CN104457309B - 一种贯流式冷凝换热器及其换热方法 - Google Patents

一种贯流式冷凝换热器及其换热方法 Download PDF

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本发明提供一种贯流式冷凝换热器及其换热方法,冷凝换热器包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元,冷凝器本体包括筒体单元和设于筒体两侧的第一封头和第二封头,第一封头上设有蒸汽入口,所述筒体单元包括第一筒体、第二筒体和第三筒体,所述第一筒体和所述第二筒体、所述第二筒体和所述第三筒体之间分别通过第一汽液分离器、第二汽液分离器隔开,所述管内冷却单元设于筒体单元内,所述过冷单元设于第二封头。本发明的贯流式冷凝换热器有效利用了换热面积,快速排泄冷凝液,避免冷凝液堆积及复杂两相流产生,显著提高了传热系数。

Description

一种贯流式冷凝换热器及其换热方法
技术领域
[0001]本发明涉及能源高效利用技术领域的热工设备,具体涉及一种贯流式冷凝换热器及其换热方法。
背景技术
[0002]冷凝换热器是把蒸汽转变成液态并将热量带走的装置,广泛应用于化工、制冷、石油、动力及能源等领域。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,释放显热和潜热,达到换热和蒸汽冷凝的目的。为得到更高换热性能的冷凝换热器,应尽量避免冷凝液覆盖换热表面形成厚液膜。
[0003]目前主流的强化冷凝换热技术主要包括肋管、螺旋槽管和内螺旋翅片管等,上述强化管技术虽然能够在一定程度上提高冷凝换热器的冷凝换热系数,但明显存在的由凝结液堆积导致的冷凝测阻力增加、以及下游部分换热面积未被充分利用等在内的问题亟待解决。
发明内容
[0004]有鉴于此,本发明提供一种贯流式冷凝换热器及其换热方法,旨在避免冷凝液的堆积以及复杂两相流的产生。
[0005]本发明采用的技术方案具体为:
[0006] —种贯流式冷凝换热器,包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元,冷凝器本体包括筒体单元和设于筒体两侧的第一封头和第二封头,第一封头上设有蒸汽入口,所述筒体单元包括第一筒体、第二筒体和第三筒体,所述第一筒体和所述第二筒体、所述第二筒体和所述第三筒体之间分别通过第一汽液分离器、第二汽液分离器隔开,所述管内冷却单元设于筒体单元内,所述过冷单元设于第二封头。
[0007]在上述贯流式冷凝换热器中,所述管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元和第三程换热单元,其中:第一筒体的内设有第一换热管,第一筒体和第一换热管形成了第一程换热单元;第二筒体内设有第二换热管,所述第二筒体和所述第二换热管形成了第二程换热单元;第三筒体内设有第三换热管,所述第三筒体和所述第三换热管形成了第三程换热单元;所述第一汽液分离器和所述第二汽液分离器之间设有第一导流管,所述第二汽液分离器与所述第二封头之间设有第二导流管。
[0008]在上述贯流式冷凝换热器中,过冷单元包括过冷换热管和冷凝液出管组件,所述换热管设于第二封头,所述过冷换热管的两端设有过冷工质入口和过冷工质出口,上述过冷工质入口和所述过冷工质出口伸出所述第二封头外,所述第二封头的底部设有第一冷凝液出管和第二冷凝液出管,第一冷凝液出管和第二冷凝液出管中设有第一调节阀门和第二调节阀门,第一冷凝液出管和第二冷凝液出管汇聚有共同的过冷凝结液出口。
[0009]在上述贯流式冷凝换热器中,所述过冷换热管为蛇形结构。
[0010]在上述贯流式冷凝换热器中,还包括管外冷却单元,管外冷却单元包括第一筒体、第二筒体、第三筒体以及第一连通管和第二连通管,所述第一筒体上设有冷却工质入口,所述第三筒体上设有冷却工质出口,所述第一筒体和所述第二筒体、所述第二筒体和所述第三筒体的内腔分别通过所述第一连通管、所述第二连通管相连通。
[0011]在上述贯流式冷凝换热器中,所述第一连通管和所述第二连通管为U型结构。
[0012] —种贯流式冷凝换热器的换热方法,包括管内冷却单元和过冷单元的换热,其中:
[0013]所述管内冷却单元的换热过程具体为:
[0014]过热蒸汽从蒸汽入口进入冷凝换热器的上封头,从上封头进入第一程换热单元冷凝,过热蒸汽在第一换热管内换热冷凝,剩余蒸汽与冷凝液在重力作用下流入第一汽液分离器中,冷凝液经由第一导流管导至第二汽液分离器中,剩余蒸汽进入第二程换热单元进一步冷凝;进一步冷凝后在重力作用下流入第二汽液分离器中,冷凝液经第二导流管自动流入第二封头中,剩余蒸汽进入第三程换热单元进行冷凝,凝结液回流至第二封头中,剩余蒸汽也进入第二封头中;冷凝器收集器中的冷凝液此时处于饱和状态;
[0015]所述过冷单元的换热过程具体为:
[0016]采用过冷换热管在下封头处进行过冷,过冷工质从过冷换热管的过冷工质入口进入蛇形过冷换热管中,过冷的凝结液从过冷换热管的过冷工质出口排出;在下封头还设有第一冷凝液出管和第二冷凝液出管,通过分别设于第一冷凝液出管和第二冷凝液出管中的第一调节阀门和第二调节阀门来调整凝结液的出口流量,避免凝结液位升高至冷凝换热管内,导致破坏管内的凝结换热,过冷的凝结液经第一冷凝液出管和第二冷凝液出管末端的共同出口即过冷凝结液出口排出换热器;凝结液收集器设有液位高度计,用以观察凝结液收集器内的液面高度,进而控制凝结液出口的流量。
[0017]在上述贯流式冷凝换热器的换热方法中,所述过冷换热管为蛇形结构。
[0018]在上述贯流式冷凝换热器的换热方法中,还包括管外冷却单元的换热,所述管外冷却单元的换热过程具体为:冷却工质从冷却工质入口进入第一筒体的筒内,对第一换热管进行管外冷却,通过第一连通管进入第二筒体,然后通过第二连通管由第二筒体进入第三筒体,最后从冷却工质出口排出,整个系统由支架进行支撑。
[0019]在上述贯流式冷凝换热器的换热方法中,所述第一连通管和所述第二连通管为U型结构。
[0020]本发明产生的有益效果是:
[0021]贯流式设计使得整个换热管实现了降液膜式冷凝,利用重力作用通过迅速排泄凝结液,每个管程蒸汽入口均无液膜,短管效应得以应用,各级换热管面积均参加凝结换热,避免了管内凝结液膜过厚恶化凝结换热,以及避免出现一段管程出现凝结液与冷却水的单相换热,浪费换热面积;
[0022]同时过冷段的设计确保了冷凝液的过冷度,防止饱和冷凝液重新汽化,也可以扩大该高效冷凝器的适用范围;较之于螺旋槽管和内螺旋翅片管强化冷凝换热技术,本发明大大减少了换热面积,减少材料损耗,同时本发明采用光滑管代替较为昂贵的强化管进行换热,降低了换热设备的成本。
附图说明
[0023]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。
[0024]图1为本发明一种贯流式冷凝换热器的结构示意图。
[0025]图中:
[0026] 1、蒸汽入口 2、(第一封头)上封头31、第一筒体32、第二筒体33、第三筒体41、第一换热管42、第二换热管43、第三换热管51、第一汽液分离器52、第二汽液分离器61、第一导流管62、第二导流管7、凝结液收集器(第二封头,即下封头)8、过冷换热管9、过冷工质入口 10、过冷工质出口 111、第一冷凝液出管112、第二冷凝液出管121、第一调节阀门122、第二调节阀门13、过冷凝结液出口 14、液位高度计15、冷却工质入口 161、第一连通管162、第二连通管17、冷却工质出口 18、支架。
具体实施方式
[0027]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。
[0028]如图1所示的一种贯流式冷凝换热器,包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元,冷凝器本体包括筒体单元和设于筒体两侧的第一封头2和第二封头7,第一封头2上设有蒸汽入口 I,筒体单元包括第一筒体41、第二筒体42和第三筒体43,第一筒体41和第二筒体42、第二筒体42和第三筒体43之间分别通过第一汽液分离器51、第二汽液分离器52隔开,管内冷却单元设于筒体单元内,过冷单元设于第二封头7;其中:
[0029]管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元和第三程换热单元,其中:第一筒体31的内设有第一换热管41,第一筒体31和第一换热管41形成了第一程换热单元;第二筒体32内设有第二换热管42,第二筒体32和第二换热管42形成了第二程换热单元;第三筒体33内设有第三换热管43,第三筒体33和第三换热管43形成了第三程换热单元。第一汽液分离器51和第二汽液分离器52之间设有第一导流管61,第二汽液分离器52与第二封头7之间设有第二导流管62。
[0030]过冷单元包括蛇形结构的过冷换热管8和包括第一冷凝液出管111和第二冷凝液出管112在内的冷凝液出管组件,过冷换热管8设于第二封头7,过冷换热管8的两端设有过冷工质入口 9和过冷工质出口 10,上述过冷工质入口 9和过冷工质出口 10伸出第二封头7外,第二封头7的底部设有第一冷凝液出管111和第二冷凝液出管112,第一冷凝液出管111和第二冷凝液出管112中设有第一调节阀门121和第二调节阀门122,第一冷凝液出管111和第二冷凝液出管112汇聚有共同的过冷凝结液出口 13。
[0031] 还包括管外冷却单元,管外冷却单元包括第一筒体31、第二筒体32、第三筒体33以及U型结构的第一连通管161和第二连通管162,第一筒体31上设有冷却工质入口 15,第三筒体33上设有冷却工质出口 17,第一筒体31和第二筒体32、第二筒体32和第三筒体33的内腔分别通过第一连通管161、第二连通管162相连通。
[0032]上述贯流式冷凝换热器的冷却过程中,管内冷却单元、过冷单元以及管外冷却单元的换热过程具体为:
[0033] (I)管内冷却单元(通过过热蒸汽冷却)的换热:
[0034]过热蒸汽从蒸汽入口 I进入冷凝换热器的上封头2,从上封头2进入第一程换热单元冷凝,过热蒸汽在第一换热管41内换热冷凝,剩余蒸汽与冷凝液在重力作用下流入第一汽液分离器51中,冷凝液经由第一导流管61导至第二汽液分离器52中,剩余蒸汽进入第二程换热单元进一步冷凝;进一步冷凝后在重力作用下流入第二汽液分离器52中,冷凝液经第二导流管62自动流入第二封头(冷凝器收集器)7中,剩余蒸汽进入第三程换热单元进行冷凝,凝结液回流至第二封头7中,剩余蒸汽也进入第二封头7中。冷凝器收集器7中的冷凝液此时处于饱和状态;
[0035] (2)过冷单元(通过过冷工质冷却)的换热:
[0036]采用过冷换热管8在下封头7处进行过冷,过冷工质从(蛇形结构的)过冷换热管8的过冷工质入口9进入蛇形过冷换热管8中,过冷的凝结液从过冷换热管8的过冷工质出口10排出;在下封头7还设有两个冷凝液出管(111、112),通过设于下封头7和冷凝液出口之间的两个调节阀门(121、122)来调整凝结液的出口流量,避免凝结液位升高至冷凝换热管内,导致破坏管内的凝结换热,过冷的凝结液经两个冷凝液出管(131、132)末端的共同出口即过冷凝结液出口 13排出换热器。凝结液收集器7设有液位高度计14,用以观察凝结液收集器7内的液面高度,进而控制凝结液出口 13的流量;以及
[0037] (3)管外冷却单元(通过冷却介质冷却)的换热:
[0038]冷却工质从冷却工质入口 15进入第一筒体31的筒内,对第一换热管41进行管外冷却,通过(U型结构的)第一连通管161进入第二筒体32,然后通过第二连通管162由第二筒体32进入第三筒体33,最后从冷却工质出口 17排出,整个系统由支架20进行支撑。
[0039]作为一种优选,换热管(41、42、43)可以是光管、内翅化管或者内外翅化管;凝结液的导流管(61、62)为光管;汽液分离器(51、52)内的导液管与下表面在同一水平面,换热管高出汽液分离器的下表面3-5cm。下封头7内的过冷换热管8布置在下封头7的下二分之一的空间,除了蛇形结构,过冷换热管8还可以是螺旋盘管。上封头2上布置有蒸汽入口 1、整个冷凝器没有蒸汽出口,进入冷凝换热器内的蒸汽完全冷凝,完全冷凝后的凝结液进入过冷单元处理。
[0040]贯通式设计利用重力作用快速排泄凝结液膜,充分利用了换热面积,较之于传统的冷凝换热器,能有效减少换热面积,同时通过冷段设计,有效防止了冷凝液的重新汽化,扩大了冷凝换热器的适用范围。
[0041]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 (9)

1.一种贯流式冷凝换热器,其特征在于,包括冷凝器本体、管内冷却单元和过冷单元;其中: 所述冷凝器本体包括筒体单元和设于所述筒体单元两侧的第一封头和第二封头;其中: 所述第一封头上设有蒸汽入口 ; 所述筒体单元包括依次设置的第一筒体、第二筒体和第三筒体,所述第一筒体和所述第二筒体通过第一汽液分离器隔开,所述第二筒体和所述第三筒体通过第二汽液分离器隔开; 所述管内冷却单元设于所述筒体单元内,所述过冷单元包括过冷换热管和冷凝液出管组件;其中: 所述过冷换热管设于第二封头,具体地: 所述过冷换热管的两端设有过冷工质入口和过冷工质出口,所述过冷工质入口和所述过冷工质出口伸出所述第二封头外; 所述冷凝液出管组件设于第二封头的底部;具体地: 所述冷凝液出管组件包括第一冷凝液出管和第二冷凝液出管,所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管中分别设有第一调节阀门和第二调节阀门,所述第一冷凝液出管和所述第二冷凝液出管汇聚至共同的过冷凝结液出口。
2.根据权利要求1所述的贯流式冷凝换热器,其特征在于,所述管内冷却单元包括第一程换热单元、第二程换热单元和第三程换热单元,其中: 第一筒体的内设有第一换热管,第一筒体和第一换热管形成了第一程换热单元; 第二筒体内设有第二换热管,所述第二筒体和所述第二换热管形成了第二程换热单元; 第三筒体内设有第三换热管,所述第三筒体和所述第三换热管形成了第三程换热单元; 所述第一汽液分离器和所述第二汽液分离器之间设有第一导流管,所述第二汽液分离器与所述第二封头之间设有第二导流管。
3.根据权利要求1所述的贯流式冷凝换热器,其特征在于,所述过冷换热管为蛇形结构。
4.根据权利要求1所述的贯流式冷凝换热器,其特征在于,还包括管外冷却单元,所述管外冷却单元包括第一筒体、第二筒体、第三筒体、第一连通管和第二连通管;其中: 所述第一筒体上设有冷却工质入口 ; 所述第一筒体和所述第二筒体的内腔通过第一连通管相连通、所述第二筒体和所述第三筒体的内腔通过第二连通管相连通; 所述第三筒体上设有冷却工质出口。
5.根据权利要求4所述的贯流式冷凝换热器,其特征在于,所述第一连通管和所述第二连通管为U型结构。
6.一种贯流式冷凝换热器的换热方法,其特征在于,包括管内冷却单元和过冷单元的换热,其中: 所述管内冷却单元的换热过程具体为: 过热蒸汽从蒸汽入口进入冷凝换热器的上封头,从上封头进入第一程换热单元冷凝,过热蒸汽在第一换热管内换热冷凝,剩余蒸汽与冷凝液在重力作用下流入第一汽液分离器中,冷凝液经由第一导流管导至第二汽液分离器中,剩余蒸汽进入第二程换热单元进一步冷凝;进一步冷凝后在重力作用下流入第二汽液分离器中,冷凝液经第二导流管自动流入第二封头中,剩余蒸汽进入第三程换热单元进行冷凝,凝结液回流至第二封头中,剩余蒸汽也进入第二封头中;冷凝器收集器中的冷凝液此时处于饱和状态; 所述过冷单元的换热过程具体为: 采用过冷换热管在下封头处进行过冷,过冷工质从过冷换热管的过冷工质入口进入蛇形过冷换热管中,过冷的凝结液从过冷换热管的过冷工质出口排出;在下封头还设有第一冷凝液出管和第二冷凝液出管,通过分别设于第一冷凝液出管和第二冷凝液出管中的第一调节阀门和第二调节阀门来调整凝结液的出口流量,避免凝结液位升高至冷凝换热管内,导致破坏管内的凝结换热,过冷的凝结液经第一冷凝液出管和第二冷凝液出管末端的共同出口即过冷凝结液出口排出换热器;凝结液收集器设有液位高度计,用以观察凝结液收集器内的液面高度,进而控制凝结液出口的流量。
7.根据权利要求6所述的贯流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。
8.根据权利要求6所述的贯流式冷凝换热器的换热方法,其特征在于,还包括管外冷却单元的换热,所述管外冷却单元的换热过程具体为: 冷却工质从冷却工质入口进入第一筒体的筒内,对第一换热管进行管外冷却,通过第一连通管进入第二筒体,然后通过第二连通管由第二筒体进入第三筒体,最后从冷却工质出口排出,整个系统由支架进行支撑。
9.根据权利要求8所述的贯流式冷凝换热器的换热方法,其特征在于,所述第一连通管和所述第二连通管为U型结构。
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Address before: 100044 Beijing city Haidian District Xizhimen Shangyuan Village No. 3

Patentee before: Beijing Jiaotong University

Effective date of registration: 20180129

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Denomination of invention: A tubular condensing heat exchanger and its heat exchange method

Effective date of registration: 20201029

Granted publication date: 20160907

Pledgee: Ningde branch of China Merchants Bank Co., Ltd

Pledgor: FUJIAN BLUE OCEAN ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020350000126

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