CN100483059C - 一种流道逆流式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型流道逆流式热交换器，从传热公式可以得出，流道式换热的传热增强与流道的截面周边的平方次成正比。本热交换器内设置一种单位截面积周边极高的具有极高传热效率的一流程瓦型热交换流道，其传热增强是同截面积大圆管的8倍，并同具圆管的耐压特性；同时壳侧流体采用旋式导流并与一流程的流道流体完全逆流换热，因而使换热的效率在8倍的基础上更进一步得到提高，其节能、省材的效果十分显著，应用前景极其广阔。

Description

一种流道逆流式热交换器

技术领域

本发明涉及的是一种传热学技术，所提供的是一种特高热交换效能的流道式热交换器。

背景技术

目前，表面式热交换器种类较多，不管其属于圆管型换热流道的直管式、螺旋管式、喷淋蛇管式；还是属于板式的螺旋式、平板式及紧凑肋式(叉流式)的，其热交换效能都是不理想的；而且板式类型的都不耐压，运用范围受到限制。

发明内容

发明的目的，是将一种瓦型管状热交换流道及一种既是壳侧导流的，又使瓦型热交换流道耐压的并有增强传热表面积作用的坡旋式横锁导流板的结构，用来对传统的热交换设备进行改进，使之能大量提高热效率和节约用材。

发明的技术方案：

一种流道逆流式热交换器由壳体5、瓦型热交换流道1、管板3、坡旋式横锁导流板4、流道流体进管6、流道流体出管7、壳侧流体进管8、壳侧流体出管9、封头13、固管头10组成。其热交换器壳体5内设置一道制(一流程)流道束的瓦型热交换流道1，瓦型热交换流道1是由同心凹弧壁面和凸弧壁面及两窄弧壁面h所围成的流道型。瓦型热交换流道的排列，属于同一列的所有瓦型热交换流道弧面的凹凸弧壁面朝向都相同，而与邻列的都相反。瓦型热交换流道两端有管板3固定。穿越管板中心设置流道流体进管6，在两管板之间设置坡旋式横锁导流板4。以壳体横截面对半的坡旋式横锁导流板个块，对应流道流体进管的位置折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段。以流道流体进管为旋导中心，在坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段与对边的另块坡旋式横锁导流板个块的斜折面段上端的平面段搭接在一起，如此反复的搭接构成壳侧流体在其导程b内的数头旋导式流体流动结构或成单头旋导式流体流动结构。坡旋式横锁导流板，横锁瓦型热交换流道截面弓状并导流壳侧流体。坡旋式横锁导流板的板距L最大不能超过瓦型热交换流道的强度允许值，在坡旋式横锁导流板板距超过强度允许值时，为了加强瓦型热交换流道的强度，在两流道间的凹凸弧壁间设放簧撑2，以防瓦型热交换流道内的压力流体将弧壁鼓胀开；当设置成数头旋导式时，其坡旋式横锁导流板的板距在瓦型热交换流道的允许强度值范围以内时完全可以不设放簧撑，因而使结构更为简单。流道流体流进流道流体进管6，经管箱15后进入瓦型热交换流道1与壳侧流体进行热交换后流入管箱14，然后经流道流体出管7流出，壳侧流体进入壳侧流体进管8，经坡旋式横锁导流板旋式导向与瓦型热交换流道内流体流向相反的方向，经壳侧流体出管9流出，相互构成流道流体与壳侧流体的完全逆流式流动的热交换。流道流体进管6从封头13伸出套上密封圈11后与固管头相套而固定。

本发明的显著优点：

一、因为流道式换热的传热增强与换热流道的截面周边的平方次成正比的，用圆管传热公式可以来证明该理(用特殊推及一般的分析问题的方式)；

$Q=\mathrm{FK\Δt}=F\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\π}{d}_1}+\frac{1}{2\mathrm{\π\λ}}\mathrm{In}\frac{d_2}{d_1}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\π}{d}_2}}$

$=\mathrm{\πdl}\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\π}d}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\π}d}}={\left(\mathrm{\πd}\right)}^2\frac{{\mathrm{\α}}_1\×{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_1}l(t_{f1}+t_{f2})$

因公式中“F”是传热壁面积＝πdL，将其代入公式，把式中的d₁d₂近似看作d(因用于换热的管子管壁薄)，即：d₁＝d₂＝d；在上式中对于分数，其分子、分母都是d时其比值等于1，因此对数项 $\mathrm{In}\frac{d}{d}=0$ 。本瓦型热交换流道，它是一种扁状弧壁列管式换热流道，其单位截面积周边是同截面积圆管的2.6倍，既传热增强：2.6²＝6.7；又因上式中换热系数α₁，根据努谢尔特数： $\mathrm{Nu}=\frac{{\mathrm{\α}}_1{d}_e}{\mathrm{\λ}}$ 的关系与换热流道的当量直径d_e成反比，即： ${\mathrm{\α}}_1=\frac{\mathrm{Nu\λ}}{d_e}$ 因为单位截面积周边大的其当量直径小，于是得出其换热系数α₁是同截面积圆管的1.21倍，因此上式计算得出的本发明的换热流道的传热增强是同截面积圆管换热的8倍。这一显著的传热增强特性也是椭圆管、波形周边管、板式流道型等任何型状的换热流道型都是无法与之相比的。而且本换热流道型且同具圆管的耐压性，而板式是不适应高压流体工况的换热的。

二、在一所述的，其换热流道型的传热增强，为同截面积大圆管的7～8倍时，该即等于其单位换热流程长的热流密度是后者的7～8倍，因此在相对同等端差下(流体通过换热后的冷、热流体温度差距越小，能源利用率越高)，其换热流程只为后者的1/7～1/8，由于其相对圆管式换热流道的端差下的换热流程只为圆管式的1/7～1/8，该相对极短的流程无需将其来回的折返成多道制(多流程)的换热，本发明是一种列管式一流程的完全逆流换热；而传统的圆管式、板式流道的换热，因为其换热流道的单位流程长的热流密度低，要达到较低的换热端差温度时，需要很长的换热流道(换热管)，因此要采用多流程(多道制)方式换热，由于多流程换热管是在壳体内来回反复折返的，无法实现冷、热流体完全逆流换热的(其冷流体的加热后的温度，不能能达到接近热流体进口温度)，即使是板式，它能做到冷、热流体完全逆流流向，但它的流道进、出口各温度段都是平齐的拼在一起的，其温度通过壁面分子运动的传导，从而使其得到的换热温度是前后中和的温度，因此不管是圆管式和板式都是不能实现完全逆流式换热的。专业人士都知道，完全逆流式的换热在热工理论计算中，可使换热的平均温差Δt＝t_f1-t_f2增加一倍以上。由于其瓦型热交换流道的传热增强可为同截面积圆管的8倍，因此当前者在达到后者的换热端差时，前者的换热流程只是后者的1/7还少，纵然前者只设置为一道制的换热，但其8倍的传热增强远大于后者的四道制或六道制的换热流道长度的递次关系所增加的换热效果，因而大量节省了用材和最大限度地提高了热能利用率。另外其完全逆流式换热又能增加一倍的换换热平均温差。

三、传统的列管式的换热流道外的冷凝水是沿管壁由上往下流的，越往下液膜越厚，本发明的壳侧流体旋式导流，尤其是多头旋式导流，使附着在流道外壁上的液膜不会往下聚厚，而是在很短的距离内将其逐段导开另流，使其热阻降到了最低程度(换热的流体介质或水的的传热系数远比金属流道的低)。

四、本发明换热流道的单位截面积周边大于椭圆、波形周边管(槽管)、板式流道更大于圆管的数学推断：

1、首先看圆管的单位截面积周边，设圆管截面积周边为C_O：

$C_O=\frac{\mathrm{\πd}}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{4}{d}$

上式的结果的分子4是不变常量，当分母d越大时其单位截面积周边越小，此证明管径越大的圆管，其单位截面积周边越小。

2、圆管的单位截面积周边与矩形截面流道的单位截面积周边比较：

设该矩形截面流道的截面积为A_Z、宽为a、长为b，当该距形截面积与圆管截面积相等时，如是： $A_Z=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}$

(1)令 $a=\frac{d}{2}$ 时的 $b=\frac{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{\frac{d}{2}}=\frac{\mathrm{\πd}}{2}$

以(1)的a、b值求该矩形面积的单位截面积周边，设该单位截面积周边为C₁：

$C_1=\frac{(\frac{d}{2}+\frac{\mathrm{\πd}}{2})\×2}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{4}{\mathrm{\πd}}+\frac{4}{d}=\frac{5.27}{d}$

(2)令 $a=\frac{d}{4}$ 时的 $b=\frac{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{\frac{d}{4}}=\mathrm{\πd}$

以(2)的a、b值求该矩形截面积的单位截面积周边，设该单位截面积周边为C₂：

$C_2=\frac{(\frac{d}{4}+\mathrm{\πd})\×2}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{2}{\mathrm{\πd}}+\frac{8}{d}=\frac{8.64}{d}$

综合以上的圆管、矩形截面的单位截面积周边的结果得出下面的关系式：

$C_O=\frac{4}{d},$ $C_1=\frac{5.3}{d},$ $C_2=\frac{8.64}{d}$ 即：C_O<C₁<C₂

上面的关系式清楚地得出了圆管的单位截面积周边最小，只有当矩形截面越扁窄时的流道，其单位截面积周边才最大。本发明换热流道型和板式流道型都是很扁窄的截面形，远比椭圆管、波周边管(槽管)都窄，板式流道是不是它的单位截面积周边会比本发明换热流道的单位截面积周边大呢？上面的圆管单位截面积周边式已给出证明：当流道的截面积越大的，其单位截面积周边就越小(大管径比小管径的道理)，因为板式流道的截面积相当于至少几十根甚至几百根列管式的本发明换热流道的截面积；而且列管式的换热的壳侧流体是绕流在热交换流道周围的，其四周壁面都参与对流体的传热，但板式的换热只有矩形截面的长边壁面(冷、热流体所夹壁面)参与对流体的传热，短边壁面不参与对流体的传热。很显然，在从上面的数学推导，板式流道的换热效率不但远在本发明换热流道之下还在很大范围内不会超过圆管式的换热。而且板式不耐压，适应范围有限。

五、坡旋式横锁导流板较本发明的在先申请的ZL95112537.0中所述的螺旋横锁导流板更好，更利于制造。原因是平面等矩形的每矩形的长边和短边的距点与圆心上的点的连线的夹角都不相同；这些平面矩形的等距离点相对投影在螺旋板上，其距离随旋转半径的不同而各不相同，然而给打穿板的放样打眼的制造工作带来很大的麻烦。坡旋式横锁导流板不但解决了螺旋横锁导流板的上述弊端，而且也保留了螺旋横锁导流板导流的优越性和能数头旋导所形成的翅片增加的传热表面积作用，这在传统的的列管式换热器中的用弓形板、盘式、矩形板的折流方式是无法做得到的。在传统技术中设有翅片的换热：如空调的冷凝、加热器……。因为折流方式的壳侧流体的流量是在两折流板的板距，但旋导式的流量在于其导程，而不在于多头旋导的板距。旋导式还改变了折流式的折流处的换热管要跨空而无固定状况，这在不小的折流板距下跨空的换热管，势必在流体流速的作用下产生振动而对换热流道滋生不可忽视的破坏。此外，数头旋导板由于板距小，因此板的厚度相对折流式的板薄得多，因而能使得其穿管相对更容易。因为列管式的管束的管数是数以百计或千计的，每管不一定绝对笔直，穿折流板后的各换热管的弯翘部份会导致折流板与各管之间成的垂直度的不平行，折流板越厚不平行夹角边越大，因此就造了管与管相互牢制的穿管难度。但多头的薄旋导板正好相反，这就是旋导板穿管更容易的道理。这与在空调的冷凝器和加热器中的换热管能穿有密匝的翅片，就不难理解了。

六、在两流道间的凹凸壁面间安置簧撑2要比设置纵向的加强支撑件安置更容易，因为前者可以不需要固定，只要按两瓦型热交换流道的凹凸弧壁间距尺寸来制作簧撑将其放置即可。而且螺旋式的簧撑每个螺旋圈是相互作用为一体的，而不是每环弧立受力的。簧撑又可增加对壳侧流体的搅动，提高其换热效率。

七、流道流体进管6从封头13伸出然后用固管头10固定在封头上，增加了管板跨距中间的支撑点，使得管板可以在很大程度上得以减薄，从而使其更加节省了材料和减轻了厚管板打孔的难度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

附图1是本热交换器的纵向剖面图

附图2是从流道流体进管中心处的纵向剖面连同坡旋式横锁导流板的板搭接处的剖面图

附图3是在坡旋式横锁导流板个块的布管图

附图4是在瓦型热交换流道的凸凹弧壁间设置簧撑的立体图

附图5是流道流体进管在封头处的内函式固管头的固定剖面图

附图6是设有挡隔筋板的流道流体进管纵向剖面图

具体实施方式

其热交换器壳体5内设置一道制(一流程)流道束的瓦型热交换流道1。瓦型热交换流道1，是由同心的凹弧壁面和凸弧壁面及两窄面弧壁面h所围成的流道。瓦型热交换流道的排列，属于同一列的所有瓦型热交换流道的凹凸弧壁面朝向都相同，而与邻列的都相反。瓦型热交换流道两端有管板3固定。穿越管板中心设置流道流体进管6或设置其他纵向挡隔装置如：带挡隔筋板18的流道流体进管、纵向挡隔板。在两管板之间设置坡旋式横锁导流板4。以壳体横截面对半的坡旋式横锁导流板个块，对应流道流体进管或挡隔装置的宽度位置折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段。以流道流体进管或挡隔装置为旋导中心，在坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段与对边的另块坡旋式横锁导流板个块的斜折面段上端的平面段搭接在一起，如此反复地搭接构成壳侧流体在其导程b内的数头旋导式流动结构或单头旋导式流动式结构。坡旋式横锁导流板的板距L最大不能超过瓦型热交换流道的强度允许值。当为了满足瓦型热交换流道的强度要求，在两流道间的凹凸弧壁面间设置簧撑2或设置加强支撑件。当设置成数头旋导时，其板距在瓦型热交换流道的允许强度值范围以内时完全可以不设放簧撑2，使结构更简单。流道流体流进流道流体进管6，经管箱15后进入瓦型热交换流道1与壳侧流体进行热交换后流入管箱14，然后经流道流体出管7流出；壳侧流体进入壳侧流体进管8，经坡旋式横锁导流板4，旋式导向与瓦型热交换流道内流体流向相反的方向，经壳侧流体出管9流出，相互构成流道流体与壳侧流体的完全逆流式流动的热交换。流道流体进管6，从封头13伸出套上密封圈11后被固管头10旋压并固定或采用内函式固管头17固定。在热交换流道束中的适当位置设置有若干数拉杆12，并在坡旋式横锁导流板和管板的相互间距的拉杆上穿上定距管16，以之限定其板距并对热交换流道束起加固作用；坡旋式横锁导流板的两板衔接同样可以用穿拉杆和定距管来固定。

当然其壳侧流体导流也可以采用盘式、矩形、孔式折流板、折流杆的折流结构或螺旋横锁导流板导流以及弓形折流结构，其瓦型热交换流道的壁表面也可以制成带纵齿、斜齿、螺旋齿的或褶纹路、凹凸的表壁扩增型的瓦型热交换流道。这些变换都为本发明的保护范围内。

Claims (7)

1、一种流道逆流式热交换器，由壳体(5)内设置一道制热交换流道，热交换流道两端由管板(3)固定，两管板间的热交换流道束全长设置壳侧流体导流板，冷、热热交换流体的出、入路径分别由流道流体进管(6)、流道流体出管(7)和壳侧流体进管(8)、壳侧流体出管(9)构成，其特征在于：流道流体进管(6)、流道流体出管(7)、壳侧流体进管(8)、壳侧流体出管(9)的设置构成流道流体与壳侧流体互为完全逆流式流动换热，其壳体(5)内，设置一道制流道束的瓦型热交换流道(1)，瓦型热交换流道(1)，是由同心的凹弧壁面和凸弧壁面及两窄面弧壁面(h)所围成的流道型，或者是该构型的表壁扩增型的瓦型热交换流道，瓦型热交换流道的排列，属于同一列的所有瓦型热交换流道弧面的凹凸壁面朝向都相同，而与邻列的都相反；瓦型热交换流道两端有管板(3)固定，穿越管板中心设置流道流体进管(6)，在两管板之间设置壳侧流体坡旋式导流，坡旋式横锁导流板(4)是以壳体截面对半的坡旋式横锁导流板个块对应流体进管的位置段折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段，在两管板之间以流道流体进管(6)为旋导中心的坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段，对应对边的坡旋式横锁导流板个块的斜折面段的上端的平面段搭接在一起，如此反复地搭接成壳侧流体坡旋式导流结构，流道流体进管(6)，从封头(13)伸出套上密封圈(11)后被固管头(10)旋压并固定。

2、根据权利要求1所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：壳侧流体坡旋式导流，在其导程(b)内设置成数头坡旋导式流动结构。

3、根据权利要求1所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：壳侧流体坡旋式导流，在其导程(b)内设置成单头坡旋导式流动结构。

4、根据权利要求1～3中任一权利要求所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：在瓦型热交换流道之间的凹凸壁面间设置簧撑(2)。

5、根据权利要求1～3中任一权利要求所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：在瓦型热交换流道之间的凹凸壁面间设置加强支撑件。

6、根据权利要求1所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：流道流体进管(6)，伸出封头(13)后，采用内函式固管头(17)将其固定在封头上。

7、根据权利要求1所述的一种流道逆流式热交换器，其特征在于：在坡旋式横锁导流板斜折面段宽度处设置纵向挡隔装置。

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