一种立式冷凝器的汽液分离方法及冷凝器.pdf

本发明涉及一种立式冷凝器的汽液分离方法及冷凝器，其包括以下内容：1)在多组竖直递减排列换热管的两端设置多级联箱，在与联箱相连通的集液导流管内均设置一漏液阻汽装置，使集液导流管形成独立的分液空间，漏液阻汽装置上设置至少一个当量主孔和若干个当量辅助孔；2)蒸汽顺序进入各组换热管进行冷凝，冷凝液则流入各集液导流管，当分液空间内的积液较少时，主孔和辅助孔顶部形成的液膜可阻止蒸汽从集液导流管漏出；3)当积液较多时，积液首先穿破主孔流出，而辅助孔继续由顶部形成的液膜封住；4)当积液层厚度增大，积液逐步穿破辅助孔，同时从主孔和辅助孔流出。本发明的冷凝器采用上述汽液分离方法和漏液阻汽装置。本发明有效地解决了现有技术冷凝器中排液量受到限制的问题。

1、  一种立式冷凝器的汽液分离方法，其包括以下内容：
1)设置多组竖直递减排列的换热管，各组换热管通过两端安装的多级联箱连通，在与联箱相连通的集液导流管内均设置一漏液阻汽装置，使各级联箱的集液导流管形成独立的分液空间，漏液阻汽装置上设置有至少一个当量主孔和若干个当量辅助孔；
2)蒸汽顺序进入各组换热管进行冷凝，冷凝液则流入各级联箱的集液导流管，当一个分液空间内的积液较少时，主孔和辅助孔顶部形成的液膜可阻止蒸汽从集液导流管漏出；
3)当一个分液空间内的积液积累较多时，在压力作用下积液会首先穿破孔径较大的主孔流出，而直径较小的辅助孔继续由顶部形成的液膜封住；
4)当一个分液空间内的积液层厚度增大，在压力作用下会逐步穿破孔径较小的辅助孔，同时从主孔和辅助孔流出。

2、  如权利要求1所述的一种立式冷凝器的汽液分离方法，其特征在于：所述的主孔当量直径为2～5mm，辅助孔当量直径小于2mm。

3、  如权利要求1或2所述的一种立式冷凝器的汽液分离方法，其特征在于：所述漏液阻汽装置的流通能力由孔隙率S表征：
S＝A_p/A_t
其中A_p，A_t分别为主孔和辅助孔总流通面积与漏液阻汽装置表面积的比值，孔隙率S为汽液相变换热器系统循环流量的20～50％。

4、  一种应用如权利要求1～3所述方法的立式汽液分离冷凝器，其特征在于：它包括一换热单元模块，所述换热单元模块包括多组逐级递减竖直排列的换热管，所述换热管外设置有翅片；各组所述换热管通过两端安装的多级联箱连通，在第一级所述联箱上设置一进汽口；第一级所述联箱通过第一组所述换热管与第二级所述联箱连通，第二级所述联箱通过第二组所述换热管与第三级所述联箱连通，…，直到最后一级所述联箱；各组所述换热管伸出至其上方的所述联箱内部一定长度，与其下方的连接不需如此；除第一级所述联箱外其余各级所述联箱的底部分别连接一集液导流管，各所述集液导流管并联连接一排液管；各所述集液导流管内均设置一漏液阻汽装置；
所述漏液阻汽装置上设置有至少一个主孔和若干个辅助孔。

5、  如权利要求4所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述漏液阻汽装置为一可镶嵌入所述集液导流管内的基板，所述基板上设置有至少一个当量直径为2～5mm的主孔和若干个当量直径小于2mm的辅助孔。

6、  如权利要求5所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述基板上的所述主孔和辅助孔分别为上、下当量直径相同的直型孔。

7、  如权利要求5所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述基板上的主孔和辅助孔分别为锥台孔和变截面通孔之一。

8、  如权利要求5或6或7所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述基板上的若干辅助孔与所述主孔边缘相交，形成一整体的梅花状孔。

9、  如权利要求5或6或7所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：在所述整体的梅花状孔与所述基板的边缘之间设置有若干独立的辅助孔。

10、  如权利要求8所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：在所述整体的梅花状孔与所述基板的边缘之间设置有若干独立的辅助孔。

11、  如权利要求4～10所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：在所述主孔和辅助孔中设置有多孔介质芯。

12、  如权利要求5～11所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述基板的材料为金属材料。

13、  如权利要求5～11所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述基板的材料为多孔介质材料。

14、  如权利要求4～13所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：它包括串联的左右两所述换热单元模块，且最上端的所述联箱为连接两所述换热单元模块的直通折转联箱。

15、  如权利要求14所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：所述换热单元模块的数量为两个或两个以上，所述换热单元模块两端的所述联箱均为连通左右多个所述换热单元模块的折转联箱。

16、  如权利要求4～13所述的一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：它包括首尾并联的左右两所述换热单元模块。

一种立式冷凝器的汽液分离方法及冷凝器
技术领域
本发明涉及一种冷凝器，特别是关于一种立式冷凝器的汽液分离方法及冷凝器。
背景技术
传统的空冷式汽液相变冷凝器包括外壳100、换热管101、进汽口102、三通管103和冷凝液出口104(如图1所示)，其中换热管101多采用蛇形管，依靠空气在换热管101外对流换热，使换热管101内的蒸汽冷凝。在凝结换热过程中，随着冷凝的进行，壁面凝结液逐步增加，随后成膜阻碍了蒸汽与壁面的接触，是凝结换热的主要热阻所在。凝结过程中液膜逐渐增厚，在以后相当长的管程内为液体逐步增多的复杂两相流，热阻逐渐增加，冷凝效果严重变差；同时随着蒸汽的凝结，蒸汽量逐渐降低，管内蒸汽流速明显下降，凝结效果急剧退化，换热系数减小；单一管内流程冷凝过程也导致了复杂的汽液两相流，对系统运行稳定性、流动阻力和系统的调控等，都有很不利的影响。空气侧，由于管内冷凝换热热阻增加，外管壁温度下降，导致肋片的利用率下降。为解决上述存在的问题，传统的空气冷却式冷凝器以加大换热面积来满足换热量的需求，从而导致体积、重量较大，且制作和运行成本高。
此外，本申请人在专利号为ZL200610113304.4，名称为“分液式空气冷凝器”(如图2所示)，以及专利申请号为200710064952.X，名称为“多级冷却中间分液式空气冷凝器”(如图3所示)的发明专利中提出了采用多级蒸汽冷凝、中间自动汽液分离和排液、集中聚集冷凝液过冷的技术方案，从而保证了各管程都以纯蒸汽进入并被冷却，有效减小了凝结过程中液膜的厚度和消除不利的两相流型。同时充分利用了短换热管，使各管程均能处于短管珠状或不稳定的薄液膜凝结，或通过蒸汽对液膜的影响作用促进液膜失稳与断裂，形成膜状凝结与珠状凝结共存的溪流状凝结，增强膜状凝结换热效果，提高管内凝结换热系数。
上述两专利中的联箱200都是使用单根排液管201作为漏液阻汽装置，这种较细的排液管201可以较好地防止联箱200中分离的气体从排液管201泄漏，但是这种结构又带来以下问题：首先排液管201直径比联箱200直径小，冷凝液流量范围受到较大的限制，有时还会出现排液不畅的问题。尽管在后一项专利中采用了由实心顶盖202、多孔芯体203和排液管壁204组成的分液装置(如图4所示)，但是由于分液装置上表面采用实心顶盖202，冷凝器运行中冷凝液与分液装置接触面为多孔介质侧表面，因此分液装置的分液驱动力主要是多孔芯体203的毛细抽吸力，而抽吸力的大小是由所选用多孔介质的结构参数决定，自主调节能力较弱，当冷凝液量较大时，可能会存在抽吸力不够的问题，影响到分液的效果；另外分液装置结构比较复杂，在工业生产中规模化生产以及后续的安装工作都会带来一定的困难。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种能够更有效地进行汽液分离的立式冷凝器的汽液分离方法及冷凝器。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种立式冷凝器的汽液分离方法，其包括以下内容：1)设置多组竖直递减排列的换热管，各组换热管通过两端安装的多级联箱连通，在与联箱相连通的集液导流管内均设置一漏液阻汽装置，使各级联箱的集液导流管形成独立的分液空间，漏液阻汽装置上设置有至少一个当量主孔和若干个当量辅助孔；2)蒸汽顺序进入各组换热管进行冷凝，冷凝液则流入各级联箱的集液导流管，当一个分液空间内的积液较少时，主孔和辅助孔顶部形成的液膜可阻止蒸汽从集液导流管漏出；3)当一个分液空间内的积液积累较多时，在压力作用下积液会首先穿破孔径较大的主孔流出，而直径较小的辅助孔继续由顶部形成的液膜封住；4)当一个分液空间内的积液层厚度增大，在压力作用下会逐步穿破孔径较小的辅助孔，同时从主孔和辅助孔流出。
所述的主孔当量直径为2～5mm，辅助孔当量直径小于2mm。
所述漏液阻汽装置的流通能力由孔隙率S表征：
S＝A_p/A_t
其中A_p，A_t分别为主孔和辅助孔总流通面积与漏液阻汽装置表面积的比值，孔隙率S为汽液相变换热器系统循环流量的20～50％。
一种立式汽液分离冷凝器，其特征在于：它包括一换热单元模块，所述换热单元模块包括多组逐级递减竖直排列的换热管，所述换热管外设置有翅片；各组所述换热管通过两端安装的多级联箱连通，在第一级所述联箱上设置一进汽口；第一级所述联箱通过第一组所述换热管与第二级所述联箱连通，第二级所述联箱通过第二组所述换热管与第三级所述联箱连通，…，直到最后一级所述联箱；各组所述换热管伸出至其上方的所述联箱内部一定长度，与其下方的连接不需如此；除第一级所述联箱外其余各级所述联箱的底部分别连接一集液导流管，各所述集液导流管并联连接一排液管；各所述集液导流管内均设置一漏液阻汽装置；所述漏液阻汽装置上设置有至少一个主孔和若干个辅助孔。
所述漏液阻汽装置为一可镶嵌入所述集液导流管内的基板，所述基板上设置有至少一个当量直径为2～5mm的主孔和若干个当量直径小于2mm的辅助孔。
所述基板上的所述主孔和辅助孔分别为上、下当量直径相同的直型孔。
所述基板上的主孔和辅助孔分别为锥台孔和变截面通孔之一。
所述基板上的若干辅助孔与所述主孔边缘相交，形成一整体的梅花状孔。
在所述整体的梅花状孔与所述基板的边缘之间设置有若干独立的辅助孔。
在所述主孔和辅助孔中设置有多孔介质芯。
所述基板的材料为金属材料。
所述基板的材料为多孔介质材料。
它包括串联的左右两所述换热单元模块，且最上端的所述联箱为连接两所述换热单元模块的直通折转联箱。
所述换热单元模块的数量为两个或两个以上，所述换热单元模块两端的所述联箱均为连通左右多个所述换热单元模块的折转联箱。
它包括首尾并联的左右两所述换热单元模块。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在多组竖直递减排列换热管的两端设置多级联箱，在与各级联箱相连通的集液导流管内设置漏液阻气装置，同时在漏液阻气装置的基板上设置至少一个主孔和若干辅助孔，因此当集液导流管中待分离液体较少时，由联箱分离出来的液体就会在主孔和辅助孔表面形成一层水膜，阻止汽体从主孔和辅助孔中流出；当液量稍增大时，孔径较大的主孔会首先渗液，相当于现有技术中的单根排液管排液；当分离出来的液量较大时，液体的压力会破坏覆盖在辅助孔表面的液膜，而从辅助孔也渗出，从而相当于增加了为多根排液管排液，解决了现有技术中排液量受到限制的问题。2、本发明由于在基板上设置了多个可以漏液的孔，且孔的当量直径大小可以根据设计要求有所变化，因此每个孔的当量孔径虽然比较小，但是整体漏液总量较大，特别是不同当量孔径孔的设置可以根据积液量的变化，自动调节漏液孔径的数量，结构设计非常巧妙。3、本发明由于在基板上的开孔数量多，因此当量孔径可以较小，较小的当量孔径分布能够产生较大表面张力效应，从而有效地保证了本发明的阻汽能力，同时多孔的基板在解决系统内机油堵塞分液芯方面也具有明显的优势。4、本发明由于在主孔和辅助孔中设置了多孔介质芯，因此即使是系统循环流量非常小时，也可以通过多孔介质芯更小的孔隙结构来保证孔结构的阻汽能力，本发明在不改变孔结构的条件下填充多孔介质芯，可有效增强孔隙表面张力作用，强化阻汽能力。同时由于多孔介质芯的抽吸作用也可以较好的保证液体的流通，实现小循环流量下的分液功能。5、本发明将漏液阻汽装置直接镶嵌在集液导流管中，与现有技术相比，无论从前期加工、运行稳定性及后期维护上都具有其优势，适应于产业化模块生产的要求。本发明可以广泛应用于能源系统、动力工程、化工和石油化工、汽车工业等行业，比如空调工程及化工系统、车用空调中的冷凝器等等。
附图说明
图1中是传统的空冷式汽液相变冷凝器结构示意图
图2是已有技术的分液式空气冷凝器
图3是已有技术的多级冷凝、中间分液的空气冷凝器
图4是图2和图3中的漏液阻汽装置的结构示意图
图5a是本发明的串联立管式冷凝器单元结构示意图
图5b是图5a的局部放大图
图6、图7是本发明实施例2的主视和俯视示意图
图8、图9是本发明实施例3的主视和俯视示意图
图10、图11是本发明实施例4的主视和俯视示意图
图12、图13是本发明实施例5的主视和俯视示意图
图14、图15是本发明实施例6的主视和俯视示意图
图16、图17是本发明实施例7的主视和俯视示意图
图18、图19是本发明实施例8的主视和俯视示意图
图20、图21是本发明实施例9的主视和俯视示意图
图22是本发明的串联立管式冷凝器结构示意图
图23是图22去掉翅片后的结构示意图
图24是本发明的并联立管式冷凝器结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1：一种串联立管式冷凝器单元
如图5所示，本实施例包括一换热单元模块A，换热单元模块A包括多组由上至下(或由下至上)逐级递减竖直排列的换热管1，换热管1外设置有翅片11。各组换热管1通过两端安装的多级联箱2连通，且可以根据需要调整换热管1和联箱2的级数。在第一级联箱2(图中为最上端的联箱，但不限于此)上设置一进汽口21。第一级联箱2通过第一组换热管1与第二级联箱2连通，第二级联箱2通过第二组换热管1与第三级联箱2连通，…，直到最后一级联箱2。各组换热管1伸出至其上方的联箱2内部一定长度，与其下方的连接不需如此。除第一级联箱2外其余各级联箱2的底部分别连接一集液导流管22，各集液导流管22并联连接一排液管23。各集液导流管22内均设置一漏液阻汽装置3，从而使各集液导流管22形成独立的分液空间，同时使各组换热管1形成上下顺序连通的多个冷凝空间。
如图6、图7所示，上述实施例中的漏液阻汽装置3包括镶嵌入集液导流管2内的基板31，基板31上设置有至少一个当量直径为2～5mm的主孔32和若干个当量直径小于2mm的辅助孔33。下面是本发明的漏液阻汽装置3的实施例。
实施例2：
本实施例中的漏液阻汽装置3包括一与集液导流管2横截面大小相同的基板31，基板31的中心具有一个当量直径为2～5mm同孔径的主孔32，围绕主孔32均匀排布有一圈当量直径小于2mm同当量孔径的辅助孔33。当冷凝器上游换热管1中产生的冷凝液较少时，由联箱2分离出来的液体会在基板31的主孔32和辅助孔33表面形成一层液膜，阻止液体和汽体从主孔32和辅助孔33流出。当液量稍增大时，孔径较大的主孔32会首先渗液，相当于现有技术中的单根排液管排液。当分离出来的液量较大时，液体的压力会破坏覆盖在辅助孔33表面的液膜，而从辅助孔33中也渗出，这样就相当于增加为多根排液管排液，解决了现有技术中排液量受到限制的问题。
实施例3：
如图8、图9所示，本实施例中的主孔32和辅助孔33的尺寸范围与实施例1类似，不同的是主孔32和辅助孔33是变当量孔径的锥台孔，当量孔径可以上面大，下面小；也可以上小下大，还可以是任意的变截面积形式。这种结构可使得主孔32和辅助孔33中都能够承载一定量的冷凝液，主孔32在冷凝液量相对较低时，也能保证排液的连续，可防止蒸汽穿过。辅助孔33的孔隙中有冷凝液可提高其阻汽能力，防止蒸汽穿过，也可以依据孔型既能提高阻汽能力又能加速排液。
实施例4：
如图10、图11所示，本实施例中的主孔32和辅助孔33之间是相互相交的，呈现“梅花”孔形结构。相交的梅花孔形结构可看作是一个主孔32的延展结构，相比单一主孔32结构，其流通当量直径有所增大，可有效强化主孔32的冷凝液流通能力，同时辅助孔33与主孔32相交能够在液量相对较小时通过表面张力粘附一定的冷凝液，强化了装置的阻汽液封能力。
实施例5：
如图12、图13所示，本实施例中的辅助孔33与主孔32相交，形成“梅花”孔形结构的同时，还设置了与主孔32不相交的辅助孔33。这是一种上述结构的组合，在流通面积增大的同时，保证了漏液阻汽装置3在更大的流通范围具有调节能力。
以上结构的功能主要是从孔结构上采用不同当量孔径相组合的方法强化漏液阻汽装置3的阻汽能力和液体流量调节能力，主孔32保证漏液阻汽装置3的基本漏液能力，辅助孔33保证漏液阻汽装置3的液体流量调节能力，在液体量较小时，通过液封作用阻隔蒸汽流通。直接采用上述多孔结构基板31，对解决冷凝器系统机油堵塞基板31方面有着明显的优势。
实施例6：
如图14、15所示，本实施例是在制作的基板31上设置的主孔32和辅助孔33中设置多孔介质芯34。在冷凝液流量较小的换热器中，由于冷凝液流量较小，需要更小的孔隙结构来保证孔结构的阻汽能力，填充多孔介质芯34，可在不改变孔结构的条件下，增强孔隙表面张力作用，强化阻汽能力。同时多孔介质芯34的抽吸作用亦可保证冷凝液的流通，实现小冷凝液流量下的分液作用。
实施例7：
如图16、17所示，本实施例是在主孔32与辅助孔33相交呈现“梅花”孔形结构的孔径内设置多孔介质芯34，这种结构可以在具备了上述实施例3特点基础上，加强了装置的阻汽效果。
实施例8：
如图18、19所示，本实施例是在主孔32与辅助孔33相交呈现“梅花”孔形结构的同时还设置了与主孔32不相交的辅助孔33的情况下，在各孔中设置了多孔介质芯34。这种结构是上述实施例4所描述的结构组合的情况下，在流通面积增大的同时保证了漏液阻汽装置3在更大的流通范围具有调节能力，同时保证了装置的阻汽效果。
实施例9：
如图20、21所示，本实施例与实施例1类似，但是采用多孔介质材料作为基板31，配合主孔32、辅助孔33的结构，通过多孔介质材料本身的多孔结构保证阻汽能力，通孔结构保证漏液分流能力。
上述各实施例中，漏液阻汽装置3采用与集液导流管2横截面相同的固体材料或固体多孔介质作为基板31，一般为金属材料，在保证与联箱2无泄漏紧密接触的前提下，也可采用其他材料。基板31直接镶嵌在联箱2中确定的位置，对金属材料的基板31一般采用焊接方式固定，结构大为简化。多孔板上的孔可以采用不同当量孔径、结构的孔构成，各个孔结构可是变当量孔径，也可以是同当量孔径，多孔介质材料可以采用粉末颗粒烧结制成的多孔介质或丝网等。
如图5所示，本发明使用时，空气侧空气横向冲刷带翅片11的换热管1以冷凝管内蒸汽，蒸汽通过进汽口21进入第一级联箱2后，由下至上被均匀的送入第一组换热管1进行冷凝，汽液混合物流入第一组换热管1另一端的第二级联箱2，冷凝液在第二级联箱2中流入集液导流管22并汇聚到漏液阻汽装置3上部，当集液导流管22内的积液较少时，主孔32和辅助孔33顶部形成的液膜可阻止蒸汽通过，使蒸汽进入下一组换热管1。随着液体的不断积累，在重力作用下液体会首先由孔径较大的主孔32排走，液体经联箱2底部的集液导流管22排出汇集于排液管23中，直径较小的辅助孔33会由少量的液体形成的液膜封住，有效地防止蒸汽通过；而当液体量比较大，在漏液阻汽装置3上部聚集的液体增多，液层厚度增大，重力产生的压头增大，小直径的辅助孔33的通流能力被激活，能够有效减少液体在漏液阻汽装置3上部的过度聚集。此时，蒸汽在漏液阻汽装置3的汽液分离作用下继续进入下一组换热管1，依次下去经适当级数进入最后一级联箱2，蒸汽已被全部冷凝，冷凝液汇集于排液管23中，最终经冷凝液出口流出。孔的流通能力实验表明，在一定液位高度条件下，通孔的液体流量大致与通孔流通面积成正比，因此通过定义参数孔隙率S表征漏液阻汽装置3的流通能力，
S＝A_p/A_t
其中A_p，A_t分别为各孔流通面积之和与基板31表面积。参数S由冷凝器系统循环流量确定，大致为此的20～50％。
为了保证整体结构的紧凑性，以适应不同用途和空间结构要求，本发明的冷凝器也可以采用以下结构形式。
实施例10：一种串联立管式冷凝器
如图22、图23所示，本实施例与实施例1的区别是其包括串联的左右两换热单元模块A，且最上端的联箱2为连接两换热单元模块A的直通折转联箱24。在与各级联箱2相连通的集液导流管22内均设置一漏液阻汽装置3，从而使各集液导流管22形成独立的分液空间，并且使各组换热管1形成左右顺序连通的多个冷凝空间，这样整个蒸汽流程呈“∩”形，该结构更为紧凑，节省空间，具有更高的应用价值。本实施例中，蒸汽通过进汽口21进入第一级联箱2后，由下至上被均匀的送入第一组换热管1进行冷凝，汽液混合物流入换热管1另一端的联箱2，通过集液导流管22中的漏液阻汽装置3实现汽液分离。液体经联箱2底部的集液导流管22排出汇集于排液管23中，蒸汽则进入下一组换热管1，依次下去蒸汽通过各级并经折转联箱24反向，再次逆流通过各级，最终进入最后一级联箱2，蒸汽全已被全部冷凝，汇集于排液管23中，最终经冷凝液出口流出。
上述实施例中，可以根据需要调整换热单元模块A的数量(两个或两个以上)和蒸汽折转的次数(两次或两次以上)，此时换热单元模块A两端的联箱2均为连通左右多个(至少两个)换热单元模块A的折转联箱。
实施例11：一种并联立管式冷凝器
如图24所示，本实施例包括首尾并联的左右两换热单元模块A，在两换热单元模块A中与联箱2相连通的集液导流管22内均设置有一漏液阻汽装置3，从而使两换热单元模块A的各集液导流管22形成独立的分液空间，同时使各组换热管1形成上下顺序连通的多个冷凝空间。本实施例与实施例1在蒸汽的流动与换热方式上相似。
本发明方法还可以用于其它各种制冷制热设备中，在此不再一一赘述，任何基于本发明原理和技术方案上的改进和等效变换均不应排除在本发明的保护范围之外。