于活动铰链15支轴斗尖一侧的重量大于另一侧的重量，接水斗13就会向斗尖一侧倾斜。同时产生一个正反馈现象：越倾斜，斗尖一侧的重量就越大于另一侧的重量，结果将盛满的水全部一下子倒掉了，流入悬吊箱12中，并从位于悬吊箱12底部的冷却水出口17流出。接水斗13中的水流尽后，接水斗13位于活动铰链15支轴斗尖一侧的重量又小于另一侧的重量，使得接水斗13复位在复位垫14上，进行下一个循环的接水-倒水作业。 

在接水斗13接水过程中，接水斗13和悬吊箱12的重量逐渐增加，使得弹簧2逐渐拉伸，外框形磁铁5带动内框形磁铁6和刮液器7逐渐向下移动，刮液器7中的刮液环701在冷凝管8外进行向下刮液作业，在接水斗13接满水的时候，接水斗13和悬吊箱12此时最重，接水斗13、悬吊箱12、外框形磁铁5、内框形磁铁6、刮液器7在弹簧2的拉力下均处于最低位置，弹簧2处于最大拉伸长度。此时刮液环701已经刮液至冷凝管8最低处，在接水斗13水倒光后，使得弹簧2收缩，外框形磁铁5带动内框形磁铁6和刮液器7向上移动，使得刮液器7的刮液环701在冷凝管8的外表面进行向上刮液作业。如此往复上下刮液作业可使得刮液环701刮掉冷凝管8外表面的冷凝液膜、液滴以及吸附的杂质，可有效降低冷凝管8的传热热阻，增加传热和整个装置的冷凝效率。 

Claims (6)

1.一种重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：该重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器由分水箱、冷凝管、方形壳体、刮液器、外框形磁铁、内框形磁铁、隔板、弹簧、悬吊绳、悬吊箱、接水斗、铰链、铰链支架、复位垫、冷凝气体进口、冷凝液体出口、冷却水出口组成；分水箱呈方形，位于冷凝器顶部，分水箱底部和隔板分别固定在方形壳体的两端，方形壳体四角采用了圆角设计，方形壳体顶部侧边设有冷凝气体进口、底部侧面设有冷凝液体出口，垂直布置的冷凝管位于方形壳体内部，冷凝管两端分别固定在分水箱底面和隔板上，冷凝管内部分别与分水箱和隔板下部空间连通；刮液器由四层刮液环、短连杆和长连杆组成，刮液环呈契形，每一层刮液环的刮液环数量与冷凝管数量一致，刮液环的内径等于冷凝管的外径，刮液环的内壁面与冷凝管外壁面可滑动接触，同一层刮液环之间通过短连杆连接，相邻两层刮液环之间通过长连杆连接；内框形磁铁位于方形壳体内部，内框形磁铁的外壁面与方形壳体内壁面可滑动接触，内框形磁铁内壁面通过短连杆与由上至下的第二层刮液环固定连接；外框形磁铁位于方形壳体外，外框形磁铁的内壁面与方形壳体外壁面可滑动接触，外框形磁铁与内框形磁铁位置对应，之间产生具有吸引力的磁力，外框形磁铁四角顶部通过四根相同长度和弹性系数的弹簧与分水箱底面四角固定连接，外框形磁铁四角底部通过四根相同长度的悬吊绳与悬吊箱顶部的四角固定连接；悬吊箱呈方形，顶部呈开口形，悬吊箱中设有接水斗、复位垫、铰链支架；铰链支架和复位垫分别固定连接在悬吊箱的底部，接水斗的底板通过铰链连接在铰链支架上，接水斗的一侧底端与复位垫相对，悬吊箱底面与接水斗斗尖位置对应处设置有冷却水出口。 

2.按照权利要求1所述的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：所述的接水斗的底板为倾斜状态，当接水斗为空时，以铰链所处位置的竖线为分界线，靠近复位垫的接水斗一侧重量大于远离复位垫的接水斗一侧重量；当接水斗装满液体时，靠近复位垫的接水斗一侧重量小于远离复位垫的接水斗一侧重量。 

3.按照权利要求1所述的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：所述的方形壳体为非磁性材质制成。 

4.按照权利要求1所述的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：刮液器、悬吊箱、接水斗由密度低于1g/cm³的塑料制成。 

5.按照权利要求1所述的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：复位垫由橡胶制成。 

6.按照权利要求1所述的重力不平衡式方形壳立管式刮液冷凝器，其特征在于：所述的刮液器竖直方向长度为冷凝管长度的四分之三，所述的弹簧的单根弹簧劲度系数满足以下关系式： 

k＝(Gm-Gk)/L 

其中，Gm为接水斗装满液体时悬吊箱的总重量；Gk为接水斗为空时悬吊箱的总重量；L为冷凝管的长度。