CN112082403A - 一种新型多级换热冷凝器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型多级换热冷凝器，包括：冷凝管、冷水管、自启式喷淋头、分室挡板、壳体和水泵；所述分室挡板将壳体分为上部壳体和下部壳体，上部壳体为2～N级换热区，下部壳体为1级换热区，所述冷凝管分级串联自上而下依次位于2～N级换热区中，所述冷水管分层串联设于1级换热区；所述分室挡板两侧设有汇集冷凝水的集水凹槽和释放冷凝水的自启式喷淋头，集水凹槽和自启式喷淋头通过集水罐连接，所述集水凹槽与上部壳体相连通，所述自启式喷淋头与下部壳体连通，其中水泵入口与冷水管出口连通，水泵出口与冷凝管入口连通。本发明设置多级换热区和自启式喷淋头，利用气相热源潜热和液相热源显热，有效提高热能利用率和换热效率。

Description

一种新型多级换热冷凝器
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体涉及一种新型多级换热冷凝器。
背景技术
随着全球能源紧缺，各领域开始考虑降低生产加工过程中的能耗，其中换热器是影响整个生产加工流程经济效益和能量消耗的重要设备之一。为响应节能减排，并获得更高的经济效益，工业生产加工对换热器需求渐增，同时也对换热器质量和效能有了更高要求。
冷凝器属于换热器的一种，主要是将气相热源和冷源进行换热的一种热交换设备，目前多用于石油、化工、冶金、电力、船舶、制冷空调、机械、食品、制药等领域。现有的冷凝器装置虽能实现换热的功能，但依然存在较多不足：
1.一般地，高温气相热源相变后的冷凝液体和气相热源存在于同一壳体中，彼此间存在热量交换，无法将热量更多地传给冷凝管。
2.一般地，冷凝管为并联单U管，每根管内冷源在冷凝器中的流动距离短，和壳程热源接触时间较短，难以吸收更多的热量。
3.一般地，为减小热应力，需要采取一定的温差补偿措施，冷源温度选择范围受限。
4.一般地，冷源出口温度无法达到预期温度时，多采用另设预热器的方法以保证温度，但这样既增加了成本，又增大了占地面积。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种新型多级换热冷凝器，以解决现有存在的高温冷凝水温度难以有效传给冷源、冷源与热源接触时间较短、效率难以有效提升等问题。
为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案是：
本发明实施例提供一种新型多级换热冷凝器，包括：冷凝管、冷水管、自启式喷淋头、分室挡板、壳体和水泵；所述分室挡板将壳体分为上部壳体和下部壳体，上部壳体为2～N级换热区，下部壳体为1级换热区，所述冷凝管分级串联自上而下依次位于2～N级换热区中，所述冷水管分层串联设于1级换热区；所述分室挡板两侧设有汇集冷凝水的集水凹槽和释放冷凝水的自启式喷淋头，集水凹槽和自启式喷淋头通过集水罐连接，所述集水凹槽与上部壳体相连通，所述自启式喷淋头与下部壳体连通，其中水泵入口与冷水管出口连通，水泵出口与冷凝管入口连通。
进一步地，输入壳体的热源自下而上由N级换热区向2级换热区输送，与冷凝管内冷源换热，部分气体发生相变而成为冷凝水，冷凝水流入1级换热区继续放热，将热量传递给冷水管内冷源，降至预定出口温度后流出冷凝器，冷源先在1级换热区的冷水管中循环，与冷凝水换热，而后由水泵抽入2级换热区的冷凝管，从上至下沿2～N级循环折返，与热源进行热交换。
进一步地，所述上部壳体内，2～N级换热区进行壳程热源与冷凝管内经冷水管预热后的冷源换热，其中N级换热区壳体侧设有热源入口，2级换热区冷凝管设有冷源入口。
进一步地，所述下部壳体内，1级换热区进行壳程冷凝水与冷水管内冷源的热交换，同时下部壳体作为储液区，用以储存温度高于预定出口温度的冷凝水。
进一步地，所述冷凝管和冷水管在壳体中以圆内切正多边形确定每级与每层所设绕管数，每级冷凝管U型水平串联循环往返，每两级冷凝管之间用U型弯管竖直串联，每层冷水管U型水平串联循环往返，每两层冷水管之间以U型弯管竖直串联。
进一步地，所述壳体为横置式圆筒形。
进一步地，还包括折流板，所述折流板呈预定倾角左右交错排列位于上部壳体内，以分隔2～N级换热区。
进一步地，当集水罐内冷凝水体积小于容积预设值时，喷淋头处于闭合状态；当集水罐内冷凝水体积大于容积预设值时，由水压力作用触发喷淋头自动开启，冷凝水降至1级换热区，直至罐内冷凝水体积再次小于或等于容积预设值，喷淋头自动关闭。
进一步地，所述冷水管和冷凝管的管段连接部位均采用U型弯头。
进一步地，所述壳体、分室挡板和折流板均采用绝热材料。
根据以上技术方案，本发明具有的有益效果是：该装置结构简单易加工，在不增大占地面积的前提下，增大冷热源接触面积，延长冷热源接触时间，有效利用热源的潜热和显热，从而有效增大换热强度，提升换热效率和热能利用率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种新型多级换热冷凝器的内部俯视图；
图2是本发明实施例提供的一种新型多级换热冷凝器的内部前视图；
图3是本发明实施例提供的一种新型多级换热冷凝器的内部西南等轴测视图；
图4是本发明实施例提供的一种新型多级换热冷凝器的外部壳体示意图；
图中：冷凝管1、冷水管2、折流板3、自启式喷淋头4、分室挡板5、壳体6、水泵7、集水凹槽8、集水罐9。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参考图1-4，本发明实施例提供一种新型多级换热冷凝器，包括：冷凝管1、冷水管2、自启式喷淋头4、分室挡板5、壳体6和水泵7；所述分室挡板5将壳体6分为上部壳体6-1和下部壳体6-2，上部壳体6-1为2～N级换热区，下部壳体6-2为1级换热区，所述冷凝管1分级串联自上而下依次位于2～N级换热区中，所述冷水管2分层串联设于1级换热区；所述分室挡板5两侧设有汇集冷凝水的集水凹槽8和释放冷凝水的自启式喷淋头4，集水凹槽8和自启式喷淋头4通过集水罐9连接，所述集水凹槽8与上部壳体6-1相连通，所述自启式喷淋头4与下部壳体6-2连通，其中水泵7入口与冷水管2出口连通，水泵7出口与冷凝管1入口连通。
输入壳体6的热源自下而上由N级换热区向2级换热区输送，与冷凝管1内冷源换热，部分气体发生相变而成为冷凝水，冷凝水流入1级换热区继续放热，将热量传递给冷水管2内冷源，降至预定出口温度后流出冷凝器，冷源先在1级换热区的冷水管2中循环，与冷凝水换热，而后由水泵抽入2级换热区的冷凝管1，从上至下沿2～N级循环折返，与热源进行热交换。
当集水罐9内冷凝水体积小于容积预设值时，自启式喷淋头4处于闭合状态；当集水罐9内冷凝水体积大于容积预设值时，由水压力作用触发喷淋头4自动开启，冷凝水降至1级换热区，直至罐内冷凝水体积再次小于或等于容积预设值，喷淋头4自动关闭。
需要说明的是，所述壳体6被分室挡板分为1级换热区和2～N级换热区，N的数值根据冷热源温差和所需冷热源出口温度确定；所述1级区和2～N级区的容积大小可根据实际冷热源温差与冷热源密度之比来确定。
本实施例中，2～N级换热区壳程是热源，管程是经1级换热区预热后有一定温升的冷源；所述上部壳体6-1内，2～N级换热区进行壳程热源与冷凝管1内经冷水管2预热后的冷源换热，其中N级换热区壳体侧设有热源入口，2级换热区冷凝管1设有冷源入口。
所述1级换热区壳程是冷凝水，管程是最初进入所述冷凝器的冷源；所述下部壳体6-2内，1级换热区进行壳程冷凝水与冷水管2内冷源的热交换，同时下部壳体6-2作为储液区，用以储存温度高于预定出口温度的冷凝水。
本实施例中，所述冷凝管1和冷水管2在壳体6中以圆内切正多边形确定每级与每层所设绕管数，从而最大化利用壳体内面积，增大与壳程流体的接触面积，提高热交换率；冷凝管1和冷水管2的绕管数量、分布级数和分布层数可根据壳体6尺寸、冷热源温差和冷热源出口温度而调整。每级冷凝管U型水平串联循环往返，每两级冷凝管1之间用U型弯管竖直串联，每层冷水管U型水平串联循环往返，每两层冷水管之间以U型弯管竖直串联。每层和每级管路串联循环可有效延长冷热源接触时间，提升热能利用率。
本实施例中，为了增大流体横向冲刷效果，减薄边界层，加强紊流，还包括折流板3，所述折流板3呈预定倾角左右交错排列位于上部壳体6-1内，以分隔2～N级换热区。折流板三个角设为圆弧状，以减少流动死区，降低流动阻力，延长壳程与管程的接触时间，增大接触面积，提高换热效率；
本实施例中，所述冷水管2和冷凝管1的管段连接部位均采用U型弯头，可有效减小水流阻力；所有管子材料均满足高导热系数、高密封性、高强度和耐腐蚀等要求，可减弱热应力和流体扰动给管路带来的影响，减小污垢热阻，冷热源种类可选择性增多，提升传热效果和设备适用性。
本实施例中，所述壳体6为横置式圆筒形，减小流体流动阻力；所述壳体6、分室挡板5和折流板3均采用绝热材料，减小热量耗散，提升热能利用率。
本实施例中，为加快冷凝水收集，减小冷凝水和气相热源的接触，分室挡板5呈微拱形。
以高温水蒸气和冷咸水在所述冷凝器中的换热为例。
1级换热区：高温水蒸气在2～N级换热区释放潜热变为冷凝淡水，冷凝淡水沿管壁和壳体内壁集于分室挡板5的集水罐9中，当集水罐9内汇集的水量达到10％V水罐，触发喷淋头4开启，冷凝淡水被喷至1级换热区，冷凝淡水温度远高于冷咸水，将释放显热给位于1级换热区冷水管2中的冷咸水；起初，自启式喷淋头4喷出的冷凝淡水和最靠近喷淋水头的冷水管2进行膜状换热，冷凝淡水被完全喷降到1级换热区后在壳体中继续和冷水管2中的冷咸水换热，温度降到壳体出口所设温度的冷凝淡水流出冷凝器，温度较高的冷凝淡水继续留在壳体内参与换热。
2～N级换热区：高温水蒸气在上部壳体6-1内自下而上依次流经N～2级换热区，冷咸水在冷凝管1内自上而下依次流经2～N级换热区；起初，自启式喷淋头4处于闭合状态，下部壳体6-2中没有冷凝淡水；高温水蒸气沿绕管和折流板3流动，释放潜热给冷凝管1内的冷咸水，在这个过程中高温水蒸气发生相变，所生成的冷凝淡水将参与下部壳体6-2的1级换热区换热。
高温水蒸气放热过程：起初，高温水蒸气从N级换热区热源入口处进入冷凝器，并自下而上依次经过N～2级换热区，和冷凝管1内冷咸水间接接触释放潜热生成冷凝水，冷凝水集中到分室挡板5的集水罐9触发自启式喷淋头4开启，进入1级换热区，温度降至壳体6出口所设温度前一直在1级换热区的壳体6内和冷水管2内冷咸水间接接触并释放显热，温度降低至壳体6预设出口温度后流出冷凝器，整个循环过程结束后即可收集到纯净淡水，用于饮用或灌溉。
冷咸水吸热过程：冷咸水首先进入1级换热区的冷水管2内，吸收1级换热区中冷凝淡水释放的显热成为有一定温升的咸水，而后经水泵7抽入2级换热区的冷凝管1内自上而下依次流经2～N级换热区，吸收2～N级换热区的高温水蒸气释放的潜热，直至从N级换热区冷凝管1出口处流出冷凝器。整个循环过程结束后即可收集到有较大温升的咸水，便于晒盐处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，包括：冷凝管、冷水管、自启式喷淋头、分室挡板、壳体和水泵；所述分室挡板将壳体分为上部壳体和下部壳体，上部壳体为2～N级换热区，下部壳体为1级换热区，所述冷凝管分级串联自上而下依次位于2～N级换热区中，所述冷水管分层串联设于1级换热区；所述分室挡板两侧设有汇集冷凝水的集水凹槽和释放冷凝水的自启式喷淋头，集水凹槽和自启式喷淋头通过集水罐连接，所述集水凹槽与上部壳体相连通，所述自启式喷淋头与下部壳体连通，其中水泵入口与冷水管出口连通，水泵出口与冷凝管入口连通。
2.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，输入壳体的热源自下而上由N级换热区向2级换热区输送，与冷凝管内冷源换热，部分气体发生相变而成为冷凝水，冷凝水流入1级换热区继续放热，将热量传递给冷水管内冷源，降至预定出口温度后流出冷凝器，冷源先在1级换热区的冷水管中循环，与冷凝水换热，而后由水泵抽入2级换热区的冷凝管，从上至下沿2～N级循环折返，与热源进行热交换。
3.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述上部壳体内，2～N级换热区进行壳程热源与冷凝管内经冷水管预热后的冷源换热，其中N级换热区壳体侧设有热源入口，2级换热区冷凝管设有冷源入口。
4.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述下部壳体内，1级换热区进行壳程冷凝水与冷水管内冷源的热交换，同时下部壳体作为储液区，用以储存温度高于预定出口温度的冷凝水。
5.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述冷凝管和冷水管在壳体中以圆内切正多边形确定每级与每层所设绕管数，每级冷凝管U型水平串联循环往返，每两级冷凝管之间用U型弯管竖直串联，每层冷水管U型水平串联循环往返，每两层冷水管之间以U型弯管竖直串联。
6.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述壳体为横置式圆筒形。
7.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，还包括折流板，所述折流板呈预定倾角左右交错排列位于上部壳体内，以分隔2～N级换热区。
8.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，当集水罐内冷凝水体积小于容积预设值时，喷淋头处于闭合状态；当集水罐内冷凝水体积大于容积预设值时，由水压力作用触发喷淋头自动开启，冷凝水降至1级换热区，直至罐内冷凝水体积再次小于或等于容积预设值，喷淋头自动关闭。
9.根据权利要求1所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述冷水管和冷凝管的管段连接部位均采用U型弯头。
10.根据权利要求7所述的一种新型多级换热冷凝器，其特征在于，所述壳体、分室挡板和折流板均采用绝热材料。
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