CN104154770A - 基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，包括壳体、水平冷凝管、刮液单元和接水桶；刮液单元由刮液装置、主从动磁铁、滑轮组组成。接水桶中安装有虹吸管，该装置利用虹吸管的周期性接放水原理，使得接水桶周期性上下运动，并通过滑轮组和主从动磁铁带动冷凝管外的刮液装置做周期刮液作业，刮掉冷凝管外表面的冷凝液膜、液滴和吸附的杂质，有效降低冷凝管的传热热阻，增加传热和冷凝效率。

Description

基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器

技术领域

本发明涉及一种基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，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气转变成液体的装置。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气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气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气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。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器。按照冷却介质流动方向可分为立式和卧式冷凝器。管壳卧式冷凝器具有水路水平安放和多路往复流动，使单次冷却的冷却水的流程增加，提高冷却水的温差的优点，在气体冷凝中占有重要的地位。

在冷凝器工作过程中，蒸气在管壁面冷凝，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，壁面和被冷凝蒸气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，蒸气在管束外冷凝时，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，或在蒸气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。而冷凝管外壁面长时间使用可能吸附杂质，也会引起冷凝效率的下降。

发明内容

为了克服现有管壳卧式冷凝器的冷凝管外冷凝液膜的存在弱化冷凝效率、冷凝管外壁面吸附杂质造成冷凝管换热效果下降等不足，本发明一种新型的管外刮液式管壳卧式冷凝器，通过自动往复运动的刮液装置来刮掉冷凝管外壁面的液膜、液滴及吸附的杂质，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：

一种基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，由冷却水进口、冷凝气体进口、壳程、水平冷凝管、隔板、刮液装置、从动磁铁、长连杆、主动磁铁、磁铁滑道、弹簧、滑轮线、定滑轮、动滑轮、壳程出水管、粗管路、接水桶、虹吸管、冷却水出口、冷凝液体出口组成。所述冷却水进口位于壳程一端，冷凝气体进口位于壳程顶部。水平冷凝管位于壳程内部，冷凝管在高度方向上成排布置，冷凝管两端固定隔板上，其内部与隔板另一侧的冷却水连通。所述刮液装置由刮液环和短连杆组成，两层刮液装置通过长连杆连接，刮液装置固定连接与主动磁铁顶部，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。所述磁铁滑道位于壳程外，与壳程底部固定连接，主动磁铁位于磁铁滑道中，主动磁铁的顶部与壳程的底部外表面可滑动接触，主动磁铁的底部与滑道上表面可滑动接触。弹簧一端固定连接与滑道端面，另一端与主动磁铁侧面固定连接。

所述定滑轮的顶部固定于隔板的底部，滑轮线一端连接定滑轮下的钩子，另一端绕过动滑轮滑槽和定滑轮滑槽后与主动磁铁端面固定连接。所述动滑轮与定滑轮通过滑轮线可滑动连接，动滑轮底部钩子与接水桶顶固定连接。接水桶通过动滑轮悬吊于壳程下方的粗管路中，粗管路通过壳程出水管与壳程固定连接。虹吸管固定安装在悬吊接水桶的底面，接水桶下端的粗管路底部为冷却水出口，冷凝液体出口位于壳程的底部。

进一步，本发明所述管壳卧式冷凝器中，长连杆的长度为冷凝管长度的二分之一，虹吸管进水管长度为冷凝管长度的四分之一，弹簧的劲度系数满足以下关系式：

k＝(G_m-G_k)/(2L)    式(1)

其中，k为劲度系数，G_m为水位达到虹吸管上方弯曲部分时接液盘的总重量，G_k为液位处于虹吸管吸入口时接液盘的总重量，L为虹吸管吸入口至上方弯曲部分的距离。

进一步，本发明所述管壳卧式冷凝器中，壳程、磁铁滑道为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质，接水桶、虹吸管、隔板均为密度小于1g/cm³的轻质塑料材质。

本发明的有益效果是：

第一，本发明无需额外动力，以流量充足的冷却水作为动力，利用虹吸原理，通过设置滑轮组和主从动磁铁，使得冷凝管外的刮液装置往复左右运动，进行刮液作业，刮掉冷凝管外表面的冷凝液膜、液滴和吸附的杂质，有效降低冷凝管的传热热阻，增加传热和冷凝效率。

第二，在对冷凝器进行冲洗时，冷凝壁面刮液装置的往复运动和剐蹭作用可以使清洗液在冷凝管壁面反复冲刷，能更有效清洗冷凝管外壁面。

第三，本发明所述壳程、磁铁滑道为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质，主从动磁铁为耐高温和腐蚀的磁铁，可保证磁铁能带动刮液装置的往复运动。接水桶、虹吸管、隔板均为轻质塑料材质，可使得接得的溶液在接液盆总质量中占较大比重，保证了刮液装置左右复运动功能的实现。

第四，本发明采用了动滑轮和定滑轮组来连接接液盆，利用动滑轮的省距离作用，设置长连杆的长度为冷凝管长度的二分之一，虹吸管进水管长度为冷凝管长度的四分之一。弹簧的劲度系数满足以下关系式：k＝(G_m-G_k)/(2L)。可有效减小悬吊接液盆移动距离，使设备更紧凑。

附图说明

图1为本发明所述冷凝器接水桶液位达到虹吸管上方弯曲部分时的结构示意图。

图2为本发明所述冷凝器接水桶液位处于虹吸管吸入口时的结构示意图。

图3为本发明所述刮液装置的结构示意图。

图中包括：冷却水进口1、冷凝气体进口2、壳程3、水平冷凝管4、隔板5、刮液装置6、从动磁铁7、长连杆8、主动磁铁9、磁铁滑道10、弹簧11、滑轮线12、定滑轮13、动滑轮14、壳程出水管15、粗管路16、接水桶17、虹吸管18、冷却水出口19、冷凝液体出口20、刮液环601、短连杆602。

具体实施方式

本发明所述基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器的接水桶处于初始接液与最高液位时的结构示意图分别如图1和图2所示。一种管壳卧式冷凝器，由冷却水进口1、冷凝气体进口2、壳程3、水平冷凝管4、隔板5、刮液装置6、从动磁铁7、长连杆8、主动磁铁9、磁铁滑道10、弹簧11、滑轮线12、定滑轮13、动滑轮14、壳程出水管15、粗管路16、接水桶17、虹吸管18、冷却水出口19、冷凝液体出口20组成。所述冷却水进口1位于壳程3一端，冷凝气体进口2位于壳程3顶部。水平冷凝管4位于壳程3内部，冷凝管在高度方向上成排布置，冷凝管两端固定隔板上，其内部与隔板另一侧的冷却水连通。

所述刮液装置6的结构示意图如图3所示，刮液装置6由刮液环和短连杆组成，两层刮液装置6通过长连杆8连接，刮液装置6固定连接与主动磁铁顶部，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。所述磁铁滑道10位于壳程3外，与壳程3底部固定连接，主动磁铁9位于磁铁滑道10中，主动磁铁9的顶部与壳程3的底部外表面可滑动接触，主动磁铁9的底部与滑道上表面可滑动接触。弹簧11一端固定连接与滑道端面，另一端与主动磁铁9侧面固定连接。

所述定滑轮13的顶部固定于隔板的底部，滑轮线一端连接定滑轮13下的钩子，另一端绕过动滑轮14滑槽和定滑轮13滑槽后与主动磁铁9端面固定连接。所述动滑轮14与定滑轮13通过滑轮线12可滑动连接，动滑轮14底部钩子与接水桶17顶固定连接。接水桶17通过动滑轮14悬吊于壳程3下方的粗管路16中，粗管路16通过壳程出水管15与壳程3固定连接。虹吸管18固定安装在接水桶17的底面，接水桶17下端的粗管路16底部为冷却水出口19，冷凝液体出口20位于壳程3的底部。

本发明所述管壳卧式冷凝器中，长连杆8的长度为冷凝管长度的二分之一，虹吸管18进水管长度为冷凝管长度的四分之一，弹簧11的劲度系数满足以下关系式：

k＝G_m-G_k/2L    式(1)

其中，k为劲度系数，G_m为水位达到虹吸管18上方弯曲部分时接液盘的总重量，G_k为液位处于虹吸管18吸入口时接液盘的总重量，L为虹吸管18吸入口至上方弯曲部分的距离。

本发明所述管壳卧式冷凝器中，壳程3、磁铁滑道10为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质，接水桶、虹吸管18、隔板均为密度小于1g/cm³的轻质塑料材质

本发明工作原理和工作过程如下：

如图1所示，冷却水由壳程3一端进入冷凝管中，在壳程3另一端转向后回到壳程3原端的下层，并经过壳程3冷却水出口19流入粗管路16中的接水桶17中。冷凝气体有壳程3的顶部进入，在壳程3中冷凝成液体，由壳程3底部的冷凝液体出口20流出。如图1所示，在接液初始时刻，接水桶由于还未开始接液，接水桶此时最轻，此时接水桶处于最高位置，弹簧(11)也处于最小拉伸长度，随着冷凝液不断向接水桶中17存积，接水桶17质量逐渐增加，接水桶通过滑轮组将主动磁铁9往图中所示的右方向拉，主动磁铁9带动从动磁铁7和刮液装置6一起往右移动。

当注进的水的水位低于虹吸管18上端弯曲的部分时，因为管内有空气不会发生虹吸现象。但是随着注水的持续，当注进水位高于水管上方弯曲部分时，此时，接水桶质量达到最大，此时冷凝器的位置示意图如图2所示，此时弹簧11拉伸长度也达到最大，主从动磁铁7和刮液装置6均被拉倒最右端。由于此时水管内灌满了水，则会发生虹吸现象。大气压强压着水流入虹吸管18，由于虹吸管18的出水口低于桶里的水位，产生了压强差，水就顺着管子流了出来，直到水位下降到弯管进水口之下。当水流掉后，接水桶质量又达到最轻，弹簧11收缩使得主动磁铁9、从动磁铁7和刮液装置6又回到了初始位置，于是有开始下一个循环的接液-放液，左移-右移过程。

在循环过程中，冷凝管外刮液装置6随着接水桶接放水做往复左右运动，可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。

Claims (3)

1.一种基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，其特征在于：由冷却水进口、冷凝气体进口、壳程、水平冷凝管、隔板、刮液装置、从动磁铁、长连杆、主动磁铁、磁铁滑道、弹簧、滑轮线、定滑轮、动滑轮、壳程出水管、粗管路、接水桶、虹吸管、冷却水出口、冷凝液体出口组成；所述冷却水进口位于壳程一端，冷凝气体进口位于壳程顶部；水平冷凝管位于壳程内部，冷凝管在高度方向上成排布置，冷凝管两端固定隔板上，其内部与隔板另一侧的冷却水连通；所述刮液装置由刮液环和短连杆组成，两层刮液装置通过长连杆连接，刮液装置固定连接与主动磁铁顶部，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；所述磁铁滑道位于壳程外，与壳程底部固定连接，主动磁铁位于磁铁滑道中，主动磁铁的顶部与壳程的底部外表面可滑动接触，主动磁铁的底部与滑道上表面可滑动接触；弹簧一端固定连接与滑道端面，另一端与主动磁铁侧面固定连接；

所述定滑轮的顶部固定于隔板的底部，滑轮线一端连接定滑轮下的钩子，另一端绕过动滑轮滑槽和定滑轮滑槽后与主动磁铁端面固定连接；所述动滑轮与定滑轮通过滑轮线可滑动连接，动滑轮底部钩子与接水桶顶固定连接；接水桶通过动滑轮悬吊于壳程下方的粗管路中，粗管路通过壳程出水管与壳程固定连接；虹吸管固定安装在悬吊接水桶的底面，接水桶下端的粗管路底部为冷却水出口，冷凝液体出口位于壳程的底部。

2.一种如权利要求1所述基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，其特征在于：长连杆的长度为冷凝管长度的二分之一，虹吸管进水管长度为冷凝管长度的四分之一，弹簧的劲度系数满足以下关系式：

k＝(G_m-G_k)/(2L)

其中，k为劲度系数，G_m为水位达到虹吸管上方弯曲部分时接液盘的总重量，G_k为液位处于虹吸管吸入口时接液盘的总重量，L为虹吸管吸入口至上方弯曲部分的距离。

3.一种如权利要求1所述基于虹吸原理的管壳卧式刮液冷凝器，其特征在于：所述的壳程、磁铁滑道为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质，接水桶、虹吸管、隔板均为密度小于1g/cm³的轻质塑料材质。