CN118705907B - 一种集中供热用板式换热器及其集中供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集中供热用板式换热器，换热管是板式结构，板式结构包括长边和短边，板式结构内设置内隔板，内隔板连接板式结构的两个长边，将板式结构内腔分为第一内腔和第二内腔，第一封头、第二封头内部设置分隔壁，将第一封头分为第一腔和第二腔，将第二封头分为第一腔和第二腔，其中第一封头的第一腔连通板式结构的第一内腔，板式结构的第一内腔连通第二封头的第一腔，其中第一封头的第二腔连通板式结构的第二内腔，板式结构的第二内腔连通第二封头的第二腔。本发明通过将换热管分为两部分，两部分流体是互相之间逆流流动，从而使得换热管整体的流动方向上换热均匀，从而强化了传热。

Description

一种集中供热用板式换热器及其集中供热系统

技术领域

本发明涉及一种换热器，属于换热器技术领域，尤其是一种集中供热用板式换热器。

背景技术

换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如在化工、动力、冶金、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门都占有很重要的地位。因此对换热器的优化设计以提高换热效率对应用换热器的行业来说很有必要。对于汽车行业来说，优化设计汽车发动机废气再循环冷却器，提高换热效率以减少氮氧化合物的排放量，使废气排放量满足日益提高的废气排放标准的要求也是急需解决的问题。

由于制造工艺和技术水平的限制，早期的换热器只能采用简单结构，传热面积小、体积较大、笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，板式换热器的单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑、传热效果好。20世纪80年代后，大量的强化传热元件被推向市场，如板壳式换热器等换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

现有技术的板壳式换热器中，壳程的流体都是与扁平管的扁平面采取的横向穿过扁平面，因此与扁平管内的流体是呈垂直流动的方式，上述换热方式相对于逆流换热方式，换热能力不够。因此为了强化传热，对于管程，一般采用设置隔板方式实现管程流体的U形流动，例如中国专利公开号CN101040163A就是公开了这种结构，例如还可以采取U型管是的结构，或者在管程封头中设置隔板，实现管程流体的多管程流动来实现强化传热。

当时上述结构都是管程流体从管程入口直接到管程出口，在流体流动过程中冷流体的换热能力也逐渐下降，而且下降的程度越来越大，虽然对强化传热有一定改进，但是整体上壳程流体和管程流体的流动方向上换热能力还是出现了差异，造成随着管程流体以及壳程流体的流动方向上换热存在不均匀问题，造成了沿着管子内流体流动方向上，换热管整体换热的不均匀，导致换热效率下降。因此本发明设计了一种新型换热器，对传统板式换热器的结构进行改进，达到强化传热的目的。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种集中供热用板式换热器，所述板式换热器包括管程和壳程，所述管程包括第一封头、第二封头、管板和换热管，所述换热管两端固定安装在管板上，管程流体从进口封头进入换热管，然后从出口封头流出；其特征在于，所述换热管是板式结构，所述板式结构包括长边和短边，所述板式结构内设置内隔板，内隔板连接板式结构的两个长边，将板式结构内腔分为第一内腔和第二内腔，所述第一封头、第二封头内部设置分隔壁，将第一封头分为第一腔和第二腔，将第二封头分为第一腔和第二腔，其中第一封头的第一腔连通板式结构的第一内腔，板式结构的第一内腔连通第二封头的第一腔，其中第一封头的第二腔连通板式结构的第二内腔，板式结构的第二内腔连通第二封头的第二腔；第一封头的第一腔和第二腔分别设置管程流体的第一进口和第一出口，第二封头的第一腔和第二腔分别设置管程流体的第二出口和第二出口。

作为改进，壳程上设置壳程流体进口和出口，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈30-150°夹角。

作为改进，壳程流体进口和出口的连线是壳程流体进口和出口在壳体上的开口的中心点之间的连线。

作为改进，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈90°夹角。

作为改进，所述换热器是卧式板式换热器，板式结构的长边沿着竖直方向布置，所述内隔板和分隔壁是水平方向布置。

作为改进，第一内腔位于第二内腔上部，第一封头、第二封头的第一腔位于第二腔的上部。

作为改进，所述换热器是立式板式换热器，板式结构的长边沿着水平方向布置，所述内隔板和分隔壁是竖直方向布置。

作为改进，第一内腔位于第二内腔座部，第一封头、第二封头的第一腔位于第二腔的左部。

作为改进，内隔板将板式结构的内腔进行了均分。

作为改进，所述板式结构是扁平管。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

本发明通过将板式结构换热管分为两部分，两边封头也分为两部分，管程流体分为两部分，一部分从第一封头进入，从第二封头流出，另一部分从第二封头进入，从第一封头流出没两部分流体互相之间隔开而且形成逆流结构，因为上下管程流体是流动方向相反，上部换热能力强相应下部换热能力弱，同样上部换热能力弱则下部换热能力就强，这样使得整体上换热管沿着长度方向上，单位长度的平均换热量基本相同，是的换热能力基本均匀，不会出现长度方向局部换热能力大小不均匀，从而达到了类似逆流的换热效果，实现了强化传热的目的。

附图说明

图1是本发明的换热器的整体结构示意图；

图2是本发明换热器的切面结构示意图；

图3是本发明的板式结构横切面结构示意图；

图4是本发明的换热器的扁平管内翅片布置结构示意图。

具体实施方式

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

本发明的描述中，术语“左”、“右”的表述是基于附图所示的位置或方位关系，并不是指示或暗示所描述的装置或元件必须具有的特定安装和操作方位，因此不能理解为对本发明的限制。

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补充说明。

图1-3公开了一种板式换热器。优选用于集中供热系统。所述板式换热器包括管程和壳程，所述壳程包括壳体2。所述管程包括第一封头3、第二封头4、管板5和换热管1，所述换热管1两端固定安装在管板5上，管程流体从进口封头进入换热管1，然后从出口封头流出。

作为改进，所述换热管1是板式结构1，所述板式结构1包括长边11和短边12，所述板式结构内设置内隔板13，内隔板13连接板式结构的两个长边11，将板式结构内腔分为第一内腔14和第二内腔15，所述第一封头3、第二封头4内部分别设置分隔壁31、41，将第一封头3分为第一腔32和第二腔33，将第二封头4分为第一腔42和第二腔43，其中第一封头3的第一腔32连通板式结构的第一内腔14，板式结构的第一内腔14连通第二封头的第一腔42，其中第一封头的第二腔33连通板式结构的第二内腔15，板式结构的第二内腔15连通第二封头的第二腔43；第一封头的第一腔和第二腔分别设置管程流体的第一进口34和第一出口45，第二封头的第一腔和第二腔分别设置管程流体的第二出口44和第二出口35。

本发明通过将板式结构换热管分为两部分，两边封头也分为两部分，管程流体分为两部分，一部分从第一封头进入，从第二封头流出，另一部分从第二封头进入，从第一封头流出没两部分流体互相之间隔开而且形成逆流结构，因为上下管程流体是流动方向相反，上部换热能力强相应下部换热能力弱，同样上部换热能力弱则下部换热能力就强，这样使得整体上换热管沿着长度方向上，单位长度的平均换热量基本相同，是的换热能力基本均匀，不会出现长度方向局部换热能力大下不均匀，从而达到了类似逆流的换热效果，实现了强化传热的目的。

本发明的管程和壳程流体无论是顺流还是逆流都是实现逆流的技术效果，因此整体上可以满足多种不同流动方向，适用范围广泛。

作为改进，壳程上设置壳程流体进口6和出口7，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈30-150°夹角。本发明因为是交叉流，不是纯逆流，因此通过上述的板式结构换热管分为两部分，可以实现接近逆流换热的技术效果。

作为改进，壳程流体进口和出口的连线是壳程流体进口和出口在壳体上的开口的中心点之间的连线。

作为改进，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈90°夹角。通过垂直流更能体现出上述设置的优势，实现无论哪种流动都能实现逆流换热的技术效果。

作为改进，所述换热器是卧式板式换热器，板式结构的长边沿着竖直方向布置，所述内隔板和分隔壁是水平方向布置。上述设置能够实现卧式换热器的流动。

作为改进，第一内腔位于第二内腔上部，第一封头、第二封头的第一腔位于第二腔的上部。通过上述设置，卧式换热器能够进一步提高换热效果。

作为改进，所述换热器是立式板式换热器，板式结构的长边沿着水平方向布置，所述内隔板和分隔壁是竖直方向布置。上述设置能够实现立式换热器的流动。

作为改进，第一内腔位于第二内腔左部，第一封头、第二封头的第一腔位于第二腔的左部。

作为改进，内隔板将板式结构的内腔进行了均分。分隔壁将第一封头、第二封头进行了均分。通过平均分配腔室体积，可以进一步实现强化传热。

作为改进，所述板式结构是扁平管。

所述板式结构为平行设置的多个，所述壳程流体在板式结构之间流动。如图3所示。

壳程流体通过壳程入口然后分配到相邻的板式结构之间的间隙与板式结构的长边所在的换热面进行热交换。作为优选，板式结构的短边连接壳程的壳体的内壁，避免流体从壳体的内壁侧流走，造成流体的短路。

作为优选，壳体的横截面是长方形，以配合板式结构的布置。

作为改进，如图3所示，壳程入口连接入口集箱21，入口集箱安装在壳体上，壳体上设置入口通孔22。优选通孔设置在相邻的板式结构之间，优选通孔是条状通孔，沿着板式结构之间的间隙延伸。壳程出口连接出口集箱23，出口集箱安装在壳体上，壳体上设置出口通孔24。优选出口通孔设置在相邻的板式结构之间，优选出口通孔是条状通孔，沿着板式结构之间的间隙延伸。流体通过壳程入口进入入口集箱，然后通过通孔进入壳体内板式结构之间的间隙。然后进入出口集箱，最后从出口流出，完成换热。

作为改进，管程流体是气体，壳程流体是气体。

作为改进，壳程流体是废气。通过废气实现余热。

作为改进，参见图1，所述换热管第一内腔和第二内腔中的流体都是通过一个流体源8进行提供。流体源8提供流体范围两路，一路进入第一内腔，一路进入第二内腔，在第一内腔和第二内腔中换热后再汇合进入流体源8中。

作为改进，如图4所示，所述板式结构内的第一内腔14和/或第二内腔15设置肋片16，第一肋片从板式结构的长边11向内隔板13方向延伸，第二肋片是内隔板向长边方向延伸，这两种肋片交替间隔设置，从而使板式结构内的流体形成弯曲的流动方向。可以避免流体流动的短路，同时设置肋片增加换热面积，进一步实现强化传热的技术效果。

作为改进，卧式换热器中第一内腔位于上部。板式结构的长边沿着水平方向布置，所述内隔板和分隔壁是水平方向布置。管程内流体是气体，沿着第一内腔内气体的流动方向，第一肋片的延伸长度逐渐断增加，第二肋片的延伸长度逐渐减小。

在研究过程中，发现第一腔在流体流动方向上横截面上换热不均匀，随着距离入口越远，管程的气体密度小，因此使得气体向上流动，从而使得上部气体明显增加，因此需要设计换热结构进行改进。本发明沿着气体的流动方向，第一肋片和第二肋片的长度变化，使得第一内腔内的气体随着流动逐渐减少向上部靠拢，更多的时间保留在中下部，使得第一内腔中心以及下部在加强换热，改变了过去的换热方式，强化了不同位置的换热效率，使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

作为改进，沿着第一内腔内气体的流动方向，第一肋片延伸的长度逐渐断增加的幅度不断增加，第二肋片延伸的长度逐渐减小的幅度不断增加。通过上述幅度的变化，可以进一步使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

作为改进，在沿着第一内腔内流体的流动方向，从第一内腔的入口17到第一内腔的中间位置（图4中的长边的中间位置），相邻肋片之间的间距不断增加。然后从换热管的中间位置到第一内腔出口18，相邻肋片之间的的间距不断减小。因为换热过程中，冷热流体之间的换热量相对在流动方向上布置的相对均匀，整体换热效果最好。但是在实验和模拟中发现，中部的换热量明显大于进口和出口的换热量，因此通过肋片管间距变化，使得增加的内部换热面积也发生规律性变化，因此通过面积变化补偿换热量的不均匀，从而达到进一步提高换热效率。

作为改进，从第一内腔的入口到换热管的中间位置，相邻肋片之间的间距不断增加的幅度不断增加。然后从换热管的中间位置到第一内腔出口，相邻肋片之间的的间距不断减小的幅度不断减小。上述幅度的变化能够使得整个流体运动的单位面积上的换热量更加均匀，进一步提高换热效率。

一种集中供热系统，所述系统包括锅炉，所述锅炉中加热的热水进入换热站的板式换热器，与板式换热器中的冷源换热，然后返回锅炉；所述冷源加热后进入用户供热；所述板式换热器就是前面所述的板式换热器。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集中供热用板式换热器，所述板式换热器包括管程和壳程，所述管程包括第一封头、第二封头、管板和换热管，所述换热管两端固定安装在管板上；其特征在于，所述换热管是中间具有内腔的板式结构，所述板式结构内腔的横截面包括长边和短边，所述板式结构内设置内隔板，内隔板连接板式结构的两个长边，将板式结构内腔分为第一内腔和第二内腔，所述第一封头、第二封头内部设置分隔壁，将第一封头分为第一腔和第二腔，将第二封头分为第一腔和第二腔，其中第一封头的第一腔连通板式结构的第一内腔，板式结构的第一内腔连通第二封头的第一腔，其中第一封头的第二腔连通板式结构的第二内腔，板式结构的第二内腔连通第二封头的第二腔；第一封头的第一腔和第二封头的第一腔分别设置管程流体的第一进口和第一出口，第一封头的第二腔和第二封头的第二腔分别设置管程流体的第二出口和第二进口，第一进口、第一内腔和第一出口进行流体连通，第二进口、第二内腔和第二出口进行流体连通。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，壳程上设置壳程流体进口和出口，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈30-150°夹角。

3.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，壳程流体进口和出口的连线是壳程流体进口和出口在壳体上的开口的中心点之间的连线。

4.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，壳程流体进口和出口的连线与板式结构第一内腔内的流动方向呈90°夹角。

5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器是卧式板式换热器，板式结构的长边沿着竖直方向布置，所述内隔板和分隔壁是水平方向布置。

6.如权利要求5所述的换热器，其特征在于，第一内腔位于第二内腔上部，第一封头、第二封头的第一腔位于第二腔的上部。

7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述板式结构是扁平管。

8.一种集中供热系统，所述系统包括锅炉，所述锅炉中加热的热水进入换热站的板式换热器，与板式换热器中的冷源换热，然后返回锅炉；所述冷源加热后进入用户供热；所述板式换热器就是权利要求1-7之一的板式换热器。