降膜蒸发换热管的制作方法

1.本技术涉及换热管领域，尤其是一种降膜蒸发换热管，其至少非常适用于回收屠宰场废水余热所用热泵系统。


背景技术：

2.屠宰场的生产过程需要大量的热水用于冲洗，而且工艺上对热水温度的要求较高。基本要求清洗时热水温度维持在63
‑‑
70℃之间，大量排出的屠宰废水温度依然保持在45℃左右，蓄存有大量余热。
3.屠宰场传统生产高温热水都是依靠燃煤、燃油或燃气锅炉，这种生产过程热效率低，高耗能，并且还要排出大量污染气体与粉尘。为此，当前推出了采用热泵技术制取热水的技术方案。该技术方案不仅热效率高，而且没有污染物的排出。具体技术方案如下：较高温度的屠宰废水流经热泵系统中蒸发器的换热管，与换热管外的低沸点工质进行热交换。低沸点工质吸收了大量废水的余热，发生相变，形成蒸汽。产生的蒸汽经过系统压缩机的压缩，在其压力得到提高的同时，温度得到进一步升高，形成高温蒸汽。随后，高温蒸汽流经冷凝器时，与冷水进行热交换，获得所需要的约70℃以上的热水。综上所述，新系统将废水中排出的热量进行回收，达到了节约能量的目的。
4.蒸发器是系统的关键设备，常规技术中一般采用降膜式蒸发器，即低温工质从换热管束上方喷淋下来，与在管内流动的温度较高的屠宰废水进行热交换，从而发生相变产生蒸汽。但是由于屠宰废水中溶有牲畜的血水，造成屠宰废水的粘度远大于水，通常是同温度下水的 2倍左右，按照常规的蒸发器设计，往往会造成管内的流动阻力过大，而且水与血液中的微小颗粒形成水溶胶，容易结垢，增加了热阻，降低了换热效率。
5.降膜蒸发器的供液方式是在管束的上方设置淋液装置，对换热管表面喷淋液体。淋液装置通常以液滴状或者液柱状的流动形态对管束供液。换热管束是多层排列的换热管，在重力作用下，上一排换热管表面的大部分液体往往也是以滴状流或者柱状流形式滴落到下面换热管表面，从而保证下面换热管的供液。由于常规换热管径不大，换热表面的曲率影响大，因而表面的液膜向下流动速度较快，不可能沿换热管轴向流动，于是，造成液滴的滴落处液膜较厚，其余地方液膜很薄，甚至干涸。换热管表面液膜不均匀分布极大影响换热效率。这就需要换热管表面具有液膜沿轴向输送的能力，使换热管表面的液膜均匀。
6.中国专利cn201034434y提出一种翅片换热管。具体讲，就是在轴向延展的螺旋状翅片上制造出多个棱台状的翅片，众多的棱台状的翅片一方面增加了换热面积，另外一方面，具有微翅片的表面形成了粗糙表面，改变了表面的亲/疏水性，对液膜的铺展产生积极影响。
7.中国专利cn208901951u公开一种焊接麻面管：换热管为焊接管。其外壁上设置有多组螺旋沟槽，螺旋槽分为两组，相互交错，四个相邻螺旋槽将围成外壁部分挤压为凸起，从而形成翅片。翅片的顶部为菱形或者长方形。
8.上述专利的降膜蒸发换热管具有两个强化换热的优点：换热管外表面设置了大量
微小翅片，翅片高度一般0.10mm左右，俗称麻面管。这种麻面管与光滑管相比较，可以增加一定换热面积。另外，这些微小凸起改变了表面的亲/疏水性，有利于表面液体的流动性，改善布液均匀性。通过实验与理论分析的结果显示，所述麻面管在液膜薄的情况下可以提高换热效率；当液膜薄时，液体相变为蒸汽的换热机理为蒸发现象。由于，麻面管表面具有的微翅片群改变了固-液-汽处的接触角；提高了蒸发换热系数。但是在液膜较厚情况下，麻面管的强化换热效果并不明显。其原因在于，液膜较厚的情况下，液体相变为汽体的换热机理是沸腾现象，换热管表面处出现大量的汽泡。麻面管表面的微翅片群对沸腾换热的强化作用有限。


技术实现要素：

9.本技术解决的技术问题是：提出一种具有高换热效率、且特别适用于回收屠宰场废水余热所用热泵系统的降膜蒸发换热管。
10.本技术的技术方案是：
11.一种降膜蒸发换热管，包括：
12.管体，
13.从所述管体的外表面向内凹陷、且呈螺旋状延伸的多个螺旋槽道，以及
14.形成于所述螺旋槽道之间、且呈螺旋状延伸的多个螺旋翅片；
15.所述螺旋翅片的顶部一体设置有朝向与该螺旋翅片邻接的所述螺旋槽道凸出的帽体；
16.所述降膜蒸发换热管还包括从所述管体的外表面向内凹陷、且沿着所述管体的轴向方向延伸、并与多个所述螺旋槽道直接连通的轴向沟槽，所述轴向沟槽在所述管体的径向方向上的深度＞所述帽体在所述管体的径向方向上的高度。
17.一种可选的设计中，所述轴向沟槽在所述管体的径向方向上的深度＝所述螺旋槽道在所述管体的径向方向上的深度。
18.一种可选的设计中，所述轴向沟槽以及多个所述螺旋槽道设置在同一个虚拟圆柱面上。
19.一种可选的设计中，所述轴向沟槽的长度贯通所述管体。
20.一种可选的设计中，所述轴向沟槽的横截面为槽口宽、槽底窄的三角形，并且所述轴向沟槽的槽口宽度为1-3mm，所述轴向沟槽的深度为0.5-1.0mm；或者，
21.所述轴向沟槽的横截面为槽口宽、槽底窄的等腰梯形，并且所述轴向沟槽的槽口宽度为1-3mm，所述轴向沟槽的槽底宽度为0.2-0.6mm。
22.一种可选的设计中，所述帽体是通过在所述管体的径向方向上挤压所述螺旋翅片的顶部而形成的。
23.一种可选的设计中，相邻螺旋翅片顶部的帽状凸出之间留有缝隙，形成沿着该螺旋槽道的长度方向间隔排列的多个豁口，每个所述豁口成为螺旋槽道与外界的连接通道。
24.一种可选的设计中，所述管体的内表面为抛光面，其表面粗糙度小于0.8μm。
25.一种可选的设计中，所述管体的直径不小于45mm。
26.本技术至少具有如下有益效果：
27.本技术降膜蒸发换热管具有从管体的外表面向内凹陷的轴向沟槽，该轴向沟槽沿
着管体的轴向方向延伸、并与换热管外表面的多个螺旋槽道直接连通。轴向沟槽的深度设置为等于帽体在管体的径向方向上的高度，从而使得轴向沟槽能够与螺旋槽道较宽的槽体部分直接导通，当换热管表面液膜局部较厚，轴向的其他地方液膜较薄，甚至干涸时，利用毛细力推动局部较多的液体沿着轴向槽道输送到液体较少的地方，并且液体通过轴向沟槽从螺旋槽道的槽口下方供应液体，为空穴-槽道结构提供源源不断的用于生成汽泡的液源。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本技术的一些实施例，而非对本技术的限制。
29.图1是本技术实施例中降膜蒸发换热管的示意图，
30.图2是图1中b部的放大以及局部剖视图(局部去除帽体，显示帽体下螺旋翅片形状以及位置)。
31.图3是图1中a—a向剖视图。
32.附图标记说明：
33.1-管体，2-螺旋槽道，3-螺旋翅片，4-豁口，5-帽体，6-轴向沟槽，7—滚花切口。
具体实施方式
34.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术实施例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技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。可以理解，在不冲突的情况下，本文所描述的各个实施例的一些技术手段可相互替换或结合。
35.在本技术说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。由此，限定有“第一”、“第二”等的对象可以明示或者隐含地包括一个或者多个该对象。并且，“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个，“多个”表示不少于两个。
36.在本技术说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“连接”、“安装”、“固定”等，如无特别说明，均应做广义理解。例如，“连接”可以是分体连接，也可以是一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连；可以是不可拆卸地连接，也可以是可拆地连接。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解前述术语在本技术中的具体含义。
37.在本技术说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“上”、“下”、“水平”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，仅是为了便于清楚且简化地描述本技术，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，这些方向性术语是相对的概念，用于相对于的描述和澄清，可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。例如，若图中装置被翻转，被描述为在其他元件“下方”的元件将被定位在其他元件的“上方”。
38.在本技术说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“被配置为”，取决于上下文，通常可以与“具有
…
能力”、“被设计为”、“用于”或“能够”互换。
39.现在，参照附图描述本技术的实施例。
40.图1至图3示出了本技术这种降膜蒸发换热管的一个具体实施例，该降膜蒸发换热管包括：金属材质的管体1，从管体1的外表面向内凹陷、且呈螺旋状延伸的多个螺旋槽道2，形成于螺旋槽道2之间、且也呈螺旋状延伸的多个螺旋翅片3。
41.本实施例的降膜蒸发换热管主要用于回收屠宰场废水余热的热泵系统，使用时，管内流过屠宰废水，俗称“红水”。由于红水中含有大量脂类、红、白球红细胞等生物质微颗粒，形成水溶胶。经测量表明，红水的粘度系数是同温度下水的2倍左右，因而，流动的摩擦阻力大，耗能。为此，本实施例将管体1的直径设置为不小于45mm，是常规蒸发换热管直径(19mm) 的2倍以上。根据流体力学分析，管径与流动阻力呈反比，相同流速条件下，若管径大到原管径的2倍，管内屠宰废水的流动阻力将会减少到原来阻力的1/2。
42.与蒸发器中常规换热管相比，本实施例所用换热管的直径较大，相应的换热管的曲率半径也大，对液膜向下流动的作用力反而减小，进而造成表面液膜流动速度减小，液膜厚度增加。根据传热学理论与实验，蒸发换热的效率取决于液膜的厚度，甚至能否存在蒸发现象也是取决于液膜厚度。当液膜厚度很薄时，液膜表面温度很容易达到蒸发温度，从而产生蒸发；但是当液膜厚度变大时，一方面，液膜表面温度不易达到蒸发温度，不能实现旺盛的蒸发。另外一方面，壁面附近会产生过热度，促使汽化核心发展成为汽泡，从而出现沸腾现象。此种沸腾现象称为核沸腾现象。经过理论分析与试验证实，采用表面空穴-槽道结构可以强化核沸腾换热。这种空穴-槽道结构有利于汽化核心的生成与汽泡的成长，大大提高沸腾换热系数。鉴于表面液膜厚度较大情况，沸腾为主要传热机理，为了强化沸腾换热，本实施例在将降膜蒸发换热表面设计成为空穴-槽道结构，具体如下。
43.上述螺旋翅片3的顶部一体设置有帽体5，帽体5至少朝向与其所在螺旋翅片3邻接的螺旋槽道2凸出。即，螺旋翅片3顶部的帽体5至少朝向对应的螺旋槽道2凸出，而且该对应的螺旋槽道2是与帽体5所在螺旋翅片3邻接的螺旋槽道2。显然，朝螺旋槽道2方向凸出的前述帽体5会将螺旋槽道2的槽口部分地遮挡住，从相邻螺旋翅片顶部的凸出的帽体也会同样的遮挡住部分螺旋槽道2的槽口，二者的共同作用，几乎覆盖了螺旋槽道2的槽口，仅两个帽体之间留有缝隙，形成豁口4，构造了槽体宽而槽口小的空穴-槽道结构。
44.满液式蒸发器中使用这种空穴-槽道结构的蒸发管后，具有非常高的沸腾换热系数，一般是干式蒸发器的两倍以上。在满液式蒸发器中，换热管是浸泡在低温工质液体中，不存在换热管表面液体分布不均的问题。但是将这种空穴-槽道结构换热管应用在降膜式蒸发器时，发现其性能并不理想。其原因在于，在降膜蒸发器中，换热管束的供液方式是依靠管束上方的布液器进行的。一般布液器构造是容器底部开有小孔，液体通过小孔滴落在换热管表面。但是这种布液器底部的开孔位置是离散分布，滴落的液体也是分散的，由此会造成滴落处液膜厚，而其他地方液膜薄，甚至出现干涸。空穴-槽道结构的蒸发管中的槽道是螺旋状沿换热管表面分布的，由于螺旋翅片3的阻挡作用，相邻螺旋槽道之间流体不相互流通，因此，一旦换热管表面的局部液体过盈，会通过螺旋槽道上的豁口流入相应的螺旋槽道2内并沿螺旋槽道流走，而不能沿轴向对相邻的干涸地方提供液体。为此，本实施例设置了管体1的外表面向内凹陷的轴向沟槽6，该轴向沟槽6沿着管体1的轴向方向延伸、并与多个螺旋槽道2直接连通。在使用时，可将前述轴向沟槽6朝上布置，以更好地迎接上方喷淋的液体，进入轴向沟槽6的液体可以在毛细压差作用下将液体从较多的地方输运到较少的地方，并分配给各条螺旋槽道2，使喷淋到该降膜蒸发(沸腾)换热管的液体充分地铺展，提升
了换热效率。简言之，轴向沟槽6起到了输液沟槽作用。
45.上已述及，相邻螺旋翅片上的帽体5几乎将螺旋槽道2的槽口遮挡，一般只留有小于0.2mm 相当直径的豁口4。如果轴向沟槽6的深度过浅，则其对喷淋液体的轴向引流效果会比较差。尤其地，若轴向沟槽6的深度小到还不及帽体5在管体1的径向方向上的高度时，那么螺旋槽道2将仅在其较窄的槽口部分与轴向沟槽6直接导通，轴向沟槽6与螺旋槽道2的连通面积会非常小，更不利的是，螺旋槽道2的窄口处通常存在较多的汽泡，这种起泡会阻挡了液体的流入。可见，若轴向沟槽6的深度小于帽体5在管体1的径向方向上的高度，将非常不利于轴向沟槽6中液体向螺旋槽道2的供应。针对这一问题，本实施例将轴向沟槽6的深度设置为大于帽体5在管体1的径向方向上的高度，从而使得轴向沟槽6能够与螺旋槽道2较宽的槽体下部直接导通，轴向沟槽6从螺旋槽道2的槽口下方供应液体，可为前述空穴结构提供源源不断的用于生成汽泡的液源。
46.为使得上述效果更加明显，在本实施中，轴向沟槽6在管体1的径向方向上的深度＝螺旋槽道2在管体1的径向方向上的深度。
47.进一步地，轴向沟槽6以及多个螺旋槽道2设置在同一个虚拟圆柱面上。
48.在另一个实施例中，轴向沟槽6的深度可以大于螺旋槽道2的深度。
49.在本实施例中，前述帽体5是通过在管体1的径向方向上挤压螺旋翅片3的顶部而形成的。具体地，先在管体1的外表面加工出螺旋槽道2，从而在相邻的螺旋槽道2之间构建成螺旋翅片3。使用滚花刀在螺旋翅片3上滚压、沿螺旋翅片圆周方向切割出众多浅口——滚花切口7，于是，相邻浅口之间的螺旋翅片顶部形成微凸起，俗称凸齿。然后再使用轧光轮碾压螺旋翅片3顶部的凸齿，凸齿向周围延伸变形，并形成帽状凸出——帽体。其帽体凸出延伸至螺旋槽道槽口，与相邻螺旋翅片顶部的帽体几乎将螺旋槽道槽口遮挡，仅两个帽状凸出之间留有缝隙—豁口，形成螺旋槽道与外界的连接通道。
50.在另一个实施例中，在管体1的外表面加工出螺旋螺旋2从而获得螺旋翅片3后，并不在螺旋翅片3上用滚花刀切出浅口，将螺旋翅片顶部加工出凸齿然后再碾压加工空穴-槽道结构的方法。而是直接挤压螺旋翅片3的顶部，从而使螺旋翅片3顶部向两侧变形，得到朝邻接螺旋螺旋2凸出的帽体5，同样可以获得空穴结构。
51.在另一个实施例中，轴向沟槽6设置多条。
52.为便于轴向沟槽6的制取，在本实施例中，轴向沟槽6与管体1的长度相同，轴向沟槽 6的长度贯通管体1。
53.轴向沟槽6的横截面可以采用各种形状。在一种实施例方式中，轴向沟槽6的横截面为槽口宽、槽底窄的三角形，其槽口宽度为1-3mm，其深度为0.5-1.0mm。在另一种实施例方式中，轴向沟槽6的横截面为槽口宽、槽底窄的等腰梯形，并且轴向沟槽6的槽口宽度为1-3mm，轴向沟槽6的槽底宽度为0.2-0.6mm。
54.根据流体力学分析，三角形沟槽产生的最大毛细力如下表示：
55.δp＝2σ/r
56.其中：
57.δp
‑‑‑
毛细沟槽最大毛细力；
58.σ
‑‑‑
液体表面张力；
59.r
‑‑‑
毛细半径。
60.对于三角形沟槽，毛细半径为：
61.r＝w/cosβ
62.式中：
63.w
‑‑‑
开口宽度；
64.β
‑‑‑
1/2顶角。
65.屠宰场废水中，水与多种微小粒子形成了水溶胶。微小粒子接近换热面时会受到范德华力的吸引在换热表面沉积下来形成污垢层；范德华力与换热面的表面积关联，表面积越大，则范德华力对粒子的吸引力越大。对于名义几何尺寸相同的表面而言，表面粗造度大的表面，则实际面积越大，产生的范德华力越大，对水溶胶中粒子的吸引力越大。于是，在换热面上沉积的微小粒子越多，形成污垢层的可能性越大。另外一方面，粗糙表面的凹陷部分则为沉积物质提供了免受主流冲刷的场所，大大增加了污垢物质的沉积速度。为了避免粗糙表面的负面作用，本实施例对换热管的内表面采用抛光轮进行抛光，使管体1的内表面粗造度小于 0.8μm，从而减小了污垢物质的沉积在内表面的可能性，避免了屠宰废液中污垢形成的危害。
66.显然，本领域技术人员可以理解，本技术中所说的螺旋翅片3的长度、高度和厚度，分别是指螺旋翅片3在其螺旋延伸方向的尺寸，螺旋翅片3在管体1的径向方向上的尺寸，螺旋翅片3在垂直于前述长度和高度方向的尺寸。所说的“顶部”，是螺旋翅片3在其高度方向上的顶部。
67.以上仅是本技术的示范性实施方式，而非用于限制本技术的保护范围，本技术的保护范围由所附的权利要求确定。