一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器.pdf

一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器，换热器壳体为金属，用疏水微孔膜将换热器内部管道中的流体分隔成两部分，两部分流体流向相反；且换热器的热侧流体与换热面接触；热侧流体被外来热流加热，温度升高，在膜两侧形成蒸汽压差，高蒸汽压侧有工质蒸发，并透过膜流入低压侧，从而起到相变传热的作用。

1、  一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器，换热器壳体为金属，用疏水微孔膜将换热器内部管道中的流体分隔成两部分，且换热器的热侧流体与换热面接触；热侧流体被外来热流加热，温度升高，在膜两侧形成蒸汽压差，高蒸汽压侧有工质蒸发，并透过膜流入低压侧，从而起到相变传热的作用。

2、  如权利要求1所述的换热器，其中，所述疏水微孔膜为平板膜或中空纤维膜。

3、  如权利要求1所述的换热器，其中，所述两部分流体流向相反。

4、  如权利要求1所述的换热器，其中，所述热侧流体为水。

5、  如权利要求4所述的换热器，其中，所述水为蒸馏水或软化处理的自来水。

6、  如权利要求1所述的换热器，其中，所述冷侧流体为水、稀薄蒸汽、干空气或者盐溶液。

7、  如权利要求6所述的换热器，其中，所述的盐溶液为具有较低饱和蒸汽压的盐溶液。

8、  如权利要求7所述的换热器，其中，所述的具有较低饱和蒸汽压的盐溶液为溴化锂溶液。

9、  如权利要求1所述的换热器，其中，所述换热器外壳为铜、铁、铝或不锈钢。

一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器
技术领域
本发明涉及一基于膜蒸馏原理的相变冷却装置，具体地说涉及一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器。
背景技术
由于潜热比显热大得多，所以同一工质相变换热要比单相换热具有更高的效率，对于冷却过程来说，冷却工质在换热过程中发生气化将有利于提高总换热系数。然而，液体气化的条件是其饱和蒸气压高于其在气相中的分压，通常只有通过升高温度或降低压力来达成这一条件。工程中最常用的换热工质是水，在常压和略高于室温的条件下，一般是无法实现蒸发冷却的，只能采用单相流换热。
膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)是一种以微孔疏水膜为基础、以膜两侧流体的蒸汽压力差为驱动力的传质分离过程。膜蒸馏的基本原理是：由于膜的微孔性和疏水性，在表面张力的作用下，两侧液体不会通过膜孔到达另一侧；蒸汽的平均分子自由程远大于微孔膜的平均孔径，因而可以透过膜孔；膜两侧液体由于温差的存在而具有不同的蒸汽压(也可以由其它因素造成蒸汽压差)，热侧液体在膜界面不断汽化，蒸汽分子在蒸汽压差驱动下通过膜孔向冷侧流动，最终在冷侧凝结。膜蒸馏过程与常规蒸馏的蒸发-传递-冷凝过程十分类似，而其突出优点是可以在常压和略高于常温的温度下操作。
膜蒸馏技术始于20世纪60年代，80年代后得以迅速发展，目前已在海水淡化、物料浓缩、废水处理、非常规分离等诸多领域得到应有。膜蒸馏技术从问世以来就是被做为一种分离手段加以应用的，尚未有人将其做为强化换热的手段。然而，对该过程的传热传质特性的研究表明，蒸发换热在换热过程中占有不可忽略的比重，随着膜材料的进步，蒸汽通量不断提高，蒸发换热的比重还将进一步提高。
物料冷却是化工、电力等工业生产过程中必不可少的环节，为此而投入的换热器面积和循环泵功率数量之大十分惊人，因此，冷却效率只要提高一点点，就可能节省数量可观的金属材料和电能。膜蒸馏强化冷却方法可显著提高冷却换热器的热效率，若得以推广应用，将会产生巨大经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微孔疏水膜强化换热的换热器，以提高冷却换热器的热效率。
为实现上述目的，本发明提供的利用微孔疏水膜强化换热的换热器，换热器壳体为金属，用疏水微孔膜将换热器内部管道中的流体分隔成两部分，两部分流体流向相反或相同，但以相反为最佳；且换热器的热侧流体与换热面接触；热侧流体被外来热流加热，温度升高，导致膜两侧流体对应的饱和蒸汽压出现差异，高温侧流体具有较高的饱和蒸汽压，因而会有工质蒸发，并透过膜流入低压侧，从而起到相变传热的作用。
所述的换热器，其中，所述疏水微孔膜为平板膜或中空纤维膜。
所述的换热器，其中，所述热侧流体为水。
所述的换热器，其中，所述水为蒸馏水或软化处理的自来水。
所述的换热器，其中，所述冷侧流体为水、稀薄蒸汽、干空气或者盐溶液。
所述的换热器，其中，所述冷侧流体中的盐溶液为具有较低饱和蒸汽压的盐溶液(如：溴化锂溶液)。
所述的换热器，其中，所述换热器外壳为铜、铁、铝或不锈钢。
本发明具有如下效果：
1)操作温度低
可在常压、室温至沸点之间的宽广温度范围内发生汽化，这是常规蒸发冷却所无法比拟的。
2)热负荷自适应
蒸发量随着热负荷增加而增加，相变过程有利于提高温度场均匀性，与单相流冷却相比具有明显的优势。
3)汽液分流
液相与汽相具有明确的界面，实现汽液分流，可有效避免常规两相流冷却中常见的汽阻现象，避免压降损失和传热恶化。
附图说明
图1为本发明实施例1的换热器结构示意图；
图2a为本发明实施例2的换热器结构示意图；
图2b为图2a中沿a-a线的剖面示意图。
附图中主要标记说明：
1、微孔疏水膜
2、金属管
3、主流动通道
4、辅流动通道
5、薄膜夹持件
6、激光器钯条
A、冷侧流体
B、热侧流体
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，本发明利用微孔疏水膜强化换热的换热器，整体形状为一圆管状，主要用于需要冷却的物体为较小颗粒或液体状物料。换热器外部的壳体(金属管2)为换热面，该金属管2的材质可采用导热体制成，比如但不限于铜、铁、铝、不锈钢等。在该金属管2的内部用疏水微孔膜1分隔成主流动通道3(即膜外侧环形管道)和辅流动通道4(即膜内侧环形管道)两部分。本发明的微孔疏水膜为聚四氟乙烯(PTFE)膜，膜孔平均直径0.1mm，孔隙率70％，膜厚0.2mm。主流动通道3和辅流动通道4的流体相反(流向可以相同也可以相反，就其效果来说流向相反较好)，即：主流动通道3内的液体向附图的左边流动，则辅流动通道4内的液体向右边流动，反之亦然。热侧流体可以是蒸馏水或软化处理的自来水，冷侧流体可以是与热侧流体相同的工质，也可以是近真空状态的稀薄蒸汽，还可以是干空气，或者某种具有较低饱和蒸汽压的盐溶液，关于具有较低饱和蒸汽压的盐溶液属公知技术，在本实施例中是以溴化锂溶液为例进行说明。
进行换热时，需要冷却的物料经过换热器金属管，与换热面接触，主辅流动通道3内流动的热侧流体A与换热面接触，而辅流动通道4内的冷侧流体B不与换热面接触。热侧流体A被外来热流(即需要冷却物料的热量)加热，温度升高，在微孔疏水膜两侧形成蒸汽压差，主流动通道3内形成高蒸汽压，有工质蒸发，从而在辅流动通道4内形成低压侧，蒸发的工质透过微孔疏水膜膜流入辅流动通道4内，从而起到相变传热的作用。
实施例2
再以大功率激光器钯条冷却为例进行说明，本发明的换热器整体形状为一矩形，其结构如图2所示，换热器的壳体2为黄铜制成。换热器内部用疏水微孔膜1分隔成主流动通道3(即图2中的下侧管道)和辅流动通道4(即图2中的上侧管道)两部分，换热器的壳体2的壁厚1mm，主流动通道和辅流动通道的高分别是2.5mm，长和宽度与激光器钯条6的尺寸相同。微孔疏水膜为PTFE膜，膜孔平均直径0.1mm，孔隙率70％，膜厚0.2mm。换热器的主流动通道3与激光器钯条6接触，热侧流体为蒸馏水，冷侧流体为50％LiBr溶液，二者流动方向相反，流速大致相同。
热侧流体A被外来热流(即激光器钯条的热量)加热，温度升高，在微孔疏水膜两侧形成蒸汽压差，主流动通道3内形成高蒸汽压，有工质蒸发，从而在辅流动通道4内形成低压侧，蒸发的工质透过微孔疏水膜膜流入辅流动通道4内，从而起到相变传热的作用。
在蒸馏水入口温度15℃，LiBr溶液入口温度25℃的情况下，换热器热流密度可达80W/cm²，同样工况下，冷却效率可比目前最实用的单相流冷却换热器高60％以上。