CN101900498A - 热交换器 - Google Patents

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左明立
张舜宗
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Abstract

本发明公开了一种热交换器，其包括：口径相异的一内管，一中间管，及一外管，据以形成一种三重套管结构；一热量流体，注入该中间管内；一热传介质，分别注入外管及内管内以进行热量移转。由该热交换器的实施，可有效缩短长度并减少体积。假若该热量流体为冷媒，而热传介质为常温状态的水，由该热交换器的热量移转，使其可取代空调、冷冻系统中的冷凝器或蒸发器。

Description

热交换器
技术领域
本发明是有关一种热交换器，尤其指一种三重套管结构的热交换器。
背景技术
按将某种流体的热量以一定的传热方式相互传递给他种流体的设备称为热交换器，在该设备内至少具有两种温度不同的流体参与传热，亦即高温流体放出热量，而低温流体吸收热量。因此，热交换器已广泛用于人们的生活中，例如制冷或制热的运用。
传统泛见于造冷或制热的热交换器包括：套管热交换器(Double-pipeHeat Exchanger)，壳管热交换器(Shell And Tube Heat Exchanger)，板式热交换器(Plate Type Heat Exchanger)...等，其中：
(1)套管热交换器主要由两支直径不同的管子组成同心套管，在小管内及两管间的环形空隙，分别流入不同温度的流体，经由小管的管壁为传热面而作热输送。大管外通常会包覆绝热材料，以减少热损失。套管式热交换器的优点在于，构造简单、价格便宜，以及维护容易；惟套管热交换器显著的缺点则为传热面积与流速、流量不能吻合。
(2)壳管式热交换器的主要构造由管束(tube bundle)与管壳(shell)两部分组成。管束是由成束排列的多支小管子，两端以管束板(tube sheet)固定，并置于外壳内，而在管束内流动的流体称为管侧流体，而在管束外流动的流体称为壳侧流体。该壳管式热交换器依照其分类，可分为定头式热交换器(Fixed Head Exchanger)，浮头式热交换器(Floating Head Exchanger)，以及U管式热交换器(U-tube Exchanger)。
其中，定头式热交换器两端管束板以螺栓固定在外壳的凸缘上，管束不能拉出。定头式热交换器优点为构造简单、价格便宜；缺点为温度高时，易使管子因发生膨胀而导致接头破裂，因此而造成渗漏。因此，浮头式热交换器是将管束板的一固定于外壳的凸缘上，另一则套一个直径略小于壳径的浮头，浮头与外壳间不固定，能够自由伸缩，并改进定头式的热交换器，惟缺点在于构造复杂，成本过高。而U管式热交换器系将管束弯曲成U形，使管口均装于同一管板上，其虽具有构造简单、价格便宜，且容许管束因膨胀弯曲，而唯一的缺点为管束内因不易清洗，故不适用易结垢流体的操作。
(3)板式热交换器主要由许多金属平板平行所组成，两板间以垫圈密封防止泄漏，两流体在交错板间流动。平板材料以不锈钢最常见，其表面通常会经压花处理，以造成流体流过时形成强烈扰流而增进热传效果。板式热交换器具有体积小、重量轻、容易维修、平板数目可依需要弹性调整，以及流体在热交换器内可保持高度扰流的优点，惟板式换热器的缺点在于，因密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，不耐高温，且承受压差较小，处理量小，一旦发现板片累积结垢就会即刻反应在系统数据上，甚至影响功效的需求，例如造成压缩机烧毁。
因此，通过前述各种热交换器的结构、原理及优缺点的介绍，如何有效增加传热面积、提高热交换效率，以及结构简化以降低制造成本的热交换器，乃相关业者亟待克服的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热交换器，为一种三重套管结构的热交换器，可有效地将热或冷的热量流体，例如冷媒与润滑油表面与核心的热量分别通过热传介质，例如水，予以进行热量移转时，能够有效增加传热面积，来吻合流速与流量并且提高热交换效率，同时简化整体结构，并有效降低制造成本的优点。
为实现上述目的，本发明提供的热交换器，其包括：
口径相异的一内管，一中间管，及一外管，该外管内套设一中间管，该中间管内套设一内管，据以形成一种三重套管结构；
一热量流体，注入该中间管内；
一热传介质，分别注入外管及内管内；以及
该热量流体表面与核心的热量通过中间管分别与外管及内管内流动的热传介质进行热量移转。
所述的热交换器，其中该中间管内流动的热量流体与外管及内管内流动的热传介质的流动方向为相反。
所述的热交换器，其中该内、外管的上、下游端各自连接一三通管，以输送热传介质；而中间管的上、下游端各自连接一连通的歧管，以输送热传介质。
所述的热交换器，其中该热量流体为冷或热的液体或气体，而热传介质则为热或冷的液体或气体。
所述的热交换器，其中该热量流体为冷媒与润滑油，而热传介质为常温的水。
所述的热交换器，其中该热交换器外部以一保温材进行包覆。
所述的热交换器，其中该内管、中间管及外管是以金属管体所制成。
所述的热交换器，其中该金属管体是以铜管所制成。
本发明所具有的功效在于，该三重套管结构的热交换器，可有效地将热或冷的热量流体表面与核心的热量分别通过热传介质，予以进行热量移转，除能够有效增加传热面积，来吻合流速与流量并且提高热交换效率外，同时简化整体结构，并有效降低制造成本的优点。此外，将该三重套管结构的热交换器运用于热交换循环系统，该热交换器可个别用于冷凝器或蒸发器，使该热交换循环系统分别具有热、冰水的供应；此举，可避免热能的浪费，并减少过多废热的排放。
附图说明
图1为本发明热交换器的立体图；
图2为本发明热交换器的剖面图；
图3为本发明的热交换器运用于空调、冷冻系统的示意图。
具体实施方式
本发明提供的热交换器，其包括：口径相异的一内管，一中间管，及一外管，该外管内套设一中间管，该中间管内套设一内管，据以形成一种三重套管结构；一热量流体，注入该中间管内；一热传介质，分别注入外管及内管内；以及该热量流体表面与核心的热量通过中间管分别与外管及内管内流动的热传介质进行热量移转。
为进一步说明本发明的具体技术内容，首先请参阅附图。
如图1及图2所示，基本上，本发明热交换器是由一内管11，一中间管12，及一外管13所组成。该些管体是以导热系数高的金属管体，例如铜管制成为佳。其中，该外管13内套设一中间管12，且该中间管12内套设一内管11，据以形成一种三重套管结构，而为提供本发明热交换器进行热交换，因此，一热量流体2，例如冷媒与润滑油是注入该中间管12内，而热传介质3，例如常温状态的水则分别注入外管13与内管11内，且该热量流体2与热传介质3的流动方向系为相反。
请再参阅图2，该热量流体2表面与核心的热量分别通过中间管12，以便与外管13及内管11内流动的热传介质3进行热交换。此举，该中间管12内流动的热量流体2可分别为内管11及外管13呈相反流动的热传介质3进行热量移转，使本发明的热交换器能有效缩短长度并减少体积。前已述及，该热量流体2为冷媒，例如高温气态冷媒或低温液态冷媒，而热传介质3则为常温状态的水，由本发明三重套管结构的热交换器的热量移转，使该热交换器分别具有冷凝器及蒸发器的功能。惟该热量流体2与热传介质3不以前述的冷媒与水为限，该热量流体2实施时，可为冷或热的液体或气体；而热传介质3则为热或冷的液体或气体，因此，本发明的热交换器除运用于下述实施例的空调、冷冻系统外，亦可广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业用途。
如图3所示，是将本发明的热交换器运用于空调、冷冻系统的示意图，该空调、冷冻系统包括一压缩机4，一输送管路5，一第一热交换器6，一冷凝强化装置7，一膨胀装置8，一第二热交换器9所组成。
其中，压缩机4为公知技术，是以电动机，例如马达为动力，以便将输送管路5内的热量流体2，例如低压低温的气态冷媒，例如R-22与润滑油(以下简称为油)吸回(回收)，并压缩成高压高温，例如约500psi、168.6℃的吐出温度的气态冷媒与油由压缩机4的吐出端沿着箭头a所示方向于输送管路5内移动。
输送管路5一端连接于压缩机4吐出端，另端则连接于第一热交换器6的第一中间管62。
第一热交换器6是将高压高温的气态冷媒，经由热传介质3，例如水进行散热，使之形成液态冷媒。该第一热交换器6是以一第一内管61套入该第一中间管62内，且该第一中间管62套设于一第一外管63内。为使该第一热交换器6成为一冷凝器，该第一中间管62上、下游端各自连接一连通的歧管，用以输送冷媒。而第一内、外管61、63下游端连接一呈三通的分流管64，以便将热传介质3，例如28.4℃常温的水如箭头b1所示方向注入该第一内、外管61、63内，使该两管61、63内的水朝向第一热交换器6的上游端移动，并于所包夹的第一中间管62内由上游往下游移动的高温，例如140.5℃的冷媒与油进行热交换，使该两管61、63于上游端所连接呈三通的汇集管65将两股热水汇集而如箭头b2所示方向排放，经由实测，该所排放的热水可高达75.3℃。而由第一热交换器6冷凝后的液态冷媒与油则经由第一中间管62下游端进入输送管路5。
由该第一热交换器6内部的热量流体2与热传介质3的热交换，可有效降低该冷媒与油的温度，而后经由输送管路5的输送，以便进入冷凝强化装置7。
冷凝强化装置7是由复数个孔径细小的毛细管71所组成，该些毛细管71可将来自第一热交换器6的液态冷媒、油与气泡导入，而形成如同本发明发明人所拥有的中国台湾专利公告第494222号的冷凝强化装置，以进行「液、气、油」自我调节流通，以利用该些孔径细小的毛细管71所组成的冷凝强化装置7，使该液态冷媒与油进入冷凝强化装置7后，便自我调节分流并通过毛细管71，使泡沫被阻挡在毛细管71入口之外，从而提升冷凝的效果。因此，通过该些毛细管71的液态冷媒与油会再度汇流于下游的输送管路5，且由再度的冷凝，使液态冷媒与油的温度降至33℃。
膨胀装置8，例如膨胀阀或单一毛细管，其主要目的在于使液态冷媒通过时，经过高压挤压而喷射成雾化，并降压至低压，例如约50psi，以便配合后续第二交换器9的蒸发作用，使雾化冷媒在低压下能低温蒸发。
第二热交换器9将来自膨胀装置8输出的雾状冷媒，经由该第二中间管92上游端连通的歧管引入第二中间管92内，并向下游端的歧管移动。该第二热交换器9结构与前述第一热交换器6相同，其系以一第二内管91套入该第二中间管92内，且该第二中间管92套设于一第二外管93内。为使该第二热交换器9成为一蒸发器，该第二内、外管91、93下游端连接一呈三通的分流管94，以便将热传介质3，例如28.4℃常温的水如箭头c1所示方向注入该第二内、外管91、93内，使该两管91、93内的水朝向第二热交换器9的上游端移动，并于所包夹的第二中间管92内由上游往下游移动的液态冷媒与油进行热交换，使该雾状冷媒蒸发吸热成气态冷媒，而两管91、93于下游端所连接呈三通的汇集管95将两股冰水汇集而如箭头c2所示方向排放，经由实测，该所排放的冰水为17.4℃。而由第二热交换器9蒸发后的气态冷媒与油则经由第二中间管92下游端进入输送管路5，其另端则连接于压缩机4的吸入端，使气态冷媒可为再次压缩输出；而该冰水可被输送至各出风口的冷却盘管中，以便吸收该盘管周围的空气热量，使产生的低温空气由出风口进入室内而降温，以形成一种空调的循环系统。
其中，该第二热交换器9使冷媒由雾状(液态)转变成气态，使该冷媒与油吸热后升温至11.1℃。再者，如图3所示，该第一、第二热交换器6、9内部的冷媒和油与水的流动方向为相反。进一步地，而为避免热量的散失，该第一、第二热交换器6、9外部可以一保温材，例如高分子发泡材料进行包覆，以减少热量的散失。
为使气态冷媒吐出时能形成前述168.6℃的高温，所以，该压缩机4的吐出端与吸入端的两输送管路5形成一贴合状的导热段51，以进行热交换，以便将气态冷媒与油在返回压缩机4的前予以升温至约30.9℃。此举，可令返回压缩机4前的气态冷媒与油升温后，使油软化后，有助于压缩机4的运转更为顺畅。由于吐气量增大，使压缩机4线圈的热得以释出，进而使吐出的气态冷媒升温，提高压缩比，并降低电流安培量。
本发明所揭示的只是较佳实施例的一种，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为本领域技术人员所易于推知的，俱不脱本发明的权利要求范畴。

Claims (8)

1.一种热交换器，其包括：
口径相异的一内管，一中间管，及一外管，该外管内套设一中间管，该中间管内套设一内管，据以形成一种三重套管结构；
一热量流体，注入该中间管内；
一热传介质，分别注入外管及内管内；以及
该热量流体表面与核心的热量通过中间管分别与外管及内管内流动的热传介质进行热量移转。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，该中间管内流动的热量流体与外管及内管内流动的热传介质的流动方向为相反。
3.如权利要求1所述的热交换器，其中，该内、外管的上、下游端各自连接一三通管，以输送热传介质；而中间管的上、下游端各自连接一连通的歧管，以输送热传介质。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中，该热量流体为冷或热的液体或气体，而热传介质则为热或冷的液体或气体。
5.如权利要求4所述的热交换器，其中，该热量流体为冷媒与润滑油，而热传介质为常温的水。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，该热交换器外部以一保温材进行包覆。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中，该内管、中间管及外管是以金属管体所制成。
8.如权利要求7所述的热交换器，其中，该金属管体是以铜管所制成。
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