CN104101245A - 一种管壳式热交换系统及换热器 - Google Patents

Abstract

一种管壳式换热器，包括筒体、位于筒体一端的封盖，筒体中设置内胆，内胆上下两侧设有冷却液入口与冷却液出口，内胆与筒体之间经由内胆盖板密封，封盖与盖板同侧设置，内胆中设有包括至少一根异型W状换热管的换热管束结构，异型W状换热管由同一直管段折弯而成，包括位于不同平面同向开口的第一U型管与第二U型管，第一U型管与第二U型管的各自一直管经由一折弯管相连以形成反向开口的第三U型管，异型W状换热管沿换热器的径向均匀错列排布设置，第一U型管与第二U型管的另一直管作为开口管分别穿过换热器内胆的盖板，不同异型W状换热管之间的开口管经由管接件相互串接设置，本发明所示的管壳式换热器结构紧凑、且使用安全、高效。

Description

一种管壳式热交换系统及换热器

技术领域

本发明涉及一种应用于新能源领域的热交换技术，尤其适用于高压、高流量、高流速气体的冷却应用。

背景技术

各种类型的换热器已广泛应用于加工、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域，其中管壳式换热器因可适用于任何容量及从低温到高温、从高真空到超高压以及任意温度和压差的流体间等优点，广泛应用于节能、能量转换、能量回收以及新能源等领域。

燃料电池汽车是近年发展起来的一种有望彻底解决长期困扰人类的汽车尾气排放污染和化石燃料枯竭两大难题的终极方案。燃料电池汽车以氢为燃料，通过与空气中的氧发生电化学反应产生电能以作为汽车的动力源，由于不需要机械传动部件，整个汽车行驶过程安静而环保，燃料电池在工作中除了输出电，仅排出纯净水。目前燃料电池汽车的车载储氢方法仍以高压储氢为主，为确保其续驶里程与传统燃油汽车相当，需采用70MPa储氢技术，而考虑到重量和耐压因素，车载储氢容器则采用复合材料储氢瓶。由于复合材料储氢瓶的使用温度范围为-40至85℃，而不采取控温措施的70MPa氢气快速加注，会因氢加注过程的压缩热和焦耳-汤普森效应，将使瓶内温度升至120℃以上，远超储氢瓶的许可使用温度范围，带来极大的安全隐患。因此氢气加注前，必须采取氢气预冷处理。由于氢气的加注压力高达70MPa，氢气易泄漏及加注瞬间的高流量和高流速等特点，目前市场上众多的换热器中并无合适的类型可供选用，而需要按燃料电池汽车氢加注的实际情况，开发一款新颖的换热系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、安全、高效的管壳式热交换系统及换热器，较好地解决燃料电池汽车加注高压、高流量、高流速氢气过程的氢气预冷问题。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种换热管束结构，包括至少一根异型W状换热管，所述异型W状换热管由同一直管段折弯而成，包括位于不同平面同向开口的第一U型管与第二U型管，所述第一U型管与所述第二U型管的各自一直管经由一折弯管相连以形成反向开口的第三U型管，所述异型W状换热管沿换热器的径向均匀错列排布设置，且异型W状换热管之间分别连通。

所述第一U型管与第二U型管的另一直管作为开口管，不同异型W状换热管之间的开口管之间经由管接件相互串接设置。

所述开口管分别穿过换热器内胆的盖板；

进一步的，所述穿过换热器内胆盖板的其中两开口管作为被换热介质的入口管与出口管分别穿过换热器筒体的封盖设置。

一种管壳式换热器，包括筒体、位于筒体一端的封盖，所述筒体中设置内胆，所述内胆上下两侧设有冷却液入口与冷却液出口，所述内胆与所述筒体之间经由内胆盖板密封，所述封盖与所述盖板同侧设置，所述内胆中设有前述的换热管束结构。

所述换热管束之间还布置至少一块导流板，所述导流板为复叠结构并沿换热器轴向设置，包括一主隔板以及叠加对称设置于所述主隔板上的两从隔板，所述主隔板为一端缺失的圆板截体，所述从隔板为圆环截体，所述复叠结构导流板的外径与所述内胆的内径相等，所述主隔板与所述从隔板上分别对应所述异型W状换热管设置多个开孔以使得所述异型W状换热管穿过所述导流板设置，且所述主隔板与所述从隔板重叠部分还设有多个固定孔，便于相邻的导流板之间固定连接。

所述主隔板的开孔包括位于主隔板中的多个大圆孔以及位于主隔板外边缘处的多个第一U型孔，所述从隔板的开孔包括位于从隔板内边缘的多个第二U型孔，所述第一U型孔与所述第二U型孔叠加以形成多个大圆孔，所述大圆孔的位置对应该导流板所固定的异型W状换热管的位置设置。

优选的，所述主隔板与所述从隔板同心设置且二者的外径与所述内胆的内径相等。

所述导流板的缺口为上下交错布置以强制导流。

所述内胆与筒体之间为真空隔热层。

优选的，所述筒体外侧还设有外保温层。

所述真空隔热层和封盖内均采用抽真空方式隔热。

进一步的，所述封盖内接出管路并接入第二真空球阀以抽真空，所述真空隔热层内接出管路并接入第一真空球阀以抽真空。

一种管壳式热交换系统，包括前述的管壳式换热器以及分别与所述管壳式换热器相连的内胆压力监控与保护模块、封盖压力监控与保护模块以及换热器真空隔热层压力监控模块；

所述内胆压力监控与保护模块包括PLC、分别与所述PLC相连的电磁阀和内胆压力传感器、内胆爆破片，所述电磁阀位于被换热介质的入口管路上，所述内胆压力传感器与内胆爆破片分别安装在换热器内胆冷却液出口回路上，所述PLC接受并处理所述内胆压力传感器传输的信号以报警并/或驱动所述电磁阀开闭所述被换热气体入口管路；

所述封盖压力监控与保护模块包括所述PLC、分别与所述PLC相连的电磁阀和封盖压力传感器、封盖爆破片，所述封盖压力传感器与封盖爆破片分别安装在换热器封盖的接出管路上以监控换热管束接头的泄漏情况，所述PLC接受并处理所述封盖压力传感器的信号以报警并/或驱动所述电磁阀开闭被换热气体入口；

所述换热器内胆真空隔热层压力监控模块包括PLC、与所述PLC相连的真空隔热层压力传感器，所述真空隔热层压力传感器安装在真空隔热层接出管路上以监测所述真空隔热层真空度，所述真空隔热层压力传感器将真空隔热层压力信号送至PLC处理，若判断压力升高，所述PLC发出压力升高报警信号。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明所示的换热管束采用错列叠排布置方式，换热器布管密度高，紧凑性好：换热管束的开口管错列排布，折弯管交叉叠排，以最大限度利用换热筒体内的空间，提高布管密度，使换热器更紧凑。

(2)本发明所示的管壳式换热器：(a)由于换热器内胆内没有任何管接头，管子连接泄漏的概率为零，安全性好；(b)复叠组合式导流板安装、拆卸方便，对每一根换热管逐段起到固定作用，防止气液流动引起管束抖动，且导流板的缺口为上下交错布置，起到强制导流作用，以增加换热效果；(c)内胆真空隔热层叠加保温材料的方式，隔热效果好，热损失小；(d)封盖真空设计，既提高了管束接头的隔热效果，又使接头的拆装和维护更方便；(e)筒体的外表面再包裹外保温层，确保换热器换热介质热损失最小。

(3)本发明所示的管壳式换热系统，通过多点压力监控并联动气体入口阀门开关及爆破片设计，最大化的保证了系统的安全。

附图说明

图1为本发明换热系统的结构示意图；

图2为本发明换热器结构示意图；

图3(a)为异形W状换热管一实施例的结构示意图；

图3(b)为图3(a)所示实施例中异形W状换热管的折弯角度示意图；

图3(c)为图3(a)所示实施例中异形W状换热管的左视图；

图4为叠排布置的换热管束开口管(上部)布置示意图；

图5为叠排布置的换热管束的折弯管(底部)布置示意图；

图6为换热管束开口端穿出筒体法兰盖示意图；

图7为换热管束开口端相互连接示意图；

图8为导流板组合前的结构示意图；

图9为复叠式导流板组合后的结构示意图；

图10为本发明导流板固定安装示意图；

图11为换热管束开口端穿出筒体封盖示意图；

图中标号：

101PLC，103第一真空球阀，104真空隔热层压力传感器，105内胆(壳层)压力传感器，106内胆爆破片，107电磁阀，108封盖爆破片，109第二真空球阀，111封盖压力传感器；

200换热器，201封盖，202管束接头，203内胆盖板，204内胆，205真空隔热层，206筒体，207外保温层，208导流板，209主隔板，210从隔板，211大圆孔，212U形孔，213小圆孔，214冷却液出口，215冷却液入口，216长螺栓；

300换热管束结构，301第一U型管，302第二U型管，304折弯管，305第三U型管，306管接件、307开口管。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明公开了一种管壳式热交换系统，包括如管壳式换热器200、分别与管壳式换热器200相连的内胆压力监控与保护模块、封盖压力监控与保护模块以及换热器200内胆真空隔热层压力监控模块，内胆压力监控与保护模块、封盖压力监控与保护模块以及换热器内胆真空隔热层压力监控模块共用PLC101和电磁阀107。

其中，内胆压力监控与保护模块由安装在换热器200内胆冷却液出口214回路上的内胆压力传感器105、内胆爆破片106、电磁阀107和PLC(Programmable Logic Controller)101组成。内胆压力传感器105安装在换热器内胆冷却液出口214回路，电磁阀107位于被换热气体入口，PLC接受并处理内胆压力传感器105传输的信号以驱动电磁阀107开、闭被换热气体入口。当意外因素导致壳层内压力升高，内胆压力传感器105将信号送至PLC101，PLC101则发出报警信号；若压力进一步升高，PLC101将发出切断换热管束气源指令即关闭被换热气体入口电磁阀107；如果压力继续升高至内胆爆破片106的设定限值，内胆爆破片106将泄放壳程内压力，从而保护系统安全。

封盖压力监控与保护模块由安装在换热器封盖201接出管路上的封盖压力传感器111、封盖爆破片108、第二真空球阀109、电磁阀107和PLC101组成。封盖压力传感器111安装在换热器封盖201接出管路上以监控换热管束接头202的泄漏情况，PLC101接受并处理所述封盖压力传感器111的信号以驱动电磁阀107开闭被换热气体入口。封盖201内通过第二真空球阀109抽真空来保证换热管束接头202及相应连接管件的隔热，提高换热效率，同时便于监控换热管束接头202的泄漏情况，一旦封盖201内真空度下降，压力升高，封盖压力传感器111将信号送至PLC101，PLC101发出报警信号；压力进一步升高，PLC101将发出切断换热管束气源指令即关闭被换热气体入口电磁阀107；如果压力继续升高至封盖爆破片108的设定限值，封盖爆破片108将泄放封盖201内的压力，从而保护系统安全。

换热器内胆真空隔热层压力监控模块由安装在真空隔热层接出管路上的真空隔热层压力传感器104和PLC101组成。真空隔热层通过第一真空球阀103抽真空来保证换热器真空隔热层的隔热，提高换热效率。一旦真空隔热层真空度下降，压力升高，真空隔热层压力传感器104将信号送至PLC101，发出压力升高报警信号。

管壳式换热器200，如图2所示，包括筒体206、位于筒体206一端的封盖201，筒体206中设置内胆204，内胆204上下两侧设有冷却液入口215与冷却液出口214，内胆204与筒体206之间经由内胆盖板203(本实施例中，其为法兰盖203)密封，封盖201与盖板203同侧设置，换热器内胆204中通入换热介质(冷却液)，内胆204中设有的换热管束结构300，被换热介质(氢气)通入换热管束结构300中。

内胆204与筒体206之间为真空隔热层205，筒体206外表面再包裹保温材料层207，确保换热器200换热介质热损失最小，换热器封盖201内同样真空设置。本实施例中，内胆隔热层205和封盖201内均采用抽真空方式隔热：封盖201、盖板203所围成的空间内接出管路，并在该管路上接入第二真空球阀109，封盖201内经由第二真空球阀109抽真空来保证换热管束接头202及相应连接管件的隔热，提高换热效率，同时便于监控换热管束接头202的泄漏情况；真空隔热层205也是接出管路并在该管路上接入第一真空球阀103，通过第一真空球阀103抽真空来保证换热器内胆的隔热，提高换热效率。

换热管束结构300包括至少一根异型W状换热管，如图3所示，为了保证换热管束结构300位于内胆204中的部分处于不漏气状态，防止由于管段间的连接缝隙导致漏气情况的产生，整个异型W状换热管是由一直管段到折弯而成，其包括位于不同平面同向开口的第一U型管301与第二U型管302，第一U型管301的一直管与第二U型管302的一直管经由一折弯管304相连以形成反向开口的第三U型管305。每根异型W状换热管的开口管307(即第一U型管301与第二U形管302的二者各自不构成第三U形管305的另一直管)穿过换热器筒体法兰盖203(见附图6)，并经管接件306相互连接以形成管束接头202(见附图7)，本实施例中，管接件306为直角弯加U形短管连接结构，其既可卡套连接，也可以用焊接连接。管束的其余部分则在换热器内胆204内，确保筒体内胆204中没有管束连接点，杜绝了筒体内管束向壳层泄漏气体的可能，且如图1所示，穿过换热器内胆盖板203的其中两直管作为被换热介质的入口管与出口管分别穿过换热器筒体的封盖201设置以方便被换热介质的引入与引出。

多根异型W状换热管沿换热器200的径向均匀错列排布设置，异型W状换热管开口管307错列排布(如附图4)，其中，标号Ⅰ指代的是一根异型W状换热管布置完毕后，两根开口管307与折弯管304的位置，弯管端交叉叠排(如附图5)，其中，标号II指代的是该异型W状换热管布置完毕后，第一U型管301与第二U型管302中折弯段的位置，这样立体的设置可最大限度利用换热筒体内的空间，提高布管密度。

异型W状换热管之间还设有至少一块导流板208，导流板208为复叠结构并沿换热器200轴向设置，其作用主要是：1)导流板208的缺口为上下交错布置，起到强制导流作用，以增加换热效果；2)对每一根异型W状换热管逐段起到固定作用，防止气液流动引起管束抖动；

如图8和图9所示，导流板208包括一主隔板209以及叠加对称设置于主隔板209上表面两侧的从隔板210，主隔板209为一端缺失的圆板截体，从隔板210为圆环截体，二者同心设置且外径与内胆的内径相等，异型W状换热管穿过导流板208设置，主隔板209与从隔板210上分别对应异型W状换热管设置多个开孔，且主隔板209与从隔板210重叠部分还设有多个固定孔，便于利用螺栓固定主隔板与从隔板，使得相邻的导流板之间固定连接。

其中，主隔板209的开孔包括位于主隔板209中的多个大圆孔211以及位于主隔板209外边缘处的多个第一U型孔212，所述从隔板的开孔包括位于从隔板210内边缘的多个第二U型孔212，第一U型孔与第二U型孔叠加以再次形成多个大圆孔211，大圆孔211的位置对应该导流板所固定的异型W状换热管的位置设置，且大圆孔211的直径与异型W状换热管的管径相同。

相邻的导流板208呈双向交错安装于换热管束上，这样安装完毕后内胆204中注入的冷却液只能沿导流板208上的缺失端行进，以提高换热效率。

以下结合一种管壳式热交换系统的具体安装过程对本发明进一步说明。

(1)换热管束结构300与导流板208的安装与固定。

本实施例中，以5根长度为6米的3/8’(内径7.416，外径9.525)不锈钢管作为换热管束，以氢气为被换热介质，分以下步骤完成加工和装配。

每根换热管束折弯成带角度的W型，共设有5根异型W状换热管，每根异型W状换热管的具体弯管角度如附图3(a)所示。折弯完毕的管束如附图3(b)、附图3(c)所示。折弯后U形管的半径为25mm。将W形管束沿换热器200径向均匀错列叠排布置。管束的开口管的排列如附图4所示，折弯管的排列如附图5所示。

由于异形W状管束设计，使得通常的单块导流板208设计无法安装，故需要将复叠结构导流板208依次进行组合拼装，如附图8所示和附图9所示，首先将每根异形W状管束的开口管穿过主隔板209中相对较大的大圆孔211，其余直管部分则穿过主隔板209外边缘处的第一U形孔212，然后分别将两个从隔板210从两侧套上直管部分，使从隔板210内侧边缘的第二U形孔212与主隔板209的第一U形孔212部分重叠而形成固定换热管束的大圆孔211，主隔板209和从隔板210上对应还设置小圆孔213，当二者重叠时(如附图9所示)小圆孔213相互对齐，以备后续穿长螺栓216固定导流板208，如附图9所示。导流板208的安装数量视设计要求而定。本实施例沿换热器200轴向等距安装20块导流板208。

本实施例中，相邻的导流板呈双向交错安装于换热管束上，导流板之间通过长螺栓216穿过导流板上的小圆孔4(如附图9所示)交错安装连接固定，如附图10所示。相邻导流板间的长螺栓216套以金属套管，以支撑导流板，长螺栓216尾端用螺母收紧固定。该连接方式使导流板拥有较高的整体强度，且由于导流板208上的缺口交错设置，当内胆204中注入冷却液时，冷却液的流经路径被导流板分割成S型，可有效的形成对冷却液的导向流动作用。

(2)换热器200结构的安装与固定。

导流板固定完毕的换热管束的10个开口管307穿过筒体法兰盖板203的穿板接头固定后(如附图6所示)，整体放入带有真空隔热层的换热器内胆204(如附图2所示)。然后如图7所示，依次通过卡套直管弯和U形短管，将其中的8个开口管307串接连接，使得5根异形W状管束串联联通设置，剩余的2个开口管307作为被换热介质的入口端和出口端，该入口和出口端继续通过换热器封盖201的穿板接头穿出封盖，如附图11所示，以方便被换热介质的导入与导出。

上述各组件组装完毕后，换热器封盖法兰、筒体法兰、筒体法兰盖板间衬以密封垫片并用螺栓紧固法兰，并在换热器筒体及封盖外表面包覆橡塑板保温材料作为外保温层207。

(3)管壳式热交换系统的连接。

如附图1所示，换热器200组装完毕后，在其冷却液出口211的管路上接入内胆压力传感器105和内胆爆破片106；在真空隔热层205上部接出管路并接入真空隔热层压力传感器104和第二真空球阀103；在封盖201底部接出管路并接入封盖压力传感器111、第二真空球阀109、封盖爆破片108；在换热管束气体入口管路接入电磁阀107，并将电磁阀107、内胆压力传感器105、封盖压力传感器111、真空隔热层压力传感器104的信号接入PLC101；分别打开真空球阀103和109，抽真空至接近-0.1MPa。换热器冷却液入口215和冷却液出口214分别接入制冷机组，本发明的热交换系统即可正常工作。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换热管束结构，其特征在于：包括至少一根异型W状换热管，所述异型W状换热管包括位于不同平面同向开口的第一U型管与第二U型管，所述第一U型管与所述第二U型管的各自一直管经由一折弯管相连以形成反向开口的第三U型管，所述异型W状换热管沿换热器的径向均匀错列排布设置，且异型W状换热管之间分别连通。

2.根据权利要求1所述的换热管束结构，其特征在于：所述第一U型管与第二U型管的另一直管作为开口管，不同异型W状换热管之间的开口管之间经由管接件相互串接设置。

3.根据权利要求2所述的换热管束结构，其特征在于：所述开口管分别穿过换热器内胆的盖板；

优选的，所述穿过换热器内胆盖板的其中两开口管作为被换热介质的入口管与出口管分别穿过换热器筒体的封盖设置。

4.一种管壳式换热器，包括筒体、位于筒体一端的封盖，所述筒体中设置内胆，所述内胆上下两侧设有冷却液入口与冷却液出口，所述内胆与所述筒体之间经由内胆的盖板密封，其特征在于：所述封盖与所述盖板同侧设置，所述内胆中设有如权利要求1所述的换热管束结构。

5.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于：所述换热管束之间还布置至少一块导流板，所述导流板为复叠结构并沿换热器轴向设置，包括一主隔板以及叠加对称设置于所述主隔板上的两从隔板，所述主隔板为一端缺失的圆板截体，所述从隔板为圆环截体，所述复叠结构导流板的外径与所述内胆的内径相等，所述主隔板与所述从隔板上分别对应所述异型W状换热管设置多个开孔以使得所述异型W状换热管穿过所述导流板设置，且所述主隔板与所述从隔板重叠部分还设有多个固定孔，便于相邻的导流板之间固定连接。

6.根据权利要求5所述的管壳式换热器，其特征在于：所述主隔板的开孔包括位于主隔板中的多个大圆孔以及位于主隔板外边缘处的多个第一U型孔，所述从隔板的开孔包括位于从隔板内边缘的多个第二U型孔，所述第一U型孔与所述第二U型孔叠加以形成多个大圆孔，所述两类大圆孔的位置对应该导流板所固定的异型W状换热管的位置设置；

优选的，所述主隔板与所述从隔板同心设置且二者的外径与所述内胆的内径相等。

7.根据权利要求5所述的管壳式换热器，其特征在于：所述导流板的缺失端为上下交错布置以强制导流。

8.根据权利要求4至7任一项所述的管壳式换热器，其特征在于：所述内胆与筒体之间为真空隔热层；

优选的，所述筒体外侧还设有外保温层。

9.根据权利要求8任一项所述的管壳式换热器，其特征在于：所述真空隔热层和封盖内均采用抽真空方式隔热；

优选的，述封盖内接出管路并接入第二真空球阀以抽真空，所述真空隔热层内接出管路并接入第一真空球阀以抽真空。

10.一种管壳式热交换系统，其特征在于：包括如权利要求4所述的管壳式换热器以及分别与所述管壳式换热器相连的内胆压力监控与保护模块、封盖压力监控与保护模块以及换热器真空隔热层压力监控模块；

所述内胆压力监控与保护模块包括PLC、分别与所述PLC相连的电磁阀和内胆压力传感器、内胆爆破片，所述电磁阀位于被换热介质的入口管路上，所述内胆压力传感器与内胆爆破片分别安装在换热器内胆冷却液出口回路上，所述PLC接受并处理所述内胆压力传感器传输的信号以报警并/或驱动所述电磁阀开闭所述被换热气体入口管路；

所述封盖压力监控与保护模块包括PLC、分别与所述PLC相连的电磁阀和封盖压力传感器、封盖爆破片，所述封盖压力传感器与封盖爆破片分别安装在换热器封盖的接出管路上以监控换热管束接头的泄漏情况，所述PLC接受并处理所述封盖压力传感器的信号以报警并/或驱动所述电磁阀开闭被换热气体入口；

所述换热器内胆真空隔热层压力监控模块包括PLC、与所述PLC相连的真空隔热层压力传感器，所述真空隔热层压力传感器安装在真空隔热层接出管路上以监测所述真空隔热层真空度，所述真空隔热层压力传感器将真空隔热层压力信号送至PLC处理，若判断压力升高，所述PLC发出压力升高报警信号。