专利名称：管内蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型高效管内蒸发器，属于热工设备技术领域。
背景技术：
管内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。主要有两种形式，其一，液体加热 式，比如常见的套管蒸发器；其二，空气加热式，比如家用空调、大型制冷装置等。
图1是家用分体式空调蒸发器，由蒸发管和管外翅片组成。其中，IOO —被蒸发液体(对 空调制冷系统为制冷剂)蒸气出口， 200 —被蒸发液体(对空调制冷系统为制冷剂)入口， 300 一管外翅片。空调蒸发器多采用水平布置，依靠空气横略管束及其上翅片进行换热，加热被 蒸发液体，蒸发液体在管内蒸发和沸腾实现完全气化过程。
图2所示为传统液体或蒸气加热套管式蒸发器，由同心的内管和外套管组成。如图2， 图(a)为传统盘旋套管式蒸发器俯视图；图(b)为传统盘旋套管式蒸发器侧视图。其中， IOO —热源流体(被冷却液体或蒸气)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 —被冷却流体出口， 500-外套管。传统盘旋套管式蒸 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。类似图l的管型结构，液体或蒸气加热式蒸发器也可以是蛇 型管型布置，只是此时图1中的翅片变成了外套管(参见图4)。
无论对于现有的空气加热还是液体或蒸气冷凝加热式蒸发器来说，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，但幅度不大。为提高换热效果，内管多采用表面强化措施，比如内螺纹、内槽管、 内表面微肋管等，在强化的同时增大换热面积。同时，这种单一管程蒸发及沸腾过程必然导 致复杂的气液两相流。当管内出现两相流动时，气液会依干度大小处于泡状、气塞状、环状 或分层流等流型，大大增加流动阻力和运行不稳定性，对系统运行的调控等，都带来很不利 的影响。环状流和薄液膜蒸发流型虽然具有很好的换热性能，在整个流程中所占比例很小， 对整体系统传热贡献非常有限，而且因存在分层因素将导致管内局部干涸，液相大量聚集于 管内底层，不能很好的铺展到管内每一处表面，形成换热作用很强的液膜对流沸腾状态，极 大削弱了表面强化措施的功效。
发明内容
发明目的本发明提供一类高效管内蒸发器，包括结构设计、中间气液分离、管内蒸发 强化方法、出口蒸汽过热和余液再循环的具体技术内容和措施。核心原理为(1)从流程结 构上实现两相流的中间气液分离，保证整个流程中管内被蒸发液体基本实现环状或薄液膜蒸 发形态，处在高效蒸发传热工况；(2)在管内插入一合适的多孔衬层覆盖原光表面或强化表 面，可在上面措施基础上利用多孔结构毛细抽吸力，将液相在内管壁均匀铺展，形成换热效 果更佳的薄液膜蒸发，进一步增强表面强化效果，而且，多孔衬层可促进和增强管内表面区 气相排出、液相不断被补充的良性自循环过程；(3)引进蒸发余液再循环和蒸气分离单独过 热技术。下面以螺纹强化管为例说明此方案实施方式。
一种新型高效空气加热式管内蒸发器，如图3所示，包括l.被蒸发液体(或制冷剂，下 同。)蒸气出口、 2.翅片、3.过热段、4.集气排气管、5.集气排气口、 6.被蒸发液体进口、 7. 残存被蒸发液体液相再循环回流管、8.被蒸发液体进口管、9.蛇形换热段、IO.蛇形换热管、 ll.分隔装置。
新型高效空气加热式蒸发器，整体蛇形换热管(10)换热部分通过分隔装置(11)分为 蛇形换热段(9)与过热段(3)，最上端是被蒸发液体蒸气出口 (1)，另一端封死。蛇形换热 管(10)外部胀接翅片(2)。管子内部在原有管内壁内螺纹(图5 (2))(或光管或其他强化 表面)的基础上紧贴上一环形多孔层(图5 (l))，此多孔层可以是由多层丝网或金属颗粒烧 结的多孔芯体层等制成，其厚度与孔隙率需根据运行条件具体设计，以保证管内壁形成铺展 很好的液膜层，保持管内处于最好的薄液膜蒸发状态。被蒸发液体进口管(8) —端连接被蒸 发液体进口 (6)， 一端与蛇形换热管(10)上端相接，接口距被蒸发液体蒸气出口 (1)前大 约一个直管段位置(也可根据实际需要确定这段长度)。在每段蛇形换热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(8)与 蛇形换热管(10)接口的上游。下部残存被蒸发液体液相再循环回流口管(7)与被蒸发液体 进口 (6)相通，将未蒸发完的余液携带返回至蒸发液体进口 (6)，继续蒸发。
被蒸发液体由被蒸发液体进口 (6)进入，通过被蒸发液体进口管(8)输送至换热器上 部，在蛇形换热段(9)的蛇形换热管(10)内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(可以同时将携带出的液相雾滴蒸发，以保证蒸气出口为纯过热蒸气)， 最终经由被蒸发液体蒸气出口 (1)排出。向下游流动的被蒸发液体会不断在蛇形换热段(9) 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(7)与被蒸发液体在入口相混合，重新进入蒸发器换热。加热 空气横略蛇形换热管(10)及其上翅片(2)进行换热，加热被蒸发液体。
本发明还提供 一种管内蒸发器。
一种新型高效流体加热式管内蒸发器，如图4所示，包括l.加热流体(液体或蒸气)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.加热流体(液体 或蒸气)出口、 7.被蒸发液体进口、 8.残存被蒸发液体液相再循环回流管、9.被蒸发液体进 口管、IO.蛇形换热段、ll.外套管、12.连接管、13.蛇形换热管、14.分隔装置。
新型高效液体加热式蒸发器，外套管(11)包裹在每段蛇形换热管(13)水平段的外部， 外套管间依靠连接管(12)相通。最上层外套管(11) 一端为加热流体(液体或蒸气)进口 (1)，最低层外套管(11) 一端为加热流体出口。
整体蛇形换热管(13)换热部分通过分隔装置(14)分为蛇形换热段(10)与过热段(3)， 最上端是被蒸发液体蒸气出口 (2)，另一端封死。蛇形换热管(13)管子内部在原有管内壁 内螺纹(图5 (2))(或光管或其他强化表面)的基础上紧贴上一环形多孔层(图5 (l))，此 多孔层可以是由多层丝网或金属颗粒烧结的多孔芯体层等制成，其厚度与孔隙率需根据运行 条件具体设计，以保证管内壁形成铺展很好的液膜层，保持管内处于最好的薄液膜蒸发状态。 被蒸发液体进口管(9)—端连接被蒸发液体进口 (7), —端与蛇形换热管(13)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(也可根据实际需要确定这段长度)。 在每段蛇形换热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)与蛇形换热管(13)接口的上游。下部残存被蒸发液体液 相再循环回流口管(8)与被蒸发液体进口 (7)相通，将未蒸发完的余液携带返回至蒸发液 体进口 (7)，继续蒸发。
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)的蛇形换热管(13)内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(可以同时将携带出的液相雾滴蒸发，以保证蒸气出口为纯过热蒸气)， 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(IO) 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再循环回流管(8)与被蒸发液体在入口相混合，重新进入蒸发器换热。 加热流体(液体或蒸气)经由加热流体进口 (1)进入外套管(11)，在蛇形换热管(13)直 管段与外套管(11)间流动冲刷蛇形换热管(13)以加热被蒸发液体使其气化，并通过连接 管(12)导入下层外套管(11)，直至经加热液体出口 (6)排出。
本发明所采用的技术特点有以下几方面(1)结构设计、中间气液分离、管内蒸发强化 方法、出口蒸汽过热和余液再循环。(2)新颖的强化换热技术应用，更有利于管壁面上液膜 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)新颖的强化换热技术应用，
使得待蒸发的液相能够通过毛细力，不断的快速经由多孔层附着在管内壁上，有利于高效蒸 发过程的维持；(4)利用本强化技术改变了传统强化表面强化蒸发、沸腾换热不利的局面， 通过创新的设计，使得原有壁面强化措施更加有效。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，充分利用了每一寸强化表面。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。
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。
图1中所示为家用分体式空调空气加热蒸发器或称为冷却空气蒸发器。
图2中所示为传统液体或蒸气加热蒸发器。其中，图(a)为传统液体或蒸气加热蒸发器 俯视图；图(b)为传统液体或蒸气加热蒸发器侧视图。
图3为本发明新型高效空气加热(或冷却空气)式蒸发器示意图。其中，图(a)为该蒸 发器俯视图；图(b)为该蒸发器侧视图。
图4为本发明新型高效流体(液体或蒸气)加热式蒸发器示意图。其中，图(a)为该蒸 发器俯视图；图(b)为该蒸发器侧视图。
图5为本发明蒸发器内管示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明。
图3为本发明新型高效空气加热(或冷却空气)式蒸发器示意图。包括1.被蒸发液体(或 制冷剂，下同。)蒸气出口、 2.翅片、3.过热段、4.集气排气管、5.集气排气口、 6.被蒸发液 体进口、 7.残存被蒸发液体液相循环回流管、8.被蒸发液体进口管、9.蛇形换热段、10.蛇形
换热管、ll.分隔装置。新型高效空气加热式蒸发器，整体蛇形换热管(10)换热部分通过分 隔装置(11)分为蛇形换热段(9)与过热段(3)，最上端是被蒸发液体蒸气出口 (1),另一 端封死。蛇形换热管(10)外部胀接翅片(2)。管子内部在原有管内壁内螺纹(图5 (2))(或 光管或其他强化表面)的基础上加上一多孔层(图5 (l))。保证管内壁形成铺展很好的液膜 层，保持管内处于最好的薄液膜蒸发状态。被蒸发液体进口管(8) —端连接被蒸发液体进口 (6)， 一端与蛇形换热管(10)上端相接，接口距被蒸发液体蒸气出口 (1)前大约一个直管 段位置(也可根据实际需要确定这段长度)。在每段蛇形换热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(8)与蛇形换热管(10) 接口的上游。下部残存被蒸发液体液相再循环回流口管(7)与被蒸发液体进口 (6)相通， 将未蒸发完的余液携带返回至蒸发液体进口 (6)，继续蒸发。
被蒸发液体由被蒸发液体进口 (6)进入，通过被蒸发液体进口管(8)输送至换热器上 部，在蛇形换热段(9)的蛇形换热管(10)内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(可以同时将携带出的液相雾滴蒸发，以保证蒸气出口为纯过热蒸气)， 最终经由被蒸发液体蒸气出口 (1)排出。向下游流动的被蒸发液体会不断在蛇形换热段(9) 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(7)与被蒸发液体在入口相混合，重新进入蒸发器换热。加热 空气横略蛇形换热管(10)及其上翅片(2)进行换热，加热被蒸发液体。
图4为本发明新型高效流体(液体或蒸气)加热式蒸发器示意图。包括1.加热流体进口、 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.加热流体出口、 7.被 蒸发液体进口、 8.残存被蒸发液体液相循环回流管、9.被蒸发液体进口管、IO.蛇形换热段、 ll.外套管、12.连接管、13.蛇形换热管、14.分隔装置。新型高效液体加热式蒸发器，外套 管(11)包裹在每段蛇形换热管(13)水平段的外部，外套管间依靠连接管(12)相通。最 上层外套管(11) 一端为加热流体(液体或蒸气)进口 (1)，最低层外套管(11) 一端为加 热流体出口。
整体蛇形换热管(13)换热部分通过分隔装置(14)分为蛇形换热段(10)与过热段(3)， 最上端是被蒸发液体蒸气出口 (2)，另一端封死。蛇形换热管(13)管子内部在原有管内壁 内螺纹(图5 (2))(或光管或其他强化表面)的基础上加上一多孔层(图5 (l))。保证管内 壁形成铺展很好的液膜层，保持管内处于最好的薄液膜蒸发状态。被蒸发液体进口管(9) 一 端连接被蒸发液体进口 (7)， 一端与蛇形换热管(13)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(也可根据实际需要确定这段长度)。在每段蛇形换热管弯头 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)与蛇形换热管(13)接口的上游。下部残存被蒸发液体液相再循环回流口管(8) 与被蒸发液体进口 (7)相通，将未蒸发完的余液携带返回至蒸发液体进口 (7)，继续蒸发。
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)的蛇形换热管(13)内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(可以同时将携带出的液相雾滴蒸发，以保证蒸气出口为纯过热蒸气)， 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再循环回流管(8)与被蒸发液体在入口相混合，重新进入蒸发器换热。 加热流体(液体或蒸气)经由加热流体进口 (1)进入外套管(11)，在蛇形换热管(13)直 管段与外套管(11)间流动冲刷蛇形换热管(13)以加热被蒸发液体使其气化，并通过连接 管(12)导入下层外套管(11)，直至经加热液体出口 (6)排出。
图5为本发明蒸发器内管示意图。纯液相首先进入换热内管，随着蒸发、沸腾的进行， 逐渐形成分层流。此时，大量液相聚集在多孔层(1)内的主流通道内，由于重力作用，气液 相分层。但与传统单一使用强化表面不同，部分液体会由于多孔层(1)的抽吸作用，均匀的 引至整个环形管壁面(2)，铺展在紧贴管壁(2)的多孔层内(1)或多孔层与管内螺纹或强 化表面壁间(3)层内，形成换热效果更佳的薄液膜蒸发，强化了换热。保证了管内强化表面 每处均与液相接触，充分将其利用。随着液相在表面的相变，气相不断通过多孔层(1)排出 至管内主通道，而主通道内液相不断被多孔层抽吸至管壁(2)处，形成了自循环过程，不断 地充分利用强化表面进行薄液膜蒸发。
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、一种空气加热式管内蒸发器，包括被蒸发液体蒸气出口(1)、翅片(2)、过热段(3)、集气排气管(4)、集气排气口(5)、被蒸发液体进口(6)、残存被蒸发液体液相再循环回流管(7)、被蒸发液体进口管(8)、蛇形换热段(9)、蛇形换热管(10)、分隔装置(11)；所述蛇形换热管(10)一端是被蒸发液体蒸气出口(1)，另一端封死；所述蛇形换热管(10)通过分隔装置(11)分为过热段(3)和蛇形换热段(9)；蛇形换热管(10)外部胀接翅片(2)；蛇形换热管(10)内部在原有管内壁内螺纹的基础上加上一多孔层；在每段蛇形换热管弯头处均开有集气排气口(5)，集气排气口(5)与集气排气管(4)连通；最上端蛇形管的排气口与集气排气管(4)连接位于过热段(3)分隔装置(11)的上方；集气排气管(4)连接残存被蒸发液体液相再循环回流管(7)，残存被蒸发液体液相再循环回流管(7)与被蒸发液体进口管(8)相通，将未蒸发的余液返回至被蒸发液体进口(6)，进行循环蒸发；被蒸发液体进口(6)通过被蒸发液体进口管(8)与蛇形换热管(10)相接，接口位于蛇形管蛇形换热段(9)分隔装置(11)的下方。
2、 根据权利要求1所述的一种空气加热式管内蒸发器，其特征在于，所述多孔层为环形。
3、 根据权利要求2所述的一种空气加热式管内蒸发器，其特征在于，所述多孔层为多层 丝网或金属颗粒烧结的多孔芯体层。
4、 一种流体加热式管内蒸发器，包括加热流体进口 (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)、加热流体出口 (6)、被蒸发液体进口 (7)、 残存被蒸发液体液相再循环回流管(8)、被蒸发液体进口管(9)、蛇形换热段(10)、外套管(11) 、连接管(12)、蛇形换热管(13)、分隔装置(14);所述外套管(11)包裹在每段所述蛇形换热管(13)水平段的外部，外套管之间依靠连 接管(12)相通；最上层外套管(11)上端为加热流体进口 (1)，最低层外套管(11)下端 为加热流体出口；所述蛇形换热管(13) —端是被蒸发液体蒸气出口 (2)，另一端封死；所述蛇形换热管 (13)通过分隔装置(14)分为过热段(3)和蛇形换热段(10);蛇形换热管(13)内部在 原有管内壁内螺纹的基础上加上一多孔层；在每段蛇形换热管弯头处均开有集气排气口 (5)，集气排气口 (5)与集气排气管(4) 连通；最上端蛇形管的排气口与集气排气管(4)连接位于过热段(3)分隔装置(14)的上 方；集气排气管(4)连接残存被蒸发液体液相再循环回流管(8)，残存被蒸发液体液相再循 环回流管(8)与被蒸发液体进口管(9)相通，将未蒸发的余液返回至被蒸发液体进口 (7)， 进行循环蒸发；被蒸发液体进口 (7)通过被蒸发液体进口管(9)与蛇形换热管(10)相接，接口位于 蛇形管蛇形换热段(9)分隔装置(11)的下方。
5、 根据权利要求4所述的一种流体加热式管内蒸发器，其特征在于，所述多孔层为环形。
6、 根据权利要求5所述的一种流体加热式管内蒸发器，其特征在于，所述多孔层为多层 丝网或金属颗粒烧结的多孔芯体层。
全文摘要
管内蒸发器，属于热工设备技术领域。空气加热式管内蒸发器包括被蒸发液体蒸气出口(1)、翅片(2)、过热段(3)、集气排气口(5)、被蒸发液体进口(6)、蛇形换热段(9)、蛇形换热管(10)、分隔装置(11)等。蛇形换热管(10)一端是被蒸发液体蒸气出口(1)另一端封死，被分隔装置(11)分为过热段(3)和蛇形换热段(9)，管内有多孔层；最上端蛇形管的排气口与集气排气管(4)连接位于过热段(3)分隔装置(11)的上方。未蒸发的余液返回至被蒸发液体进口(6)进行循环蒸发；本发明还提供一种流体加热式管内蒸发器。本发明换热效能高，有利于高效蒸发过程的维持；加工简单，提高了蒸发器的工作效益和适应能力。
文档编号F25B39/02GK101101177SQ20071011926
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月19日 优先权日2007年7月19日
发明者迪 吴, 扬 张, 彭晓峰, 珍 王, 规 陆 申请人:清华大学