管壳式蒸发器
技术领域
本实用新型属于换热技术领域，具体涉及一种管壳式蒸发器。
背景技术
由于能源紧缺、环境污染已经成为限制人类可持续发展的主要难题之一，提高能源的利用效率自然成为人们关注的焦点，而换热器作为一种重要的热交换设备被广泛应用众多领域。换热器换效率的高低直接影响热工系统或热力循环系统的效率，从而影响能源的利用率。
作为ORC系统中的管壳式蒸发器，其换热过程主要包括：预热阶段的液态对流换热，相变阶段的蒸发换热，过热阶段的气态对流换热。然而换热方式不同对于蒸发器中管束的管型有不同的要求，目前多数管壳式蒸发器所使用的管束一般为光管或形状比较单一的某类强化管，而单一管型的管壳式蒸发器用于热力循环，对于系统整体热效率的提高具有一定的局限性。
因此，现有的管壳式蒸发器有待改进。
实用新型内容
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种管壳式蒸发器，采用该管壳式蒸发器可以在提高整个蒸发器换热效率的同时缩小蒸发器体积。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种管壳式蒸发器。根据本实用新型的实施例，所述蒸发器包括：
壳体，沿着所述壳体的长度方向，所述壳体内被第一管板和第二管板依次分隔为第一管箱区、换热腔和第二管箱区，所述换热腔内自上而下限定出气相区、气液区和液相区；
第一隔板，所述第一隔板设在所述第一管箱区内所述气相区和所述气液区之间对应的位置，并且第一隔板将所述第一管箱区间隔为第一空间和第二空间；
第二隔板，所述第二隔板设在所述第二管箱区内所述气液区和所述液相区之间对应的位置，并且第二隔板将所述第二管箱区间隔为第三空间和第四空间；
热流体入口，所述热流体入口设在所述第一空间；
换热后流体出口，所述换热后流体出口设在所述第四空间；
高翅片管束，所述高翅片管束设在所述气相区，并且所述高翅片管束与所述第一空间和所述第三空间连通；
低翅率多孔管束，所述低翅率多孔管束设在所述气液区，并且所述低翅率多孔管束与所述第三空间和所述第二空间连通；
高翅率多孔管束，所述高翅率多孔管束设在所述液相区，并且所述高翅率多孔管束与第二空间和所述第四空间连通；
液体工质入口，所述液体工质入口设在所述液相区；
气体工质出口，所述气体工质出口设在所述气相区。
根据本实用新型实施例的管壳式蒸发器通过在其换热腔内的气相区、气液区和液相区分别布置不同结构的管束，具体的，气相区布置高翅片管束，气液区布置低翅率多孔管束，液相区布置高翅率多孔管束，液体工质进入液相区与高翅率多孔管束中的热流体对流换热，液体工质被加热为饱和液进入气液区与低翅率多孔管束内热流体进行蒸发换热，蒸发换热后的饱和蒸汽再进入气相区与高翅片管束内热流体进行气态对流换热得到过热气，相较于目前多数管壳式蒸发器所使用的光管或形状比较单一的某类强化管，本申请的管壳式蒸发器根据工质形态的差异和换热特性，在不同区域采用不同的换热管束，通过增加换热面积，或增加汽化核心，从而强化换热提高换热效率，在换热量一定的情况下，该蒸发器的体积更小，其次在每种强化管内部均有螺纹结构以增加热侧扰动，以提高换热效率。由此，本申请的管壳式蒸发器根据不同区域的换热特性设置不同结构的强化管，从而采用该管壳式蒸发器可以在提高整个蒸发器换热效率的同时缩小蒸发器体积。
另外，根据本实用新型上述实施例的管壳式蒸发器还可以具有如下附加的技术特征：
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅片管束、所述低翅率多孔管束和所述高翅率多孔管束平行，并且所述高翅片管束、所述低翅率多孔管束和所述高翅率多孔管束在水平面上的投影交错。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅率多孔管束包括多根平行的高翅率多孔管，所述高翅率多孔管内设有第一螺纹。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅率多孔管内第一螺纹高度为0.1～0.3mm。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅率多孔管的翅片高度为0.4～0.8mm，并且基于每英寸的高翅率多孔管，所述翅片个数为55～60FPI。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述低翅率多孔管束包括多根平行的低翅率多孔管，所述低翅率多孔管内设有第二螺纹。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述低翅率多孔管内第二螺纹高度为0.1～0.3mm。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述低翅率多孔管的翅片高度为0.4～0.8mm，并且基于每英寸的低翅率多孔管，所述翅片个数为40～50FPI。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅片管束包括多个平行的高翅片管，所述高翅片管内设有第三螺纹，所述第三螺纹的高度为0.1～0.3mm。由此，可以提高换热效率。
在本实用新型的一些实施例中，所述高翅片管的外翅片高度为14～18mm，相邻两个所述外翅片间距为4～6mm。由此，可以提高换热效率。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本实用新型一个实施例的管壳式蒸发器的结构示意图；
图2是根据本实用新型再一个实施例的管壳式蒸发器的结构示意图；
图3是根据本实用新型又一个实施例的管壳式蒸发器内低翅率多孔管的部分结构示意图；
图4是图3中低翅率多孔管的部分放大结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种管壳式蒸发器。根据本实用新型的实施例，参考图1-4，该管壳式蒸发器包括：壳体100、第一管板200、第二管板300、第一隔板400、第二隔板500、热流体入口101、换热后流体出口102、高翅片管束600、低翅率多孔管束700、高翅率多孔管束800、液体工质入口103和气体工质出口104。
根据本实用新型的实施例，参考图1和2，沿着壳体100的长度方向，壳体100内被第一管板200和第二管板300依次分隔为第一管箱区11、换热腔12和第二管箱区13，换热腔12内自上而下限定出气相区121、气液区122和液相区123。具体的，第一管板200和第二管板300均沿垂直壳体100的长度方向布置，从而将壳体100内分割为彼此隔开的第一管箱区11、换热腔12和第二管箱区13，第一管板200和第二管板300焊接在壳体100内。
根据本实用新型的实施例，参考图1和2，第一隔板200设在第一管箱区11内气相区121和气液区122之间对应的位置，并且第一隔板200将第一管箱区11间隔为第一空间111和第二空间112。具体的，第一隔板200与壳体100的长度方向平行，其将第一管箱区11内分割为自上而下的第一空间111和第二空间112。
根据本实用新型的实施例，参考图1和2，第二隔板300设在第二管箱区13内气液区122和液相区123之间对应的位置，并且第二隔板300将第二管箱区13间隔为第三空间131和第四空间132。具体的，第二隔板300与壳体100的长度方向平行，其将第二管箱区13内分割为自上而下的第三空间131和第四空间132。
根据本实用新型的实施例，参考图1和2，热流体入口101设在第一空间111，换热后流体出口102设在第四空间132，即经热流体入口101供给的热流体进入第一空间111内，换热后热流体经第四空间132后经换热后流体出口102排出蒸发器。
根据本实用新型的实施例，在壳体100的高度方向上，气相区121、气液区122和液相区123的高度为比例为(0.8～1.2)：(1.8～2.2)：(0.8～1.2)，优选1:2：1。具体的，首先液体工质进入液相区与高翅率多孔管束换热，变为饱和液，然后再进入汽液区，该区域为蒸发及换热的主要区域，需要强化换热，产生的饱和汽经过气相区121，变为过热气，由此，采用该布置方式可以提高换热效率。进一步的，参考图1，高翅片管束600设在气相区121，并且高翅片管束600与第一空间111和第三空间131连通，低翅率多孔管束700设在气液区122，并且低翅率多孔管束700与第三空间131和第二空间112连通，高翅率多孔管束800设在液相区123，并且高翅率多孔管束800与第二空间112和第四空间132连通。具体的，参考图2，经热流体入口101供给的热流体进入至第一空间111，然后经高翅片管束600与工质换热间接换热后进入第三空间131，接着换热后热流体经低翅率多孔管束700与工质间接换热后进入第二空间112，最后热流体再经高翅率多孔管束800与工质间接换热后进入第四空间132，经换热后流体出口102排出。
根据本实用新型的一个具体实施例，高翅片管束600、低翅率多孔管束700和高翅率多孔管束800平行，优选的，高翅片管束600、低翅率多孔管束700和高翅率多孔管束800与壳体100的长度方向平行，并且高翅片管束600、低翅率多孔管束700和高翅率多孔管束800在水平面上的投影交错。发明人发现，通过该种布置方式，可以在相同管板面积上布置更多管束，从而提高换热效率。
具体的，参考图1、3和4，高翅片管束600内部包括多根平行的高翅片管61，高翅片管61内设有第三螺纹(未示出)，其外壁设有外翅片(未示出)，由此，在其内壁上设置螺纹可以提高管内流体的扰动，并且在外壁上设置外翅片可以增加气态工质与热流体之间的换热面积，从而提高换热效率。进一步的，高翅片管61内第三螺纹高度为0.1～0.3mm，优选0.2mm。发明人发现，该高度的第三螺纹可以增加内部扰动以起到强化换热的效果，而过高的螺纹可能导致压降过大，进一步的高翅片管的外翅片高度为14～18mm，相邻两个外翅片间距为4～6mm。发明人发现，高翅片管布置在气相区，工质均为气态，气态工质与管束进行对流换热，采用该高度的外翅片可以提高气体与管壁面接触面积，从而强化换热。
同理，为了提高低翅率多孔管束700内流体的扰动以及工质与热流体的换热面积，参考图1、3和4，低翅率多孔管束700包括多根平行的低翅率多孔管71，低翅率多孔管71内设有第二螺纹711，其外壁设有翅片712，并且，低翅率多孔管71内第二螺纹711的高度为0.1～0.3mm，优选0.2mm。发明人发现，该高度的第二螺纹可以增加内部扰动以起到强化换热的效果，而过高的螺纹可能导致压降过大进一步的，低翅率多孔管的翅片712高度为0.4～0.8mm，并且基于每英寸的低翅率多孔管71，所述翅片个数为40～50FPI(Fins Per Inch每英寸翅片数)。发明人发现，低翅率多孔管布置在气液区，该区域工质为气态与液态的混合态，工质与管束进行对流换热，采用低翅率多孔管，相较于高翅率多孔管，T型翅片间形成较密集的多孔结构，增加汽化核心，强化液态工质的核态沸腾换热；其次，采用低翅率多孔管，气态工质与管壁面间的热阻更小，更有利于气态工质的对流换热，由此采用该结构的低翅率多孔管可以提高换热效率。
同理，为了提高高翅率多孔管束800管内流体的扰动以及工质与热流体的换热面积，参考图1，高翅率多孔管束800包括多根平行的高翅率多孔管81，高翅率多孔管81内设有第一螺纹(未示出)，其外壁设有外翅片(未示出)，并且，高翅率多孔管81内第一螺纹高度为0.1～0.3mm，优选0.2mm。发明人发现，该高度的第一螺纹可以增加内部扰动以起到强化换热的效果，而过高的螺纹可能导致压降过大进一步的，高翅率多孔管81的外翅片高度为0.4～0.8mm，并且基于每英寸的高翅率多孔管81，外翅片个数约为55～60FPI。发明人发现，高翅率多孔管布置在液相区，液态工质与管束进行对流换热，采用该结构的高翅率多孔管，T型翅片间形成密集的多孔结构，增加汽化核心，强化换热。
根据本实用新型的实施例，液体工质入口103设在液相区123，气体工质出口104设在气相区111，优选的，液体工质入口103靠近换热后流体出口102设置，气体工质出口104靠近热流体入口101设置。具体的，液体工质经由液体工质入口103进入换热腔12，依次与液相区123内高翅率多孔管束800、气液相122内低翅率多孔管束700以及气相区121内高翅片管束600换热后经由气体工质出口104排出。
根据本实用新型实施例的管壳式蒸发器通过在其换热腔内的气相区、气液区和液相区分别布置不同结构的管束，具体的，气相区布置高翅片管束，气液区布置低翅率多孔管束，液相区布置高翅率多孔管束，液体工质进入液相区与高翅率多孔管束中的热流体对流换热，液体工质被加热为饱和液进入气液区与低翅率多孔管束内热流体进行蒸发换热，蒸发换热后的饱和蒸汽再进入气相区与高翅片管束内热流体进行气态对流换热得到过热气，相较于目前多数管壳式蒸发器所使用的光管或形状比较单一的某类强化管，本申请的管壳式蒸发器根据工质形态的差异和换热特性，在不同区域采用不同的换热管束，通过增加换热面积，或增加汽化核心，从而强化换热提高换热效率，在换热量一定的情况下，该蒸发器的体积更小，其次在每种强化管内部均有螺纹结构以增加热侧扰动，以提高换热效率。由此，本申请的管壳式蒸发器根据不同区域的换热特性设置不同结构的强化管，从而采用该管壳式蒸发器可以在提高整个蒸发器换热效率的同时缩小蒸发器体积。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
