CN117190755A - 一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器，涉及换热装置产品设计技术领域，具体包括壳体和传热管束，所述壳体内设置有多个并排设置的传热管束，且壳体内固定连接有多个挡板，所述壳体主要由两个相对设置的圆筒构成，且两个圆筒相对的一端均固定有所述筋板，筋板之间固定有中间垫片，两个圆筒的顶部均开设有冷媒进口且圆筒的底部均开设有冷媒出口，壳体的一侧顶部开设有热媒出口，且壳体的一侧底部开设有热媒进口，壳体的另一侧底部开设有排热媒口，壳体另一侧的顶部开设有补气口。本发明优化管程，热媒和冷媒采用逆流的方式，延长对流流体换热时长，实现了长管程、小流量、大温差，满足低温/高温流体的需求，且系统稳定性更好。

Description

一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器及设计方法

技术领域

本发明涉及换热装置产品设计技术领域，具体是一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器及设计方法。

背景技术

随着绿色发展理念深入人心，节能环保要求越来越高，热交换器技术创新也日益加快。特别是在极端高温/低温应用场景，热交换器的极端承受温度、换热效率、耐久性等问题迎来了新挑战。通过合适的选材、合理的热传导和热阻设计等，设计出节能、高效的热交换器，助力“双碳”目标。

目前，传统的壳管式热交换器以单程式为主，管程短，要实现高温供水必须提高一级热媒温度或延长换热器管程，导致热交换器体积大、成本增加使得其在空间受限的场合无法使用。

因此，开发一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器是非常有必要的，在保证体积小的基础上，更大程度的满足工业或建筑中高温/低温流体的需求，实现速热，本发明可助力热交换器领域不断创新升级，将热交换器技术更好的融入低碳、绿色和高效的产业发展中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器及设计方法，来解决实际使用中所遇到的问题。

本发明的目的在于提供一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器及设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器，包括壳体和传热管束，所述壳体内设置有多个并排设置的传热管束，且壳体内固定连接有多个挡板，通过挡板将壳体内分成多个区域，所述壳体主要由两个相对设置的圆筒构成，且两个圆筒相对的一端均固定有所述筋板，筋板之间固定有中间垫片，两个圆筒的顶部均开设有冷媒进口且圆筒的底部均开设有冷媒出口，壳体的一侧顶部开设有热媒出口，且壳体的一侧底部开设有热媒进口，壳体的另一侧底部开设有排热媒口，壳体另一侧的顶部开设有补气口。

优选的，所述挡板由多个并排设置的横向挡板和一个纵向挡板构成，且纵向挡板穿过每个横向挡板的中部并与横向挡板相互垂直，通过挡板的设置，将壳体内分为多个区域。

基于上述换热器的具体设计选型方法如下：

第一步，根据应用场景确定管程中冷/热媒温度进出口温度t₁、t₂，以及冷/热量φ_k；

第二步，确定热交换器壳程内的饱和温度t_k，饱和温度t_k包括蒸发温度和冷凝温度；

第三步，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内平均对数传热温差Δt_m；

第四步，根据管程中冷/热量φ_k，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内冷/热媒流量M_w，式中，c_p为管程内流体的比热容，Δt_w＝t₂-t₁为冷/热媒进出口温差；

第五步，根据经济因素和运行能耗因素，假定管程内经济流速v和管径d，根据管程内冷/热媒流量M_w，按照公式计算出每流程管束数目m，式中，ρ为管程内冷/热媒的密度；

第六步，根据冷/热量φ_k和平均对数传热温差Δt_m，按照公式φ_k＝K_cAΔt_m，计算出大温差、小体积热交换器的总换热面积A，式中，K_c为热交换器传热系数；

第七步，根据管程直径d和每流程管束数目m，按照公式计算出基于区域分割的大温差、小体积热交换器内流程的总长度L；

第八步，根据流程的总长度L，按照公式计算出流程数n，式中l为每流程长度，根据流程数n，进行分区划分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)热交换器内优化管程，热媒和冷媒采用逆流的方式，延长对流流体换热时长，实现了长管程、小流量、大温差，满足低温/高温流体的需求，且系统稳定性更好。

(2)颠覆性地采用全新的区域分割法，管程布置在各个区域内，使冷热流体在热交换器中分别以“S”型的方式流经各个分区，换热更充分，出水温度高，换热效率高，实用性强。

附图说明

图1为一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器的结构示意图。

图2为一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器中A-A处的截面图。

图3为一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器的右视图。

如图所示：1、壳体；2、传热管束；3、挡板；4、筋板；5、中间垫片；6、冷媒进口；7、冷媒出口；8、热媒进口；9、热媒出口；10、排热媒口；11、补气口。

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。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器，包括壳体1和传热管束2，所述壳体1内设置有多个并排设置的传热管束2，且壳体1内固定连接有多个挡板3，通过挡板3将壳体1内分成多个区域，所述壳体1主要由两个相对设置的圆筒构成，且两个圆筒相对的一端均固定有所述筋板4，筋板4之间固定有中间垫片5，两个圆筒的顶部均开设有冷媒进口6且圆筒的底部均开设有冷媒出口7，壳体1的一侧顶部开设有热媒出口9，且壳体1的一侧底部开设有热媒进口8，壳体1的另一侧底部开设有排热媒口10，壳体1另一侧的项部开设有补气口11。

所述挡板3由多个并排设置的横向挡板和一个纵向挡板构成，且纵向挡板穿过每个横向挡板的中部并与横向挡板相互垂直，通过挡板3的设置，将壳体1内分为多个区域。

需要说明的是，本发明内部划分为多个分区，为增加换热器的流程，传热管束2布置在壳体1内的各区域中，壳体1内流体流向为从上到下呈“S”型流经各分区，传热管束2内流体流向沿管从下往上呈“S型”流经各个分区，冷媒与热媒逆流的方式提高了换热效率，增大了换热面积。

基于上述换热器的具体设计选型方法如下：

第一步，根据应用场景确定管程中冷/热媒温度进出口温度t₁、t₂，以及冷/热量φ_k；

第二步，确定热交换器壳程内的饱和温度t_k，饱和温度t_k包括蒸发温度和冷凝温度；

第三步，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内平均对数传热温差Δt_m；

第四步，根据管程中冷/热量φ_k，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内冷/热媒流量M_w，式中，c_p为管程内流体的比热容，Δt_w＝t₂-t₁为冷/热媒进出口温差；

第五步，根据经济因素和运行能耗因素，假定管程内经济流速v和管径d，根据管程内冷/热媒流量M_w，按照公式计算出每流程管束数目m，式中，ρ为管程内冷/热媒的密度；

第六步，根据冷/热量φ_k和平均对数传热温差Δt_m，按照公式φ_k＝K_cAΔt_m，计算出大温差、小体积热交换器的总换热面积A，式中，K_c为热交换器传热系数；

第七步，根据管程直径d和每流程管束数目m，按照公式计算出基于区域分割的大温差、小体积热交换器内流程的总长度L；

第八步，根据流程的总长度L，按照公式计算出流程数n，式中l为每流程长度，根据流程数n，进行分区划分。

以下以冷量φ_k为1000kW的大温差、小体积热交换器且热媒以水为例，详细描述该部件的设计：

(1)设定管程内热媒进口温度t₁为35℃和热媒出口温度t₂为120℃，按照公式 计算出基于区域分割的大温差、小体积热交换器管程内平均对数传热温差Δt_m为33℃。式中，t_k为壳程内冷媒的冷凝温度，取值127℃。

(2)根据管程内冷量φ_k为1000kW，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内热媒流量M_w为2.81kg/s。式中，c_p为热媒的比热容，取值4.18J/(g·℃)。热媒进出口温差Δt_w＝t₂-t₁，取值85℃。

(3)根据管程内热媒流量M_w为2.81kg/s，假定管程内经济流速v为1m/s和管径d为15mm，按照公式计算出每流程管束数目m为15.9根(m取16根)。式中，ρ为管程内热媒的密度，取值10³kg/m³。v为热媒在管程内的流速，取值1m/s。

(4)根据冷量φ_k为1000kW和平均对数传热温差Δt_m为33℃，按照公式φ_k＝K_cAΔt_m，计算出大温差、小体积热交换器的总换热面积A为12.1m²。式中，K_c为热交换器传热系数，取值2500W/(m²·℃)。

(5)根据管程直径d为15mm和每流程管束数目m为16根，按照公式计算出基于区域分割的大温差、小体积热交换器内流程的总长度L为16m。

(6)根据流程的总长度L为16m，按照公式计算出流程数n为8。式中l为每流程长度，取值2m。根据流程数n为8，可通过隔板将壳体划分为8个换热区域。

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，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器，包括壳体(1)和传热管束(2)，其特征在于，所述壳体(1)内设置有多个并排设置的传热管束(2)，且壳体(1)内固定连接有多个挡板(3)，通过挡板(3)将壳体(1)内分成多个区域，所述壳体(1)主要由两个相对设置的圆筒构成，且两个圆筒相对的一端均固定有所述筋板(4)，筋板(4)之间固定有中间垫片(5)，两个圆筒的顶部均开设有冷媒进口(6)且圆筒的底部均开设有冷媒出口(7)，壳体(1)的一侧顶部开设有热媒出口(9)，且壳体(1)的一侧底部开设有热媒进口(8)，壳体(1)的另一侧底部开设有排热媒口(10)，壳体(1)另一侧的顶部开设有补气口(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器，其特征在于，所述挡板(3)由多个并排设置的横向挡板和一个纵向挡板构成，且纵向挡板穿过每个横向挡板的中部并与横向挡板相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于区域分割的大温差、小体积热交换器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据应用场景确定管程中冷/热媒温度进出口温度t₁、t₂，以及冷/热量φ_k；

第二步，确定热交换器壳程内的饱和温度t_k，饱和温度t_k包括蒸发温度和冷凝温度；

第三步，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内平均对数传热温差Δt_m；

第四步，根据管程中冷/热量φ_k，按照公式计算出大温差、小体积热交换器管程内冷/热媒流量M_w，式中，c_p为管程内流体的比热容，Δt_w＝t₂-t₁为冷/热媒进出口温差；

第五步，根据经济因素和运行能耗因素，假定管程内经济流速v和管径d，根据管程内冷/热媒流量M_w，按照公式计算出每流程管束数目m，式中，ρ为管程内冷/热媒的密度；

第六步，根据冷/热量φ_k和平均对数传热温差Δt_m，按照公式φ_k＝K_cAΔt_m，计算出大温差、小体积热交换器的总换热面积A，式中，K_c为热交换器传热系数；

第七步，根据管程直径d和每流程管束数目m，按照公式计算出基于区域分割的大温差、小体积热交换器内流程的总长度L；

第八步，根据流程的总长度L，按照公式计算出流程数n，式中l为每流程长度，根据流程数n，进行分区划分。