[发明专利]一种内分液罩式冷凝换热管

说明书

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，涉及一种提高管内冷凝相变换热效率的内分液罩式冷凝换热管。

背景技术

冷凝相变换热器(即冷凝器)由于相变传热的高效性广泛应用在制冷、空调、发电、石化等领域。在一些应用场合，比如利用低品位热源驱动ORC循环中需要尽量降低朗肯循环中冷凝器内的温度和压力，使得冷凝器在小温差(管内有机工质与管外空气或冷却水温差小)驱动下工作，导致换热面积的增大及投资成本的提高。同时在制冷、空调、石化等领域，进一步提高冷凝换热效率，能够大幅度降低成本，具有显著的降级效益和社会效益。这为高效冷凝器的设计、制造和运行提出了重大需求。

冷凝相变是两相流学科中一个重要的相变过程，管内的冷凝过程从汽态到冷凝液态的不断演变过程中气液的含量逐渐变化，使得从全汽态到全液态过程中呈现了湿蒸汽流、环状流、分层流、弹状流、塞状流、泡状流等不同流型。同时，由于冷凝液的不断出现和集聚，液体在冷凝管内从开始的小液滴逐渐形成壁面薄液膜、壁面厚液膜到液桥最后到全液状态。如果说环状流时壁面冷凝液薄液膜的形成，增大了汽固之间的换热系数；那这种同时具有一定热阻的液膜必定存在最佳厚度值。根据国内外研究学者报道，并已达成共识，薄液膜状态的环状流具有最高的传热效率，即在整个冷凝过程中随着流型从环状流转变到分层流、弹状流、塞状流，液膜在壁面由薄液膜聚集到厚液膜甚至到液桥状态，其液膜热阻显著增加，从而导致冷凝过程传热系数逐渐降低、传热效果明显恶化的现状。因此冷凝过程中的流型演变才是冷凝管换热效率恶化、衰减的根本原因。

目前国内外强化冷凝换热方面主要采用各种形式的强化管，如微翅管、凹槽管、波节管、及安装插入物的强化管。从强化效果来讲，微翅片管通过增强冷凝液膜的掺混、引起管内流体的扰动，一般比凹槽管的强化效果明显，能够将光滑管的冷凝传热系数提高80-180％。而对于不同倾斜角度的凹槽管，且其强化效果受质流速度的影响，质速越大、冷凝液导出越快，强化效果越明显。波节强化管一般可将光滑管的传热系数提高50％；另外管内插入双螺旋丝结构的强化管，亦能显著强化竖直管内冷凝换热。但目前采用的冷凝强化管，均未能注意到冷凝流型的变化、从流型演变的根本出发，而只是通过引起旋转流、二次流，使中心流体与管壁流体产生置换，破坏边界层的发展，从而强化管内冷凝。具有以下共同点：(1)内壁微细结构主要改变了近壁区的流动和传热性能，不能从整体上调控流型。(2)内壁强化结构虽具有强化效果但并未解决冷凝换热管管长方向上换热性能衰减的演变特征。(3)强化管增加了制造难度，冷凝器成本增大。

2007年，清华大学相变与界面传递实验室彭晓峰教授(彭晓峰，吴迪，张扬，高性能冷凝器技术原理与实践，化工进展，2007，26(1)：97-104.)将整个管内冷凝近似为薄液膜冷凝，根据努赛尔层流、膜状凝结分析解知冷凝换热液膜厚度与管长的1/4次方成正比、平均表面传热系数与整个管长的1/4次方成反比，定量的揭示了冷凝传热系数随换热管长度的增大而衰减的客观事实；并利用短管效应，舍弃冷凝换热管后续低传热流型，保留初始过程高传热性能流型；同时将短管出口利用重力将汽液分离后得到的汽相再进入下一短管继续冷凝，使冷凝流型始终维持在环状流的方法显著提高了冷凝换热管的传热效率。其基于对冷凝各流型传热性能的认识，从冷凝科学过程的角度强化传热；但其出发点是直接避开传热效果差的流型，缩短换热管长度；同时，利用重力进行汽液分离的方法使得冷凝器在不同倾角换热器下的设计必须不同，在微重力条件下的应用具有一定局限性。

综上所述，显著提高冷凝传热效率必须从冷凝的科学过程出发，调控流型，才能从根本上提高其换热性能，解决其沿管长恶化的现状。本发明即根据流型演变过程中液膜增厚、热阻增大的特征，提出一种有别于彭小峰教授技术的新型内分液罩式冷凝换热管，及时疏导、分离冷凝液，从而达到调控流型、从根本上提高冷凝换热效率的高效冷凝换热管。

发明内容

本发明的目的在于改变传统强化传热方法中流型和传热分离的局面，解决冷凝传热中沿管长方向形成厚液膜使传热恶化的的关键问题，提供了一种有别于现有技术的内分液罩式冷凝换热管，此种冷凝换热管是基于调控冷凝传热流型以改进完整冷凝传热流动与传热性能的新思想，能够从冷凝的物理过程出发，从流型控制出发，根本上、大幅度提高冷凝相变传热的效率。