CN103983133B - 一种模块化的螺旋板式换热器 - Google Patents

Abstract

一种模块化的螺旋板式换热器，其包括：至少两个换热器单元，每相邻两个换热器单元分别为第一换热器单元和第二换热器单元，所述第一换热器单元垂直叠放于所述第二换热器单元上，所述第一换热器单元与所述第二换热器单元通过紧固件固定连接。本发明结构紧凑，合理；改变了传统螺旋板式换热器的连接管设置形式，使它便于模块化拓展，同时所述换热器的螺旋壁板上设置有等相位的强化换热波纹面，并通过等相位辐射状波纹结构来增强局部紊流，在保持高效换热的情况下保持较低的流阻。

Description

一种模块化的螺旋板式换热器

技术领域

本发明涉及一种用于工业制冷的换热装置，属于换热器技术领域。

背景技术

换热器是一种重要的换热传热装置，其主要的功能是进行热交换。瑞典ROSENBLAD公司于20世纪30年代提出了螺旋板式换热器的结构，并很快投入了批量生产，取得了专利权，例如专利US1930879A。早期的螺旋板式换热器主要是提出了采用等距螺旋线式的流道结构，并给出具体的换热器结构形式，后续的一些专利则从螺旋板式换热器的制造工艺及使用的角度出发，提出能够降低制造工艺难度或提高结构可靠性的改进措施，如专利US2136086A等。专利US4128125A也进一步地提出了空间圆柱螺旋流道的螺旋板式换热器。近期的专利更多地关注螺旋板式换热器的强化换热措施，如专利CN102782436A，提出在螺旋流道壁面上采取几种不同的压筋型式形成波纹表面来增强换热效果，但是这种措施对螺旋板式换热器的流阻产生较大的不利影响。常规的板片式换热器与现有的螺旋换热器发明相比具有一个显著的优点，它的板片数量可根据需要进行增减，这种模块化的特点使得板片式换热器的选用非常灵活，安装结构比较紧凑。而螺旋板式换热器的结构形式都是针对单体使用而设计，不适合模块化组装。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模块化的螺旋板式换热器，克服上述缺陷，便于以单个螺旋板式换热器作为一个换热单元，用户可根据换热能力的需要选取若干个螺旋板式换热器单元进行模块化组装，所述的螺旋板式换热器单元的螺旋壁板设计有等相位辐射状波纹结构来增强局部紊流，在提高整体换热效果的同时，又尽可能地保持较低的流阻。

为解决上述技术问题，本发明提供一种模块化的螺旋板式换热器，其包括：至少两个换热器单元，每相邻两个换热器单元分别为第一换热器单元和第二换热器单元，所述第一换热器单元垂直叠放于所述第二换热器单元上，所述第一换热器单元与所述第二换热器单元通过紧固件固定连接。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述第一换热器单元包括第一顶板、第一壁板、第一底板、第一中心管路和第一边缘管路，所述第一壁板为双螺旋状，所述第一壁板设置于所述第一底板上，所述第一顶板盖设在所述第一壁板上，所述第一顶板、第一壁板和第一底板构成一封闭的两入两出的第一螺旋状流道，所述第一螺旋状流道设有第一中心端口和第一外侧端口，所述第一中心端口连接所述第一中心管路，所述第一中心管路穿过所述第一底板延伸至所述第一换热器单元外，所述第一外侧端口连接所述第一边缘管路，所述第一边缘管路穿过所述第一顶板延伸至所述第一换热器单元外，

所述第二换热器单元包括第二顶板、第二壁板、第二底板、第二中心管路和第二边缘管路，所述第二壁板为双螺旋状，所述第二壁板设置于所述第二底板上，所述第二顶板盖设在所述第二壁板上，所述第二顶板、第二壁板和第二底板构成一封闭的两入两出的第二螺旋状流道，所述第二螺旋状流道设有第二中心端口和第二外侧端口，所述第二中心端口连接所述第二中心管路，所述第二中心管路穿过所述第二底板延伸至所述第二换热器单元外，所述第二外侧端口连接所述第二边缘管路，所述第二边缘管路穿过所述第二顶板延伸至所述第二换热器单元外，

所述第二边缘管路通过接头管件和外连接管与所述第一中心管路连通。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述第一换热器单元还包括设置在所述第一底板下面的第一底座环板，所述第一顶板上设有若干个第一上连接孔，所述第一底座环板上设有若干个与所述第一上连接孔相对应的第一下连接孔，

所述第二换热器单元还包括设置在所述第二底板下面的第二底座环板，所述第二顶板上设有若干个第二上连接孔，所述第二底座环板上设有若干个与所述第二上连接孔相对应的第二下连接孔，

所述第一下连接孔与所述第二上连接孔通过紧固件固定连接。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，第一底座环板和第二底座环板呈中空状。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述第一壁板包括I型螺旋壁板和与所述I型螺旋壁板的相位差为180°的II型螺旋壁板，所述第一顶板、I型螺旋壁板、II型螺旋壁板和第一底板封闭形成了等距第一双螺旋状流道，

所述第二壁板包括I型螺旋壁板和与所述I型螺旋壁板的相位差为180°的II型螺旋壁板，所述第二顶板、I型螺旋壁板、II型螺旋壁板和第二底板封闭形成了等距第二双螺旋状流道。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述I型螺旋壁板和II型螺旋壁板上均设有等相位的强化传热波纹面，由所述I型螺旋壁板或II型螺旋壁板的内侧向外呈辐射状，即每个强化传热波纹面均与内侧起始的第一个强化传热波纹面处在同一相位角度上。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述强化传热波纹面之间为等角度加密。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述强化传热波纹面的形状为三角形、半圆形、矩形和半椭圆形中的一种或几种。

作为本发明所述一种模块化的螺旋板式换热器的一种优选方案，所述强化传热波纹面的设置方式为在所述I型螺旋壁板和II型螺旋壁板的宽度方向上贯通或者局部冲压的方式。

与现有技术相比，本发明提出的一种模块化的螺旋板式换热器，结构紧凑，合理；改变了传统螺旋板式换热器的连接管设置形式，使它便于模块化拓展；同时，所述换热器的螺旋壁板上设置有等相位的强化换热波纹面，并通过等相位辐射状波纹结构来增强局部紊流，在保持高效换热的情况下保持较低的流阻。

附图说明

图1为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的一种实施方式的立体结构示意图；

图2为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的立体结构示意图；

图3为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的俯视结构示意图；

图4为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的仰视结构示意图；

图5为沿图3的A-A面的剖面结构示意图；

图6为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的I型螺旋壁板和II型螺旋壁板的结构示意图；和

图7为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的等相位的强化传热波纹面的展开结构示意图。

其中：1a为第一换热器单元、1b为第二换热器单元、2a、2b为外连接管、3为接头管件、11a为第一顶板、12为第一壁板、12a为I型螺旋壁板、12b为II型螺旋壁板、13为第二壁板、14a为第一底板、15a为第一底座环板、15b为第二底座环板、16a、16b为第一中心管路、16c、16d为第二中心管路、17a、17b为第一边缘管路、17c、17d为第二边缘管路、18为第一螺旋状流道、19为第一中心端口、20a、20b为第一外侧端口、20c、20d为第二外侧端口、111为第一上连接孔、131为第二上连接孔、151a为第一下连接孔、151b为第二下连接孔、121为强化传热波纹面、121a为三角形强化传热波纹面、121b为半圆形强化传热波纹面、121c为矩形强化传热波纹面、121d为半椭圆形强化传热波纹面。

具体实施方式

本发明所述的一种模块化的螺旋板式换热器包括：至少两个换热器单元，每相邻两个换热器单元分别为第一换热器单元1a和第二换热器单元1b，所述第一换热器单元1a垂直叠放于所述第二换热器单元1b上，所述第一换热器单元1a与所述第二换热器单元1b通过紧固件4固定连接。若干换热单元之间的管路通过接头管件3、外连接管2a、2b连接，形成一个两入两出的流道供冷热介质进行热交换。为了便于实现模块化，换热器单元的外形呈圆柱状，若干换热器单元通过设置在顶板、底座环板上的连接孔和紧固件4连接成一个更长的圆柱状整体。每个换热器单元流道的最外侧设置有两个边缘管路，最内侧设置有两个中心管路，且中心管路自底座环板腔内经侧壁引出。第二换热器单元1b的第二边缘管路17c、17d通过接头管件3和外连接管2a、2b与第一换热器单元1a的第一中心管路16a、16b相连，第三换热单元（未图示）的第三边缘管路通过接头管件和外连接管与第二换热单元1b的第二中心管路16c、16d相连，形成模块化的装配关系。进而螺旋板式换热器的换热能力可通过增减换热单元进行调整，这不仅有利于单个换热单元生产与制造的标准化，也使得用户在设计与选用时具有更好的柔性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在以下实施例中，所述模块化的螺旋板式换热器由若干换热器单元组成，每个换热单元的结构是相同的，所以在此仅以由两个换热器单元组成的模块化的螺旋板式换热器举例。

实施例一

请参阅图1，图1为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的一种实施方式的立体结构示意图。如图1所示，一种模块化的螺旋板式换热器其包括：两个换热器单元，每相邻两个换热器单元分别为第一换热器单元1a和第二换热器单元1b，所述第一换热器单元1a垂直叠放于所述第二换热器单元1b上，所述第一换热器单元1a与所述第二换热器单元1b通过紧固件4固定连接。

请继续参阅图1与图2，图2为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的立体结构示意图。如图2所示，所述第一换热器单元1a包括第一顶板11a、第一壁板12、第一底板14a、第一中心管路16a、16b和第一边缘管路17a、17b，所述第一壁板12为双螺旋状，所述第一壁板12设置于所述第一底板14a上，所述第一顶板11a盖设在所述第一壁板12上，所述第一顶板11a、第一壁板12和第一底板14a构成一封闭的两入两出的第一螺旋状流道18，所述第一螺旋状流道18设有第一中心端口19和第一外侧端口20a、20b，所述第一中心端口19连接所述第一中心管路16a、16b，所述第一中心管路16a、16b穿过所述第一底板14a延伸至所述第一换热器单元1a外，所述第一外侧端口20a、20b连接所述第一边缘管路17a、17b，所述第一边缘管路17a、17b穿过所述第一顶板11a延伸至所述第一换热器单元1a外，

所述第二换热器单元1b包括第二顶板（未图示）、第二壁板13、第二底板（未图示）、第二中心管路16c、16d和第二边缘管路17c、17d，所述第二壁板13为双螺旋状，所述第二壁板13设置于所述第二底板上，所述第二顶板盖设在所述第二壁板13上，所述第二顶板、第二壁板13和第二底板构成一封闭的两入两出的第二螺旋状流道（未图示），所述第二螺旋状流道设有第二中心端口（未图示）和第二外侧端口20c、20d，所述第二中心端口连接所述第二中心管路16c、16d，所述第二中心管路16c、16d穿过所述第二底板延伸至所述第二换热器单元1b外，所述第二外侧端口20c、20d连接所述第二边缘管路17c、17d，所述第二边缘管路17c、17d穿过所述第二顶板延伸至所述第二换热器单元1b外，

所述第二边缘管路17c、17d通过接头管件3和外连接管2a、2b分别与所述第一中心管路16a、16b连通。这样，形成一个两入两出的流道供冷热介质进行热交换，具有模块化扩展换热能力的特点。

请继续参阅图2，如图2所示，所述第一换热器单元1a还包括设置在所述第一底板14a下围的第一底座环板15a，所述第一顶板11a上设有若干个第一上连接孔111，所述第一底座环板15a上设有若干个与所述第一上连接孔111相对应的第一下连接孔151a，

所述第二换热器单元1b还包括设置在所述第二底板下围的第二底座环板15b，所述第二顶板上设有若干个第二上连接孔131，所述第二底座环板15b上设有若干个与所述第二上连接孔131相对应的第二下连接孔151b，

所述第一下连接孔151a与所述第二上连接孔131通过紧固件4固定连接。

请参阅图3、4、5，图3为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的俯视结构示意图；图4为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的第一换热器单元的仰视结构示意图；图5为沿图3的A-A面的剖面结构示意图。如图3、4和图5所示，为了便于模块化连接和引出第一中心管路16a、16b和第二中心管路16c、16d，所述第一底座环板15a和第二底座环板15b呈中空状。

请继续参阅图2，如图2所示，所述第一壁板12包括I型螺旋壁板12a和与所述I型螺旋壁板12a的相位差为180°的II型螺旋壁板12b，所述第一顶板11a、I型螺旋壁板12a、II型螺旋壁板12b和第一底板14a封闭形成了两入两出的等距第一螺旋状流道18，

所述第二壁板13包括I型螺旋壁板（未图示）和与所述I型螺旋壁板（未图示）的相位差为180°的II型螺旋壁板（未图示），所述第二顶板、I型螺旋壁板（未图示）、II型螺旋壁板（未图示）和第二底板封闭形成了两入两出的等距第二螺旋状流道（未图示）。

请参阅图6，图6为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的I型螺旋壁板和II型螺旋壁板的结构示意图。如图6所示，所述I型螺旋壁板12a和II型螺旋壁板12b上均设有等相位的强化传热波纹面121，由所述I型螺旋壁板12a或II型螺旋壁板12b的内侧向外呈辐射状，即每个强化传热波纹面121均与内侧起始的第一个强化传热波纹面处在同一相位角度上。

请参阅图7，图7为本发明一种模块化的螺旋板式换热器的等相位的强化传热波纹面的展开结构示意图。如图7所示，所述强化传热波纹面121的形状为三角形121a、半圆形121b、矩形121c和半椭圆形121d中的一种或几种。

所述强化传热波纹面121的设置方式为在所述I型螺旋壁板12a和II型螺旋壁板12b的宽度方向上贯通或者局部冲压的方式。

随着向外辐射半径的增加，两个相邻波纹面的距离将变得越来越远，为了提高换热效果，在所述强化传热波纹面121之间进行等角度加密。如图6所示，由换热器单元中心侧引出的两个相邻波纹面的相位差角度值为φ，随着辐射半径的增加，又按照φ/2、φ/4的相位差加密设置了波纹面。如果内侧起始的第一个波纹面与相邻波纹面的距离为L，则加密起始波纹面的设置条件是保证它与相邻波纹面的距离也等于L。由于I型螺旋壁板12a、II型螺旋壁板12b是按照等距螺旋线制作，为实现所述螺旋壁板上设置有等相位的强化传热波纹面，宜在壁板卷制之前设置波纹面。如图7所示，首个波纹面加工在距螺旋线起始点长度L₁=aθ₁的位置上，则后续第i个波纹面应加工在L_i=a(θ₁+2πi)的位置，这样卷制后才能保证等相位关系。等相位波纹面所形成的流道，在使得换热介质产生局部紊流增强换热的情况下几乎不改变流道的横截面积，所以可保持较低的流阻，减少整个系统的压力损耗，提高经济性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种模块化的螺旋板式换热器，其特征在于，其包括：至少两个换热器单元，每相邻两个换热器单元分别为第一换热器单元和第二换热器单元，所述第一换热器单元垂直叠放于所述第二换热器单元上，所述第一换热器单元与所述第二换热器单元通过紧固件固定连接，

所述第一换热器单元包括第一顶板、第一壁板、第一底板、第一中心管路和第一边缘管路，所述第一壁板为双螺旋状，所述第一壁板设置于所述第一底板上，所述第一顶板盖设在所述第一壁板上，所述第一顶板、第一壁板和第一底板构成一封闭的两入两出的第一螺旋状流道，所述第一螺旋状流道设有第一中心端口和第一外侧端口，所述第一中心端口连接所述第一中心管路，所述第一中心管路穿过所述第一底板延伸至所述第一换热器单元外，所述第一外侧端口连接所述第一边缘管路，所述第一边缘管路穿过所述第一顶板延伸至所述第一换热器单元外，

所述第二换热器单元包括第二顶板、第二壁板、第二底板、第二中心管路和第二边缘管路，所述第二壁板为双螺旋状，所述第二壁板设置于所述第二底板上，所述第二顶板盖设在所述第二壁板上，所述第二顶板、第二壁板和第二底板构成一封闭的两入两出的第二螺旋状流道，所述第二螺旋状流道设有第二中心端口和第二外侧端口，所述第二中心端口连接所述第二中心管路，所述第二中心管路穿过所述第二底板延伸至所述第二换热器单元外，所述第二外侧端口连接所述第二边缘管路，所述第二边缘管路穿过所述第二顶板延伸至所述第二换热器单元外，

所述第二边缘管路通过接头管件和外连接管与所述第一中心管路连通。

2.如权利要求1所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：

所述第一换热器单元还包括设置在所述第一底板下面的第一底座环板，所述第一顶板上设有若干个第一上连接孔，所述第一底座环板上设有若干个与所述第一上连接孔相对应的第一下连接孔，

所述第二换热器单元还包括设置在所述第二底板下面的第二底座环板，所述第二顶板上设有若干个第二上连接孔，所述第二底座环板上设有若干个与所述第二上连接孔相对应的第二下连接孔，

所述第一下连接孔与所述第二上连接孔通过紧固件固定连接。

3.如权利要求2所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述第一底座环板和第二底座环板呈中空状。

4.如权利要求1所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述第一壁板包括I型螺旋壁板和与所述I型螺旋壁板的相位差为180°的II型螺旋壁板，所述第一顶板、I型螺旋壁板、II型螺旋壁板和第一底板封闭形成了两入两出的等距第一螺旋状流道，

所述第二壁板包括I型螺旋壁板和与所述I型螺旋壁板的相位差为180°的II型螺旋壁板，所述第二顶板、I型螺旋壁板、II型螺旋壁板和第二底板封闭形成了两入两出的等距第二螺旋状流道。

5.如权利要求4所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述I型螺旋壁板和II型螺旋壁板上均设有等相位的强化传热波纹面，由所述I型螺旋壁板或II型螺旋壁板的内侧向外呈辐射状，即每个强化传热波纹面均与内侧起始的第一个强化传热波纹面处在同一相位角度上。

6.如权利要求5所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述强化传热波纹面之间为等角度加密。

7.如权利要求5所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述强化传热波纹面的形状为三角形、半圆形、矩形和半椭圆形中的一种或几种。

8.如权利要求5所述的模块化的螺旋板式换热器，其特征是：所述强化传热波纹面的设置方式为在所述I型螺旋壁板和II型螺旋壁板的宽度方向上贯通或者局部冲压的方式。