CN104412059A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

热交换器(10)包括壳体(12)以及位于在壳体中形成的空腔(13)内的流体流动导管(30)，该流体流动导管(30)包括位于邻近壳体(12)内壁的外管(32)以及与外管(32)流体连通的内管(34)，该内管(34)位于外管(32)和壳体(13)的纵向轴线之间。入口端口(50)位于壳体(12)上，该入口端口(50)与空腔(13)流体连通。热交换器(10)包括位于壳体(13)上的出口端口(60)，该出口端口(60)与空腔(13)流体连通。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器。具体地，本发明涉及一种用于加热水的热交换器。该热交换器尤其应用在游泳池和温泉疗养地(spas)的加热中，应该意识到，其可以很容易地应用在不同工业的其它场合中。

背景技术

热交换器用于将来自热源或热物质(thermal mass)的热量传递给流体物质(fluid mass)，比如游泳池或温泉疗养地中的水。热交换器例如可以用于升高或降低(比如加热或冷却)各种场合中的流体温度，而且热交换器还用在多种工业场合(除了别的以外，例如汽车、空调、发电和运输)中。

适合热交换器的一种场合是游泳池加热系统，其使用热泵系统来维持游泳池的暖温。热泵从周围空气中提取热量，然后将热量传递给池中的水体。

相比于燃气加热器或电加热器，热泵通常消耗较少能量以将热量传递给水体。热泵通过使称为制冷剂的物质循环经过蒸发和冷凝的环路来传递热量，其中制冷剂在该循环期间交替地吸收热量、传输热量和释放热量。制冷剂从周围空气吸收热量并且蒸发。然后，经加热的制冷剂被压缩并被输送到一装置，在该装置中，制冷剂冷凝并将其吸收的热量释放到水体中。

传统的热交换器包括通常构造为单件式的壳体，由此一旦内部组件被安装在壳体内，壳体就会被永久地密封以避免在使用过程中漏水。通常情况下，壳体是通过塑料焊接工艺来人工密封的。因此，如果内部组件发生任何损坏或故障，通常会更换整个热交换器。

不利地，不密封壳体会损坏壳体，这使得对于现有的游泳池热交换器而言，通常无法清洗、维护或更换内部组件。

用于加热游泳池的现有热交换器的壳体通常由工程塑料(比如提供较低热量和耐化学性能的玻璃纤维增强聚丙烯)构成。为了构造壳体，壳体的各个部件被制造并随后例如通过塑料焊接装在一起以限定整个单元。该构造过程是比较劳动密集型的，而且当密封精度并未达到标准时易于泄漏。现有的热交换器内的盘卷通常采用铜基材料。但是，由于与池中的水直接接触，所以铜基材料易受腐蚀。经过一段时间，存在于水中的化学物质将会与盘卷发生化学反应，使其产生腐蚀和结垢，这将显著地缩短热交换器的寿命。

流体对流体的热交换器通常设计为外壳和管式热交换器的形式。这样的热交换器的热交换能力是多种参数(比如管的长度、两种流体的流速以及管的材料性能)的函数。

现有热交换器的一个问题在于，难以从工作流体(working fluid)中提取大部分的有效热能，从这个意义上来说，其一般热效率很低。该低效率是多种因素造成的结果。一个因素是热交换器的两种流体通常不会相互直接接触，所以热交换器的各组件的热性能限制了系统的热效率。

另外，例如在水加热的场合中，高温流体和低温流体只在有限的时间内相互接触，这也会限制热交换器中进行热能传递的量。

发明内容

发明目的

本发明的目的是基本上克服或至少改善上述缺点中的一个或更多，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

在一个方案中，本发明提供一种热交换器，该热交换器包括：

壳体；

流体流动导管，位于壳体中形成的空腔内，该流体流动导管包括位于邻近壳体内壁的外管以及与外管流体连通的内管，该内管位于壳体的纵向轴线与外管之间；

入口端口，位于壳体上，该入口端口与空腔流体连通；以及

出口端口，位于壳体上，该出口端口与空腔流体连通。

外管优选地限定大体上与纵向轴线同轴地延伸的第一螺旋结构，以及内管限定同样大体上与纵向轴线同轴地延伸的第二螺旋结构。

热交换器还优选地包括位于内管和壳体的纵向轴线之间的导流器，该导流器适于扰动入口端口和出口端口之间水的流动。

导流器优选地包括具有带纹理外表面的、长形的筒形构件。

外表面优选地包括多个环形棱或一个螺旋棱。

筒形构件优选地是中空的并且包括多个用于允许水的排放的开孔。

热交换器还优选地包括多个沿纵向延伸的棱或凹槽，该棱或凹槽形成在壳体的内壁上。

壳体优选地包括第一区段和第二区段，第一区段和第二区段相对彼此可以选择性地分离。

第一区段和第二区段优选地各自包括环形法兰，该环形法兰包括具有环形凹槽的第一侧以及具有倾斜表面的相对的第二侧。

壳体优选地包括可拆除的夹具，该夹具用于将第一区段固定到第二区段。

夹具优选地具有大体上为U形的轮廓，限定两个倾斜臂，每个臂适于与所述环形法兰的倾斜面中的一个接合，而且其中夹具是可调节的，用于将第一区段和第二区段拉在一起以压缩垫圈或O型圈。

壳体优选地由玻璃纤维聚丙烯(GFPP)制成。

夹具包括两个带部分，所述带部分优选地采用紧固件可以固定在一起。

流体流动导管优选地由钛制成。

壳体包括一个或更多个开孔，用于接纳温度传感器和/或压力传感器。

导流器优选地包括位于导流器相对两端的两个支脚，每个支脚包括第一接合成形部(engagement formation)，该第一接合成形部用于与壳体中形成的相应的第二接合成形部相接合。

第一接合成形部和第二接合成形部优选地是相应的凹凸花键连接部。

在第二方案中，本发明提供一种热交换器，该热交换器包括：

壳体；

流体流动导管，位于壳体中形成的空腔内，该流体流动导管包括大体上与壳体的纵向轴线同轴地延伸的第一螺旋管，以及同样大体上与纵向轴线同轴地延伸的第二螺旋管，第二螺旋管位于第一螺旋管和纵向轴线之间；

入口端口，位于壳体上，入口端口与空腔流体连通；以及

出口端口，位于壳体上，出口端口与空腔流体连通，其中壳体包括第一区段和第二区段，第一区段和第二区段相对彼此可以选择性地分离以提供进入空腔的通道。

第一区段优选地包括第一外周法兰，第二区段包括第二外周法兰，第一法兰和第二法兰可以采用夹具固定。

第一外周法兰和第二外周法兰优选地包括倾斜的相对面，适于与夹具相应的倾斜面接合。

热交换器优选地还包括至少一个阻尼装置，位于壳体内壁和外管之间。

阻尼装置优选地包括适于与内壁接合的接合成形部，而且其中有三个或更多个间隔地围绕空腔的外周的阻尼装置。

附图说明

以下将参考附图以具体示例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是热交换器的局部剖面立体图；

图2是图1中热交换器的前视图；

图3是图1中热交换器的后视图；

图4是图3中描述的完全组装的热交换器的仰视图；

图5是图4中的热交换器的俯视图；

图6是描述图4中的热交换器的右侧视图；

图7是描述图1中的热交换器外罩的半部的剖面立体图；

图8是描述第二实施例的热交换器外罩的半部的剖面立体图；

图9是图1中的热交换器的导流器的前视图；

图10是图9中的导流器的一部分的细节展示；以及

图11描述图1和图8中的热交换器的阻尼装置。

具体实施方式

图中描述的是热交换器10。热交换器10与热泵相结合地用于游泳池或温泉疗养地。但是，本领域技术人员应该意识到，热交换器10可以用于很多其他场合。热交换器10具有限定中心空腔13的外壳或外罩12。外罩12由两个分开注塑模制的塑料半部14、15形成。如图1中所描述的，两个外罩半部14、15以截面的形式示出。

热交换器10包括用于接收经加热的工作流体的入口20，该工作流体可以是水、制冷剂或另一种适当的工作流体。入口20与经加热的工作流体源联接。例如，其可以是屋顶安装的太阳电池板热水器、燃气热水系统或热泵。入口20流体式地连接到采取盘管30的形式的内部冷却剂导管。

在优选实施例中，盘管30由钛或具有高热传导性的另一种金属或金属合金制造而成。钛提供惰性和鲁棒性(robust property)，而且具有比其它典型盘卷材料(比如铜)更长的寿命。有利地，钛为抵抗来自氯水、臭氧、碘酒、溴和盐水的侵蚀和腐蚀而提供增强的保护。

可选地，盘管30可以由熔合或镀膜有另一种耐腐蚀材料(比如镍、铁或锰)的铜基盘卷制造而成。

在图中所示的热交换器10的实施例中，盘管30包括两个盘卷。然而盘管30还可以包括额外的盘卷，例如限定外部盘卷和一系列内部盘卷的三(3)个或四(4)个管，这些盘卷相对于彼此被同轴设置，其中外部盘卷围绕着内部盘卷。

如图1的实施例中描述的，盘管30是双螺旋盘管配置，具有外部螺旋结构或盘卷32、以及同轴的内部螺旋结构或盘卷34。外部盘卷32从位于热交换器10的近端22处的入口20螺旋地延伸到热交换器10的远端24。外部盘卷32位于邻近壳体12的内壁的位置。

在远端24处，外部盘卷32沿径向往内部转向并限定位于外部盘卷32内的内部盘卷34的起始部分。内部盘卷34螺旋向上地经过壳体12延伸到工作流体出口端口26。出口端口26使工作流体返回热源，用于在热交换后进行再加热。

热交换器10包括采取夹具40的形式的锁定装置，其将外罩12的两个半部14、15固定在一起。夹具40由两个大体上对应的半环夹具构件42组成。每个夹具构件42具有半环切口，其尺寸大体上与外罩12的被夹住部分的外部半径相一致。

夹具构件42各自具有形成在每侧的孔44，用来接收螺钉或螺栓46。两个螺栓46用于提供夹紧力以将两个外罩半部14、15朝向彼此拉紧，从而形成液体密封。

参考图7，夹具构件42各自具有大体上呈U形的截面，其包括两个倾斜的臂或侧壁43，它们一起限定大体上呈U形的环形凹槽或通道45。

同样参考图7，模制的塑料半部14、15各自包括法兰47。法兰47各自具有倾斜面49，适于与夹紧构件42的倾斜侧壁43相配合。每个法兰47的相对侧包括适于接纳O型圈51的半圆环凹槽。因此，通过拧紧螺栓46，夹具构件42的倾斜侧壁43对法兰47的倾斜面49施加力。这起到了压缩O型圈51的作用，从而实现外罩12的两个半部14、15之间的液体密封。

外罩12的模制的塑料半部14、15能够选择性地分离并以上文所述方式用夹具40进行附接和固定。为了维护或维修的目的，夹具40允许外罩12快速地分解和重新组装。当被安装在壳体12的周围时，夹具40固定外罩12并且防止泄漏。

盘管30或其它内部组件的保养或清洗能够通过简单地打开夹具40而分解外罩12来完成。有利地，相对于比如法兰和垫圈(其通常需要大量的螺钉)等其它装置来说，夹具40可以相对较快地被拆除。

使用精密模制工艺来制造外罩12和夹具40。外罩12优选地由15％的GFPP(玻璃纤维聚丙烯)制成，而夹具40优选地由30％的GFPP制成。这有助于外罩12和夹具40在尺寸方面保持稳定，而且能够抵抗化学物质和高温热量。有利地，热交换器10耐久且易于装配，而无需进一步的加工过程。

热交换器10的聚合组件(比如外罩12)不受生锈、腐蚀和变质的影响。这使得热交换器10能够在不同温度的多种场合中使用。

精密模制工艺通常生产均质的组件，由此组件的每个部分、区段和区域(比如凹槽和螺纹)都能够按照精度要求形成。这使得热交换器10与其它相关组件(比如双列盘卷和待连接到热交换器10的外部管道)之间能适当连接。

热交换器10包括冷水入口50。该冷水入口50位于热交换器10的远端24，离工作流体入口20最远处，因而热交换器10是逆流热交换器10，液体/流体从相对两端进入交换器。冷水入口50被设计成接收来自游泳池或温泉疗养地的水。

如图1示出，外罩12大体上形成为筒形，而冷水入口50和热水出口60从外罩12突出并且位于外罩12的相对两端。

冷水入口50和热水出口60的外表面都被螺纹加工以接纳单头式接头(half union type coupling)90。该单头式接头90使冷水入口50和热水出口60能够很容易地连接到管路系统。

模制的塑料外罩半部14、15的内部还包括用于保持导流器80的支座(abutment)部分。如图2中所示，导流器80由第一支座部分92和第二支座部分94支撑，其中第一支座部分92以第一环形法兰92的形式形成在外罩12内的近端22处并位于第一外罩半部14内，第二支座部分94以第二环形法兰94的形式形成在外罩12内的远端24处并位于第二外罩半部15内。

图9中单独示出导流器80。导流器80包括圆筒(barrel)85以及位于圆筒85的相对两侧的支脚89。每个支脚89的末端包括呈外花键连接部81的形式的接合成形部(engagement formation)。花键连接部适于与外罩12内的支座部分92、94相配合，该支座部分92、94包括相对应的内花键。

导流器80位于热交换器10的中心，并位于内部盘卷34的中心。导流器80扰动水，从而促使流过空腔13的水流内发生紊流(turbulence)，这有利地导致与盘管30的接触增多而提高热交换。同样地，导流器80增加了穿过盘管30的内部盘卷34和外部盘管32的水流路径(flow path)，以使热量传输最大化。

参考图9，导流器80由大体上为筒形的圆筒85限定，该圆筒85具有多个环带或可选择性地具有螺旋延伸棱(rib)83。带或棱83位于圆筒85的外周周围，并且沿大体上垂直于水流方向的方向延伸经过热交换器10。棱83在导流器80的外表面上提供纹理，并且促使水中发生紊流，从而增强热量提取工艺的性能。

导流器80的圆筒85具有中空的内部腔，而且多个开口87位于圆筒85的壁上。开口87与位于圆筒85中的内部中空空间流体连通。图10中示出圆筒85的外壁的一部分的细节。开口87允许水的排放，这在寒冷时期(比如冬天)尤其有用。在冬天，通常不会使用热泵。因此，开口87能够排出残留在导流器80中的水，降低在发生冷冻时因水的膨胀而导致损坏的风险。

如图7和图8所示，壳体12的内壁包括多个沿纵向延伸的棱70。棱70有助于引导水穿过冷水入口50与热水出口60之间的热交换器10。

在制造期间，棱70被浇铸在外罩12的壁上，并远离外罩12的壁而延伸。但是，应该意识到，可以选择性地设置沿纵向延伸的凹槽或通道，其能够被浇铸或加工在外罩12的壁上。

热交换器10包括用于限制盘管30移动的阻尼装置90。这减少了大量的运行噪音，而且降低了因盘管30振动引起的周期性损坏的可能性。

图11中单独描绘了阻尼装置90。阻尼装置90是沿纵向延伸的、大体上为U形的条块90，其滑动接合或者以别的方式松弛地(loosely)抵靠壳体12的内壁，使得条块90的臂92与位于沿纵向延伸的棱70之间的空间相互作用。盘管30的外盘卷32抵靠U形阻尼条块90的中心部分94，这限制了当水流过时外部盘管32横向移动或振动的量。阻尼条块90的数量取决于热交换器10的尺寸。在一些实施例中，设置有三个阻尼条块90，而在较大型的热交换器10中，可以设置六个或更多个阻尼条块90。

阻尼条块90可以由聚合材料或合成弹性材料(比如塑料或橡胶)制成。阻尼条块90在外罩12的近端22和远端24之间延伸。

当水经过出口60流出热交换器10时，池水已经将包含在工作流体源中的部分热能提取出来，而且比在入口50处的水更热。然后经加热的水返回池中，从而使池中的水温局部升高。相比之下，从出口26流出的工作流体随后处于较低温度，并且返回热源以进一步加热，然后通过热交换器10再循环。

有利地，双盘管30通过增加水的接触表面面积，使热水水源与冷水水源之间的热交换最大化。

如图1所示，由模制工程塑料制成的管密封套112位于每个管端处，用以密封相对于外罩12的入口20和出口26。

图1至图7的实施例涉及热交换器10的第一尺寸，其中外罩的半部14、15之间的结合部大概位于热交换器10的中心。在图8描述的可选实施例中，外罩的下半部15较小，使得外罩的上半部14与下半部15之间的结合部位于热交换器的中心以下。

图3描述了热交换器10的后视图。预模制的外罩12具有多个开孔。其中两个开孔专用于使双列盘卷30的管端能够贯穿壳体，如图1和图2所示。另外，其它开孔被设置成接纳位于外罩12的外侧的两个接管110(如图3所示)以及位于进水口50处的另一接管114。

为了确定外罩12中的水的温度，在热交换器10的外罩12上设置热电偶套管温度传感器100。温度传感器100检测水的温度，当该温度达到设定值时触发与温度传感器100连接的电子电路。例如，当达到设定温度时，为了阻止制冷剂流过双列盘卷30，加热系统的压缩机将会停机。

为了检测和测量水压，接管110和114能够连接在压力开关上。例如，如果没有水流经热交换器10，则压缩机将会停机。

现在将描述热交换器10的组装或重新组装。当技术人员想要组装热交换器10时(例如在维护或维修期间)，如果盘管30被拆下来了，那么就将其重新连接。然后技术人员再把导流器80插进去，使得位于导流器80的一端处的外花键连接部81与外罩12的一个半部14中的支座部分92、94的其中一个相配合。然后将O型圈51安放在位于其中一个法兰47上的其中一个凹槽中。接着将外罩12的另一半部定位，使得导流器80穿过内盘管34中心。

当外罩的两个半部14、15进入邻接时，导流器的相对端处的外花键连接部81与外罩12的第二半部15啮合，而且O型圈51位于两个凹槽之间。

随后使夹具构件42位于外罩12的法兰47周围。接着技术人员拧紧螺栓46，从而将O型圈51压缩到适当的程度以实现水密封。对于随后的维护和维修而言，采用与上述相反的方式就可以容易地打开热交换器10。

构造热交换器10的设计和方法使得开孔或传感器的数量能够根据需求而增加或减少，而且传感器的使用也不限于温度和流量传感器。

尽管参照特定的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应该意识到，本发明能够以多种其它的形式来实施。

Claims (22)

1.一种热交换器，包括：

壳体；

流体流动导管，位于所述壳体中形成的空腔内，所述流体流动导管包括位于邻近所述壳体的内壁的外管以及与所述外管流体连通的内管，所述内管位于所述壳体的纵向轴线与所述外管之间；

入口端口，位于所述壳体上，所述入口端口与所述空腔流体连通；以及

出口端口，位于所述壳体上，所述出口端口与所述空腔流体连通。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述外管限定第一螺旋结构，所述第一螺旋结构大体上与所述纵向轴线同轴地延伸，以及所述内管限定第二螺旋结构，所述第二螺旋结构同样大体上与所述纵向轴线同轴地延伸。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的热交换器，还包括导流器，位于所述壳体的纵向轴线与所述内管之间，所述导流器适于扰动所述入口端口与所述出口端口之间水的流动。

4.根据权利要求3所述的热交换器，其中所述导流器包括长形的筒形构件，所述筒形构件具有带纹理的外表面。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述外表面包括多个环形棱或一螺旋棱。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其中所述筒形构件是中空的，而且包括多个用于允许水的排放的开孔。

7.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，还包括多个在所述壳体的内壁上形成的、沿纵向延伸的棱或凹槽。

8.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，其中所述壳体包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段相对彼此能够选择性地分离。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其中所述第一区段和所述第二区段各自包括环形法兰，所述环形法兰包括具有环形凹槽的第一侧以及具有倾斜表面的相对的第二侧。

10.根据权利要求9所述的热交换器，其中所述壳体包括能够拆除的夹具，用于将所述第一区段固定到所述第二区段。

11.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述夹具具有大体上为U形的轮廓，限定两个倾斜臂，每个臂均适于与所述环形法兰的倾斜表面中的一个接合，而且其中所述夹具是能够调节的，用于将所述第一区段和所述第二区段拉在一起以压缩垫圈或O型圈。

12.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，其中所述壳体由玻璃纤维聚丙烯(GFPP)制成。

13.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述夹具包括两个带部分，这两个带部分能够采用紧固件固定在一起。

14.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，其中所述流体流动导管由钛制成。

15.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，其中所述壳体包括一个或更多开孔，用于接纳温度传感器和/或压力传感器。

16.根据权利要求3到6任一项所述的热交换器，其中所述导流器包括两个支脚，所述两个支脚位于所述导流器的相对两端，每个支脚均包括第一接合成形部，用于与所述壳体中形成的相应的第二接合成形部相接合。

17.根据权利要求16所述的热交换器，其中所述第一接合成形部和所述第二接合成形部是相应的凹凸花键连接部。

18.根据前面任一项权利要求所述的热交换器，还包括至少一个阻尼装置，位于所述壳体的内壁与所述外管之间。

19.根据权利要求18所述的热交换器，其中所述阻尼装置包括接合成形部，适于与所述内壁接合，而且其中设有间隔地围绕所述空腔的外周的三个或更多个阻尼装置。

20.一种热交换器，包括：

壳体；

流体流动导管，位于所述壳体中形成的空腔内，所述流体流动导管包括大体上与所述壳体的纵向轴线同轴地延伸的第一螺旋管，以及同样大体上与所述纵向轴线同轴地延伸的第二螺旋管，所述第二螺旋管位于所述第一螺旋管与所述纵向轴线之间；

入口端口，位于所述壳体上，所述入口端口与所述空腔流体连通；以及

出口端口，位于所述壳体上，所述出口端口与所述空腔流体连通，其中所述壳体包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段相对彼此能够选择性地分离，以提供进入所述空腔的通道。

21.根据权利要求20所述的热交换器，其中所述第一区段包括第一外周法兰，所述第二区段包括第二外周法兰，所述第一法兰和所述第二法兰能够采用夹具固定。

22.根据权利要求21所述的热交换器，其中所述第一外周法兰和所述第二外周法兰包括倾斜的相对面，适于与所述夹具的相应的倾斜面接合。