CN105588458B - 一种设置主翅片和副翅片的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，直管部分为翅片管，所述蛇形管的直管部分为翅片管，翅片管包括主翅片和从主翅片延伸的副翅片，主翅片的宽度为b4，副翅片的宽度为b2，其中2.0*b2<b4<2.3*b2。本发明通过主翅片和副翅片宽度比例的优化设计，能够提高换热系数，很好地使啤酒进行冷却以节约能源，达到环保节能的目的。

Description

一种设置主翅片和副翅片的管壳式换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种冷却啤酒的换热器，属于F28D的换热器领域。

背景技术

本申请主要是直接用于在啤酒分装之前的啤酒的冷却。

在桶中运输的啤酒是利用二氧化碳在一定压力下保存的，啤酒中二氧化碳的溶解度随温度和压强的不同而变化，啤酒中二氧化碳的溶解度增加至达到在液体啤酒的冰点中的最大值。但是液体啤酒中二氧化碳溶解度随着啤酒的压强的减少而减少。

在对啤酒的高需求期间会超过提供冰啤酒的系统的能力，伴随的结果是分装的啤酒的温度超过了期望范围。结果由于供应的啤酒没有足够的冷冻而引起广大客户的不满，并且该系统中啤酒的过量泡沫，易导致啤酒输送系统的“冻结”，这将导致整个啤酒输送系统的关闭。

发明内容

本发明提供了一种啤酒冷却器，所供应的啤酒的温度可以更低，在耗费相同冷源的情况下使得啤酒达到更好的冷却效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述蛇形管的直管部分为翅片管，翅片管的材料是铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：15.3％Cu ，1.9％ Mg ，1.6％ Ag ，0.6％ Mn ，0.25％ Zr ，5.78％ Ce ，0.23％ Ti，0.38％ Si，其余为 Al 。

一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述蛇形管的直管部分为翅片管，翅片管包括主翅片和从主翅片延伸的副翅片，主翅片的宽度为b4，副翅片的宽度为b2，其中2.0*b2<b4<2.3*b2。

一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述换热器还包括控制系统，所述控制系统根据啤酒的输出温度控制进入换热器中冷源的流速；

所述控制系统包括：温度传感器、流量控制器和中央控制器，流量控制器控制进入换热器的冷源的流速；所述温度传感器用于测量啤酒的输出温度，当输出温度达到第一温度时，中央控制器控制流量控制器达到第一流速，当输出温度达到低于第一温度的第二温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第一流速的第二流速，当输出温度达到低于第二温度的第三温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第二流速的第三流速，当输出温度达到低于第三温度的第四温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第三流速的第四流速；当输出温度达到低于第四温度的第五温度时，中央控制器将流量控制器关闭，阻止冷源进入换热器。

一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述蛇形管的直管部分为翅片管，翅片管的基管为正方形，翅片的宽度与正方形的边的长度关系为0.03*L0<b4<0.05*L0。

一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述蛇形管的直管部分为翅片管，翅片之间的距离是按照一定的规律进行变化，具体规律是从基管边的中点开始，向边的两端，翅片的之间的距离越来越小。

优选的，所述蛇形管的直管部分为翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体基管以及位于长方体外围的翅片组，所述长方体基管的横截面是正方形，所述翅片组包括从四个正方形的对角向外延伸的主翅片和从主翅片向外延伸的第一副翅片，所述翅片组还包括从正方形的四边向外延伸的第二副翅片，所述同一主翅片的向同一方向延伸的第一副翅片互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片互相平行,所述主翅片和副翅片延伸的端部形成等边八边形；

所述的第一副翅片与主翅片之间的夹角为45°，所述的相邻的副翅片的距离为L1，所述正方形的边长为L0，所述主翅片的高度为L2，上述三者的关系满足如下公式：

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，

0.025<a<0.05,0.05<b<0.06，

150mm<=L0<=180mm,

3mm<=L1<=8mm,

55mm<=L2<=85mm;

0.02<L1/L0<0.05,

0.30<L2/L0<0.55;

0.1<L1/H<=0.22;

直管部分的长度为H，800mm<H<1500mm。

与现有技术相比较，本发明的啤酒冷却器具有如下的优点：

1）本发明提供了一种新的啤酒冷却器，而且因为冷却器可以布置更多的散热翅片，因此具有很好的散热效果。

2）创造性的将八边形翅片管应用于啤酒冷却，并取得了很好的冷却效果。

3）本发明通过多次试验，得到一个啤酒冷却的最优的冷却器翅片管优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4）通过翅片所形成的边界部分为正八边形，可以使得同一排翅片之间在任何位置可以互相组合，能够提高传热效果。

5）通过多排蛇形管排列，可以使得蛇形管的翅片管的翅片互相紧密接触，从而使相邻四个翅片管之间形成空间，该空间可以满足足够多的冷源的充分流动。

附图说明

图1是管壳式啤酒冷却器的截面示意图；

图2是一个直管部分实施例的主视结构示意图；

图3是图2的局部放大示意图；

图4是直管部分的1/8结构示意图；

图5是多排直管部分互相排列在一起的示意图。

附图标记如下：

1.长方体管，2.翅片组，3.主翅片, 4第二副翅片，5第一副翅片，6啤酒入口，7啤酒出口，8直管部分，9弯管部分，10冷源入口，11冷源出口，12入口集箱，13出口集箱。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种冷却啤酒的管壳式冷却器，所述冷却器包括壳体和蛇形管、啤酒入口6、啤酒出口7、冷源入口10和冷源出口11，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，所述入口集箱和出口集箱分别连通啤酒入口6和啤酒出口7，（或者作为优选，没有集箱，直接和啤酒入口和出口相连，如图1所示），所述蛇形管包括弯管部分9和直管部分8，所述直管部分8互相平行，所述弯管部分9将相邻的直管部分8连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口10和冷源出口11分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出。

优选的，所述多排蛇形管可以设置一个总的集箱，通过集箱分配流体进入每排蛇形管。

直管部分是翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体管1以及位于长方体管外围的翅片组2，所述长方体管1的横截面是正方形，从横截面上看，所述翅片组2包括从四个正方形的对角向外延伸的主翅片3和从主翅片3向外延伸的第一副翅片5，所述翅片组2还包括从正方形的四边向外延伸的第二副翅片4，所述同一主翅片3的向同一方向延伸的第一副翅片5互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片4互相平行,所述主翅片3和副翅片4、5延伸的端部形成等边八边形。

优选的，如图3所示，翅片管沿着正方形对角线所形成的平面镜像对称，同时沿着正方形的两条对边的中点所在的线形成的平面也是镜像对称。

优选的，如图3所示，主翅片3的中心线与等边八边形的一条边垂直且与等边八边形的连接点位于等边八边形的边的中点。

如图3所示，优选的，第二副翅片2”、2’设置在正方形的对角的位置处。

如图3-4所示，1’、2’,1”、2”所指的副翅片为第二副翅片，3’、4’ 、5’,3”、4” 、5”所指的副翅片为第一副翅片。

第一副翅片的长度随着距离主翅片对角的距离越来越短。

正方形的边的长度一定的情况下，主翅片和副翅片越长，则理论上换热效果越好，在试验过程中发现，当主翅片和副翅片达到一定长度的时候，则换热效果就增长非常不明显，主要因为随着主翅片和副翅片长度增加，在翅片末端的温度也越来越接近冷源温度，随着温度降低到一定程度，则会导致换热效果不明显，相反还增加了材料的成本，同时，换热过程中，如果副翅片之间的间距太小，也容易造成换热效果的恶化，因为随着高度的增加，边界层变厚，造成相邻翅片之间边界层互相重合，恶化传热，副翅片之间的间距太大造成换热面积减少，影响了热量的传递，因此在相邻的副翅片的距离、正方形的边长、主翅片的长度之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的翅片管的上千次试验数据总结出的最佳的翅片管的尺寸优化关系。

所述的第一副翅片与主翅片之间的夹角为45°，所述的相邻的副翅片的距离为L1，所述正方形的边长为L0，所述主翅片的高度为L2，上述三者的关系满足如下公式：

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，

0.025<a<0.05,0.05<b<0.06，

150mm<=L0<=180mm,

3mm<=L1<=8mm,

55mm<=L2<=85mm;

0.02<L1/L0<0.05,

0.30<L2/L0<0.55;

0.1<L1/H<=0.22;

直管部分的长度为H，800mm<H<1500mm。

作为优选，a=0.038，b=0.055。

需要说明的是，相邻副翅片的距离L1是从副翅片的中心开始算起的距离。

通过计算结果后再进行试验，通过计算边界以及中间值的数值，所得的结果基本上与公式相吻合，误差基本上在2%以内，最大的相对误差不超过3.5%，平均误差是1.6%。

与自然对流相比，因为管壳式冷却器具有更高的换热系数，因此需要的翅片管的翅片长度比自然对流情况下要少。这样也可以满足啤酒冷却，而且还可以节约材料和空间，达到更高的单位质量的冷却量，达到更好的制冷效果。

优选的，所述的相邻的副翅片的距离相同。其中第一副翅片5与主翅片4之间的夹角为45°意味着副翅片5垂直于主翅片对角的一条边，同时因为副翅片互相平行，使得第二副翅片垂直于其延伸的正方形的边。主要是为减小流动死区充分散热，棱柱形翅片管周围的翅片设计成与中间长方体的四个边分别垂直的形式。

作为优选，主翅片的宽度要大于副翅片的宽度。

优选的，主翅片的宽度为b4，副翅片的宽度为b2，其中2.0*b2<b4<2.3*b2;

作为优选,主翅片的宽度与正方形的边的长度关系为0.03*L0<b4<0.05*L0。

作为优选，长方体管的管壁厚度为1-3mm，优选2mm。

作为优选，翅片管为一体化制造，翅片管的材料是铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：15.3％ Cu ，1.9％ Mg ，1.6％ Ag ，0.6％ Mn ，0.25％ Zr ，5.78％ Ce ，0.23％ Ti，0.38％ Si，其余为 Al 。

铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过623℃均匀化处理，在412℃，采用热挤压成棒材，然后再经过560℃固溶淬火后，在210℃进行人工时效处理。导热系数为大于270W/(m*k）。

与以前的研究相比，通过加大Cu和Ce含量，可以极大的优化铝合金材料的抗腐蚀性，同时还具有极高的导热系数。

作为优选，弯管部分也采用和直管部分相同的材料制成。

优选的，对于副翅片之间的距离是按照一定的规律进行变化，具体规律是从正方形的边的中点开始，向边的两端的与正方形的所述的边垂直的副翅片的之间的距离越来越小。

例如如图3所示，位于长方体边的中点两侧的相临的两个副翅片（编号为1’、 1”）间距为m，其他副翅片间距随着距边的中点的距离变大而逐渐变小。

优选的，相邻副翅片间距减小的幅度相同。例如翅片1’、 1”距离为m，1”,2”之间的距离m-n, 2”,3”之间的距离m-2n, 3”,4”之间的距离m-3n,依次类推。

上面的n、m的单位为mm。

在满足前面的优化公式的条件下，n优选的距离为1mm。

翅片间距呈现中间大两头小，其主要目的是优化该片区域翅片的流场同时又尽量增大翅片的换热面积。即在不过分降低换热系数的前提下尽可能增大换热面积以便尽可能降低结温。

如图5所示，直管部分紧密靠在一起，其相应的直管部分的翅片之间也互相连接，从而形成冷源的通道。因为多个翅片管靠在一起，从而使相邻四个翅片管之间形成了正方形空间，此正方形空间可以使得冷源从中间流过，从而在流动过程中分布到相邻的翅片管的翅片之间，保证了足够的冷源，以避免冷却不足。

作为优选，冷源为乙二醇。通过实验证明，在上述的尺寸关系下，乙二醇会取得最佳的冷却效果。

作为优选，所述冷却器还包括控制系统，所述控制系统根据啤酒的输出温度控制进入冷却器中冷源的流速；

所述控制系统包括：温度传感器、流量控制器和中央控制器，流量控制器控制进入冷却器的冷源的流速；所述温度传感器用于测量啤酒的输出温度，当输出温度达到第一温度时，中央控制器控制流量控制器达到第一流速，当输出温度达到低于第一温度的第二温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第一流速的第二流速，当输出温度达到低于第二温度的第三温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第二流速的第三流速，当输出温度达到低于第三温度的第四温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第三流速的第四流速；当输出温度达到低于第四温度的第五温度时，中央控制器将流量控制器关闭，阻止冷源进入冷却器。

上述的温度传感器设置在啤酒出口的位置，流量控制器设置在冷源的入口的位置。

所述控制系统可以是一个单片机，可以设置控制面板，控制面板设置在散热器的上部或者下部，也可以设置在进入散热器的管道上。

作为优选，蛇形管5的内壁上设置有凸起，用于强化传热，所述凸起的分布按照一定的规律。优选的是，沿着啤酒的流动方向，凸起的分布越来越密，这样，是随着啤酒流动的方向，啤酒的温度逐渐下降，使其制冷效果逐渐降低，通过增加内部翅片的凸起的密度，可以增强啤酒流动方向上的制冷，从而使得政冷效果沿着啤酒流动方向整体上保持一致。优选的另一个方式是凸起的高度随着啤酒流动的方向上逐渐增大，其中最高的是最低的1.03-1.10倍。与前面的换热原理相同，主要原因是随着啤酒流动的方向，啤酒的温度逐渐下降，使其制冷效果逐渐降低，通过增加内部凸起的高度设置不同，可以增强啤酒流动方向上的换热，从而使得制冷效果沿着流体流动方向整体上保持一致。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种管壳式换热器，所述换热器包括壳体和蛇形管、啤酒入口、啤酒出口、冷源入口和冷源出口，所述壳体内设置蛇形管，所述蛇形管为多排，所述每排蛇形管的上下端头分别从壳体的上端和下端伸出并分别与啤酒入口集箱和啤酒出口集箱连通，啤酒入口集箱和出口集箱分别与啤酒入口和啤酒出口连接；所述蛇形管包括弯管部分和直管部分，所述直管部分互相平行，所述弯管将相邻的直管部分连通起来以形成连通的一排蛇形管；所述冷源入口和冷源出口分别设置在壳体的两侧，冷源从冷源入口进入，在壳体内冷却蛇形管内的啤酒，然后从冷源出口流出；所述蛇形管的直管部分为翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体基管以及位于长方体外围的翅片组，所述长方体基管的横截面是正方形，所述翅片组包括主翅片和副翅片，所述主翅片从四个正方形的对角向外延伸，所述副翅片包括从主翅片向外延伸的第一副翅片和从正方形的四边向外延伸的第二副翅片，所述同一主翅片的向同一方向延伸的第一副翅片互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片互相平行，所述主翅片和副翅片延伸的端部形成等边八边形；主翅片的宽度为b4，副翅片的宽度为b2，其中2.0*b2<b4<2.3*b2。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在，所述的第一副翅片与主翅片之间的夹角为45°，相邻的副翅片的距离为L1，所述正方形的边长为L0，所述主翅片的高度为L2，上述三者的关系满足如下公式：

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，

0.025<a<0.05,0.05<b<0.06，

150mm<=L0<=180mm,

3mm<=L1<=8mm,

55mm<=L2<=85mm;

0.02<L1/L0<0.05,

0.30<L2/L0<0.55;

0.1<L1/H<=0.22;

直管部分的长度为H，800mm<H<1500mm。