CN2236637Y - 一种新型热交换装置——多圈式换热器 - Google Patents

Abstract

一种多圈式换热器，是一种通过间壁进行热交换的设备。它是由壳体端盖、冷热流体进出口、间壁换热面所组成。其特征在于将互不相通的冷程和热程交替地呈多圈式排布两端有配流板。它的紧凑性高易于拆卸、清垢简便、可靠，能以板代管，结构简单，加工容易，成本低廉，能回收低温余热，能准确控制流体温度，热效率高，换热速度快，可广泛用于石油、化工、动力、轻工食品、医药、制冷、采暖、交通运输、宇航及民用器具等热交换过程中。

Description

一种新型热交换装置——多圈式换热器

本实用新型属于热交换装置。它适用于一切两种冷热流体通过间壁进行间接热(显热、潜热或反应热)交换的场合。诸如换热器、再沸器、蒸发器、过热器、散热器、空冷器，水冷器、热水器冷却器、冷凝器、加热器、反应器和锅炉等等。(以下统称为换热器)

在石油、化工、动力、轻工、食品、医药、制冷、采暖、交通运输，宇航及民用器具等热交换过程中，大量使用着结构不同的换热器，尽管它们的结构有很大的差异，但都具有以下的共性。

1、冷流体和热流体沿着互不串通的各自的通道流动(为便于叙述我们分别称之为冷程和热程)它们间不得渗漏。

2、热交换是通过两程间的间壁来实现的，通常间壁的壁面即为换热面。

3、为使换热器有足够的换热面，又要求有足够的紧凑性(紧凑性可定义为单位体积的换热器具有的换热面积)。冷程和热程间就会有相当长的缝隙，例如列管换热器中列管和管板间，螺旋板式换热器中螺旋流道和端板间的缝隙，这些缝隙须采用各种办法使其封闭。为便于叙述我们将这些须封闭的缝隙称之为“封缝”。

4、封缝的存在不仅使换热器的结构复杂化，增加了制造费用，而且还使换热器不好拆卸，致使在使用时难于检查维修和清垢。此外，结构上消除热应力也很复杂。

5、为便于检查、维修和清垢，有一些可拆卸的换热器已得到工业应用，如可拆卸螺旋板式换热器、板式换热器，但是它们的结构笨重。工作可靠性差，使用的压力和工作温度受到密封材料的限制工作压力和温度都不高。

纵观换热器的发展史，可以归纳成以下两点：

1、与工业生产规模大型化相适应，换热器的换热面积不断增大，从初期的简单增大到依靠提高紧凑性增大，例如早期的用列管换热器取代套管换热器以至到最近发展的板翅式换热器和各种翅片的应用。

2、换热器的强化是以换热方程式Q＝KFΔt为基础而展开的。式中Q为换热量，Δt为两流体的温度差。它是换热过程的推动力。由于两流体的温度由环境(如水冷和空冷)和工艺要求决定，我们不能任意选择。故增大Δt为余地不大。K为总传热系数，它和很多因素有关。围绕如何提高K值，多年来国内外科技工作者做了大量卓有成效的研究工作。概括起来有以下几种措施：(1)改善流体的流动状况，如增加流速，采用强化圈，使流体产生涡流，以及使流体或间壁产生振荡等等。(2)改善换热面的表面状态。(3)选用导热系数(入)高的材料。(4)采用化学的物理的办法减轻污垢。以上诸项措施的进一步应用受到一些条件的限制，例如增加流速受流体阻力成方次的关系增大的限制。其它措施也受到制造费用和操作费用增加的限制。

污垢系数属于流体的物性，难于改变。最可靠而简易的办法是使换热器易于拆卸、便于人工清垢。但是随着提高设备的紧凑性而加大换热面F的同时，使设备更难于拆卸

在换热器的总热阻中，垢的热阻占20％以上。某些污垢系数较大的流体的垢的热阻甚至高达总热阻的80％以上。因之在增大F，提高设备的紧凑性的同时，还能使其易于拆卸，便于清垢。此外还能以板代管，降低材料费用，使结构简单。易于加工以减少加工费用，是当前换热器科研的发展方向。

本实用新型的目的是描准这一方向而展开的。为实现这一目的，其重要的特征在于：将互不相通的冷程和热程交替地呈多圈式排布。它可以是同心相套的园形管或其它异形管，亦可以是用板卷成双通道的螺旋管。由两壁形成的环形或螺旋形是两流体通道。为保证两流体互不串通，并使流动有序，在换热器的两端设有配流板和集散室(或集散联管)。下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图一是为多圈式换热器的结构和流体流向的示意图。它是由同心排列的若干多圈套管1所组成。图中由D₁～D₆六根管所构成(实际上管的数目不限于此，可多可少)在两根管之间构成了环形的流道截面。冷程的宽度用b₁表示，热程的宽度用b_R表示。最大的管(D₆)的管壁即为该换热器的壳体。换热器的两端有配流板6。图二为左端配流板的剖视图，图三为右端配流板的剖视图。凡可见到呈辐射状排列的翅片2的部份是开口的，而用斜剖线划出的部份则是封闭的。开口的半环上用符号“×”表示冷程，而用符号“·”表示热程，左右两块配流板是这样匹配的：若以隔板9为基线。同一个环形流道如左端的配流板上半部是开口的，下半部就是封闭的，与之相匹配的右端配流板正相反，上半部是封闭的，下半部是开口的，配流板的开口部份和封头5的一个集散室相通。封头5用隔板9分成互不相通的集散室。我们用L代表冷流体。用R代表热流体．并分别用下标l代表进口．下标2代表出口。由图一可见冷流体L_l从换热器右端上部接口进入上部集散室7.这里的配流板冷程是开口的．故冷流体沿点划线→进入D₂～D_l形成的环沿

进入D₄～D₃形成的环沿 进入D₆～D₅形成的环。对应这些环在配流板的下部是封闭的，故冷流体只能沿冷流体通道3向右流动。及至到右端配流板．同一环的上部是封闭的而下部则是开口的。故冷流体只能由右部的封头的下部集散室集中后再由L₂处流出。同样热流体从右端R₁导入后．经右端配流板上部按实线(

所示方向沿热流体通道4向左流动．最后经右端配流板集散室后由R₂处流出。从而实现了冷热流体逆流换热的过程。

通常，配流板6是固定(焊)于多圈管1上的．当多函耆l设有孥芦。特别是设有径向翅片或螺纹翅片(参见本说明书稍后部份)为便营壁待别是题片清垢方便彻底。配流板6也可设计威可拆卸结构。这样每一根多圈营都能从换热器中抽出。可以更方便彻底地清除营壁及翅片上的结垢。可拆卸配流板的示熏结构示于图丸中。其构造和功能说明详见本说明书稍后的实施倒一之中。

前已述及，多圈管亦可采用渐开的螺旋板卷制而成。图四为其纵剖面结构示意图。它是由两块平行的螺旋板10卷制而成中心部用联板11相隔，它们间构成了两条互不相通的螺旋状流道剖面，其宽度分别为b_L和b_R。图中用符号“×”表示冷程，用符号“·”表示热程。和同心布置的多圈套管式换热器(参见图一)一样，其两端亦有配流板集散室和封头。封头也是用法兰和壳体相密封，其结构和流体流动情况二者完全相似，故不再赘述。

为有效地增加换热器的换热面积，提高其紧凑性，在这里提出了两项措施，实施时可因地制宜地选用，兹分述如下：

措施一：将多圈管或螺旋板的壁制成花边状，现以多圈套管式为代表将剖面图示于图五中。

措施二增设翅片。翅片按排列方式分三种，第一种为轴向排列，翅片面和中心轴线平行。第二种为螺纹状排列，翅片面呈螺纹状排于多圈管上。第三种为径向排列，翅片面和中心轴垂直。

轴向排列是应优先选择的一种排列，因为其翅间的通道是直的，便于清垢，而且加工也容易。

轴向排列的翅片形状有多种多样，图六中a为直形翅片，b为折形翅片。为了减少翅片和管壁的接触热阻，翅片最好能和管壁固成一体，或至少使其紧密配合。有时亦可采用弹性翅片。图六中c为一种弹性翅片。这时应使弹性翅片的自由宽度b′稍大于流道宽度b，这样可保证翅片能紧贴于管壁上。弹性翅片有各种形状，图六中d为其可能的几种。弹性翅片可以顺排，如图六中e，亦可成对对顶排列，如图六中f所示。

螺纹状翅片较之轴向翅片加工较为麻烦，清垢也较费事，但是可延长流道长度则是其优点。螺纹状翅片只能适用于多圈套管式换热器上。图八为其示意图。它是在每根多圈管的外壁焊上或缠绕上螺纹翅片，翅片的顶园紧套于相邻多圈管的内壁上。于是相邻两管壁(内管的外壁和外管的内壁)和相邻两螺纹翅片包络而成螺纹状流体通道。为保证不同圈的螺纹状流体通道具有相同的展开长度，不同圈的螺纹翅的螺纹角和螺纹头数不等。

径向排列的翅片加工最麻烦，清垢更难，只适用于不结垢或结垢非常轻微的液体，其优点是加强了流体的搅动，延长了流道的长度。径向排列的翅片也有多种形状，图七中a为筛板式翅片，b为具豁口的翅片。当然具豁口的翅片上也可开有筛孔，相邻两翅片m和n是错位的，以使流体有周向流动。

翅片可以是等截面的，也可以是不等截面的；翅片可以分段也可以不分段；其表面可以是光滑的也可以是非光滑的；翅片材料可以用和管壁同一种材料也可以和管壁不同材料制成。

这种多圈式换热器，它具有很高的紧凑性，易于拆卸、清垢简便可靠，能以板代管，结构简单，加工容易，使用可靠，成本低廉，能回收低温余热，能准确控制流体温度，结构精巧，热效率高，换热速度快，可广泛用于石油、化工、动力、轻工食品、医药、制冷、采暖、交通运输、宇航及民用器具等热交换过程中。

下面介绍几种应用本实用新型的原理的实施例：

实施例一：多圈螺纹翅管换热器，(参见图八)

多圈螺纹翅管换热器是由多圈管1同心相套而成。每根多圈管固定有螺纹翅片2。螺纹翅片的长度短于多圈管。为使流体流动均匀，不同圈数上的螺纹头数和螺距是不同的。冷程流道3和热程流道4交叉相邻。封头5、集散室7和垫片8、隔板9和配流板6的作用和图一所述一样。同样，配流板6也可设计成可拆卸结构，这时翅片可采用螺纹拧合入扣的办法以减少翅片与管壁的接触热阻。(参见图九)。为能简明地说明问题，作为代表图九中只给出D₁、D₂、D₃三根多圈管，而且也只绘出了换热器的右端剖视图。在多圈管的壁上固定有配流定位筋6(a)。其作用是使配流圈6(b)限位。配流圈6(b)和相邻两多圈管管壁松配，但缝隙很小。配流圈6(b)的小半圈上开有孔道作为流体的通道(相当于图一中配流板上的开口部位)。配流圈6(b)的另外大半圈上无有孔道(相当于图一中配流板上的封闭部位)。配流密封垫6(c)可以是平垫，也可以是密封圈或厌氧密封胶。其作用是使配流圈6(b)与多圈管1间的缝隙密封。配流压板6(d)和配流密封垫6(c)上的孔道和配流圈6(b)上的孔道——对应，作为流体的通道起到配流的作用。由于配流压板6(d)还起到压紧配流密封垫6(c)的作用。因此配流压板6(d)需要有足够的刚度。由图九可见，只要卸开螺栓螺母12、13则封头5，垫片8配流压板6(d)配流密封垫6(c)和配流圈6(b)都能拆卸开，最后多圈管1可被——抽出。

实施例二多圈式锅炉(参见图十、十一)

多圈式锅炉有两种型式：立式(参见图十)和卧式(参见图十一)它们的结构基本相同，只是放置方式不同。锅炉炉体14是由多圈炉管相套而成。它们构成了交叉相邻的火程和水程。火程中烟气的热经多圈管壁传给水。新鲜的水由注水口16注入到锅炉炉体14的水程中。加热到所需温度的热水由出水口18送往用户。(当锅炉用于供汽，则出汽口应在炉体的上部)炉体的最低处设有排污口17，用以定期排放炉体内的污水，停炉时用此口可将炉内水排尽。

为指示锅炉内的液面，炉配有液面计19。燃料煤从加煤口21喂入，与由炉栅22上升的空气相燃。高温烟气在燃烧室20上升进入炉体内的火程。燃烧的灰渣落入渣室23，定期从清灰口24清出。

烟气经换热降温集中到烟室26后，最后由烟囱排放。烟室26的上部(立式)或侧部(卧式)设有清灰门25。停炉时，打开此门可清扫与之相通的火程中的积灰。

炉体两端有封头5和集散室7。需要停炉清灰除垢时，只要卸开封头5即可将所有多圈管中的积灰和结垢全部清除。立式炉需将炉体14从燃烧室上吊出，而卧式炉由于燃烧室是装在台车28之上的，只要移动台车，炉体可以不吊出就可以进行清灰除垢工作。清灰除垢更为方便，只是占地面积较大。

实施例三：水加热器(参见图十二)

煤气热水器的心脏部分是水加热器，目前市售的煤气热水器是用紫铜管弯折成蛇形管，管外加翅片制成。材料昂贵、工艺复杂，为克服这些缺点，这里设计了一种多圈式水加热器，图十二为其俯视图，图十三为其正视图。它是用矩形的多圈管1相套而成，(这是为了和市售煤气热水器相配套，当然亦可制成园形或正方形)多圈管的材料选用导热系数较大的有色金属(如铝或铜)。根据材料的工艺性能通水的多圈管可采用咬口或焊接封闭。通水多圈管间用配流管27相联。配流管总成的放大图示于图十四中。两端具螺纹的拉杆34和螺母33用以压紧垫片32以保证密封。通水的圈内设有通套30，其壁上有通孔，而火程通道使用的则是盲套31。拧紧螺母33使垫片32压紧，于是水口35的水和水程相连通。达到配流的目的。

实施例四：多圈回烟式多用炉(参见图十五)

多圈回烟式多用炉适用于家庭，它具有炊事、淋浴和冬季取暖等多种功能。它是在炉体36内装有炉瓦37和耐温保温层38。燃料39最好是型煤，当然也可使用块煤。炉体上部为多圈回烟式水加热器40，它是本炉的关健部份。它是由两块平行的螺旋板构成的多圈螺旋水道盘绕而成。相应地也形成了螺旋状的烟道。为保证水道和烟道的宽度以及增加换热面积它们间设有翅片或翅棒。

当多用炉用于炊事，将拔火套44置于炉盖43上，将螺旋状烟气进口堵严炉内燃烧的烟气直接上升加热于架在支耳45上的炊具的底部，可用于烧水煮饭和炒菜等炊事过程。当多用炉供应热水，用于淋浴或取暖时，可将拔火套44取出，盖上盖火板46，这样炉内燃烧的烟气由内向外沿螺旋状回烟道流动，最后从烟囱47排往大气中。冷水则由进水口41流入和烟气逆向沿螺旋状通道最后从出口水口42流出，送去淋浴或取暖。燃尽的炉灰积于灰室48中定期从灰门49清出。

实施例五：节能快速水壶(参见图十六)

一般水壶烧水时只靠壶底加热，受热面积不大，燃烧烟气中的热量未及充分利用就被排放于环境中，既浪费能源也污染环境。为此，在水壶50外加一集烟罩52和各种形状的翅片51，这样可增大加热面降低排烟温度达到节能快速加热和改善环境的目的。

Claims (4)

1、一种多圈式换热器是一种通过间壁进行热(显热、潜热或反应热)交换的设备，它是由壳体端盖、冷热流体进出口、间壁换热面所组成，其特征在于将互不相通的冷程和热程交替地呈多圈式排布，它可以是同心相套的多圈管亦可以是用板卷成的渐开的螺旋管，由套管或螺旋管形成的环状或螺旋状断面为流体的通道，为保证两流体互不串通，流动有序，在换热器的两端设有配流板(或配流管)和集散室。

2、一种如权利要求1所述的多圈式换热器，其特征在于多圈管可以是同心的园管亦可以是异形管，多圈管和螺旋管的壁可以是平直的也可以是花边状的，其表面可以是光滑的也可以是非光滑的。

3、一种如权利要求1所述的多圈式换热器，其特征在于配流板上和冷程及热程对应处有开口的也有封闭的，它们是这样配置的；凡冷程是开口的则热程是封闭的，凡冷程是封闭的则热程是开口的，换热器两端的配流板是交错相向设置的，配流板和管壁可以采用固定联接也可以采用可拆卸联接。

4、一种如权利要求1所述的多圈式换热器，其特征在于冷程和热程(或其中之一)可以设有翅片，翅片有轴向、螺纹和径向三种排列方式，翅片与管壁可以采用固定紧配或弹性力使它们和管壁紧贴。

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