CN106767088A - 一种设置多个两相流稳定装置的换热器系统及其管道 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设置多个两相流稳定装置的换热器系统及其管道，在管道内设置两相流稳定装置，所述两相流稳定装置包括芯体，所述芯体能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。本发明通过设置多个稳定装置，并且将稳定装置设定为连续或者间隔的布置，能够多阶段多步骤的分离成液相和气相，能够进一步强化传热，具有减振降噪的效果。

Description

一种设置多个两相流稳定装置的换热器系统及其管道

技术领域

本发明涉及一种换热器装置，具体涉及一种布置多个两相流稳定装置的换热器系统及其管道两相流动稳定装置。

背景技术

两相流动及不稳定现象广泛地存在于换热装置、科研实验装置和工业生产设备中，例如流体进入换热设备会产生空间扩大导致的水锤现象，同是因为大量的产生，还会恶化换热。当两相工质的汽液相没有均匀混合且不连续流动时，大尺寸的液团会高速地占据汽团空间，导致两相流动不稳定，从而剧烈地冲击设备与管道，产生强烈震动和噪声，严重地威胁设备运行安全。已有的水锤消除或缓解装置大多是面向强迫循环回路，解决单相水锤问题，集中在防水锤止回阀工业领域，如“一种叶轮式防水锤静音止回阀”(专利号：ZL200910214544.7)，设置了整流罩、导流体和弹簧等复杂结构，可不考虑流阻因素，解决了止回阀关闭时产生的单相水锤现象。

目前的现有技术中仅仅设置一个两相流稳定装置，没有设置多个两相流稳定装置，也没有规划和布置多个两相流稳定装置位置关系。

针对上述问题，本发明提供了一种新的换热器系统及其管道，从而解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一套新的换热装置以及两相流动稳定装置，在管道内存在两相流动时，减弱管道的振动，降低噪声水平，同时提高热交换能力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种两相流换热器系统，所述系统包括换热器以及和换热器连接的两相流管道，所述换热器包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述至少一个封头上设置两相流流体入口管，所述管道连接换热器入口管，在管道内设置两相流稳定装置，所述两相流稳定装置包括芯体，所述芯体能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。

作为优选，对于设置阀门的管道，只能采用间隔式布置。

一种设置两相流稳定装置的管道，所述两相流稳定装置设置在管道内，所述两相流稳定装置包括芯体，所述芯体能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。

作为优选，所述多个两相流稳定装置采取间隔式的布置方式。

作为优选，沿着流体的流动方向，X_i<X_i+1，其中X_i是第i个间隔的距离，X_i+1第i+1个间隔的距离；

沿着两相流的流动方向，L_i>L_i+1，其中L_i是第i个芯体的长度，L_i+1第i+1个芯体的长度。

作为优选，沿着流体的流动方向，(X_i+1-X_i)>(X_i+2-X_i+1)，X_i+2第i+2个间隔的距离；

(L_i-L_i+1)>(L_i+1-L_i+2)，L_i+2第i+2个芯体的长度。

作为优选，所述两相流稳定装置包括多孔介质芯体，所述多孔介质芯体是由若干数量的棒状物相连结而成，棒状物在X、Y、Z三维方向交叉焊接，形成了孔洞互通的多孔介质结构。

作为优选，所述的孔洞是正方形。

作为优选，小流道的截面积满足下列关系：

A_i,上≤A_i,下 (2)

式中，Ai为第i个小流道的流通面积,单位为mm²；N为小流道数量；η_A为面积比，根据管道尺寸和流动情况，通过优选实验获得，见经验公式3，η_A<1；A₀为管道的流通面积,单位为mm²。其中，式(1)的数学意义是全部管子的截面积总和大于或等于管道截面的η_A倍；式(2)是上层管子的截面积小于或等于下层管子的截面积。

作为优选，在间隔式布置方式中，芯体结构的长度、间隔的距离满足下列关系：

L_i≥L_i,0 (4)

X_i≤X_i,0 (5)

式中，L_i为第i个芯体的长度,单位为mm；L_i,0为第i个芯体的最小允许长度,单位为mm，通过实验获取，见经验公式7；N为芯体的数量；X_i为第i个间隔的距离,单位为mm；X_i，0为第i个间隔的允许最大距离,单位为mm，通过实验获取，见经验公式8；M为间隔的数量；η_L为长度比，根据管道尺寸和流动情况，通过优选实验获得，见经验公式9，η_L≤1，其中，式(5)的数学意义是全部芯体的长度总和大于的管道长度的η_L倍。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)本发明通过在换热器的管道上设置多个两相流稳定装置，而且将其设置为连续模式或者间隔模式，能够多阶段多步骤的分离成液相和气相，能够进一步强化传热，具有减振降噪的效果。

2)通过设置间隔布置的方式，能够进一步节约材料，节约成本，降低流动阻力，达到基本相同的换热效果。

3)具有减振降噪功能的非能动两相流动稳定装置能够在不依赖外部动力或电源的情况下，将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。

4)将本发明设置在两相流换热器的入口管中，可以将将气相分割成小气泡，避免气相的增加，促使气相顺畅流动，保证进入换热器的换热管内的气相均匀，能够使得换热均匀，避免局部温度过高或者过低，从而提高换热效果。

5)芯体结构是非能动两相流动稳定装置的核心部件，能够将管道单一大流道分隔成若干数量的小流道。其中，小流道的截面积满足前面的公式(1)、(2)、(4)，满足上述关系，有利于保证将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡的效果。

6)多孔介质芯体由若干数量的棒状物相连结而成，形成了孔洞互通的饱和多孔介质结构，综合其它芯体的优势，如抗冲击性能较好，面积比较大、具有孔洞互通的结构，有利于进一步稳定两相流动。

7)在间隔式布置方式中，芯体结构的长度、间隔的距离满足公式(4)、(5)、(6)，有利于防止分割后的小气泡和小液团重新聚合，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，提高稳定流量的作用效果。

8)对于对夹式芯体固定方式，不影响管道外部环境和接口，具有拆装简易的特点，既能适用于新建装置，又能适用于装置改造。

附图说明

图1是本发明的两相流换热器的结构示意图；

图2是本发明的两相流稳定装置的结构示意图；

图3本发明两相流稳定装置间断式布置方式示意图；

图4是本发明两相流稳定装置的连续性布置结构示意图；

图5是本发明两相流稳定装置安装方式示意图。

附图标记如下：芯体1，管道2，同心管3，孔洞4，壳体5，封头6、7，入口管8，出口管9，换热管10

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

没有特殊说明，本申请中的参数的长度单位为mm，面积单位为mm²。

一种设置两相流稳定装置的管道，所述两相流稳定装置设置在管道2内，所述两相流稳定装置包括芯体1，所述芯体1能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。例如如图3、图4所示。

将两相流稳定装置设置在管道2中，可以将将气相分割成小气泡，避免气相的增加，促使气相顺畅流动。

本发明通过在换热器的管道上设置多个两相流稳定装置，而且将其设置为连续模式或者间隔模式，能够多阶段多步骤的分离成液相和气相，能够进一步强化传热，具有减振降噪的效果。

作为优选，对于没有阀门等运动部件的管道，既可采用连续式布置也可间隔式布置；对于存在阀门等运动部件的管道，只可采用间隔式布置。

作为优选，所述多个两相流稳定装置采取间隔式的布置方式。

通过设置间隔布置的方式，能够进一步节约材料，节约成本，降低流动阻力，达到基本相同的换热效果。

作为优选，本发明提供了一种两相流管壳式换热器系统，所述换热器系统包括换热器和连接换热器管道。如图1所示，所述换热器包括壳体5，所述壳体两端分别设置封头6、7，所述其中一个封头上设置两相流流体入口管8，在流体入口管8连接管道2，所述管道2内设置多个两相流稳定装置。所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。例如如图3、图4所示。

将两相流稳定装置设置在两相流换热器的管道2中，可以将将气相分割成小气泡，避免气相的增加，促使气相顺畅流动，保证进入换热器的换热管内的气相均匀，能够使得换热均匀，避免局部温度过高或者过低，从而提高换热效果。

本发明通过在换热器的管道上设置多个两相流稳定装置，而且将其设置为连续模式或者间隔模式，能够多阶段多步骤的分离成液相和气相，能够进一步强化传热，具有减振降噪的效果。

作为优选，沿着流体的流动方向，X_i<X_i+1，其中X_i是第i个间隔的距离，X_i+1第i+1个间隔的距离；

沿着两相流的流动方向，L_i>L_i+1，其中L_i是第i个芯体的长度，L_i+1第i+1个芯体的长度。

进一步优选，沿着流体的流动方向，(X_i+1-X_i)>(X_i+2-X_i+1)，

(L_i-L_i+1)>(L_i+1-L_i+2)。

上述的优化是通过大量的实验得到的，通过实验发现，通过设置芯体的长度以及芯体间隔的距离的优化设置，可以节省材料，降低10％以上的成本，而且能够达到基本相同的效果。

进一步优选，(X_i+1-X_i)是(X_i+2-X_i+1)的1.05-1.15倍，进一步优选为1.07-1.09倍。

(L_i-L_i+1)>(L_i+1-L_i+2)1.06-1.14倍，进一步优选为1.08-1.10倍。

上述的优化数据是通过大量实验获得的。通过上述的进一步优选的设置，能够进一步降低成本，提高两相流分离效果。

图2展示了一种设置在两相流管道2内的套筒式两相流稳定装置，包括多孔介质芯体1，所述多孔介质芯体1是由若干数量的棒状物3相连结而成，棒状物3在X、Y、Z三维方向交叉连接，形成了孔洞4互通的多孔介质结构。

上述的两相流动稳定装置能够在不依赖外部动力或电源的情况下，将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。

多孔介质芯体由若干数量的棒状物相连结而成，形成了孔洞互通的饱和多孔介质结构，所有的空洞都互相连通，综合其它芯体的优势，如抗冲击性能较好，面积比较大、具有孔洞互通的结构，流通阻力小，有利于进一步稳定两相流动。

通过多个孔洞互相连通，可以保证相邻的流道互相连通，能够均匀流道之间的压力，使得高压流道的流体流向低压，同时也可以在流体流动的同时进一步分隔液相和气相，有利于进一步稳定两相流动。

作为优选，多孔介质结构是一体成型。

作为优选，棒装物3互相焊接形成多孔介质结构。

作为优选，所述孔洞4是正方形。

作为优选，所述棒状物的横截面为圆形或者方形，进一步优选为正方形。

作为优选，X、Y方向设置在管道横截面上，Z方向沿着管道的轴线的方向，则沿着流体流动方向上，与X和Y方向平行的棒状物之间的距离越来越大。即图2所示，沿着管道2轴线的方向上，与管道轴线垂直的棒装物之间的间隔越来越大。

通过实验发现，通过相邻的棒装物3之间的距离越来越大，一方面能够降低流动阻力，节约材料，同时基本上能够达到同样效果的稳定流量、减振降噪的效果。相对于正常的设置，能够节约成本10％左右，降低15－20％左右的流动阻力。

作为优选，则沿着流体流动方向上，与X和Y方向平行的棒状物之间的距离越来越大的幅度不断的增加。

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低大约5％左右的流动阻力，效果基本上保持不变。

作为优选，小流道的截面积满足下列关系：

A_i,上≤A_i,下 (2)

式中，Ai为第i个小流道的流通面积,单位为mm²；N为小流道数量；η_A为面积比，根据管道尺寸和流动情况，通过优选实验获得，见经验公式3，η_A<1；A₀为管道的流通面积。其中，式(1)的数学意义是全部管子的截面积总和大于或等于管道截面的η_A倍；式(2)是上层管子的截面积小于或等于下层管子的截面积。

上述公式是通过大量的实验的结果，并经过大量的计算获得的最优的结果，满足上述关系，能够在最优程度上保证将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡的效果。

进一步优选，本发明公开了一种两相流管道，所述管道内设置前面所述的稳定装置，所述稳定装置在管道内采取间隔的布置方式，在间隔式布置方式中，芯体结构的长度、间隔的距离满足下列关系：

L_i≥L_i,0 (4)

X_i≤X_i,0 (5)

式中，L_i为第i个芯体的长度,单位为mm；L_i,0为第i个芯体的最小允许长度,单位为mm，通过实验获取，见经验公式7；N为芯体的数量；X_i为第i个间隔的距离,单位为mm；X_i，0为第i个间隔的允许最大距离,单位为mm，通过实验获取，见经验公式8；M为间隔的数量；η_L为长度比，根据管道尺寸和流动情况，通过优选实验获得，见经验公式9，η_L≤1，其中，式(6)的数学意义是全部芯体的长度总和大于的管道长度的η_L倍。

上述公式是通过大量的实验的结果，并经过大量的计算获得的最优的结果，满足上述关系，能够在最优程度上防止分割后的小气泡和小液团重新聚合，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，提高稳定流量的作用效果。

作为优选，沿着两相流的流动方向，X_i<X_i+1，其中X_i是第i个间隔的距离，X_i+1第i+1个间隔的距离。

作为优选，沿着两相流的流动方向，L_i>L_i+1，其中L_i是第i个芯体的长度，L_i+1第i+1个芯体的长度。

通过实验发现，通过设置芯体的长度以及芯体间隔的距离的优化设置，可以节省材料，降低成本，而且能够达到基本相同的效果。

本发明和公开了一种两相流稳定装置的安装方式，如图5所示，为对夹式的芯体固定方式，先将芯体结构(通常长度较小)放置在两段管道之间，再将芯体结构对夹在两段管道之间进行固定(如螺栓紧固)。

图5中，1a是芯体包层，构成压力边界，实现高温高压密封功能。

进一步优选，所述的两相流管壳式换热器，在流体入口管上设置入口管法兰，所述入口管法兰和管道法兰连接，在入口管法兰和管道法兰之间对夹前面所述的套筒式两相流稳定装置。

对于对夹式芯体固定方式，不影响管道外部环境和接口，具有拆装简易的特点，既能适用于新建装置，又能适用于装置改造。

作为优选，所述管道2可以是独立的部件，例如对于图5中的安装方式需要设置独立的管道，也可以直接是流体管道，例如直接设置在连接换热器的管道内。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种两相流换热器系统，所述系统包括换热器以及和换热器连接的两相流管道，所述换热器包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述至少一个封头上设置两相流流体入口管，所述管道连接换热器入口管，其特征在于，在管道内设置两相流稳定装置，所述两相流稳定装置包括芯体，所述芯体能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对于设置阀门的管道，只能采用间隔式布置。

3.一种设置两相流稳定装置的管道，所述两相流稳定装置设置在管道内，所述两相流稳定装置包括芯体，所述芯体能够将管道内的两相流流道分隔成若干数量的小流道，所述两相流稳定装置为多个，多个两相流稳定装置采取连续式布置方式或者间隔式的布置方式。

4.如权利要求3所述的管道，其特征在于，所述多个两相流稳定装置采取间隔式的布置方式。

5.如权利要求4所述的管道，其特征在于，沿着流体的流动方向，X_i<X_i+1，其中X_i是第i个间隔的距离，X_i+1第i+1个间隔的距离；

沿着两相流的流动方向，L_i>L_i+1，其中L_i是第i个芯体的长度，L_i+1第i+1个芯体的长度。

6.如权利要求5所述的管道，其特征在于，沿着流体的流动方向，(X_i+1-X_i)>(X_i+2-X_i+1)，(L_i-L_i+1)>(L_i+1-L_i+2)。

7.如权利要求3所述的管道，其特征在于，所述两相流稳定装置包括多孔介质芯体，所述多孔介质芯体是由若干数量的棒状物相连结而成，棒状物在X、Y、Z三维方向交叉焊接，形成了孔洞互通的多孔介质结构。

8.如权利要求7所述的管道，所述的孔洞是正方形。

9.如权利要求7所述的管道，其特征在于，小流道的截面积满足下列关系：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}Ai\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_A{A}_0---\left(1\right)$

A_i,上≤A_i,下 (2)

式中，Ai为第i个小流道的流通面积,单位为mm²；N为小流道数量；η_A为面积比，

${\mathrm{\&eta;}}_A=0.35e^{\frac{-A_0}{{10}^6}}---\left(3\right)$

η_A<1；A₀为管道的流通面积,单位为mm²。

10.如权利要求7所述的管道，在间隔式布置方式中，芯体结构的长度、间隔的距离满足下列关系：

L_i≥L_i,0 (4)

X_i≤X_i,0 (5)

$\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{L}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{L}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{X}_i}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_L---\left(6\right)$

式中，L_i为第i个芯体的长度,单位为mm；L_i,0为第i个芯体的最小允许长度,单位为mm，

$L_{i,0}=0.4A_i^{0.5}{e}^{\frac{-A_0^{0.5}}{{10}^3}}---\left(7\right)$

N为芯体的数量；X_i为第i个间隔的距离,单位为mm；X_i，0为第i个间隔的允许最大距离,单位为mm，

$X_{i,0}=0.15A_i^{0.5}{e}^{\frac{-A_0^{0.5}}{{10}^3}}---\left(8\right)$

η_L为长度比，

${\mathrm{\&eta;}}_L=0.25e^{\frac{-1}{{10}^3}\&lsqb;\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{L}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{X}_i\&rsqb;}---\left(9\right)$

其中，η_L≤1。