CN109387090A - 一种螺旋冷凝换热器及换热方法 - Google Patents

一种螺旋冷凝换热器及换热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋冷凝换热器及换热方法，其包括冷凝管和冷凝器壳体，其特征在于：所述冷凝管采用双向延展的方式安装在冷凝器壳体内；所述冷凝管内设有螺旋带，螺旋带与冷凝管两端的端面转动连接；所述冷凝管的两端面均设置有立面传质孔，冷凝管的两双向延展端均设置有侧面螺旋传质孔。本换热器将两种不同温度的介质分别由管程流向和壳程流向进入冷凝器中，实现了两种介质的高效换热，提高了传热效率、降低了能源成本。本换热器具有传热效率高、阻力小、体积小、结构简单的特点，最终可实现传热系数的大大提高，尤其针对气体和液体之间的换热，其效果更为突出，可实现不同介质之间的换热。

Description

一种螺旋冷凝换热器及换热方法
技术领域
本发明涉及一种换热装置，尤其是一种螺旋冷凝换热器及换热方法。
背景技术
冷凝换热器大量应用于冶金、化工、电力、机械、制药等各个领域，冷凝换热技术的发展进一步提高了能源的高效利用。通常的冷凝换热技术按设备结构划分主要有浮头式冷凝换热器、固定管式冷凝换热器、板式冷凝换热器、U型管式冷凝换热器等。其中，现有的螺旋冷凝换热器属于固定管式冷凝换热器的一种衍生形式，改进了管式换热器的部分性能，但仍存在阻力较大、管壁磨损严重、加工难度大、传热效率不高等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种传热效率高的新型螺旋冷凝换热器；本发明还提供了一种螺旋冷凝换热方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述冷凝管采用双向延展的方式安装在冷凝器壳体内；所述冷凝管内设有螺旋带，螺旋带与冷凝管两端的端面均转动连接；所述冷凝管的两端均设置有立面传质孔，冷凝管的两双向延展端均设置有侧面螺旋传质孔。
本发明所述冷凝管的管壁内设置有旋转沟槽，旋转凹槽旋转方向与侧面螺旋传质孔的螺旋方向一致。
本发明所述螺旋带的两端连接有连接轴，连接轴固定连接有套管，套管与固定在冷凝管端面的固定螺栓转动连接。还可以是，所述螺旋带的两端连接有连接轴，连接轴转动连接在套管内，套管用固定螺栓固定在冷凝管的端面之上。
本发明所述螺旋带采用高分子合成材料制成，采用热注塑一次成型的工艺与连接轴进行连接。
本发明方法采用上述的螺旋冷凝换热器，其方法过程为：介质a流向为管程流向，介质b流向为壳程流向；介质a通过侧面螺旋传质孔和立面传质孔进入冷凝管，介质a在侧面螺旋传质孔的作用下旋转，并带动螺旋带旋转在冷凝管内高速旋转；旋转的螺旋带使介质a紊流，紊流介质a与介质b实现换热。
本发明方法所述质a的进口流速为0.8m/s～2.2m/s，螺旋带转速为600转/分～1100转/分。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明由冷凝管、冷凝器壳体两部分组成，两种不同温度的介质分别由管程流向和壳程流向进入冷凝器中，实现了两种介质的高效换热，提高了传热效率、降低了能源成本。本发明在冷凝管的端面、立面端设置侧面传质孔和立面传质孔，增加了介质的紊流效果，提升了换热效果；尤其是在冷凝管内部设置与侧面传质孔同向的旋转凹槽，能更有效地加剧介质的紊流、提升换热效果。同时采用双向延展形式对冷凝管进行安装，创新了冷凝管的安装布置方式，使其具有传热效率高、阻力小、体积小、结构简单的特点，最终可实现传热系数的大大提高；尤其针对气体和液体之间的换热，其效果更为突出。本发明可实现不同介质之间的换热，很好解决了通常换热器阻力大、加工难度大、磨损严重、换热效率低的问题，值得在行业内广泛推广并应用。
本发明改进了连接轴与螺旋带的连接方式，采用热注塑一次成型的工艺将螺旋带与连接轴进行连接，并采用高分子复合材料改进了螺旋带材料性能，能进一步的降低阻力和加工难度，有效地提升换热效率。
本发明方法具有传热系数高、换热效果好、能耗低等特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明冷凝器整体断面结构示意图；
图2是本发明冷凝管结构示意图；
图3是图2中A向侧视结构示意图；
图4是图2中B-B剖面结构示意图；
图5是本发明冷凝管侧向视图；
图6是本发明冷凝管安装位置局部示意图。
图中：冷凝管1、冷凝器壳体2、螺旋带3、冷凝管管壁4、连接轴5、固定螺栓6、侧面螺旋传质孔7、套管8、立面传质孔9、旋转沟槽10。
具体实施方式
本螺旋冷凝换热器由冷凝管1、冷凝器壳体2、螺旋带3、冷凝管管壁4、连接轴5、固定螺栓6、侧面螺旋传质孔7、套管8、立面传质孔9、旋转凹槽10组成。图1、图6所示，所述冷凝器壳体2为两端封口的圆筒状，包括筒状的筒壁和两端的端面；在靠近一端面的筒壁上部设有出液口、靠近另一端面的筒壁下部设有进液口，用于壳程介质在壳程的流通。所述冷凝管1均布安装于冷凝器壳体2中，采用双向延展的方式安装，即冷凝管1的两端均伸出冷凝器壳体2的两端面，这样，冷凝管1即可用作管程介质的管程流通。
图2所示，本换热器的冷凝管1为两端封口的圆管状，包括管状的管壁和两端的端面。所述冷凝管1内设置螺旋带3，螺旋带3采用高分子合成材料制成；螺旋带3的两端均分别连接有连接轴5；螺旋带3采用热注塑一次成型的工艺与连接轴5相连，以最大限度降低摩擦阻力，延长使用寿命。螺旋带3通过连接轴5与冷凝管1两端的端面转动连接，可以采用常规的转动连接方式，最好选用下述两种转动连接方式：第一种，图2所示，所述连接轴5固定连接有套管8，套管8与固定在冷凝管端面的固定螺栓6轴转动连接；第二种，所述连接轴5分别轴转动连接在套管8中，套管8与固定螺栓6相连，并由固定螺栓6分别固定于冷凝管两端面的中心位置。这样，通过两端的套管8与固定螺栓6（连接轴5与套管8）的轴连接，螺旋带3可以在冷凝管1内围绕冷凝管1的中心线旋转。
本换热器的冷凝管1在两端伸出冷凝器壳体2的部分设有传质孔，用于管程介质的进出流通；传质孔包括立面传质孔9和侧面螺旋传质孔7。图2、图3所示，本换热器在冷凝管1的两端面上开有立面传质孔9，立面传质孔9贯通冷凝管1的端面，立面传质孔9围绕固定螺栓6在冷凝管1的端面均匀分布。图2、图4所示，本换热器的侧面螺旋传质孔7位于冷凝管1伸出冷凝器壳体2部分的侧面管壁上，侧面螺旋传质孔7开孔为正向或逆向的螺旋状。图2、图5所示，冷凝管管壁4的内部设置正向或逆向的旋转沟槽10；旋转沟槽10的旋转方向与侧面螺旋传质孔7的螺旋方向一致。这样，通过侧面螺旋传质孔7进入的介质会产生与螺旋方向一致的旋转，旋转的介质与从立面传质孔9进入的直行的介质产生紊流；在旋转沟槽10和螺旋带3的作用下，紊流会进一步加剧，从而能有效地增加介质在冷凝管1中的传质紊流效果，实现最终传热系数的增大。
本螺旋冷凝换热方法采用上述的换热器，其工作过程如下所述：
（1）介质a流向为管程流向，介质b流向为壳程流向。
（2）介质a通过侧面螺旋传质孔7和立面传质孔9进入冷凝管1，介质a进口流速为0.8m/s～2.2m/s。
（3）介质a流入侧面螺旋传质孔7后，会顺着螺旋方向旋转；螺旋带3在介质a带动下在冷凝管1内高速旋转，螺旋带转速为600转/分～1100转/分。
（4）介质a在冷凝管内进一步通过螺旋带3，在冷凝管内旋转沟槽10的作用下加剧介质a的紊流，达到更好的与壳程流向的介质b的换热效果。
（5）最终两种介质a和b实现了换热。
实施例：本螺旋冷凝换热器统一采用相同介质，冷凝管管径20mm，管壁厚度2mm，螺旋带带宽18mm的冷凝管；分下述不同情况进行示例。
（1）当冷凝管中无螺旋带，通入介质流速为0.9m/s～1.1m/s时，测得传热系数为850w(m2K)～1035w(m2K)。
（2）当冷凝管中设置螺旋带，通入介质流速为0.9m/s～1.1m/s时，测得螺旋带转速为680r/min～730r/min，传热系数为1210w(m2K)～1305w(m2K)。
（3）当冷凝管中设置螺旋带，通入介质流速为1.1m/s～1.5m/s时，测得螺旋带转速为715r/min～780r/min，传热系数为1285w(m2K)～1372w(m2K)。
（4）当冷凝管中设置螺旋带，通入介质流速为1.5m/s～1.8m/s时，测得螺旋带转速为750r/min～820r/min，传热系数为1315w(m2K)～1381w(m2K)。
（5）当冷凝管中设置螺旋带，且在冷凝管管壁增加逆向旋转凹槽，在冷凝管侧面和立面增加侧面传质孔和立面传质孔，通入介质流速为1.5m/s～1.8m/s时，测得螺旋带转速为790r/min～880r/min，传热系数为1365w(m2K)～1432w(m2K)。由此可见，本换热器的换热效率更好。

Claims (7)

1.一种螺旋冷凝换热器，其包括冷凝管（1）和冷凝器壳体（2），其特征在于：所述冷凝管（1）采用双向延展的方式安装在冷凝器壳体（2）内；所述冷凝管（1）内设有螺旋带（3），螺旋带（3）与冷凝管（1）两端的端面转动连接；所述冷凝管（1）的两端面均设置有立面传质孔（9），冷凝管（1）的两双向延展端均设置有侧面螺旋传质孔（7）。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋冷凝换热器，其特征在于：所述冷凝管的管壁（4）内设置有旋转沟槽（10），旋转凹槽（10）旋转方向与侧面螺旋传质孔（7）的螺旋方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋冷凝换热器，其特征在于：所述螺旋带（3）的两端连接有连接轴（5），连接轴（5）固定连接有套管（8），套管（8）与固定在冷凝管端面的固定螺栓（6）转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋冷凝换热器，其特征在于：所述螺旋带的两端连接有连接轴，连接轴转动连接在套管内，套管用固定螺栓固定在冷凝管的端面之上。
5.根据权利要求1－4任意一项所述的一种螺旋冷凝换热器，其特征在于：所述螺旋带（3）采用高分子合成材料制成，采用热注塑一次成型的工艺与连接轴（5）进行连接。
6.一种螺旋冷凝换热方法，其采用权利要求1－5任意一项所述的螺旋冷凝换热器，其特征在于，其方法过程为：介质a流向为管程流向，介质b流向为壳程流向；介质a通过侧面螺旋传质孔（7）和立面传质孔（9）进入冷凝管（1），介质a在侧面螺旋传质孔（7）的作用下旋转，并带动螺旋带（3）旋转在冷凝管内高速旋转；旋转的螺旋带（3）使介质a紊流，紊流介质a与介质b实现换热。
7.根据权利要求5所述的一种螺旋冷凝换热方法，其特征在于：所述质a的进口流速为0.8m/s～2.2m/s，螺旋带转速为600转/分～1100转/分。
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