CN212620247U - 一种热交换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热交换装置，包括外壳和多根中空管；外壳包括壳体和第一端盖、第二端盖；多根中空管的两端部分别密封固定至第一端板和第二端板中，第一端板和第二端板分别固定至外壳的两端；外壳具有第一接头、第二接头、第三接头和第四接头，第一接头和第二接头与中空管的内部连通以供管程流体通过，第三接头和第四接头与壳体的内部连通以供壳程流体通过；中空管的至少部分于第一端板和第二端板之间呈螺旋状延伸，相邻中空管的外壁间的间隙呈螺旋状延伸。本实用新型提高了管束对应的区域中、中空管外壁间流体流动的不均匀性，加快了传热速率；在不加大壳体、端板及端盖尺寸的条件下，就能增大热交换装置的换热面积，制造成本不高。

Description

一种热交换装置

技术领域

本实用新型属于换热装置技术领域，尤其是涉及一种热交换装置。

背景技术

热交换器是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用。

美国专利US3417812公开了一种热交换器，该热交换器包括壳体、位于壳体内部的管束及密封固定于壳体两端的两端盖，两端盖分别设有一个入口管和一个出口管，以供管内流体流入和流出，壳体两侧各具有一个进液管和一个出液管，供管外流体流入和流出。

其中，管束的两端部首先密封固定于两个端板，再和端板一起插入壳体内部，两个端板分别密封固定于壳体的两端，管束在两个端板之间平直延伸。

美国专利US3228456公开的换热器与美国专利US3417812公开的换热器类似，管束都是在两个端板之间平直地延伸。

当需要增大换热面积时，最常见的做法都是增加构成管束的换热管的数目或长度，换热管的数目或长度增加后，相应地，也需要加大端板、壳体及端盖对应的尺寸，最终导致换热器的制造成本增加，换热器的体积增大，相应地，其所需的安装空间也增大。此外，由于管束在两个端板之间平直地延伸，壳程流体的流动的不均匀性较低，因此上述换热器能够提供的换热速率也比较有限。

因此，需要提供一种换热器，其可以在不增加换热管数目，不加大端板、壳体和端盖尺寸的条件下，增大换热面积，并加快换热速率。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种结构简单，换热效率高，装配方便简单，在占用空间不变的前提下增大了换热面积的热交换装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热交换装置，包括外壳和位于外壳内部的多根中空管；

所述外壳包括具有敞开的两端的壳体和分别密封连接于壳体两端的第一端盖和第二端盖；

所述多根中空管的两端部分别密封固定至第一端板和第二端板中，所述第一端板和第二端板分别固定至所述外壳的两端；

所述外壳具有第一接头、第二接头、第三接头和第四接头，所述第一接头和第二接头与中空管的内部连通以供管程流体通过，所述第三接头和第四接头与壳体的内部连通以供壳程流体通过；

所述中空管的至少部分于第一端板和第二端板之间呈螺旋状延伸，相邻中空管的外壁间的间隙呈螺旋状延伸。

现有的换热器，需要增大换热面积时，最常见的做法都是增加构成管束的中空管的数目或长度，中空管的数目或长度增加后，相应地，需要加大端板、壳体及端盖对应的尺寸，最终导致换热器的制造成本增加，换热器的体积增大，相应地，其所需的安装空间也增大。此外，由于管束在两个端板之间平直地延伸，壳程流体流动的不均匀性比较低，因此，现有换热器能够提供的换热速率也比较有限。

本实用新型中中空管在两端板之间呈螺旋状延伸，并且相邻的中空管的外壁间的空隙也在两端板之间呈螺旋状延伸，由于中空管呈螺旋状弯曲延伸，中空管的长度可大于两端板之间的距离，或者也大于外壳的轴向长度，在热交换装置体积不变的情况下，可提供更大的换热面积，并且中空管外壁间的空隙的形状变得不规则、尺寸不均匀，从而可提高管束对应的区域中、中空管外壁间流体流动的不均匀性，加快传热速率。

进一步的，所述多根中空管形成管束，位于该管束外圈的中空管长度大于相邻内圈的中空管长度，位于该管束外圈的中空管的螺旋角大于相邻内圈的中空管的螺旋角。

外圈的中空管的长度大于相邻内圈的中空管的长度，并且外圈的中空管的螺旋角大于相邻内圈的中空管的螺旋角，可缓和外圈的中空管承受的扭转作用，减轻对外圈的中空管的拉伤，同时确保中空管的两端部在第一端板和第二端板中齐平。

进一步的，所述中空管的螺旋形式为圆柱螺旋线结构。

中空管呈圆柱螺旋线结构，与平直延伸的管束相比，能够提供更大的换热面积。

进一步的，所述多根中空管形成管束，所述管束最外圈中空管上任一点的切线与所述第一端板和第二端板的中心连线呈5-30°的夹角。

该角度设计不仅能够增加中空管的换热面积，同时保证中空管不会过度扭曲而降低内部的流体流速，另外也比较容易实现和维持，在增大换热器的换热面积的同时，方便换热器的制造。

进一步的，所述中空管的至少部分长度的内部空间呈螺旋状延伸。

中空管的至少部分长度的内部空间呈螺旋延伸，中空管的内部空间的形状不规则，管程流体的流动不均匀性提高，从而可加快热交换装置的换热速率。

进一步的，所述第一端板和第二端板分别对中空管的两端形成按压作用，以维持中空管在第一端板和第二端板之间呈螺旋状延伸。

进一步的，所述中空管在其整个长度范围内呈螺旋状延伸。

中空管在其整个长度范围内呈螺旋状延伸，管束内相邻中空管的外壁间的空隙、中空管的内部空间均在中空管的整个长度范围内呈螺旋状延伸，从而在中空管的整个长度范围内，壳程流体和管程流体的流动不均匀性都得到提高，因此，热交换装置的换热速率进一步增大。

进一步的，所述管束中心的中空管的长度等于或大于第一端板的前端面和第二端板的前端面之间的距离。

因为外圈中空管的长度大于相邻内圈中空管的长度，在管束中心的中空管的长度等于或大于第一端板的前端面和第二端板的前端面之间的距离，在第一端板和第二端板之间延伸的中空管的长度均大于第一端板和第二端板之间的距离，从而热交换装置能够提供更大的换热面积。

进一步的，所述管束最外圈的中空管长度和管束中心的中空管长度之比为 1.1-1.3:1。

由于管束在两个端板间呈螺旋状延伸，管束的长度大于壳体的长度，从而能够提供更大的换热面积。

进一步的，所述第一端板和第二端板之间设有至少一管板，所述管板上分布有多个开孔，所述中空管穿过所述管板的开孔，所述开孔的内径大于中空管的外径。

通过在两个端板之间设置具有开孔的管板，中空管穿过管板的开孔，从而将中空管间隔开，避免中空管缠绕在一起，确保相邻的中空管的外壁间均留有空隙，并且，由于管板的开孔的内径大于中空管的外径，因此，壳程流体还可流经开孔的内壁和中空管的外壁间的空隙，以便于壳程流体的流动，确保管程流体和壳程流体间顺利换热。

本实用新型的热交换装置在制造过程中，首先将管束的两个端部密封固定于两个端板，再将其中一个端板和壳体的一端一起与一个端盖密封固定，密封固定完成后，端盖同时和端板的端部和壳体的端部密封连接；然后转动另一端板一定的角度、并按压管束，使得管束扭转弯曲呈螺旋状，另一端板在壳体的另一端的内部形成定位，接着另一个端板和壳体的另一端一起与另一个端盖密封固定，同样，密封固定完成后，端盖同时和端板的端部和壳体的端部密封连接。两个端板均完成密封固定后，两个端板对管束的两端产生挤压作用来维持中空管的螺旋延伸形式。该热交换装置的在制造过程中，只需在固定第二个端板前加一步扭转、按压管束的操作即可完成，由于管束被扭转、按压，因此该换热器中可容纳的管束的长度大于壳体的长度，可提供更大的换热面积。

本实用新型的有益效果是：构成管束的中空管呈螺旋状在两端板之间延伸，相邻的中空管的外壁间的空隙呈螺旋状在两端板之间延伸，提高了管束对应的区域中、中空管外壁间流体流动的不均匀性，加快了传热速率；具有同样长度壳体的热交换装置，能够提供更大的换热面积，在不加大壳体、端板及端盖尺寸的条件下，就可以增大热交换装置的换热面积，热交换装置的制造成本也不会提高，也无需加大换热器的安装空间。

附图说明

图1为本实用新型提供的热交换装置的主视图。

图2为本实用新型提供的另一种外壳的剖视图。

图3为本实用新型提供的热交换装置的管束和端板连接结构示意图。

图4为图3中的A处结构放大图。

图5为本实用新型提供的热交换装置的管板的侧视图。

图6为本实用新型提供的热交换装置的端板和壳体、端盖连接部分的结构示意图。

其中，1-外壳，2-中空管，21-管束，3-壳体，41-第一端盖，42-第二端盖， 51-第一端板，511-主体，512-环状凸缘，513-开槽，52-第二端板，61-第一接头， 62-第二接头，63-第三接头，64-第四接头，7-间隙，8-管板，81-开孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

如图1-6所示，一种热交换装置，包括外壳1和位于外壳1内部的多根中空管2；外壳1又包括具有敞开的两端的壳体3和分别密封连接在壳体3两端的第一端盖41和第二端盖42。

中空管2为带有一定柔性的管体，多根中空管2形成管束21，管束21的两端部分别密封固定连接在第一端板51和第二端板52中，第一端板51和第二端板52分别固定于壳体3两端的内部；多根中空管2的端部的圆心排列形成多个同心圆，该多个同心圆以中心处中空管2的端部的圆心为圆心，中心处中空管2 的长度最短，最外圈的中空管2的长度最长。

外壳1具有第一接头61、第二接头62、第三接头63和第四接头64；第一接头61和第二接头62与中空管2的内部相连通，从而管程流体在中空管2内流通；第三接头63和第四接头64与壳体3的内部相连通，从而壳程流体在壳体3内、位于中空管2外的空间流通。

壳体3靠近其敞开的一端的侧壁上形成有第三接头63，壳体3靠近其敞开的另一端的侧壁上形成有第四接头64；第三接头63和第四接头64位于壳体3 的同一侧，即第三接头63和第四接头64与壳体3之间呈U形排布，此时从外壳1的端部看，第三接头63和第四接头64之间的夹角为0°。当然第三接头 63和第四接头64也可以不位于壳体3的同一侧，而是位于壳体3的两侧，即第三接头63和第四接头64与壳体3呈Z形排布。此时从外壳1的端部看，第三接头63和第四接头64呈180°的夹角。当然，于其他实施例中，此夹角可以根据热交换器现场的安装管路位置选择其他形式，如第三接头63和第四接头64 的夹角为90°，或60°，或45°等。

当然，如图2所示，第一接头61和第三接头63也可以均设置在第一端盖 41上，也就是说第一端盖41的筒状部分延长，在其筒状部分中形成第三接头 63，第二端盖42的筒状部分也延长，在其筒状部分中形成第四接头64；第二接头62和第四接头64也可以均设置在第二端盖42上，也就是说第二端盖42的端面边缘向壳体3所在一侧垂直延伸，在该延伸段的侧壁上形成第四接头64，此时无需在壳体3侧壁设置接头。

虽然第三接头63和第四接头64的设置位置发生了变化，但是其仍然位于外壳1 的同一侧，即第三接头63和第四接头64与外壳1之间呈U形排布，即从外壳 1的端部看，第三接头63和第四接头64之间的夹角为0°。也可以将第三接头 63和第四接头64设置为位于外壳1的两侧，即第三接头63和第四接头64与外壳1呈Z形排布，从外壳1的端部看，第三接头63和第四接头64之间的夹角为180°。

如图3、4所示，中空管2的至少部分在第一端板51和第二端板52之间呈螺旋状延伸，相邻的中空管2间隔布设，从而相邻中空管2的外壁之间形成呈螺旋状延伸的间隙7。于本实施例中，中空管2在其整个长度范围内呈螺旋状延伸。

具体的，中空管2的螺旋形式为圆柱螺旋线结构。

管束21外圈的中空管2的长度大于相邻内圈的中空管2的长度，且管束21 最外圈的中空管2的长度和管束21中心的中空管2长度之比为1.1-1.3:1；位于管束21外圈的中空管2的螺旋角大于相邻内圈的中空管2的螺旋角，管束21 最外圈的中空管2上任一点的切线与第一端板51的中心和第二端板52的中心的连线间的夹角在5°-30°范围内取值，即图4中α角为5°-30°。

为了保证管束21中心的中空管2也能形成螺旋状延伸的结构，管束21中心的中空管2的长度等于或者大于第一端板51的前端面和第二端板52前端面之间的距离，也就是说，管束21中心的中空管2的长度等于或者大于图3中L 的长度。

第一接头61位于第一端盖41上，第一端盖41同时与壳体3的一端和第一端板51的端部密封连接；第二接头62位于第二端盖42上，第二端盖42同时与壳体3的另一端和第二端板52的端部密封连接；于本实施例中，此处密封连接为焊接实现。

如图6所示，第一端板51包括呈圆盘状的主体511和突出主体511靠近第一端盖41所在一侧的末端面的环状凸缘512，环状凸缘512延伸主体511的整个外边沿设置；主体511和环状凸缘512的侧壁与壳体3内壁密封连接。

管束21的其中一个端部密封固定在第一端板51的主体511中，具体的，主体511的厚度为10-25mm，在主体511上贯穿形成多个深度为10-25mm的开槽513，中空管2的外壁与开槽513的内壁密封连接，具体可以是焊接，而且中空管2的端面与开槽513的端面相齐平，即中空管2端部伸入主体511部分长度也为10-25mm，从而管束21的10-25mm长度的外壁与开槽513的整个内壁熔接在一起，提高了管束21与主体511的焊接强度，确保中空管2与开槽513间可靠的密封性，避免管程流体泄漏。

第一端盖41与壳体3密封连接时，其端面的部分与壳体3的第一端端面全部密封连接，壳体3的第一端端面和环状凸缘512的端面齐平，从而第一端盖 41端面的另外部分同时与环状凸缘512的部分或全部密封连接。

中空管2一端和第一端板51形成可靠的密封连接，第一端盖41同时与壳体3、环状凸缘512形成可靠的密封连接，有效防止尚未流入中空管2内部或者由中空管2流出的管程流体泄漏至壳体3内部，与壳程流体混在一起。

第二端板52的结构与第一端板51的结构相同，管束21的另一端部在第二端板52中的密封固定形式与管束21的一端部在第一端板51中的密封固定形式相同，并且，第二端盖42与壳体3、第二端板52的密封连接结构与上述第一端盖41与壳体3、第一端板51的密封连接结构相同，不再赘述。

装配时，管束21的两端部分别与第一端板51、第二端板52形成可靠的密封连接，将第一端板51固定于壳体3的一端，转动第二端板52，其带着管束 21同步转动形成螺旋状延伸结构，同时，中空管2的至少部分长度的内部空间呈螺旋延伸，再将第二端板52固定于壳体3的另一端，从而第一端板51和第二端板52分别对管束21的两端形成按压作用，将中空管2在第一端板51和第二端板52之间的螺旋状延伸结构维持住。

为了避免中空管2相互缠绕，进而对壳程流体的流动带来额外的阻力，在第一端板51和第二端板52之间设置至少一个管板8，管板8与第一端板51、第二端板52相平行，其外径小于或等于壳体3的内径。更好地，管板8为圆缺状，即一个圆形板被切去部分区域。圆缺状的管板8便于壳程流体的流动。

如图5所示，管板8上均匀分布有多个贯穿其厚度方向的开孔81，开孔81 的内径大于中空管2的外径，从而多个中空管2分别一一对应穿过多个管板8 的开孔81(或者少部分中空管2不穿过开孔81也可。)，管板8起到限制中空管 2相对位置的作用，避免中空管2缠在一起，确保相邻的中空管2的外壁间均留有空隙，并且，开孔81的内壁和中空管2的外壁间也留有空隙，以便于壳程流体的流动，确保管程流体和壳程流体间顺利换热。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种热交换装置，包括外壳和位于外壳内部的多根中空管；

所述外壳包括具有敞开的两端的壳体和分别密封连接于壳体两端的第一端盖和第二端盖；

所述多根中空管的两端部分别密封固定至第一端板和第二端板中，所述第一端板和第二端板分别固定至所述外壳的两端；

所述外壳具有第一接头、第二接头、第三接头和第四接头，所述第一接头和第二接头与中空管的内部连通以供管程流体通过，所述第三接头和第四接头与壳体的内部连通以供壳程流体通过；

其特征在于：所述中空管的至少部分于第一端板和第二端板之间呈螺旋状延伸，相邻中空管的外壁间的间隙呈螺旋状延伸。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：所述多根中空管形成管束，位于该管束外圈的中空管长度大于相邻内圈的中空管长度，位于该管束外圈的中空管的螺旋角大于相邻内圈的中空管的螺旋角。

3.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于：所述中空管的螺旋形式为圆柱螺旋线结构。

4.根据权利要求3所述的热交换装置，其特征在于：所述多根中空管形成管束，所述管束最外圈中空管上任一点的切线与所述第一端板和第二端板的中心连线呈5-30°的夹角。

5.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：所述中空管的至少部分长度的内部空间呈螺旋状延伸。

6.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：所述第一端板和第二端板分别对中空管的两端形成按压作用，以维持中空管在第一端板和第二端板之间呈螺旋状延伸。

7.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：所述中空管在其整个长度范围内呈螺旋状延伸。

8.根据权利要求2所述的热交换装置，其特征在于：所述管束中心的中空管的长度等于或大于第一端板的前端面和第二端板的前端面之间的距离。

9.根据权利要求2所述的热交换装置，其特征在于：所述管束最外圈的中空管长度和管束中心的中空管长度之比为1.1-1.3:1。

10.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于：所述第一端板和第二端板之间设有至少一管板，所述管板上分布有多个开孔，所述中空管穿过所述管板的开孔，所述开孔的内径大于中空管的外径。

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