[發明專利]毛細結構分液式冷凝管

有效

• 申請號: 201110206781.6
• 申請日: 2011-07-22
• 公開（公告）號: CN102252549A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 陳宏霞;徐進良;王偉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F28F1/10
• 分類號: F28F1/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱印康

技術領域

本發明屬于強化傳熱技術領域，特別涉及一種毛細結構分液式冷凝管。

背景技術

冷凝相變換熱器由于相變傳熱的高效性廣泛應用在制冷、空調、發電、石化等領域。在一些應用場合，比如利用低品位熱源驅動ORC循環中需要盡量降低朗肯循環中冷凝器內的溫度和壓力，使得冷凝器在小溫差(管內有機工質與管外空氣或冷卻水溫差小)驅動下工作，導致換熱面積的增大及投資成本的提高。同時在制冷、空調、石化等領域，進一步提高冷凝換熱效率，能夠大幅度降低成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。這為高效冷凝器的設計、制造和運行提出了重大需求。

冷凝相變是兩相流學科中一個重要的相變過程，管內的冷凝過程從汽態到冷凝液態的不斷演變過程中汽液的含量逐漸變化，使得從全汽態到全液態過程中呈現了濕蒸汽流、環狀流、分層流、彈狀流、塞狀流、泡狀流等不同流型。同時，由于冷凝液的不斷出現和集聚，液體在冷凝管內從開始的小液滴逐漸形成壁面薄液膜、壁面厚液膜到液橋最后到全液狀態。如果說環狀流時壁面冷凝液薄液膜的形成，增大了汽固之間的換熱系數；那這種同時具有一定熱阻的液膜必定存在最佳厚度值。根據國內外研究學者報道，并已達成共識，薄液膜狀態的環狀流具有最高的傳熱效率，即在整個冷凝過程中隨著流型從環狀流轉變到分層流、彈狀流、塞狀流，液膜在壁面由薄液膜聚集到厚液膜甚至到液橋狀態，其液膜熱阻顯著增加，從而導致冷凝過程傳熱系數逐漸降低、傳熱效果明顯惡化的現狀。因此冷凝過程中的流型演變才是冷凝管換熱效率惡化、衰減的根本原因。

目前國內外強化冷凝換熱方面主要采用各種形式的強化管，如微翅管、凹槽管、波節管、及安裝插入物的強化管。從強化效果來講，微翅片管通過增強冷凝液膜的摻混、引起管內流體的擾動，一般比凹槽管的強化效果明顯，能夠將光滑管的冷凝傳熱系數提高80～180％。而對于不同傾斜角度的凹槽管，且其強化效果受質流速度的影響，質速越大、冷凝液導出越快，強化效果越明顯。波節強化管一般可將光滑管的傳熱系數提高50％；另外管內插入雙螺旋絲結構的強化管，亦能顯著強化豎直管內冷凝換熱。但，目前采用的冷凝強化管，均未能注意到冷凝流型的變化、從流型演變的根本出發，而只是通過引起旋轉流、二次流，使中心流體與管壁流體產生置換，破壞邊界層的發展，從而強化管內冷凝。具有以下共同點：(1)內壁微細結構主要改變了近壁區的流動和傳熱性能，不能從整體上調控流型。(2)內壁強化結構雖具有強化效果但并未解決冷凝管長方向上換熱性能衰減的演變特征。(3)強化管增加了制造難度，冷凝器成本增大。

2007年，清華大學相變與界面傳遞實驗室彭曉峰教授將整個管內冷凝近似為薄液膜冷凝，根據努賽爾層流、膜狀凝結分析解知冷凝換熱液膜厚度與管長的1/4次方成正比、平均表面傳熱系數與整個管長的1/4次方成反比，定量的揭示了冷凝傳熱系數隨換熱管長度的增大而衰減的客觀事實；并利用短管效應，舍棄冷凝換熱管后續低傳熱流型，保留初始過程高傳熱性能流型；同時將短管出口利用重力將汽液分離后得到的汽相再進入下一短管繼續冷凝，使冷凝流型始終維持在環狀流的方法顯著提高了冷凝換熱管的傳熱效率。其基于對冷凝各流型傳熱性能的認識，從冷凝科學過程的角度強化傳熱；但其出發點是直接避開傳熱效果差的流型，縮短換熱管長度；同時，利用重力進行汽液分離的方法使得冷凝器在不同傾角換熱器下的設計必須不同，在微重力條件下的應用具有一定局限性。

綜上所述，顯著提高冷凝傳熱效率必須從冷凝的物理過程出發，調控流型，才能從根本上提高其換熱性能，解決其沿管長惡化的現狀，需要一種根據流型演變過程中液膜增厚、熱阻增大的特征，通過科學調控流型，從根本上提高冷凝換熱效率的高效冷凝換熱管的方法和技術。

發明內容

本發明的目的在于改變傳統強化傳熱方法中忽略流型和傳熱分離的局面，解決冷凝相變傳熱過程逐漸惡化的關鍵問題，提供一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，毛細結構分液式冷凝管由普通冷凝換熱管1、壁面毛細結構段2、集液腔3和導液管4組成，其結構為沿普通蒸汽冷凝管1的管長方向間隔串接2～5個壁面毛細結構段2，集液腔3包圍壁面毛細結構段2外側并固接在普通冷凝換熱管1上，集液腔3和壁面毛細結構段2構成毛細強化結構組件，各組毛細強化結構組件的集液腔3和導液管4相連，導液管4的末端與冷凝管末端相連。

所述普通冷凝換熱管1為光管、具有擴展受熱面的翅片管、凹槽管或波節管，通過與管外工質換熱實現管內蒸汽冷凝。

所述集液腔3的軸向截面為矩形或半圓形。