CN1884953A - 多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置。包括上箱体、列管换热器和下箱体，上箱体通过水泵和下箱体相连接，列管换热器分别与上箱体、下箱体相连接，所述列管换热器包括上管板、下管板、换热管、壳体、折流挡板、布膜喷嘴和分气管；所述上、下管板设置在列管换热器的上、下部，上管板保持水平，下管板沿热流体流动方向倾斜，换热管通过上管板、下管板中的孔固定，所述折流挡板设置在换热管管束之间。本发明通过对非饱和蒸发过程的精密控制设计，采用管内插入物、新型传热管和强化传热表面技术，实现多相流热湿传递的最小能耗，最高传热效能，达到节能节水、减小设备体积、强化传热效果和降低噪声的目的。

Description

多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，更具体的说，它涉及一种多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置。

背景技术

传统的非蒸发冷却设备在管内进行制冷剂冷凝放热过程，管外水从管束顶部喷淋而下，在管表面形成一层水膜，然后滴落到下一层管排；风从管束底部吹入，掠过管束并与管表面的水膜传热传质，形成非饱和蒸发。非饱和蒸发主要发生在传热管壁表面水膜与空气的接触界面上，这个过程为不连续降膜过程，水膜很难完全均匀地覆盖管表面，因此不能达到最大程度的非饱和蒸发；在水膜不能覆盖的地方，由于蒸发的存在，很容易形成“干斑”现象，时间久了不仅会形成垢体大大降低换热效率，而且会对管壁造成腐蚀破坏；另一方面，管束的布置结构一般为叉排，即正三角形排布，沿气流方向阻力较大，增大了空气压降，降低了风速，对非饱和蒸发换热也不利。

传统的立式冷凝器外壳是用钢板卷制成的大圆筒，圆筒两端焊有多孔管板，板上用涨管法或焊接法固定着许多根无缝钢管，冷却水自上而下在管内流过，制冷剂气体在壳体内管束之间冷凝后积聚在冷凝器的底部，经出液管流入贮液器。冷凝器的顶端装有配水箱，使冷却水能均匀的分配到各个管口，每根钢管的管口上装有一只带斜槽的分水器；冷却水通过分水器上的斜槽后沿钢管内壁作螺旋线状向下流动。与非蒸发冷却装置相比，立式冷凝器管内无通风，只是利用了水的温升显热来带走热量，不但换热效率不高，而且冷却水需配备冷却塔处理才能循环使用，导致整体换热效果不好，结构复杂，运行费用高；另外，立式冷凝器的冷却水是通过带斜槽的分水器分配到每条换热管内，并形成螺旋状水流沿传热管内壁流下，随着下落高度增大，水的螺旋状流动减弱，将大大影响传热效果。

技术内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种设备紧凑、传热效率高的多相流非饱和管内蒸发直接冷却设备。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：本发明的多相流非饱和管内蒸发直接冷却设备包括上箱体、列管换热器和下箱体，列管换热器通过螺栓或者焊接与上箱体、下箱体固定连接。上箱体用于空气循环和水分部，为含有风机、挡水板和分水器的圆柱形箱体；下箱体用于补充空气和回收冷凝水，为含有进风格栅、浮球阀和积水箱的圆柱形箱体；积水箱通过水泵与分水器连接。

所述列管换热器包括上管板、下管板、换热管、壳体、折流挡板、布膜喷嘴和分气管；所述上、下管板设置在列管换热器的上、下部，上管板保持水平，下管板沿热流体流动方向倾斜3°～6°，换热管以直列的方式通过上、下管板中的孔固定；所述折流挡板设置在换热管管束之间。

所述列管换热器的壳体即为本冷却装置的外壳，是由钢板卷制而成的圆柱筒；所述换热管通过上管板、下管板中的孔以焊接或胀管的方式固定；所述换热管由圆管、方管、椭圆管、扭曲管中的一种或多种组成，结构为立式或斜卧方式；所述换热管的传热壁面可以是一维、二维、三维的凹凸槽或者有切削和无切削挤压成形的鳍片强化传热表面；所述换热管内壁装有内插件，它由一条或多条刚性原线组成；所述内插件由塑料和/或金属材料制成，横截面为圆形、椭圆形或矩形；所述折流挡板为弓形折流挡板，沿热流体的流动方向倾斜3°～6°；所述布膜喷嘴由若干根小管组成，布置于每个管口内，喷嘴的喷淋水方向与传热管轴线成45°～60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)管内利用水的非饱和蒸发带走热量，单位面积热负荷比使用光管的立式冷凝器高20％-30％，具有高效节能的特点；(2)管内壁形成均匀薄层水膜并连续沉降，真正完全覆盖传热壁面，增大了有效传热面积；同时水膜沉降速度增大，与空气采用逆流操作时，形成管内多相流直接冷却非饱和蒸发热湿传递过程，气液两相流相对速度也得到很大提高，促进非饱和蒸发热湿传递，增强冷却效果；(3)通过计算机热湿传递数学模型模拟，结合实验研究，给出切实可行的技术参数，精确控制管内热湿传递高度，使管内始终处于非饱和蒸发；(4)冷却水在管内螺旋线或其它内插件的诱导下，形成稳定连续螺旋状流动水膜，使液膜波动加剧、湍流增强，液膜层流底层减薄，热阻减小，改善传热效果；(5)空气在管中心流道内忽略气液界面的切应力，几乎处于无阻碍的流动状态，这极大地提高了空气流速，增强蒸发换热，在相同的风速下可大大节约风机功耗；(6)壳体采用圆形结构，并且换热管束直列形式，间距较小，大大减小了占地面积；(7)列管换热器与上下箱体直接连接，减少了弯管工艺，且无需另外制作外壳，结构简单紧凑；(8)根据实际工艺需要，可以方便实现不同换热管、不同多相流操作、不同强化表面、不同内插件、不同结构间的自由组合；(9)水膜完全覆盖管壁面，且流速大，流动冲刷能力强，消除了由于水的蒸发导致的干斑现象，大大降低了结垢和腐蚀问题，真正解决了蒸发冷却行业长期应用中的难题；(10)特殊结构的折流挡板设计，使冷凝液能及时排出，减薄冷凝液厚度，增强管外冷凝传热系数；(11)特殊设计的布膜喷嘴布水效果好，空气阻力小。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是图1的A-A截面图；

图3是本发明中换热管的结构图；

图4是图3的A-A截面图；

图5是本发明中布膜喷嘴的结构图；

图6是图5的俯视图。

图中：风机1  挡水板2  分水器3  列管换热器4  进风隔栅5  浮球阀6积水箱7  水泵8  布膜喷嘴9  上管板10  下管板11  分气管12  壳体13  折流挡板14  换热管15  螺旋线16  主水管17  小支管18

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，本发明不限于此。

如图1所示，本发明的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置包括上箱体、下箱体和列管换热器4。上、下箱体形状均为圆柱形，上箱体中含有风机1、挡水板2和分水器3，实现本冷却装置的空气循环何水分部；下箱体中含有进风格栅5、浮球阀6和积水箱7，进风格栅5为圆柱形，位于下箱体上部，可使空气从任何方向进入下箱体；分水器3通过水泵8与积水箱7连接。列管换热器4通过焊接或螺栓与上箱体、下箱体固定连接。

列管换热器4中含有上管板10、下管板11、分气管12、壳体13、折流挡板14、换热管15和布膜喷嘴9。壳体13是用钢板卷制成的大圆筒，壳体13也为本冷却装置的外壳；上管板10、下管板11为多孔管板，位于圆筒上、下两端。上管板10保持水平，下管板11与水平方向夹角3°～6°并沿热流体出液方向倾斜；换热管15以直列方式通过焊接或胀管形式固定于上管板10、下管板11之间；折流挡板14沿流体流动方向倾斜3°～6°布置于换热管15之间。

如图2所示，列管换热管4中，换热管15布置成正三角形，管中心间距为换热管外径的1.25倍。分气管12采用双支路侧向导流的形式均匀分布于列管换热管4中。

如图3、4所示，换热管15内含有螺旋线16，其紧贴于换热管管壁面。螺旋线16为一条或多条刚性原线，其制造材料为塑料、金属或者其结合，螺旋线的螺纹升角为45°～75°，螺纹沿换热管轴向旋转360°，螺旋线的直径为换热管直径的1/10～1/30，螺旋线的螺距与换热管直径之比为(0.085～1)：1。其工作原理为：换热管管内喷淋水在空气和螺旋线的相互作用下，管内壁的液膜受离心力作用加剧下滑，湍流增加，液膜层流底层减薄，热阻减小，从而增大传热系数；螺旋线可看作多组连续的短区，这些短区之间建立的稳定速度分布被流体连续不断的变化打断，使流体的湍流增加而起到强化传热的作用；另外，由于局部速度区和流体分布的合理化，传热效果更加均衡。

在图5、6中，布膜喷嘴9由一个主水管17和四个小支管18构成，管子采用PVC材料；主管与分水器连接，引入冷却水，并通过四根小支管进行布膜喷水，支管与喷淋水方向与轴线成45°～60°，从而可使喷淋水均匀地分布在内管壁。

本发明的冷却原理和过程如下：制冷剂蒸汽由分气管12进入列管换热器4的壳程，在壳体13内与换热管束15进行换热，并通过折流档板14的作用，沿壳程曲折流动，充分换热，冷凝后的液体沿管壁及倾斜的折流挡板流下，在换热器底部积聚，并由于底部的下管板11向出液口方向倾斜使之顺利流出。冷却水由水泵8打到分水器3，使冷却水均匀分配到管内壁。管内冷却水在螺旋线16的诱导下沿管壁形成稳定连续的螺旋状水膜，在重力作用下快速下落，完全覆盖换热管壁并与壁面充分换热，吸收壳程蒸汽冷凝热量，并通过部分水分蒸发将热量再传给空气，未蒸发的水分流出换热管15，下落到积水箱7内，进行下一次循环冷却。空气在风机1的作用下由装置底部的圆筒状进风格栅5沿各个方向进入箱体，并均匀分配到各个管口内，进入换热管中心，与快速下落的水膜在一个连续的圆筒状汽液界面上进行充分的非饱和蒸发，带走潜热，湿度逐渐增大。当空气湿度达到饱和后，从换热器上部管板排出，流经挡水板2，除去夹带的水滴后从装置顶部的出风口排到大气中。由于空气在管中心流动，除了水膜界面的剪切力外，几乎处于无阻力的流动状态，一方面可以快速将热量带出，提高冷却换热效率，另一方面降低了风机功耗，节约了能量。

Claims (9)

1、一种多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，包括上箱体和下箱体，上箱体通过水泵和下箱体相连接，其特征在于，还包括列管换热器，所述列管换热器分别与上箱体、下箱体相连接，所述列管换热器包括上管板、下管板、换热管、壳体、折流挡板、布膜喷嘴和分气管；所述上、下管板设置在列管换热器的上、下部，上管板保持水平，下管板沿热流体流动方向倾斜3～6°，换热管通过上管板、下管板中的孔固定；所述折流挡板设置在换热管管束之间。

2、根据权利要求1所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述列管换热器的壳体即为本冷却装置的外壳，是由钢板卷制而成的圆柱筒。

3、根据权利要求1或2所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述换热管通过上管板、下管板中的孔以焊接或胀管的方式固定。

4、根据权利要求3所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述换热管由圆管、方管、椭圆管、扭曲管中的一种或多种组成，结构为立式或斜卧方式。

5、根据权利要求4所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述换热管的传热壁面可以是一维、二维、三维的凹凸槽或者有切削和无切削挤压成形的鳍片强化传热表面。

6、根据权利要求5所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述换热管内壁装有内插件，它由一条或多条刚性原线组成。

7、根据权利要求6所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述内插件由塑料和/或金属材料制成，横截面为圆形、椭圆形或矩形。

8、根据权利要求7所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述折流挡板为弓形折流挡板，沿热流体的流动方向倾斜3°～6°。

9、根据权利要求8所述的多相流非饱和管内蒸发直接冷却装置，其特征在于，所述布膜喷嘴由若干根小管组成，布置于每个管口内，喷嘴的喷淋水方向与传热管轴线成45°～60°。

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