專利名稱：毛細結構分液式冷凝管的制作方法
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。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。所述壁面毛細結構段2，由工質冷凝相變時流型演變規律中環狀流、半環狀流、彈狀流或塞狀流的分布及其長度確定壁面毛細結構段的位置和面積，第一組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2設置在管內環狀流結束之前的厚液膜處，從第二組開始，相鄰組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2在軸向的距離為彈狀流或塞狀流汽彈的長度，以消除或減弱彈狀流的液橋熱阻，調控流型，強化傳熱；由局部需導出的集液量確定毛細結構的周向分布，例如，因為第二組及以后各組的毛細強化結構組件需要導出整個液橋的液體，因此第一組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2毛細孔數少于第二組及以后各組的毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2毛細孔數。所述壁面毛細結構段2的壁面毛細結構的毛細孔直徑或當量直徑由下式計算其中σ為冷凝液表面張力、g為重力加速度、P f為冷凝液密度、P g為汽相密度， 即冷凝工質表面張力大，毛細孔的直徑略大，反之略小，例如水，毛細孔的直徑在1 2mm之間，對應不同工質及混合物的毛細孔直徑可類比。所述壁面毛細結構段2的壁面毛細結構為壁面微孔型結構、壁面狹縫205型結構、 多孔泡沫型結構或壁面絲網型結構。所述壁面毛細結構段2的壁面微孔型結構的壁面微孔201為均勻排列或非均勻排列具有不同孔徑的圓孔或方孔，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
發明內容
所述壁面毛細結構段2的壁面狹縫型結構的壁面狹縫205為平行、交錯或交叉形式分布具有相同或不同寬度的狹縫，第一段的壁面狹縫周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面狹縫周向分布密度。所述壁面毛細結構段2的多孔泡沫型結構為多孔泡沫環204，第一段多孔泡沫環長度小于第二段及以后各段多孔泡沫環長度。所述多孔泡沫環204的材料為泡沫金屬或泡沫陶瓷。所述壁面毛細結構段2的壁面絲網型結構由開啟在普通冷凝換熱管1的管壁上的圓孔202和包覆在圓孔外的金屬絲網203組成，第一段的圓孔周向個數小于第二段及以后各段圓孔周向個數。本發明為一種強化冷凝相傳熱的新型冷凝強化管，從冷凝的物理過程出發，從流型控制出發，大幅度提高冷凝相變傳熱的效率，基于調控冷凝傳熱流型以改進完整冷凝傳熱流動與傳熱性能的新思想，提供了一種有別于背景技術中所述的短管效應、重力分離的一種新型毛細結構分液式冷凝管。毛細結構分液式冷凝管即在普通冷凝換熱管局部壁面設置壁面毛細結構段，在壁面毛細結構段外圍設置集液腔和導液管以存儲并及時輸導由多孔結構分離出的冷凝液，從而減薄液膜，降低液膜熱阻，甚至將分層流、彈狀流冷凝流型轉換為高效傳熱的環狀流，從而從根本上顯著提高冷凝相變傳熱性能。其工作過程為，處在壁面毛細結構段附近的冷凝液在表面張力的作用下通過微孔或狹縫等結構被及時分離出冷凝管，并通過毛細結構組件的集液腔及導液管自動抽吸到冷凝管的末端，通過設置壁面毛細結構段的位置和面積將厚液膜區或者液橋區過多的冷凝液及時導離換熱壁面，從而調控流型保證整個管長方向均為薄液膜的環狀流傳熱，達到從根本上提高冷凝換熱效率的目的。本發明的效果為(1)通過根據流型規律在普通換熱管局部位置設置壁面多孔結構、集液腔和導液管，及時分離冷凝過程大量的冷凝液，使得冷凝管中的厚液膜流型和含有液橋的彈狀流或塞狀流轉變為薄液膜傳熱的環狀流，從而調控流型、強化冷凝傳熱；本發明從冷凝的基本物理過程出發，從科學的角度解決沿管長方向冷凝傳熱惡化的問題，從根本上突破了冷凝傳熱沿管長方向形成厚液膜使傳熱惡化的技術瓶頸；( 本發明中利用毛細結構和液體的表面張力導出液體是無需耗能的非能動過程，其效果不受重力影響，即不受換熱管傾斜角的限制，因而，該結構不僅適用于普通冷凝傳熱及存在蒸氣冷凝的場合，還能推廣于微重力條件下的冷凝傳熱。使其在不增大阻力的情況下顯著提高冷凝相變換熱管道的傳熱效率。
圖1為毛細結構分液式冷凝管整體結構示意圖；圖2(a)為壁面微孔型的毛細強化結構組件軸向剖面圖；圖2(b)為壁面微孔型的毛細強化結構組件周向剖面圖；圖3(a)為壁面絲網型的毛細強化結構組件軸向剖面圖；圖3(b)為壁面絲網型的毛細強化結構組件周向剖面圖；圖4(a)為多孔泡沫型的毛細強化結構組件軸向剖面圖；圖4 (b)為多孔泡沫型的毛細強化結構組件周向剖面圖；圖5(a)為壁面狹縫型的毛細強化結構組件軸向剖面圖5(b)為壁面狹縫型的毛細強化結構組件周向剖面圖；圖6為集液腔橫截面為半圓形的冷凝管實施例結構示意圖。圖中，1-普通冷凝換熱管，2—壁面毛細結構段，3—集液腔，4一導液管，5—冷凝工質流動向方，201—壁面微孔，202—圓孔，203—金屬絲網，204—多孔泡沫環，205—壁面狹縫。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實例對本發明作進一步說明。圖1為毛細結構分液式冷凝管整體結構示意圖，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，從冷凝管的首端至末端，2 5個壁面毛細結構段2沿普通蒸汽冷凝管1的管長方向間隔串接在普通冷凝換熱管1中，集液腔3包圍壁面毛細結構段2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，導液管4將各組毛細強化結構組件的集液腔3相互連通，導液管4延伸到普通冷凝換熱管1的末端與其相連。普通冷凝換熱管1為光管，通過與管外工質換熱實現管內蒸汽冷凝。集液腔3的軸向截面為矩形。冷凝工質按圖中所示的冷凝工質流動向方5從冷凝管的首端流向末端。壁面毛細結構段2，由工質冷凝相變時流型演變規律中環狀流、半環狀流、彈狀流或塞狀流的分布及其長度確定壁面毛細結構段的位置和面積，第一組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2設置在管內環狀流結束之前的厚液膜處，從第二組開始，相鄰組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2在軸向的距離為彈狀流或塞狀流汽彈的長度，以消除或減弱彈狀流的液橋熱阻，調控流型，強化傳熱；其周向分布由局部需導出的集液量確定，因為第二組及以后各組的毛細強化結構組件需要導出整個液橋的液體，因此第二組及以后各組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段2毛細孔數多于第一組的毛細孔數。壁面毛細結構段2的壁面毛細結構的毛細孔直徑或當量直徑由下式計算d<\.%3-
^jg(Pf-Pg)，其中σ為冷凝液表面張力、g為重力加速度、P f為冷凝液密度、P g為汽相密度， 即冷凝工質表面張力大，毛細孔的直徑略大，反之略小；對于水，毛細孔的直徑在1 2mm之間，對應不同工質及混合物的毛細孔直徑可類比。如圖2至圖5所示，毛細強化結構組件中，壁面毛細結構段2的壁面毛細結構為壁面微孔型結構、壁面狹縫型結構、多孔泡沫型結構或壁面絲網型結構。圖2(a)和圖2(b)分別為壁面微孔型的毛細強化結構組件軸向剖面圖和周向剖面圖，壁面微孔型結構為在普通冷凝換熱管1的管壁上直接打壁面微孔201，從圖2(a)的軸向剖面圖可見沿管長方向上在，集液腔3內分布5組壁面微孔201，而從圖2(b)的周向剖面圖可見在圓周方向上每組壁面微孔均勻分布了 8個壁面微孔201，冷凝液體可以直接通過壁面微孔201進入集液腔3，從而經導液管4及時分離至冷凝管末端。第一段壁面毛細結構段 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。圖3(a)和圖3(b)分別為壁面絲網型的毛細強化結構組件軸向剖面圖和周向剖面圖，壁面毛細結構段2的壁面絲網型結構由開啟在普通冷凝換熱管1的管壁上的一組尺寸較大的圓孔202和包覆在圓孔202外的金屬絲網203組成，如圖3(b)所示，在圓周向上均勻分布8個圓孔202，冷凝液體可以直接通過圓孔202和金屬絲網203進入集液腔3，從而經導液管4及時分離至冷凝管末端。第一段壁面毛細結構段2的圓孔周向個數小于第二段及以后各段圓孔周向個數。圖4(a)和為圖4(b)分別為多孔泡沫型的毛細強化結構組件軸向剖面圖和周向剖面圖，壁面毛細結構段2為泡沫金屬或泡沫陶瓷的多孔泡沫材料加工而成的多孔泡沫環 204，并用支架或焊接方法沿管長方向串接在普通冷凝換熱管1中，多孔泡沫環204的毛細孔徑大小按照所述壁面毛細結構段2的壁面毛細結構的毛細孔直徑或當量直徑的計算結果選擇泡沫孔的目數，冷凝液體可以直接通過多孔泡沫環204進入集液腔3，從而經導液管 4及時分離至冷凝管末端。第一段壁面毛細結構段2的多孔泡沫環長度小于第二段及以后各段多孔泡沫環長度。圖5(a)和為圖5(b)分別為壁面狹縫型的毛細強化結構組件軸向剖面圖和周向剖面圖，壁面狹縫型結構為在普通冷凝換熱管1的管壁上直接加工均勻平行的壁面狹縫205， 從圖5(a)軸向剖面圖可見壁面狹縫205的長度與集液腔3的長度相同，從圖5(b)周向剖面圖可見壁面狹縫205在圓周方向上均勻分布了 12條壁面狹縫205。冷凝液體可以直接通過壁面狹縫205進入集液腔3，從而經導液管4及時分離至冷凝管末端。第一段壁面毛細結構段2的壁面狹縫周向分布密度小于第二段及以后各段的壁面狹縫周向分布密度。實施例圖6為集液腔橫截面為半圓形的冷凝管實施例結構示意圖。本實施例為壁面毛細結構段2的壁面毛細結構為壁面微孔型結構，集液腔3的軸向截面為半圓形的毛細結構分液式冷凝管，整個毛細結構分液式冷凝管在沿管長方向上分布2組毛細強化結構組件，導液管4與兩組毛細強化結構組件的集液腔3相連后末端直接與冷凝管末端相連。本實施例的制備過程為用長2. 5m的φ 12mmX Imm的銅管作為普通冷凝換熱管1 ； 制作第一組毛細強化結構組件，在距離冷凝管的首端，即工質入口 50mm的壁面位置，周向均勻分布打4個φ 2mm的壁面微孔201，管外側利用φ 5mmX Imm的半圓銅管包圍全部壁面微孔201并與換熱管焊接密封做成集液腔3 ；制作第二組毛細強化結構組件，在距離冷凝管的首端120mm處，軸向分布兩圈，圈距為3mm，周向均勻分布打8個φ 2mm的壁面微孔201，同樣利用φ 9mmX Imm的半圓銅管在管外側焊接加工成集液腔3 ；最后將2個集液腔3用φ 2mm的導液管4連通，在換熱管尾部MOmm處，導液管4的末端與換熱管連通，該段換熱管已全部成為冷凝液體的主管道，從而獲得具有強化冷凝相相變功能的毛細結構分液式冷凝管。本發明適用于任何需要蒸汽冷凝的場合，能單管使用，多管并聯使用，或者將冷凝管組裝成冷凝器使用；由于采用毛細結構，利用表面張力實現冷凝管外的汽液分離不受重力影響，在地面及微重力環境下都可顯著提高冷凝傳熱系數。本發明不僅適用于普通冷凝傳熱及存在蒸汽冷凝的場合，還能推廣于微重力條件下的冷凝傳熱。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一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( 、集液腔C3)和導液管(4)組成，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0)，集液腔(3)包圍壁面毛細結構段⑵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C3)和導液管(4)相連，導液管(4)的末端與冷凝管末端相連。
2.根據權利要求1所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，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。
3.根據權利要求1所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述集液腔(3)的軸向截面為矩形或半圓形。
4.根據權利要求1所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段( ，由工質冷凝相變時流型的演變規律中環狀流、半環狀流、彈狀流或塞狀流的分布及其長度確定壁面毛細結構段的位置和面積，第一組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段 (2)設置在管內環狀流結束之前的厚液膜處，從第二組開始，相鄰組毛細強化結構組件的壁面毛細結構段(2)在軸向的距離為彈狀流或塞狀流汽彈的長度。
5.根據權利要求1所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段O)的壁面毛細結構的毛細孔直徑或當量直徑由下式計算確定其中σ為冷凝液表面張力、g為重力加速度、Pf為冷凝液密度、Pg為汽相密度，即冷凝工質表面張力大，毛細孔的直徑略大，反之略小。
6.根據權利要求1所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段O)的壁面毛細結構為壁面微孔型結構、壁面狹縫型結構、多孔泡沫型結構或壁面絲網型結構。
7.根據權利要求1或6所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段(2)的壁面微孔型結構的壁面微孔(201)為均勻排列或非均勻排列具有不同孔徑的圓孔或方孔。
8.根據權利要求1或6所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段O)的壁面狹縫型結構的壁面狹縫(205)為平行、交錯或交叉形式分布具有相同或不同狹縫寬度的狹縫。
9.根據權利要求1或6所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段O)的多孔泡沫型結構為多孔泡沫環004)。
10.根據權利要求9所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述多孔泡沫環 (204)的材料為泡沫金屬或泡沫陶瓷。
11.根據權利要求1或6所述的一種毛細結構分液式冷凝管，其特征在于，所述壁面毛細結構段(2)的壁面絲網型結構由開啟在普通冷凝換熱管(1)的管壁上的圓孔(202)和包覆在圓孔外的金屬絲網(20 組成。
全文摘要
本發明屬于強化傳熱技術領域，涉及一種毛細結構分液式冷凝管，其結構為在普通冷凝換熱管中沿管長方向間隔串接2～5個壁面毛細結構段，集液腔包圍壁面毛細結構段外側并固接在普通冷凝換熱管上，集液腔和壁面毛細結構段構成毛細強化結構組件，導液管將各組毛細強化結構組件的集液腔相互連通，導液管延伸到普通冷凝換熱管的末端與其相連。蒸汽流過冷凝管發生相變時，管內冷凝液通過壁面毛細結構段在液體表面張力作用下得到及時分離，并通過集液腔及導液管自動抽吸到冷凝管的末端，本發明從根本上突破了冷凝傳熱沿管長方向形成厚液膜使傳熱惡化的技術瓶頸，適用于普通冷凝傳熱及存在蒸汽冷凝的場合，還能推廣于微重力條件下的冷凝傳熱。
文檔編號F28F1/10GK102252549SQ20111020678
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者徐進良, 王偉, 陳宏霞 申請人:華北電力大學