CN102252549A - 毛细结构分液式冷凝管 - Google Patents

Abstract

本发明属于强化传热技术领域，涉及一种毛细结构分液式冷凝管，其结构为在普通冷凝换热管中沿管长方向间隔串接2～5个壁面毛细结构段，集液腔包围壁面毛细结构段外侧并固接在普通冷凝换热管上，集液腔和壁面毛细结构段构成毛细强化结构组件，导液管将各组毛细强化结构组件的集液腔相互连通，导液管延伸到普通冷凝换热管的末端与其相连。蒸汽流过冷凝管发生相变时，管内冷凝液通过壁面毛细结构段在液体表面张力作用下得到及时分离，并通过集液腔及导液管自动抽吸到冷凝管的末端，本发明从根本上突破了冷凝传热沿管长方向形成厚液膜使传热恶化的技术瓶颈，适用于普通冷凝传热及存在蒸汽冷凝的场合，还能推广于微重力条件下的冷凝传热。

Description

毛细结构分液式冷凝管

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种毛细结构分液式冷凝管。

背景技术

冷凝相变换热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，具有显著的经济效益和社会效益。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汽液的含量逐渐变化，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物理过程出发，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，需要一种根据流型演变过程中液膜增厚、热阻增大的特征，通过科学调控流型，从根本上提高冷凝换热效率的高效冷凝换热管的方法和技术。

发明内容

本发明的目的在于改变传统强化传热方法中忽略流型和传热分离的局面，解决冷凝相变传热过程逐渐恶化的关键问题，提供一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，毛细结构分液式冷凝管由普通冷凝换热管1、壁面毛细结构段2、集液腔3和导液管4组成，其结构为沿普通蒸汽冷凝管1的管长方向间隔串接2～5个壁面毛细结构段2，集液腔3包围壁面毛细结构段2外侧并固接在普通冷凝换热管1上，集液腔3和壁面毛细结构段2构成毛细强化结构组件，各组毛细强化结构组件的集液腔3和导液管4相连，导液管4的末端与冷凝管末端相连。

所述普通冷凝换热管1为光管、具有扩展受热面的翅片管、凹槽管或波节管，通过与管外工质换热实现管内蒸汽冷凝。

所述集液腔3的轴向截面为矩形或半圆形。

所述壁面毛细结构段2，由工质冷凝相变时流型演变规律中环状流、半环状流、弹状流或塞状流的分布及其长度确定壁面毛细结构段的位置和面积，第一组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2设置在管内环状流结束之前的厚液膜处，从第二组开始，相邻组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2在轴向的距离为弹状流或塞状流汽弹的长度，以消除或减弱弹状流的液桥热阻，调控流型，强化传热；由局部需导出的集液量确定毛细结构的周向分布，例如，因为第二组及以后各组的毛细强化结构组件需要导出整个液桥的液体，因此第一组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2毛细孔数少于第二组及以后各组的毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2毛细孔数。

所述壁面毛细结构段2的壁面毛细结构的毛细孔直径或当量直径由下式计算：

$d\≤1.83\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_g)}},$

其中σ为冷凝液表面张力、g为重力加速度、ρ_f为冷凝液密度、ρ_g为汽相密度，即冷凝工质表面张力大，毛细孔的直径略大，反之略小，例如水，毛细孔的直径在1～2mm之间，对应不同工质及混合物的毛细孔直径可类比。

所述壁面毛细结构段2的壁面毛细结构为壁面微孔型结构、壁面狭缝205型结构、多孔泡沫型结构或壁面丝网型结构。

所述壁面毛细结构段2的壁面微孔型结构的壁面微孔201为均匀排列或非均匀排列具有不同孔径的圆孔或方孔，第一段的壁面微孔201周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面微孔201周向分布密度。

所述壁面毛细结构段2的壁面狭缝型结构的壁面狭缝205为平行、交错或交叉形式分布具有相同或不同宽度的狭缝，第一段的壁面狭缝周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面狭缝周向分布密度。

所述壁面毛细结构段2的多孔泡沫型结构为多孔泡沫环204，第一段多孔泡沫环长度小于第二段及以后各段多孔泡沫环长度。

所述多孔泡沫环204的材料为泡沫金属或泡沫陶瓷。

所述壁面毛细结构段2的壁面丝网型结构由开启在普通冷凝换热管1的管壁上的圆孔202和包覆在圆孔外的金属丝网203组成，第一段的圆孔周向个数小于第二段及以后各段圆孔周向个数。

本发明为一种强化冷凝相传热的新型冷凝强化管，从冷凝的物理过程出发，从流型控制出发，大幅度提高冷凝相变传热的效率，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，提供了一种有别于背景技术中所述的短管效应、重力分离的一种新型毛细结构分液式冷凝管。毛细结构分液式冷凝管即在普通冷凝换热管局部壁面设置壁面毛细结构段，在壁面毛细结构段外围设置集液腔和导液管以存储并及时输导由多孔结构分离出的冷凝液，从而减薄液膜，降低液膜热阻，甚至将分层流、弹状流冷凝流型转换为高效传热的环状流，从而从根本上显著提高冷凝相变传热性能。其工作过程为，处在壁面毛细结构段附近的冷凝液在表面张力的作用下通过微孔或狭缝等结构被及时分离出冷凝管，并通过毛细结构组件的集液腔及导液管自动抽吸到冷凝管的末端，通过设置壁面毛细结构段的位置和面积将厚液膜区或者液桥区过多的冷凝液及时导离换热壁面，从而调控流型保证整个管长方向均为薄液膜的环状流传热，达到从根本上提高冷凝换热效率的目的。

本发明的效果为：(1)通过根据流型规律在普通换热管局部位置设置壁面多孔结构、集液腔和导液管，及时分离冷凝过程大量的冷凝液，使得冷凝管中的厚液膜流型和含有液桥的弹状流或塞状流转变为薄液膜传热的环状流，从而调控流型、强化冷凝传热；本发明从冷凝的基本物理过程出发，从科学的角度解决沿管长方向冷凝传热恶化的问题，从根本上突破了冷凝传热沿管长方向形成厚液膜使传热恶化的技术瓶颈；(2)本发明中利用毛细结构和液体的表面张力导出液体是无需耗能的非能动过程，其效果不受重力影响，即不受换热管倾斜角的限制，因而，该结构不仅适用于普通冷凝传热及存在蒸气冷凝的场合，还能推广于微重力条件下的冷凝传热。使其在不增大阻力的情况下显著提高冷凝相变换热管道的传热效率。

附图说明

图1为毛细结构分液式冷凝管整体结构示意图；

图2(a)为壁面微孔型的毛细强化结构组件轴向剖面图；

图2(b)为壁面微孔型的毛细强化结构组件周向剖面图；

图3(a)为壁面丝网型的毛细强化结构组件轴向剖面图；

图3(b)为壁面丝网型的毛细强化结构组件周向剖面图；

图4(a)为多孔泡沫型的毛细强化结构组件轴向剖面图；

图4(b)为多孔泡沫型的毛细强化结构组件周向剖面图；

图5(a)为壁面狭缝型的毛细强化结构组件轴向剖面图；

图5(b)为壁面狭缝型的毛细强化结构组件周向剖面图；

图6为集液腔横截面为半圆形的冷凝管实施例结构示意图。

图中，1--普通冷凝换热管，2--壁面毛细结构段，3--集液腔，4--导液管，5--冷凝工质流动向方，201--壁面微孔，202--圆孔，203--金属丝网，204--多孔泡沫环，205--壁面狭缝。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步说明。

图1为毛细结构分液式冷凝管整体结构示意图，毛细结构分液式冷凝管由普通冷凝换热管1、壁面毛细结构段2、集液腔3和导液管4组成，从冷凝管的首端至末端，2～5个壁面毛细结构段2沿普通蒸汽冷凝管1的管长方向间隔串接在普通冷凝换热管1中，集液腔3包围壁面毛细结构段2固接在普通冷凝换热管1上，集液腔3和壁面毛细结构段2构成毛细强化结构组件，导液管4将各组毛细强化结构组件的集液腔3相互连通，导液管4延伸到普通冷凝换热管1的末端与其相连。普通冷凝换热管1为光管，通过与管外工质换热实现管内蒸汽冷凝。集液腔3的轴向截面为矩形。冷凝工质按图中所示的冷凝工质流动向方5从冷凝管的首端流向末端。

壁面毛细结构段2，由工质冷凝相变时流型演变规律中环状流、半环状流、弹状流或塞状流的分布及其长度确定壁面毛细结构段的位置和面积，第一组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2设置在管内环状流结束之前的厚液膜处，从第二组开始，相邻组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2在轴向的距离为弹状流或塞状流汽弹的长度，以消除或减弱弹状流的液桥热阻，调控流型，强化传热；其周向分布由局部需导出的集液量确定，因为第二组及以后各组的毛细强化结构组件需要导出整个液桥的液体，因此第二组及以后各组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段2毛细孔数多于第一组的毛细孔数。

壁面毛细结构段2的壁面毛细结构的毛细孔直径或当量直径由下式计算：

$d\≤1.83\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_g)}},$

其中σ为冷凝液表面张力、g为重力加速度、ρ_f为冷凝液密度、ρ_g为汽相密度，即冷凝工质表面张力大，毛细孔的直径略大，反之略小；对于水，毛细孔的直径在1～2mm之间，对应不同工质及混合物的毛细孔直径可类比。

如图2至图5所示，毛细强化结构组件中，壁面毛细结构段2的壁面毛细结构为壁面微孔型结构、壁面狭缝型结构、多孔泡沫型结构或壁面丝网型结构。

图2(a)和图2(b)分别为壁面微孔型的毛细强化结构组件轴向剖面图和周向剖面图，壁面微孔型结构为在普通冷凝换热管1的管壁上直接打壁面微孔201，从图2(a)的轴向剖面图可见沿管长方向上在，集液腔3内分布5组壁面微孔201，而从图2(b)的周向剖面图可见在圆周方向上每组壁面微孔均匀分布了8个壁面微孔201，冷凝液体可以直接通过壁面微孔201进入集液腔3，从而经导液管4及时分离至冷凝管末端。第一段壁面毛细结构段2的壁面微孔周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面微孔周向分布密度。

图3(a)和图3(b)分别为壁面丝网型的毛细强化结构组件轴向剖面图和周向剖面图，壁面毛细结构段2的壁面丝网型结构由开启在普通冷凝换热管1的管壁上的一组尺寸较大的圆孔202和包覆在圆孔202外的金属丝网203组成，如图3(b)所示，在圆周向上均匀分布8个圆孔202，冷凝液体可以直接通过圆孔202和金属丝网203进入集液腔3，从而经导液管4及时分离至冷凝管末端。第一段壁面毛细结构段2的圆孔周向个数小于第二段及以后各段圆孔周向个数。

图4(a)和为图4(b)分别为多孔泡沫型的毛细强化结构组件轴向剖面图和周向剖面图，壁面毛细结构段2为泡沫金属或泡沫陶瓷的多孔泡沫材料加工而成的多孔泡沫环204，并用支架或焊接方法沿管长方向串接在普通冷凝换热管1中，多孔泡沫环204的毛细孔径大小按照所述壁面毛细结构段2的壁面毛细结构的毛细孔直径或当量直径的计算结果选择泡沫孔的目数，冷凝液体可以直接通过多孔泡沫环204进入集液腔3，从而经导液管4及时分离至冷凝管末端。第一段壁面毛细结构段2的多孔泡沫环长度小于第二段及以后各段多孔泡沫环长度。

图5(a)和为图5(b)分别为壁面狭缝型的毛细强化结构组件轴向剖面图和周向剖面图，壁面狭缝型结构为在普通冷凝换热管1的管壁上直接加工均匀平行的壁面狭缝205，从图5(a)轴向剖面图可见壁面狭缝205的长度与集液腔3的长度相同，从图5(b)周向剖面图可见壁面狭缝205在圆周方向上均匀分布了12条壁面狭缝205。冷凝液体可以直接通过壁面狭缝205进入集液腔3，从而经导液管4及时分离至冷凝管末端。第一段壁面毛细结构段2的壁面狭缝周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面狭缝周向分布密度。

实施例

图6为集液腔横截面为半圆形的冷凝管实施例结构示意图。本实施例为壁面毛细结构段2的壁面毛细结构为壁面微孔型结构，集液腔3的轴向截面为半圆形的毛细结构分液式冷凝管，整个毛细结构分液式冷凝管在沿管长方向上分布2组毛细强化结构组件，导液管4与两组毛细强化结构组件的集液腔3相连后末端直接与冷凝管末端相连。

本实施例的制备过程为：用长2.5m的

12mm×1mm的铜管作为普通冷凝换热管1；制作第一组毛细强化结构组件，在距离冷凝管的首端，即工质入口50mm的壁面位置，周向均匀分布打4个

2mm的壁面微孔201，管外侧利用

5mm×1mm的半圆铜管包围全部壁面微孔201并与换热管焊接密封做成集液腔3；制作第二组毛细强化结构组件，在距离冷凝管的首端120mm处，轴向分布两圈，圈距为3mm，周向均匀分布打8个2mm的壁面微孔201，同样利用9mm×1mm的半圆铜管在管外侧焊接加工成集液腔3；最后将2个集液腔3用

2mm的导液管4连通，在换热管尾部240mm处，导液管4的末端与换热管连通，该段换热管已全部成为冷凝液体的主管道，从而获得具有强化冷凝相相变功能的毛细结构分液式冷凝管。

本发明适用于任何需要蒸汽冷凝的场合，能单管使用，多管并联使用，或者将冷凝管组装成冷凝器使用；由于采用毛细结构，利用表面张力实现冷凝管外的汽液分离不受重力影响，在地面及微重力环境下都可显著提高冷凝传热系数。本发明不仅适用于普通冷凝传热及存在蒸汽冷凝的场合，还能推广于微重力条件下的冷凝传热。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，毛细结构分液式冷凝管由普通冷凝换热管(1)、壁面毛细结构段(2)、集液腔(3)和导液管(4)组成，沿普通蒸汽冷凝管1的管长方向间隔串接2～5个壁面毛细结构段(2)，集液腔(3)包围壁面毛细结构段(2)外侧并固接在普通冷凝换热管(1)上，集液腔(3)和壁面毛细结构段(2)构成毛细强化结构组件，各组毛细强化结构组件的集液腔(3)和导液管(4)相连，导液管(4)的末端与冷凝管末端相连。

2.根据权利要求1所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述普通冷凝换热管(1)为光管、具有扩展受热面的翅片管、凹槽管或波节管。

3.根据权利要求1所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述集液腔(3)的轴向截面为矩形或半圆形。

4.根据权利要求1所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)，由工质冷凝相变时流型的演变规律中环状流、半环状流、弹状流或塞状流的分布及其长度确定壁面毛细结构段的位置和面积，第一组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段(2)设置在管内环状流结束之前的厚液膜处，从第二组开始，相邻组毛细强化结构组件的壁面毛细结构段(2)在轴向的距离为弹状流或塞状流汽弹的长度。

5.根据权利要求1所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的壁面毛细结构的毛细孔直径或当量直径由下式计算确定：

$d\≤1.83\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_g)}},$

其中σ为冷凝液表面张力、g为重力加速度、ρ_f为冷凝液密度、ρ_g为汽相密度，即冷凝工质表面张力大，毛细孔的直径略大，反之略小。

6.根据权利要求1所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的壁面毛细结构为壁面微孔型结构、壁面狭缝型结构、多孔泡沫型结构或壁面丝网型结构。

7.根据权利要求1或6所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的壁面微孔型结构的壁面微孔(201)为均匀排列或非均匀排列具有不同孔径的圆孔或方孔。

8.根据权利要求1或6所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的壁面狭缝型结构的壁面狭缝(205)为平行、交错或交叉形式分布具有相同或不同狭缝宽度的狭缝。

9.根据权利要求1或6所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的多孔泡沫型结构为多孔泡沫环(204)。

10.根据权利要求9所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述多孔泡沫环(204)的材料为泡沫金属或泡沫陶瓷。

11.根据权利要求1或6所述的一种毛细结构分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛细结构段(2)的壁面丝网型结构由开启在普通冷凝换热管(1)的管壁上的圆孔(202)和包覆在圆孔外的金属丝网(203)组成。

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