一種管殼式脈動熱管換熱器的製作方法

2023-09-18 13:46:40 1

專利名稱：一種管殼式脈動熱管換熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種換熱裝置，具體涉及的是一種為高效梯級利用能源而設計的管殼式脈動熱管換熱器。
背景技術：
隨著經濟的飛速發展，能源緊缺及浪費問題日趨嚴重，對涉及能耗的各種工業環節採用積極有效的節能減排措施將具有十分重要的工程意義。管殼式換熱器因具有可靠性高、結構緊湊、製作簡單等優點被廣泛的應用於石油化工、電力、環保、能源等各種工業領域。為此，對管殼式換熱器進行優化設計或結構改進，提高其換熱效能，是節能減排的一項
重要舉措。熱管是一種利用其內部工質的相變潛熱而實現能量交換的高效換熱器件，較之顯熱對流換熱具有更高的傳熱性能，且成本低廉，可靠性高。因此，熱管已經成為一種非常具有應用前景的冷、熱流體熱交換媒介而被應用於管殼式換熱器中。目前，較為常用的熱管主要有傳統毛細芯熱管和重力熱管等。但毛細芯熱管內壁上加工有毛細芯，製作工藝較為複雜，熱管尺寸和重量大，而重力熱管雖不需吸液芯，但冷凝段工質必須依靠重力輔助回流至蒸發段實現循環，所以在水平或是逆重力方向工作時，熱管傳熱性能會大大的降低甚至產生失效。因此，此類管殼式熱管換熱器雖換熱效率高，但是存在著製造工藝複雜、使用靈活性差、不宜沿逆重力方向布置等問題，因此，其應用推廣受到一定限制。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種成本低廉、結構簡單、安裝維護方便、可沿任意角度工作、並可實現能量梯級利用的管殼式脈動熱管換熱器。技術方案
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為
一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設置在所述殼程內，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端採用法蘭連接和密封圈或脹接的密封方式，將所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定並密封連接，其特徵在於在所述管程與殼程上設置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位於殼程內，脈動熱管的蒸發段位於管程內。所述脈動熱管沿所述管程軸向分組插入所述換熱器，每組所述脈動熱管沿所述管程的周向呈花瓣狀均勻排布，且排布密度和角度可根據工作負荷調整。所述脈動熱管採用模塊化設計，通過一種熱管固定組件以可拆裝的方式安裝在所述管程上，所述熱管固定件為兩片相互配合的法蘭盤，所述法蘭盤上加工有與所述脈動熱管相配合的凹槽，所述脈動熱管置於所述凹槽內並通過所述固定法蘭夾緊並與所述管程周向的插槽法蘭連接並密封。根據所述換熱器內的沿程換熱熱流量的大小選擇相應沸點的熱管工質來實現能量的梯級利用。所述脈動熱管的蒸發段內壁面進行親水化壁面改性，冷凝段內壁面進行疏水化壁面改性。 本發明脈動熱管是通過毛細金屬管經反覆彎折並首尾相接後抽真空並充注工質而形成的閉路式脈動熱管，毛細金屬管的材料可以根據工作條件、與工作介質相容性等選擇不同的材料，如碳素鋼、低合金鋼、不鏽鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。所述毛細管的當量直徑介於O. 5 3. 5mm。所述脈動熱管是一種新型熱管，其工作原理和傳統熱管有很大不同。由於其通道尺寸為毛細尺度，表面張力克服重力作用使管內工質在蛇形密閉的真空空間裡形成隨機分布的氣栓和液栓。其工作時，工質在蒸發段吸熱蒸發，氣泡迅速膨脹增大而升壓，推動工質流向低溫冷凝段，氣泡在冷凝段收縮破裂，壓力下降。由於兩端壓差，以及氣/液栓分布的隨機性和局部傳熱的不均勻性導致在相鄰管內壓力的不平衡，造成工質在蒸發段和冷凝段間自激勵脈動流動，實現熱量由一端到另一端的傳遞。整個工作過程無需消耗外部機械功和電功，完全是熱驅動下的自我脈動。與傳統熱管相比，其有以下優點體積小，結構簡單，成本低，傳熱性能好，可根據需要隨意彎曲。所述脈動熱管的蛇形通道彎數大於16 (平行管段數大於32)。這樣，足夠多的通道彎頭就可以提供管內足夠大的表面張力及管間不平衡壓力驅動力，從而克服重力對所述脈動熱管工作性能的影響，使所述換熱器可以在任意角度下正常工作。在所述每組脈動熱管間的所述殼程內設置有垂直於殼程主軸的折流板，以增加殼程內流體的換熱路徑及流體自身的擾動，從而達到強化傳熱的作用。所述的脈動熱管內的工質充液率為30% 60%，熱管內的工質可根據管壁金屬相容性及能量梯級利用原理進行選擇。在所述脈動熱管換熱器換熱初始段熱流量較高，可選用沸點較高的工質，如水等。而在換熱末尾段熱流量較低，可選用沸點較低的工質，如R123，丙酮等。這種針對沿程不同換熱熱流量而選用相應熱管工質的方法，可有效實現工質能量的梯級利用，是一種有效的節能方法。所述的脈動熱管冷凝段內壁面進行疏水化處理，可以抑制膜狀凝結，促進珠狀凝結的形成，減小蒸汽與壁面熱交換的熱阻。所述脈動熱管蒸發段內壁面進行親水化處理，減小了液態工質在親水性表面的接觸角，可以形成均勻的水膜，從而增大了蒸發表面，提高了蒸發傳熱的效果。總之，採用這兩種設計可以使所述脈動熱管的傳熱得到強化，從而提升所述脈動熱管換熱器的整體換熱性能。有益效果
本發明涉及一種管殼式脈動熱管換熱器。該換熱器採用脈動熱管作為換熱器管程和殼程內冷、熱工質間的傳熱元件，充分結合了相變潛熱和對流顯熱傳熱，提高了換熱效果，而且增加了管程與殼程之間的對流換熱面積；同時，可依據換熱器內冷、熱流體的不同工作溫度選用相應的熱管工作介質，經濟有效地梯級利用了低品位熱能；對蒸發段和冷凝段內壁面分別進行了親水化和疏水化壁面改性，強化了蒸發段和冷凝段的蒸發和冷凝換熱性能；此外，本發明無需消耗外部機械功和電功，無需吸液芯，結構簡單，體積小，可以在任意角度下工作，適用範圍廣，無需其它附屬設備，成本低，拆裝方便，使用安全。


圖I為脈動熱管換熱器的立體結構示意圖。圖2為脈動熱管換熱器的裝配示意圖。圖3為脈動熱管與固定組件的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。圖I和圖2分別給出本發明的立體結構示意圖及其裝配示意圖。由圖可知，本發明所提出的管殼式脈動熱管換熱器，主要包括殼程6、管程7以及設置在殼程兩端的密封法蘭3、8和封頭2、9組成。如圖I和圖2所示，在所述管程7的中部採用隔板I將所述管程7分割為上下兩個折返通道，所述隔板I與所述管程7採用脹接連接，在所述管程7與封頭
2、9相隔的兩端壁面上分別加工有供流體通過的蜂窩孔11及供所述隔板I穿過並固定的貫通槽12。左封頭2、左密封法蘭3及右封頭9、右密封法蘭8分別布置在所述殼程6的左右兩端，採用法蘭連接和密封圈10或脹接的密封方式，將所述的封頭2、9、密封法蘭3、8與殼程兩端法蘭圈連接並將所述換熱器整體密封，所述封頭2、9的中部腔體也與所述隔板I採用脹接的方法密封連接。所述殼程6和管程7分別作為熱流體通道和冷流體通道。如圖2所示，所述脈動熱管5沿所述管程的管程軸向分組插入所述換熱器內，所述脈動熱管5的蒸發段和冷凝段分別插入所述的熱流體通道和冷流體通道，每組所述脈動熱管5沿所述管程7的周向呈花瓣狀均勻排布，其排布角度及密度可以根據工作負荷靈活調整。在所述每組脈動熱管間的所述殼程內布置有垂直於殼程主軸的折流板4，以增加殼程內流體的換熱路徑及流體自身的擾動，從而達到強化傳熱的效果。所述脈動熱管5採用模塊化設計，每個脈動熱管模塊通過一種固定組件方便地安裝於加工在所述管程周向的插槽法蘭13上，以便日後的拆裝維護。如圖3所示，所述的固定組件由兩塊相互配合大小形狀相互對稱的法蘭盤14組成，在每片法蘭盤的一側加工有與所述脈動熱管平行管段相配合的凹槽，所述脈動熱管5置於所述凹槽內並通過所述法蘭盤14夾緊並焊接密封，最終將該模塊與所述管程周向的插槽法蘭13連接並密封。所述脈動熱管5是通過毛細金屬管經反覆彎折並首尾相接後抽真空並充注工質而形成的閉路式脈動熱管，所述毛細管的當量直徑介於O. 5 3. 5_，所述脈動熱管的蛇形通道彎數大於16(平行管段數大於32)，這樣足夠多的通道彎頭就可以提供管內足夠大的表面張力及管間不平衡壓力驅動力，從而克服重力對所述脈動熱管工作性能的影響，使所述換熱器可以在任意角度下正常工作。所述的脈動熱管5內的工質充液率為30% 60%，熱管內的工質可根據管壁金屬相容性進行選擇，如水、氨、乙醇、甲醇、丙酮、R123製冷劑等。同時，根據能量梯級利用原理，在所述脈動熱管換熱器換熱初始段熱流量較高，可選用沸點較高的工質，如水等，而在換熱末尾段熱流量較低，可選用沸點較低的工質，如R123，丙酮等。這種針對不同換熱熱流量選用相應熱管工質的方法，可有效實現能量的梯級利用。此外，所述脈動熱管5的管壁由高導熱率的金屬或合金材料製成，可以根據工作條件、與工作介質相容性等選擇不同的材料，如碳素鋼、低合金鋼、不鏽鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。同時，對所述的脈動熱管5冷凝段LI和蒸發段L2的內壁面進行疏水化和親水化壁面改性，如通過化學方法，在所述冷凝段內壁表面製備一層合成高分子疏水表面如在黃銅表面製備六氟丙烯聚合物表面、紫銅表面製備聚八氟環丁烷表面等；採用浸潰和光催化方法，在所述蒸發段內壁表面製備一層超親水的二氧化鈦及氧化鋅親水薄膜。採用這樣的設計可以抑制冷凝段膜狀凝結，促進珠狀凝結的形成，減小蒸汽與壁面熱交換的熱阻；減小液態工質蒸發段內壁 表面的接觸角，促進均勻水膜的形成，從而增大了蒸發表面，促進了蒸發傳熱的效果。總之，採用這兩種設計可以使所述脈動熱管5的傳熱得到強化，從而提升所述脈動熱管換熱器的整體換熱性能。
權利要求
1.一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設置在所述殼程內，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端採用法蘭連接和密封圈或脹接的密封方式，將所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定並密封連接，其特徵在於在所述管程與殼程上設置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位於殼程內，脈動熱管的蒸發段位於管程內。
2.如權利要求I所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特徵在於，所述脈動熱管沿所述管程軸向分組插入所述換熱器，每組所述脈動熱管沿所述管程的周向呈花瓣狀均勻排布，且排布密度和角度可根據工作負荷調整。
3.如權利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特徵在於，所述脈動熱管採用模塊化設計，通過一種熱管固定組件以可拆裝的方式安裝在所述管程上，所述熱管固定件為兩片相互配合的法蘭盤，所述法蘭盤上加工有與所述脈動熱管相配合的凹槽，所述脈動熱管置於所述凹槽內並通過所述固定法蘭夾緊並與所述管程周向的插槽法蘭連接並密封。
4.如權利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特徵在於，根據所述換熱器內的沿程換熱熱流量的大小選擇相應沸點的熱管工質來實現能量的梯級利用。
5.如權利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特徵在於，所述脈動熱管的蒸發段內壁面進行親水化壁面改性，冷凝段內壁面進行疏水化壁面改性。
全文摘要
本發明公開了一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設置在所述殼程內，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定並密封連接，在所述管程與殼程上設置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位於殼程內，脈動熱管的蒸發段位於管程內。本發明將脈動熱管分組插入管殼式換熱器，充分利用了熱交換空間，且根據沿程換熱過程中熱流量的大小選擇相應的熱管工質，實現了能量的梯級利用。此外，本發明可以任一方位布置，結構緊湊，體積小，製造工藝簡單，方便拆裝維護，無需外加泵驅使流動，使用安全，具有良好的應用前景。
文檔編號F28D15/04GK102620587SQ20121012674
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者劉向東, 施明恆, 趙沐雯, 陳永平 申請人:東南大學