CN104896965B - 带有中间排液的管壳式实验换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有中间排液的管壳式实验换热器，其结构是：在换热器的左端封头内设有三层隔板；右端设有两层隔板。左、右端封头内的第二层隔板开有数个漏液孔，并且、两端隔板上的漏液孔数量不相等，右端隔板漏液孔总数的孔径面积之和大于左端。两端隔板上每一个漏液孔的下方焊接有凝液引出管，凝液引出管穿过壳体通过保温管连接到一个封闭的容器内，每一根凝液引出管路上均装有阀门。漏液孔以漏液阻气的方式维持蒸汽相对的速度与干度，以此保持较高的换热系数，可以使冷凝换热得到有效的强化。该换热器的结构设计理念为风冷式换热器、冷凝式蒸发器以及其它管内冷凝器的强化换热，提供了设计方法与技术途径。

Description

带有中间排液的管壳式实验换热器

技术领域

本发明属于热工设备，具体涉及一种具有高效冷凝效应的管壳式换热器装置。

背景技术

由于换热器在热力系统中的特殊地位，其换热性能直接与节能降耗密切相关，所以众多生产厂和学者多年来不遗余力地对换热器的强化性能进行深入的研究。管壳式换热器具有承压高、换热工质适应性强等特点，在能源和石化等行业仍占主导地位。由于换热条件或工况所致，管内凝结方式的换热器仍然具有一定的应用范围，例如汽水冷凝换热器主要集中在波纹管和波节管的管壳式换热器。该换热方式在冷凝器的进口段蒸汽处于过热或饱和状态，蒸汽干度较大而无液膜成型，管壁处于珠状或不稳定溪状凝结，此时换热系数最大。如果是空冷冷凝器，则管外肋片利用率显著下降。传统技术均采用内外增大面积来满足换热需求，管内尽量增大扰动，致使体积增大、质量增加。管壳式换热器传热的强化应该考虑管束与结构的配合，比如低肋管曾得到广泛应用。

管内冷凝所表现的特点是，随着冷凝的进行壁面开始出现凝结液膜，并且沿管长方向液膜不断增厚，壁面由珠状凝逐渐演变为膜状，最终成为汽液两相流。由于管内壁面凝结液膜不断增厚，阻碍了蒸汽与壁面的接触，成为凝结换热主要热阻所在。随着冷凝的进行，液膜也会不断增加积厚，换热系数减小。所以冷凝器管长越小，液膜越薄，平均表面传热系数越大。但是如果能够适时将凝液排出，使蒸汽壁面维持珠状或不稳定溪状换热状态，则换热过程就能维持较高的对流换热系数。凝结壁面被液膜覆盖时，传热热阻主要取决于液膜厚度，所以管壳式冷凝器的换热管束的大部分管段都处于低效的凝结过程。基于此本发明提出并设计了一种带有中间排液式的冷凝换热器，通过凝结液的自行排出，使换热过程中凝结产生的液膜厚度减小，以维持高换热系数的流型。

发明内容

为了有效提高管壳式换热器的性能，本发明的目的是提出一种带有中间排液的管壳式换热器实验装置。

该换热器的技术方案与原理是：带有中间排液的管壳式实验换热器，具有换热管束、壳体、隔板、折流板、以及封头，其结构是：在换热器的左端封头内设有三层隔板；右端封头内设有两层隔板。其中左端封头内的第二层隔板和右端封头内的第二层隔板开有数个漏液孔，并且左、右两端隔板上的漏液孔数量不相等，右端隔板漏液孔总数的孔径面积之和大于左端隔板上的各孔径面积之和。左、右两端隔板上每一个漏液孔的下方焊接有凝液引出管，凝液引出管穿过壳体通过保温管连接到一个封闭的容器内。

该换热器为凝结换热器，具有一定过热度的蒸汽从冷凝器左端进入第一管程的三根管束。由于蒸汽刚进入冷凝管时具有较高的品质，具有较高的换热系数，因此在第一管程结束进入第二管程前不会有凝液产生，所以在右端封头内的第一层隔板上没有漏液孔。但是蒸汽被冷却水进一步冷却后，随着管内壁液膜的形成及增厚，有可能会产生少量的冷凝液。因此在第二管程的出口进入第三管程之前，即左端封头内的第二层隔板上没有漏液孔(如图2图3)。同理蒸汽在第三管程结束进入第四管程之前，在右端封头内的第二层隔板上没有漏液孔。由于气液两相存在密度差，在重力的作用下液相工质通过隔板上的漏液孔被引出。

本发明的特点以及产生的有益效果是，(1)对于管内凝结的换热器，在冷凝管内适当的位置开有漏液孔，以漏液阻气的方式维持蒸汽相对的速度与干度，以此保持较高的换热系数，可以使该结构冷凝器的换热得到有效的强化。(2)通过实验证实：管内汽液分离式冷凝器的换热效率，明显高于相同换热面积下的传统冷凝器，在相同的时间段内，换热量可提高60％。(3)该冷凝器的结构设计理念为风冷式冷凝器、冷凝式蒸发器以及其它管内冷凝器的强化换热，提供了设计方法与技术途径。

附图说明

图1是管壳式实验换热器原理结构简图。

图2是图1左端结构示意图。

图3是图1右端结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理与结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。

带有中间排液的管壳式实验换热器，具有换热管束、壳体、隔板、折流板、以及封头等。其结构组成是：在换热器的左端封头1内设有三层隔板2；右端封头内设有两层隔板。其中左端封头内的第二层隔板和右端封头内的第二层隔板开有数个漏液孔3，并且左、右两端隔板上的漏液孔数量不相等，右端隔板漏液孔总数的孔径面积之和大于左端隔板上的各孔径面积之和，并且左、右两端封头内隔板上每个漏液孔的孔径不相等。

左、右两端隔板上每一个漏液孔的下方焊接有凝液引出管，凝液引出管穿过壳体通过保温管连接到一个封闭的容器内，壳体外侧的每一根凝液引出管路上均装有阀门。

换热器的换热管程分为4段，第一段管程为3根换热管束4；第二段管程为2根换热管束；第三、第四段管程各为1根换热管束。在冷凝器的壳体5内设有两块弓形折流板6，由此形成四管程单壳程的换热结构。换热管束为铜管，每根管长400mm。左、右两端封头内第二层隔板上各开有5个直径为0.5～3mm不等的漏液孔。

左、右两端封头内隔板上漏液孔总数的孔径面积之和均由管壳式换热器总换热量确定。

因为左右隔板上的漏液量非常重要，必须使其冷凝液在多孔隔板(或者说每个漏液孔的上表面)上形成一层稳定的积水层。该积水层起到一个水封的作用，即液体可以通过该小孔，而蒸汽则进入下一管程，由此实现汽、液的有效分离。因此要根据换热器总换热量来计算(维持该流量)漏液孔的面积，为了能够保证漏液孔具有“漏液阻汽”的作用，所以将漏液孔的孔径或者面积分割成几个小孔。即漏液孔的孔数、孔径之和等于总的漏液(孔)面积。

作为实施例：该冷凝换热器主要用于实验研究，为不同运行工况或不同热工参数下，设计带有中间排液功能的高效管壳式换热器提供技术数据。

壳体内的换热管束的外径为19mm，管心距为25mm，蒸汽进口管内直径为20mm，蒸汽出口管内直径为10mm，冷却水进出口管内直径均为20mm。设定冷凝器进口蒸汽温度为103℃，蒸汽过热度为3℃左右，流量为9.15kg/h，压力为0.1Mp。冷却水入口温度为18℃，流量为150kg/h，在实验过程中维持参数恒定不变。左两端封头内第二层隔板上各开有5个直径为1mm的漏液孔；右两端封头内第二层隔板上各开有3个直径为1mm和2个直径为2mm的漏液孔。

因为壳体外侧的每一根凝液引出管路上均装有阀门，所以控制阀门的开启数量，就可以得到不同热工参数下，最佳的漏液量或确定其最佳的漏液面积。如果将所有凝液引管的阀门关闭，就相当于普通管壳式冷凝换热器的结构，所以该装置可以方便进行对比实验。

在实验过程中，这种带有中间排液结构的冷凝器换热量始终高于传统管壳式冷凝器，40min稳定之后两者之间的差值大致维持在200-300J。在相同的时间段内，前者的换热量比后者大致提高了60％。

Claims (4)

1.带有中间排液的管壳式实验换热器，具有换热管束、壳体、隔板、折流板、以及封头，在换热器的左端封头（1）内设有三层隔板（2）；右端封头内设有两层隔板，其中左端封头内的第二层隔板和右端封头内的第二层隔板开有数个漏液孔（3），并且左、右两端隔板上的漏液孔数量不相等，右端隔板漏液孔总数的孔径面积之和大于左端隔板上的各孔径面积之和，其特征是：左、右两端隔板上每一个漏液孔的下方焊接有凝液引出管，凝液引出管穿过壳体通过保温管连接到一个封闭的容器内，左、右两端封头内隔板上每个漏液孔的孔径不相等，壳体外侧的每一根凝液引出管路上均装有阀门，左、右两端封头内隔板上漏液孔总数的孔径面积之和均由管壳式换热器总换热量确定。

2.按照权利要求1所述带有中间排液的管壳式实验换热器，其特征是所述换热器的换热管程分为4段，第一段管程为3根换热管束（4）；第二段管程为2根换热管束；第三、第四段管程各为1根换热管束，在换热器的壳体（5）内设有两块弓形折流板（6），由此形成四管程单壳程的换热结构。

3.按照权利要求1或2所述带有中间排液的管壳式实验换热器，其特征是所述左、右两端封头内第二层隔板上各开有5个直径为0.5～3mm不等的漏液孔。

4.按照权利要求1或2所述带有中间排液的管壳式实验换热器，其特征是所述换热管束为铜管，每根管长400mm。