CN105823360B - 含错排热管阵列的板式换热器 - Google Patents

含错排热管阵列的板式换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含错排热管阵列的板式换热器。由上盖板，中间传热板和下盖板组成。上盖板下端面中间开有热交换区域，热交换区域两端分别开三棱柱状流体分布腔，分别与冷流出口、入口不锈钢管相连；下盖板上端面中间开有热交换区域，热交换区域两端分别开三棱柱状流体分布腔，分别与热流出口、入口不锈钢管相连；中间传热板内有呈错排分布的圆形通孔阵列，且上下表面在每个圆形通孔旁开有多个圆形凸起，热管阵列安装在呈错排分布的圆形通孔阵列内。热管被中间传热板分隔为冷凝端和蒸发端。本发明采用中间传热板和热管作为传热元件，具有更强的传热效率；热管在换热器中呈错排阵列分布，具有较大的传热面积，且与流体接触更加充分。

Description

含错排热管阵列的板式换热器
技术领域
本发明涉及板式换热器，尤其是涉及一种含错排热管阵列的板式换热器。
技术背景
换热器是化工、环保、能源、电力等工业领域的一种重要单元设备。主要可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。其中，间壁式换热器是两种不同温度的介质在相间隔的流道中流动，介质之间不会相互混合，整个过程连续而稳定，成为工业应用中最为广泛的一类换热器。
间壁式换热器中最常见的为管壳式换热器。其操作可靠，结构简单，可在高温高压下使用。在管壳式换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在壳侧流动，通过管子进行热量交换。中国发明专利（申请号：200910023897.9）公开了一种传热管外流体多股螺旋流管壳式换热器。该换热器采用设有纵向螺旋翅片的传热管，不但增大了换热器的管内传热面积，而且实现了传热管内外流体的双螺旋流动，从而优化了传热管内外的对流传热效率，提高了换热器的综合传热性能。中国发明专利（申请号：201310406987.2）公开了一种管壳式换热器。该管壳式换热器通过设置旋流构件对壳侧流体流动进行加速，加大管外流体湍流程度，强化壳程传热；同时，该换热器在管内插入元件，产生扰流效果，强化管内传热。通过良好的结构设计，管壳式换热器虽然传热效率得到了很大的提高，但仍存在体积、重量较大，比表面积较小等缺点。
另一类间壁式换热器为板式换热器。板式换热器一般由若干板片叠装而成。各种板片之间形成矩形通道，通过板片进行热量交换。相对于管式换热器，其具有传热系数高，重量轻，结构紧凑、拆装方便等优点。中国发明专利（申请号：2011103414429）公开了一种新型三维网垫板式换热器。该换热器的传热区域设置三维网垫，增强了流道中主流区与壁面附近流体的质量交换，达到强化传热的目的，使该板式换热器相对于常规板式换热器具有更佳的传热性能。中国发明专利（申请号：2013105246963）公开了一种部分填充金属泡沫的平板式换热器。该换热器将多个金属泡沫片由上至下等间距水平设置在换热器通道内，增大了流体在通道中流动的湍流度，从而对传热进行了强化，提高了换热器的传热效率。该换热器结构紧凑，换热性能较好，压降较小。
综上所述，通过结构设计，管式换热器和板式换热器的传热性能均有了较大的提高，但是现有的管式换热器和板式换热器体积仍较为庞大，比表面积小，不能满足目前换热器结构小型化、轻量化的要求。虽然目前已公开了一些比表面积大、传热效率高等优点的微通道换热器（申请号：201310080896.4；申请号：201310282633.1），但这些微通道换热器在微通道制备与设计方面仍存在一些不足之处。因此，有必要设计一种高效，低成本的换热器。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种含错排热管阵列的板式换热器，该换热器的传热元件为微小热管，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，因此相对于采用固体隔板作为传热媒介的常规换热器，具有更强的传热效率；另一方面，微小热管在换热器中呈错排阵列分布，具有较大的传热面积，且与流体接触更加充分。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括上盖板组件，中间传热组件和下盖板组件用螺钉连接而成；其中：
1)上盖板组件：包括上盖板，冷流入口不锈钢管和冷流出口不锈钢管；上盖板四周开有螺纹孔，上盖板下端面中间开有凹槽；凹槽沿上盖板长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与上盖板短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状多条工质流体导流板；上盖板一侧短边的冷流入口不锈钢管与上盖板的工质流体进口孔相连，上盖板另一侧短边的冷流出口不锈钢管与上盖板的工质流体出口孔相连；
2)下盖板组件：包括下盖板，热流入口不锈钢管和热流出口不锈钢管；下盖板四周开有螺纹孔，下盖板上端面中间开有凹槽；凹槽沿下盖板长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与下盖板短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状多条工质流体导流板；下盖板一侧短边的热流入口不锈钢管与下盖板的工质流体进口孔相连，下盖板另一侧短边的热流出口不锈钢管与下盖板的工质流体出口孔相连。
3)中间传热组件：包括四周开有螺纹孔的中间传热板和热管阵列；中间传热板内有呈错排分布的圆形通孔阵列，且上下表面在每个圆形通孔旁开有多个圆形凸起；中间传热板与上盖板装配后形成冷流通道；中间传热板与下盖板装配后形成热流通道；中间传热板呈错排分布的圆形通孔阵列内均安装有结构相同的热管构成热管阵列；安装在中间传热板内的热管被中间传热板分隔为上下两部分，上部分为冷凝端，位于冷流通道内；下部分为蒸发端，位于热流通道内。
所述上盖板、下盖板和中间传热板为矩形体结构，其长度尺寸与宽度尺寸相同。
所述热管阵列和中间传热板采用焊接或者粘接方式密封连接；上盖板与冷流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接，下盖板与热流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接；上盖板组件与中间传热组件，下盖板组件与中间传热组件采用柔性石墨垫与紧固螺栓相结合的方式密封连接。
所述热管形状为圆柱体，由管壳、吸液芯、液体工质和端盖组成；管壳材料为铝合金或者铜。
所述上盖板和下盖板材料均为不锈钢，中间传热板材料为铝合金或者铜。
本发明具有的有益效果如下：
1) 除了采用中间传热薄板作为传热媒介外，该换热器还采用微小热管作为传热元件。由于微小热管导热能力超过任何已知金属的导热能力，因此相对于采用固体隔板作为传热媒介的常规换热器，该换热器具有更强的传热效率；
2) 传热单元微小热管在换热器中呈错排阵列分布，具有较大的传热面积，且与流体接触更加充分；
3) 该换热器采用层叠形式，拆装容易；同时，换热器的规模扩大方便，通过进行层叠设计就可实现；
4) 该换热器结构紧凑，各部分制造工艺成熟且制造成本较低，适合大批量生产；
5)本发明可作为中、小型板式换热器，应用于化工、能源等领域的中、小流量流体的换热场合。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明整体结构拆分示意图；
图3是本发明热流流道示意图；
图4是本发明上盖板组件的结构示意图；
图5是本发明中间传热组件的结构示意图；
图6是本发明中间传热组件的二维结构示意图；
图7是本发明下盖板组件的结构示意图。
图中：1、上盖板组件，2、中间传热组件，3、下盖板组件，4、冷流通道，5、热流通道，6、上盖板，7、冷流入口不锈钢管，8、冷流出口不锈钢管，9、中间传热板，10、热管阵列，11、下盖板，12、热流入口不锈钢管，13、热流出口不锈钢管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-图7所示，本发明包括上盖板组件1，中间传热组件2和下盖板组件3用螺钉连接而成；其中：
1)上盖板组件1：如图2、图3、图4所示，包括上盖板6，冷流入口不锈钢管7和冷流出口不锈钢管8；上盖板6四周开有螺纹孔，上盖板6下端面中间开有凹槽；凹槽沿上盖板6长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与上盖板6短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状多条工质流体导流板；上盖板6一侧短边的冷流入口不锈钢管7与上盖板6的工质流体进口孔相连，上盖板6另一侧短边的冷流出口不锈钢管8与上盖板6的工质流体出口孔相连。长方体热交换区域底面开有垂直的扰流板，用于增加工质流体在冷流通道4和热流通道5内流动的紊乱度，提高换热器的传热效率。两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有垂直的工质流体导流板，用于均匀工质流体在冷流通道4和热流通道5内的流速分布和温度分布，提高换热器的传热性能。
2)下盖板组件3：如图2、图3、图7所示，包括下盖板11，热流入口不锈钢管12和热流出口不锈钢管13；下盖板11四周开有螺纹孔，下盖板11上端面中间开有凹槽；凹槽沿下盖板11长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与下盖板11短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状多条工质流体导流板；下盖板11一侧短边的热流入口不锈钢管12与下盖板11的工质流体进口孔相连，下盖板11另一侧短边的热流出口不锈钢管13与下盖板11的工质流体出口孔相连。长方体热交换区域底面开有垂直的扰流板，用于增加工质流体在冷流通道4和热流通道5内流动的紊乱度，提高换热器的传热效率。两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有垂直的工质流体导流板，用于均匀工质流体在冷流通道4和热流通道5内的流速分布和温度分布，提高换热器的传热性能。
3)中间传热组件2：如图2、图3、图5、图6所示，包括四周开有螺纹孔的中间传热板9和热管阵列10；中间传热板9内有呈错排分布的圆形通孔阵列，中间传热板9的厚度为2 mm，且上下表面在每个圆形通孔旁开有多个圆形凸起，用于对工质流体产生扰流作用，破坏流体与壁面形成的边界层，提高工质流体与壁面的传热效率；中间传热板9与上盖板6装配后形成冷流通道4；中间传热板9与下盖板11装配后形成热流通道5；中间传热板9呈错排分布的圆形通孔阵列内均安装有结构相同的热管构成热管阵列10；安装在中间传热板9内的热管被中间传热板9分隔为上下两部分，上部分为冷凝端，位于冷流通道4内；下部分为蒸发端，位于热流通道5内。
所述上盖板6、下盖板11和中间传热板9为矩形体结构，其长度尺寸与宽度尺寸相同。
所述热管阵列10和中间传热板9采用焊接或者粘接方式密封连接；上盖板6与冷流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接，下盖板11与热流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接；上盖板组件1与中间传热组件2，下盖板组件3与中间传热组件2采用柔性石墨垫与紧固螺栓相结合的方式密封连接。
所述热管形状为圆柱体，由管壳、吸液芯、液体工质和端盖组成；管壳材料为铝合金或者铜。
所述上盖板6和下盖板11材料均为不锈钢，中间传热板9材料为铝合金或者铜。
所述的含错排热管阵列的板式换热器，上盖板、下盖板和中间传热板的制造均可采用常规的机械加工方法，热管为市售的标准件，热管的制造可采用目前技术成熟的热管制造方法。
本发明的具体传热过程如下：
如图3所示，冷热流工质流体采用逆流方式流入板式换热器，温度高的工质流体通过热流入口不锈钢管12流入换热器的热流通道5；温度低的工质流体通过冷流入口不锈钢管7流入换热器的冷流通道4。一方面，高温工质流体通过对流传热方式将热量传递给中间传热板9，中间热板板9再通过对流传热方式将热量传递给低温工质流体。另一方面，高温工质流体通过对流传热方式将热量传递给中间传热板9上热管位于热流流道5的蒸发端。热管蒸发端内液体工质吸热后气化，流到热管的位于冷流流道4的冷凝端。气化后的热管工质温度很高，流到位于冷流流道4的冷凝端后就会与冷流流道4内的低温工质流体进行热交换，将热量传递给低温工质流体。通过中间传热板9传热和热管传热，换热器实现了高低温工质流体的热交换。

Claims (5)

1.一种含错排热管阵列的板式换热器，包括上盖板组件(1)，中间传热组件(2)和下盖板组件(3)用螺钉连接而成；其特征在于：
1)上盖板组件(1)：包括上盖板(6)，冷流入口不锈钢管(7)和冷流出口不锈钢管(8)；上盖板(6)四周开有螺纹孔，上盖板(6)下端面中间开有凹槽；凹槽沿上盖板(6)长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与上盖板(6)短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状的多条工质流体导流板；上盖板(6)一侧短边的冷流入口不锈钢管(7)与上盖板(6)的工质流体进口孔相连，上盖板(6)另一侧短边的冷流出口不锈钢管(8)与上盖板(6)的工质流体出口孔相连；
2)下盖板组件(3)：包括下盖板(11)，热流入口不锈钢管(12)和热流出口不锈钢管(13)；下盖板(11)四周开有螺纹孔，下盖板(11)上端面中间开有凹槽；凹槽沿下盖板(11)长边方向分为3个区域，中间为长方体热交换区域，两边均为扁平三棱柱状流体分布腔，长方体热交换区域底面开有与下盖板(11)短边平行的多条扰流板，两边扁平三棱柱状流体分布腔内开有呈辐射状的多条工质流体导流板；下盖板(11)一侧短边的热流入口不锈钢管(12)与下盖板(11)的工质流体进口孔相连，下盖板(11)另一侧短边的热流出口不锈钢管(13)与下盖板(11)的工质流体出口孔相连；
3)中间传热组件(2)：包括四周开有螺纹孔的中间传热板(9)和热管阵列(10)；中间传热板(9)内有呈错排分布的圆形通孔阵列，且上下表面在每个圆形通孔旁开有多个圆形凸起；中间传热板(9)与上盖板(6)装配后形成冷流通道(4)；中间传热板(9)与下盖板(11)装配后形成热流通道(5)；中间传热板(9)呈错排分布的圆形通孔阵列内均安装有结构相同的热管构成热管阵列(10)；安装在中间传热板(9)内的热管被中间传热板(9)分隔为上下两部分，上部分为冷凝端，位于冷流通道(4)内；下部分为蒸发端，位于热流通道(5)内。
2.根据权利要求1所述的一种含错排热管阵列的板式换热器，其特征在于：所述上盖板(6)、下盖板(11)和中间传热板(9)为矩形体结构，所述三块板的长度尺寸与宽度尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种含错排热管阵列的板式换热器，其特征在于：所述热管阵列(10)和中间传热板(9)采用焊接或者粘接方式密封连接；上盖板(6)与冷流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接，下盖板(11)与热流出、入口不锈钢管采用氩弧焊方式密封连接；上盖板组件(1)与中间传热组件(2)，下盖板组件(3)与中间传热组件(2)采用柔性石墨垫与紧固螺栓相结合的方式密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种含错排热管阵列的板式换热器，其特征在于：所述热管形状为圆柱体，由管壳、吸液芯、液体工质和端盖组成；管壳材料为铝合金或者铜。
5.根据权利要求1所述的一种含错排热管阵列的板式换热器，其特征在于：所述上盖板(6)和下盖板(11)材料均为不锈钢，中间传热板(9)材料为铝合金或者铜。
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