CN111536819A - 一种换热模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，形成第一位置和第二位置，在第一位置，两个管箱的第一侧面贴在在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内的流体进行换热，在第二位置，两个管箱的第二侧面贴在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内之间隔热，从而使得第一侧面和第二侧面形成一个连续的换热面对外换热。本发明提供了一种换热模块，可以通过设置不同的位置状态，使得流体或者处于两种流体换热状态，或者处于一种流体共同的对外传热状态，提高换热部件的实用性。

Description

一种换热模块

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体涉及一种可以自由组合实现模块本身换热以及共同对外换热的换热模块。

背景技术

热交换器作为一种先进的换热器，主要应用于液-液，汽-液之间热交换的传递，使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体或者使温度较低的流体通过吸收热量使其温度升高，从而达到快速热交换的目的，被广泛应用于石油化工，生物制药，食品加工,船舶业等领域。例如制胺系统中的热回收，冷却，冷凝及再沸腾。例如在原油脱盐脱水系统中的热回收，加热及冷却。例如对烯烃、芳烃，醛，酸，醚，酯，酮，和卤素等的冷凝，加热及冷却，热回收和再沸腾。在肥料加工生产中，被应用于氮气，二氧化碳气体冷却等。在暖通行业中，也被广泛应用于汽-水、水-水热交换的供暖系统以及汽-水、水-水热交换的热水供应系统。随着工业不断进步及环保要求下的节能减排，且对于减少设备占用场地及建筑低成本的高要求下，对热交换器的要求也越来越高。

目前传统的管壳式换热器已被广泛应用于石油化工，生物医药，食品加工生产等诸多领域。但由于其体积大换热效率低，节能效果差等原因而不足以满足各行业的工况要求。以国家标准GB151-1999管壳式换热器为例，传统管壳式换热器外形为圆形柱体，其结构由封头、筒体、传热管、折流板、鞍形支座、接管等组成且传热管为直管，壁厚在2mm以上，管程多为单程，管子较长，管程内部没有分层扰流，单位体积内的换热面积较小，造成体积大且传热效果较低。其结构不易拆卸，导致结垢后不易清洗。再者结构不紧凑，占地面积较大，对于设备建筑布置要求较高。

传统固定管板式换热器是由管程和壳程两种不同介质通过换热管来实现热交换，其中一种介质走管程，另一种介质走壳程。但在实际工程中，经常会遇到下列情况：1)需要两种介质互相进行热交换；2)具有不同压力、温度或不能相互混合的壳程介质与同一介质进行热交换；3)节能改造时，对于原有固定管板式换热器无法满足更高的热交换要求时，通常的做法是重新设计、制造更大直径的换热器或制造额外的换热器并联或串联操作来达到新的使用需求，但弃置原有的换热器，无疑是一种浪费。

发明内容

本发明的主要目的之一是提供一种换热模块，该换热模块组合成新的换热器，实现同一模块中不同介质互相换热，或者不同介质和第三种介质换热，解决复杂、多股介质的工况和满足改造中原有固定管板式换热器重复利用的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面、下部面和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面形成第一边部，所述第一侧面不设置保温层，第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，形成第一位置和第二位置，在第一位置，两个管箱的第一侧面贴在在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内的流体进行换热，在第二位置，两个管箱的第二侧面贴在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内之间隔热，从而使得第一侧面和第二侧面形成一个连续的换热面对外换热。

作为优选，所述连接部件包括第一部件和第二部件，分别设置在第一管箱和第二管箱的第一面，旋转件设置在第一部件和第二部件之间。

作为优选，上部面、下部面上设置流体进口和流体出口。

作为优选，上部面、下部面是正方形。

作为优选，第一管箱的第一侧面设置凸起，第二管箱的第一侧面设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第一位置第一侧面紧密配合。

作为优选，第一管箱的第二侧面设置凸起，第二管箱的第二侧面设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第二位置第二侧面紧密配合。

作为优选，第一管箱的第二侧面和第二管箱的第二侧面通过卡扣方式连接。

一种换热装置，包括多个换热模块，其中换热模块位于相同的位置状态，所述相邻的换热模块上部面下部面连接。

一种换热装置，包括四个换热模块，其中换热模块位于第二位置，第一换热模块和第二换热模块位于两侧，其中第一面相反设置，第三、第四换热模块互相抵靠且第一面相反设置，其中第三第四换热模块设置在第一、第二换热模块之间，从而使得换热面向外。

一种换热装置，包括四个换热模块，其中换热模块位于第一位置，四个换热模块的换热面向内，相邻换热模块的边部连接，四个换热模块的换热面之间形成一个正方形通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种新的换热模块，该换热模块设置两种工作位置，通过两种工作位置可以实现同一模块两种不同的流体的互相之间的换热以及一种或者两种流体对外的共同换热。

2)本换热模块可以进行自由组合，形成不同长度和不同换热需求的换热器，适用范围广。

3)换热模块便于更换，拆卸方便，保证换热器的寿命，避免全部换热器的更换，节省成本。

4)本发明换热模块可以组合成方形五边形等多边形状，可以实现不同位置不同形状不同空间的全面换热。

5)本发明通过大量的研究对换热模块结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估换热性能和泵功消耗。

6)本发明的一个发明点就是提出了奴赛尔数的计算模型，并且通过大量的模拟和实验确定了参数m，n的取值范围，尤其是随着H/L的不断变化的取值范围也进行相应的变化。

附图说明：

图1为换热模块位于第一位置的结构示意图；

图2为换热模块位于第二位置的结构示意图；

图3为换热模块长度和高度方向上延伸的主视图；

图4为图3的立体图；

图5为形成长方体的换热器主视图；

图6为图5的立体图；

图7为四个换热模块组合的结构示意图；

图8为图7的立体图；

图9为折叠式换热模块结构示意图；

图10为图9的立体图；

图11是换热模块第三位置示意图；

图12是图11的俯视图；

图13是两个第三位置换热模块组合的换热器示意图；

图14是图13的俯视图；

图15、图16是换热模块尺寸示意图。

附图标记如下：

换热模块1，管箱11，上部面12，下部面13，第一侧面14，第二侧面15，第一边部16，接部件17，第一部件171，第二部件172，旋转件173

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。

图1公开了一种换热模块。如图所示，一种换热模块1，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱11，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面12、下部面13和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面14和第二侧面15，第一侧面14和第二侧面15形成第一边部16，所述第一侧面14不设置保温层，所述第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件17，所述连接部件17一部分设置在所述第一管箱的第一侧面14的第一边部16位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件17转动，形成第一位置和第二位置，如图2所示，在第一位置，两个管箱的第一侧面14贴在在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内的流体进行换热，如图1所示，在第二位置，两个管箱的第二侧面15贴在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内之间隔热，从而使得第一管箱和第二管箱的第一侧面14形成一个连续的换热面对外换热。

作为优选，第一侧面14不设置保温层，其余三个侧面设置保温层。通过如此设置，可以使得第一位置第一管箱和第二管箱流体进行换热时对外形成保温。

作为优选，在第一位置，第一管箱和第二管箱内的流体不同，从而使得它们之间互相传热。

作为优选，在第二位置，第一管箱和第二管箱内的流体可以相同，从而使得一种流体对外进行换热。

作为优选，在第二位置，第一管箱和第二管箱内的流体可以不同，从而使得两种流体同时和第三种流体进行换热，从而使得多种流体之间形成换热。

针对第二位置流体不同情况，适用于同时需要利用两种流体热量，但是两种流体无法进行混合情况下。

本发明提供了一种新的换热模块，该换热模块设置两种工作位置，通过两种工作位置可以实现同一模块两种不同的流体的互相之间的换热以及一种或者两种流体对外的共同换热。从而使得一种换热模块实现多种不同的换热方式。

作为优选，所述连接部件17包括第一部件171和第二部件172，分别设置在第一管箱和第二管箱的第一侧面，旋转件173设置在第一部件171和第二部件172之间。

作为优选，上部面12、下部面13上设置流体进口和流体出口。这样使得流体形成连续流动性换热。

作为优选，上部面12、下部面13是正方形。

作为优选，第一管箱的第一侧面14设置凸起，第二管箱的第一侧面14设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第一位置第一侧面紧密配合。通过上述凸起凹部的互相配合，使得两个管箱紧紧贴在一起，从而使得位置相对固定，减少接触热阻。

作为优选，第一管箱的第一侧面14和第二管箱的第一侧面14之间通过卡扣件扣合在一起。

作为优选，第一管箱的第二侧面设置凸起，第二管箱的第二侧面设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第二位置第二侧面紧密配合。通过上述凸起凹部的互相配合，使得两个管箱紧紧贴在一起，从而使得位置相对固定。

作为优选，第一管箱的第二侧面和第二管箱的第二侧面通过卡扣方式连接。

上述的换热模块可以进行组合，形成多种不同的换热装置，满足不同的需求。

如图3、4所示的换热装置，包括多个在高度方向堆叠的多个换热模块，和/或在长度方向上排列的多个换热模块，从而使得换热模块构成立方体的换热装置。在高度方向上，换热模块上部面和下部面分别与相邻的换热模块的下部面和上部面连接，从而使得流体能够在多个换热模块之间流动。在长度方向上，换热模块通过相邻的侧面连接，从而使得相同流体或者不同流体对外进行换热。

例如存在四种不同流体需要对外进行换热时候，则需要至少两个设置成第二位置的模块来满足要求。

作为优选，需要四种流体彼此互相之间换热时候，则需要将两个模块都设置呈第二位置，两个模块的换热面贴在一起，从而形成四种流体交互换热。

通过上述设置，使得换热装置可以实现多流体的换热，适用能力强，满足全方位的换热需求。

图3、4的换热装置，上述的换热模块位于相同的位置状态，例如同时属于第一位置或者第二位置。

作为优选，上部面和下部面分别设置凸起和凹槽，从而使得上部面和下部面可以安装在一起，便于拆卸。

作为优选，相邻的上部面和下部面可以通过卡扣的方式结合在一起。便于安装和拆卸。

图5、图6展示了四个模块组成的换热装置。如图5、6所示，换热装置包括四个换热模块1。

作为优选，四个换热模块位于第二位置，第一换热模块和第二换热模块位于两侧，其中换热面面向外部，第三、第四换热模块互相抵靠且换热面面向外部，其中第三第四换热模块设置在第一、第二换热模块之间，从而形成一个长方体换热装置。

上述换热结构可以实现一种或者多种流体共同对外换热，例如将换热装置浸没在流体中进行换热。上述换热结构最多可以实现8种流体对外的共同换热，适应范围广泛。

图7、图8展示了四个模块组成的换热装置。如图7、8所示，换热装置包括四个换热模块1。

作为优选，其中换热模块位于第二位置，四个换热模块的换热面向内，相邻换热模块的边部连接，四个换热模块的换热面之间形成一个正方形流体通道。上述换热结构可以实现一种或者多种流体共同对外换热，例如将流体从流体通道中流过进行换热。上述换热结构最多可以实现8种流体对外的共同换热，适应范围广泛。

作为优选，不限于四块，可以限于三块或者更多，例如可以组成三角形或者其他多边形结构。可以实现更多种流体对外的共同换热，适应范围广泛。

图9、图10展示了多个换热模块，多个换热模块位于第二位置，换热模块的换热面向内，相邻换热模块的边部连接，多个换热模块的换热面之间形成一个多方形流体通道。上述换热结构可以实现一种或者多种流体共同对外换热，例如将流体从流体通道中流过进行换热。上述换热结构最多可以实现多种流体对外的共同换热，适应范围广泛。

作为优选，图5－图10的换热装置的换热模块可以在高度上叠置多层。从而形成一个大面接的换热区域。

作为优选，不同换热模块的相邻换热箱之间设置旋转件。如图14所示。

作为优选，如图11所示，所述换热模块1还具有第三位置，所述第三位置介于第一位置和第二位置之间，在第三位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面之间形成夹角a，0<a<180度(角度)，作为优选，30－150度之间。通过设置第三位置，可以使得换热模块之间组合更加方便。例如，多个换热模块之间的边部结合，可以随意组合合适的形状，甚至不规则形状。

作为优选，如图12所示，所述换热模块为两个，每个处于第三位置，a为90度，两个换热模块的边部，从而在内侧形成流体通道，所述的第一侧面面向流体通道。上述换热结构可以实现一种或者多种流体共同对外换热，例如将流体从流体通道中流过进行换热。上述换热结构最多可以实现4种流体对外的共同换热，适应范围广泛。

作为优选，所述换热模块为上下多层结构，类似图3的结构。

所述换热模块不限于两块，可以多块，从而构成多边形，例如六边形或者八边形。

作为一个改进，本发明通过大量的研究对换热模块结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估换热性能和泵功消耗。

作为优选，所述换热模块第一管箱和第二管箱是长方体，第一侧面和第二侧面是由长度和高度形成的面，第一管箱和第二管箱的第一侧面之间形成夹角a，或者不同换热模块的相邻换热箱之间的第一侧面之间形成的夹角为a，其中h为流体对流换热系数，λ为流体的导热系数，L为传热面的长度，H为换热模块形成的换热器的高度，

换热箱外侧与流体的对流换热，努塞尔数计算如下：

当α＜90°时，

Nu＝m*(Ra*cos(a))ⁿ；

当α≥90°时

Nu＝m*(Ra*cos(180°-a))ⁿ；

Ra＝Pr·Gr

Nu＝(h*H)/λ

其中m，n是修正参数，具体取值如下：

当H/L<4，0.166<m<0.167，0.280<n<0.290；作为优选，m＝0.1665,n＝0.285；

当8>H/L>＝4，0.167<＝m<0.168，0.290<＝n<0.300；作为优选，m＝0.1675,n＝0.295；

当12>H/L>＝8，0.1678<＝m<0.1687，0.298<＝n<0.309；作为优选，m＝0.1683,n＝0.305；

作为优选，H/L<8时，随着H/L增加，m,n数值也不断增加。

其中Nu为换热箱外侧的努塞尔数；

Ra为瑞利数；

Pr为普朗特数；

Gr为格拉晓夫数；

α为换热箱之间的夹角，单位为度；

h为换热箱外侧与流体的对流换热系数，单位为W/(m²·K)

λ为换热箱外侧流体的导热系数，单位为W/(m·K)

H为传热面的几何特征长度，单位为m,在此案例中为换热箱的高度，或者组合的多个换热箱总高度，例如图3、图4几何特征长度就是两个换热箱的高度和。

作为优选，当角度不同时，选取角度的加权平均值进行计算。

本发明通过大量的研究对换热模块结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估换热性能和泵功消耗，为进一步设计提供了很好的设计依据，提高了设计的准确性。

本发明的一个发明点就是提出了奴赛尔数的计算模型，并且通过大量的模拟和实验确定了参数m，n的取值范围，尤其是随着H/L的不断变化的取值范围也进行相应的变化。这也是本申请的一个发明点。

作为优选，换热箱外侧的流体优选为气体。

作为优选，换热箱高度方向设置。

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 (8)

1.一种换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面、下部面和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面形成第一边部，所述第一侧面不设置保温层，第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，形成第一位置和第二位置，在第一位置，两个管箱的第一侧面贴在在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内的流体进行换热，在第二位置，两个管箱的第二侧面贴在一起，从而使得第一管箱和第二管箱内之间隔热，从而使得第一侧面和第二侧面形成一个连续的换热面对外换热。

2.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，所述连接部件包括第一部件和第二部件，分别设置在第一管箱和第二管箱的第一面，旋转件设置在第一部件和第二部件之间。

3.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，上部面、下部面上设置流体进口和流体出口。

4.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，上部面、下部面是正方形。

5.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，第一管箱的第一侧面设置凸起，第二管箱的第一侧面设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第一位置第一侧面紧密配合。

6.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，第一管箱的第二侧面设置凸起，第二管箱的第二侧面设置凹部，凸起和凹部互相配合，从而使得第二位置第二侧面紧密配合。

7.如权利要求1所述的换热模块，其特征在于，第一管箱的第二侧面和第二管箱的第二侧面通过卡扣方式连接。

8.一种多模块换热器，所述换热器包括多个换热模块。

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