CN209279723U - 一种具有双重换热效果的球形换热器 - Google Patents

一种具有双重换热效果的球形换热器 Download PDF

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龙新峰
邓月华
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Abstract

本实用新型公开了一种具有双重换热效果的球形换热器,包括球形的壳体、螺旋换热管和直换热管,壳体的上、下两端分别设有直热流输入口和直热流输出口,直换热管的两端分别与直热流输入口和直流热输出口连接;壳体的上端设有冷流输出口和螺旋热流输入口,壳体的下端设有冷流输入口和螺旋热流输出口;所述螺旋换热管套接于直换热管,且所述螺旋换热管的两端分别与螺旋热流输入口和螺旋热流输出口连接;所述冷流输出口和冷流输入口均与壳体的内腔相通;所述壳体的内腔设螺旋导流板,所述冷流输入口和冷流输出口通过壳体的内腔连通。本实用新型可延长冷热流体换热时间,冷热流体逆流,提高换热效率。

Description

一种具有双重换热效果的球形换热器
技术领域
本实用新型涉及换热器技术,具体涉及一种具有双重换热效果的球形换热器。
背景技术
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。间壁式换热器是工业生产中保证系统稳定运行、工艺温度及压降合理、节约能源及回收余热、废热的关键设备,并且在金属消耗、设备投资等方面都占有较大的比重,被广泛应用于加热、冷却、杀菌、蒸发、冷凝、热力加收等方面。
目前的新型间壁式高效换热器均在传统换热基础上通过强化传热技术来提高间壁式换热器的换热效率,减少换热过程中的能量损失。在强化传热技术方面,新型高效间壁式换热器要达到在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多的目的。而目前强化传热的途径主要有三个:提高传热系数、扩大单位传热面积、增大传热温差。
新型高效间壁式换热器提高换热效率的具体手段为:改变传统间壁式换热器的管程和壳程的结构,增加流体的湍流效果,从而减小边界层厚度,或者干扰边界层的形成和增大单位换热面积。对于管壳式换热器,管程的强化传热通常是对光管进行加工得到各种结构的异形管,如螺旋槽纹管、横槽纹管、波纹管、低螺纹翅片管、螺旋扁管、多孔表面管、针翅管、管内插入件等。壳程的强化传热是通过设计不同形状的折流板,如弓形折流板、塔接式螺旋折流板、连续螺旋折流板等。但弓形折流板形成的壳程流道使流体呈Z字型流动,流体的运动方向和速度都在变化,并且存在有很大的流动死区。搭接式螺旋折流板的螺旋曲面存在严重的三角形漏流区,使得壳程流体的流动偏离了螺旋流,造成壳程的传热性能下降。而连续螺旋折流板则使得壳程流体以连续湍流的形式流过螺旋曲面,提高了壳程的传热系数,减小了动力损耗,同时连续螺旋折流板是一种全支撑结构,降低了间壁式换热器因流致振动导致失效的风险。为满足使用需求,目前越来越需要具有更高的换热效率及湍流效果的换热器,同时也需要适用于各种工作环境的换热器。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足,提供了一种具有双重换热效果的球形换热器。此具有双重换热效果的球形换热器提高湍流度,延长冷热流体换热时间,强化了传热。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现:本具有双重换热效果的球形换热器,包括球形的壳体、螺旋换热管和直换热管,所述壳体的上、下两端分别设有直热流输入口和直热流输出口,所述直换热管的两端分别与直热流输入口和直热流输出口连接;所述壳体的上端设有冷流输出口和螺旋热流输入口,且所述冷流输出口和螺旋热流输入口分别位于直流热输入口的两侧,所述壳体的下端设有冷流输入口和螺旋热流输出口,且所述冷流输入口和螺旋热流输出口分别位于直热流输出口的两侧;所述螺旋换热管套接于直换热管,且所述螺旋换热管的两端分别与螺旋热流输入口和螺旋热流输出口连接;所述冷流输出口和冷流输入口均与壳体的内腔相通;所述壳体的内腔设螺旋导流板,所述冷流输入口和冷流输出口通过壳体的内腔连通。
优选的,所述螺旋换热管的螺旋直径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。
优选的,所述螺旋换热管具有多条,各条螺旋换热管平行设置,且相邻两条螺旋换热管之间具有间距。
优选的,所述螺旋换热管的管径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。
优选的,所述直换热管内插入有扰流件。
优选的,所述扰流件为扭带、螺旋线圈、螺旋片和静态混合器中的任意一种。
优选的,所述直换热管具有多条,各条直换热管平行设置,且相邻两条直换热管之间具有间距。
优选的,所述壳体为双层钢制结构,且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。
优选的,所述壳体包括上半壳体和下半壳体,所述上半壳体和下半壳体通过卡箍组件固定连接。
优选的,所述螺旋导流板的宽度大小从螺旋导流板的中部向两端逐渐变小,所述螺旋导流板的外缘与壳体的内壁之间具有间隙,此间隙的大小为0.2mm~0.5mm。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点:
1、延长冷热流体换热时间,冷热流体逆流,提高换热效率。本实用新型中采用螺旋换热管和直换热管构成管程,其中螺旋换热管可延长热流体在管程的时间,同时在壳体的内腔设置连续的螺旋导流板,以在壳体内开始螺旋的壳程,这螺旋的壳程延长了冷流体在壳程的时间,同时壳程中的冷流体和管程中的热流体以相对的方向流动,故可极大提高了冷热流体之间的换热效率。同时,壳体的内腔和螺旋导流管构成的壳程和螺旋换热管构成的管程可提高流体的湍流度,进一步提高换热效率。
2、分管换热,具有螺旋换热管和直换热管的双重功能。本实用新型中螺旋换热管和直换热管管程独立,当使用环境是一种热流体时,由于换热的时间的不同,可得到不同温度的相同流体。当使用环境是两种不同的热流体时,冷流体可同时与其换热,可提高冷流体的利用率和减少不同换热器的使用,简化工业设计。
3、提高传热系数,换热效果好,且具有一定的自我除垢能力。由于直换热管内插入有扰流件和螺旋换热管都会使流体的流动形成二次环流,再加上螺旋换热管的管径和螺旋直径均采用渐变方式,使其在较低雷诺数下获得较高湍流度,降低了边界层的厚度,提高了传热系数和强化了换热效果。而由于管程和壳程均具有较高湍流度,使其污垢后容易被冲刷掉,十分便于维护。
4、受力均匀,抗压能力强,可用于高温高压场合,同时单位体比表面积最大。与普通圆柱状换热器相比,在相同直径的条件下,球形换热器内应力最小,而且受力均匀,承载流体的能力比圆柱形换热器大一倍,故球形换热器外壳厚度只需普通圆柱形换热器的一半。在相同容积和相同压力下,球形换热器的表面积最小,故所需钢材面积小。使用球形换热器可大幅度减少钢材的消耗,一般节省30%~45%,此外,球形换热器占地面积小,基础工程小,可节省土地面积。
5、可任意角度,任意空间放置,适用范围广。普通换热器一般具有一定的长宽比,也有其特定支撑器,使用时要求有符合其尺寸的空间位置和占地面积,这一定程度上限制了其适用范围。相比之下,由于球体自身和换热器内外部设计均具有高度对称性,也不需要特定支撑器,可以任意角度旋转使其满足某些使用场合所需,甚至还能在离开地面的空间正常工作,具有极广的适用范围。
6、管束的热膨胀应力小。螺旋换热管和直换热管的管束两端均有一定的自由段,可以自行膨胀,故当换热的两种流体的温差较大时,不存在热膨胀应力。
7、减小了通过壳体的热量损失,节约制造成本。球形换热器的壳体为双层钢制结构,中间填充耐高温绝热材料。与抽真空的隔热方法相比,填充绝热方式更加经济,有利于降低螺旋管道的球形换热器的制造成本。
附图说明
图1是本实用新型的具有双重换热效果的球形换热器的结构示意图。
图2是本实用新型的具有双重换热效果的球形换热器的剖视图。
图3是本实用新型的螺旋换热管的结构示意图。
图4是本实用新型的直换热管的结构示意图。
图5是本实用新型的螺旋导流板的结构示意图。
图6是本实用新型的上半壳体的结构示意图。
图7是本实用新型的下半壳体的结构示意图。
图8是本实用新型的直管固定板的结构示意图。
图9是本实用新型的螺旋管固定板的结构示意图。
图10是实施例1的直换热管的透视图。
图11是实施例2的直换热管的透视图。
图12是实施例3的直换热管的透视图。
图13是本实用新型的卡箍组件的结构示意图。
其中,1为壳体,2为螺旋换热管,3为直换热管,4为直热流输入口,5为直热流输出口,6为冷流输出口,7为冷流输入口,8为螺旋热流输入口,9为螺旋热流输出口,10为螺旋导流板,11为扰流件,12为卡箍组件,13为卡环,14为螺栓,15为直管固定板,16为螺旋管固定板,17为上半壳体,18为下半壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至图5所示的具有双重换热效果的球形换热器,包括球形的壳体、螺旋换热管和直换热管,所述壳体的上、下两端分别设有直热流输入口和直热流输出口,所述直换热管的两端分别与直热流输入口和直热流输出口连接;所述壳体的上端设有冷流输出口和螺旋热流输入口,且所述冷流输出口和螺旋热流输入口分别位于直流热输入口的两侧,所述壳体的下端设有冷流输入口和螺旋热流输出口,且所述冷流输入口和螺旋热流输出口分别位于直热流输出口的两侧;所述螺旋换热管套接于直换热管,且所述螺旋换热管的两端分别与螺旋热流输入口和螺旋热流输出口连接;所述冷流输出口和冷流输入口均与壳体的内腔相通;所述壳体的内腔设螺旋导流板,所述冷流输入口和冷流输出口通过壳体的内腔连通。具体的,直换换热管构成直管程,而螺旋换热管构成螺旋管程,即本实施例中的球形换热器采用双管程换热,且直管程和螺旋管程之间相互独立。而本实施例中的球形换热器中的壳程由壳体的内腔和螺旋导流板,螺旋导流板为连续的板材,则构成的壳程也螺旋状。故本实施例中的球形换热器具有螺旋的管程和螺旋的壳程,可提高流体的湍流度,延长流体在壳程的中时间,提高换热效率,强化换热效果。为保证直换热管和螺旋换热管安装的稳定性,如图2、4和图8所示,在直热流输入口和直热流输出口均设有直管固定板,直换热管的两端分别与相应的直管固定板固定连接。如图3和图9所示,在螺旋热流输出口和螺旋热流输入口设有螺旋管固定板,螺旋换热管的两端分别与相应的螺旋管固定板连接。
所述螺旋换热管的螺旋直径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。所述螺旋换热管的管径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。螺旋换热管的螺旋直径和管径均采用渐变结构,从而可进一步延长热流体在螺旋管程中的时间,进一步提高了换热效率。
所述螺旋换热管具有多条,各条螺旋换热管平行设置,且相邻两条螺旋换热管之间具有间距。所述直换热管具有多条,各条直换热管平行设置,且相邻两条直换热管之间具有间距。多条的螺旋换热管和多多条的直换热管均不相互接触,使在相应螺旋换热管和直换热管中的热流体互不影响,以保证管程中热流体与壳程中的冷流中的换热效率。
所述直换热管内插入有扰流件。所述扰流件为扭带、螺旋线圈、螺旋片和静态混合器中的任意一种。如图10所示,本实施例中扰流件采用螺旋线圈。此结构可使热流体在直换热管中产生旋转并引起二次环流,从而强化传热的同时也具有除垢的作用。
所述壳体为双层钢制结构,且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。具体的,耐高温隔热材料导热系数为0.5~0.8W/(m2·K),具体可以选用微孔硅酸钙等多孔型绝热材料、岩棉等纤维型材料或者膨胀珍珠岩等粒状绝热材料中的一种。双层钢制结构和耐高温隔热材料,可使壳体具有良好的保温效果,避免热量流失,且节约制造成本。
所述壳体包括上半壳体和下半壳体,所述上半壳体和下半壳体通过卡箍组件固定连接。如图2、图6和图7所示,上半壳体和下半壳体对接好后,上半壳体和下半壳体之间的对接处通过卡箍组件锁紧固定。如图13所示,而卡箍组件由卡环和螺栓构成。这结构简单,方便安装。
所述螺旋导流板的宽度大小从螺旋导流板的中部向两端逐渐变小。所述螺旋导流板的外缘与壳体的内壁之间具有间隙,此间隙的大小为0.2mm。这螺旋导流板也采用渐变的结构,则螺旋导流板和壳体的契合度更高,以使冷流体沿着连续的螺旋导流板流动,形成螺旋形流体,进一步提高湍流度,提高换热效率。
具体的,本实施例中,球形换热器中各部件采用的参数如下:
本双管道独立换热的球形器的具体工过程如下:
热流体分别从螺旋热流输入口和直管热流输入口输入,热流体在螺旋换热管和直换热管的流动相互独立,互不干扰。同时,冷流体从冷流输入口输入,在连续的螺旋导流板的导流作用下在壳体和螺旋导流板构成的壳程呈螺旋线流动,冷流体与热流体流动方向相反,即冷热流体形成逆流。热流体通过各自的换热管(螺旋换热管或直换热管)管壁与冷流体进行热量的交换。热交换后的热流体分别从螺旋热流输出口和直管热流输出口排出,冷流体则从冷流输出口排出。
在上述热流体和冷流体进行热交换的过程,由于球形壳体双层不锈钢之间使用耐高温绝热材料填充,有效地减少了热交换过程中不必要的热量损失。热流体在变直径的螺旋换热管道流动时,由于离心力的作用,会产生垂直于主流方向的二次环流,加强了管内边界层的扰动,产生湍流效果;在直管换热管道流动时,由于直管内插入物使流体产生旋转引起二次流,促进径向混合,强化传热。同时冷流体呈螺旋线流动,促进流体在传热界面上滞流层的湍流度。上述过程均使流体提高流速,消除死区,避免沉淀物产生。由于螺旋换热管和直换热管相互独立,且换热过程和换热效果不同,当输入的热流体为同一类型时,在螺旋管热流输出口和直管热流输出口分别得到不同温度的热流体;当输入不同的热流体时,两种热流体同时换热而相互不产生影响。因此,在工业中可根据不同的需求采用不同的换热方式。本换热过程与传统换热过程相比,减少热量损失55%,延长换热时间2倍,提高传热系数5倍,同时提高耐压能力2倍,减少钢材的消耗35%,节省空间50%。
实施例2
本双管道独立换热的球形器除以下技术特征外同实施例1:所述直换热管内插入有扰流件。如图11所示,所述扰流件为螺旋片。螺旋片和螺旋线圈具有同样的效果,同样可使热流体在直换热管内产生二次环流,提高换热效率。
实施例3
本双管道独立换热的球形器除以下技术特征外同实施例1:所述直换热管内插入有扰流件。如图12所示,所述扰流件为静态混合器。静态混合器和螺旋线圈具有同样的效果,同样可使热流体在直换热管内产生二次环流,提高换热效率。
上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例,并不能对本实用新型进行限定,其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:包括球形的壳体、螺旋换热管和直换热管,所述壳体的上、下两端分别设有直热流输入口和直热流输出口,所述直换热管的两端分别与直热流输入口和直热流输出口连接;所述壳体的上端设有冷流输出口和螺旋热流输入口,且所述冷流输出口和螺旋热流输入口分别位于直流热输入口的两侧,所述壳体的下端设有冷流输入口和螺旋热流输出口,且所述冷流输入口和螺旋热流输出口分别位于直热流输出口的两侧;所述螺旋换热管套接于直换热管,且所述螺旋换热管的两端分别与螺旋热流输入口和螺旋热流输出口连接;所述冷流输出口和冷流输入口均与壳体的内腔相通;所述壳体的内腔设螺旋导流板,所述冷流输入口和冷流输出口通过壳体的内腔连通。
2.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述螺旋换热管的螺旋直径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。
3.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述螺旋换热管具有多条,各条螺旋换热管平行设置,且相邻两条螺旋换热管之间具有间距。
4.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述螺旋换热管的管径大小自螺旋换热管的中部向两端逐渐变小。
5.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述直换热管内插入有扰流件。
6.根据权利要求5所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述扰流件为扭带、螺旋线圈、螺旋片和静态混合器中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述直换热管具有多条,各条直换热管平行设置,且相邻两条直换热管之间具有间距。
8.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述壳体为双层钢制结构,且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。
9.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述壳体包括上半壳体和下半壳体,所述上半壳体和下半壳体通过卡箍组件固定连接。
10.根据权利要求1所述的具有双重换热效果的球形换热器,其特征在于:所述螺旋导流板的宽度大小从螺旋导流板的中部向两端逐渐变小;且所述螺旋导流板的外缘与壳体的内壁之间具有间隙,此间隙的大小为0.2mm~0.5mm。
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