CN104390496B - 一种立式冷凝换热器及其换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立式冷凝换热器及其换热方法，立式冷凝换热器包括冷凝器本体、冷却液的管内换热单元和蒸汽的管外冷凝换热单元，所述冷凝器本体包括筒体单元，所述筒体单元内设有换热管束，所述筒体单元的两侧设有第一封头和第二封头，所述筒体单元和所述第二封头之间设有冷凝液收集器，所述冷却液的管内冷却单元设于所述筒体单元内，所述蒸汽管外冷凝换热单元设于所述筒体单元。上封头内的隔板将冷却液分为自上而下和自下而上流动的两程，冷却液在管内行程中吸收管外蒸汽凝结放热量，高压蒸气在壳程内折返流动，横向冲刷冷却管，实现管外冷凝，每个折流板收集的冷凝液在第二封头内被过冷，保证了换热系统的可靠性。

Description

一种立式冷凝换热器及其换热方法

技术领域

本发明涉及能源高效利用技术领域的热工设备，具体涉及一种立式冷凝换热器及其换热方法。

背景技术

立式冷凝换热器通常采用“冷却液横掠换热管外折流自上而下流动、高压蒸汽管内冷凝”的管壳结构。过热蒸汽进入冷凝器后经历冷却、饱和冷凝和过冷三个过程，通过释放显热和潜热，达到换热的目的。

但是目前的管壳结构随着凝结量的不断增多，容易造成凝结液膜堆积，形成的厚液膜覆盖换热面；同时，对管内蒸汽冷却需要靠大量的冷却液对换热管进行冲刷，由于冷却液温升很小，因此需要较高质量流量的冷却液；蒸汽在换热管内凝结，流型不断改变，由环状流逐步改变为塞状流，可能在换热管底部充满凝结液，导致部分管段没有蒸气冷凝，成为单相换热。而对于立式冷凝换热器，采用蒸汽管外冷凝的设计较少，主要是由于立式换热管长度较大，管外冷凝导致液膜沿管外壁面生长，液膜厚度不断增加，导致换热效果恶化。

因此如何加快立式管外冷凝器凝结液的排泄，通过有效利用换热面积实现高效凝结换热是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种立式冷凝换热器及其换热方法，旨在通过迅速导出凝结液来提高传热系数。

本发明采用的技术方案具体为：

一种立式冷凝换热器，包括冷凝器本体、冷却液的管内换热单元和蒸汽的管外冷凝换热单元，所述冷凝器本体包括筒体单元，所述筒体单元内设有换热管束，所述筒体单元的两侧设有第一封头和第二封头，所述筒体单元和所述第二封头之间设有冷凝液收集器，所述冷却液的管内冷却单元设于所述筒体单元内，所述蒸汽管外冷凝换热单元设于所述筒体单元。

在上述立式冷凝换热器中，所述冷却液的管内换热单元包括第一封头和换热管束，所述第一封头内设有隔板，所述第一封头位于所述隔板的两侧分别设有冷却液入口和冷却液出口。

在上述立式冷凝换热器中，所述蒸汽的管外冷凝换热单元包括蒸汽折流板组件、导液管组件以及设于所述筒体单元上的蒸汽入口和蒸汽出口，所述蒸汽折流板组件包括N个蒸汽折流板，每个所述蒸汽折流板上设有一层导液管，N层所述导液管形成了所述导液管组件，所述换热管束被设于所述筒体单元筒壁的N个所述蒸汽折流板分为(N+1)个冷凝换热单元。

每层所述导液管的数量为穿过该层蒸汽导液管所在折流板换热管数量的1/15-1/10。

在上述立式冷凝换热器中，还包括过冷管单元，所述过冷管单元为设于所述第二封头内的过冷换热管，所述过冷换热管的第一端与所述筒体单元下部的冷凝液收集器相连接，所述过冷换热管的第二端设有冷凝液出口，所述冷凝液出口伸出所述第二封头外。

在上述立式冷凝换热器中，所述过冷换热管为蛇形结构。

一种立式冷凝换热器的换热方法，包括冷却液换热和蒸汽冷凝换热，其中：

所述冷却液的管内换热过程具体为：冷却液从冷却液入口进入冷凝换热器的第一封头，第一封头内的隔板将冷却液分为两程，第一程换热为自上而下流动，第二程换热为自下而上流动，首先，冷却液从冷却液入口进入冷凝换热器的第一封头内的隔板左侧，在左半侧的换热管束内流动换热，完成第一程换热；第一程换热完成后，冷却液在第二封头处进行折流，在右半侧的换热管束内流动换热，从设于隔板右侧的冷却液出口流出，完成第二程换热；

所述蒸汽的管外冷凝换热过程具体为：高压蒸汽从蒸汽入口进入筒体单元内，在换热管束外冷凝，经N个蒸汽折流板将蒸汽冷凝分为(N+1)个冷凝换热流程，在换热器内完全冷凝；所述蒸汽折流板上部区域凝结的液体分别经导液管导至所述筒体单元底部的冷凝液收集器。

在上述立式冷凝换热器的换热方法中，还包括过冷管单元的换热，所述过冷管单元的换热过程具体为：设于第二封头内的过冷换热管与冷凝液收集器相连接，冷凝管外部产生的冷凝液经冷凝液收集器通入过冷换热管，过冷换热管内的冷凝液与第二封头内的冷却液进行进一步换热。

在上述立式冷凝换热器的换热方法中，所述过冷换热管为蛇形结构。

本发明产生的有益效果是：

本发明的立式冷凝换热器将管外冷凝和气液分离有机结合，利用蒸汽折流板增加了蒸汽流程和扰动，通过将管程分段，及时阻隔了液膜沿管外表面流动形成较厚夜膜，改进了传统冷凝换热设备中液膜覆盖换热表面导致的换热系数下降的缺点；

通过调节蒸汽折流板之间的间隔可以灵活控制气体流速，保障蒸汽在管外具有最佳冷凝和传热形态，同时达到各管和各处均具有几乎相同的冷凝换热，极大地提高了换热效率，充分利用了换热器的空间，减少了换热器的体积和重量；

每个蒸汽折流板同时也作为凝结液收集板，布置有导液管直接将该段蒸汽折流板收集的凝结液导流到筒体的下部，每段管程只有本段凝结液存在，换热器筒底的冷凝液通过下封头内部的过冷管进一步冷却，具备一定的过冷度；

此外，本发明的立式冷凝换热器的加工简单，不需任何特殊加工工艺，制造成本较低；在不增加任何运行成本的前提下，增加了换热器设备的冷却可靠性。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种立式冷凝换热器的结构示意图。

图中：

1、蒸汽入口 2、筒体单元 3、换热管束 41、第一蒸汽折流板 42、第二蒸汽折流板43、第三蒸汽折流板 5、蒸汽出口 61、第一层导液管 62、第二层导液管 63、第三层导液管7、冷凝液收集器 8、(第二封头)下封头 9、过冷管 10、冷凝液出口 11、冷却液入口 12、(第一封头)上封头 13、隔板 14、冷却液出口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种立式冷凝换热器，包括冷凝器本体、蒸汽折流板组件、导液管组件和过冷管单元；其中：

冷凝器本体包括筒体单元2和设于筒体单元2两侧的(第一封头)上封头12和(第二封头)下封头8，筒体单元2和第二封头8之间设有冷凝液收集器7，换热管束3、蒸汽折流板组件以及导液管组件均设于筒体单元2内；其中：

第一封头12内设有隔板13，第一封头12在位于隔板13两侧的位置分别设有冷却液入口11和冷却液出口14；用于实现冷却液的管内换热。

筒体单元2上有蒸汽入口1和蒸汽出口5，蒸汽折流板组件包括第一蒸汽折流板41、第二蒸汽折流板42和第三蒸汽折流板43，导流板组件包括第一导液管61、第二导液管62和第三导液管63，筒体单元2内部的换热管束3被设于筒体单元2筒壁的第一蒸汽折流板41、第二蒸汽折流板42和第三蒸汽折流板43分为四个冷凝换热单元，第一层导液管61、第二层导液管62和第三层导液管63分别设于第一蒸汽折流板41、第二蒸汽折流板42和第三蒸汽折流板43的下方，用于实现蒸汽的管外冷凝换热。

过冷管单元为设于第二封头8内的蛇形结构的过冷换热管9，过冷换热管9的第一端与冷凝液收集器7相连接，过冷换热管9的第二端则设有冷凝液出口10，冷凝液出口10伸出第二封头8外，用于实现过冷管的辅助换热。

上述立式冷凝换热器的换热方法包括冷却液的管内换热、蒸汽的管外冷凝换热以及过冷管的过冷管换热三种换热方式；其中：

在冷却液的管内换热过程中，冷却液流经第一封头12的隔板13左侧流入换热管束3，之后在下封头8折返至换热管束3，经第一封头12的隔板13右侧流出，

在蒸汽的管外冷凝换热过程中，蒸汽在壳程内的各蒸汽折流板的导引下折返流动，横向冲刷冷却管，实现蒸汽的管外冷凝；各层折流板产生的凝结液由导液管直接导向壳程底部，将各层凝结液直接引导到壳程底部，避免了凝结液堆积或流过其他折流区域的冷却管外表面；

在过冷管的辅助换热中，壳程底部的凝结液通过过冷换热管9在下封头8内被冷却实现过冷；

各个蒸汽折流板的阻挡增加蒸汽侧的流程，加大蒸汽流动对蒸汽凝结的扰动，使蒸汽横向冲刷换热管束3，形成最佳冷凝形态，充分利用换热表面；

通过调节蒸汽折流板之间的间隔，可以灵活控制气体流速，可以有效地提高换热效率，充分利用换热器空间，减少换热器的体积和重量。

(1)冷却液的管内换热过程具体为：

冷却液从冷却液入口11进入冷凝换热器的第一封头12，第一封头12内的隔板13将冷却液分为两程，第一程换热为自上而下流动，第二程换热为自下而上流动，首先，冷却液从冷却液入口11进入冷凝换热器的第一封头12内的隔板13左侧，在左半侧的换热管束3内流动换热，完成第一程换热；第一程换热完成后，冷却液在第二封头8处进行折流，在右半侧的换热管束3内流动换热，从设于隔板13右侧的冷却液出口14流出，完成第二程换热。

(2)蒸汽的管外冷凝换热过程具体为：

高压蒸汽从蒸汽入口1进入筒体单元2内，在换热管束3外冷凝，经第一蒸汽折流板41、第二蒸汽折流板42和第三蒸汽折流板43将筒体单元2折成4个冷凝换热单元，在换热器内完全冷凝；各个蒸汽折流板同时还起分层收集凝结液膜的作用，第一蒸汽折流板41、第二蒸汽折流板42和第三蒸汽折流板43凝结的液膜分别经第一层导液管61、第二层导液管62和第三层导液管63直接导至筒体单元2底部的冷凝液收集器7。

(3)过冷管单元的换热过程具体为：

设于第二封头8内的蛇形结构的过冷换热管9与冷凝液收集器7相连接，蒸汽冷凝换热产生的冷凝液经冷凝液收集器7通入过冷换热管9，过冷换热管9内的冷凝液与第二封头8内的冷却液进行进一步换热。

作为一种优选，换热管束3可以是光管、内翅化管或者外翅化管，但是凝结液的导液管(61、62、63)为光管；下封头8内的冷换热管9为光管。

本发明的立式冷凝换热器中，筒体单元内布置的蒸汽折流板(41、42、43)使蒸汽在筒体单元内部实现多程流动，充分冷凝，并可以灵活控制气体流速；每程蒸汽折流板布置有分层凝结液的导液管(61、62、63)，凝结液被分层导入冷凝液收集器7中，避免液膜过厚，传热恶化；凝结液经过下封头8的过冷换热管9进一步过冷，保证了系统的稳定性。

蒸汽折流板实现了冷凝换热器的分层设计，增加了蒸汽在换热器内的流程，在充分利用了换热表面的同时增加了对蒸汽的扰动；凝结液导液管竖直布置，通过重力迅速导出冷却的凝结液至底部的凝结液收集器7，避免了因凝结液流经其他段管程减小了凝结液膜厚度，且通过调节蒸汽折流板之间的间隔，可以灵活控制气体流速。

本实施例中，蒸汽折流板的数量是3个，根据蒸汽量的大小可是适当增减蒸汽折流板，如蒸汽量很大的情况下，可以将蒸汽折流板的数量，增至4个或者5个。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种立式冷凝换热器，其特征在于，包括冷凝器本体、冷却液的管内换热单元、蒸汽的管外冷凝换热单元以及过冷管单元；其中：

1)所述冷凝器本体包括筒体单元、设于所述筒体单元内的换热管束以及设于所述筒体单元两侧的第一封头和第二封头，所述筒体单元和所述第二封头之间设有冷凝液收集器；

2)所述第一封头内设有隔板，位于所述隔板两侧的所述第一封头上分别设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液经冷却液入口流入换热管束，在第二封头处折返后流至冷却液入口，即形成了冷却液的管内冷却单元；

3)所述筒体单元上设有蒸汽入口和蒸汽出口，筒体单元的筒壁上设有蒸汽折流板组件和导液管组件；具体地：

蒸汽折流板组件包括N个蒸汽折流板，每个蒸汽折流板上设有一层导液管，N层导液管形成了所述导液管组件；

所述换热管束连接在通过N个蒸汽折流板分为N+1个的冷凝换热腔中，即形成了所述蒸汽的管外冷凝换热单元；

4)所述过冷管单元为设于所述第二封头内的过冷换热管，所述过冷换热管的第一端与所述冷凝液收集器相连接，所述过冷换热管的第二端设有冷凝液出口，所述冷凝液出口伸出所述第二封头外。

2.根据权利要求1所述的立式冷凝换热器，其特征在于，每层所述导液管的数量为穿过该层导液管所在蒸汽折流板换热管数量的1/15-1/10。

3.根据权利要求1所述的立式冷凝换热器，其特征在于，所述过冷换热管为蛇形结构。

4.一种立式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，包括冷却液的管内换热、蒸汽的管外冷凝换热以及冷凝液的过冷换热，其中：

1)所述冷却液的管内换热过程具体为：

冷却液从冷却液入口进入冷凝换热器的第一封头，第一封头内的隔板将冷却液分为两程；其中：

首先完成自上而下流动的第一程换热，即：冷却液从冷却液入口进入冷凝换热器的第一封头内的隔板左侧，在左半侧的换热管束内流动换热；

第一程换热完成后，完成自下而上流动的第二程换热，即：冷却液在第二封头处进行折流，在右半侧的换热管束内流动换热，从设于隔板右侧的冷却液出口流出；

2)所述蒸汽的管外冷凝换热过程具体为：

高压蒸汽从蒸汽入口进入筒体单元内，在换热管束外冷凝，经N个蒸汽折流板将蒸汽冷凝分为N+1个冷凝换热流程，在换热器内完全冷凝；

各个蒸汽折流板上部区域凝结的冷凝液分别经相应的导液管直接导至所述筒体单元底部的冷凝液收集器；所述冷凝液的过冷换热过程具体为：

设于第二封头内的过冷换热管的一端与冷凝液收集器相连接，冷凝液经冷凝液收集器通入过冷换热管，过冷换热管内的冷凝液与第二封头内的冷却液进行进一步换热后，经设于过冷换热管另一端的冷凝液出口流出。

5.根据权利要求4所述的立式冷凝换热器的换热方法，其特征在于，所述过冷换热管为蛇形结构。