CN104154773B - 用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置，由冷凝管、刮液装置、支撑架、定滑轮、动滑轮、滑轮线、悬吊环状磁铁、弹簧、悬吊线、悬吊接水盆、粗管路、虹吸管、冷却水出口组成；所述环状磁铁外壁面与冷凝管内壁面可滑动接触，弹簧下端固定连接于环状磁铁上端，弹簧外圈轻贴于冷凝管内壁面上，与冷凝管内壁面可滑动接触，所述刮液装置位于冷凝管外，刮液装置内壁面与冷凝管外壁面可滑动接触，所述悬吊接水盆位于冷凝管下方，通过悬吊线与动滑轮下的钩子固定连接，虹吸管位于接水盆内部，与接水盆底部固定连接，本发明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和液滴，使得冷凝管外的冷凝热阻减小,从而提高冷凝效率。

Description

用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置

技术领域

本发明涉及一种新型的用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置，是一种用于冷凝器中的强化传热和相变的装置。

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。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。

另一方面，由于冷凝器的冷却水常采用自然水源，如江河、池塘等水源，此类冷却水中含有较多的凝絮物、纤维杂质等易沉降和吸附的固体，冷却水中的悬浮杂质沉积到冷凝管内壁面也会影响到冷凝管的换热效果，如何有效得防止冷凝管内壁面结垢也是需要进一步研究的问题。

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、冷凝管内壁面沉积或吸附杂质造成冷凝管换热效果下降等不足，本发明一种新型的水冷式垂直冷凝管外刮液装置，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：

一种用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置，由冷凝管、刮液装置、支撑架、定滑轮、动滑轮、滑轮线、悬吊环状磁铁、弹簧、悬吊线、悬吊接水盆、粗管路、虹吸管、冷却水出口组成。冷凝管内为冷却水，管外空间充满冷凝气体。支撑架水平放置，固定连接于冷凝管内壁面上，所述定滑轮与支撑架下部固定连接，所述动滑轮与定滑轮通过滑轮线可滑动连接，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悬吊环状磁铁顶部固定连接。所述环状磁铁外壁面与冷凝管内壁面可滑动接触。所述弹簧其外径与冷凝管内径相等，弹簧下端固定连接于环状磁铁上端，弹簧外圈轻贴于冷凝管内壁面上，与冷凝管内壁面可滑动接触。所述刮液装置位于冷凝管外，刮液装置内壁面与冷凝管外壁面可滑动接触。所述悬吊接水盆位于冷凝管下方，通过悬吊线与动滑轮下的钩子固定连接。虹吸管位于接水盆内部，与接水盆底部固定连接。悬吊接水盆下方的粗管路底部为冷却水出口。所述刮液装置由平行布置的三层契形刮液圈和竖直的刮液环连接杆组成，最下层契形刮液圈位置与冷凝管内的环状磁铁的位置相对应。

所述冷凝管为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质构成，最下层契形刮液环和悬吊环形磁铁为耐高温和腐蚀的磁铁，上两层刮液环、刮液环连接杆、动滑轮、悬吊接水盆及虹吸管为密度小于1g/cm³的轻质塑料构成。

所述刮液装置、悬吊磁铁及悬吊接水盆，其质量满足以下关系式：

2(Gg+Gc+f)＝(0.8～0.9)Gm(1)

2(Gg+Gc-f)＝(1.1～1.2)Gk(2)

其中，Gg为刮液装置的重量，Gc为悬吊磁铁的重量，f为刮液装置、悬吊磁铁、弹簧和滑轮总的摩擦阻力，G_m为水位达虹吸管上方弯曲部分时接水盆的总重量(包含动滑轮重量)，G_k为水位处于虹吸管吸入口时接水盆的总重量(包含动滑轮重量)。

进一步，本发明采用动滑轮和定滑轮组来连接接水盆，设置所述刮液装置总体长度(包含连杆)为冷凝管的三分之二，悬吊接水盆内部的虹吸管吸入口至上方弯曲部分的距离(L)为冷凝管长度的六分之一。

本发明的有益效果是：

第一，本发明以流量充足的冷却水作为动力，并利用虹吸原理，通过设置滑轮组，使得冷凝管内环状磁铁和弹簧沿着冷凝管内壁往复上下运动，可增强冷却水的扰动，提高换热系数，并防止冷却水中的杂质在冷凝管内壁面结垢，提高冷凝器持续工作时间。

第二，本发明不需要提供而外动力，利用磁铁自动的往复运动带动冷凝管外的磁性刮液装置的往复运动，刮掉冷凝管外表面的冷凝液膜和液滴，可有效降低冷凝管的传热热阻，增加传热和冷凝效率。

第三，在对冷凝器进行冲洗时，冷却水壁面的弹簧往复运动和剐蹭作用可以使清洗液在壁面反复冲刷，能更有效清洗冷却水管内壁面。

第四，本发明所述冷凝管材质为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质，最下层契形刮液环和悬吊环形磁铁的材质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。上两层刮液环、刮液环连接杆、动滑轮、悬吊接水盆及虹吸管为轻质塑料构成，可使得接得的溶液在接水盆总质量中占较大比重，保证了该装置的上下往复运动功能的实现。

第五，本发明所述再布膜器、挂灰装置及悬吊接水盆，其质量满足以下关系式：

2(Gg+Gb+f)＝(0.8～0.9)Gm(1)

2(Gg+Gb-f)＝(1.1～1.2)Gk(2)

可使得刮液装置和环状磁铁的总重量大于空接水盆的质量，而小于满接水盆的质量，从而保证了接水盆质量变化能造成刮液装置和环状磁铁的上下移动，其中(0.8～0.9)和(1.1～1.2)为设置的安全系数。

第六，本发明采用了动滑轮和定滑轮组来连接接水盆，利用动滑轮的省距离作用，设置所述刮液装置总体长度(包含连杆)为冷凝管的三分之二，悬吊接水盆内部的虹吸管吸入口至上方弯曲部分的距离(L)为冷凝管长度的六分之一。可有效减小悬吊接水盆的移动距离，使设备更紧凑。

附图说明

图1为包含本发明所述冷凝管外刮液装置的水冷壳管立式冷凝器示意图

图2为接水盆水位处于虹吸管吸入口时刮液装置的主视剖面图

图3为接水盆水位达虹吸管上方弯曲部分时刮液装置的主视剖面图

图4为图2的A-A面剖视图。

图5为图2的B-B面剖视图。

图6为环形磁铁的主视剖面图

图7为环形磁铁的俯视图

图8为刮液装置的主视剖面图

图9为刮液装置的俯视图

图中包含：冷凝管1、刮液装置2、支撑架3、定滑轮4、动滑轮5、滑轮线6、悬吊环状磁铁7、弹簧8、悬吊线9、悬吊接水盆10、粗管路11、虹吸管12、冷却水出口13、分水箱14、冷凝气体进口15、冷凝液体出口16、契形刮液环201、刮液环连接杆202、磁铁刮液环203。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明所述水冷式垂直冷凝管外刮液装置，由冷凝管1、刮液装置2、支撑架3、定滑轮4、动滑轮5、滑轮线6、悬吊环状磁铁7、弹簧8、悬吊线9、悬吊接水盆10、粗管路11、虹吸管12、冷却水出口13组成。冷却水由顶部分水箱14进入冷凝管1内，并从冷凝管1底部流出，流入悬吊接水盆中，并当接水盆中达到一定液位时从虹吸管12流出。制冷剂蒸汽从壁面上部冷凝气体进口15进入冷凝器中，在冷凝管1外壁面冷凝成液体后从冷凝液体出口16流出。冷凝管1内为冷却水，管外空间充满冷凝气体。支撑架3水平放置，固定连接于冷凝管1内壁面上，所述定滑轮4与支撑架3下部固定连接，所述动滑轮5与定滑轮4通过滑轮线6可滑动连接，滑轮线6一端连接定滑轮4下的钩子，另一端绕过动滑轮5滑槽和定滑轮4滑槽后与悬吊环状磁铁7顶部固定连接。所述环状磁铁的结构如图6和图7所示，环状磁铁外壁面与冷凝管1内壁面可滑动接触。所述弹簧8其外径与冷凝管1内径相等，弹簧8下端固定连接于环状磁铁上端，弹簧8外圈轻贴于冷凝管1内壁面上，与冷凝管1内壁面可滑动接触。所述刮液装置2的结构如图8和图9所示，刮液装置2由平行布置的三层契形刮液圈和竖直的刮液环连接杆202组成，最下层契形刮液圈位置与冷凝管1内的环状磁铁的位置相对应。刮液装置2位于冷凝管1外，刮液装置2内壁面与冷凝管1外壁面可滑动接触。所述悬吊接水盆10位于冷凝管1下方，通过悬吊线9与动滑轮5下的钩子固定连接。虹吸管12位于接水盆内部，与接水盆底部固定连接。悬吊接水盆10下方的粗管路11底部为冷却水出口13。

本发明所述冷凝管1为铜、铝合金或不锈钢等非磁性材质构成，最下层契形刮液环201和悬吊环形磁铁为耐高温和腐蚀的磁铁构成，上两层刮液环、刮液环连接杆202、动滑轮5、悬吊接水盆及虹吸管12为密度小于1g/cm³的轻质塑料构成。

本发明所述刮液装置2、悬吊磁铁及悬吊接水盆10，其质量满足以下关系式：

2(Gg+Gc+f)＝(0.8～0.9)Gm(1)

2(Gg+Gc-f)＝(1.1～1.2)Gk(2)

其中，Gg为刮液装置2的重量，Gc为悬吊磁铁的重量，f为刮液装置2、悬吊磁铁、弹簧8和和滑轮总的摩擦阻力，G_m为水位达到虹吸管12上方弯曲部分时接水盆的总重量(包含动滑轮重量5)，G_k为水位处于虹吸管12吸入口时接水盆的总重量(包含动滑轮5重量)。

本发明采用了动滑轮5和定滑轮4组来连接接水盆，可有效减小液盆移动距离。并设置所述刮液装置2总体长度包含连杆为冷凝管1的三分之二，悬吊接水盆10内部的虹吸管12吸入口至上方弯曲部分的距离(L)为冷凝管1长度的六分之一。

本发明工作原理和工作过程如下：

包含本发明所述管外刮液装置2的水冷壳管立式冷凝器的示意图如图1所示，冷却水由顶部分水箱14进入冷凝管1内，并从冷凝管1底部流出，流入悬吊接水盆中，并当接水盆中达到一定液位时从虹吸管12流出。制冷剂蒸汽从壁面上部冷凝气体进口15进入冷凝器中，在冷凝管1外壁面冷凝成液体后从冷凝液体出口16流出。

图2为接水盆中水位处于虹吸管12吸入口时冷凝管外刮液装置2的主视剖面图，通过图2可以看出，在接液初始时刻，接水盆由于还未开始接液，接水盆此时最轻，根据公式1，由于此时接水盆的等效重量小于悬吊磁铁和刮液装置2的重量之和，此时接水盆会被拉至最高位置，而悬吊磁铁和刮液装置2由于相对较重处于最低位置。随着冷却水不断向接水盆中存积，接水盆质量逐渐增加，当接水盆的等效重量大于悬吊磁铁和刮液装置2的重量之和，并足以克服滑动摩擦力的时候，接水盆由于此时较重会往下降，并通过滑轮组将悬吊磁铁往上拉，而刮液装置2由于受到磁铁的吸引也会跟着被往上拉，直到拉倒最高位置。

当注进的水的水位低于虹吸管12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，当注进水位达到水管上方弯曲部分时，此时，接水盆质量达到最大，刮液装置2此时位置示意图如3所示，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12，由于虹吸管12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，接水盆质量又达到最轻，此时接水盆的等效重量再次小于悬吊磁铁和刮液装置2的重量之和，此时接水盆又会被拉至最高位置，而悬吊磁铁和刮液装置2由于相对较重又会回到最低位置。由于悬吊磁铁和刮液装置2之间有很强吸引力，悬吊磁铁也不会落到冷凝管1外。于是有开始下一个循环的接液-放液，上升-下降过程。

在循环过程中，冷凝管1内环状磁铁和弹簧8沿着冷凝管1内壁往复上下运动，可增强冷却水的扰动，提高换热系数，并防止冷却水中的杂质在冷凝管1内壁面结垢，提高冷凝器持续工作时间。磁铁的往复运动带动冷凝管1外的磁性刮液装置2的往复运动，刮掉冷凝管1外表面的冷凝液膜和液滴，可有效降低冷凝管1的传热热阻，增加传热和冷凝效率。

Claims (2)

1.一种用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置，其特征在于：由冷凝管、刮液装置、支撑架、定滑轮、动滑轮、滑轮线、悬吊环状磁铁、弹簧、悬吊线、悬吊接水盆、粗管路、虹吸管、冷却水出口组成，冷凝管内为冷却水，管外空间充满冷凝气体，支撑架水平放置，固定连接于冷凝管内壁面上，所述定滑轮与支撑架下部固定连接，所述动滑轮与定滑轮通过滑轮线可滑动连接，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悬吊环状磁铁顶部固定连接，所述悬吊环状磁铁外壁面与冷凝管内壁面可滑动接触，所述弹簧其外径与冷凝管内径相等，弹簧下端固定连接于悬吊环状磁铁上端，弹簧外圈轻贴于冷凝管内壁面上，与冷凝管内壁面可滑动接触，所述刮液装置位于冷凝管外，刮液装置内壁面与冷凝管外壁面可滑动接触，所述悬吊接水盆位于冷凝管下方，通过悬吊线与动滑轮下的钩子固定连接，虹吸管位于悬吊接水盆内部，与悬吊接水盆底部固定连接，悬吊接水盆下方的粗管路底部为冷却水出口，所述刮液装置由平行布置的三层契形刮液环和竖直的刮液环连接杆组成，最下层契形刮液环位置与冷凝管内的悬吊环状磁铁的位置相对应，所述冷凝管为非磁性的铜或铝合金或不锈钢材质构成，最下层契形刮液环和悬吊环形磁铁的材质为耐高温和腐蚀的磁铁，上两层契形刮液环、刮液环连接杆、动滑轮、悬吊接水盆及虹吸管为密度小于1g/cm³的轻质塑料构成，所述刮液装置、悬吊磁铁及悬吊接水盆，其重量满足以下关系式：

2(Gg+Gc+f)＝(0.8～0.9)Gm

2(Gg+Gc-f)＝(1.1～1.2)Gk

其中，Gg为刮液装置的重量，Gc为悬吊磁铁的重量，f为刮液装置、悬吊磁铁、弹簧、定滑轮和动滑轮总的摩擦阻力，Gm为水位到达虹吸管上方弯曲部分时悬吊接水盆包含动滑轮重量的总重量，Gk为水位处于虹吸管吸入口时悬吊接水盆包含动滑轮重量的总重量。

2.如权利要求1所述的用于水冷式垂直冷凝管外的除液装置，其特征在于：采用了动滑轮和定滑轮组来连接悬吊接水盆，可有效减小悬吊接水盆的移动距离，并设置所述刮液装置包含连杆的总体长度为冷凝管的三分之二，悬吊接水盆内部的虹吸管吸入口至上方弯曲部分的距离为冷凝管长度的六分之一。