一種高效的殼管式冷凝器的製作方法

2023-05-04 01:58:06 1

專利名稱：：一種高效的殼管式冷凝器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及了一種冷凝器，具體為一種殼管式冷凝器，其具有較高換熱係數，屬於傳熱設備
技術領域：
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背景技術：
：在製冷與空調及其相關工業，水冷式冷凝器得到了廣泛的應用。它們大多為殼管式換熱器，在冷凝器中，主要有三種換熱過程，包括1)過熱氣體的降溫(去過熱)；2)氣體冷凝成液體；3)液體被進一步冷卻至過冷狀態。這其中，1)、3)為沒有氣液狀態變化的顯熱熱交換過程，而2)為狀態變化的潛熱熱交換過程。儘管這些過程換熱有很大差異，但目前在冷凝器中，均釆用統一冷凝型換熱管。而這種換熱管通常對於去過熱及過冷過程，換熱係數較低。另外，在冷凝過程2)中，製冷劑在管外冷凝相變換熱，冷卻劑(例如水)在管內流動換熱。傳熱管按一定的規律(如正三角形排列)形成管東被排列在管板之間，製冷劑通過較低溫度的管東被冷凝，在傳熱管管壁形成冷凝液，由於重力作用往下滴落，很容易逐層在冷凝管上累積，形成上層管束下小雨,下層管東下大雨的情形。而膜狀冷凝的換熱係數很大程度上決定於管表面的冷凝液膜厚度，液膜越薄，冷凝換熱係數越好。為減小冷凝液膜的厚度，現有設計會釆用更高效的傳熱管來代替光管，這些傳熱管具有一些特殊的冷凝型三維表面(如鋸齒狀，參考圖4c)，有利於減薄液膜和冷凝液的滴落。但是在冷凝器的管排數量顯著增加時，位於下層區域的傳熱管由於滴落在表面的冷凝液量更大，而且新型傳熱管容易因為三維表面的表面張力的作用附積在表面而降低換熱效率，因此傳熱管排數越大，換熱衰減越多。這樣，下層區域的換熱管的換熱較差。
發明內容本發明的發明目的是為了提供一種高效的殼管式冷凝器，以解決現有產品及設計中存在的上述問題。針對冷凝器的3個不同換熱過程，通過釆用各自適用的傳熱管來強化換熱性能，來達到提高整個冷凝器性能，進一步提升冷凍機整機性能。本發明的發明目的可以通過以下技術方案來實現一種高效的殼管式冷凝器，包括傳熱管管束和殼體，其特徵在於傳熱管管束由兩種或兩種以上的傳熱管構成；傳熱管管東根據氣體去過熱、氣體冷凝和液體過冷三個不同的換熱過程，選配各自適應的傳熱管。所述的冷凝器頂部用於氣體降溫的管束釆用2維強化換熱的傳熱管，其實際外表面積/光管面積大於3.0而小於6.0。過冷器冷凝液相對換熱管垂直流動換熱時，所述的冷凝器底部用於液體過冷的管東採用2維強化換熱的傳熱管，其實際外表面積/光管面積大於3.0而小於6.0。過冷器冷凝液相對換熱管軸向流動換熱時，冷凝器底部用於液體過冷的管東釆用軸向流體流動強化傳熱的3維強化換熱的傳熱管。氣體降溫的管束和液體過冷的管束之間為氣體冷凝的管東，氣體冷凝的管束為上下兩層，冷凝器用於氣體冷凝的下層管束釆用不同於上層管束的傳熱管。例如，冷凝器用於冷凝的上層管束釆用3維強化換熱的傳熱管，用於冷凝的下層管束釆用2維強化換熱的傳熱管。管程數為兩程或以上時，冷卻液優先經過下層管束再進入上層管束。各管程管東的換熱管支數並不一定相同，而按照管內阻力及換熱熱流密度進行優化分配。本發明的有益效果是對於冷凝器中，氣體過熱管東、氣體冷凝上層管東、冷凝下層管東、過冷管束的不同的換熱過程和特點釆用與之相適應的最佳傳熱管，相對於傳統設計釆用同種換熱管僅對於冷凝上層管東換熱優化，有效地提高了冷凝器的換熱效果。按照釆用製冷劑R134a冷凝實際的試驗結果，應用1758kw的冷凍機組測試，本發明與現有技術相比較，整體的飽和溫度提高了0.85'C，過冷度由2.5'C增加到4.3°C。下面結合附圖和具體實施方式來詳細說明本發明的技術特點；圖1是殼管式冷凝器圓筒截面圖；圖2是殼管式冷凝器正視剖面圖1;圖3是本發明冷凝器正視剖面圖2;圖4是傳熱管形式的示意圖，4a.—維表面換熱管，4b.二維表面換熱管，代號Tl，4c.冷凝型三維表面換熱管代號T2，4d，軸向流動傳熱強化的三維表面換熱管代號T3;圖5是在降溫用管東中的換熱性能曲線；圖6是在冷凝用上層管束的換熱性能曲線；圖7是在冷凝用下層管東的換熱性能曲線；圖8是在過冷用管束的換熱性能曲線；圖中1-冷凝器2-冷凝器殼體3-傳熱管管束(3a，降溫用；3b,冷凝用上層；3c冷凝用下層；3d過冷用；)4-管板5-支撐板6-水室7-蒸汽入口8-冷凝液出口9-冷卻劑入口10-冷卻劑出口11-管程隔板位置具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明。殼管式冷凝器的常規結構如圖1，2，3所示，通常冷卻液走於管內，殼體內，製冷劑過熱氣體從上部接口7進入，經過傳熱管管東3時，因管內的冷卻液體溫度較低，首先氣體通過管束3a被冷卻到接近飽和，再通過管束3b進一步冷凝成液體。在管束3b，3c中由於重力作用，冷凝液逐漸從管上滴落，再由於冷凝器的管間距通常較小，這樣冷凝液很容易逐層在管上累積，形成上層管束3b區域下小雨，下層管東3c區域下大雨的情形。而膜狀冷凝的換熱係數很大程度上決定於管表面的冷凝液膜厚度，液膜越薄，冷凝換熱係數越好。通常的設計中，減少管排數，可有效提高平均冷凝換熱係數，但每排的管技數要增加，顯然這會受到殼體直徑的限制。通常，在冷凝器中為了提高系統的效率，在底部液位以下會設置傳熱管束3d,讓冷凝液體進一步過冷。這樣整個冷凝器的換熱至上而下按照不同位置及不同的換熱特點可分為四個區域，分別為降溫管東3a，上層冷凝管東3b，下層冷凝管束3c和過冷管束3d。其中3a，3d為沒有狀態變化顯熱換熱(3a管外為氣體降溫，3d管外為液體過冷的變化)；3b,3c為介質從氣體冷凝為液體的潛熱換熱。儘管這些過程換熱有很大差異，但目前在冷凝器中，人們製作此類換熱器時，會釆用同一種高效傳熱管來代替光管，這些傳熱管具有一些特殊的冷凝型三維表面(如鋸齒狀，參考圖4c),有利於減薄液膜和冷凝液相下的滴落。但是，這種換熱管通常對於單純氣體降溫及液體過冷過程，換熱係數較低；而且這種傳熱管因為三維外表面的表面張力的作用容易附積在管外表面而降低換熱效率，S北傳熱管排數越大，換熱衰減越多，這樣導致下層的換熱管東3c的換熱也較差。常見的冷凝傳熱管主要有一維型表面(如光管，參考圖4a),兩維型表面(Tl管，即低翅片管，參考圖4b),和現有技術為提高單管冷凝性能而推薦的三維冷凝型換熱表面(T2管，如鋸齒狀管，花瓣管，外表滾花型…參考圖3c)，另外一種換熱管T3如圖4d,是為了在管外流體軸向流動時強化傳熱的，在軸向外翅片之間留出了供流體流動的通道。按照圖5和圖8，在管束3a和3d中釆用低翅管Tl(參照圖4b),對比於三維冷凝型傳熱管T2可以提高顯熱換熱的性能。因為低翅管能夠提供顯熱傳熱要求更高的外表面積比，當二維強化表面管T2的外表面積比上同外徑光管面積比P為IO倍以上時，這種強化更為明顯。但為保證穿管方便，傳熱管外徑通常小於管孔徑，這樣翅片高度限制在3mm以下，又因為機加工的限制，翅片的軸向密度通常不超過2500個/m，這樣面積比P通常小於6.0。按照圖6，在冷凝上層管東3b中，釆用的是一種三維換熱表面T2管(商品名Turbo-C)，比釆用T2管，其冷凝側換熱性能增加了35%以上。T2型傳熱管在外表面形成很多尖點和轉折點，有利於在局部區域減薄冷凝液膜，促進冷凝液的滴落排除，以提高其冷凝換熱係數，T2管通常隨熱流密度的減小而換熱性能增加，並且隨著換熱管排數的減少而出現換熱性能的強化。這種傳熱管被廣泛應用於現有的冷凝器設計中。按照圖7，在冷凝用下層管束3c中，因冷凝液膜較厚地累積在換熱管上，現有技術為提高單管冷凝性能而推薦的三維冷凝換熱表面(T2管，參考圖3c)對於換熱器的排數更為敏感，隨著排數的增加，性能衰減更多。T2管與兩維型表面(即Tl低翅片管，參考圖4b)相比，管外換熱係數在熱流密度較大時，甚至比T1低。並不是所有的傳熱管都會隨著排數的增加而換熱情況變差，不同的傳熱管冷凝換熱對於排數的敏感程度不一樣，這些數據對於換熱器設計人員非常關鍵。在實施例中，在冷凝用下層管東3c中釆用Tl管可有效改善該區域的傳熱。另外，通常的冷凝器為了將冷卻液接口放在同一端，管程數釆用2程和4程較普遍，絕大部分為2程。對於2程及以上的設計在水室需設置隔板11。這樣，將冷卻液入口設置在底部，即管東3c的區域有利於提高3c區域的熱流密度，按圖7，熱流密度大的區域，釆用T1管優勢更大，而這樣導致上層訃區域的換熱管的熱流密度較小，按照圖5，更有利於發揮T7管在低熱流密度區域的優勢。在換熱管底部的過冷器c4位置，經常將冷凝液通過導流板匯聚使得冷凝液沿管軸向流動與換熱管內的冷卻液形成逆流的換熱，這樣可以充分提高過冷器的換熱效率，針對該區域的換熱特點，釆用軸向流動強化的三維管(T3，參考圖化)，相對於T1,T2管可進一步提高傳熱性能，在圖8中有這三類管對於不同冷凝液軸向流速的管外傳熱係數比較，T3〉T2〉T1。因為在管東區域劃分了a，b，c,d不同的區域，導致管程1和2的管內的阻力不同，各管東的熱流密度分配也有變化；按照傳熱，阻力，成本最優化的原則可在不同區域確定不同的傳熱管數量，這樣的換熱器優勢更大。例如，b區域釆用T2管，c區域採用Tl管，當水阻係數T2〉T1時，減少c區域管的數量，增加b區域管的數量，可以進一步增加c區域的熱流密度而減少b區域的熱流密度，按圖6，7的性能曲線，管束3b中，T2管在低熱流密度區域優勢明顯，而管束3c中，Tl管在高熱流密度區域換熱性能較好，這樣調配，對T1,T2傳熱管的綜合效果更有利，而兩程的水阻力分配也可以平衡。進一步的在1758kw的冷凍機測試的結果可以反映這一分析結果，釆用冷凝器按管程在管東分成上下兩區域(為方便對比，其頂部去過熱及底部過冷的區域分別併入上下兩區域的管東)，共按三個方案作比較，分別為1)方案l，釆用500枝3660mm長外徑19mm的T2管；2)方案2，釆用250技3660mm長外徑Wram的T2管在上層管東，釆用250技同長度和外徑的Tl管在下層管東；3)方案3,釆用280技3660mm長外徑19咖的T2管在上層管東，釆用220技同長度和外徑的Tl管在下層管束(同樣流量下，220枝Tl管與280技n管的水側阻力接近)；測試按照國家標準GB/T18430.1-2001蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組，測試結果如下表:tableseeoriginaldocumentpage8因為同樣換熱量及換熱器工況下，飽和溫度越高，對應換熱管束的換熱效率越高，因此，將整個管束分為上下兩個管東，並分別採用T2,T1管可有效提高換熱係數(飽和溫度降低0.55"C),在總管數不變的前提下，優化分配各管東的數量，如方案3增加T2管的數量，減少Tl管的數量可以進一步提高冷凝器的換熱係數(飽和溫度降低0.3°C)。與現有技術相比，設置將冷凝器分成多個管束區域，對於降溫管束3a、冷凝上層管東化、冷凝下層管束3c、過冷管束3d的不同的換熱過程和特點釆用與之相適應的最佳傳熱管，這樣的設計有效地提高了冷凝器的換熱效果。按照釆用製冷劑R134a冷凝實際的試驗結果，應用1758kw的冷凍機組測試,本發明與現有技術相比較，整體的飽和溫度提高了0.85t!，過冷度由2.5°C增加到《3。C。冷凝器換熱效率的提高可有效降低冷凝溫度和壓力，從而提高整個系統的能效。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。權利要求1、一種高效的殼管式冷凝器，包括傳熱管管束和殼體，其特徵在於傳熱管管束由兩種或兩種以上的傳熱管構成；傳熱管管束根據氣體過熱、氣體冷凝和液體過冷三個不同的換熱過程，選配各自適應的傳熱管。2、根據權利要求l所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於冷凝器頂部用於氣體降溫的管束釆用2維強化換熱的傳熱管，其實際外表面積/光管面積大於3.0而小於6.0。3、根據權利要求l所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於過冷器冷凝液相對換熱管垂直流動換熱時，所述的冷凝器底部用於液體過冷的管束釆用2維強化換熱的傳熱管，其實際外表面積/光管面積大於3.0而小於6.0。4、根據權利要求l所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於過冷器冷凝液相對換熱管軸向流動換熱時，冷凝器底部用於液體過冷的管東釆用軸向流體流動強化傳熱的3維強化換熱的傳熱管。5、根據權利要求l所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於冷凝器用於氣體冷凝的下層管束釆用不同於上層管束的傳熱管。6、根據權利要求5所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於冷凝器用於冷凝的上層管東採用3維強化換熱的傳熱管，用於冷凝的下層管東釆用2維強化換熱的傳熱管。7、根據權利要求5所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於管程數為兩程或以上時，冷卻液優先經過下層管束再進入上層管束。8、根據權利要求6所述的一種高效的殼管式冷凝器，其特徵在於管程數為兩程或以上時，各管程管東的換熱管支數並不一定相同，而按照管內阻力及換熱熱流密度進行優化分配。全文摘要本發明公開了一種高效的殼管式冷凝器，包括傳熱管管束和殼體，其特徵在於傳熱管管束由兩種或兩種以上的傳熱管構成；傳熱管管束根據氣體去過熱、氣體冷凝和液體過冷三個不同的換熱過程，選配各自適應的傳熱管。本發明的有益效果是對於冷凝器中，氣體過熱管束、氣體冷凝上層管束、冷凝下層管束、過冷管束的不同的換熱過程和特點採用與之相適應的最佳傳熱管，相對於傳統設計採用同種換熱管僅對於冷凝上層管束換熱優化，有效地提高了冷凝器的換熱效果。文檔編號F25B39/04GK101338959SQ20081003258公開日2009年1月7日申請日期2008年1月11日優先權日2008年1月11日發明者忠羅,邱亞林申請人:高克聯管件(上海)有限公司