CN105135909A - 多层螺旋管式蒸发器 - Google Patents

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高文志
何王波
周天
李广华
刘子奇
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Abstract

本发明公布了一种多层螺旋管式蒸发器，其结构是：蒸发器箱体内设有换热管支架，螺旋换热管由一根铜管以蒸发器箱体中心为圆心，由内向外盘绕，形成M圈×N层的螺旋换热管束，螺旋换热管束布满在蒸发器箱体内。螺旋换热管束通过换热管支架固定，各层螺旋换热管最内圈的直径相等，从而形成圆柱型通道，圆柱型通道的一端与内燃机排气管道相连通；另一端通过一块圆形挡板密封。螺旋换热管的进、出口位于内燃机排气通道的出口端。螺旋换热管内走液体工质，螺旋换热管外走内燃机排出的高温废气。蒸发器结构紧凑，相同的体积但可增加换热面积。换热管束由一根螺旋管环绕而成，减小了接触热阻，相对提高了朗肯循环的热效率。

Description

多层螺旋管式蒸发器
技术领域
本发明属于热能工程领域，具体涉及一种采用多层螺旋管技术结构的热交换器。
背景技术
热交换器(也简称为换热器)作为一种重要的换热设备被广泛应用众多领域。在热能工程领域换热器换效率的高低直接影响热工系统或热力循环系统的效率，从而影响能源的利用率。能源短缺、环境污染已经成为限制人类可持续发展的主要难题之一，其中如何提高能源的利用效率，换热器自然成为人们关注的设备之一。
换热器包括蒸发器、冷凝器、中冷器以及空冷器(根据换热特征不同)等多种形式，其换热过程主要就是冷热两种流体的对流换热。众所周知，换热方式不同对于换热器中的换热单元结构以及类型有不同的要求。目前多数管壳式换热器所使用的管束一般为光管或形状比较单一的某类强化管。
目前，朗肯循环是内燃机尾气余热回收而采用的一种主要热力循环，主要由工质泵、水箱、蒸发器、冷凝器与活塞式膨胀机组成。其中蒸发器的性能直接影响着朗肯循环回收功率与效率，因此，受到人们极大的关注。但是，目前用于朗肯循环的管壳式结构的蒸发器都存在着体积大，换热效率较低，使给出的热源条件应用范围狭窄以及不适合在内燃机排气管中布置等问题。作为蒸发器如果采用单一管型的管束进行换热，体积较大，且对于系统整体热效率的提高具有一定的局限性。
本发明提出的蒸发器能够使其蒸发器体积大幅度减小，朗肯循环的效率明显提高。
发明内容
本发明的目的是，提供一种结构紧凑的多层螺旋管式蒸发器，在减小蒸发器的体积的基础上，增大换热面积比。
为达此目的本发明所采取的技术结构是：蒸发器箱体内设有换热管支架，螺旋换热管由一根铜管以蒸发器箱体中心为圆心，由内向外盘绕，形成M圈×N层的螺旋换热管束，螺旋换热管束布满在蒸发器箱体内。螺旋换热管束通过换热管支架固定，各层螺旋换热管最内圈的直径相等，从而形成圆柱型通道。圆柱型通道的一端与内燃机排气管道相连通；另一端通过一块圆形挡板密封。螺旋换热管的进、出口位于内燃机排气通道的出口端。
排气管道通入的内燃机高温尾气并不是直接充满整个蒸发器箱体，而是首先通入由最内圈螺旋管盘绕形成的通道中。该通道一端与内燃机排气管相连，通入高温尾气；另一端被一挡板密封。高温尾气只能通过螺旋管之间的缝隙缓慢扩散至整个蒸发器箱体。烟气与螺旋管内的工质进行换热后降低了排气温度而排入大气。在这一过程中高温尾气充分与换热管接触，同时工质从换热管的最外圈流入，绕着整个螺旋管流动，与高温尾气进行充分热交换后从换热管的最里圈流出。
本发明的特点和有益效果是，蒸发器结构紧凑，相同的体积但可增加换热面积。换热管束由一根螺旋管环绕而成，减小了接触热阻，相对提高了朗肯循环的热效率。将这种多层螺旋管结构的蒸发器应用于内燃机废热的回收，解决了内燃机余热回收系统中普遍存在的结构布置难题。
附图说明
图1是本发明的原理与结构示意简图。
图2是图1的主视方向结构示意简图。
图3是蒸发器原理示意图。
图4是螺旋换热管的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与技术结构作进一步的说明。
多层螺旋管式蒸发器，包括蒸发器箱体、螺旋换热管、换热管支架以及圆形挡板等。其结构是：蒸发器箱体1内设有换热管支架3，螺旋换热管4由一根铜管以蒸发器箱体中心为圆心，由内向外盘绕，形成M圈×N层的螺旋换热管束，螺旋换热管束布满在蒸发器箱体内。螺旋换热管束通过换热管支架固定，各层螺旋换热管最内圈的直径相等，从而形成圆柱型通道5，圆柱型通道的一端与内燃机排气管道2相连通；另一端通过一块圆形挡板6密封。螺旋换热管的进、出口位于内燃机排气通道的出口端。螺旋换热管内走液体工质，螺旋换热管外走内燃机排出的高温废气。
用于回收内燃机尾气余热的朗肯循环系统主要由工质泵、水箱、蒸发器、冷凝器与活塞式膨胀机组成。首先，通过工质泵将工质水从水箱中泵出，并加压至所需的压力；然后，低温的工质在蒸发器中与高温的内燃机尾气进行热量交换后，高温高压的水蒸汽进入活塞式膨胀机，推动活塞输出机械功，带动发电机转动，转化为电能；而膨胀后的乏气进入冷凝器与冷却水进行热量交换，被冷凝的液态水最终回到水箱，重新进行下一轮的循环。
作为实施例，螺旋换热管为紫铜质，螺旋换热管的直径为6.5mm，壁厚0.25mm，螺距8.5mm。螺旋换热管总长为40m，每一层盘绕6圈(M＝6)，共盘绕19层(N＝19)。
螺旋换热管第一圈直径68mm，第二圈直径85mm，第三圈直径101mm，第四圈直径118mm，第五圈直径134mm，第六圈直径151mm。圆形挡板的厚度为2mm，直径104mm。
蒸发器采用逆流型布置，内燃机气缸内燃料燃烧产生的高温尾气，经由排气管道通入螺旋换热管最内圈(盘绕形成的)圆柱形通道中，因圆形挡板密封了通道的出口，高温尾气只能通过换热管之间的缝隙(图3中Ⅰ)扩散至蒸发器箱体，然后经蒸发器箱体的排气出口排入环境。这个过程中，高温尾气与螺旋换热管的表面充分接触。与此同时，朗肯循环工质从螺旋换热管的最外圈(图3中Ⅱ)流入，绕着整个螺旋管流动，与高温尾气充分热交换后从螺旋换热管最里圈(图3中Ⅲ)流出。

Claims (6)

1.多层螺旋管式蒸发器，包括蒸发器箱体、螺旋换热管、换热管支架以及圆形挡板，其特征在于：蒸发器箱体(1)内设有换热管支架(3)，螺旋换热管(4)由一根铜管以蒸发器箱体中心为圆心，由内向外盘绕，形成M圈×N层的螺旋换热管束，螺旋换热管束布满在蒸发器箱体内，螺旋换热管束通过换热管支架固定，各层螺旋换热管最内圈的直径相等，从而形成圆柱型通道(5)，圆柱型通道的一端与内燃机排气管道(2)相连通；另一端通过一块圆形挡板(6)密封，螺旋换热管的进、出口位于内燃机排气通道的出口端。
2.按照权利要求1所述的多层螺旋管式蒸发器，其特征在于：所述螺旋换热管为紫铜质，螺旋换热管的直径为6.5mm，壁厚0.25mm，螺距8.5mm。
3.按照权利要求1所述的多层螺旋管式蒸发器，其特征在于：所述螺旋换热管总长为40m，每一层盘绕6圈，共盘绕19层。
4.按照权利要求1所述的多层螺旋管式蒸发器，其特征在于：螺旋换热管第一圈直径68mm，第二圈直径85mm，第三圈直径101mm，第四圈直径118mm，第五圈直径134mm，第六圈直径151mm。
5.按照权利要求1所述的多层螺旋管式蒸发器，其特征在于：所述圆形挡板的厚度为2mm，直径104mm。
6.按照权利要求1所述的多层螺旋管式蒸发器，其特征在于：所述螺旋换热管内走液体工质，螺旋换热管外走内燃机排出的高温废气。
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