CN109506497A - 一种高效紧凑毛细管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效紧凑毛细管换热器，包括筒体、一级毛细管、二级集管和三级环管，一级毛细管通过钎焊与二级集管连接，二级集管汇入三级环管中，换热管程采用三级管束，最终汇入进出口管中。本发明提出一种新型紧凑高效毛细管换热器，极大提高设备换热效率，在相同工况下换热系数大，需要较小的换热面积就可以交换相同的热量，其结构紧凑，大幅度减小了设备的体积和重量。同时新的布管方式有效减小毛细管的长度，可以解决毛细管所带来的压降过高的问题。起支撑和折流作用的折流板可增加壳程湍流，以提高壳程的换热效率及传热系数。

Description

一种高效紧凑毛细管换热器

技术领域

本发明涉及管式换热器领域，具体地说是涉及一种高效紧凑毛细管换热器。

背景技术

管式换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。其作为化工生产中的重要单元设备，往往体积和吨位很大，占整个工艺设备的30％。管式换热器大型化趋势明显，当应用的工况要求的传热量变大时，相应地要提高换热面积，就需要增加管数和长度，这就增大了换热设备的体积和重量。

目前，毛细管技术开始在化工领域中运用，但针对换热设备，并未提出合理的结构和方案。现有采用毛细管的管式换热器虽然在换热性能上有所提高，但结构仍然不够紧凑，换热系数较低，相同的换热量仍需要较大的换热面积来实现。对于管式换热器，工况为相同流量的流体时，换热管中压降与管长和管径存在如下关系：ΔP∝L/d。可以看到当毛细管管径d很小时，相对普通换热管其整体压降ΔP较大，而由公式可知毛细管的管长越长其压降越大，当使用普通管壳式换热器的布管方式排列毛细管时，会造成整体换热器管程压降过大而超出标准。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种高效紧凑毛细管换热器。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种高效紧凑毛细管换热器，包括筒体、一级毛细管、二级集管和三级环管，筒体的中心为圆柱形中空结构，在筒体的一端设置有后盖板，在筒体的另一端设置有前盖板，前盖板、后盖板和筒体之间形成环形空间；在筒体的一端设置有与环形空间连通的壳程入口，在筒体的另一端设置有与环形空间连通的壳程出口；

一级毛细管和二级集管布置在环形空间内，三级环管布置在筒体的外部；所述三级环管包括第一环管、第二环管、第三环管、第四环管和第五环管，其中第一环管、第三环管和第五环管与管程入口管连接，第二环管和第四环管与管程出口管连接；

所述二级集管沿筒体的轴向布设，二级集管的一端封堵，另一端与三级环管连接；二级集管设置多个，按照与筒体轴心的距离不同，共划分成五组，分别为第一组二级集管、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管，第一组二级集管、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管相距筒体轴心的距离逐渐增大，且每组二级集管在以轴心为圆心的同心圆上均匀布置；

其中，第一组二级集管的一端均与第五环管连接，第二组二级集管的一端均与第四环管连接，第三组二级集管的一端均与第三环管连接，第四组二级集管的一端均与第二环管连接，第五组二级集管的一端均与第一环管连接；

所述一级毛细管设置多个，一级毛细管连接在相邻两组二级集管之间，一级毛细管呈渐开线形式布置；

在环形空间内沿筒体的径向还间隔设置有多个折流板，折流板的一端与筒体内壁之间形成有方便壳程流体流通的缺口，相邻折流板与筒体内壁之间形成的缺口交错布置；在折流板的中心设置有中心孔，在折流板上布设有若干个固定孔，二级极管从固定孔中穿过并固定。

优选的，所述一级毛细管密集地布置在第一组二级集管和第二组二级集管之间、第二组二级集管和第三组二级集管之间、第三组二级集管和第四组二级集管之间、以及第四组二级集管与第五组二级集管之间；所有一级毛细管整体呈螺旋状布置。

优选的，每个二级集管上均连接有四排一级毛细管，一级毛细管与二级集管上的连接点呈正三角形布置，相邻两个一级毛细管之间的间距为1.84mm。

优选的，所有连接在相邻两组二级集管之间的一级毛细管的长度均相等，其中相邻两组二级集管之间形成一级毛细管分布层，一级毛细管分布层的间距由内层到外层逐渐减小。

优选的，所述一级毛细管是由不锈钢材料加工制成的，一级毛细管的外径为0.92mm，厚度为0.02mm。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种新型紧凑高效毛细管换热器，极大提高设备换热效率，在相同工况下换热系数大，需要较小的换热面积就可以交换相同的热量，其结构紧凑，大幅度减小了设备的体积和重量。同时新的布管方式有效减小毛细管的长度，可以解决毛细管所带来的压降过高的问题。起支撑和折流作用的折流板可增加壳程湍流，以提高壳程的换热效率及传热系数。

经换热计算和模拟，相同工况下可实现换热系数是现有管壳式换热器的15倍。同时其重量仅为管壳式换热器的1/8，体积仅为管壳式换热器的1/20。相同工况下其换热系数是板式换热器的3倍，重量比板式换热器稍小，体积仅为板式换热器的1/3。通过集管式布管方式，减小了每根毛细管的长度，有效降低了换热器管程压降。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明中一级毛细管的螺旋布管图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明中一级毛细管与二级集管的连接示意图；

图5为本发明中折流板的结构示意图；

图6为本发明中一级毛细管与二级集管的连接点在二级集管的分布图；

图7示出图6中局部相邻三个连接点的分布图；

图8为本发明毛细管换热器的管程及壳程流向示意图。

图中：1.后盖板；2.壳程出口；3.筒体；4.折流板；5.二级集管；6.前盖板；7.管程入口管；8.管程入口；9.第五环管；10.第三环管；11.第四环管；12.第二环管；13.第一环管；14.管程出口；15.壳程入口；16.一级毛细管；17.固定螺栓，18-管程出口管。

具体实施方式

本发明提出一种高效紧凑毛细管换热器，极大提高设备换热效率，在相同工况下换热系数大，需要较小的换热面积就可以交换相同的热量，因此其结构紧凑，大幅度减小了设备的体积和重量。同时新的布管方式有效减小毛细管的长度，可以解决毛细管所带来的压降过高的问题。起支撑和固定作用的管板同时作为折流板以提高壳程的传热系数。

结合附图，一种高效紧凑毛细管换热器，包括筒体3、一级毛细管16、二级集管5和三级环管，筒体的中心为圆柱形中空结构，在筒体的一端设置有后盖板1，在筒体的另一端设置有前盖板6，前盖板6、后盖板1和筒体3之间形成环形空间，即壳程空间。在筒体3的一端设置有与环形空间连通的壳程入口15，在筒体3的另一端设置有与环形空间连通的壳程出口2。一级毛细管16和二级集管5布置在环形空间内，三级环管布置在筒体3的前端外部。所述三级环管包括第一环管13、第二环管12、第三环管10、第四环管11和第五环管9，其中第一环管13、第三环管10和第五环管9与管程入口管7连接，第二环管12和第四环管11与管程出口管18连接。

所述二级集管5筒体的轴向布设，二级集管5一端封堵，另一端与三级环管连接。二级集管设置多个，按照与筒体轴心的距离不同，共划分成五组，分别为第一组二级集管5-8、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管5-1，第一组二级集管、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管相距筒体轴心的距离逐渐增大，且每组二级集管在以轴心为圆心的同心圆上均匀布置。第二组二级集管包括通过一级毛细管与第一组二级集管5-8连接的第二组二级集管5-7，和通过一级毛细管与第三组二级集管连接的第二组二级集管5-6；第三组二级集管包括通过一级毛细管与第二组二级集管连接的第三组二级集管5-5，和通过一级毛细管与第四组二级集管连接的第三组二级集管5-4；第四组二级集管包括通过一级毛细管与第三组二级集管连接的第四组二级集管5-3，和通过一级毛细管与第五组二级集管连接的第四组二级集管5-2。其中，第一组二级集管5-8的一端均与第五环管9连接，第二组二级集管的一端均与第四环管11连接，第三组二级集管的一端均与第三环管10连接，第四组二级集管的一端均与第二环管12连接，第五组二级集管的一端均与第一环管13连接。

所述一级毛细管设置多个，一级毛细管连接在相邻两组二级集管之间，一级毛细管呈渐开线形式布置；

在环形空间内沿筒体的径向还间隔设置有多个折流板4，折流板4的一端水平，该端与筒体内壁之间形成有方便壳程流体流通的缺口，相邻折流板与筒体内壁之间形成的缺口交错布置。在折流板4的中心设置有中心孔4-2，在折流板上布设有若干个固定孔4-1，二级集管从固定孔中穿过并固定。

作为对本发明的进一步设计，所述一级毛细管密集地布置在第一组二级集管和第二组二级集管之间、第二组二级集管和第三组二级集管之间、第三组二级集管和第四组二级集管之间、以及第四组二级集管与第五组二级集管之间；所有一级毛细管整体排布呈螺旋状布置。

更进一步的，每个二级集管上均连接有四排一级毛细管，一级毛细管与二级集管上的连接点呈正三角形布置，相邻两个一级毛细管之间的间距为1.84mm。

进一步的，所有连接在相邻两组二级集管之间的一级毛细管的长度均相等，其中相邻两组二级集管之间形成一级毛细管分布层，一级毛细管分布层的间距由内层到外层逐渐减小。

更进一步的，所述一级毛细管是由不锈钢材料加工制成的，一级毛细管的外径为0.92mm，厚度为0.02mm。

1)使用不锈钢材料的毛细管作为换热管，设计一种多层螺旋线布管方式，同时通过连接二级集管的方式使毛细管长度减小，换热面积大，管程整体压降减小。

2)毛细管布管时采用交错螺旋布管的方式，一根二级集管单面连接毛细管，壳程流体与管程流体始终保持逆流。

3)固定和支撑二级集管的挡板设计为内部开口的单弓形折流板的形式，不设置拉杆与定距管，折流板在固定和支撑管束(二级集管)的同时起到折流的作用，增加壳程湍流提高换热效率。

4)换热管程采用三级管束，最终汇入进出口管中。弧形毛细管通过钎焊与二级集管连接，二级集管汇入三级圆环管道中。

5)一级毛细管的外径为0.92mm，厚度0.02mm；一级毛细管在二级集管上的布管形式为正三角形布管，管间距设置为1.84mm。

7)一级毛细管与二级集管连接时采用四层交叉排布，每根二级集管上分布四层毛细管，结构紧凑且增加换热面积。

下面逐步结合各个附图对本发明作更为具体的说明：

如图1所示，该毛细管换热器由筒体、一级毛细管、二级集管、三级环管组成，中心为圆柱形中空结构，通过螺旋形布管将毛细管钎焊于二级集管上，二级集管由折流板支撑，最后连接到右端的三级环管中与进出口管连接。二级集管与折流板点焊连接。换热器壳程由前后盖板与筒体焊接而成，并在上下两端设置壳程进出口。

图2为毛细管螺旋布管图，4排一级毛细管16与二级集管5连接，其中二级集管为圆形交错排布，二级集管5-1、5-4、5-5、5-8为集管管程流体入口，其中二级集管5-1连接第一环管13，二级集管5-4与5-5连接第三环管10，二级集管5-8连接第五环管9，第五环管9、第三环管10、第一环管13与管程入口8连接；二级集管5-2、5-3、5-6、5-7为集管管程流体出口，其中二级集管5-2和5-3与第二环管12连接，二级集管5-6和5-7则连接第四环管11，第四环管11和第二环管12与管程出口14连接。这样保证每根环管都统一进液或出液，不存在管程冷热流体混合的现象。通过图2可以看出，每根二级集管5都连接有四排毛细管16，图4可以看出毛细管与二级集管在轴线方向的连接。毛细管换热器整体结构布管密集且体积很小。螺旋布管时，各毛细管选取合理的层间距，使换热效果达到最佳。图2所示各毛细管分布层间距由内层到外层逐渐减小，保证了所有连接集管的毛细管长度相等，使换热更加均匀。

图4中所示为一级毛细管与二级集管的连接示意图，为清晰表示，只取最外两层毛细管布管，其余布管形式见图2。一级毛细管16与外圈二级集管相连，通过弯曲一定的相同曲率与内圈的二极集管连接，整体配合后进行钎焊固定。

图5为本发明中折流板的结构示意图。从图中可以看到固定孔4-1为连接二级集管的开孔，起到支撑整个管程的作用，同时中心孔4-2为整体设备的中心孔，换热器中心为中空的圆柱体，壳程流体在折流板作用下折流，同时经过中空圆柱时再次绕流，使换热更充分。同时不设置拉杆与定距管，将二级集管与折流板点焊连接。

换热管在管板上的布管方式包括正三角形、转角三角形、正方形、转角正方形四种形式，在与集管配合时，正三角形排布的毛细管具有更优的换热性能，如图6、图7所示，因此优选毛细管在二级集管上为正三角形的布管方式，优选管间距为1.84mm。

本发明的工作过程大致如下：

管程流体从管程入口8进入，分流到第五环管9、第三环管10、第一环管13中，流体流经螺旋的毛细管后最终汇入第四环管11、第二环管12，经管程出口14流出。壳程流体由壳程入口15进入后，经过折流板的折流作用，同时由于设备中空设计，流体会再次绕流，最终由壳程出口2中流出。

具体的，管程流体由管程入口8进入，分流至第五环管9、第三环管10、第一环管13后，第一环管13连接二级集管5-1为入口，二级集管5-1中流体分流至毛细管，经过换热后由二级集管5-2至出口第二环管12；同样的第三环管10连接二级集管5-4和5-5同为流体流入口，其中二级集管5-4流体至二级集管5-3连接出口第二环管12，二级集管5-5流体至二级集管5-6连接出口第四环管11；第五环管9连接二级集管5-8为入口，经二级集管5-7连接第四环管11流出。

图8分别示出毛细管换热器的管程流体流向和壳程流体流向。管程流体每一层为顺逆时针交替流向，壳程流体经过折流后再绕流，管程和壳程流体整体为逆流布置，毛细管在二级集管上布管采用正三角形，增大了换热面积。

设备可用于超高温气体的冷却，和高温液体的换热等，换热器操作时，壳程热流体流入壳程入口15，通过壳程折流和绕流，与毛细管充分接触换热后从壳程出口2流出。管程冷流体或制冷剂由管程入口8流入，分流至毛细管中参与换热，最终经管程出口14流出。毛细管中的流体流速快，湍流效果好，不易结垢。

本发明高效紧凑毛细管换热器的制造工艺主要包括以下几个步骤：

第一步：采用冷轧-冷拔的工艺将毛细管加工成型，将加工的毛细管进行气密性实验。

第二步：使用线切割技术切割出需要长度的毛细管，并按照毛细管螺旋布管的弯曲角度进行弯管操作。

第三步：采用精密打孔技术，在二级集管上进行打孔。

第四步：采用针对毛细管的钎焊工艺完成对毛细管的钎焊。

第五步：将钎焊好的模块与折流板装配并点焊，完成筒体和前盖板的焊接。

第六步：将二级集管与前盖板钎焊后，装配焊接后盖板并与集管点焊连接，此时露出前后盖板的集管一端通过承压结构封口，一端与环管钎焊连接，完成整体设备装配。

第七步：管程和壳程分别进行耐压试验和气密性检验。

Claims (5)

1.一种高效紧凑毛细管换热器，其特征在于：包括筒体、一级毛细管、二级集管和三级环管，筒体的中心为圆柱形中空结构，在筒体的一端设置有后盖板，在筒体的另一端设置有前盖板，前盖板、后盖板和筒体之间形成环形空间；在筒体的一端设置有与环形空间连通的壳程入口，在筒体的另一端设置有与环形空间连通的壳程出口；

一级毛细管和二级集管布置在环形空间内，三级环管布置在筒体的外部；所述三级环管包括第一环管、第二环管、第三环管、第四环管和第五环管，其中第一环管、第三环管和第五环管与管程入口管连接，第二环管和第四环管与管程出口管连接；

所述二级集管沿筒体的轴向布设，二级集管的一端封堵，另一端与三级环管连接；二级集管设置多个，按照与筒体轴心的距离不同，共划分成五组，分别为第一组二级集管、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管，第一组二级集管、第二组二级集管、第三组二级集管、第四组二级集管和第五组二级集管相距筒体轴心的距离逐渐增大，且每组二级集管在以轴心为圆心的同心圆上均匀布置；

其中，第一组二级集管的一端均与第五环管连接，第二组二级集管的一端均与第四环管连接，第三组二级集管的一端均与第三环管连接，第四组二级集管的一端均与第二环管连接，第五组二级集管的一端均与第一环管连接；

所述一级毛细管设置多个，一级毛细管连接在相邻两组二级集管之间，一级毛细管呈渐开线形式布置；

在环形空间内沿筒体的径向还间隔设置有多个折流板，折流板的一端与筒体内壁之间形成有方便壳程流体流通的缺口，相邻折流板与筒体内壁之间形成的缺口交错布置；在折流板的中心设置有中心孔，在折流板上布设有若干个固定孔，二级极管从固定孔中穿过并固定。

2.根据权利要求1所述的一种高效紧凑毛细管换热器，其特征在于：所述一级毛细管密集地布置在第一组二级集管和第二组二级集管之间、第二组二级集管和第三组二级集管之间、第三组二级集管和第四组二级集管之间、以及第四组二级集管与第五组二级集管之间；所有一级毛细管整体呈螺旋状布置。

3.根据权利要求2所述的一种高效紧凑毛细管换热器，其特征在于：每个二级集管上均连接有四排一级毛细管，一级毛细管与二级集管上的连接点呈正三角形布置，相邻两个一级毛细管之间的间距为1.84mm。

4.根据权利要求1所述的一种高效紧凑毛细管换热器，其特征在于：所有连接在相邻两组二级集管之间的一级毛细管的长度均相等，其中相邻两组二级集管之间形成一级毛细管分布层，一级毛细管分布层的间距由内层到外层逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种高效紧凑毛细管换热器，其特征在于：所述一级毛细管是由不锈钢材料加工制成的，一级毛细管的外径为0.92mm，厚度为0.02mm。