CN100401000C

CN100401000C - 带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器

Info

Publication number: CN100401000C
Application number: CNB2005100382079A
Authority: CN
Inventors: 陈则韶; 江斌
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2005-01-22
Filing date: 2005-01-22
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2025-01-22
Also published as: CN1808038A

Abstract

本发明公开了一种带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，包括换热管，壳体，筒盖，管内、外流体的进、出口管；其特征是，所述换热管是外侧带肋的多内通道扁管，卷制成扁管螺旋盘，封装在换热器壳体和壳盖构成的腔体内，由此形成了管内一种流体螺旋通道和管外另一种流体的螺旋通道，肋高控制管外通道的间距，两种流体逆向流动；这种换热器综合了各类换热器的优点，有很高的换热性能，体积紧凑，制作容易，成本低，特别适合作水流量比较小而需要水有大温升的热泵制热水的水冷凝器。

Description

带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器

技术领域

本发明属于换热器技术领域，特别涉及一种带肋盘状螺扁管双旋流逆流式液-液换热器。

背景技术

生活中需要大量45～55℃的热水，目前家庭热水多由电热水器提供，宾馆、饭店所需的热水多由燃油锅炉提供。使用热泵热水器制热水公认有明显节能效果，其关键设备是水冷凝器。热泵热水器的水冷凝器，要求冷却水能获得大温升，在冬天自来水温度约5～7℃，生活用水要达45～55℃，温升需达到40～50℃。

据《传热学》(高教出版社，扬世铭、陶文铨著)介绍，现有各种类型换热器，包括壳管式、套管式、板翅式，板式和螺旋板式换热器等，设计的进出口水温差仅4～7℃，若要在换热功率相同情况下把水温升提高40～50℃，势必要使水的流量大大减小，水流速度大大降低，从而使得现有换热器的换热效率大大降低。

根据《传热学》教科书可知，换热器的换热性能除与流体性质、流体流速、换热壁面状况有关外，也与换热器组织的流动方式密切相关。现有各类换热器按冷、热流体的相互流动方式来区分，有顺流、逆流、交叉流式等；冷、热流体的各自流动方式又可以分为管内直流、波动流和旋流，管外绕流、折流、波动流和旋流等。冷、热流体相互逆流与冷、热流体各自旋流形式的换热器具有较好的换热效果，螺旋板式换热器属于这一种，可称之为螺旋板板间双旋流逆流式换热器，其缺点是换热器的隔板端密封较困难，冷、热流体有在隔板端出现串流的危险，不适合用作制冷机的水冷凝器。

壳管式换热器多为直管壳管式，其冷、热流体的相互流动形式总体为逆流，局部为叉流式，管内流体作直流，管外流体作绕流。中国专利号94230560.4提出的“螺旋盘管汽-水换热器”，采用把壳管式换热器的直管改为柱状螺旋管，管内流水，管外走蒸汽，其管内流体变成旋流。这种柱状螺旋管换热器可称之为螺旋管内旋流、管外叉流的逆流式换热器，比直管壳管式换热器有较高的换热系数。这种螺旋盘管管外叉流的逆流式换热器在空气分离装置的换热器中经常见到，它的管外侧适合通过压力较低的流体，管外流体是横掠过螺旋管，为管外叉流式。

套管式换热器可以组织冷、热流体逆流换热，有较高的换热系数，一般有蛇形和螺旋盘管套管式换热器，但套管式换热器总体占据空间大，制作大功率换热器有一定难度。

板式换热器用簿板隔开冷、热流体相间通道，为双波动逆流形式，流道很窄，有很高的面积和体积换热系数，较紧凑，但制作模具复杂，价贵。板翅式换热器在板间还焊接有波纹状的翅片，单位体积的传热面积大，属紧凑式高效换热器，但制作工艺复杂，只适合大型气-气换热器。因为板式换热器的水流道和制冷剂流道间距几乎相等，板翅式最小通道间距也有4毫米，在大温升情况下水通道流速极小，热系数大大降底，使板式、板翅式换热器高效换热的优点也不能发挥，所以板式、板翅式换热器难以选作热泵热水器的冷凝器。

由上述可知，现有的换热器若用做有大的水温升的水冷凝器，或因水流速太低使传热效率下降；或冷、热流体间因密封不严，有串流的危险；或单位体积的传热功率小。

发明内容

本发明提出一种带肋螺旋扁管内外双旋流逆流式换热器，可克服现有换热器存在的上述不足，在做有大的水温升的水冷凝器时仍能有高效换热能力，没有串流危险，且体积紧凑，制作工艺简单。

本发明的带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，包括：换热器的壳体1、换热管2和壳盖5，壳盖5或壳体1上连接有管外流道进口接头6、出口接头7和换热管2的进口接管8、出口接管9，壳盖5与壳体1间夹有密封垫4，用螺丝13、14拧紧；其特征在于：所述换热管2是管外侧带肋3a、管内有隔筋3b的多内通道扁管，卷制成扁管螺旋盘封装在由壳体1和壳盖5构成的腔体内，扁管螺旋盘的上、下端面分别被壳盖5和壳体1的底面紧紧夹住，由此形成双旋流通道：一条是盘状螺旋扁管，另一条是盘状螺旋扁管的管外和壳体1以及壳盖5围成的螺旋通道；管外侧肋的高度是管外流道的间距，管内隔筋的高度是管内流道的间距。

在壳盖5或壳体1的中心区和外缘区分别连接有管外流道进口接头6和出口接头7；所述换热管2的进口接管8、出口接管9分别穿过壳盖5在外缘区和中心区所留的孔洞，并套上密封圈12、垫片11，接管8、9端部有一段螺丝，通过拧紧接管螺丝上的螺母10，压紧密封圈12，使换热管2的进、出口接管8、9伸出盖板处的孔洞间隙得以密封。

所述的管外侧带肋3a、管内有隔筋3b的多内通道扁管的换热管2，可以是单外侧带肋或双外侧相间隔带肋的多内通道扁管；该螺旋扁管的内壁、或外壁、或内外壁可有细纹槽齿。

由于本发明采用了管外侧带肋3a，管内有隔筋3b的多内通道扁管，卷制成的扁管螺旋盘换热管的技术，巧妙地获得了管外旋流通道，因此可以获得换热器双旋流逆流的最佳换热方式，螺旋管内和管外的流体在不停旋转中大大强化了彼此间的传热；且管内外流道有肋有筋，又进一步强化了换热效果；再者，管内外和内筋面都做有微细槽齿，再一次强化了换热效果；第四点，扁管的内筋使管内通道可承受高压，扁管壁可以很薄，又可减小管壁热阻，再增强换热能力；第五点，因为用扁管卷制螺旋扁管盘，有小的弯曲半径，卷制的螺旋盘管极紧凑，单位体积换热面积大，在较小圆盘直径的条件下取得很长的流道，从而能在小流量比大温升的换热器设计中做到保持较好流速，取得较高传热效率；管内高压流体不会串流到管外；因此，本发明的带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器几乎集中了各种换热器的优点。下面结合具体对比的换热器，说明本发明点的作用。

(1)、本发明与螺旋板式换热器相比，虽然都是双旋流逆流式，但螺旋板式换热器是依靠螺旋板端的压条和端压板密封，在相邻通道压力差很大时，高压流体有可能从密封条处串流到低压流道去；而本发明的带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器是依靠扁管壁对管内、外流体进行隔离，由于扁管内有很多筋，扁管有很高的耐压性，管内流体不会泄漏到管外去；其次，螺旋板式换热器板间无肋，螺旋道间的压力差要由板端与盖板的槽道力来平衡，相邻流道间的压差大时，会造成隔板变形，破坏密封性，所以不适合做热泵热水器的水冷凝器，而本发明的扁管螺旋盘换热器，管外有外肋和管内有内筋，圈圈相抵，在通道内有高压流体时，可把螺旋管伸直力分解到换热器壳体外圈，保证流道不变形，所以可以承受管内外流道间的大压力差；再者由于螺旋板式换热器的管间无肋，传热效果差，而本发明的扁管螺旋盘换热器，管外有外肋和管内有内筋，管内外表面都有微形槽齿，管内外的流体都增加了换热面积，传热效果更好。

(2)、本发明与螺旋套管式换热器相比，虽然都是双旋流逆流式，但是套管式换热器是由内管和外管组成两种流体通道，它的外管全程参加卷曲，套管的外管是扁管的数倍，因此螺旋卷曲半径要比扁管卷曲半径大多倍，只适合于绕成柱式螺旋管换热器，螺旋圈内没有换热管，所以单位体积的换热器换热面积较小，而本发明的带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器是扁管盘式结构，体积十分紧凑；另外，本发明的换热器管管外有肋和管内有筋，管内外表面都有微形槽齿，管内外的流体都增加了换热面积，更强化了传热效果；

(3)、本发明与逆流式的板式换热器相比，逆流式的板式换热器流体不能做双旋流，仅是靠板面的起伏做波动流；板面无肋无槽齿，流道短，长不足1米，因此在大温升的要求下，水流速极低，换热效率大大下降；而本发明的带肋盘状螺旋管双旋流逆流式换热器，扁管长度可以在十几米以上，具有在大温升的要求下，还可以保证水流有较高的速度，如在冬季可保证到0.8～1米/秒，因而仍有较高效率，管内外表面和内筋面可采用细槽齿结构增强换热效果；

(4)、本发明与逆流板翅式换热器相比，逆流板翅式换热器的翅片是用钎焊方式焊接在隔板上，技术复杂，稍有不慎就会造成过高温焊穿孔，或焊不透，它适合作大型气-气换热器，翅片的流阻大；本发明带肋扁管是热拉制成型，工艺简单。

由于本发明的带肋盘状螺旋管双旋流逆流式换热器，集中了多种换热器的优点，不仅适合做热泵热水器的水冷凝器，可也可用作其他换热器用，例如可作为汽-水换热器。应用前景极为广阔。

附图说明

图1是本发明的带肋盘状螺旋管双旋流逆流式换热器的实施例1的一种结构示意图的主剖视图；图2是其俯视图。

图3是单外侧带肋的多内通道扁管断面示意图。

图4是双外侧相间隔带肋的多内通道扁管断面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体技术内容。

实施例1：

附图1是本发明实施例1的带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器的结构示意图的主剖视图，图2为其俯视图；如图中所示：带6根外肋3a和6根内筋3b有七个内通道的扁铝管卷成盘状螺旋换热管2，紧密封装在由换热器壳体1和壳盖5的腔体内，螺旋管盘的直径350毫米，高42毫米，扁管厚4.5毫米，外肋高3毫米，盘状螺旋管的相邻圈的管间距平均约3毫米，盘状螺旋管的底面紧贴着筒壳的底板，顶层盘状螺旋管的顶面紧贴着筒壳的壳盖5；换热器壳体1和壳盖5接触面间有橡胶密封垫圈4，用螺丝12、螺母13拧紧；壳盖中心区接有管外流道进口接头6和预留有换热管2的出口接管9的孔洞，壳盖外缘区接有管外流道出口接头7和预留有换热管2的进口接管8的孔洞，换热管2的进、出口接管8、9与换热管焊接好后，分别从壳盖5的两个预留孔中穿出，并套上密封圈12、垫片11，接管8、9端部有一段螺丝，通过拧紧接管螺丝上的螺母10，压紧密封圈12，使换热管2的进、出口接管8、9伸出盖板处的孔洞间隙得以密封；由螺旋扁管2、壳体1和壳盖5组成了双旋流通道，一条是盘状螺旋扁管的管内通道，另一条是盘状螺旋扁管的管外和壳体1以及壳盖5围成的螺旋通道，管外侧肋高是管外流道的间距，管内隔筋高是管内流道的间距；所述螺旋扁管的内壁有细纹槽齿，也可内外壁都有细螺纹槽；

俯视图2中，深色圈表示扁管换热管2内流体通道，相邻深色圈之间的螺旋圈是管外流体通道；当制冷工质从最外圈端头的进口接管8进入后，不断旋转，由中心处的接管出口9流出；夹在盖板5，壳体1底板间的盘状螺旋管换热管2的相邻圈的管间构成管外流体的螺旋通道，冷水从中心区的管外流体的进口接管6进入壳体腔内后，经管外螺旋通道，从内圈螺旋流至外圈，由管外流体的出口接管7流出；管内外流体逆向流动，在双旋流中得到充分的热交换，制冷工质气体被冷却凝结成液体，冷水被加热为热水。该换热器的换热面积约0.75平方米，比体积换热面积达每立方米300平方米以上，作冷凝器用换热系数约900～1200W/(m²·K)。图中冷热流体的进、出口可以成时互调换。

附图3是本发明实施例1所用的单外侧带肋的多内通道扁管的断面，扁管换热管2内由10根内肋3b分成11个内通道，扁管换热管2外肋3a也有10个，外肋高为螺旋管外流道的宽度，两端肋3c是与壳体1的底面和壳盖5里面接触，它使扁管的外表面换热面积能得到充分利用。扁管的宽度和内通道数目可根据需要设计。目前扁管的宽度可达80毫米；螺旋扁管内壁、或外壁、或内外壁可有细纹槽齿。

附图4为双外侧间隔带肋的多内通道扁管，它与附图3的区别仅在于扁管的外肋3a是双外侧带肋，并且两个外侧面的肋位置相间隔布置，目的是为了保证卷制盘管时不至于肋片重叠，使螺旋管盘端面平齐。外肋片有加强传热和定流道间距作用。内肋3有强化传热和提高管承压能力的作用。材料可采用合金铝。

Claims

1.一种带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，包括：换热器的壳体(1)、换热管(2)和壳盖(5)，壳盖(5)或壳体(1)上连接有管外流道进口接头(6)、出口接头(7)和换热管(2)的进口接管(8)、出口接管(9)，壳盖(5)与壳体(1)间夹有密封垫(4)，用螺丝(13、14)拧紧；其特征在于：所述换热管(2)是管外侧带肋(3a)、管内有隔筋(3b)的多内通道扁管，卷制成扁管螺旋盘封装在由壳体(1)和壳盖(5)构成的腔体内，扁管螺旋盘的上、下端面分别被壳盖(5)和壳体(1)的底面紧紧夹住，由此形成双旋流通道：一条是盘状螺旋扁管，另一条是盘状螺旋扁管的管外和壳体(1)以及壳盖(5)围成的螺旋通道；管外侧肋的高度是管外流道的间距，管内隔筋的高度是管内流道的间距。

2.如权利要求1所述带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，特征在于在壳盖(5)或壳体(1)的中心区和外缘区分别连接有管外流道进口接头(6)和出口接头(7)；所述换热管(2)的进口接管(8)、出口接管(9)分别穿过壳盖(5)在外缘区和中心区所留的孔洞，并套上密封圈(12)、垫片(11)，进口接管(8)和出口接管(9)端部各有一段螺丝，通过拧紧接管螺丝上的螺母(10)，压紧密封圈(12)，使换热管(2)的进、出口接管(8、9)伸出盖板处的孔洞间隙得以密封。

3.如权利要求1所述带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，特征在于所述管外侧带肋管内有隔筋的多内通道扁管的换热管(2)，为铝材质的单外侧带肋或双外侧相间隔带肋的多内通道扁管。

4.如权利要求1所述带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器，特征在于所述管外侧带肋管内有隔筋的多内通道扁管的换热管(2)，其内壁、或外壁、或内外壁有细纹槽齿。