CN109855451A - 一种均匀分配流量的蒸汽换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均匀分配流量的蒸汽换热器，包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热管内的热源是蒸汽；所述换热器包括进口管，所述进口管设置在下集管上，所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成；不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长越大。本发明通过设置正方形通孔的边长随着距离进口管的变化，使得流体向流动阻力小的距离进口管远的换热管内流动，从而使得流体在换热管内分配均匀，提高了换热效率，提高了使用寿命。

Description

一种均匀分配流量的蒸汽换热器

技术领域

本发明涉及换热器，尤其是涉及一种管壳式换热器。

背景技术

浸没式管壳换热器近些年被广泛应用于汽车空调单元以及住宅或商业空调换热器。此种换热管内部设置多个小的通道，在使用时，换热流体流过换热管内的多个通道。因为换热管换热面积大，因此能够大大提高换热效果。

现有技术中，存在着换热管因为距离入口管远近问题而导致流量分配不均匀问题，例如，距离入口管越近，换热管内流体流量越多，而距离入口管越远，换热管流体流量就越少。现有技术都是采用在集箱中设置了流量分配不见或者压力分配部件，通过流量或者压力分配的方式来使得换热管内流量分配均匀，但是造成部件增加，制造困难，成本增加。本发明提供了一种新的流量分配措施，使得整个换热器管中流量分配均匀。

针对上述问题，本发明提供了一种新的管壳式换热器，从而解决换热管换热的情况下的内部压力不均匀的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的换热管换热器，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种均匀分配流量的蒸汽换热器，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热管内的热源是蒸汽；所述换热器包括进口管，所述进口管设置在下集管上，其特征在于：所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置；所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边；

不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长越大。

作为优选，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长变大的幅度越来越高。

作为优选，距离进口管最远处的换热管内的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的扁平换热管内的正方形通孔的边长的1.1-1.2倍。

作为优选，距离进口管最远处的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的正方形通孔的边长的1.15 倍。

作为优选，换热管是正方形管。

作为优选，所述分隔装置包括下面两种类型中的至少一种，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形通孔位于换热管的中心，第二种类型是正八边形中心分隔装置，正八边形通孔位于换热管的中心。

作为优选，相邻设置的分隔装置类型不同。

作为优选，所述换热管的横截面是正方形。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形通孔的边长为L1，换热管的边长为L2，满足如下要求：

S1/L2＝a*(L1/L2)²+b*(L1/L2)-c

其中a,b,c是参数，其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21，0.43<c<0.44；

9<L2<58mm；

1.9<L1<3.4mm；

15<S1<31mm。

进一步优选，a＝39.87,b＝9.20.c＝0.432

与现有技术相比较，本发明的扁平换热管具有如下的优点：

1)本发明通过设置正方形通孔的边长随着距离进口管的变化，使得流体向流动阻力小的距离进口管远的换热管内流动，从而使得流体在换热管内分配均匀，提高了换热效率，提高了使用寿命。

2)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置汽液两相流换热器，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔装置将两相流体分离成液相和汽相，将液相分割成小液团，将汽相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

3)本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

4)本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

5)本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

6)本发明通过在换热管内流体流动方向上设置相邻分隔装置之间的距离、分隔装置的孔的边长、换热管的管径、管间距等参数大小的规律变化，研究了上述参数的最佳的关系尺寸，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

7)本发明通过对环形分隔装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。

附图说明

图1是本发明换热器的结构示意图；

图2本发明分隔装置结构示意图；

图3是本发明分隔装置另一结构示意图；

图4是本发明分隔装置在换热管内布置的示意图。

图5是本发明分隔装置在换热管内布置横截面示意图。

图6-1是本发明换热管外布置外翅片截面示意图。

图6-2是本发明换热管外布置外翅片截面另一个实施例示意图。

附图标记如下：

1换热管，2外部翅片，3入口管，4出口管，5，分隔装置，正方形通孔51，正八边形通孔52，边 53，8上集箱，9下集箱

具体实施方式

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。

一种换热器，如图1所示，所述换热器包括上集箱8和下集箱9以及设置在上下集箱8,9之间的换热管1。作为优选，所述换热管外部设置翅片2。所述换热器可以是蒸汽换热器，所述蒸汽作为热源在换热管1内流动。以加热换热管周围的冷源，例如水等。这样导致在换热管1内形成汽液两相流。

如图2至3所示，在换热管1内设置环形分隔装置5。所述环形分隔装置5的结构见图2至3。所述分隔装置5是片状结构，所述片状结构在换热管1的横截面上设置；所述分隔装置5为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔51和正八边形通孔52。如图3所述正方形通孔51的边长等于正八边形通孔52的边长，所述正方形通孔的四个边53分别是四个不同的正八边形通孔的边53，正八变形通孔的四个互相间隔的边53分别是四个不同的正方形通孔的边53。

本发明采用新式结构的分隔装置，具有如下优点：

1)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔装置将两相流体分离成液相和汽相，将液相分割成小液团，将汽相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2)本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3)本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4)本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

本发明通过设置环形分隔装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将汽液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现汽液界面以及汽相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，所述分隔装置包括两种类型，如图2,3所示，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形位于换热管或者冷凝管的中心，如图3所示。第二种是正八边形中心分隔装置，正八边形位于换热管或者冷凝管的中心，如图2所示。作为一个优选，上述两种类型的分隔装置相邻设置，即相邻设置的分隔装置类型不同。即与正方形中心分隔装置相邻的是正八边形中心分隔装置，与正八边形中心分隔装置相邻的是正方形中心分隔装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得通过大孔的流体接下来通过小孔，通过小孔的流体接下来通过大孔，进一步进行分隔，促进汽液的混合，使得分隔和换热效果更好。

作为优选，所述换热管1的横截面是正方形。

作为优选，如图6-1，6-2所示，在换热管1的管壁的外部设置翅片2。

作为优选，所述翅片2为直板状，所述翅片是纵向翅片，沿着换热管长度方向延伸。

作为优选，如图6-2所示，沿着换热管内流体的流动方向，即沿着换热管的高度方向，外部翅片2 高度(从换热管壁面向外延伸的长度)不断的增加，高度增加的幅度越来越大。因为随着流动的流动，内外温差相差越来越小，吸热能力越来越差，通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积，以增加吸热量，使得整体上的吸热量达到均匀化。实验发现，通过如此设置，与翅片高度完全相同相比，可以提高大约5％的换热效率。

作为优选，所述管壁上设置多个翅片2。同一面的管壁上，沿着换热管1横截面的中间向两侧，所述翅片2的高度不断减少。其中，位于换热管1的中间位置，翅片的高度最高。

因为通过试验发现，换热管在中部散热最多，从中部向两侧，散热逐渐变小，因此通过设置换热管的外部翅片高度变化，这样使得换热管的散热面积在中部最大，在两侧最小，使得中部散热能力最大，这样符合换热管热量的散热规律，使得整体上换热管散热均匀，避免换热管局部温度过热，造成散热效果过差，造成换热管寿命的缩短。

作为优选，所述换热器包括进口管3和出口管4，所述进口管3设置在下集管9上，出口管4设置在上集管8上。主要是因为换热管流动的是蒸汽，因此将进口管3设置在下部。

作为优选，所述进口管3和出口管4设置在换热器的同一侧，例如，如图1所示都设置在换热器左侧。

作为优选，不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的正方形通孔的边长越大。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为边长小导致的流通面积越小，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，例如图1中的管子a,b,c,d,e,f距离进口管3越来越远，所述的换热管内的正方形通孔的边长的幅度越来越高。通过实验发现，通过换热管内的正方形通孔的边长的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。即管a正方形通孔的边长<管b正方形通孔的边长<管c 正方形通孔的边长<管d正方形通孔的边长……，依此类推。

作为优选，距离进口管最远处的换热管内的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的扁平换热管内的正方形通孔的边长的1.1-1.2倍。

作为优选，距离进口管最远处的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的正方形通孔的边长的1.15 倍。

作为优选，每根换热管内的分隔装置的数量相同。

作为优选，不同的换热管内的分隔装置5的分布数量不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的分隔装置的分布数量越来越少。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为分隔装置的分布数量多，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的分隔装置分布数量的分布数量变少的幅度越来越高。通过实验发现，通过数量变大的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。

距离进口管3最远处的换热管内的分隔装置分布数量是距离进口管3最近处的换热管内的连通孔6 的分布数量的0.8-0.9倍，优选为0.85倍。

作为优选，不同的换热管的管径不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管管径越大。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为换热管管径小，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管管径越大的幅度越来越高。通过实验发现，通过管径变大的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。

距离进口管3最远处的换热管内的管径是距离进口管3最近处的换热管管径的0.85-0.9倍，优选为0.88倍。

作为优选，沿着换热管内流体流动的方向，换热管1的管径不断的减小。主要原因如下：1)因为随着流体的不断的流动，蒸汽在换热管内不断的冷凝，从而使得流体体积越来越小，压力也越来越小，因此通过减少管径来满足不断增加的流体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀，换热均匀。 2)通过吸热管的管径的减小，可以节约材料，降低成本。

作为优选，沿着流体流动的方向，换热管的管径不断的减小的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，从换热管1的入口到换热管1的出口，分隔装置之间的间距越大。设距离换热管入口的距离为H，相邻分隔装置之间的间距为S，S＝F₁(H)，即S是以高度H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’>0；

主要原因是因为流体中含有汽体，因此沿着流体的流动方向，汽体因为换热管内流体放热而冷凝，从而冷凝成液相，这导致沿着换热管内流体的流动方向，汽体会越来越少，汽液两相流中的汽相越来越少，换热管内的换热能力会随着汽相转化为液相而不断的增加，震动及其噪音也会随着汽相转化为液相而不断的降低。因此，可以将分隔装置的间距变大，这样一方面可以减少流动阻力，另一方面也能保持低噪音和低震动，而且还能因为分隔装置作为内翅片的分布越来越少，保持整个换热管上的换热均匀，而且还可以节省材料。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以提高换热效果。

进一步优选，从换热管1的入口到换热管1的出口，相邻分隔装置之间的距离越来越长的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0；

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低5％左右的震动和噪音，同时提高6％左右的换热效果。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，从换热管1的入口到换热管1的出口，正方形的边长越来越大。距离换热管入口的距离为H，正方形的边长为C，C＝F₂(H)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’>0；

进一步优选,换热管1的入口到换热管1的出口，正方形的边长越来越大的幅度不断的增加。C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0。

具体理由参见前面分隔装置间距变化。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离保持不变。

作为优选，所述换热管内壁设置缝隙，所述分隔装置的外端设置在缝隙内。

作为优选，换热管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分隔装置。

通过分析以及实验得知，分隔装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，正方形的边长也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力(总承压为2.5Mpa 以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5Pa/M)的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形通孔的边长为L1，换热管为正方形截面，换热管正方形截面的边长为L2，满足如下要求：

S1/L2＝a*(L1/L2)²+b*(L1/L2)-c

其中a,b,c是参数，其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21，0.43<c<0.44；

9<L2<58mm；

1.9<L1<3.4mm；

15<S1<31mm。

进一步优选，a＝39.87,b＝9.20.c＝0.432

进一步优选，随着L1/L2的增加，a,b越来越大，c越来越小。

作为优选，正方形通孔的边长L1是正方形通孔内边长和外边长的平均值，换热管正方形截面的边长L2是换热管内边长和外边长的平均值。

作为优选，正方形通孔的外边长等于换热管正方形截面的内边长。

作为优选，随着L2的增加，L1也不断增加。但是随着L2的增加，L1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着L2的增加，S1不断减小。但是随着L2的增加，S1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

通过分析以及实验得知，换热管的间距也要满足一定要求，例如不能过大或者过小，无论过大或者过小都会导致换热效果不好，而且因为本申请换热管内设置了分隔装置，因此分隔装置也对换热管间距有一定要求。因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力(总承压为2.5Mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5Pa/M)的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形的边长为L1，换热管为正方形截面，换热管的边长为L2，相邻换热管中心之间的间距为S2满足如下要求：

S2/L2＝d*(S1/L2)²+e-f*(S1/L2)³-h*(S1/L2)；

其中d,e,f,h是参数，

0.280<d<0.285,1.342<e<1.350,0.060<f<0.065,0.169<h<0.171；

9<L2<58mm；

1.9<L1<3.4mm；

15<S1<31mm。

16<S2<76mm。

相邻换热管中心之间的间距为S2是指换热管中心线之间的距离。

进一步优选，d＝0.282,e＝1.347,f＝0.062，h＝0.170；

作为优选，随着S1/L2的增加，d，e越来越大，f，h越来越小。

作为优选，随着L2的增加，S2不断增加，但是随着L2的增加，S2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果。

作为优选，换热管长度L为2000－2500mm之间。进一步优选，2200－2300mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

作为优选，换热管内流体是水。

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 (6)

1.一种均匀分配流量的蒸汽换热器，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热管内的热源是蒸汽；所述换热器包括进口管，所述进口管设置在下集管上，其特征在于：所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置；所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边；

不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长越大。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长变大的幅度越来越高。

3.如权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，距离进口管最远处的换热管内的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的扁平换热管内的正方形通孔的边长的1.1-1.2倍。

4.如权利要求3所述的换热器，其特征在于，距离进口管最远处的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的正方形通孔的边长的1.15倍。

5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，换热管是正方形管。

6.一种蒸汽换热器，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热管内的热源是蒸汽；所述换热器包括进口管，所述进口管设置在下集管上，其特征在于：所述换热管内设置分隔装置。