CN205332864U - 一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器 - Google Patents

Abstract

一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，采用一系列圆筒层层嵌套，且所有圆筒共轴心，每两个相邻圆筒间置有翅片，所有翅片与圆筒相连接，而位于圆筒两端的翅片为错列锯齿翅片，换热器的两端为两换热流体的进出口，每端面有两个区域，为两换热流体进出空间，至少有一侧换热流体所对应区域形成两容积空间用于分流与汇流，汇流区域内所构成的容积空间连接出口管道，分流区域内所构成的容积空间连接进口管道，每一个区域内只准一种流体通过，而另一种流体的翅片端面采用圆弧型密封条与两相邻的圆筒对接密封。本实用新型可广泛应用于各行业工艺换热，换热能力强，单位换热量体积小、重量轻，换热器生产企业可降低生产成本，设备运行企业可得到能耗降低。

Description

一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器

技术领域

本实用新型涉及一种换热器，具体涉及一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器。

背景技术

当今矿物质能源日趋短缺，人类居住环境也遭受到严峻破坏，尤其是温室气体排放，造成人类生存环境问题日益凸显，地球平均气温上升，冰川逐渐缩小融化，海平面不断上升，正一步一步危及岛国，威胁沿海城市的安全，这已是不争事实。我国日益严重的雾霾问题久久得不到解决，严重影响人们身体健康，使人们患肺癌几率大幅上升，雾霾现象严重难以从根本上得到解决，原因在于是我国工业化进程加快，向大气排放的废气日益增多所致，而自然界本身自发因素居少。我们也知道人类所使用的能源差不多会有80%以上是需要经过热能转换的过程，热能转换主要依靠换热设备来实现的。人类许多活动及生产实践都离不开能源，而我国大多数能源来自矿物质能源，矿物质能源消耗会产生对环境不利的气体排放。由此我国竭力倡导对清洁能源开发与利用，同时大力研究开发节能设备新产品新技术，而热能转换设备当属节能减排最为关键的设备。

针对空气换热的设备主要有：板翅式换热器和管式翅片式换热器，流体介质多为液相或有相变的换热器主要采用板式换热器、板壳式换热器、管壳式换热器和涡旋板式换热器等，这些换热器各有其优点与缺点：如板式换热器虽然效率较高，但不够耐压；而管壳式换热器虽然耐压却效率不高，且占地方等，在此不加以赘述。另一方面，靠高导热材料来提高换热效率也有其局限性，新的换热技术不仅仅依靠高性能换热材料，尤其还需选择促其高效结构上的优势，并依据场协同理论来提高换热器性能这已是不争事实，场协同理论在科学实践中得到充分的证实。我们也知道分子热运动是遵循高分子动能向低分子动能传递的，流体温度就体现在分子运动平均动能上，所以热能只能由高温向低温处流动，若想提高热流密度，须加大温差，而两流体交换热量采用逆流方式其平均温差是最大的，其换热效果也是最好的，比之错流或顺流换热方式要强得多。场协同理论告诉我们：在逆流换热情况下，若两侧流体纵向流速在某横截面上均匀相等，那么同侧流体横截面温度梯度场也是相等的，这样就大大减弱同侧横向返热，并导致速度场矢量和与温度梯度场矢量和的余弦夹角趋于零，从而实现换热效率最大化。还有现行微通道换热器其效率非常高，究其原因，采用传统换热学理论无法作出较合理的解释，只能从微观分子运动学找其原因，研究发现，微通道直径大小比较接近流体分子运动自由程是导致其换热效率高的原因，也就是说以较短距离传递分子间相互动能，其速度是非常快的，尤其是以接近分子运动自由程方式传递分子动能。但现行微通道换热器难以实现液体与液体之间换热，更有甚者微通道流程设计过长，并且来回串接，不仅加大了微通道侧的压降，多耗费循环泵的电能，而且微通道侧后段40%以上的流程效率变得较低下，是因为微通道高效换热原理致使其微通道前段流程内的流体得到较充分的换热，其后段流程里的流体与空气间温差变得较小了，所以总会有后流程换热表面积发挥不了很大作用，若加大流体流量情况会亦然如此，这也是微通道换热器难以实现大规模换热最主要原因之一，因为较大微通道换热器势必就有过长微通道侧流程，这也是现行微通道换热器应用上很大的痛点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可克服现行微通道换热器弊端，并且充分应用场协同理论，提高换热效率目的的多层同轴圆筒间壁翅片式换热器。

本实用新型为了克服现行微通道换热器弊端，并且充分应用场协同理论，采用了微通道侧短流程，而与现行的微通道换热器采用错流换热方式不同，它是把诸多并列微通道短流程组合成较大的横截面积总和以利于大流量大规模的换热，而且与空气是纯逆流换热方式，风侧流程延长至液态侧流程一样长可弥补空气侧换热系数较弱的缺陷，可使两侧换热能力趋于平衡，达到节约金属材料和提高换热效率的目的。

另一方面，从几何学和力学角度来看，球形结构是最耐压结构和表面积最节省材料的，其次就是柱形，也就是说除了球形结构外，只有柱形结构最节省金属材料，可起到降低成本作用，同时还可以耐受较高流体压力，若金属圆筒壁与翅片紧密钎焊为整体，其耐压程度还会大幅提高，因为圆筒薄壁相互间被翅片支撑起来了，就相应提高了圆筒壁的耐压，也相应降低圆筒间壁的厚度，节约了金属材料，同时也提高了换热效率。这和现行板式换热器相比优势要大许多，占用空间减少，重量减轻，换热效率提高，而不像板式换热器须在换热器两侧增加较厚的钢板以防换热器承受不住里面流体的压力，其密封垫容易泄漏；若采用整体的钎焊板式换热器其内部污垢清洗遇到困难，内部串漏无法维修等；管壳式换热器虽然可一定程度上耐压，但笨重，耗材也较多，也无法做成小通道的换热器，更不可能制成微通道结构形式的换热器，效率也不甚理想，板翅式换热器制作成本高，应用范围受限；管板式换热器制作工艺复杂，造成成本过高等。本实用新型充分利用力学原理、几何学原理和场协同理论，使换热器金属材料消耗大幅减少，并且换热器耐压程度大幅提高，其换热系数也大幅提高。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，采用一系列圆筒层层嵌套，且所有圆筒共轴心，每两个相邻圆筒间置有翅片，所有翅片与圆筒相连接，而位于圆筒两端的翅片为错列锯齿翅片，在换热器内两换热流体相互交替逆向换热，换热器的两端为两换热流体的进出口，每端面有两个区域，为两换热流体进出空间，至少有一侧换热流体所对应区域形成两容积空间用于分流与汇流，同侧换热流体的分流与汇流两个区域置于两个不同端面，汇流区域内所构成的容积空间连接出口管道，分流区域内所构成的容积空间连接进口管道，每一个区域内只准一种流体通过，而另一种流体的翅片端面采用圆弧型密封条与两相邻的圆筒对接密封，把该侧流体堵住不许通过，每一个区域形成圆弧型通道和圆弧型密封条交替布置。

进一步，两侧换热流体的出口管道和进口管道连在换热器圆柱体端面的两容积空间上，且形成相互交叉对应，即若该侧流体进口在换热器右端下部，那么其出口必在换热器左端上部，反之亦然。

进一步，在换热器圆柱体两端设有球冠，两侧换热流体的出口管道和进口管道连在圆柱体两端的球冠上，而球冠容积内分隔成两个区域。

进一步，各圆筒直径向轴心成等差减小。

进一步，圆筒间的翅片形式可以是锯齿翅片、矩形翅片、正弦波翅片或三角形翅片等。

本实用新型采用系列圆筒做两流体介质的间壁，并在所有这种间壁里置放可以起到加强换热效果的翅片，翅片同时还可以在这里起到支撑圆筒薄壁作用，以增强其耐压强度，两种流体是交替在翅片内做逆流换热的，这里特别注意的是液体全封闭的那侧靠近圆柱端面两头至少有一小节须采用错列锯齿翅片，因为该类翅片可以使流体圆筒四周翅片空隙充满流体并相互贯通，而不像直通的矩形翅片或三角形翅片它们只能使流体从这头流到另一头，若从头至尾选择矩形翅片或三角形翅片，那么封闭侧流体是无法通过的，由于内部结构原因，一侧流体分流到同侧各翅片内是不可以从整个端面进入的，只能最多半个左右端面可供其使用，而另外半个端面须留给另一侧流体作为汇流或分流进出空间的，那么必须使每一侧流体的进出方式利用每半个端面相应对角面作为自己分流与汇流容积，并作为自己进出口通道，而使流体全流程贯通，使同侧所有翅片间隙里都充满流体，而且让整个圆筒翅片都充满流体并逆流换热，就必须在接近端面有一段采用错列锯齿型翅片或这段翅片高度面上有通孔，这样才可以实现两流体在圆柱体换热器两端面分开并汇聚，同时也需要在两端面形成四个区域可供两流体的进出，那么每一个区域又只允许一种流体通过，这显然需要在此区域内把另一侧流体翅片端面采用圆弧型封条密封住，不让其在此流过。不过两侧进出口容积的间壁区及临近区的两侧翅片端面都需要焊接密封住以防两侧流体相互间串漏。

诸多直径不等圆筒和诸多直径不等的翅片筒顺次嵌套可以采用热胀冷缩方式，以加强其结合紧密度，根据使用情况需要，可以选择各种不同金属材料，也可以选择非金属材料，其制作方式也可以选择隧道钎焊或真空钎焊，钎焊成为整体的换热器其坚固耐压性能非常强。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

1.多层圆筒嵌套几乎使整个换热器体积处于有效换热空间，不像其他换热器非换热空间占比较大；

2.可用作冷凝器和蒸发器，一般热交换器，表冷器、散热器皆适宜；

3.可采用铝合金、不锈钢、铜材等金属材料或其他非金属材料制作；

4.翅片高度及宽度可根据流体介质使用情况而定，其液体侧翅片高度可以达1.5mm以下，可实现短流程微通道纯逆流换热，并可形成大规模换热，而不像现行微通道换热器大规模换热效率不佳情况；

5.是否钎焊为整体，而是热胀冷缩嵌套方式作为换热器选择工艺可根据用户要求而定，若钎焊为整体，其耐压高度会超过现行微通道换热器，并且壁厚还会低于微通道换热器，是因为圆柱型耐压结构情况下再加上翅片相互支撑，还有微通道结构是其耐压重要原因之一；

6.两侧分流及汇流容积与换热器本体既可以焊接一体，也可以一侧是焊接的，还可以两侧都可以拆卸打开，这是本实用新型可多项选择性，而现行的管壳式换热器只能清洗一侧，两侧可拆卸清洗的板式换热器，清洗也是非常麻烦的事，是否采用全封闭焊接，还是一侧可拆卸或两侧均可拆卸并可进行清洗，这需要根据换热器使用环境及具体情况而定；

7.针对空气换热的本实用新型，其风侧流程长短可根据实际温控参数要求做选择，可以做成风侧较长并与液态侧流程相等的结构形式，使液态侧压降减小，降低循环泵功率，其进风端面与风扇圆形相符，没有风的死角，换热面积可以得到充分利用，这与现行长方形或正方形空气换热器有很大区别，并可实现纯逆流换热方式，同样也不像现行微通道换热器把微通道组合件串接相连，而是把诸多短流程微通道元件并联组合并极大减小其热阻，我们知道热阻元件与电阻元件一样串联会增大阻值，并联可减小其阻值的，它适合蒸汽的冷凝，亦可以采用鼓风机与空气进行换热，还可以用于烟道余热回收；用作汽车消声器可大大减少汽车废弃的排放，因为采用错乱交织乱麻似的金属丝代替翅片是可以消声的，还可以传热，而走水的另一侧可以把汽车尾气温度降下来，这不仅降低汽车发动机的背压，可提高其效率，而且尾气排放中水汽被冷却成液态水，该液态水又可以吸收尾气中有害的氧化氮及氧化硫，可一举多得；

8.同等换热能力情况下，换热器体积小、重量轻、占用空间少是现行各类换热器无法比及的，它的换热间壁可以做得非常薄，即便现行板式换热器都无法实现的，因为板式换热器流体通道是钣金冲压成型的，其形变部位会有应力损伤消减其耐压高度，使用过程中也会有应力腐蚀，还有其内部支撑密度没有本实用新型强，其边缘钎焊也要占据较大空间，对于本实用新型来说，它翅片支撑密度大，并且是在圆柱型耐压结构下得到翅片支撑的，因此它既可以做非常小而精致的换热器，也可以做换热规模非常大的换热器，如核电厂或火力发电厂的风冷装置。

本实用新型适用范围广，可在许多领域得到广泛应用，能替代现行管壳式换热器和板式换热器以及管式翅片式换热器等，且符合当今节能减排要求，可为生产企业降低成本，设备使用单位节约能源，降低费用。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为沿图1所示实施例G-G线的剖视图；

图3为图1所示实施例的端面的示意图；

图4为不同于实施例1的技术方案二的结构示意图；

图5为不同于实施例1的技术方案三的结构示意图；

图6为不同于实施例1的技术方案四的结构示意图；

图7为不同于实施例1的技术方案五的结构示意图；

图8为不同于实施例1的技术方案六的结构示意图；

图9为本实用新型实施例2的结构示意图；

图10为图9所示实施例2的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

参照图1-图3，本实施例采用一系列圆筒3层层嵌套，且所有圆筒3共轴心，每两个相邻圆筒3间置有翅片4，所有翅片4与圆筒3相连接，而位于圆筒3两端的翅片4为错列锯齿翅片，在换热器内两换热流体相互交替逆向换热，换热器的两端为两换热流体的进出口，每端面有两个区域，为两换热流体进出空间，两侧换热流体所对应区域形成两容积空间用于分流与汇流，同侧换热流体的分流与汇流两个区域置于两个不同端面，汇流区域内所构成的容积空间连接出口管道1，分流区域内所构成的容积空间连接进口管道2，每一个区域内只准一种流体通过，而另一种流体的翅片端面采用圆弧型密封条5与两相邻的圆筒对接密封，把该侧流体堵住不许通过，每一个区域形成圆弧型通道和圆弧型密封条5交替布置。

本实施例中，两侧换热流体的出口管道1和进口管道2连在换热器圆柱体端面的两容积空间上，且形成相互交叉对应，即若该侧流体进口在换热器右端下部，那么其出口必在换热器左端上部，反之亦然。从G-G剖视图看，最外层圆筒壁厚大于其嵌套其内各圆筒的壁厚，最里面圆筒厚度又稍微大些，最里面的圆筒空间用圆形封板焊接其两头，也可以不封住，视使用情况而定，可以把该空间加以应用，用作本换热器进出口管道的空间，也可以用作其它用途，如作风扇电机位置的布放及循环泵位置布放等。

当然，两侧流体的进出口形式也可为其它形式，如在换热器圆柱体两端设有球冠，两侧换热流体的出口管道和进口管道连在圆柱体两端的球冠上，而球冠容积内分隔成两个区域，如图4所示；或者两侧流体的出口管道和进口管道不在圆柱体两端的球冠上，如图5、图6、图7所示，其中，图5圆柱体端面是整体焊接密封好的，是无法拆卸的，两侧流体进出口分别在圆柱体两头，图6是两侧都可以拆卸清洗的，图7只能一侧可以拆卸清洗。此外，还有在换热器圆柱体两端没有设置球冠，但其一侧是可以拆卸清洗的，如图8所示，该类换热器适合空调机组，因为制冷剂侧是需要严防其泄漏的，一般是不采用密封装置，而是焊接成不可以拆卸的，其内无须清洗。

本实施例中，各圆筒直径向轴心成等差减小，也可以根据实际使用情况间缩小其直径，两相邻圆筒间置有翅片，它们相互支撑可以提高耐压程度和提高导热性能。而圆筒间的翅片形式可以是锯齿翅片、矩形翅片、正弦波翅片、三角形翅片等，特别强调凡属封闭侧的（对应于空气侧来说是敞开的，所以这侧除外，它是可以采用直通式翅片）其接近两头会有一节翅片必须是横向和纵向都可以让流体通过的错列锯齿型翅片或其他翅片高度上穿孔的翅片，要不然两种换热流体是无法实现其在该换热器两头分流与汇流的目的的。

实施例2

参照图9-图10，本实施例与实施例1的区别在于：只有一侧换热流体所对应区域形成两容积空间用于分流与汇流；与空气进行换热侧的翅片高度大于对应液体侧的翅片高度。

该换热器是专门针对空气进行换热的，由于空气换热系数远小于液态流体，所以空气侧流体通道空间要大于另一侧许多，因此相应缩小另一侧流体进出口容积的空间，而空气侧就没有进出口容积了，整个大气空间就是其进出口容积，其中，另一侧需要与空气进行热量交换的流体进口处设有分流容积7，分流容积7上设有流体进入管道8，流体出口处设有汇流容积6，汇流容积6上设有流体出口管道9。这种换热器可用作汽车水箱，空调末端，其它各种散热及表冷器，其通风面比率大，风侧流程比现行散热器长，可实现微通道短流程纯逆流换热，不仅减少循环泵电耗，可使两侧换热能力基本达到平衡点，风的使用效率得到提高，长流程的可以采用离心风扇，较短流程的可以采用轴流风扇。

Claims (5)

1.一种多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，其特征在于：该换热器采用一系列圆筒层层嵌套，且所有圆筒共轴心，每两个相邻圆筒间置有翅片，所有翅片与圆筒相连接，而位于圆筒两端的翅片为错列锯齿翅片，在换热器内两换热流体相互交替逆向换热，换热器的两端为两换热流体的进出口，每端面有两个区域，为两换热流体进出空间，至少有一侧换热流体所对应区域形成两容积空间用于分流与汇流，同侧换热流体的分流与汇流两个区域置于两个不同端面，汇流区域内所构成的容积空间连接出口管道，分流区域内所构成的容积空间连接进口管道，每一个区域内只准一种流体通过，而另一种流体的翅片端面采用圆弧型密封条与两相邻的圆筒对接密封，把该侧流体堵住不许通过，每一个区域形成圆弧型通道和圆弧型密封条交替布置。

2.根据权利要求1所述的多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，其特征在于：两侧换热流体的出口管道和进口管道连在换热器圆柱体端面的两容积空间上，且形成相互交叉对应，即若该侧流体进口在换热器右端下部，那么其出口必在换热器左端上部，反之亦然。

3.根据权利要求1所述的多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，其特征在于：在换热器圆柱体两端设有球冠，两侧换热流体的出口管道和进口管道连在圆柱体两端的球冠上，而球冠容积内分隔成两个区域。

4.根据权利要求1或2或3所述的多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，其特征在于：各圆筒直径向轴心成等差减小。

5.根据权利要求1或2或3所述的多层同轴圆筒间壁翅片式换热器，其特征在于：圆筒间的翅片形式为锯齿翅片、矩形翅片、正弦波翅片或三角形翅片。