CN113218218A - 一种铜铝复合材料内外翅片管换热器 - Google Patents

一种铜铝复合材料内外翅片管换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，包括壳体、固定在壳体两端的管板、固定在管板外侧面的封头、若干个平行于管板的挡板和若干个垂直于管板的换热管，所述换热管包括铜管、同心嵌套在铜管内部的铜质内翅片和同心嵌套在铜管外部的铝质外翅片。该铜铝复合材料内外翅片管换热器结构紧凑、合理，使用、拆装、修理方便，增加了壳程换热面积，使得换热器整体的单位体积换热面积高于普通换热器，同时强化了管内外两侧的对流换热，使得整体换热器的换热密度高于普通换热器，铜材和铝材结合的方式使得换热器在增加换热面积的同时使得换热器整体重量保持在较低水平。

Description

一种铜铝复合材料内外翅片管换热器
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种铜铝复合材料内外翅片管换热器。
背景技术
当前我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差，生态环境压力大的主要问题，节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位。实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国，工业是主要的耗能领域，也是污染物的主要排放源。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源(能量)没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因，我国能源利用率仅为33%左右，比发达国家低约10%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。
因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收率达60%，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容。
目前，采用换热器进行余热回收是较为成熟的做法，而换热器中应用最多的是管壳式换热器，因其适用的操作温度与压力范围较大，制造成本较低，清洗方便，处理量大，工作可靠。翅片则是人们改进管式换热器最早也是最成功的方法之一，一般仅在换热管的外侧加装翅片以起到增加传热面积的目的，同时大量加装翅片也造成了换热器整体质量偏重等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，以解决传统换热器传热面积较小且整体质量偏重的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，包括壳体、固定在壳体两端的管板、固定在管板外侧面的封头、若干个平行于管板的挡板和若干个垂直于管板的换热管，所述换热管包括铜管、同心嵌套在铜管内部的铜质内翅片和同心嵌套在铜管外部的铝质外翅片。
优选的，所述封头共设有两个，其中一个所述封头的中心处设有分程隔板，且所述封头的上下两端分别设有管程进口和管程出口，所述壳体一侧的上端设有壳程出口且另一侧的下端设有壳程进口。
优选的，所述铜质内翅片为纵向连续平直翅片，其中铜质内翅片截面上有若干根翅，相邻两根翅之间夹角为25°～35°之间，翅高小于铜管的内半径。
优选的，所述铝质外翅片为纵向连续平直翅片或螺旋翅片中的一种，所述铝质外翅片截面上有若干根翅，其翅高大于铜质内翅片，其翅厚大于铜质内翅片。
优选的，当铝质外翅片采用螺旋状结构时，螺距小于铜管管径，且铝质外翅片上沿着螺旋线开设有槽口或孔，所述槽口可为长方形、梯形或半圆形中的一种，所述槽口宽度不大于20毫米，相邻两个所述槽口之间的距离为40～80毫米，所述孔的内径不大于15毫米。
优选的，所述挡板焊接在壳体的内表面，所述挡板的个数为偶数且均为单弓形，相邻两个所述挡板对称分布且间距相等。
优选的，所述换热管的排列形式为正三角形、正方形、转角正三角形和转角正方形中的一种，相邻两根所述换热管的间距相等。
优选的，所述铜质内翅片和铝质外翅片均通过轧制成型，且与所述铜管的连接方式均为胀接或钎焊连接。
本发明的技术效果和优点：1、结构紧凑、合理，使用、拆装、修理方便。2、换热管内部采用铜质纵向平直翅片，增加了管内换热面积并增加了管内流动扰动，从而综合优化了管内的流动与传热过程。3、换热管外部采用铝质纵向平直翅片，增加了壳程换热面积，使得换热器整体的单位体积换热面积高于普通换热器，同时强化了管内外两侧的对流换热，使得整体换热器的换热密度高于普通换热器。4、铜材和铝材结合的方式使得换热器在增加换热面积的同时使得换热器整体重量保持在较低水平。总而言之，相同重量下其换热能力要显著优于普通管翅式换热器。
附图说明
图1为本发明竖直方向的剖视图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明螺旋翅片换热管的结构示意图。
图4为本发明螺旋翅片换热管中a部分的详图。
图5为本发明螺旋翅片换热管的纵截面图。
图6为本发明螺旋翅片上开槽的结构示意图。
图7为本发明螺旋翅片上打孔的结构示意图。
图中：1、管程进口；2、管板；3、换热管；4、壳程出口；5、壳体；6、挡板；7、壳程进口；8、封头；9、分程隔板；10、管程出口；11、铜管；12、铜质内翅片；13、铝质外翅片；14、槽口；15、孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图中所示的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，包括壳体5、固定在壳体5两端的管板2、固定在管板2外侧面的封头8、若干个平行于管板2的挡板6和若干个垂直于管板2的换热管3，所述换热管3包括铜管11、同心嵌套在铜管11内部的铜质内翅片12和同心嵌套在铜管11外部的铝质外翅片13。
换热管3是换热器的元件之一，置于筒体之内，用于两介质之间热量的交换。具有很高的导热性和良好的等温性。它是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置,而且几乎没有热损耗,因此它被称作传热超导体,其导热系数为铜的数千倍。为了提高换热效率，通常在换热管3的表面通过加翅片，增大换热管的外表面积或内表面积，从而达到提高换热效率的目的。当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。
换热管3的尺寸通常用外径x壁厚来表示，常用的尺寸主要为Φ19mmx2mm、Φ25mmx2.5mm和Φ38mmx2.5mm的无缝钢管以及Φ25mmx2mm和Φ38mmx2.5mm的不锈钢管。标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由Φ25mm改为Φ19mm，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。换热管3在管板2上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。
此外，所述封头8共设有两个，其中一个所述封头8的中心处设有分程隔板9，且所述封头8的上下两端分别设有管程进口1和管程出口10，所述壳体5一侧的上端设有壳程出口4且另一侧的下端设有壳程进口7，方便管侧的流体从封头8的管程进口1进入，受到分程隔板9阻隔，穿过固定在管板2上的多根换热管3到达另一侧封头8，由换热管3返回至进出口侧的封头8，由管程出口10流出。壳侧的流体从壳体5上的壳程进口7进入，在挡板6的引导下，从壳程出口4流出。
重点在于，所述铜质内翅片12为纵向连续平直翅片，其中铜质内翅片12截面上有若干根翅，相邻两根翅之间夹角为25°～35°之间，翅高小于铜管11的内半径， 所述铝质外翅片13为纵向连续平直翅片或螺旋翅片中的一种，所述铝质外翅片13截面上有若干根翅，其翅高大于铜质内翅片12，其翅厚大于铜质内翅片12，当铝质外翅片13采用螺旋状结构时，螺距小于铜管11管径，且铝质外翅片13上沿着螺旋线开设有槽口14或孔15，所述槽口14可为长方形、梯形或半圆形中的一种，所述槽口14宽度不大于20毫米，相邻两个所述槽口14之间的距离为40～80毫米，所述孔15的内径不大于15毫米，所述挡板6焊接在壳体5的内表面，所述挡板6的个数为偶数且均为单弓形，相邻两个所述挡板6对称分布且间距相等，所述换热管3的排列形式为正三角形、正方形、转角正三角形和转角正方形中的一种，相邻两根所述换热管3的间距相等，能有效增加换热面积，强化换热器整体的余热回收能力。
值得一提的是，所述铜质内翅片12和铝质外翅片13均通过轧制成型，且与所述铜管11的连接方式均为胀接或钎焊连接，其中，所述胀接方法以胀接加端面焊为主，先焊后胀，所述钎焊方法以中低温钎焊为主。
工作原理：该铜铝复合材料内外翅片管换热器使用时，管侧的流体从封头8的管程进口1进入，受到分程隔板9阻隔，穿过固定在管板2上的多根换热管3到达另一侧的封头8，由换热管3返回至进出口侧的封头8，由管程出口10流出，壳侧的流体从壳体5上的壳程进口7进入，在挡板6的引导下，从壳程出口4流出。考虑到管侧流体在流入行程时温度较高，所以相对地，壳侧流体对流入行程的管侧流体形成逆流，对流出行程的管侧流体形成顺流。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，包括壳体（5）、固定在壳体（5）两端的管板（2）、固定在管板（2）外侧面的封头（8）、若干个平行于管板（2）的挡板（6）和若干个垂直于管板（2）的换热管（3），其特征在于：所述换热管（3）包括铜管（11）、同心嵌套在铜管（11）内部的铜质内翅片（12）和同心嵌套在铜管（11）外部的铝质外翅片（13）。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述封头（8）共设有两个，其中一个所述封头（8）的中心处设有分程隔板（9），且所述封头（8）的上下两端分别设有管程进口（1）和管程出口（10），所述壳体（5）一侧的上端设有壳程出口（4）且另一侧的下端设有壳程进口（7）。
3.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述铜质内翅片（12）为纵向连续平直翅片，其中铜质内翅片（12）截面上有若干根翅，相邻两根翅之间夹角为25°～35°之间，翅高小于铜管（11）的内半径。
4.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述铝质外翅片（13）为纵向连续平直翅片或螺旋翅片中的一种，所述铝质外翅片（13）截面上有若干根翅，其翅高大于铜质内翅片（12），其翅厚大于铜质内翅片（12）。
5.根据权利要求4所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：当铝质外翅片（13）采用螺旋状结构时，螺距小于铜管（11）管径，且铝质外翅片（13）上沿着螺旋线开设有槽口（14）或孔（15），所述槽口（14）可为长方形、梯形或半圆形中的一种，所述槽口（14）宽度不大于20毫米，相邻两个所述槽口（14）之间的距离为40～80毫米，所述孔（15）的内径不大于15毫米。
6.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述挡板（6）焊接在壳体（5）的内表面，所述挡板（6）的个数为偶数且均为单弓形，相邻两个所述挡板（6）对称分布且间距相等。
7.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述换热管（3）的排列形式为正三角形、正方形、转角正三角形和转角正方形中的一种，相邻两根所述换热管（3）的间距相等。
8.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料内外翅片管换热器，其特征在于：所述铜质内翅片（12）和铝质外翅片（13）均通过轧制成型，且与所述铜管（11）的连接方式均为胀接或钎焊连接。
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