CN104215110A - 一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管 - Google Patents

一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于换热器技术领域的一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管。该强化冷凝管由冷凝外管和梯度毛细吸液芯组成；蒸汽在经过氟化处理的冷凝外管内壁上发生高效珠状凝结；梯度毛细吸液芯的孔隙分布为从内到外逐渐增大的梯度结构，其中心孔的孔隙最小，最外侧孔的孔隙最大；蒸汽在该梯度多孔结构的整个体积内部也发生冷凝，并且其梯度孔隙结构对凝结液产生从外侧向中心的抽吸作用，将吸液芯外表面的凝结液向其内部抽吸，减小了凝结液在冷凝管上滞留导致的传热热阻；本发明的冷凝管具有结构简单、传热效率高、可靠性高的优点，可广泛应用于电力、化工、供暖、制冷及余热利用等领域。

Description

一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管
技术领域
本发明属于换热器技术领域，特别是涉及一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管。
背景技术
换热器广泛应用于电力、化工、供热、制冷、水泥、锅炉等高耗能领域，发展高效强化传热技术对于提高热交换设备的性能、节约能源和金属材料消耗具有重要的现实意义。在冷凝传热中，珠状凝结和膜状凝结是两种最基本的传热模式，其中，珠状凝结通常发生在疏水性壁面上，并且凝结液珠不完全覆盖传热表面，蒸汽仍可以直接与冷壁面接触；膜状凝结通常发生在亲水性壁面上，蒸汽与壁面之间存在液膜。从强化传热的角度，强化珠状凝结换热需要通过一定的技术手段使壁面上凝结的珠状液滴尽快从壁面脱离，以减小液滴在传热壁面上的驻留时间和液滴聚合导致壁面热阻增大；强化膜状凝结就是通过一定的技术手段减小壁面上的凝结液膜厚度，从而减小传热热阻。与膜状凝结相比，珠状凝结由于蒸汽与冷壁面直接接触，避免了膜状凝结中的液膜传热热阻，通常换热系数比膜状凝结高出几倍，因此发展高效珠状凝结换热技术，对于减小冷凝器的体积和材料消耗，提高我国高耗能行业的能源利用率具有重要意义。本发明创造出一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管关键技术，可应用于电力、化工、供暖、制冷及余热利用等领域，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，由冷凝外管和梯度毛细吸液芯组成；该冷凝外管的疏水性内壁面与所述亲水性梯度毛细吸液芯的整个外表面紧密接触，以使接触热阻尽可能小；梯度毛细吸液芯的孔隙分布为从内到外逐渐增大的梯度结构，在其垂直流动方向的截面上，其中心孔的孔隙最小，最外侧孔的孔隙最大，从而形成从中心到外侧孔隙逐渐增大的梯度多孔结构，并且最外侧孔隙大小需满足其中σ为气液界面张力，ρG和ρL分别是蒸汽和其凝结液的密度，g为重力加速度；该梯度结构对凝结液产生从外向内的抽吸作用，将吸液芯外表面的凝结液向其内部抽吸；在所述吸液芯整个体积内凝结的液体也由于梯度结构产生的抽吸作用被聚集到所述吸液芯中心；当蒸汽进入该强化冷凝管时，在所述冷凝外管的疏水性内壁上发生表面珠状凝结；同时，由于所述梯度毛细吸液芯与所述冷凝外管的疏水性内壁面紧密接触，导热效应使得所述梯度毛细吸液芯内部产生由中心到其外表面温度逐渐降低的梯度分布，并且所述梯度毛细吸液芯内部各处的温度均小于蒸汽温度，使得蒸汽在整个梯度毛细吸液芯内部也发生凝结，因此，所述冷凝外管内壁表面上的高效珠状凝结与管内梯度毛细吸液芯体积内的凝结相耦合，提高了冷凝传热的换热系数。
所述冷凝外管为导热性良好的金属或非金属材料，该冷凝外管的外壁通常置于低温环境或者被冷流体冲刷；冷凝管内侧为蒸汽侧，与蒸汽直接接触的内壁为经过氟化处理的光滑疏水表面。
所述梯度毛细吸液芯为导热性良好的金属或非金属多孔亲水性材料，由于经过氟化处理的冷凝外管的内壁面为疏水性，梯度毛细吸液芯为亲水性，在所述壁面上凝结的珠状液滴一旦与所述毛细吸液芯的外表面接触，便会从所述壁面上脱离并附着在梯度毛细吸液芯上，所述壁面上凝结液滴的及时脱离避免了常规冷凝壁面上液滴驻留和聚合导致的传热热阻增大。
所述梯度毛细吸液芯中心在沿流动方向上，随着凝结过程的进行，截面含液率持续增加，由于气液界面的界面张力作用，凝结液对上游来流蒸汽产生阻隔作用，蒸汽只能绕过中心凝结液而在凝结液与内壁面之间的空间内流动，使得蒸汽始终与温度较低的壁面及梯度毛细吸液芯温度相对较低的外侧部分接触。所述梯度毛细吸液芯内聚集的液体不断增多，凝结液与所述内壁面之间的蒸汽通道越来越小，当蒸汽完全冷凝时，凝结液最终占据所述梯度毛细吸液芯的整个截面。
所述冷凝外管的金属或非金属材料为铜、铝不锈钢或陶瓷。
所述梯度毛细吸液芯的金属或非金属多孔亲水性材料为铜粉、铝粉、镍粉或陶瓷粉末烧结材料。
本发明中所提出冷凝管的突出优点在于不仅能够在冷凝管内壁面上形成珠状凝结，而且梯度毛细吸液芯的设置一方面使得凝结过程在其整个内部空间发生(相当于极大的扩展了冷凝面积)，另一方面毛细吸液芯的梯度孔隙抽吸作用使得凝结壁面上的液体被及时抽吸到吸液芯内部，减小了液体附着在换热壁面上产生的热阻，本发明所提出的冷凝管具有结构简单、传热效率高、可靠性高的优点，可广泛应用于电力、化工、供暖、制冷及余热利用等领域。
附图说明
图1为梯度毛细吸液芯强化冷凝管的装配结构示意图。
图2为梯度毛细吸液几何结构示意图。
图3为图2的横截面A-A视图。
图4为图2的轴向截面B-B视图。
图5为梯度毛细吸液芯强化冷凝管的工作原理图:(a)轴向截面示意图，(b)横截面A1-A1；(c)横截面A2-A2；(d)横截面A3-A3；
附图标记说明：1-冷凝外管，2-梯度毛细吸液芯，11-冷凝外管外壁面，12-冷凝外管内壁面，21-梯度毛细吸液芯外表面，22-外侧最大孔，23-中心最小孔。
具体实施方式
本发明提出一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示的梯度毛细吸液芯强化冷凝管的装配结构示意图；图2所示的梯度毛细吸液几何结构示意图。图3为图2的横截面A-A视图。图4为图2的轴向截面B-B视图。
在图1中，具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管由冷凝外管1和梯度毛细吸液芯2组成。其中冷凝外管1为导热性良好的金属或非金属材料(铜、铝不锈钢或陶瓷)，该冷凝外管的外壁11通常置于低温环境或者被冷流体冲刷；冷凝管内侧为蒸汽侧，与蒸汽直接接触的内壁12为经过氟化处理的光滑疏水表面。
如图2所示，所述梯度毛细吸液芯2为导热性良好的金属或非金属多孔亲水性材料(铜粉、铝粉、镍粉或陶瓷粉末烧结材料)，冷凝外管1的疏水性内壁面12与梯度毛细吸液芯2的亲水性的整个外表面21紧密接触，以使接触热阻尽可能小；梯度毛细吸液芯2的孔隙分布为从内到外逐渐增大的梯度结构，在其垂直流动方向的截面上，其中心孔23的孔隙最小，最外侧孔22的孔隙最大，从而形成从中心到外侧孔隙逐渐增大的梯度多孔结构，并且最外侧孔隙大小需满足其中σ为气液界面张力，ρG和ρL分别是蒸汽和其凝结液的密度，g为重力加速度；该梯度结构对凝结液产生从外向内的抽吸作用，将吸液芯外表面的凝结液向其内部抽吸；在所述吸液芯整个体积内凝结的液体也由于梯度结构产生的抽吸作用被聚集到所述吸液芯中心；如图5所示的梯度毛细吸液芯强化冷凝管的工作原理图:(a)轴向截面示意图，(b)横截面A1-A1；(c)横截面A2-A2；(d)横截面A3-A3；
从图5可以看到，假设所述冷凝外管1所处的冷却环境温度为T1，冷凝管外壁面11温度为T2，冷凝管内壁面12(即梯度毛细吸液芯外表面21)的温度为T3，梯度毛细吸液芯中心孔23处的温度为T4，待冷却的蒸汽温度为T5，则有T5>T4>T3>T2>T1。当蒸汽进入该强化冷凝管时，在所述冷凝外管的疏水性内壁上发生表面珠状凝结；同时，由于所述梯度毛细吸液芯与所述冷凝外管的疏水性内壁面紧密接触，导热效应使得所述梯度毛细吸液芯2内部产生由中心温度T4到其外表面温度T3逐渐降低的梯度分布，并且所述梯度毛细吸液芯2内部各处的温度均小于蒸汽温度T5，使得蒸汽在整个梯度毛细吸液芯2内部也发生凝结。因此，所述冷凝外管内壁表面上的高效珠状凝结与管内梯度毛细吸液芯体积内的凝结相耦合，提高了冷凝传热的换热系数。
在被凝结液占据的梯度毛细吸液芯2内部，由于气液界面的界面张力作用，凝结液对上游来流蒸汽产生阻隔作用，蒸汽只能绕过中心凝结液而在凝结液与所述内壁12之间的空间内流动，使得蒸汽始终与温度较低的壁面12及梯度毛细吸液芯2温度相对较低的外侧部分接触。
在沿流动方向上，随着凝结过程的进行，截面A1-A1表示冷凝管进口蒸汽未发生冷凝情况，整个截面被蒸汽占据；轴向截面下游的含液率持续增加，所述梯度毛细吸液芯2内聚集的液体不断增多(如截面A2-A2对应凝结液占据冷凝管中心部分区域情况)，凝结液与所述管内壁2之间的蒸汽通道尺度越来越小，当凝结液最终占据所述梯度毛细吸液芯2的整个截面A3-A3，蒸汽完全冷凝，凝结液占据整个截面。

Claims (6)

1.一种具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，由冷凝外管和梯度毛细吸液芯组成；该冷凝外管的疏水性内壁面与所述亲水性梯度毛细吸液芯的整个外表面紧密接触，以使接触热阻尽可能小；梯度毛细吸液芯的孔隙分布为从内到外逐渐增大的梯度结构，在其垂直流动方向的截面上，其中心孔的孔隙最小，最外侧孔的孔隙最大，从而形成从中心到外侧孔隙逐渐增大的梯度多孔结构，并且最外侧孔隙大小需满足其中σ为气液界面张力，ρG和ρL分别是蒸汽和其凝结液的密度，g为重力加速度；该梯度结构对凝结液产生从外向内的抽吸作用，将吸液芯外表面的凝结液向其内部抽吸；在所述吸液芯整个体积内凝结的液体也由于梯度结构产生的抽吸作用被聚集到所述吸液芯中心；当蒸汽进入该强化冷凝管时，在所述冷凝外管的疏水性内壁上发生表面珠状凝结；同时，由于所述梯度毛细吸液芯与所述冷凝外管的疏水性内壁面紧密接触，导热效应使得所述梯度毛细吸液芯内部产生由中心到其外表面温度逐渐降低的梯度分布，并且所述梯度毛细吸液芯内部各处的温度均小于蒸汽温度，使得蒸汽在整个梯度毛细吸液芯内部也发生凝结，因此，所述冷凝外管内壁表面上的高效珠状凝结与管内梯度毛细吸液芯体积内的凝结相耦合，提高了冷凝传热的换热系数。
2.根据权利要求1所述具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，所述冷凝外管为导热性良好的金属或非金属材料，该冷凝外管的外壁通常置于低温环境或者被冷流体冲刷；冷凝管内侧为蒸汽侧，与蒸汽直接接触的内壁为光滑疏水表面。
3.根据权利要求1所述具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，所述梯度毛细吸液芯为导热性良好的金属或非金属多孔亲水性材料，由于冷凝外管的内壁面为疏水性，梯度毛细吸液芯为亲水性，在所述壁面上凝结的珠状液滴一旦与所述毛细吸液芯的外表面接触，便会从所述壁面上脱离并附着在梯度毛细吸液芯上，所述壁面上凝结液滴的及时脱离避免了常规冷凝壁面上液滴驻留和聚合导致的传热热阻增大。
4.根据权利要求1所述具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，所述梯度毛细吸液芯中心在沿流动方向上，随着凝结过程的进行，截面含液率持续增加，由于气液界面的界面张力作用，凝结液对上游来流蒸汽产生阻隔作用，蒸汽只能绕过中心凝结液而在凝结液与内壁面之间的空间内流动，使得蒸汽始终与温度较低的壁面及梯度毛细吸液芯温度相对较低的外侧部分接触，所述梯度毛细吸液芯内聚集的液体不断增多，凝结液与所述内壁面之间的蒸汽通道越来越小，当蒸汽完全冷凝时，凝结液最终占据所述梯度毛细吸液芯的整个截面。
5.根据权利要求2所述具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，所述冷凝外管的金属或非金属材料为铜、铝不锈钢或陶瓷。
6.根据权利要求3所述具有梯度毛细吸液芯的珠状凝结强化冷凝管，其特征在于，所述梯度毛细吸液芯的金属或非金属多孔亲水性材料为铜粉、铝粉、镍粉或陶瓷粉末烧结材料。
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