CN107614997B - 冷凝器-蒸发器管 - Google Patents

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Abstract

一种冷凝器‑蒸发器管，待冷凝的蒸汽在其内部流动且待蒸发的液体在其外部流动，其中，该管的内侧表面和外侧表面均被毛细结构覆盖，该毛细结构配置为用于形成具有小于90°的接触角的弯液面，其中液体/蒸汽界面弯曲，其允许管内的毛细冷凝和在液体弯液面的上端(25)发生管外侧表面上的蒸发，在该上端处液体最薄层且蒸发效率最高。

Description

冷凝器-蒸发器管
技术领域
本发明涉及一种在其内侧表面上作为冷凝器且在其外侧表面上作为蒸发器的管，对于每表面单位和所述表面之间的摄氏温度差来说具有高热量传递能力，可用于壳管装置或其他蒸馏装置。
背景技术
要解决的技术问题是，在其内侧表面上作为冷凝器且其外侧表面上作为蒸发器的管(例如管壳式热交换器的水平管)对于每平方米管表面和在管内侧流过的蒸汽与在管外侧表面蒸发的液态流体之间的摄氏温度差来说具有低的热传递系数。
在用于海水脱盐的壳管交换器(如用于多效蒸馏器(MultiEffect Distillators，MED)的特定情况下，这些装置的水平管的热传递系数低于3500瓦特每平方米·摄氏温度差(管的两个表面之间)。
经过现有的冷凝器-蒸发器管壁所传递的能量的这种限制制约了在给定温度下可以用能量源(例如来自热电厂的蒸汽和诸如海水这样的较低温度的散热器)实现的冷凝-蒸发循环的次数，在蒸馏装置中需要更大的交换管表面，并限制了可由每个蒸馏装置管理的总能量。
发明内容
本发明试图通过如权利要求中所限定的冷凝器-蒸发器管解决一个或多个上述问题。
在冷凝器-蒸发器管中，待冷凝的气相物质在冷凝器-蒸发器管中流动，待蒸发的液相在所述管的外侧流动。内侧表面由内部毛细表面覆盖，内部毛细表面被设计成使得液体/蒸汽界面能由于凹形弯液面(具有小于90度的接触角)而弯曲，因为这允许在低于蒸汽压力的压力下进行毛细冷凝，并且冷凝的液体(毛细冷凝产物)被收集在冷凝器-蒸发器管内侧的下部中的排出通道中。
冷凝器-蒸发器管包括在冷凝器-蒸发器管的外侧上部的供给通道，其适于将液态流体供给到覆盖管的其余外侧表面的毛细结构，设计成使得液体/蒸汽界面由于形成凹形弯液面(具有小于90°的接触角)而弯曲，使得在构成液体弯液面表面的弯曲界面的末端处，液体呈现尽可能小的厚度，允许以远低于较厚液膜的热阻实现最有效的蒸发。
冷凝器-蒸发器管具有用于在其外侧表面上部部分的用于供给待蒸发的水的通道和用于在其冷凝器表面内除水的通道，两个通道可通过适于形成冷凝器-蒸发器管的片状件或外壁机械联接。
此外，供水通道可以通过支撑结构机械联接到除水通道，所述支撑结构允许使用比没有支撑结构的管壁更薄的冷凝器-蒸发器管的壁。这些更薄的壁允许在内侧表面上的毛细冷凝点与位于管外侧表面上的蒸发器上的水的弯液面之间存在短路径。
冷凝器-蒸发器管的外部毛细结构被成形为具有预定宽度和深度的微凹部、微槽或微波纹结构。
冷凝器-蒸发器管的外部和内部毛细结构在相反的雉堞形轮廓上形成具有矩形横截面的毛细通道；使得蒸发侧的外侧的弯液面通过冷凝器-蒸发器管的外部片状件的厚度与冷凝侧的内侧的连续弯液面分离。
冷凝器-蒸发器管的外部和内部毛细结构在相反的雉堞形轮廓上形成三角形锯齿状毛细通道；使得蒸发侧的外侧的弯液面通过冷凝器-蒸发器管的外部片状件的厚度与冷凝侧的内侧的连续弯液面分离。
冷凝器-蒸发器管可被烧结金属层、网状物或其它多孔结构覆盖，以覆盖冷凝器-蒸发器管的内侧表面，使得在该多孔结构中的有限空间中形成毛细冷凝。
冷凝器-蒸发器管可以机械地联接到脉冲装置，以便产生供给到冷凝器-蒸发器管顶部上的供给通道的液体脉冲，从而在冷凝器-蒸发器管的外侧表面上产生液态流体的周期性溢出。
冷凝器-蒸发器管束被机械地连接以形成蒸馏装置。
对于管的表面单位和在其内侧表面和外侧表面之间的摄氏温度差来说，冷凝器-蒸发器管显示出高的热量传递能力。
附图说明
在以下结合附图的描述中的对本发明更详细的说明：
图1是具有覆盖了内侧表面的烧结金属层和用于冷凝液体的排出通道的冷凝器-蒸发器管的横截面图，所述内侧表面作为冷凝器；
图2是冷凝器-蒸发器管的横截面图，其具有用于在管外侧表面上的毛细结构内流动的液态流体的供给通道和用于冷凝器-蒸发器管内的冷凝液体的排出通道。还示出了具有垂直于冷凝器-蒸发器管的轴线设置的一系列微槽、微波纹结构或微凹部冷凝器-蒸发器管的外壁；
图3是具有圆形和椭圆形壁的替代冷凝器-蒸发器管的横截面图；
图4是替代冷凝器-蒸发器管的横截面图。还示出了冷凝器-蒸发器管壁的外表面，其相对于管轴线具有一系列螺旋形或倾斜微槽、微凹部或微波纹。
图5是两个叠置的冷凝器-蒸发器管的横截面图，使得待蒸发的液体从供给通道流过覆盖上方冷凝器-蒸发器管的外侧表面的毛细结构，直到将多余的供应液体排出到下方冷凝器-蒸发器管的供给通道；
图6是冷凝器-蒸发器管壁的纵向横截面图，其在内侧表面和外侧表面上均具有形成规则锯齿形轮廓的微槽，使得与外侧表面上的蒸发液体相对应的弯液面位于与在冷凝器-蒸发器管的内侧表面上由冷凝液形成的弯液面相距非常短的热距离的位置处；
图7是冷凝器-蒸发器管壁的纵向横截面图，其在内侧表面和外侧表面上均具有形成U形或雉堞形轮廓的微槽，使得与外侧表面上的蒸发液体相对应的弯液面位于与在冷凝器-蒸发器管的内侧表面上由冷凝液形成的弯液面相距非常短的热距离的位置处；
图8是冷凝器-蒸发器管壁的纵向横截面图，其在内侧表面和外侧表面上均具有形成U形或雉堞形轮廓的微槽，使得在冷凝器-蒸发器壁的两侧形成凹形弯液面，使得与外侧表面上的蒸发流体液体相对应的弯液面位于与在冷凝器-蒸发器管内侧表面上由烧结层或其它多孔结构内的冷凝液形成的弯液面形成非常短的热距离的位置处；
图9是现有技术的管壳蒸馏器的管束的横截面图，其中待蒸发的液态流体在冷凝器-蒸发器管的厚壁外侧流动，落入下方冷凝器-蒸发器管上的水膜中；
图10是管壳装置中的冷凝器-蒸发器管束的横截面图，其中待蒸发的液体在冷凝器-蒸发器管的薄壁外侧上流动，直到流过排出通道的外侧并顺序排放到下一个冷凝器-蒸发器管的蒸发供给通道内；
图11是两个替代冷凝器-蒸发器管的横截面图，具有被置于冷凝器-蒸发器管中的供给通道和排出通道之间的内侧支撑板，并且具有在冷凝器-蒸发器管的外侧连接供给和排出通道的片状件或封闭壁，且所述片状件或封闭壁可比常规管壁更薄，因为它们不需要承受结构力；
图12是冷凝器-蒸发器管的横截面图，具有由冷凝器-蒸发器管外部的板机械连接的供给通道和排出通道形成的支撑结构，并且具有不需要承受管的结构力的片状件或封闭壁；
图13是具有翅片的换热管壁的横截面图，当用作冷凝器-蒸发器管时，在蒸发面的外侧上形成的弯液面位于与内侧冷凝面上的弯液面相距较长热路径的位置处；
图14是具有液态流体的凹形弯液面的微槽的内部的横截面图，其具有小于90°的接触角和液体厚度在50nm和10微米之间的弯液面区域，这是发生最有效蒸发的区域；及
图15是管壳式蒸馏器装置的冷凝器-蒸发器管束的横截面图，其对应于图10所示的具有对管束进行支撑的结构的冷凝器-蒸发器管。
具体实施方式
图1至图4示出了用于蒸发和冷凝水溶液或其它液体的冷凝器-蒸发器管，其中弯液面(meniscus)的接触角小于90°，在其内侧表面用作冷凝器且在其外侧表面用作蒸发器；其中内侧表面被毛细结构覆盖，在其毛细空间中液态流体弯液面形成有弯曲的液体-蒸汽界面，并且其中流体的蒸汽可以在低于蒸汽压力的压力下冷凝，且冷凝的液体通过排出通道2排放；并且外侧表面被毛细结构覆盖，其中待蒸发的液体形成有弯曲的液体-蒸汽界面的弯液面，并且蒸发发生在液体弯液面的上端25，见图14，在该处存在最薄的液体层且发生最有效的蒸发。
根据图11，管可以具有用于结构支撑的内板14和外板23，使得具有热活性的壁22可以比那些需要支撑结构载荷的管的壁更薄，并且这些壁22可以采用不同的设计，其减小蒸发侧上的微凹槽内的液体弯液面与冷凝侧上的毛细冷凝区域之间的热路径。
本发明的冷凝器-蒸发器管可以用于新的和特别设计的蒸馏器装置中，并且还可以用于替代现有蒸馏器装置的管，以作为管壳式蒸馏系统的水平管(其目前按照水薄膜范式(water thin film paradigm)工作)，并且这种替代允许保留大压力容器和围绕这些设备的所有基础设施，同时使得经改进的设备的热效率倍增。
冷凝器-蒸发器管包括覆盖其内侧冷凝面的毛细结构，其中形成具有接触角小于90°且受限于所述毛细结构中的液体弯液面，并且液体-蒸汽界面是弯曲的。
冷凝侧的液体-蒸汽界面的曲率意味着水或其他液体蒸汽在低于其蒸汽压力的压力下在毛细结构内冷凝，这是一种遵守开尔文定律并有利于蒸汽流体的冷凝的已知现象。
为了避免冷凝器-蒸发器管中的冷凝液体的积聚并防止毛细结构的溢流阻塞其毛细冷凝能力，冷凝器-蒸发器包括置于冷凝器-蒸发器管底部的排出通道2，用于清空来自毛细冷凝区的液体，从而抑制可能堵塞毛细凝结的积水的形成。
排出通道2可以被省略，从而舍弃了用于液体储存和排出的管的下部，但是排出通道2的增加防止管中的冷凝液体的环形流动或其他类型的溢流(冷凝液体的环形流动或其他类型的溢流可能覆盖毛细结构的内壁)，从而提高了管的内部表面作为冷凝器的能力，并提高了整个装置的热性能。
冷凝器-蒸发器管还包括覆盖冷凝器-蒸发器管的外侧表面的毛细结构，其中形成待蒸发的盐水或其它液体的弯液面，形成小于90°的接触角24并形成弯曲的液体-蒸汽界面。
液体弯液面的上部呈现狭窄区域25，如图14所示，在该处水呈现最低的膜厚度，且在该处由于在毛细结构的金属壁和覆盖弯液面的外部的弯曲液体-蒸汽界面之间存在非常薄的水膜等因素，液体蒸发得到很大助益。
为了将液体分布在覆盖管壁外侧的毛细结构内，冷凝器-蒸发器管包括供给通道4，如图1至图5所示。
当待蒸发的液体含有可能形成残留物的有机物质或当其是有利于形成固体残余物的溶液(如海水)时，为了避免在被覆盖的毛细结构内形成固体和有机残留物(例如会被堵塞并且很难清洗的烧结结构)，冷凝器-蒸发器管的外侧表面上的毛细结构由微槽(micro-groove)形成，其具有的宽度和深度小于0.8mm，呈现相对于冷凝器-蒸发器管的轴线垂直的形式3、倾斜或螺旋的形式8，并且微槽延伸到供给通道4的底部，通过毛细张力使得水进入微槽并在微槽内流动，如图2和4所示。供给通道4内的液体可以是通过周期性脉冲供给的，这种脉冲由机械联接到冷凝器-蒸发器管的脉冲机构产生，使得供给通道4内的液体周期性地溢出，以在冷凝器-蒸发器管的外侧表面上形成液膜，以实现两个目的：将可能在管的外侧表面上形成的聚积残余物拖出并将管的所有外侧表面湿润，以防止在蒸发器的毛细结构内形成干燥区域。
这种溢流的频率由干燥区域的形成频率和随后的固体残留物的形成频率给定，其中脉冲频率主要取决于确定微槽内液体的流速的毛细结构的设计和装置的能量通量(energy flux)。这意味着脉冲节律由蒸馏装置的设计确定。根据图6到图8，冷凝器-蒸发器管的壁可以采用例如雉堞状、锯齿状等不同的轮廓，以便在冷凝器-蒸发器管的壁的两侧上形成交替的槽，其中覆盖弯液面9、10、16和17的上部的液体-蒸汽界面是弯曲的，使得蒸发点和冷凝点之间的热路径11、15短并且对应于冷凝器-蒸发器管的壁的厚度。
如果热路径11、15被用作冷凝器-蒸发器管，则热路径11、15会比在具有微型翅片或其他表面延伸部的热交换管中的热路径21更短，如图13所示。当管的功能是成为有效的冷凝器-蒸发器时，需要这样的热交换器，其需要使接触表面最大化，而不是优先通过形成液体弯液面的毛细结构来使得液体-蒸汽界面弯曲。
根据图10至图12，冷凝器-蒸发器管包括将供给通道12机械地连接到排出通道13的内板14或外板23以及片状件或外壁22。内板14或外板23是对如此设计的冷凝器-蒸发器管的结构力进行支撑的内部或外部结构，使得外壁22具有缩减的厚度，因为其没有机械支撑作用。因此，热活性管22的壁的厚度比现有的在1mm至0.7mm之间波动的现有技术的铝合金水平管的厚度小，因此具有较低的热阻。
因此，我们获得一种冷凝器-蒸发器管，其具有毛细结构，该毛细结构覆盖其内壁(允许形成液体-蒸汽界面的曲率)，且冷凝是通过排出通道2适当排出的毛细管冷凝；并且在其外侧表面上具有毛细结构，其中液体形成有以弯曲的液体-蒸汽界面界定的接触角小于90°的弯液面，其中蒸发发生在液膜呈现其最低厚度的区域25中。冷凝器-蒸发器管壁具有这样的设计，即，将蒸发面上的液体弯液面16的上部被置于冷凝面(在该处发生毛细冷凝)上的冷凝液体的弯液面17的上部的前面，使得在蒸发点和冷凝点之间的热路径15由于热活性壁22厚度的缩减而缩减，所述热活性壁位于承载冷凝器-蒸发器管的结构力的内部或外部支撑结构14、23上。
用铝、铜或其它低热阻金属合金制造的冷凝器-蒸发器管平均超过20000瓦每平方米·摄氏温度差(在冷凝器-蒸发器管的两个面之间)，并且可能达到6000瓦每平方米·摄氏温度差甚至更高的热传递系数。
在比水弯液面或其他液体弯液面的端部25处形成的薄层更厚的水或其它液体层是减少能量传递从而阻碍流体的相变的层的情况下，冷凝器-蒸发器管的外侧表面上的液体供给必须有序地实现(没有飞溅或不受控制的溢流)。如图5所示，为了满足这个要求，冷凝器-蒸发器管可以成排地放置，使得在冷凝器-蒸发器管的排出通道2、13的外侧表面上流过的液体落入下面的冷凝器-蒸发器管的供给通道4、12。
如图1所示，并在图8中更详细地示出，冷凝器-蒸发器管的内侧表面可衬有烧结层、网状物或芯(wick)18，使得毛细冷凝发生在该结构内的有限空间内，与蒸发侧16上液体的液体弯液面保持短的热路径15。
体积和交换表面之间的最佳比例是用圆形结构实现的，因此管的截面可是圆形形状5或椭圆形形状、或者是窄长形状6或者是扁平形状7。
用本发明中描述的管束来代替多效蒸馏装置MED的管束可以使这些MED设备的热传递系数倍增，从而获得更好的性能。
用本发明中描述的冷凝器-蒸发器管代替这些脱盐设施的现有水平管允许使用现有多效淡化设备的许多其它部件，并且同时允许将针对每单位表面·摄氏温度差传递的瓦特量倍增，使得设施的海水淡化能力倍增，每次执行所需的温差减少并由此增加了执行次数，降低了每单位蒸馏水的能量成本、或增加了每次执行中淡化水的体积、或者这些可能结果的任意组合。
如图9所示，用MED设备的现有技术的水平管束，将水膜19倒在外侧充当蒸发器并且内侧充当冷凝器的管上。如图10所示，本发明的冷凝器-蒸发器管束可以代替MED设备的现有技术的管束。图10示出了如何将冷凝器-蒸发器管的过量盐水灌注到下一个冷凝器-蒸发器管的供给通道4中，其将盐水提供到覆盖下一个冷凝器-蒸发器管的外表面的毛细微孔槽内。这种冷凝器-蒸发器管束由承载冷凝器-蒸发器管的结构23支撑。

Claims (14)

1.一种冷凝器-蒸发器管，待冷凝的蒸汽在其内部流动且待蒸发的液体在其外部流动，其特征在于，该管的内侧表面和外侧表面均被毛细结构覆盖，该毛细结构被设置为用于形成具有小于90°的接触角的液体弯液面，在该处液体-蒸汽界面弯曲，其允许管内的毛细冷凝和在液体弯液面的上端(25)处的外侧表面上蒸发，在该处液体层最薄且蒸发效率最高。
2.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其特征在于，其包括将待蒸发的液体供应到所述管的外侧表面上的供给通道(4)、(12)，其中所述外侧表面的毛细结构穿透所述管的外侧表面，以便有序地引导毛细结构内的液体。
3.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其特征在于，其包括位于该管的下方内部部分中的排出通道(2)、(13)，且在毛细结构中冷凝的液体通过该排出通道排出。
4.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其中，其包括供给通道(4)、(12)和排出通道(2)、(13)，该供给通道将待蒸发的液体供应到所述管的外侧表面上，其中所述外侧表面的毛细结构穿透所述管的外侧表面，以便有序地引导毛细结构内的液体，且该排出通道位于该管的下方内部部分中，且在毛细结构中冷凝的液体通过该排出通道排出；所述供给通道(4)、(12)通过适于机械地支撑所述冷凝器-蒸发器管的外板(23)而被机械地联接到排出通道(2)、(13)。
5.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其中，其包括供给通道(4)、(12)和排出通道(2)、(13)，该供给通道将待蒸发的液体供应到所述管的外侧表面上，其中所述外侧表面的毛细结构穿透所述管的外侧表面，以便有序地引导毛细结构内的液体，且该排出通道位于该管的下方内部部分中，且在毛细结构中冷凝的液体通过该排出通道排出；所述供给通道(4)、(12)通过适于机械地支撑所述冷凝器-蒸发器管的内板(14)而被机械地联接到排出通道(2)、(13)。
6.根据权利要求4所述的冷凝器-蒸发器管，其特征在于，内部作为冷凝器且外部作为蒸发器的壁(22)由厚度小于0.7mm的低热阻薄金属层制成。
7.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其特征在于，所述外侧表面上的毛细结构呈具有的预定深度和宽度小于0.8mm的微槽或微小波状结构。
8.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其中，冷凝器-蒸发器管的内侧和外侧毛细结构形成具有雉堞形轮廓的矩形横截面的相反的毛细通道，且蒸发弯液面(16)通过对应于片状件厚度的热路径(15)与邻近的冷凝弯液面(17)分离，所述片状件构成冷凝器蒸发器管的壁。
9.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其中，冷凝器-蒸发器管的内侧和外侧毛细结构形成具有锯齿形轮廓的三角形横截面的相反的毛细通道，且蒸发弯液面(10)通过对应于片状件厚度的热路径(11)与邻近的冷凝弯液面(9)分离，所述片状件构成冷凝器蒸发器管的壁。
10.根据权利要求8或9所述的冷凝器-蒸发器管，其中，冷凝器-蒸发器管的内侧表面衬有烧结层、网状物或其他多孔结构，使得毛细冷凝发生在这种多孔结构中的有限空间内。
11.根据权利要求6所述的冷凝器-蒸发器管，其中，通过冲压薄金属片状件来制造壁(22)。
12.根据权利要求4所述的冷凝器-蒸发器管，其中，脉冲机构被机械地联接到冷凝器-蒸发器管，以便提供用于供给到供给通道(4)、(12)的液态脉冲，产生在冷凝器-蒸发器管的外侧表面上流动的液态流体的周期性溢流。
13.根据权利要求1所述的冷凝器-蒸发器管，其中，蒸发器-冷凝器管束被机械地联接，以形成蒸馏装置。
14.根据权利要求5所述的冷凝器-蒸发器管，其特征在于，内部作为冷凝器且外部作为蒸发器的壁(22)由厚度小于0.7mm的低热阻薄金属层制成。
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