专利名称：气液分离式套管蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气液分离式套管蒸发器，属于热工设备技术领域。
技术背景套管式蒸发器是一类热工设备，在动力、化工、空调工程和制冷工程中应用得非常广泛， 如冰箱，冷柜，空调系统中，化工和石化工艺蒸发器等。图l所示为传统套管式蒸发器，由同心的内管和外套管组成。如图l，图(a)为传统套 管式蒸发器俯视图；图(b)为传统套管式蒸发器侧视图。其中，100 —热源液体(被冷却液 体或水)入口， 200 —被蒸发液体(对空调制冷系统为制冷剂)蒸气出口， 300 —被蒸发流体 入口， 400 —被冷却液体出口， 500-外套管。传统套管式蒸发器为节省空间，多采用螺旋型布 置，依靠水在套管与内管间隙内的对流换热，蒸发液体在管内蒸发和沸腾实现气化过程。此 类蒸发器入口为纯液体，经过全管长气化，出口基本为纯气体。管内气化换热过程中，虽然 会随着干度的增大换热效果得以提高，但提高幅度不大，且采用管内气化换热，液相无法有 效铺展，形成换热作用很强的液膜对流沸腾状态。同时，采用水平螺旋管式结构，内部虽存 在二次流的扰动作用，但分层流仍不可避免。分层流将导致管内局部干涸，液相大量聚集于 管内底层，大大削弱了换热效果。另一方面，单一管内流程蒸发及沸腾过程也导致了复杂的 气液两相流，对系统运行稳定性、流动阻力和系统的调控等，都带来很不利的影响。发明内容发明目的本发明提供一类气液分离式套管蒸发器。核心原理为让蒸发流体在套管内、扭转内管束外流动，进行管束表面对流蒸发相变，中间采取若干个集气排气口进行气液分离， 始终让液体在管束表面有效铺展，高效蒸发，而不形成含气增加所导致的复杂二相流动而影响蒸发；内管束利用本身扭转形成具有一定沟槽的表面，很好地实现吸附和铺展液体的功能， 自然保证液体处于高效蒸发状态；套管侧在一定位置将液体和它的蒸气分隔成相向流动(液 体下行，蒸气上行)的二段，有机地把蒸发与蒸气过热功能分开，可以保证蒸发过程的功能 专一和高效，又能通过调节过热段长度很好地实现蒸气的过热控制(这是一般蒸发器很难实 现的)；利用存液、阻液技术实现蒸发段内残存蒸发液体的循环。该分液式套管冷凝器是一种 具有高效气化能力，高传热系数，小换热器体积和金属消耗的新型套管式蒸发器。主要有两 种基本形式，螺旋式气液分离套管蒸发器和立式蛇形管气液分离套管蒸发器。
一种螺旋式气液分离套管蒸发器，如图2所示，包括l.加热液体(被冷却液体或水，下 同。)进口、 2.被蒸发液体(或制冷剂，下同。)蒸气出口、 3.螺旋过热段、4.集气排气管、 5.集气排气口、 6.被蒸发液体进口管、7.加热液体出口、 8.残存被蒸发液体液相回流口管、 9.被蒸发液体进口、 10.螺旋换热段、ll.扭转内管束、12.外套管、13.分隔装置。螺旋式套管蒸发器，外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的内管(11)组成基本换 热部分，整体成螺旋状。内管一端为加热液体进口 (1)，另一端为加热液体出口。被蒸发液 体进口 (9)置于螺旋状外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接。 被蒸发液体进口管一端连接制冷剂进口 (9)， 一端与螺旋外套管(12)上端相接，接口距被 蒸发液体蒸气出口 (2)大约半个螺旋圆周。在每层螺旋外套管的同一位置均开有集气排气口 (5)，与集气排气管(4)连通。最上端的排气口 (5)位于被蒸发液体进口管(6)与外套管 (12)接口的上游，将整体换热部分分为螺旋换热段(10)与螺旋过热段(3)。被蒸发液体由被蒸发液体进口 (9)进入，通过被蒸发液体进口管(6)输送至换热器上 部，在螺旋换热段(10)的外套管(12)与内管(11)之间由上至下流动相变换热。每经过 一圈螺旋流动，都会通过集气排气口 (5)进行一次气液分离，被蒸发液体蒸气会通过集气排 气口 (5)排出，被蒸发液体会继续向下游流动。通过集气排气口 (5)排出的蒸气会通过排 气管(4)进入螺旋过热段(3)进行过热，最终经由被蒸发液体蒸气出口 (2)排出。向下游 流动的被蒸发液体液体会不断在螺旋换热段(10)进行换热，产生蒸气，再次通过排气口 (5) 气液分离排出，直至到达换热器底端，通过残存被蒸发液体液相回流口管(8)与被蒸发液体 入口液体相混合，重新进入蒸发器换热。加热液体经由加热液体进口 (1)进入内管，在其间 流动冲刷内管以加热被蒸发液体使其气化，最终经加热液体出口 (7)排出。 本发明还有二个局部技术发明点(1) 套管蒸发段与蒸气过热段采用分隔装置(13)分离。这一发明和措施是本发明很关 键的特色和技术，既以防进口液相被蒸发液体与蒸气相互混合和进入对方换热段，影响蒸发 器正常工作，又能实现目前蒸发器中很难做到的出口过热度控制。常规技术中一般都是靠增 加管长实现， 一来多消耗材料，二来降低能源转换和利用效率，在制冷系统中还增加压縮机 功率。(2) 残存液出口(管)。这一发明和措施是本发明另一个局部技术关键，解决了采用蒸发 过程中间气液分离后，可能出现的尾部残存液累计和排除的问题，同时也提高了蒸发器的工 作效益和适应能力。该发明点技术关键为，采用毛细吸存液与阻液的双重功能，让残存液流 出汇入进口蒸发液体流主流，实现残存液体的再循环，同时又阻碍主流液体从此处进入主蒸 发换热管段，造成蒸发器功能失效。对应用于大换热功率情况下的套管式蒸发器，可以依据此原理进行设计，采用多台图2 中所示分液式套管蒸发器并联达到。
一种立式蛇形管气液分离套管蒸发器，如图3 (a) (b)所示，包括l.加热液体进口、 2. 被蒸发液体蒸气出口、 3.过热段、4.集气排气管、5.集气排气口、 6.加热液体出口、 7.被蒸 发液体进口、 8.残存被蒸发液体液相回流口管、9.被蒸发液体进口管IO.蛇形换热段、11.扭 转内管束、12.外套管、13.分隔装置。立式蛇形管气液分离套管蒸发器，外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的内管(11) 组成基本换热部分，整体呈蛇形状。内管一端为加热液体进口 (1)，另一端为加热液体出口。 被蒸发液体进口 (7)置于蛇形外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与 其相接。被蒸发液体进口管一端连接被蒸发液体进口 (7)， 一端与蛇形外套管(12)上端相 接，接口距被蒸发液体蒸气出口 (2)前大约一个直管段位置。在每段蛇形外套管弯头处均开 有集气排气口 (5)，与集气排气管(4)连通。最上端的排气口 (5)位于被蒸发液体进口管 (9)与外套管(12)接口的上游，将整体换热部分分为蛇形换热段(10)与过热段(3)。被蒸发液体由被蒸发液体进口 (7)进入，通过被蒸发液体进口管(9)输送至换热器上 部，在蛇形换热段(10)的外套管(12)与内管(11)之间由上至下流动相变换热。每经过 一段流动，都会通过集气排气口 (5)进行一次气液分离，被蒸发液体蒸气会通过集气排气口 (5)排出，被蒸发液体会继续向下游流动。通过集气排气口 (5)排出的蒸气会通过集气排 气管(4)进入过热段(3)进行过热，最终经由被蒸发液体蒸气出口 (2)排出。向下游流动 的被蒸发液体会不断在蛇形换热段(10)进行换热，产生蒸气，再次通过集气排气口 (5)气 液分离排出，直至到达换热器底端，通过残存被蒸发液体液相回流口管(8)与被蒸发液体在 入口相混合，重新进入蒸发器换热。加热液体经由加热液体进口 (1)进入内管，在其间流动 冲刷内管以加热被蒸发液体使其气化，最终经加热液体出口 (6)排出。本发明还有二个局部技术发明点，即套管蒸发段与蒸气过热段分隔装置(13)和残存液 出口(管)，结构和技术原理均同于螺旋式气液分离套管蒸发器。对应用于大换热功率情况下 的套管式蒸发器，可以依据此原理进行设计，采用多台图3中所示分液式蛇行套管蒸发器并 联达到。本发明所采用的技术特点有以下几方面(1)新颖的气液分离技术应用，使得蒸发的气 相能够快速经由排气管排出，减小了系统内部的压力，有利于高效蒸发过程的实现；(2)将 制冷剂置于外套管与内管之间流动，利用间隙内复杂的结构，不仅增强了液相流动的扰动， 同时随着气相不断被带走，被蒸发液体逐渐较少，更有利于液膜的铺展，形成换热效果更佳 的薄液膜蒸发，从而强化了换热；(3)被蒸发液体进口与残存被蒸发液体液相回流口管的设 计，使得此气液分离式套管蒸发器具有自动回液、循环蒸发的功能；(4)在整体换热部分中 预留了过热段，保证出口的过热度；(5)蒸发与过热段采用非密封式分隔，液体和蒸气分别 相向流动方式，很好地分离并实现各自功能。最终，通过上述技术特点改善了整体套管蒸发 换热器的性能，与传统蒸发器相比节省材料15%或更高，降低了蒸发器制作和运行成本的效
果。本发明加工简单，与传统蒸发器相比不需增加任何特殊加工工艺。
图1中所示为传统套管式蒸发器。其中，图(a)为传统套管式蒸发器俯视图；图(b) 为传统套管式蒸发器侧视图。图2为本发明螺旋式气液分离套管蒸发器示意图。图3为本发明立式蛇形管气液分离套管蒸发器示意图。其中，图(a)为该蒸发器俯视图; 图(b)为该蒸发器侧视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。图2为本发明螺旋式气液分离套管蒸发器示意图。其中，l.加热液体(被冷却液体或水， 下同。)进口、 2.被蒸发液体(或制冷剂，下同。)蒸气出口、 3.螺旋过热段、4.集气排气管、 5.集气排气口、 6.被蒸发液体进口管、7.加热液体出口、 8.残存被蒸发液体液相回流口管、 9.被蒸发液体进口、 10.螺旋换热段、ll.扭转内管束、12.外套管、13.分隔装置。螺旋式套 管蒸发器，外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的内管(11)组成基本换热部分，整体 成螺旋状。内管一端为加热液体进口 (1)，另一端为加热液体出口。被蒸发液体进口 (9)置 于螺旋状外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接。被蒸发液体进 口管一端连接制冷剂进口 (9)， 一端与螺旋外套管(12)上端相接，接口距被蒸发液体蒸气 出口 (2)大约半个螺旋圆周。在每层螺旋外套管的同一位置均开有集气排气口 (5)，与集气 排气管(4)连通。最上端的排气口 (5)位于被蒸发液体进口管(6)与外套管(12)接口的 上游，将整体换热部分分为螺旋换热段(10)与螺旋过热段(3)。被蒸发液体由被蒸发液体进口 (9)进入，通过被蒸发液体进口管(6)输送至换热器上 部，在螺旋换热段(10)的外套管(12)与内管(11)之间由上至下流动相变换热。每经过 一圈螺旋流动，都会通过集气排气口 (5)进行一次气液分离，被蒸发液体蒸气会通过集气排 气口 (5)排出，被蒸发液体会继续向下游流动。通过集气排气口 (5)排出的蒸气会通过排 气管(4)进入螺旋过热段(3)进行过热，最终经由被蒸发液体蒸气出口 (2)排出。向下游 流动的被蒸发液体液体会不断在螺旋换热段(10)进行换热，产生蒸气，再次通过排气口 (5) 气液分离排出，直至到达换热器底端，通过残存被蒸发液体液相回流口管(8)与被蒸发液体 入口液体相混合，重新进入蒸发器换热。加热液体经由加热液体进口 (1)进入内管，在其间 流动冲刷内管以加热被蒸发液体使其气化，最终经加热液体出口 (7)排出。图3为本发明立式蛇形管气液分离套管蒸发器。其中，图(a)为该蒸发器俯视图，包括 l.加热液体进口、 2.被蒸发液体蒸气出口、 3.过热段、4.集气排气管、5.集气排气口、 6.加 热液体出口、 7.被蒸发液体进口、 8.残存被蒸发液体液相回流口管、9.被蒸发液体进门管10. 蛇形换热段、ll.扭转内管束、12.外套管、13.分隔装置。立式蛇形管气液分离套管蒸发器， 外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的内管(11)组成基本换热部分，整体呈蛇形状。 内管一端为加热液体进口 (1)，另一端为加热液体出口。被蒸发液体进口 (7)置于蛇形外套 管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接。被蒸发液体进口管一端连接 被蒸发液体进口 (7)， 一端与蛇形外套管(12)上端相接，接口距被蒸发液体蒸气出口 (2) 前大约一个直管段位置。在每段蛇形外套管弯头处均开有集气排气口 (5)，与集气排气管(4) 连通。最上端的排气口 (5)位于被蒸发液体进口管(9)与外套管(12)接口的上游，将整 体换热部分分为蛇形换热段(10)与过热段(3)。被蒸发液体由被蒸发液体进口 (7)进入，通过被蒸发液体进口管(9)输送至换热器上 部，在蛇形换热段(10)的外套管(12)与内管(11)之间由上至下流动相变换热。每经过 一段流动，都会通过集气排气口 (5)进行一次气液分离，被蒸发液体蒸气会通过集气排气口 (5)排出，被蒸发液体会继续向下游流动。通过集气排气口 (5)排出的蒸气会通过集气排 气管(4)进入过热段(3)进行过热，最终经由被蒸发液体蒸气出口 (2)排出。向下游流动 的被蒸发液体会不断在蛇形换热段(10)进行换热，产生蒸气，再次通过集气排气口 (5)气 液分离排出，直至到达换热器底端，通过残存被蒸发液体液相回流口管(8)与被蒸发液体在 入口相混合，重新进入蒸发器换热。加热液体经由加热液体进口 (1)进入内管，在其间流动 冲刷内管以加热被蒸发液体使其气化，最终经加热液体出口 (6)排出。图3 (b)为本发明立式蛇形管气液分离套管蒸发器的侧视图。其中，2.被蒸发液体蒸气 出口、 3.过热段、4.集气排气管、6.加热液体出口、 7.被蒸发液体进口、 8.残存被蒸发液体 液相回流口管、9.被蒸发液体进口管10.蛇形换热段。以上所述为本发明的实施例，本发明的保护范围不局限于此，任何基于本发明原理和技 术方案上的等效变换均属于本发明有效保护范围之内。
权利要求
1、气液分离式套管蒸发器，其特征在于，该蒸发器包括加热液体进口(1)、被蒸发液体蒸气出口(2)、螺旋过热段(3)、集气排气管(4)、集气排气口(5)、被蒸发液体进口管(6)、加热液体出口(7)、残存被蒸发液体液相回流口管(8)、被蒸发液体进口(9)、螺旋换热段(10)、扭转内管束(11)、外套管(12)、分隔装置(13)；外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的扭转内管束(11)组成基本换热部分，整体成螺旋状；内管一端为加热液体进口(1)，另一端为加热液体出口；被蒸发液体进口(9)置于螺旋状外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接；被蒸发液体进口管一端连接制冷剂进口(9)，一端与螺旋外套管(12)上端相接，接口距被蒸发液体蒸气出口(2)大约半个螺旋圆周；在每层螺旋外套管的同一位置均开有集气排气口(5)，与集气排气管(4)连通；最上端的排气口(5)位于被蒸发液体进口管(6)与外套管(12)接口的上游，将整体换热部分分为螺旋换热段(10)与螺旋过热段(3)。
2、 气液分离式套管蒸发器，其特征在于，该蒸发器包括加热液体进口 (1)、被蒸发液体 蒸气出口 (2)、过热段(3)、集气排气管(4)、集气排气口 (5)、加热液体出口 (6)、被蒸 发液体进口 (7)、残存被蒸发液体液相回流口管(8)、被蒸发液体进口管(9)、蛇形换热段(10)、扭转内管束(11)、外套管(12)、分隔装置(13);外套管(12)及其内的数根螺旋扭转分布的扭转内管束(11)组成基本换热部分，整体 呈蛇形状；内管一端为加热液体进口 (1)，另一端为加热液体出口；被蒸发液体进口 (7)置 于蛇形外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接；被蒸发液体进口 管一端连接被蒸发液体进口 (7)， 一端与蛇形外套管(12)上端相接，接口距被蒸发液体蒸 气出口 (2)前大约一个直管段位置；在每段蛇形外套管弯头处均开有集气排气口 (5)，与集 气排气管(4)连通；最上端的排气口 (5)位于被蒸发液体进口管(9)与外套管(12)接口 的上游，将整体换热部分分为蛇形换热段(10)与过热段(3)。
全文摘要
气液分离式套管蒸发器，属于热工设备技术领域。外套管(12)及其内的数根螺旋钮转分布的扭转内管束(11)组成基本换热部分；内管一端为加热液体进口(1)，另一端为加热液体出口；被蒸发液体进口(9)置于螺旋状外套管(12)底部，有残存被蒸发液体液相回流口管(8)与其相接；在每层螺旋外套管的同一位置均开有集气排气口(5)与集气排气管(4)连通；排气口(5)位于被蒸发液体进口管(6)与外套管(12)接口的上游，将整体换热部分分为螺旋换热段(10)与螺旋过热段(3)。本发明还包括另外一种形式立式蛇形管气液分离套管蒸发器。本发明加工简单，改善了整体套管蒸发换热器的性能，降低了蒸发器制作和运行成本的效果。
文档编号F25B39/02GK101126564SQ20071011896
公开日2008年2月20日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者迪 吴, 扬 张, 彭晓峰, 规 陆 申请人:清华大学