CN114152105B - 冷凝装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷凝装置，包括：进气室，所述进气室设有乏汽进口；冷凝室，与所述进气室连通，所述冷凝室内设有冷凝结构，所述冷凝结构包括冷凝主体以及分布于所述冷凝主体上的多个雾化喷嘴，所述冷凝结构用于冷凝乏汽；以及，水箱，设于所述冷凝室之后，用于收集冷凝水；其中，所述冷凝主体具有第一管路与第二管路，所述第一管路用于供过冷水流动，所述第二管路用于供气体流动，各所述雾化喷嘴分别与所述第一管路以及所述第二管路连通，用于雾化过冷水。本发明提供的冷凝装置，旨在解决传统技术中混合冷凝装置的水膜与乏汽的冷凝接触面积有限，实际传热端差偏离设计值，冷凝效率较低的问题。

Description

冷凝装置

技术领域

本发明涉及冷凝技术领域，尤其涉及一种冷凝装置。

背景技术

动力系统是船舶的重要组成部分，冷凝器是动力系统中最常见、也最为重要的装置之一，以主冷凝器为例，其通过冷却水冷凝汽轮机等部件排出的乏汽，得到冷凝水并通过凝水及给水模块输送回蒸汽发生装置。相对于陆上固定平台的冷凝器，海洋平台冷凝器在紧凑性、可靠性、重量等方面要求更高。传统船舶等海洋平台冷凝器采用管壳式或缠绕管式换热器结构，安全可靠性相对较高，但体积重量大，占据大量船舶等海洋平台宝贵空间和负载，同时由于乏汽冲刷等作用，换热管存在腐蚀风险，影响动力系统可靠性。板式换热器结构相对紧凑，但其存在承压能力不强，安全可靠性偏弱等问题。

混合冷凝装置采用过冷水与蒸汽直接接触冷凝方式，换热系数相较于管壳式等间壁式换热器高至少一个数量级，具有换热系数高、体积重量小、安全可靠性高等优势，十分适用于船舶等海洋平台。当前主流的混合冷凝装置水室中水通过喷嘴至折流板，形成水膜，与乏汽接触发生冷凝，冷凝水从出口排出。水膜质量是影响混合冷凝装置性能的关键，而实际操作过程中，水膜质量难以调控，导致实际运行过程中传热端差往往高于设计端差，影响换热效果。采用雾化喷嘴可将过冷水进一步雾化，通过液滴与乏汽接触，大大增加接触面积，从而使得换热器结构进一步紧凑，提升混合冷凝装置性能。

发明内容

本发明提供一种冷凝装置，旨在解决传统技术中混合冷凝装置的水膜与乏汽的冷凝接触面积有限，实际传热端差偏离设计值，冷凝效率较低的问题。

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种冷凝装置，包括：

进气室，所述进气室设有乏汽进口；

冷凝室，与所述进气室连通，所述冷凝室内设有冷凝结构，所述冷凝结构包括冷凝主体以及分布于所述冷凝主体上的多个雾化喷嘴，所述冷凝结构用于冷凝乏汽；以及，

水箱，设于所述冷凝室之后，用于收集冷凝水；

其中，所述冷凝主体具有第一管路与第二管路，所述第一管路用于供过冷水流动，所述第二管路用于供气体流动，各所述雾化喷嘴分别与所述第一管路以及所述第二管路连通，用于雾化过冷水。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述冷凝装置还包括依次连接的抽气机、疏水装置以及空压机，所述抽气机与所述进气室连通，用于抽取回收所述进气室内的混合气体，所述疏水装置用于分离所述混合气体中的气体与液体，所述空压机与所述第二管路连通，用于对所述疏水装置分离后的气体加压。

根据本发明提供的一种冷凝装置，各所述雾化喷嘴包括：

喷嘴本体，具有依次设置、且相互连通的液冷腔、混合腔以及共振腔，所以喷嘴本体上设有与所述共振腔连通的雾化喷口；

液冷通道，设于所述液冷腔内，所述液冷通道具有液冷进口以及液冷出口，所述液冷进口与所述第一管路连通；以及，

气体通道，设于所述液冷腔内，所述气体通道具有气体进口以及气体出口，所述气体进口与所述第二管路连通；

其中，所述液冷出口与所述气体出口均与所述混合腔连通，所述混合腔用于混合所述液冷通道内的过冷水与所述气体通道内的气体，所述共振腔用于使得混合物在所述共振腔内发生共振从而使得过冷水雾化。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述雾化喷嘴包括气体管路，所述气体管路内形成所述气体通道；

所述气体管路设于所述液冷腔内，所述液冷通道形成于所述液冷腔的内壁与所述气体管路的外壁之间。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述气体通道包括普通段以及形成于所述普通段中部的缩放段，所述缩放段的通道内径小于所述普通段的通道内径，以对气体进行加速。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述混合腔与所述液冷腔连通处设有混合喷口，所述混合喷口的口径小于所述液冷腔的直径。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述喷嘴主体包括外壳，所述外壳包括依次设置的液冷壳体、混合壳体以及共振壳体，所述液冷壳体呈柱状，所述混合壳体呈圆台状，所述混合壳体的直径自所述液冷壳体向所述共振壳体方向呈渐缩设置，所述共振壳体呈管状；

所述液冷腔形成于所述液冷壳体内，所述混合腔形成于所述混合壳体内，所述共振腔形成于所述共振壳体内，所述共振壳体的端部开设有与所述共振腔连通的所述雾化出口。

根据本发明提供的一种冷凝装置，各所述冷凝主体包括沿所述冷凝主体高度方向依次设置、且互相连通的多个水室，各所述雾化喷嘴分设于各所述水室的外侧壁上、且与各所述水室连通。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述冷凝结构包括多个，各所述冷凝结构沿所述冷凝室的径向依次间隔设置，各所述冷凝结构均用于冷凝乏汽。

根据本发明提供的一种冷凝装置，所述进气室内设有多个乏汽通道，各所述乏汽通道均与所述乏汽进口连通，用于对乏汽分流。

本发明提供的冷凝装置，可在消耗较小空压机功耗的前提下实现过冷水的雾化，而不增加水介质压降，不增加过冷水回路负担，将过冷水雾化为尺寸较小水滴，大幅增加过冷水-乏汽接触面积，提升冷凝装置的换热性能，提升冷凝装置的紧凑度；此外采用雾化喷嘴，可实现雾化液滴尺寸的较均匀分布，有利于提高冷凝效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的冷凝装置的结构图示意图；

图2是图1中雾化喷嘴的剖视图示意图。

附图标记：

1：冷凝装置； 2：进气室； 3：冷凝室；

4：水箱； 5：抽气机； 6：疏水装置；

7：空压机； 8：乏汽进口； 9：乏汽通道；

10：冷凝结构； 11：冷凝主体； 12：水室；

13：雾化喷嘴； 14：喷嘴本体； 15：液冷腔；

16：混合腔； 17：共振腔； 18：液冷通道；

19：气体通道； 20：气体管路； 21：混合喷口；

22：雾化喷口； 23：液冷进口； 24：液冷出口；

25：气体进口； 26：气体出口； 27：缩放段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图2描述本发明的冷凝装置1。

传统技术中冷凝装置的水膜与乏汽的冷凝接触面积有限，实际传热端差偏离设计值。针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种冷凝装置1，包括；进气室2，进气室2设有乏汽进口8，从汽轮机等设备排出的乏汽会从乏汽进口8进入进气室2；冷凝室3，与进气室2连通，冷凝室3内设有冷凝结构10，冷凝结构10包括冷凝主体11以及分布于冷凝主体11上的多个雾化喷嘴13，冷凝结构10用于冷凝乏汽；以及，水箱4，设于冷凝室3之后，用于收集冷凝水；

其中，冷凝主体11具有第一管路与第二管路，第一管路用于供过冷水流动，第二管路用于供气体流动，各雾化喷嘴13的分别与第一管路以及第二管路分别连通。通过设置上述雾化喷嘴13，能够显著提高该冷凝装置1对乏汽的冷凝效率。

进一步地，冷凝装置1还包括依次连接的抽气机5、疏水装置6以及空压机7，抽气机5与进气室2连通，进气室2上部不凝气体以及部分蒸汽会被抽气机5抽取，疏水装置6可以分离水与气体，抽气机5抽取的气体经过疏水装置6后，疏水装置6会一方面将回收后的冷凝水补充回船舶的冷凝水系统，再将部分不凝气体排出，而剩余不凝气体-水蒸气混合气体会经空压机7加压后，通入冷凝结构10，作为第二管路的气源。

需要说明的是，本发明提供的冷凝装置1设置有雾化喷嘴13，采用气泡超声雾化方式，将过冷水雾化，仅需消耗较小空压机7能耗，在不增加或少增加过冷水压降的前提下，相比传统乏汽-过冷水膜直接接触冷凝，换热面积大大增加，显著提升冷凝装置1的冷凝效率。同时，本发明将抽气机5抽出的不凝气体-蒸汽混合物经过疏水装置6以及空压机7压缩后继续注入冷凝结构10，作为第二管路的气源与过冷水接触，混合气体会进一步冷凝，实现对水蒸气的回收。相比传统混合冷凝装置1，可简化抽气机5，取消后冷却器，进一步提升混合冷凝装置1紧凑性，提升工质回收效率，减小造水系统等的负担。

具体地，雾化喷嘴13包括：喷嘴本体14，具有依次设置、且相互连通的液冷腔15、混合腔16以及共振腔17，喷嘴本体14上设有与共振腔17连通的雾化喷口22；液冷通道18，设于液冷腔15内，液冷通道18具有液冷进口23以及液冷出口24，液冷进口23与第一管路连通，液冷通道18内流通有过冷水；以及，气体通道19，设于液冷腔15内，气体通道19具有气体进口25以及气体出口26，气体进口25与第二管路连通，气体通道19内流通有高压气体。

在本发明提供的技术方案中，液冷出口24与气体出口26均与混合腔16连通，过冷水与高压气体会在混合腔16中进行均匀混合再进入共振腔17。通过共振腔17的设计，高压混合物会与共振腔17发生共振，产生超声波，在高压混合气体与超声波作用下，过冷水会被撕裂形成尺寸分布较为均匀的过冷水雾化液滴。相较于传统技术中雾化喷嘴，本发明提供的雾化喷嘴13喷出的雾化液滴分布较为均匀，且可通过调节高压气体的流速以及共振腔17的尺寸达到控制雾化液体尺寸的效果，有利于提高雾化效率进而提高冷凝装置1的冷凝效果。

在本发明提供的技术方案中，气体通道19与液冷通道18可以有多种设置方式，只要气体通道19与液冷通道18是分隔设置的即可。在本实施例中，雾化喷嘴13包括气体管路20，气体管路20内形成气体通道19；气体管路20设于液冷腔15内，液冷通道18形成于液冷腔15的内壁与气体管路20的外壁之间，如此简化了喷嘴本体14的结构。可参阅图2，液冷通道18形成于气体管路20的外壁与液冷腔15的内壁之间，相当于液冷通道18环设于气体通道19之外，如此能达到高压气体与过冷水充分的混合作用。当然，也可设置多个液冷通道18环布于气体通道19的周围，也可在液冷腔15内设置与气体管路20类似的液冷管路用于形成液冷通道18，本发明对此并不加以限定。

需要说明的是，在气体通道19内流通的是高压气体，而高压气体在流通的过程中可能会发生压力的损耗和流失，在本发明提供的技术方案中，气体通道包括普通段以及形成于普通段中部的缩放段27，缩放段27的通道内径小于普通段的通道内径，以对气体进行加速。请参阅图2，气体通道19自气体进口25至缩放段27之间通道内径不变，在缩放段27处通道内径突然缩小，有利于对高压气体进一步进行增压。在本实施例中，气体管路20采用了拉法尔喷管的形式，以便对气体加速。

进一步地，混合腔16与液冷腔15连通，用于混合高压气体与过冷水，在本发明提供的技术方案中，混合腔16与液冷腔15连通处设有混合喷口21，混合喷口21的口径小于液冷腔15的直径。一方面，高压气体与过冷水会在混合喷口21处进行碰撞混合，进一步提高高压气体与过冷水的混合效果，另一方面，混合喷口21的口径小于液冷腔15的直径，也能进一步减少混合气体的压力损失，保证后续的雾化效果。

请参阅图2，喷嘴主体包括外壳，外壳包括依次设置的液冷壳体、混合壳体以及共振壳体，液冷壳体呈柱状，混合壳体呈圆台状，混合壳体的直径自液冷壳体向共振壳体方向呈渐缩设置，共振壳体呈管状；可以理解的是，共振壳体的直径不变，共振壳体的直径不变，混合壳体的直径由共振壳体的直径大小逐渐过渡到共振壳体的直径大小，即液冷腔15、混合腔16以及共振腔17的腔室大小是逐渐减小设置的，如此能够满足对气体的加速以及气体与过冷水的混合需求。

还需要说明的是，液冷腔15形成于液冷壳体内，混合腔16形成于混合壳体内，共振腔17形成于共振壳体内。当然，液冷腔15也可如本实施例附图所示，形成于液冷壳体与混合壳体之中，本发明对此并不加以限定。共振壳体内形成有共振腔17，共振腔17由图示为一个通道。需要说明的是，汽水两相流在混合喷口21处射出，压力突然变小，混合气流中的气泡会膨胀撕裂水膜形成液滴。同时利用高速气体作为动力源，当气体射流的本征频率和共振腔17体本征频率接近乃至重合时会发生共振，产生高频波动，在高频(超声频率)作用下，液片内部空化等现象加剧，液膜更易被撕裂形成雾化液滴。还需要说明的是，雾化液滴的大小与本征频率、气流速度等相关，进而通过设计共振腔17的长度或者直径，或者调节高压气体的流速，以达到调节雾化液体尺寸的效果。

请参阅图1，在本发明提供的技术方案中，冷凝主体11包括沿冷凝主体11高度方向依次设置、且互相连通的多个水室12，各雾化喷嘴13分设于各水室12上、且与各水室12连通。由于设置了连通的水室12，各水室12之间形成了上述第一管路，过冷水会在各水室12之间流动，并通过液冷进口23进入雾化喷嘴13；而上述不凝气体-蒸汽混合气体也会通过冷凝主体11的第二管路流入不同水室12，经各水室12壁面，沿程流入雾化喷嘴的气体入口；如此过冷水与高压气体便会在各雾化喷嘴13中发生混合并进行雾化，而乏汽与雾化后的液滴进行接触，会迅速冷凝形成冷凝水，通过水箱4进行收集补充回冷凝水系统。

需要说明的是，为了提高冷凝效率，在本发明提供的技术方案中，冷凝结构10包括多个，各冷凝结构10沿冷凝室3的径向依次间隔设置，各冷凝结构10均用于冷凝乏汽。由于本发明提供的冷凝装置1采用气泡超声雾化方式，相比传统乏汽-过冷水膜直接接触冷凝，换热面积大大增加，显著提升冷凝装置1冷凝效率，并且水室12间距离可以大大缩小，提升装置紧凑性。

还需要说明的是，进气室2内设有多个乏汽通道9，各乏汽通道9均与乏汽进口8连通，用于对乏汽分流，如此可以对乏汽进行均匀分散，使得乏汽能够与雾化的液体均匀接触，提高冷凝效率。

通过本发明提供的冷凝装置1，可在消耗较小空压机7功耗的前提下实现过冷水的雾化，而不增加水介质压降，不增加过冷水回路负担，将过冷水雾化为尺寸较小水滴，大幅增加过冷水-乏汽接触面积，提升混合冷凝装置1换热性能，减小水室12之间距离，提升混合冷凝装置1紧凑度；此外采用雾化喷嘴13，可实现雾化液滴尺寸的较均匀分布，通过调节共振腔17的尺寸参数或者气体的流速，可实现雾化液滴尺寸的调节，进一步提升冷凝装置1的适用性；此外本发明中气体来源于抽气机5抽出的进气室2中的不凝气和蒸汽混合物，可取消传统技术中的抽气机中换热装置，实现蒸汽在雾化喷嘴中的回收，降低了动力系统工质损耗量，同时可取消后冷却区，进一步提升冷凝装置1紧凑度。

最后应说明的是：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应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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精神和范围。

Claims (9)

1.一种冷凝装置，其特征在于，包括：

进气室，所述进气室设有乏汽进口；

冷凝室，与所述进气室连通，所述冷凝室内设有冷凝结构，所述冷凝结构包括冷凝主体以及分布于所述冷凝主体上的多个雾化喷嘴，所述冷凝结构用于冷凝乏汽；以及，

水箱，设于所述冷凝室之后，用于收集冷凝水；

其中，所述冷凝主体具有第一管路与第二管路，所述第一管路用于供过冷水流动，所述第二管路用于供气体流动，各所述雾化喷嘴分别与所述第一管路以及所述第二管路连通，用于雾化过冷水；

其中，各所述雾化喷嘴包括，喷嘴本体，具有依次设置、且相互连通的液冷腔、混合腔以及共振腔，所以喷嘴本体上设有与所述共振腔连通的雾化喷口；

液冷通道，设于所述液冷腔内，所述液冷通道具有液冷进口以及液冷出口，所述液冷进口与所述第一管路连通；以及，

气体通道，设于所述液冷腔内，所述气体通道具有气体进口以及气体出口，所述气体进口与所述第二管路连通；

其中，所述液冷出口与所述气体出口均与所述混合腔连通，所述混合腔用于混合所述液冷通道内的过冷水与所述气体通道内的气体，所述共振腔用于使得混合物在所述共振腔内发生共振从而使得过冷水雾化。

2.根据权利要求1所述的冷凝装置，其特征在于，所述冷凝装置还包括依次连接的抽气机、疏水装置以及空压机，所述抽气机与所述进气室连通，用于抽取回收所述进气室内的混合气体，所述疏水装置用于分离所述混合气体中的气体与液体，所述空压机与所述第二管路连通，用于对所述疏水装置分离后的气体加压。

3.根据权利要求1所述的冷凝装置，其特征在于，所述雾化喷嘴包括气体管路，所述气体管路内形成所述气体通道；

所述气体管路设于所述液冷腔内，所述液冷通道形成于所述液冷腔的内壁与所述气体管路的外壁之间。

4.根据权利要求3所述的冷凝装置，其特征在于，所述气体通道包括普通段以及形成于所述普通段中部的缩放段，所述缩放段的通道内径小于所述普通段的通道内径，以对气体进行加速。

5.根据权利要求1所述的冷凝装置，其特征在于，所述混合腔与所述液冷腔连通处设有混合喷口，所述混合喷口的口径小于所述液冷腔的直径。

6.根据权利要求1所述的冷凝装置，其特征在于，所述喷嘴主体包括外壳，所述外壳包括依次设置的液冷壳体、混合壳体以及共振壳体，所述液冷壳体呈柱状，所述混合壳体呈圆台状，所述混合壳体的直径自所述液冷壳体向所述共振壳体方向呈渐缩设置，所述共振壳体呈管状；

所述液冷腔形成于所述液冷壳体内，所述混合腔形成于所述混合壳体内，所述共振腔形成于所述共振壳体内，所述共振壳体的端部开设有与所述共振腔连通的所述雾化出口。

7.根据权利要求1-6任一项所述的冷凝装置，其特征在于，各所述冷凝主体包括沿所述冷凝主体高度方向依次设置、且互相连通的多个水室，各所述雾化喷嘴分设于各所述水室的外侧壁上、且与各所述水室连通。

8.根据权利要求7所述的冷凝装置，其特征在于，所述冷凝结构包括多个，各所述冷凝结构沿所述冷凝室的径向依次间隔设置，各所述冷凝结构均用于冷凝乏汽。

9.根据权利要求1所述的冷凝装置，其特征在于，所述进气室内设有多个乏汽通道，各所述乏汽通道均与所述乏汽进口连通，用于对乏汽分流。