CN110068238A - 池沸腾旋转射流换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于换热设备技术领域的一种池沸腾旋转射流换热装置。该装置在加热面设置倒U形的环状蒸汽腔，蒸汽腔外侧底部开液体入口孔，蒸汽腔内侧顶部开蒸汽射流孔，蒸汽射流孔中心线与环状蒸汽腔径向呈15度‑75度夹角。该装置引导局部加热面产生的蒸汽产生旋转射流，强化对流效应与沸腾传热性能，加快气泡脱落、防止气泡聚集及发热元件烧毁，同时有效缓解加热面的结垢，从而低成本地实现整体加热面的性能提升，是沸腾换热器领域的革新技术与关键技术。

Description

池沸腾旋转射流换热装置
技术领域
本发明属于换热设备技术领域，涉及一种池沸腾旋转射流换热装置。
背景技术
池沸腾作为一种系统简单、换热高效的相变传热模式，大量应用于生活和工业生产中，例如生活中的电热烧水壶，海水淡化、化工蒸馏、污水处理等工业生产中的蒸发池等。优化设计池沸腾装置主要瞄准三个目标：提高表面传热系数、实现换热设备小型化；提高临界热流密度、避免受热面过热烧毁；防止换热表面结垢，影响设备长期运行效果。目前池沸腾装置优化设计方法主要包含三类：沸腾换热表面优化、沸腾工质掺混、施加外场作用。其中沸腾工质掺混包括往沸腾工质中添加表面活性剂、纳米相变胶囊、固体颗粒(尺寸纳米至纳米量级均有效)；强化沸腾传热施加的外场包括电场和超声波等；沸腾换热表面优化包括在沸腾表面构筑金属泡沫、金属丝网、金属颗粒烧结多孔材料、微米肋、纳米柱、化学镀层等微观结构。以上三类方法中，沸腾换热表面优化最为常用，但现有方法往往需要用到复杂的微纳加工技术，加工成本有进一步压缩的需求与空间。
发明内容
本发明从池沸腾传热的基本原理出发，独辟蹊径地设计普通机加工就能实现的毫米、厘米尺度的结构，开发一种池沸腾旋转射流换热装置。该装置引导局部加热面产生的蒸汽产生旋转射流，低成本地实现整体加热面的性能提升。
一种池沸腾旋转射流换热装置，主要包括：容器、加热面、蒸汽腔、液体入口孔、蒸汽射流孔，所述加热面位于容器底部，所述液体从入口孔进入蒸汽腔并加热成蒸汽，蒸汽通过蒸汽射流孔从蒸汽腔排出，带动容器内的液体旋转，产生旋流。
所述蒸汽腔为环状，容器与蒸汽腔形成间隙，间隙内的液体从入口孔进入蒸汽腔。
所述蒸汽腔外侧壁面底部开有液体入口孔，蒸汽腔内侧壁面顶部开有蒸汽射流孔。
加热面上加工有环形台阶，蒸汽腔扣在加热面上的环形台阶上。
蒸汽腔通过磁铁的引力与加热面连接在一起，蒸汽腔的横截面为倒U形。
蒸汽腔的材质为磁性材料。
所述液体入口孔与蒸汽射流孔个数均大于4，以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔壁面。所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向不平行、呈夹角。
所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向夹角为15度-75度。
所述蒸汽射流孔位于加热面上方，蒸汽射流孔与加热面的高度差与加热面上气泡脱落半径相当。
蒸汽腔上液体入口孔与蒸汽射流孔的直径大小及个数根据发热元件的热流密度进行调整。因为蒸汽腔与加热面通过磁铁引力连接，发热元件变工况运行时，重新设计液体入口孔与蒸汽射流孔直径及个数的蒸汽腔可方便、及时地进行更换。
本发明的工作原理如下：所述容器与蒸汽腔形成间隙，间隙内的液体从液体入口孔进入蒸汽腔并加热成蒸汽，蒸汽通过蒸汽射流孔从蒸汽腔排出，排出蒸汽的切向速度分量带动容器内的液体旋转，加快加热面气泡脱落、提高加热面沸腾传热性能、防止气泡聚集成液膜导致加热面及发热元件烧毁、缓解加热面结垢。
本发明的效果和益处是：该装置引导局部加热面产生的蒸汽产生旋转射流，强化对流效应与沸腾传热性能，提高加热面传热系数，可实现蒸发器小型化、减少金属消耗、降低换热设备投资成本；同时，产生的旋转射流加快了加热面气泡脱落，可提高临界热流密度、避免加热面及发热元件过热烧毁；另外，产生的旋转射流可缓解换热表面结垢，保证蒸发器长期高效、安全运行，降低换热设备维修成本。因此，本发明设计的池沸腾旋转射流换热装置，是冷凝换热器领域的革新技术与关键技术。
附图说明
图1是本发明池沸腾旋转射流换热装置的结构主视图。
图2是图1沿A-A路径的旋转剖视图。
图中标号：1容器，2加热面，3环形台阶，4蒸汽腔，5磁铁，6液体入口孔，7蒸汽射流孔，8气泡，9液体，10间隙，11发热元件，12蒸汽，13旋流。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步详细说明，但不以任何方式限制本发明的权利要求。
图1是本发明池沸腾旋转射流换热装置的结构及原理示意图。其中图2是图1沿A-A路径的旋转剖视图。该池沸腾旋转射流换热装置，主要包括：容器1、加热面2、环形台阶3、蒸汽腔4、磁铁5、液体入口孔6、蒸汽射流孔7。
如图1，加热面2位于容器1底部，加热面2上加工有环形台阶3。蒸汽腔4外观为环状，横截面为倒U形，材质为铁、钴、镍等磁性材料。蒸汽腔4扣在加热面2的环形台阶3上，并通过磁铁5的引力与加热面2连接在一起。
液体入口孔6位于蒸汽腔4外侧壁面底部，蒸汽射流孔7位于蒸汽腔4内侧壁面顶部。液体入口孔6与蒸汽射流孔7个数均大于4，以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔4壁面。
蒸汽射流孔7位于加热面2上方，蒸汽射流孔7与加热面2的高度差与加热面2上气泡8的脱落半径相当。如图2，蒸汽射流孔7的中心线与蒸汽腔3的径向不平行，两者间夹角为15度-75度。
蒸汽腔4上液体入口孔6与蒸汽射流孔7的直径大小及个数需根据发热元件11的热流密度进行设计和调整。因为蒸汽腔4与加热面2通过磁铁引力连接，发热元件11变工况运行时，重新设计液体入口孔6与蒸汽射流孔7直径及个数的蒸汽腔4更换方便。
容器1中盛装的液体9，进入蒸汽腔4与容器1形成的间隙10中，并通过液体入口孔6进入蒸汽腔4。加热面2吸收发热元件11的热量，将蒸汽腔4中的液体9加热成蒸汽12。蒸汽12通过蒸汽射流孔7喷出，喷出方向与蒸汽腔4的径向夹角为15度-75度。蒸汽12倾斜喷出将带动容器1中盛装的液体9产生旋流13。加热面2从发热元件11吸收热量，将容器1中盛装的液体9加热沸腾，产生气泡8。该池沸腾旋转射流换热装置产生的旋流13有助于气泡8从加热面快速脱落，提高加热面沸腾传热性能；产生的旋流13也能防止加热面2上的多个气泡8聚合形成气膜，从而避免加热面2及发热元件11温度急剧升高而烧毁；产生的旋流13剪切加热面2，也能缓解液体9携带的矿物质在加热面2结垢，保证加热面2的长期、安全、高效沸腾换热。
实施例：
容器选用直径150mm，高200mm的不锈钢圆桶。容器内盛装水。容器底部加热面加工一个外径120mm，内径90mm，深5mm的环状台阶。蒸汽腔材质为铁，外观为环状，横截面为倒U形。环状蒸汽腔外径120mm，内径90mm，壁厚2mm，高15mm。环状蒸汽腔扣在加热面上的环状台阶上，并通过外径120mm，内径90mm的环形磁铁吸附在加热面上。因此，蒸汽腔与容器间形成宽度为15mm的间隙。
蒸汽腔外侧壁面底部开12个液体入口孔，液体入口孔孔径2.0mm，液体入口孔以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔壁面，即相邻液体入口孔中心线夹角30度。蒸汽腔内侧壁面顶部开8个蒸汽射流孔，蒸汽射流孔孔径2.5mm，蒸汽射流孔同样以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔壁面。蒸汽射流孔位于加热面上方，蒸汽射流孔与加热面的高度差为2mm，与加热面上气泡脱落半径相当。蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向夹角为30度。
本实施例中，所述池沸腾旋转射流换热装置使用时，容器与蒸汽腔形成间隙内的液体从液体入口孔进入蒸汽腔并加热成蒸汽，蒸汽通过蒸汽射流孔从蒸汽腔排出，排出蒸汽的切向速度分量带动容器内的液体旋转。该装置引导局部加热面产生的蒸汽产生旋转射流，强化对流效应与沸腾传热性能，提高加热面传热系数，可实现蒸发器小型化、减少金属消耗、降低换热设备投资成本；同时，产生的旋转射流加快了加热面气泡脱落，可提高临界热流密度、避免加热面及发热元件过热烧毁；另外，产生的旋转射流可缓解换热表面结垢，保证蒸发器长期高效、安全运行，降低换热设备维修成本。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，主要包括：容器、加热面、蒸汽腔、液体入口孔、蒸汽射流孔，所述加热面位于容器底部，所述液体从入口孔进入蒸汽腔并加热成蒸汽，蒸汽通过蒸汽射流孔从蒸汽腔排出，带动容器内的液体旋转，产生旋流。
2.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽腔为环状，容器与蒸汽腔形成间隙，间隙内的液体从入口孔进入蒸汽腔。
3.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽腔外侧壁面底部开有液体入口孔，蒸汽腔内侧壁面顶部开有蒸汽射流孔。
4.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，加热面上加工有环形台阶，蒸汽腔扣在加热面上的环形台阶上。
5.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔通过磁铁的引力与加热面连接在一起，蒸汽腔的横截面为倒U形。
6.根据权利要求5所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔的材质为磁性材料。
7.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述液体入口孔与蒸汽射流孔个数均大于4，以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔壁面，所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向不平行、呈夹角。
8.根据权利要求7所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向夹角为15度-75度。
9.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽射流孔位于加热面上方，蒸汽射流孔与加热面的高度差与加热面上气泡脱落半径相当。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔上液体入口孔与蒸汽射流孔的直径大小及个数根据发热元件的热流密度进行调整。
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