螺旋層腔熱交換方法

2023-06-01 04:57:21

專利名稱：螺旋層腔熱交換方法
技術領域：
本發明是一種提高熱交換效率的方法。
中國專利法所稱的發明是指對產品，方法或者其改進所提出的新的技術方案，必須具備新穎性，創造性和實用性。
檢索，審查現有技術，及1985年到現在的中國專利公告有關熱交換技術。人們為了提高熱交換效率，而採取的擴大熱交換面的方法相當很多，但它們都是有限度地擴大熱交換面。如加散熱片，將熱交換面做成凸型或凹型的，螺旋管加熱器等，這些擴大熱交換面的方法都受熱交換器體積限制，而具有一定的局限性，而使用本發明熱交換面的擴大將是無限的。另一方面，現有熱交換器都是採用擴大高，低溫流體整體接觸表面積，以提高熱交換效率的;而本發明採用了高，低溫相間螺旋漸擴包圍層熱交換方法，即相當於將高低溫流體隔層相互滲透，相互包圍而進行流體內部相互滲透式熱交換。所以，本發明與現有熱交換技術不同。
本發明的目的解決現有熱交換器體積大，熱交換不充分，熱交換速度慢，熱交換後溫差不大的問題。使熱交換器體積小，熱交換充分，熱交換速度快。熱交換後，能使原高溫流體溫度降到漸近原低溫流體的溫度;原低溫流體溫度升到漸近原高溫流體的溫度。
本發明的內容第一.本發明的理論基礎熱量的傳遞有傳導，對流和輻射三種方式。
傳導是由於兩種溫度不等的物體接觸所引起的熱量交換傳導一直進行到兩物體溫度相等為止。導熱的基本公式為Q＝ (γ)/(δ) △t×F式中γ代表導熱係數，δ代表物體的壁厚△t代表導熱物體兩側表面溫度，F代表導熱表面積，由此公式可知物體導熱量的大小與兩側溫度成正比，與壁厚成反比，並與物體性質有關。
對流是指流動性的物體中，藉助於部分質點流動而轉移的熱量，稱為對流。
幅射是高溫物體將熱能轉變為幅射線，同時向四周空間傳播。
從熱力學定律可知，熱量只會從高溫物體向低溫物體傳遞。
第二.本發明的內容根據上述傳熱學理論，為達到本發明的目的，而採用螺旋層腔熱交換方法。
將高，低溫流體層腔相間分層卷在一起，形成螺旋層腔體。高，低溫流體分別沿螺旋層腔相向或相垂直流動。高，低溫流體通路可以是具有相同相間條數的螺旋層腔首與首，尾與尾相併聯的通路，也可以是只有一條相間的螺旋層腔通路。
螺旋層腔熱交換器有全封閉式和半封閉式兩種。全封閉式就是高溫流體腔和低溫流體腔全都是封閉的;半封閉式是高溫或低溫流體腔，只有一個腔是封閉的，另一個腔是兩端敞開的。根據不同產品要求選用全封閉或半封閉式的螺旋層腔熱交換方法。
全封閉式螺旋層腔熱交換器工作原理見附

圖1中，高溫流體從7(內層腔內口)輸入，與低溫流體相向而流，流經3(內層腔)螺旋層，一邊流動，一邊向高溫層腔壁釋放熱量，高溫流體由於釋放熱量，而使高溫流體溫度逐漸下降一直到高溫流體流出5(內層腔外口)為止，溫度也就下降到最低點，如果是充分熱交換的話，這個高溫流體輸出時的溫度最低點就是低溫流體的輸入溫度，這樣就使原高溫流體降為低溫。另一方面，低溫流體從4(外層腔外口)輸入，與高溫流體相向而流，流經2(外層腔)螺旋層，一邊流動一邊吸收高溫流體通過1(螺旋層腔壁)傳導過來的熱量，低溫流體由於吸收熱量，而使低溫流體溫度逐漸上升，一直到低溫流體流出6(外層腔內口)為止，溫度也就上升到最高點，如果是充分熱交換的話，這個低溫流體輸出時的溫度最高點就是高溫流體的輸入溫度，這樣就使原低溫流體升為高溫。這就是全封閉式螺旋層腔熱交換的全過程。
半封閉式螺旋層腔熱交換器工作原理見附圖2中，高溫流體從4(封閉層腔外口)輸入，與低溫流體垂直而流，流經3(封閉層腔)螺旋層，一邊流動，一邊向高溫層腔壁釋放熱量，高溫流體由於釋放熱量，而使高溫流體溫度逐漸下降，一直到高溫流體流出5(封閉層腔內口)為止，溫度也就下降到最低點，如果是充分熱交換的話，這個高溫流體輸出時的溫度最低點就是低溫流體的輸入溫度，這樣就使原高溫流體降為低溫。另一方面，2(敞開層隙)內的低溫流體由於吸收高溫流體通過1(螺旋層腔壁)傳導過來的熱量使敞口層隙內的低溫流體溫度升高，而使這部分流體體積彭漲，從而沿敞口層隙向上流動，熱交換器下方的低溫流體不斷補充，形成對流，加熱熱交換器周圍的流體。這就是半封閉式螺旋層腔熱交換的全過程。
由於在一定體積的螺旋層腔體內，增加螺旋層數，一方面可以任意擴大導熱表面積(F)，另一方面由於螺旋層腔熱交換器體積一定，螺旋層數越多，層腔斷面越窄，層腔斷面就越小，斷面上高，低溫流體的流速也就越快。高溫流體在層腔內的流速越高，高溫質點與層腔壁的直接接觸的機會就多，(幅射熱越大，)導熱量也就大，給層腔壁殼補償的熱能就多，從而使高溫層腔內壁溫度保持高溫。同樣，低溫流體在層腔內的流速越高，低溫質點與層腔壁的直接接觸機會就多，因而低溫流體吸收層腔壁殼上的熱量的速度就快，低溫層腔內壁的溫度就能保持低溫。這樣層腔壁殼兩壁的溫差(△t)就較大。
總之，採用螺旋層腔熱交換方法，一方面可以使熱交換面(F)擴大若干倍，另一方面可以使層腔壁殼兩壁的溫差(△t)保持最大值。根據熱傳導公式Q＝ (γ)/(δ) △t×F可知在有足夠的熱量輸入時，導熱量Q也就相應擴大了若干倍。
根據以上分析，由於採用了螺旋層腔熱交換方法，使放熱，吸熱兩個過程的速度都大大加快，從而提高了熱能交換的速度。
由於採用螺旋層腔，使高溫流體要通過所有螺旋層，才能流出熱交換器，這就使高溫流體的流程增加了若干倍，這樣也就延長了同一斷面高溫流體與較長段低溫流體的傳熱時間，而使高溫流體充分放熱，降到最低溫度;同理，使低溫流體充分吸熱升到最高溫，從而提高了熱量利用率。
如將半封閉式螺旋層腔熱交換方法用於製造散熱取暖產品，將具有體積小，散熱量大等特點。
如用半封閉式螺旋層腔熱交換方法製造螺旋層火腔加熱器安裝在水壺內的水中，將加熱器進火口做成喇叭型，出口處用抽風機，或用高煙囪拉火，也可在進火口吹火，或直接放置在爐火上，使火苗卷進螺旋層腔內，由於螺旋層腔體淹沒在水壺內的水中，所以，這樣製成的水壺燒水速度快，熱量損失極小。
如用螺旋層腔熱交換方法製成的各種鍋爐，空調，烘烤箱，取暖器，降溫器，恆溫箱，燒水壺，炒菜鍋等都具有熱交換快，熱交換後溫差大，交換熱量大，熱量利用率高，熱交換器體積小等優點。
總之，與現有技術相比，螺旋層腔熱交換方法具有以下優點熱交換速度快，熱量交換充分，熱交換量大，特別是熱交換後高，低溫負溫差大(如採用全封閉高，低溫流體在螺旋層腔中相反方向相間分層流動。熱交換後，原高溫流體的輸出溫度將遠低於原低溫流體的輸出溫度。由於熱交換輸入前高，低溫差為正溫差，而熱交換後高，低溫輸出的溫差為負數值，所以稱負溫差)，這是同樣現有熱交換方法(熱交換後，原高，低溫的輸出溫差為漸近於零的正溫差)所不能達到的。
螺旋層腔熱交換方法的出現，將有利於現有鍋爐，空調與製冷，烘烤箱，散熱取暖器，燒水壺，炒菜鍋等熱交換產品，由面熱交換方法轉向高，低溫流體相互進行體內隔離滲透式熱交換方法，使熱交換向著速度快，熱交換充分，交換後負溫差大，交換熱量大，熱交換器體積小的方向發展。
附面說明圖1是全封閉式螺旋層腔熱交換方法原理示意圖。
圖中1-螺旋層腔壁 2-外層腔3-內層腔 4-外層腔外口5-內層腔外口 6-外層腔內口7-內層腔內口 8-保溫外殼圖2是半封閉式螺旋層腔熱交換方法原理示意圖。
圖中1-螺旋層腔壁 2-敞口層隙3-封閉層腔 4-封閉層腔外口5-封閉層腔內口 6-保溫外殼實現本發明的最好方法第一.螺旋層腔壁應選用導熱係數大，在高溫流體長期通過不變形的材料，如銅，鋁等。
第二.儘量減小螺旋層腔壁的厚度，但也要滿足機械強度的要求。
第三.儘量增大螺旋層腔內，外壁的熱交換溫差。
1.增加高溫流體的輸入溫度，即增加高溫流體的單位體積的熱能。
2.強制性增加高溫流體的流速，如採用抽風機將火焰拉長，卷進螺旋層腔。
3.全封閉式螺旋層腔熱交換裝置，如果高，低溫流體是同質流體。高溫流體與低溫流體相向螺旋流動，高溫流體熱交換後的溫度可降到漸近低溫流體熱交換前的溫度。同樣低溫流體熱交換後的溫度可升到漸近與高溫流體熱交換前的溫度。
第四.儘量增加螺旋層數，一方面能使熱交換表面積成倍數擴大，這樣單位時間內的傳熱量就大。另一方面，由於熱交換裝置體積一定，螺旋層數越多，每層之間的層距就越小，層腔就越扁，高低溫流體質點在層腔中流動，接觸層腔壁的機會就多，即高，低溫流體與層腔壁之間的熱交換速度就加快。
第五.儘量增加高，低溫層腔內壁的表面粗糙程度。這樣，一方面相當於加大層腔內壁的表面積，使高，低溫質點與層腔內壁的接觸機會增多;另一方面可以使層腔內的高，低溫流體內部加快對流速度，而快熱交換速度。
第六.增加高低溫流體層腔通路的條數，可擴大高，低溫流體的總流量，從而達到增加單位時間內熱交換的量，即提高了熱交換的速度。如同一溫度流體有若干條螺旋層腔支路，首與首，尾與尾相併聯。這樣可在不擴大每條層腔斷面的前提下，擴大了高低溫流體的總通路斷面，從而使單位時間內熱交換量成倍數增長。提高了熱交換速度。
第七.加速高，低溫流體的流速，可採用合理或強制加快對流散熱結構，如半封閉式螺旋層腔散熱器，可豎立放置且上下兩敞口端留有一定空間，這樣被加熱的空氣將沿敞口層壁向上自然對流。如高，低溫流體螺旋層腔都是封閉的，封閉腔內流體的流動必須具有動力推動，使其強制流動，加大這種強制流動的動力，可加快封閉螺旋層腔內的流體的流速，以加快熱交換速度。但流速過大，熱交換時間就短，就不能充分熱交換;流速過小，流量就小，熱交換速度也就較慢了。所以既要儘量加快流速，又要考慮到充分熱交換。
第八.根據不同要求選用全封閉或半封閉式螺旋層腔熱交換器。注意高，低溫流體;內，外層腔;內，外口的輸入與輸出方向之間的合理搭配。筒型，鼓型全封閉式螺旋層控熱交換器製造時可先做成敞口層隙，然後用高溫橡皮墊及蓋子封閉交換器兩端。再在交換器外圍加上保溫層，防止能量損失。
第九.螺旋層腔熱交換器可做成全封閉式體積最小，而傳熱表面積最大的螺旋層球型熱交換器，這種熱交換器具有熱交換充分，交換速度快，能量散失少，體積小等優點，但構造，及製造工藝複雜。
最實用的螺旋層腔熱交換器有圓筒型和鼓型，可廣泛用於取暖散熱，燒水容器，空調，製冷等熱交換器。
第十.高，低溫流體在熱交換的入口處，應設計成漸近收縮流線式嘴。如喇叭嘴式入口嘴，可以減小高，低溫流體的流通阻力。
第十一.調節高，低溫流體總流量閥門，就可以控制螺旋層腔熱交換器的熱交換量，交換速度和交換後的溫差等有關參數。
權利要求
螺旋層腔熱交換方法，是一種提高熱交換效率的方法，該方法不增加熱交換器體積，能同時任意擴大高，低溫流體的接觸面，本發明特徵是採用螺旋層腔將高，低溫流體相隔導熱層螺旋分層，相互包圍，相互滲透，充分接觸，進行熱交換，
權利要求
1、螺旋層腔熱交換方法。2、根據權利要求1所述的螺旋層腔熱交換方法，其特徵在於高，低溫腔都是封閉的，但輸入輸出口不封閉的全封閉式螺旋層腔熱交換方法。3、根據權利要求1所述的螺旋層腔熱交換方法，其特徵在於高，低溫腔只有一個封閉的，但輸入和輸出口都不封閉的半封閉式螺旋層腔熱交換方法。4、根據權利要求2所述的全封閉式螺旋層腔熱交換方法或權利要求3所述的半封閉式螺旋層腔熱交換方法生產的熱交換產品。
全文摘要
螺旋層腔熱交換方法是一種提高熱交換效率的方法，將高，低溫流體相隔導熱層螺旋分層，相互包圍，相互滲透，充分接觸，進行熱交換，從而使熱交換充分，速度快，交換後溫差大。該發明可以廣泛用於鍋爐，空調，製冷，取暖，蒸飯，燒水，炒菜等熱交換產品。
文檔編號F28D7/02GK1057105SQ9110394
公開日1991年12月18日 申請日期1991年6月7日 優先權日1991年6月7日
發明者楊福九 申請人:楊福九