CN108731494A - 一种冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明属于换热设备技术领域，更具体地，涉及一种冷凝器。包括冷凝器外壳、冷凝管、旋涡抑制导热管以及设有多个通孔的防护板；若干不同管径的冷凝管呈多行平行排列于冷凝器外壳内，冷凝管的管径自冷凝器外壳的中部分别向进水口方向和出水口方向逐渐增大；在冷凝器外壳侧壁的一侧设有进水口，进水口的对立侧设有出水口，进水口与出水口的连线与冷凝管垂直；所述的防护板设于进水口处；与冷凝管对应设有旋涡抑制导热管，旋涡抑制导热管设于冷凝管面向出水口的一侧。本发明能够改善冷凝器声学性能，减小管束的振动同时在结构上提高冷凝管束的使用寿命。

Description

一种冷凝器

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，更具体地，涉及一种冷凝器。

背景技术

冷凝器是动力装置中的一个重要的换热设备，冷凝管是冷凝器的主要部件。高温高压蒸汽在汽轮机中膨胀做功后成为乏汽，排入冷凝器中进行冷却，为进行下一个循环做准备。压力蒸汽以一定速度射向冷凝管，对管束造成侧向的激励作用，使管束产生振动并引发噪声，声波通过冷却注水直接辐射到外部。

人们最早开始关注换热器管束在内外流体的流动作用下，发生强烈振动现象源于热交换器换热管的破损。在这一领域的研究，国外开展地较早，无论是从振动发生的机理还是对管束进行数值模拟的方法研究，或者是开展试验进行数据分析，都得到了很大的发展，得出了许多有益的理论。国内在这方面的研究起步相对较晚，在许多方面存在着不小的差距。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种冷凝器，能够改善冷凝器声学性能，减小管束的振动同时在结构上提高冷凝管束的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冷凝器，包括冷凝器外壳、冷凝管、旋涡抑制导热管以及设有多个通孔的防护板；若干不同管径的冷凝管呈多行平行排列于冷凝器外壳内，冷凝管的管径自冷凝器外壳的中部分别向进水口方向和出水口方向逐渐增大；在冷凝器外壳侧壁的一侧设有进水口，进水口的对立侧设有出水口，进水口与出水口的连线与冷凝管垂直；所述的防护板设于进水口处；每一行冷凝管对应设有一行旋涡抑制导热管，旋涡抑制导热管与冷凝管一一对应，旋涡抑制导热管设于冷凝管面向出水口的一侧。

在冷凝器中，由于流体流过管束内外表面造成的振动，称之为流致振动。从流动的方向来看，管束周围流体可以被分为两类：第一，沿管束径向流动，称为横向流动；第二，流动沿管束的长度方向，称为纵向流动。理论计算和试验研究都表明，横向流动是造成管束振动的主要原因。本发明就主要围绕改善管束结构，改善冷凝器冷却效率，同时提高冷凝器的使用寿命。

流体弹性不稳定，流速的增加将导致管束的振幅的大幅增加，如果管束阻尼系统对管束的作用不足以抵消因为流体弹性力对管束造成的影响，管束的响应将迅速加强，从而发生剧烈的振动。增大管束的阻尼系数可以有效的改善管束的稳定性，防止发生剧烈的振动，产生过大的噪声。蒸汽吹拂冷凝器冷凝管，在管束后形成漩涡，漩涡不断脱离将引起管子的振动，发出强烈的噪声。当漩涡脱落的频率与冷凝器内部噪声的频率一致时，就可能引发声共振现象，造成管束的破坏。

管束的不断振动将以弹性波的形式不断地向外传播，弹性波遇到冷凝器壁面时将被反射回来，如果冷凝器壁的内径是弹性波半波长的整数倍，则将在冷凝器内部产生驻波。驻波形成后，声能量无法向外界传播，将在冷凝器内不断积累，产生强烈的噪声，更有甚者，声波可能与冷凝器内部结构发生相互耦合效应，进一步导致结构的强烈振动，甚至可能造成冷凝器的破坏。需要说明的是，声共振现象只发生在冷凝器壳侧流体为气体的时候，如果冷凝器管束壳侧流体为液体，由于弹性波在液体中传播波长很大，且冷凝器壁的直径不会太大，不满足上述条件，驻波难以形成。声共振的发生必须满足两个条件:第一，流体横掠管束时发生漩涡脱离，脱离频率与冷凝器内噪声声波频率一致；第二，声共振发生后，能够从流动的流体中不断获得能量，使共振持续下去，造成破坏。

在本发明中，高温流体自上而下流动，即从冷凝器的进水口处流入冷凝器中，从出水口处流出，冷却水自冷凝管的一端流向另一端，冷却水为水平方向流动，高温流体为纵向方向流动；在进水口处设置防护板，防护板上设有多个通孔，高温流体冲击防护板，由于受阻，流出的速度相对于流入时减小，可以有效减小进水口处流体的初速度，但要保证通孔口径要大，不然流量太小，防护板用导热材料制作，流体冲击防护板会产生冲击热量，通过防护板也会传导出一小部分热量，吸收一定的冲击热量，防护板可从侧面插入，在防护板与冷凝器外壳之间进行密封，固定可用螺栓等。

另外，为防止声共振现象，同时考虑到冷凝器管束的换热效率，在靠近进水口和出水口处设置口径较大的冷凝管，提高结构强度，增大结构的阻尼性能，减小机械振动，并且向冷凝器外壳中部逐步减小冷凝管口径，提高换热效率。由于各个冷凝管的振动频率有所区别可以防止声共振现象，减小振动对刚体结构的损害。

流体横向流过圆管壁面时，会在圆管背面产生漩涡，并且漩涡不断地脱离圆管面。漩涡将在圆管两侧对称出现，当一侧产生漩涡时，另一侧的漩涡刚好发生脱离。这样就相当于对管束作用了一个径向的作用力，且作用力方向随着不同侧的漩涡脱落不断改变，周期的交变作用力将诱发管束发生振动。漩涡脱落情况与雷诺数大小有直接的联系。因此本发明围绕较小雷诺数对冷凝器管束进行了结构改进。在冷凝管的面向出水口的一侧设置旋涡抑制导热管，一方面可以起到吸收热量传导至导热管两头，再进行散热处理，提高散热效率。同时在冷凝管背面（即正对着出水口的一侧）直接受到作用力的作用，减小旋涡脱落现象，可以对冷凝管起到很好的保护作用。这样设计的冷凝管束，可以有效的减少机械振动，改善声学性能，减小机械振动可以有效的防止冷凝管束受到损坏。冷凝管背面采用了旋涡抑制导热管，减小了旋涡脱落现象对冷凝管背面的腐蚀作用，同样改善了冷凝管的使用寿命。

进一步地，同一管径的冷凝管设于同一行，冷凝管沿冷凝器的中轴面对称排列，且中轴面为与进水口和出水口的连线垂直的中轴面。中心处管径根据实际情况进行设计，向外的管径逐步增大，上下为对称的。冷凝管中心处管径最小，分布最密集，由中心向出入口处的管径逐渐增大，中间行间距是边缘行间距的一半，中间越密集换热效率较高但会减小流速同时提高生产成本，在实际生产过程中进行取舍。通常取中间1/3空间较密集布置冷却水管。

进一步地，相邻两行冷凝水管交错设置。即保证流体自上而下流动的过程中，流经上一根冷凝管后可以流向下一根冷凝管，这样，高温流体在流动的过程中不断的与冷凝管冲击接触，可以有效的增大换热面积，提高换热效率。

进一步地，每一行冷凝水管中相邻的两个冷凝水管的圆心距相等。

作为优选地，所述的冷凝器外壳内壁上覆设有阻尼材料。

进一步地，所述的防护板与冷凝器外壳可拆卸连接。防护板受到高温高速流体的直接冲击，冷凝器管束结构是一体的，若内部腐蚀，更换很不方便。防护板保护了冷凝管内部的冷却水管，因此受到损害较大，一段时间需要进行更换。防护板置于外部，从侧面抽出即可进行更换。

作为优选地，所述的冷凝管由阻尼性能好、换热性能强的刚性金属构成。流体弹性不稳定，流速的增加将导致管束的振幅的大幅增加，如果管束阻尼系统对管束的作用不足以抵消因为流体弹性力对管束造成的影响，管束的响应将迅速加强，从而发生剧烈的振动。增大管束的阻尼系数可以有效的改善管束的稳定性，防止发生剧烈的振动，产生过大的噪声。蒸汽吹拂冷凝器冷凝管，在管束后形成漩涡，漩涡不断脱离将引起管子的振动，发出强烈的噪声。当漩涡脱落的频率与冷凝器内部噪声的频率一致时，就可能引发声共振现象，造成管束的破坏。

作为优选地，所述的冷凝器外壳为圆管结构。

作为优选地，位于冷凝器外壳中部的冷凝水管排列的密集度大于靠近进水口和出水口处冷凝管排列的密集度，且旋涡抑制导热管排列的密集度也大于靠近进水口和出水口的旋涡抑制导热管排列的密集度。在中间位置布置较密集的冷凝管管束，增大换热面积。由于高温流体初速度已经减小，位于中间位置的冷凝管可以不需要再在背面加装旋涡抑制导热管，旋涡抑制导热管可以密集排列与中部位置，增大受热面积，提高换热效率。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种冷凝器，从声学性能和结构性能两个方面对冷凝器的管束进行了改进，通过设置防护板减小了流体的初速度，避免流体直接冲击冷凝管对其造成损坏；设置管径不一的冷凝管有效避免了声共现象，防止声共现象对管束造成损坏；设置旋涡抑制导热管，减小了旋涡脱落现象对冷凝管背面的腐蚀作用，同样改善了冷凝管的使用寿命。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明冷凝器正视图。

图3是本发明冷凝器侧视图。

图4是本发明冷凝器内部结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1至4所示，一种冷凝器，包括冷凝器外壳1、冷凝管2、旋涡抑制导热管3以及设有多个通孔的防护板4；若干不同管径的冷凝管2呈多行平行排列于冷凝器外壳1内，冷凝管2的管径自冷凝器外壳1的中部分别向进水口5方向和出水口6方向逐渐增大；在冷凝器外壳1侧壁的一侧设有进水口5，进水口5的对立侧设有出水口6，进水口5与出水口6的连线与冷凝管2垂直；防护板4设于进水口5处；每一行冷凝管2对应设有一行旋涡抑制导热管3，旋涡抑制导热管3与冷凝管2一一对应，旋涡抑制导热管3设于冷凝管2面向出水口6的一侧。

在本发明中，高温流体自上而下流动，即从冷凝器的进水口5处流入冷凝器中，从出水口6处流出，冷却水自冷凝管2的一端流向另一端，冷却水为水平方向流动，高温流体为纵向方向流动；在进水口5处设置防护板4，防护板4上设有多个通孔，高温流体冲击防护板4，由于受阻，流出的速度相对于流入时减小，可以有效减小进水口5处流体的初速度，但要保证通孔口径要大，不然流量太小，防护板4用导热材料制作，流体冲击防护板4会产生冲击热量，通过防护板4也会传导出一小部分热量，吸收一定的冲击热量，防护板4可从侧面插入，在防护板4与冷凝器外壳1之间进行密封，固定可用螺栓等。

另外，为防止声共振现象，同时考虑到冷凝器管束的换热效率，在靠近进水口5和出水口6处设置口径较大的冷凝管2，提高结构强度，增大结构的阻尼性能，减小机械振动，并且向冷凝器外壳1中部逐步减小冷凝管2口径，提高换热效率。由于各个冷凝管2的振动频率有所区别可以防止声共振现象，减小振动对刚体结构的损害。

流体横向流过圆管壁面时，会在圆管背面产生漩涡，并且漩涡不断地脱离圆管面。漩涡将在圆管两侧对称出现，当一侧产生漩涡时，另一侧的漩涡刚好发生脱离。这样就相当于对管束作用了一个径向的作用力，且作用力方向随着不同侧的漩涡脱落不断改变，周期的交变作用力将诱发管束发生振动。漩涡脱落情况与雷诺数大小有直接的联系。因此本发明围绕较小雷诺数对冷凝器管束进行了结构改进。在冷凝管2的面向出水口6的一侧设置旋涡抑制导热管3，一方面可以起到吸收热量传导至导热管两头，再进行散热处理，提高散热效率。同时在冷凝管2背面（即正对着出水口6的一侧）直接受到作用力的作用，减小旋涡脱落现象，可以对冷凝管2起到很好的保护作用。这样设计的冷凝管2束，可以有效的减少机械振动，改善声学性能，减小机械振动可以有效的防止冷凝管2束受到损坏。冷凝管2背面采用了旋涡抑制导热管3，减小了旋涡脱落现象对冷凝管2背面的腐蚀作用，同样改善了冷凝管2的使用寿命。

如图1所示，具体地，冷凝器外壳1为圆管结构，同一管径的冷凝管2设于同一行，冷凝管2沿冷凝器的中轴面对称排列，且中轴面为与进水口5和出水口6的连线垂直的中轴面，相邻两行冷凝水管交错设置，每一行的冷凝水管中相邻的两个冷凝水管的圆心距相等。相邻两行冷凝水管交错设置保证流体自上而下流动的过程中，流经上一根冷凝管2后可以流向下一根冷凝管2，这样，高温流体在流动的过程中不断的与冷凝管2冲击接触，可以有效的增大换热面积，提高换热效率。中心处管径根据实际情况进行设计，向外的管径逐步增大，上下为对称的。冷凝管中心处管径最小，分布最密集，由中心向出入口处的管径逐渐增大，中间行间距是边缘行间距的一半，中间越密集换热效率较高但会减小流速同时提高生产成本，在实际生产过程中进行取舍。通常取中间1/3空间较密集布置冷却水管。

在一些实施例中，第二、三、四行管径较中心增大25%。假设各行圆心线相距为a。五、六、七、八行管径较第四行增大40%，各行之间相距为2a。每行圆心之间的距离是相等的。相隔的两列圆心是在一条直线上的，可保证高温流体在流过上一根冷却水管后流向下一根冷却水管。

其中，冷凝器外壳1内壁上覆设有阻尼材料。冷凝管2由阻尼性能好、换热性能强的刚性金属构成。流体弹性不稳定，流速的增加将导致管束的振幅的大幅增加，如果管束阻尼系统对管束的作用不足以抵消因为流体弹性力对管束造成的影响，管束的响应将迅速加强，从而发生剧烈的振动。增大管束的阻尼系数可以有效的改善管束的稳定性，防止发生剧烈的振动，产生过大的噪声。蒸汽吹拂冷凝器冷凝管2，在管束后形成漩涡，漩涡不断脱离将引起管子的振动，发出强烈的噪声。当漩涡脱落的频率与冷凝器内部噪声的频率一致时，就可能引发声共振现象，造成管束的破坏。

另外，防护板4与冷凝器外壳1可拆卸连接。防护板4受到高温高速流体的直接冲击，冷凝器管束结构是一体的，若内部腐蚀，更换很不方便。防护板4保护了冷凝管2内部的冷却水管，因此受到损害较大，一段时间需要进行更换。防护板4置于外部，从侧面抽出即可进行更换。

其中，位于冷凝器外壳1中部的冷凝水管排列的密集度大于靠近进水口5和出水口6处冷凝管2排列的密集度，且旋涡抑制导热管3排列的密集度也大于靠近进水口5和出水口6的旋涡抑制导热管3排列的密集度。在中间位置布置较密集的冷凝管2管束，增大换热面积。由于高温流体初速度已经减小，位于中间位置的冷凝管2可以不需要再在背面加装旋涡抑制导热管3，旋涡抑制导热管3可以密集排列与中部位置，增大受热面积，提高换热效率。

如图1所示，为本发明的冷凝器整体结构示意图，在实际使用时，可以根据实际需要，将多个冷凝器串联，可以构成长度不一的冷凝器，以适应不同的生产需要。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种冷凝器，其特征在于，包括冷凝器外壳（1）、冷凝管（2）、旋涡抑制导热管（3）以及设有多个通孔的防护板（4）；若干不同管径的冷凝管（2）呈多行平行排列于冷凝器外壳（1）内，冷凝管（2）的管径自冷凝器外壳（1）的中部分别向进水口（5）方向和出水口（6）方向逐渐增大；在冷凝器外壳（1）侧壁的一侧设有进水口（5），进水口（5）的对立侧设有出水口（6），进水口（5）与出水口（6）的连线与冷凝管（2）垂直；所述的防护板（4）设于进水口（5）处；与冷凝管（2）对应设有旋涡抑制导热管（3），旋涡抑制导热管（3）设于冷凝管（2）面向出水口（6）的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种冷凝器，其特征在于，同一管径的冷凝水管设于同一行，冷凝管（2）沿冷凝器的中轴面对称排列，且中轴面为与进水口（5）和出水口（6）的连线垂直的中轴面。

3.根据权利要求2所述的一种冷凝器，其特征在于，相邻两行冷凝水管交错设置。

4.根据权利要求3所述的一种冷凝器，其特征在于，每一行冷凝水管中相邻的两个冷凝水管的圆心距相等。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种冷凝器，其特征在于，所述的冷凝器外壳（1）内壁上覆设有阻尼材料。

6.根据权利要求1所述的一种冷凝器，其特征在于，所述的防护板（4）与冷凝器外壳（1）可拆卸连接。

7.根据权利要求5所述的一种冷凝器，其特征在于，所述的冷凝管（2）由阻尼性能好、换热性能强的刚性金属构成。

8.根据权利要求5所述的一种冷凝器，其特征在于，所述的冷凝器外壳（1）为圆管结构。

9.根据权利要求8所述的一种冷凝器，其特征在于，位于冷凝器外壳（1）中部的冷凝水管排列的密集度大于靠近进水口（5）和出水口（6）处冷凝管（2）排列的密集度，且旋涡抑制导热管（3）排列的密集度也大于靠近进水口（5）和出水口（6）的旋涡抑制导热管（3）排列的密集度。