CN115325731B - 一种阶梯式自对流冷凝器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阶梯式自对流冷凝器，包括：阶梯式汲热管、阶梯式蒸汽管、集水曲管、冷凝水收集室、绝热壳体；所述蒸汽管同轴套叠置于汲热管外，管径满足特定公式；冷水和蒸汽分别在汲热管和蒸汽管内流动，内外形成异面全自然对流传热；所述套叠管路每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度的倾斜平板上，使坡度与冷水流速满足给定公式；每两层阶梯式套叠管路间采用可拆卸套叠式U型管及集水曲管连接，集水曲管截面形状满足椭圆方程；所述冷凝水收集室出口设置气阀；所述阶梯式套叠管路和冷凝水收集室置于绝热壳体内。本发明的独特构思使冷热源完全自然对流，降低能耗和减小热阻，提升热能利用率和换热效率，节约占地空间，对高压和负压状态均适用。
Description
技术领域
本发明涉及冷凝器领域，具体涉及一种阶梯式自对流冷凝器。
背景技术
在电力系统和制冷系统中，冷凝器都是其中的主要设备之一。冷凝器的作用是将热源和冷源进行热交换，实现对能量的再回收利用，或对污染热源冷却后再排放，以减少对环境的污染。
冷凝器按照接触方式主要分为混合式冷凝器和间壁式冷凝器，其中间壁式冷凝器适用于不能或不愿让两种流体直接接触的情况，应用范围更广。间壁式冷凝器有板式、管壳式、套管式等多种形式。其中管壳式换热器存在冷热源接触时间短、冷热源温度差受限、换热效率低等问题，套管式换热器存在热流体与冷流体的流动需泵力推动，无法实现自然流动和自然对流；无法让冷凝液快速收集至底层，冷凝液附在管壁增大换热阻力；各管路由固定的U型管连接，不易维修；外部无壳体保护，与外界环境的散热无法避免，受外部环境影响较大，外管易磨损和破旧；内外管径的比例和流速流量的比例设定不明确，冷流体消耗量大，具有换热效率和热能利用率较低等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种阶梯式自对流冷凝器，以解决冷热源接触时间短、难以形成自然流动对流、冷凝液附着导致换热阻力大、换热率低、能量回收利用不足等问题。
为了达到上述目的，本发明是采用以下技术方案来实现的：
一种阶梯式自对流冷凝器，包括：阶梯式汲热管、阶梯式蒸汽管、集水曲管、冷凝水收集室和绝热壳体；
所述阶梯式汲热管与阶梯式蒸汽管为同轴且呈套叠形式，构成阶梯式的套叠管路；所述阶梯式汲热管管径小于所述阶梯式蒸汽管；
所述套叠管路每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板上，各层的每两根阶梯式套叠管之间采用套叠式U型管连接，每两层阶梯式套叠管路之间采用套叠式U型管及集水曲管连接；所述集水曲管形状满足椭圆旋转体方程，表达式如下：
其中，x、y、z代表构成空间坐标系的三个方向，且方向设定满足笛卡尔坐标系右手定则；
所述冷凝水收集室与集水曲管连接，并设有气阀和排水口；冷凝水收集室和阶梯式套叠管路置于所述绝热壳体内，冷凝水收集室位于近底部壳体内，阶梯式套叠管路位于冷凝水收集室上方；
所述汲热管管径dl和蒸汽管管径dv满足公式其中传热比/>hl、hv分别是指冷水和蒸汽传热系数；冷水在所述阶梯式汲热管内从上而下自然流动，蒸汽在所述阶梯式汲热管与阶梯式蒸汽管的管间从下而上自然流动，内外形成异面全自然对流传热。
进一步地，所述阶梯式蒸汽管与阶梯式汲热管的管间形成蒸汽通路，蒸汽从壳体下侧入口自下而上沿蒸汽通路自然流动，与汲热管内冷水按照质量流量比κm进行异面自然对流传热，发生相变产生冷凝水；其质量流量比κm数学表达式为：
其中cl是冷水比热容，rv是蒸汽潜热，Δtl是冷水换热温差；
所述冷凝水自上而下沿蒸汽通路经由集水曲管流至壳体下部的冷凝水收集室内；其中截面形状满足椭圆方程的集水曲管使上层蒸汽通路中的冷凝水快速收集至下层。
进一步地，所述阶梯式汲热管管径小于阶梯式蒸汽管；冷水从壳体上侧入口自上而下沿阶梯式汲热管路流动，与汲热管外的蒸汽按照流速比进行自然对流换热，其数学表达式如下：
其中密度比ρv、ρl是蒸汽和冷水密度。
进一步地，所述阶梯式套叠管路每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板上，J取2％～3％；每层套叠管路之间采用套叠式U型管横向呈J坡度串联连接；每层套叠管路设有一个流速控制阀，使汲热管内冷水流速的数学表达式如下：
其中，Wmin，Wmax分别为每日冷凝水最小和最大产出量，λ是沿程阻力系数，τ为每日工作时长，g为重力加速度；每两层套叠管路之间采用集水曲管和套叠式U型管连接，且集水曲管和套叠式U型管处于上下两层管路的不同端，连接上层末管和下层首管；其中套叠式U型管的内外管管径分别为dl和dv，且采用竖向串联法兰连接，为可拆卸接口。
进一步地，所述冷凝水收集室位于壳体下部，与底层集水曲管连接，收集阶梯式套叠管路内的冷凝水；收集室底部设有排水口和气阀，气阀安装在排水口处；当冷凝器工作时，气阀呈闭合状态，冷凝水存于收集室内，并维持冷凝器内设定的高于常压或低于常压的工作环境；当冷凝器完全停止工作，气阀打开，使冷凝器内压力调节为常压，冷凝水排出冷凝器。
具体地，所述绝热壳体为横置式圆筒形。
根据以上技术方案，本发明具有的有益效果是：
该装置在对内部管路有良好防护和隔热的前提下，独特的管路设计使冷热源完全自然对流，降低能耗，节约能源；按照所设定的管径比例和流速-坡度关系加工，让冷热源获得足够的接触时间和传热面积，达到预期换热量，有效实现热能的交换，节约冷源用量，提升热能利用率和换热效率；集水曲管设计可将冷凝水快速收集至底层，减小热阻；冷凝器工作时气阀闭合、停用时气阀开启，能有效维持内部压力，对高压和负压均适用，即运行压力范围增大，同时自动清除装置内残留的蒸汽和水滴；此外分层叠置显著减少占地面积。
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。
图1是本发明实施例提供的阶梯式自对流冷凝器的侧视图；
图2是本发明实施例提供的阶梯式套叠管路侧视图；
图3是本发明实施例提供的阶梯式套叠管路俯视图；
附图标记：1、阶梯式汲热管；2、阶梯式蒸汽管；3、集水曲管；4、冷凝水收集室；5、绝热壳体；6、阶梯式套叠管路；7、套叠式U型管；8、倾斜平板。
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1～3，本发明实施例提供一种阶梯式自对流冷凝器，包括：阶梯式汲热管1、阶梯式蒸汽管2、集水曲管3、冷凝水收集室4、绝热壳体5；所述阶梯式汲热管1的管径小于阶梯式蒸汽管2，两管同轴呈套叠形式，构成阶梯式套叠管路6，所述汲热管1的管径dl和蒸汽管2的管径dv满足公式：其中传热比/>hl、hv分别是指冷水和蒸汽传热系数。
冷水在所述阶梯式汲热管1内从上而下自然流动，蒸汽在所述阶梯式汲热管1与阶梯式蒸汽管2的管间从下而上自然流动，内外形成异面全自然对流传热；所述套叠管路每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板8上，各层的每两根阶梯式套叠管之间采用套叠式U型管连接，每两层阶梯式套叠管路6之间采用可拆卸套叠式U型管7及集水曲管3连接，且所述集水曲管3的形状满足椭圆旋转体方程：其中x、y、z代表三个方向，构成空间坐标系，方向设定满足笛卡尔坐标系右手定则。
所述冷凝水收集室5与集水曲管3连接，并设有气阀和排水口；冷凝水收集室4和阶梯式套叠管路6置于所述绝热壳体5内，冷凝水收集室4位于近底部壳体5内，阶梯式套叠管路6位于冷凝水收集室4上方。
需要说明的是，蒸汽和冷水的完全自然对流换热可以降低能耗，分层叠置式阶梯套叠管路6的设计可以在提升换热效率的前提下有效减小占地面积；集水曲管3按照所述形状方程设计加工，在不提高加工难度的同时，可以有效避免冷凝水流经曲管时附着在其管壁，从而快速收集各层冷凝水；管径间的关系公式和集水曲管3的形状方程都是为了提升换热效率，改善换热效果，在实际应用中可以根据加工情况和换热条件进行一定的调整。
本实施例中，阶梯式蒸汽管2与阶梯式汲热管1的管间形成蒸汽通路，蒸汽从绝热壳体5下端入口自下而上沿蒸汽通路自然流动，与汲热管1内冷水按照的流量比进行异面自然对流传热，发生相变产生冷凝水；冷凝水自上而下沿蒸汽通路经由集水曲管3流至冷凝水收集室4内；冷水从绝热壳体5上端入口自上而下沿阶梯式汲热管路1流动，与汲热管1外的蒸汽按照/>的流速比进行自然对流换热，其中密度比
需要说明的是，上述公式中的cl是冷水比热容，rv是蒸汽潜热，ρ是蒸汽和冷水密度，Δtl是冷水换热温差；每两层之间设计的集水曲管3可以使每层蒸汽管路2中的冷凝水快速收集至底层，最终汇入冷凝水收集室4中，可以有效减少各层流动阻力和热阻，改善换热效果，提升换热效率。
本实施例中，阶梯式套叠管路6每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板8上，J一般可取2％～3％；每层套叠管路6之间采用套叠式U型管7横向呈J坡度串联连接；每层套叠管路设有一个流速控制阀，使汲热管1内冷水流速满足公式：其中Wmin,Wmax分别为每日冷凝水最小和最大产出量，λ是沿程阻力系数，τ为每日工作时长。
需要说明的是，采用流速控制阀按照流速限定式对冷水流速进行控制，可以保证在处理足量蒸汽的同时不需消耗过多冷水，减少冷水的用量，并有效保证工作速率和换热效率，同时也起到节约能源的作用；本装置采用倾斜平板8对阶梯式套叠管路6进行支撑，目的是为了稳固管路、消减因流速或温差导致的管子振动和热应力增加，使管路的适用范围增大，并对管路起到较好的保护作用。
本实施例中，所述连接每层阶梯式套叠管路6的套叠式U型管7为普通固定接口的套叠式U型管7，可以保证每层中的各管间密封性；每两层阶梯式套叠管路6的套叠式U型管7采用竖向串联法兰连接，为可拆卸接口，接口处设有垫片，可以避免接口漏液问题，每两层之间设置可拆卸的套叠式U型管7的目的是为了方便装置后期的维护和检修。
本实施例中，所述冷凝水收集室4位于绝热壳体5的下部，与底层集水曲管3连接，收集阶梯式套叠管路6内的冷凝水；收集室4底部设有排水口和气阀，气阀安装在排水口处；当冷凝器工作时，气阀呈闭合状态，冷凝水存于收集室5内，并维持冷凝器内设定的高于常压或低于常压的工作环境；当冷凝器完全停止工作，气阀打开，使冷凝器内压力调节为常压，冷凝水排出冷凝器。冷凝水收集室4的设计可以使装置能在高压或负压环境下运行，对高压和负压均适用，即运行压力范围增大，且可以提升与环境之间、与上部阶梯式套叠管路6之间的隔热效果，保证热能利用率。所述高压或负压的气压值是以常压的压力值为基准的。
本实施例中，所述绝热壳体5为横置式圆筒形，对材料要求低，只需满足防尘保温、固定管路等简单需求。横置式圆筒形的设计可以对面积有效利用，设置绝热壳体5的目的是为了减少阶梯式套叠管路6向外界环境散热，并避免管路受环境条件的影响，有效延长管路的使用寿命。
以水蒸汽和冷水在所述阶梯式自对流冷凝器中的负压换热为例。
换热过程：水蒸气从最底层阶梯式套叠管路6进入，在汲热管1和蒸汽管2的管环间自下而上自然浮升；冷水从最顶层阶梯式套叠管路6进入，在汲热管1内自上而下自然流动；水蒸气与冷水形成异面全自然对流传热，期间冷水升温形成中高温热水流出冷凝器，该部分热水可以作为热源被收集利用；水蒸气发生相变产生冷凝水，冷凝水沿集水曲管快速流动至下层，最终汇入冷凝水收集室4中，该部分冷凝水可以作为清洁水源被收集利用。
冷凝水排出过程：以装置内的换热处于负压环境为例，水蒸气和冷水在低于大气压的压力环境中进行换热，产生的冷凝水也是处于同样的压力范围。收集室5的出口处设置气阀，装置运行时，气阀闭合，冷凝水贮存在收集室4中，当装置一天的运行结束后，气阀打开，大气压与管内压力进行平衡，最终装置内压力恢复至大气压，冷凝水从收集室4内流出，在压力平衡的过程中，通过空气的流通清除装置内残留的蒸汽和水滴，以保证次日正常运行。
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 (6)
1.一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，包括：阶梯式汲热管(1)、阶梯式蒸汽管(2)、集水曲管(3)、冷凝水收集室(4)和绝热壳体(5)；
所述阶梯式汲热管(1)与阶梯式蒸汽管(2)为同轴且呈套叠形式，构成阶梯式的套叠管路；所述阶梯式汲热管(1)管径小于所述阶梯式蒸汽管(2)；
所述套叠管路每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板(8)上，各层的每两根阶梯式套叠管之间采用套叠式U型管(7)连接，每两层阶梯式套叠管路(6)之间采用套叠式U型管(7)及集水曲管(3)连接；所述集水曲管(3)形状满足椭圆旋转体方程，表达式如下：
其中，x、y、z代表构成空间坐标系的三个方向，且方向设定满足笛卡尔坐标系右手定则；
所述冷凝水收集室(4)与集水曲管(3)连接，并设有气阀和排水口；冷凝水收集室(4)和阶梯式套叠管路(6)置于所述绝热壳体(5)内，冷凝水收集室(4)位于近底部壳体内，阶梯式套叠管路(6)位于冷凝水收集室(4)上方；
所述汲热管管径dl和蒸汽管管径dv满足公式其中传热比/>hl、hv分别是指冷水和蒸汽传热系数；冷水在所述阶梯式汲热管(1)内从上而下自然流动，蒸汽在所述阶梯式汲热管(1)与阶梯式蒸汽管(2)的管间从下而上自然流动，内外形成异面全自然对流传热。
2.根据权利要求1所述的一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，所述阶梯式蒸汽管(2)与阶梯式汲热管(1)的管间形成蒸汽通路，蒸汽从壳体下侧入口自下而上沿蒸汽通路自然流动，与汲热管内冷水按照质量流量比κm进行异面自然对流传热，发生相变产生冷凝水；其质量流量比κm数学表达式为：
其中cl是冷水比热容，rv是蒸汽潜热，Δtl是冷水换热温差；
所述冷凝水自上而下沿蒸汽通路经由集水曲管(3)流至壳体下部的冷凝水收集室(4)内；其中截面形状满足椭圆方程的集水曲管(3)使上层蒸汽通路中的冷凝水快速收集至下层。
3.根据权利要求1所述的一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，所述阶梯式汲热管(1)管径小于阶梯式蒸汽管(2)；冷水从壳体上侧入口自上而下沿阶梯式汲热管(1)流动，与汲热管外的蒸汽按照流速比进行自然对流换热，其数学表达式如下：
其中密度比ρv、ρl是蒸汽和冷水密度。
4.根据权利要求1所述的一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，所述阶梯式套叠管路(6)每层呈阶梯式交错串联，置于给定坡度J的倾斜平板(8)上，J取2％～3％；每层套叠管路之间采用套叠式U型管(7)横向呈J坡度串联连接；每层套叠管路设有一个流速控制阀，使汲热管内冷水流速的数学表达式如下：
其中，Wmin，Wmax分别为每日冷凝水最小和最大产出量，λ是沿程阻力系数，τ为每日工作时长，g为重力加速度；每两层套叠管路之间采用集水曲管(3)和套叠式U型管(7)连接，且集水曲管(3)和套叠式U型管(7)处于上下两层管路的不同端，连接上层末管和下层首管；其中套叠式U型管(7)的内外管管径分别为dl和dv，且采用竖向串联法兰连接，为可拆卸接口。
5.根据权利要求1所述的一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，所述冷凝水收集室(4)位于壳体下部，与底层集水曲管(3)连接，收集阶梯式套叠管路(6)内的冷凝水；收集室底部设有排水口和气阀，气阀安装在排水口处；当冷凝器工作时，气阀呈闭合状态，冷凝水存于收集室内，并维持冷凝器内设定的高于常压或低于常压的工作环境；当冷凝器完全停止工作，气阀打开，使冷凝器内压力调节为常压，冷凝水排出冷凝器。
6.根据权利要求1所述的一种阶梯式自对流冷凝器，其特征在于，所述绝热壳体(5)为横置式圆筒形。
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| 基于气液两相流的循环集热晒管传热特性分析;孙志林;胡秋月;涂文荣;方诗标;杨洋;;农业工程学报(第24期);254-262 * |
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| CN115325731A (zh) | 2022-11-11 |
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