CN111521032A - 一种多流程蒸发式冷凝器 - Google Patents

Abstract

一种多流程蒸发式冷凝器，属于冷凝设备技术领域。依据空气湿度增加设置湿空气出口，有利于壳体内上升过程中接近饱和湿空气直接被风机吸走，相对于原来的湿空气继续上升掠过换热管束，可以减少湿空气向上流动的阻力，降低风机的泵功耗，而且能使更多的干空气进入壳体内从而提高空气与冷却水间的热质传递效率；该冷凝器采用水平管束替代传统的盘管，以实现依据管外液膜厚度最优原则来布置管间距，保证管外形成薄而均匀的液膜，可提高蒸发传热速率和避免结垢的发生，提高换热器的紧凑度从而减少设备的尺寸；它采用多流程替代传统的单流程，有利于管内冷凝液及时从管内分离出来从而强化管内冷凝传热。

Description

一种多流程蒸发式冷凝器

技术领域

本发明涉及一种多流程蒸发式冷凝器，属于冷凝设备技术领域。

技术背景

蒸发式冷凝器是利用水蒸发吸收潜热进而冷却介质的一种高效冷凝换热设备。相对于传统的水冷式冷凝器，蒸发式冷凝器相当于将冷凝器和冷却塔融为一体，节省了循环水泵功耗，降低了设备投资；用水的汽化相变传热替代水的显热传热，减少了水量损失；利用空气的湿球温度降低了循环水冷凝温度，提高了传热效率。因此具有节水、节能、节省投资特点的蒸发式冷凝器逐渐应用电厂、制冷、化工等领域。

CN108562071A、CN108253667A和CN1967096A的中国专利公开了一种盘管蒸发式冷凝器，为减少换热管表面干壁和结垢的形成，对盘管蒸发式冷凝器的结构和流程进行了优化，但受制于盘管布置方式的限制，存在着如下问题：受弯管半径和管束排列的限制，管间距过大，容易发生“飞水”和干壁，造成管外壁结垢的发生；管束布置不紧凑，单位体积换热面积过小；由于盘管的管长较大和弯头较多，管内流体的流动阻力较大，传热效率较低，特别是对于管内冷凝相变过程，由于管内汽液不能及时分离，冷凝液不断集聚，管内冷凝传热过程急剧恶化；盘管因腐蚀泄漏时，需要更换整根换热弯管，维护成本高。

公布号为CN 110327644 A的中国专利公开了一种节能型水平管降膜蒸发式凝汽器，采用海水为循环冷却媒介，选用椭圆形316L不锈钢换热管来克服海水腐蚀，达到降低火电厂凝汽器能耗，提高火电厂发电效率的目的。蒸发式冷凝器的一个重要特色是节水，适用于淡水资源短缺的内陆地区，而沿海电厂海水资源丰富，采用蒸发式冷凝器并没有比传统海水循环冷凝器在节水上具有优势；采用海水为冷却媒介，为防止腐蚀和结垢要采用价格昂贵、高等级耐腐蚀316L不锈钢材料，冷凝器的制造成本大幅度增加，也没能体现出蒸发式冷凝器节省投资的优势；冷却水与空气间的热质交换是蒸发式冷凝器中传热和传质阻力最大环节，相对于以往的蒸发式冷凝器，并没有提高干空气加湿过程的传热传质效率。

蒸发式冷凝器存在的问题如下：

（1）由蒸发式冷凝器底部进入的干空气在向上流动过程中，空气湿度逐渐增大，蒸汽与空气间传热传质速率逐渐降低，为强化空气与冷却水间的热质交换，应及时将湿度较大的湿空气分离出去，这样有利于更多的干空气流过换热管束；

（2）受盘管结构中弯管半径和管束排列的限制，管间距过大而不能根据管束表面液膜厚度最优的要求来排布管束，这就要通过增大管外喷淋的冷却水流量来防止管外壁的液体飞溅和干壁的发生，管外液膜厚度增加引起了传热速率降低和循环冷却水泵功耗增大；

（3）盘管的管子长和弯头多，造成管内液体流动阻力大和管内冷凝相变过程的传热效率降低；管束的排布不紧凑，管束体积过大；管束的更换维护成本过高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种多流程蒸发式冷凝器，依据空气湿度增加设置湿空气出口，有利于壳体内上升过程中接近饱和湿空气直接被风机吸走，相对于原来的湿空气继续上升掠过换热管束，可以减少湿空气向上流动的阻力，降低风机的泵功耗，而且能使更多的干空气进入壳体内从而提高空气与冷却水间的热质传递效率；它采用水平管束替代传统的盘管，以实现依据管外液膜厚度最优原则来布置管间距，保证管外形成薄而均匀的液膜，可提高蒸发传热速率和避免结垢的发生，提高换热器的紧凑度从而减少设备的尺寸；采用多流程替代传统的单流程，有利于管内冷凝液及时从管内分离出来从而强化管内冷凝传热。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多流程蒸发式冷凝器，包括冷却水循环组件、换热组件和引风组件，所述循环水组件采用底部的循环水池通过循环水泵连接顶部的喷淋主水管，喷淋主水管上设置喷嘴；所述换热组件采用冷凝器内部自下而上设置一流程水平管换热束、二流程水平管换热束和三流程水平管换热束，蒸汽进口管箱设置在一流程水平管换热束的进口处，二流程管箱连通一流程水平管换热束的出口和二流程水平管换热束的进口，三流程管箱连通二流程水平管换热束的出口和三流程水平管换热束的进口，端部管箱设置在三流程水平管换热束的出口处；端部管箱通过U型管连通二流程管箱，二流程管箱箱底的管道上设置二流程排液阀；三流程管箱箱底的管道上设置三流程排液阀；所述二流程管箱的箱底高度低于一流程水平管换热束底部换热管的出口，三流程管箱的箱底高度低于二流程水平管换热束底部换热管的出口，端部管箱的箱底高度低于三流程水平管换热束底部换热管的出口；

所述引风组件采用冷凝器顶端设置有湿空气主出口，湿空气主出口下方依次设置有引风机和汽液分离器，外壳与通道外壁形成湿空气通道，湿空气通道设置在气液分离器的下方，湿空气通道下部与外壳间设置循环水出水口；一流程水平管换热束处的外壳上设置第一湿空气出口，在二流程水平管换热束处的外壳上设置第二湿空气出口；在循环水池上方的外壳上设置干空气入口。

一种多流程蒸发式冷凝器的工作方法，包括以下过程：

a、循环水池中20～25℃的冷却水经循环水泵升压后泵入喷淋主水管， 喷嘴在喷淋主水管上按等距排布，冷却水由喷嘴均匀喷淋到下方的换热组件；

b、50～60℃的饱和蒸汽从蒸汽进口管箱进入到一流程水平换热管束的进口，蒸汽在管内沿管长方向冷凝放热，集聚在管内底部的冷凝液流向管出口，在一流程水平换热管束的出口管内的冷凝液流向二流程管箱的底部；未冷凝的蒸汽经由二流程管箱上部进入二流程水平换热管束的进口，经二流程水平换热管束换热后，管内汽液混合物在二流程水平换热管束的出口进行分离，冷凝液进入三流程管箱的底部；未冷凝的蒸汽在三流程水平换热管束内继续冷凝，冷凝液从端部管箱底部的U型管汇集到二流程管箱底部，经二流程排液阀进入冷凝液收集系统，三流程管箱中的冷凝液经三流程排液阀进入冷凝液收集系统；

c、经喷嘴喷出的冷却水在三流程水平换热管束的外壁面形成液膜，管外液膜吸收管内蒸汽冷凝释放的汽化潜热，液膜温度升高到饱和温度，在二流程水平换热管束和一流程水平换热管束的外壁面，冷却水吸收管内蒸汽热量后蒸发，部分冷却水蒸发生成二次蒸汽，未蒸发的冷却水返回循环水池；

d、引风机的抽吸作用下，蒸发式冷凝器的腔体内形成负压，温度20-25℃和湿度20-50%的干空气由干空气口进入蒸发式冷凝器的腔体，干空气向上流动掠过一流程水平换热管束，吸收管外液膜蒸发生成的二次蒸汽，部分湿度和温度增加的干空气由第一湿空气出口进入湿空气通道，其余的空气继续向上掠过二流程水平换热管束，与二次蒸汽热质交换后的湿空气从第二湿空气出口进入湿空气通道，腔体内剩余的湿空气和湿空气通道中的湿空气向上流动，在汽液分离器中将湿空气中夹杂的液滴分离，分离后的湿空气从湿空气主出口排出，湿空气通道中分离的液体经循环水出水口返回循环水池，腔体内分离的液体返回循环水池。

本发明的有益效果是：

（1）蒸发式冷凝器中的一流程和二流程水平换热管束外的液膜蒸发速率最大，干空气在腔体内向上掠过这部分管束时，其湿度和温度迅速增加达到接近饱和湿空气，再继续向上流动的湿空气与二次蒸汽热质交换速率显著降低，其带走的蒸发热量也大幅度减少，但向上流动要消耗风机的泵功耗。本发明在一流程和二流程管束位置处的腔体侧面增加设置湿空气出口，能够使加湿和加热后的空气从湿空气出口直接快速流出，这样相对于原来的湿空气继续上升掠过换热管束，可以减少湿空气流动的阻力，节省风机的泵功耗，而且湿空气的及时外排有利于更多的干空气进入腔体内，降低了向上流动空气的湿度和温度，提高了空气带走蒸发热量的速率。

（2）传统盘管式的换热管束，受弯管半径和管束排列的限制，管间距过大容易造成管外液膜分布不均匀、干壁结垢、管束排布不紧凑、换热管更换成本高等问题；盘管的管子长和弯头多，管内底部过多冷凝液集聚引起管内冷凝传热速率降低和管内流体流动阻力增大。本发明采用多流程的水平管束替代传统的单流程盘管，管间距不再受加工制造工艺的限制而是依据管外液膜厚度最优的原则来布置，有利于提高蒸发速率、避免结垢发生、节省循环水泵功耗、减少设备的尺寸；多流程设计有利于管内冷凝液与蒸汽的分离，减少了冷凝液在管内底部占据的传热面积，强化了管内冷凝传热过程。

附图说明

图1是一种多流程蒸发式冷凝器的主视图。

图2是一种多流程蒸发式冷凝器的侧视图。

图中：1、循环水泵，2、循环水池，3、二流程排液阀，3a、三流程排液阀，4、蒸汽进口管箱，5、一流程水平换热管束，6、二流程管箱，7、二流程水平换热管束，8、三流程管箱，9、三流程水平换热管束，10、端部管箱，11、喷淋主水管，12、喷嘴，13、湿空气主出口，14、引风机，15、汽液分离器，16、外壳，16a、通道外壁，17、第二湿空气出口，18、第一湿空气出口，19、湿空气通道，20、干空气进口，21、U型管，22、循环水出水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1和图2示出了一种多流程蒸发式冷凝器，包括冷却水循环组件，换热组件和引风组件。冷却水循环组件包含循环水泵1、循环水池2、喷淋主水管11、喷嘴12，循环水池2中的冷却水采用管道连接循环水泵1进口，循环水泵1出口经管道连接喷淋主水管11，喷淋主水管11上等间距连接若干个喷嘴12。

所述换热组件包含蒸汽进口管箱4、一流程水平换热管束5、二流程管箱6、二流程水平换热管束7、三流程管箱8、三流程水平换热管束9、端部管箱10。待冷却蒸汽经由蒸汽进口管箱4与一流程水平换热管束5的进口连通，二流程管箱6连通一流程水平换热管束5的出口和二流程水平换热管束7的进口，三流程管箱8连通二流程水平换热管束7的出口和三流程水平换热管束9的进口，三流程水平换热管束9的出口连通端部管箱10，端部管箱10下部U型管21连通端部管箱10和二流程管箱6，二流程管箱6和三流程管箱8下部排液口分别经二流程排液阀3和三流程排液阀3a连接到冷凝液收集系统。

引风组件包含湿空气主出口13、引风机14、汽液分离器15、外壳16、第二湿空气出口17、第一湿空气出口18、湿空气通道19、干空气进口20和循环水出水口（22）。冷凝器的顶端设置有湿空气主出口13，湿空气主出口13下方依次设置有引风机14和汽液分离器15，干空气进口20位于所述循环水池2上方的外壳16侧壁，第一湿空气出口18和第二湿空气出口17连通蒸发换热区与湿空气通道19，湿空气通道（19）下部与外壳（16）间设置循环水出水口（22）。

一种多流程蒸发式冷凝器的工作方法，包括以下过程：

（a）循环水池中20～25℃的冷却水经循环水泵升压后泵入喷淋主水管, 喷嘴在喷淋主水管上按等距排布,冷却水由喷嘴均匀喷淋到下方的水平换热管束。

（b）50～60℃的饱和蒸汽从蒸汽进口管箱进入到一流程水平换热管束的进口，蒸汽在管内沿管长方向蒸汽冷凝放热，集聚在管内底部的冷凝液在蒸汽的吹扫作用下流向管出口，在一流程水平换热管束的出口，管内的汽液在重力作用下流向二流程管箱的底部，未冷凝的蒸汽经由二流程管箱上部进入二流程水平换热管束的进口，管内汽液混合物在二流程水平换热管束的出口进行分离，冷凝液进入三流程管箱的底部，未冷凝的少量蒸汽在三流程水平换热管束内继续冷凝，冷凝液从端部管箱底部的U型管汇聚到二流程管箱底部后经阀门进入冷凝液收集系统，三流程管箱中的冷凝液经阀门进入冷凝液收集系统。

（c）经喷嘴喷出的冷却水在三流程水平换热管束的外壁面形成均匀液膜，管外液膜吸收管内蒸汽冷凝释放的汽化潜热，液膜温度升高到饱和温度，在二流程水平换热管束和一流程水平换热管束外壁面，冷却水吸收管内蒸汽热量后蒸发，部分冷却水蒸发生成二次蒸汽，未蒸发的冷却水返回循环水池；

引风机的抽吸作用下，蒸发式冷凝器的腔体内形成负压，温度和湿度为20-25℃和20-50%的干空气由干空气口进入蒸发式冷凝器的腔体，干空气向上流动掠过一流程水平换热管束，吸收管外液膜蒸发生成的二次蒸汽，部分湿度和温度增加的干空气由第一湿空气出口进入湿空气通道，其余的空气继续向上掠过二流程水平换热管束，与二次蒸汽热质交换后的湿空气从第二湿空气出口流出进入湿空气通道，剩余的湿空气和湿空气通道中的湿空气向上流动，在汽液分离器中将湿空气中夹杂的液滴分离，分离后的湿空气从湿空气主出口离开从而带走管内蒸汽释放的热量，湿空气通道中分离的液体经循环水出水口返回循环水池，腔体内分离的液体返回循环水池。

采用以上技术方案，循环水池中20～25℃的冷却水经喷嘴喷淋到水平换热管束，喷淋密度为0.07-0.09kg/s·m的冷却水从上到下依次流过三、二和一流程水平换热管束，冷却水在管外形成薄而均匀的液膜，液膜吸收管内蒸汽放出的热量后部分蒸发，未蒸发的喷淋密度为0.05-0.07 kg/s·m冷却水从一流程水平换热管束流出返回循环水池，管外薄液膜提高了蒸发传热速率和节省了循环水泵功耗，均匀液膜有效避免了“飞水”和干壁现象的发生。

50～60℃的饱和蒸汽在水平换热管内冷凝放热，冷凝液和未冷凝蒸汽依次在一、二和三流程水平换热管束出口分离，相对于传统盘管换热管束，水平管束各流程出口的冷凝液流量降低30-80%，强化了管内蒸汽冷凝传热。对于换热管因腐蚀泄露需要更换时，多流程排布管束只需更换泄露段管程的管子，而传统单流程盘管需更换整根长管，多流程蒸发式冷凝器有效降低了维修成本。

温度和湿度为20-25℃和20-50%的干空气从干空气进口进入腔体，吸收管外液膜蒸发生成的二次蒸汽后成为接近饱和湿空气，湿空气从第一和第二湿空气出口进入湿空气通道后由风机抽出，在一和二流程水平换热管束位置处增设湿空气出口的设计，能够及时将湿空气排出，减少湿空气向上掠过管束的流动阻力从而降低风机的泵功耗；有利于更多的干空气进入腔体内从而提高空气带走蒸发热量的速率，强化了空气与冷却水间的热质交换，提高了蒸发式冷凝器的冷却效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施事例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种多流程蒸发式冷凝器，包括冷却水循环组件、换热组件和引风组件，其特征在于：所述循环水组件采用底部的循环水池（2）通过循环水泵（1）连接顶部的喷淋主水管（11），喷淋主水管（11）上设置喷嘴（12）；所述换热组件采用冷凝器内部自下而上设置一流程水平管换热束（5）、二流程水平管换热束（7）和三流程水平管换热束（9），蒸汽进口管箱（4）设置在一流程水平管换热束（5）的进口处，二流程管箱（6）连通一流程水平管换热束（5）的出口和二流程水平管换热束（7）的进口，三流程管箱（8）连通二流程水平管换热束（7）的出口和三流程水平管换热束（9）的进口，端部管箱（10）设置在三流程水平管换热束（9）的出口处；端部管箱（10）通过U型管（21）连通二流程管箱，二流程管箱（6）箱底的管道上设置二流程排液阀（3）；三流程管箱（8）箱底的管道上设置三流程排液阀（3a）；所述二流程管箱（6）的箱底高度低于一流程水平管换热束（5）底部换热管的出口，三流程管箱（8）的箱底高度低于二流程水平管换热束（7）底部换热管的出口，端部管箱（10）的箱底高度低于三流程水平管换热束（9）底部换热管的出口；

所述引风组件采用冷凝器顶端设置有湿空气主出口（13），湿空气主出口（13）下方依次设置有引风机（14）和汽液分离器（15），外壳（16）与通道外壁（16a）形成湿空气通道（19），湿空气通道（19）设置在气液分离器（15）的下方，湿空气通道（19）下部的外壳（16）处设置循环水出水口（22）；一流程水平管换热束（5）处的外壳（16）上设置第一湿空气出口（18），在二流程水平管换热束（7）处的外壳（16）上设置第二湿空气出口（17）；在循环水池（2）上方的外壳（16）上设置干空气入口（20）。

2.根据权利要求1所述的一种多流程蒸发式冷凝器的工作方法，其特征在于包括以下过程：

（a）循环水池（2）中20～25℃的冷却水经循环水泵（1）升压后泵入喷淋主水管（11）， 喷嘴（12）在喷淋主水管（11）上按等距排布，冷却水由喷嘴（12）均匀喷淋到下方的换热组件；

（b）50～60℃的饱和蒸汽从蒸汽进口管箱（4）进入到一流程水平换热管束（5）的进口，蒸汽在管内沿管长方向冷凝放热，集聚在管内底部的冷凝液流向管出口，在一流程水平换热管束（5）的出口，管内的冷凝液流向二流程管箱（6）的底部；未冷凝的蒸汽经由二流程管箱（6）上部进入二流程水平换热管束（7）的进口，经二流程水平换热管束（7）换热后，管内汽液混合物在二流程水平换热管束（7）的出口进行分离，冷凝液进入三流程管箱（8）的底部；未冷凝的蒸汽在三流程水平换热管束（9）内继续冷凝，冷凝液从端部管箱（10）底部的U型管（21）汇集到二流程管箱（6）底部，经二流程排液阀（3）进入冷凝液收集系统，三流程管箱（8）中的冷凝液经三流程排液阀（3a）进入冷凝液收集系统；

（c）经喷嘴（12）喷出的冷却水在三流程水平换热管束（9）的外壁面形成液膜，管外液膜吸收管内蒸汽冷凝释放的汽化潜热，液膜温度升高到饱和温度，在二流程水平换热管束（7）和一流程水平换热管束（5）的外壁面，冷却水吸收管内蒸汽热量后蒸发，部分冷却水蒸发生成二次蒸汽，未蒸发的冷却水返回循环水池（2）；

（d）引风机（14）的抽吸作用下，蒸发式冷凝器的腔体内形成负压，温度20-25℃和湿度20-50%的干空气由干空气口（20）进入蒸发式冷凝器的腔体，干空气向上流动掠过一流程水平换热管束（5），吸收管外液膜蒸发生成的二次蒸汽，部分湿度和温度增加的干空气由第一湿空气出口（18）进入湿空气通道（19），其余的空气继续向上掠过二流程水平换热管束（7），与二次蒸汽热质交换后的湿空气从第二湿空气出口（17）进入湿空气通道（19），腔体内剩余的湿空气和湿空气通道（19）中的湿空气向上流动，在汽液分离器（15）中将湿空气中夹杂的液滴分离，分离后的湿空气从湿空气主出口（13）排出，湿空气通道（19）中分离的液体经循环水出水口（22）返回循环水池（2）。

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