换热管、管壳式换热器及MVR竖管蒸发器的制作方法

本发明涉及换热器技术领域，尤其是涉及一种换热管、管壳式换热器及mvr竖管蒸发器。

背景技术：

管壳式换热器(shellandtubeheatexchanger)又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢，可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用，目前应用广泛。

当前主要的管壳式换热器都是光管式换热器，这种换热器往往换热效率低下。原因在于热量传递从换热管外传到管内，要经过换热管外的一层蒸馏水膜，再经过金属管壁才能被管内的物料所吸收，而蒸馏水膜的存在提高了换热管的热阻导致换热管换热效率低。

针对上述换热管换热效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种换热管、管壳式换热器及mvr竖管蒸发器，以提高换热效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种换热管，包括管体和排液帽，排液帽包括通孔；管体穿过通孔，与排液帽连接；排液帽通过通孔套设在管体的外壁上；在管体处于竖立状态时，排液帽上端截面的面积小于下端截面的面积；截面垂直于管体。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述排液帽包括多个。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，多个排液帽在管体上等间隔设置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，通孔的内径等于管体的外径。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上端截面的面积大于或等于管体的截面积。

结合第一方面及其第一至四种可能的实施方式之一，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，排液帽的上端截面和下端截面均为圆形；排液帽还包括倾斜表面，倾斜表面连接上端截面和下端截面。

结合第一方面及其第一至四种可能的实施方式之一，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，排液帽可拆卸地与管体连接。

结合第一方面及其第一至四种可能的实施方式之一，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，排液帽还包括固定装置，排液帽通过固定装置固定在管体的外壁上。

第二方面，本发明实施例还提供一种管壳式换热器，包括壳体、管板和第一方面及其各可能的实施方式之一提供的换热管；换热管的两端固定设置于管板上，管板固定设置于壳体内。

第三方面，本发明实施例还提供一种mvr竖管蒸发器，包括第二方面提供的管壳式换热器。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的换热管、管壳式换热器及mvr竖管蒸发器，在管体上设置有排液帽，排液帽通过通孔套设在管体的外壁上，在管体处于竖立状态时，排液帽上端截面的面积小于下端截面的面积，通过排液帽对冷凝水进行阻挡与导流，可以减小换热管外的冷凝液的厚度，提高换热管的平均冷凝传热系数，提高了换热效率。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种换热管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种换热管的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种换热管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种换热管的俯视示意图；

图5为本发明实施例提供的一种换热管的水膜厚度的对比示意图；

图6为本发明实施例提供的换热管的水膜示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

管壳式换热器的壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

在换热器的使用过程中，在换热管的外壁会凝结一层蒸馏水膜。在热量传递从管外传到管内时，需要经过管外的蒸馏水膜，再经过金属管壁才能被管内的物料所吸收。以常压，温度100度为例，蒸馏水的热导率为λ1＝0.682w/(m*k)，而不锈钢的热导率为λ2＝16.2w/(m*k)，可以看出不锈钢的热导率为蒸馏水的23倍。换而言之，在同样的外部条件下，热量穿过1mm的蒸馏水液膜与穿过23mm的不锈钢的阻力是相同的。因此换热器的热阻主要来自于管外的蒸馏水液膜的热阻。为了降低蒸馏水液膜的热阻，从而降低换热管的整体热阻，对提高换热器的性能至关重要。

基于此，本发明实施例提供的一种换热管、管壳式换热器及mvr竖管蒸发器，可以减小换热管外的冷凝液的厚度，提高换热效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种换热管进行详细介绍。

实施例1

本发明实施例提供了一种换热管，包括管体和排液帽。参见图1所示的换热管的结构示意图，其中示出了管体11和排液帽12。

在图1中还示出了排液帽12包括通孔121，上述管体11穿过通孔121，与排液帽12连接。排液帽12通过通孔121套设在管体11的外壁上，该通孔121与管体11的外壁紧密接触，可以阻挡并引导管体11外壁上的水膜，起到降低水膜厚度的目的。

如图1中所示的管体11处于竖立状态，排液帽12上端截面的面积小于下端截面的面积，其中截面是指排液帽垂直于管体的截面。

在图1中示出的换热管中以设置1个排液帽为例，排液帽为上细下粗的形状，以引导冷凝水向外滴落，而非沿管体顺流而下，导致水膜变厚。在图1中以通孔的内径等于管体的外径，即排液帽不包括上端的端面，该排液帽形状类似倒扣的碗形，或伞形。如图2所示的换热管的结构示意图，其中示出的排液帽包括上端截面21，且上端面的面积小于下端截面22。如图3所示的换热管的结构示意图，其中示出了排液帽包括上端截面31和下端截面32，可知上述下端截面并非特制排液帽最下侧的截面，也可以指排液帽中间位置的截面，只要保证该排液帽具有倾斜的外壁引导冷凝水流动即可。上述图2和图3中，排液帽的上端截面和下端截面均为圆形；排液帽还包括倾斜表面，倾斜表面连接上端截面和下端截面。

在此需要说明的是，排液帽与管体之间可以是中空的也可以是实体的。上述排液帽除了可以采用类似倒扣的碗形或伞形以外，其截面的轮廓还可以采用其他形状，例如正方形、长方形或椭圆等，参见图4所示的换热管的俯视示意图，其中示出了排液帽12为正方形。

参见图5所示的换热管的水膜厚度的对比示意图，图5中左侧为安装有排液帽12的换热管，右侧为未安装排液帽12的换热管。由于排液帽12的存在，在排液帽12上侧凝结的蒸馏水不会渐渐积累，而蒸馏水的积累会导致水膜的厚度自上而下逐渐增加，从而有效降低了水膜的厚度。

为了对上述水膜厚度的变化带来的效果进行说明，进行推导如下：

假设液膜表面平整无波动，如图6所示，水蒸气在一垂直平板上冷凝。在距液膜表面y处的平面上，存在如下的力平衡关系。

式中：μ----凝液的黏度；

u----距壁面为y处的液膜速度，单位m/s；

ρl----凝液的密度，单位kg/m³；

ρv-----蒸汽的密度，单位kg/m³；

g-------重力加速度，单位m/s²；

将上式积分，并有边界条件：y＝δ时，u＝0

凝液的平均流速

单位宽度的液膜质量的流量：

冷凝液的质量流速g为：

热量以导热方式通过液膜，其热通量为

式中：q-----通过液膜的热通量，单位w/m²；

k1---凝液的热导率，单位w/(m*k)；

ts---蒸汽的饱和温度，单位℃；

tw---传热壁面的温度，单位℃；

热通量q与凝液的质量流速之间，有如下关系：

q＝λg(7)

式中：λ-----蒸汽的汽化潜热，单位kj/kg；

由式(5)、(6)、(7)可得：

式(9)右边为常数，由边界条件z＝0，δ＝0，积分式(9)得：

由式(7),局部冷凝传热系数将其代入到式(10)得：

局部冷凝传热系数hc，随着传热面度z而变化，而整个垂直壁面上的平均冷凝传热系数为：

式中：-----整个传热壁面上的平均冷凝传热系数，单位w²/(m²*k)；

l-------垂直传热壁面的高度，单位m；

由式(10)、(11)得

由上式可知，当l及(ts-tw)增大时，平均冷凝传热系数降低，这是因为l及(ts-tw)增大时，传热壁面的上液膜平均厚度增加，从而增大热阻，致使下降。

例如在一根长为l的换热管上，在其他条件都不变的情况下，在其中点处安装一排液帽，安装了排液帽的换热管可将有效长度降为l/2，由式12有：

即，安装了排液帽的换热管的平均冷凝传热系数大于未安装排液帽的的换热管的平均冷凝传热系数，约是其1.1倍，因此可以提高导热，提高换热管的换热效率。

同理有，若将其安装n个排液帽，将其n+1等分，则有

由上表可以看出排液帽可以较有幅度地提高冷凝侧的冷凝效率，同时也能看出，排液帽的个数越多，冷凝效率越高。但是增加排液帽的个数，冷凝效率增加的幅度会减小。因此可以在换热管上设置多个排液帽，减小l的值，从而提高平均冷凝传热系数，进而可以提高换热管的换热效率。

综合考虑排液帽的数量对提高平均冷凝传热系数的效果及成本，可以在换热管上设置6-8个排液帽。例如，换热管的长度为3m-12m，可以间隔500mm-800mm设置一个排液帽。其中，排液帽可以在管体上等间隔设置。

为了便于使用以及方便生产制造，排液帽可拆卸地与管体连接。上述排液帽还可以包括固定装置，排液帽通过该固定装置固定在管体的外壁上。例如该固定装置可以是管卡。

本发明实施例提供的换热管，在管体上设置有排液帽，排液帽通过通孔套设在管体的外壁上，在管体处于竖立状态时，排液帽上端截面的面积小于下端截面的面积，通过排液帽对冷凝水进行阻挡与导流，可以减小换热管外的冷凝液的厚度，提高换热管的平均冷凝传热系数，提高了换热效率。

实施例2

本发明实施例提供了一种管壳式换热器，包括壳体、管板和上述实施例提供的换热管。

其中，该换热管的两端固定设置于管板上，该管板固定设置于壳体内。

本发明实施例提供的管壳式换热器，与上述实施例提供的换热管具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

实施例3

本发明实施例提供了一种mvr竖管蒸发器，包括上述实施例提供的管壳式换热器。

本发明实施例提供的mvr竖管蒸发器，与上述实施例提供的管壳式换热器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

上述示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。