CN217877225U - 多温段梯级换热同轴套管热交换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及换热技术领域，公开了一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，包括有外壳管以及依序套设在外壳管内的大传热管和小传热管，小传热管形成管程空间，外壳管与大传热管之间为第一壳程空间，大传热管与小传热管之间为第二壳程空间，通过多温段梯级换热的方式将一个热源置换出两种温度的效果，也即通过本实用新型的热交换器，通过一组换热器即可将一个热源置换出两种温度，而不再需要至少两组换热器，从而达到节省换热器使用，减少体积占用，减少投资成本的目的。

Description

多温段梯级换热同轴套管热交换器

技术领域

本实用新型涉及换热技术领域，尤其涉及一种多温段梯级换热同轴套管热交换器。

背景技术

在一些场合，一种热源需要置换成多种温度，以满足不同生产和生活的需求。比如，在一些酒店、宾馆、学校、厂区等，采用锅炉作为热源，可产生90℃左右的热水，以作为生活用水和采暖的热源，生活热水所需的温度一般为50~60℃，采暖热水所需的温度一般为40~50℃。为了实现将少数量的热源置换成多种温度，一般需要采用多组换热器（热交换器），如将锅炉热水置换出生活用水和采暖用水两种温度，一般是采用两组换热器，以通过两组不同的换热器，分别产生（置换出）不同温度的热水。两组换热器所占的体积大，且投资成本高，在使用时具有一定的局限性。

实用新型内容

针对以上不足，本实用新型提供一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，能够解决现有一个热源置换出两种温度需要使用两组换热器的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，

包括有外壳管、套设在所述外壳管内的大传热管、以及套设在所述大传热管内的小传热管；

所述大传热管为单管，其一端部为直管段一，另一端部为直管段二；所述小传热管为单管，其一端部为直管段三，另一端部为直管段四；

所述直管段三的端口为流体一入口，所述直管段四的端口为流体一出口；

所述大传热管在靠近流体一入口的端口侧壁处设置有流体二出口，所述大传热管在靠近流体一出口的端口侧壁处设置有流体二入口；

所述外壳管在靠近流体二出口的端口侧壁处设置有流体三出口，所述外壳管在靠近流体二入口的端口侧壁处设置有流体三入口；

所述小传热管及其上的流体一入口和流体一出口构成管程空间；所述流体三出口、流体三入口、外壳管内壁和大传热管外壁构成第一壳程空间；所述流体二出口、流体二入口、大传热管内壁和小传热管外壁构成第二壳程空间。

优选的，所述大传热管和小传热管分别具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得所述大传热管和小传热管为多叶螺旋管。

优选的，所述大传热管和小传热管的螺旋凸叶为2至5条，多条螺旋凸叶均匀环绕在所述大传热管或小传热管的管壁外。

优选的，所述外壳管、大传热管和小传热管同轴设置。

优选的，所述外壳管在靠近流体二出口的端口通过渐扩段与直管段一的端口密封连接；所述外壳管在靠近流体二入口的端口通过渐缩段与直管段二的端口密封连接。

优选的，所述大传热管在靠近流体一入口的端口通过渐扩段与直管段三的端口密封连接；所述大传热管在靠近流体一出口的端口通过渐缩段与直管段四的端口密封连接。

优选的，所述流体二出口、流体三出口、外壳管、大传热管、小传热管、流体三入口和流体二入口均采用可焊接的铜材质制成。

优选的，所述大传热管包括依次连接的直管段一、螺旋管段一和直管段二，所述直管段一、螺旋管段一和直管段二一体成型。

优选的，所述小传热管包括依次连接的直管段三、螺旋管段二和直管段四，所述直管段三、螺旋管段二和直管段四一体成型。

优选的，所述大传热管中部具有螺旋管段一，所述小传热管中部具有螺旋管段二，所述螺旋管段二套设在所述螺旋管段一内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的多温段梯级换热同轴套管热交换器，通过多温段梯级换热的方式将一个热源置换出两种温度的效果，也即通过本实用新型的热交换器，通过一组换热器即可将一个热源置换出两种温度，而不再需要至少两组换热器，从而达到节省换热器使用，减少体积占用，减少投资成本的目的；

2、通过设置大传热管，采用大传热管和逆流传热方式，在流体冷、热流道中产生的离心力有利于产生二次流，使得换热管壁内外侧的流体热边界层变薄，增加流体湍流度，较之传统的同轴套管热交换器，其传热效率高，对于相同的换热量，减少材料的使用量，降低造价，节约成本，具有体积小、安装空间要求相对较小的优势，有利于减少换热器的体积，特别适合于安装空间紧张的场合。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中外壳管的结构示意图；

图3为本实用新型中大传热管的结构示意图；

图4为本实用新型中小传热管的结构示意图；

图5为本实用新型的剖面示意图。

其中，图中所示标记为：1-流体一入口，2-流体二出口，3-外壳管，304-第一壳程空间，4-大传热管，401-直管段一，402-螺旋管段一，403-直管段二，404-第二壳程空间，5-小传热管，501-直管段三，502-螺旋管段二，503-直管段四，504-管程空间，6-流体二入口，7-流体一出口，8-流体三出口，9-流体三入口。

具体实施方式

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、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

现有技术的同轴套管热交换器，由于一个热源只能置换出一种温度，具有很大的局限性。

申请人提供一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，通过设置外壳管、大传热管、以及小传热管等，能同时产生两种水温，是传统同轴套管热交换器的更新换代产品。

如图1-5所示，本实用新型提供一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，主要包括有外壳管3，套设在外壳管3内的大传热管4、以及套设在大传热管4内的小传热管5。

在一些实施例中，大传热管4为单管，包括依次连接的直管段一401、螺旋管段一402和直管段二403，大传热管4的直管段一401、螺旋管段一402和直管段二403一体成型，也即通过一根圆管加工而成。且大传热管4为金属材质制成，也即直管段一401、螺旋管段一402和直管段二403由金属材质制成，优选的，大传热管4采用可焊接的铜材质制成。

在一些实施例中，小传热管5为单管，包括依次连接的直管段三501、螺旋管段二502和直管段四503，小传热管5的直管段三501、螺旋管段二502和直管段四503一体成型，也即通过一根圆管加工而成。且小传热管5为金属材质制成，也即直管段三501、螺旋管段二502和直管段四503由金属材质制成，优选的，小传热管5采用可焊接的铜材质制成。

在优选的实施例中，大传热管4和小传热管5分别具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得大传热管4和小传热管5为多叶螺旋管，在优选的实施例中，大传热管4和小传热管5中的螺旋凸叶分别设置在螺旋管段一402和螺旋管段二502上。直管段一401、直管段二403、直管段三501和直管段四503分别为圆管；螺旋管段一402和螺旋管段二502则分别由圆管经特殊设备压制和加工而成，并经旋钮后形成螺旋扭曲状，也即具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得螺旋管段一402和螺旋管段二502为多叶螺旋管，本实用新型采用螺旋扭曲管替代传统的光管或波纹换热管。

在一些实施例中，直管段三501的端口为流体一入口1，直管段四503的端口为流体一出口7，实施时，流体从流体一入口1进入并经过螺旋管段二502从流体一出口7出去。

进一步地，大传热管4在靠近流体一入口1的端口侧壁处设置有流体二出口2，大传热管4在靠近流体一出口7的端口侧壁处设置有流体二入口6，实施时，流体从流体二入口6进入并经过大传热管4内壁和小传热管5外壁之间从流体二出口2出去。

进一步地，外壳管3在靠近流体二出口2的端口侧壁处设置有流体三出口8；外壳管3在靠近流体二入口6的端口侧壁处设置有流体三入口9，实施时，流体从流体三入口9进入并经过外壳管3内壁和大传热管4外壁之间从流体三出口8出去。

此时，在多温段梯级换热同轴套管热交换器中，流体一入口1、流体二出口2以及流体三出口8位于热交换器的一端，流体一出口7、流体二入口6以及流体三入口位于热交换器的另一端。

流体一入口1、小传热管5和流体一出口7构成流体一流动的管程空间504；流体二出口2、流体二入口6、大传热管4内壁和小传热管5外壁之间构成流体二流动的第二壳程空间 404；流体三出口8、流体三入口9、外壳管3内壁和大传热管4外壁构成流体三流动的第一壳程空间 304，如图5所示。

值得注意的是，可以理解的是，为了便于描述和理解，本实用新型对流体作了流体一、流体二和流体三的区分，基于本实用新型的目的，也即为了达到一种热源置换成多种温度的目的，实质上，流体一、流体二和流体三的温度均来自一个热源（流体），如流体一为初始温度最高的热源，流体二的温度是与流体一置换后得到，流体三的温度又是与流体二置换后得到，各热源（流体）具有相应的不同温度，也即实现一种热源置换出流体二和流体三所携带的两种不同的温度，如果将流体一出去后所携带的温度算上，则能够置换出三种温度。此时，可以将流体一、流体二和流体三理解为温度的载体，其温度均来自于流体一（热源）的温度，或者说是通过高温的流体一置换而来，而不应将流体一、流体二和流体三理解为三种不同的热源。

小传热管5形成管程空间504，且小传热管5具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得小传热管5为多叶螺旋管；同理，大传热管4和小传热管5之间形成第二壳程空间404，且大传热管4具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得大传热管4为多叶螺旋管。外壳管3和大传热管4形成第一壳程空间 304。

实施时，具有最高温度的流体一（热源）从流体一入口1进入并经过螺旋管段二502从流体一出口7出去，流体二从流体二入口6进入并经过大传热管4内壁和小传热管5外壁之间从流体二出口2出去，流体三从流体三入口9进入并经过外壳管3内壁和大传热管4外壁之间从流体三出口8出去，也即，流体一进入管程空间504并出去，流体二进入第二壳程空间404并出去，流体三进入第一壳程空间 304并出去，此时，流体一（热源）将温度置换到流体二，流体二将温度置换到流体三，以实现多温段梯级换热的方式将一个热源置换出两种温度的效果，也即通过本实用新型的多温段梯级换热同轴套管热交换器，通过一组换热器即可将一个热源置换出两种温度，而不再需要至少两组换热器，从而达到节省换热器使用，减少体积占用，减少投资成本的目的。

在一种具体的实施方式中，本实用新型采用大传热管4、小传热管5为多叶螺旋管的逆流传热方式，在流体冷、热流道中产生的离心力有利于产生二次流，使得换热管壁内外侧的流体热边界层变薄，增加流体湍流度，较之传统的同轴套管热交换器（光管或螺纹管形式），其传热效率高。对于相同的换热量，可减少传热面积，从而减少材料的使用量，降低造价，节约成本。采用多叶螺旋管形式的大传热管4和小传热管5作为高效换热管，具有体积小、安装空间要求相对较小，有利于减少换热器的体积，特别适合于安装空间紧张的场合。

大传热管4和小传热管5管内的传热性能的变化主要是由于多叶螺旋管形式的传热管的扭曲引起了传热管的管内二次流，二次流的出现带来了合速度分布的变化，进而影响了流动截面的温度分布。大传热管4和小传热管5相对于光管或螺纹管几何参数的变化引起了换热管内的二次流，二次流的出现改变了换热管横截面温度场以及速度场分布，同时也改变了换热管横截面Nu以及f的分布，从对场的影响上来讲，二次流的出现降低了管内速度场与温度梯度场之间的夹角，从而实现了换热管的强化传热。这也是大传热管4和小传热管5相对于光管或螺纹管横截面速度场、温度场的变化带来强化传热的理论机理。即大传热管4和小传热管5的强传热机理为：大传热管4和小传热管5沿换热管轴向的不间断扭曲引起了传热管管内二次流的出现，相对于光管或螺纹管，二次流的出现改变了传热管横截面速度场以及温度场分布，同时也改变了传热管横截面努赛尔数Nu以及摩擦系数f的分布，降低了速度场以及温度梯度场之间的夹角，实现强化传热。

本实用新型的多温段梯级换热同轴套管热交换器，通过在管程和壳程内的不同状态、温度、焓值的流体之间的热交换，达到换取不同温度的流体。

在一些实施例中，大传热管4和小传热管5的螺旋凸叶为多条，构成大传热管4和小传热管5的传热壁面。大传热管4和小传热管5的螺旋凸叶应设计合理，一方面以保证大传热管4和小传热管5和逆流传热方式，在流体冷、热流道中产生的离心力有利于产生二次流，使得传热管壁内外侧的流体热边界层变薄，加流体湍流度，降低传热热阻为前提，另一方面也要考虑加工难度。数量过多的螺旋凸叶不利于加工，也不利于后期的旋扭以形成多叶螺旋管形式的大传热管4和小传热管5。本优选的实施例中，大传热管4和小传热管5的螺旋凸叶为3条，多条螺旋凸叶均匀环绕在大传热管4或小传热管5的管壁外。

在一些实施例中，外壳管3、大传热管4和小传热管5同轴设置，且小传热管5中部的螺旋管段二502套设在打传热管4的螺旋管段一402内。

示例性地，流体一入口1、流体二出口2、流体二入口6、流体一出口7均为圆管。流体二出口2和流体二入口6通过焊接的方式与大传热管4的直管段一401、直管段二403相连并分别设置在大传热管4的左右两端。

示例性地，流体三出口8、外壳管3、流体三入口9均为圆管。流体三出口8和流体三入口9分别通过焊接的方式与外壳管3相连并分别设置在外壳管的左右两端。

在一些实施例中，大传热管4在靠近流体一入口1的端口通过渐扩段与直管段三501的端口密封连接；大传热管4在靠近流体一出口7的端口通过渐缩段与直管段四503的端口密封连接。具体地，在一种示例性的实施例中，大传热管4在靠近流体一入口1的端口（直管段一401的端口）通过渐扩段与直管段三501的端口，以及大传热管4在靠近流体一出口7的端口（直管段二403的端口）通过渐缩段与直管段四503的端口均通过焊接的方式密封连接。

同理，在一些实施例中，外壳管3在靠近流体二出口2的端口通过渐扩段与直管段一401的端口密封连接；外壳管3在靠近流体二入口6的端口通过渐缩段与直管段二403的端口密封连接。具体地，在一种示例性的实施例中，外壳管3在靠近流体二出口2的端口通过渐扩段与直管段一401的端口，以及外壳管3在靠近流体二入口6的端口通过渐缩段与直管段二403的端口均通过焊接的方式密封连接。

在一些实施例中，流体三出口8、外壳管3、流体三入口9采用金属材质制成，优选的，采用可焊接的铜材质制成。

本优选的实施例中，流体二出口2、大传热管4、小传热管5和流体二入口6、流体三出口8、外壳管3和流体三入口9均采用可焊接的铜材质制成，铜质材料保证了传热性能，且可焊接的铜材质有助于焊接成型，且有利于与流体铜质管道之间的焊接。

下面对本实用新型的多温段梯级换热同轴套管热交换器的运行过程进行一个示例性的说明：

从热源（锅炉）流出的90℃高温水一（流体一）经过流体一入口1流入小传热管5，流过管程空间504，与第二壳程空间 404的50℃的生活热水回水（流体二）进行逆流换热后，从流体一出口7返回热源（锅炉）中进行循环加热，从第一壳程空间 404制备出60℃的生活热水供水供给生活用水点；

40℃的采暖回水（流体三）经过流体三入口9流入第一壳程空间 304，与第二壳程空间 404的60℃的生活热水供水进行逆流换热后，制备出50℃的采暖热水供水从流体三出口8流出，供给空调末端；

流体一、流体二和流体三在多温段梯级换热同轴套管热交换器中，由于温差的驱动，通过大传热管4和小传热管5的管壁进行间接换热，从而达到换热的目的，并实现置换出多种温度，以达到减少热交换器使用数量的目的；由于三路流体的流体之间的换热采用了强化传热以及逆流传热的方法，较之传统的同轴套管热热交换器，其传热效率高，对于相同的换热量，可减少传热面积，从而减少材料的使用量，降低造价，节约成本，且具有体积小、安装空间要求相对较小，有利于减少换热器的体积，特别适合于安装空间紧张的场合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

包括有外壳管（3）、套设在所述外壳管（3）内的大传热管（4）、以及套设在所述大传热管（4）内的小传热管（5）；

所述大传热管（4）为单管，其一端部为直管段一（401），另一端部为直管段二（403）；所述小传热管（5）为单管，其一端部为直管段三（501），另一端部为直管段四（503）；

所述直管段三（501）的端口为流体一入口（1），所述直管段四（503）的端口为流体一出口（7）；

所述大传热管（4）在靠近流体一入口（1）的端口侧壁处设置有流体二出口（2），所述大传热管（4）在靠近流体一出口（7）的端口侧壁处设置有流体二入口（6）；

所述外壳管（3）在靠近流体二出口（2）的端口侧壁处设置有流体三出口（8），所述外壳管（3）在靠近流体二入口（6）的端口侧壁处设置有流体三入口（9）；

所述小传热管（5）及其上的流体一入口（1）和流体一出口（7）构成管程空间（504）；所述流体三出口（8）、流体三入口（9）、外壳管（3）内壁和大传热管（4）外壁构成第一壳程空间（304）；所述流体二出口（2）、流体二入口（6）、大传热管（4）内壁和小传热管（5）外壁构成第二壳程空间（404）。

2.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述大传热管（4）和小传热管（5）分别具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得所述大传热管（4）和小传热管（5）为多叶螺旋管。

3.根据权利要求2所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述大传热管（4）和小传热管（5）的螺旋凸叶为2至5条，多条螺旋凸叶均匀环绕在所述大传热管（4）或小传热管（5）的管壁外。

4.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述外壳管（3）、大传热管（4）和小传热管（5）同轴设置。

5.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述外壳管（3）在靠近流体二出口（2）的端口通过渐扩段与直管段一（401）的端口密封连接；所述外壳管（3）在靠近流体二入口（6）的端口通过渐缩段与直管段二（403）的端口密封连接。

6.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述大传热管（4）在靠近流体一入口（1）的端口通过渐扩段与直管段三（501）的端口密封连接；所述大传热管（4）在靠近流体一出口（7）的端口通过渐缩段与直管段四（503）的端口密封连接。

7.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述流体二出口（2）、流体三出口（8）、外壳管（3）、大传热管（4）、小传热管（5）、流体三入口（9）和流体二入口（6）均采用可焊接的铜材质制成。

8.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述大传热管（4）包括依次连接的直管段一（401）、螺旋管段一（402）和直管段二（403），所述直管段一（401）、螺旋管段一（402）和直管段二（403）一体成型。

9.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述小传热管（5）包括依次连接的直管段三（501）、螺旋管段二（502）和直管段四（503），所述直管段三（501）、螺旋管段二（502）和直管段四（503）一体成型。

10.根据权利要求1所述的多温段梯级换热同轴套管热交换器，其特征在于：

所述大传热管（4）中部具有螺旋管段一（402），所述小传热管（5）中部具有螺旋管段二（502），所述螺旋管段二（502）套设在所述螺旋管段一（402）内。

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