帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器的製作方法
2023-05-28 22:37:51
專利名稱：帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器的製作方法
技術領域：
本發明屬於換熱器技術領域，特別涉及一種帶肋盤狀螺扁管雙旋流逆流式液-液換熱器。
背景技術：
生活中需要大量45～55℃的熱水，目前家庭熱水多由電熱水器提供，賓館、飯店所需的熱水多由燃油鍋爐提供。使用熱泵熱水器制熱水公認有明顯節能效果，其關鍵設備是水冷凝器。熱泵熱水器的水冷凝器，要求冷卻水能獲得大溫升，在冬天自來水溫度約5～7℃，生活用水要達45～55℃，溫升需達到40～50℃。
據《傳熱學》(高教出版社，揚世銘、陶文銓著)介紹，現有各種類型換熱器，包括殼管式、套管式、板翅式，板式和螺旋板式換熱器等，設計的進出口水溫差僅4～7℃，若要在換熱功率相同情況下把水溫升提高40～50℃，勢必要使水的流量大大減小，水流速度大大降低，從而使得現有換熱器的換熱效率大大降低。
根據《傳熱學》教科書可知，換熱器的換熱性能除與流體性質、流體流速、換熱壁面狀況有關外，也與換熱器組織的流動方式密切相關。現有各類換熱器按冷、熱流體的相互流動方式來區分，有順流、逆流、交叉流式等；冷、熱流體的各自流動方式又可以分為管內直流、波動流和旋流，管外繞流、折流、波動流和旋流等。冷、熱流體相互逆流與冷、熱流體各自旋流形式的換熱器具有較好的換熱效果，螺旋板式換熱器屬於這一種，可稱之為螺旋板板間雙旋流逆流式換熱器，其缺點是換熱器的隔板端密封較困難，冷、熱流體有在隔板端出現串流的危險，不適合用作制冷機的水冷凝器。
殼管式換熱器多為直管殼管式，其冷、熱流體的相互流動形式總體為逆流，局部為叉流式，管內流體作直流，管外流體作繞流。中國專利號94230560.4提出的「螺旋盤管汽-水換熱器」，採用把殼管式換熱器的直管改為柱狀螺旋管，管內流水，管外走蒸汽，其管內流體變成旋流。這種柱狀螺旋管換熱器可稱之為螺旋管內旋流、管外叉流的逆流式換熱器，比直管殼管式換熱器有較高的換熱係數。這種螺旋盤管管外叉流的逆流式換熱器在空氣分離裝置的換熱器中經常見到，它的管外側適合通過壓力較低的流體，管外流體是橫掠過螺旋管，為管外叉流式。
套管式換熱器可以組織冷、熱流體逆流換熱，有較高的換熱係數，一般有蛇形和螺旋盤管套管式換熱器，但套管式換熱器總體佔據空間大，製作大功率換熱器有一定難度。
板式換熱器用簿板隔開冷、熱流體相間通道，為雙波動逆流形式，流道很窄，有很高的面積和體積換熱係數，較緊湊，但製作模具複雜，價貴。板翅式換熱器在板間還焊接有波紋狀的翅片，單位體積的傳熱面積大，屬緊湊式高效換熱器，但製作工藝複雜，只適合大型氣-氣換熱器。因為板式換熱器的水流道和製冷劑流道間距幾乎相等，板翅式最小通道間距也有4毫米，在大溫升情況下水通道流速極小，熱係數大大降底，使板式、板翅式換熱器高效換熱的優點也不能發揮，所以板式、板翅式換熱器難以選作熱泵熱水器的冷凝器。
由上述可知，現有的換熱器若用做有大的水溫升的水冷凝器，或因水流速太低使傳熱效率下降；或冷、熱流體間因密封不嚴，有串流的危險；或單位體積的傳熱功率小。
發明內容
本發明提出一種帶肋螺旋扁管內外雙旋流逆流式換熱器，可克服現有換熱器存在的上述不足，在做有大的水溫升的水冷凝器時仍能有高效換熱能力，沒有串流危險，且體積緊湊，製作工藝簡單。
本發明的帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，包括換熱器的殼體1、換熱管2和殼蓋5，殼蓋5或殼體1上連接有的管外流道進口接頭6、出口接頭7和換熱管2的進口接管8、出口接管9，殼蓋5與殼體1間夾有密封墊4，用螺絲13、14擰緊；其特徵在於所述換熱管2是管外側帶肋3a、管內有隔筋3b的多內通道扁管，卷製成扁管螺旋盤封裝在由殼體1和殼蓋5構成的腔體內，扁管螺旋盤的上、下端面分別被殼蓋5和殼體1的底面緊緊夾住，由此形成雙旋流通道一條是盤狀螺旋扁管，另一條是盤狀螺旋扁管的管外和殼體1以及殼蓋5圍成的螺旋通道；管外側肋的高度是管外流道的間距，管內隔筋的高度是管內流道的間距。
在殼蓋5或殼體1的中心區和外緣區分別連接有管外流道進口接頭6和出口接頭7；所述換熱管2的進口接管8、出口接管9分別穿過殼蓋5在外緣區和中心區所留的孔洞，並套上密封圈12、墊片11，接管8、9端部有一段螺絲，通過擰緊接管螺絲上的螺母10，壓緊密封圈12，使換熱管2的進、出口接管8、9伸出蓋板處的孔洞間隙得以密封。
所述的管外側帶肋3a、管內有隔筋3b的多內通道扁管的換熱管2，可以是單外側帶肋或雙外側相間隔帶肋的多內通道扁管；該螺旋扁管的內壁、或外壁、或內外壁可有細紋槽齒。
由於本發明採用了管外側帶肋3a，管內有隔筋3b的多內通道扁管，卷製成的扁管螺旋盤換熱管的技術，巧妙地獲得了管外旋流通道，因此可以獲得換熱器雙旋流逆流的最佳換熱方式，螺旋管內和管外的流體在不停旋轉中大大強化了彼此間的傳熱；且管內外流道有肋有筋，又進一步強化了換熱效果；再者，管內外和內筋面都做有微細槽齒，再一次強化了換熱效果；第四點，扁管的內筋使管內通道可承受高壓，扁管壁可以很薄，又可減小管壁熱阻，再增強換熱能力；第五點，因為用扁管卷制螺旋扁管盤，有小的彎曲半徑，卷制的螺旋盤管極緊湊，單位體積換熱面積大，在較小圓盤直徑的條件下取得很長的流道，從而能在小流量比大溫升的換熱器設計中做到保持較好流速，取得較高傳熱效率；管內高壓流體不會串流到管外；因此，本發明的帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器幾乎集中了各種換熱器的優點。下面結合具體對比的換熱器，說明本發明點的作用。
(1)、本發明與螺旋板式換熱器相比，雖然都是雙旋流逆流式，但螺旋板式換熱器是依靠螺旋板端的壓條和端壓板密封，在相鄰通道壓力差很大時，高壓流體有可能從密封條處串流到低壓流道去；而本發明的帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器是依靠扁管壁對管內、外流體進行隔離，由於扁管內有很多筋，扁管有很高的耐壓性，管內流體不會洩漏到管外去；其次，螺旋板式換熱器板間無肋，螺旋道間的壓力差要由板端與蓋板的槽道力來平衡，相鄰流道間的壓差大時，會造成隔板變形，破壞密封性，所以不適合做熱泵熱水器的水冷凝器，而本發明的扁管螺旋盤換熱器，管外有外肋和管內有內筋，圈圈相抵，在通道內有高壓流體時，可把螺旋管伸直力分解到換熱器殼體外圈，保證流道不變形，所以可以承受管內外流道間的大壓力差；再者由於螺旋板式換熱器的管間無肋，傳熱效果差，而本發明的扁管螺旋盤換熱器，管外有外肋和管內有內筋，管內外表面都有微形槽齒，管內外的流體都增加了換熱面積，傳熱效果更好。
(2)、本發明與螺旋套管式換熱器相比，雖然都是雙旋流逆流式，但是套管式換熱器是由內管和外管組成兩種流體通道，它的外管全程參加捲曲，套管的外管是扁管的數倍，因此螺旋捲曲半徑要比扁管捲曲半徑大多倍，只適合於繞成柱式螺旋管換熱器，螺旋圈內沒有換熱管，所以單位體積的換熱器換熱面積較小，而本發明的帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器是扁管盤式結構，體積十分緊湊；另外，本發明的換熱器管管外有肋和管內有筋，管內外表面都有微形槽齒，管內外的流體都增加了換熱面積，更強化了傳熱效果；(3)、本發明與逆流式的板式換熱器相比，逆流式的板式換熱器流體不能做雙旋流，僅是靠板面的起伏做波動流；板面無肋無槽齒，流道短，長不足1米，因此在大溫升的要求下，水流速極低，換熱效率大大下降；而本發明的帶肋盤狀螺旋管雙旋流逆流式換熱器，扁管長度可以在十幾米以上，具有在大溫升的要求下，還可以保證水流有較高的速度，如在冬季可保證到0.8～1米/秒，因而仍有較高效率，管內外表面和內筋面可採用細槽齒結構增強換熱效果；(4)、本發明與逆流板翅式換熱器相比，逆流板翅式換熱器的翅片是用釺焊方式焊接在隔板上，技術複雜，稍有不慎就會造成過高溫焊穿孔，或焊不透，它適合作大型氣-氣換熱器，翅片的流阻大；本發明帶肋扁管是熱拉製成型，工藝簡單。
由於本發明的帶肋盤狀螺旋管雙旋流逆流式換熱器，集中了多種換熱器的優點，不僅適合做熱泵熱水器的水冷凝器，可也可用作其他換熱器用，例如可作為汽-水換熱器。應用前景極為廣闊。
圖1是本發明的帶肋盤狀螺旋管雙旋流逆流式換熱器的實施例1的一種結構示意圖的主剖視圖；圖2是其俯視圖。
圖3是單外側帶肋的多內通道扁管斷面示意圖。
圖4是雙外側相間隔帶肋的多內通道扁管斷面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的具體技術內容。
實施例1附圖1是本發明實施例1的帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器的結構示意圖的主剖視圖，圖2為其俯視圖；如圖中所示帶6根外肋3a和6根內筋3b有七個內通道的扁鋁管捲成盤狀螺旋換熱管2，緊密封裝在由換熱器殼體1和殼蓋5的腔體內，螺旋管盤的直徑350毫米，高42毫米，扁管厚4.5毫米，外肋高3毫米，盤狀螺旋管的相鄰圈的管間距平均約3毫米，盤狀螺旋管的底面緊貼著筒殼的底板，頂層盤狀螺旋管的頂面緊貼著筒殼的殼蓋5；換熱器殼體1和殼蓋5接觸面間有橡膠密封墊圈4，用螺絲12、螺母13擰緊；殼蓋中心區接有管外流道進口接頭6和預留有換熱管2的出口接管9的孔洞，殼蓋外緣區接有管外流道出口接頭7和預留有換熱管2的進口接管8的孔洞，換熱管2的進、出口接管8、9與換熱管焊接好後，分別從殼蓋5的兩個預留孔中穿出，並套上密封圈12、墊片11，接管8、9端部有一段螺絲，通過擰緊接管螺絲上的螺母10，壓緊密封圈12，使換熱管2的進、出口接管8、9伸出蓋板處的孔洞間隙得以密封；由螺旋扁管2、殼體1和殼蓋5組成了雙旋流通道，一條是盤狀螺旋扁管的管內通道，另一條是盤狀螺旋扁管的管外和殼體1以及殼蓋5圍成的螺旋通道，管外側肋高是管外流道的間距，管內隔筋高是管內流道的間距；所述螺旋扁管的內壁有細紋槽齒，也可內外壁都有細螺紋槽；俯視圖2中，深色圈表示扁管換熱管2內流體通道，相鄰深色圈之間的螺旋圈是管外流體通道；當製冷工質從最外圈端頭的進口接管8進入後，不斷旋轉，由中心處的接管出口9流出；夾在蓋板5，殼體1底板間的盤狀螺旋管換熱管2的相鄰圈的管間構成管外流體的螺旋通道，冷水從中心區的管外流體的進口接管6進入殼體腔內後，經管外螺旋通道，從內圈螺旋流至外圈，由管外流體的出口接管7流出；管內外流體逆向流動，在雙旋流中得到充分的熱交換，製冷工質氣體被冷卻凝結成液體，冷水被加熱為熱水。該換熱器的換熱面積約0.75平方米，比體積換熱面積達每立方米300平方米以上，作冷凝器用換熱係數約900～1200W/(m2·K)。圖中冷熱流體的進、出口可以成時互調換。
附圖3是本發明實施例1所用的單外側帶肋的多內通道扁管的斷面，扁管換熱管2內由10根內肋3b分成11個內通道，扁管換熱管2外肋3a也有10個，外肋高為螺旋管外流道的寬度，兩端肋3c是與殼體1的底面和殼蓋5裡面接觸，它使扁管的外表面換熱面積能得到充分利用。扁管的寬度和內通道數目可根據需要設計。目前扁管的寬度可達80毫米；螺旋扁管內壁、或外壁、或內外壁可有細紋槽齒。
附圖4為雙外側間隔帶肋的多內通道扁管，它與附圖3的區別僅在於扁管的外肋3a是雙外側帶肋，並且兩個外側面的肋位置相間隔布置，目的是為了保證卷制盤管時不至於肋片重疊，使螺旋管盤端面平齊。外肋片有加強傳熱和定流道間距作用。內肋3有強化傳熱和提高管承壓能力的作用。材料可採用合金鋁。
權利要求
1.一種帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，包括換熱器的殼體(1)、換熱管(2)和殼蓋(5)，殼蓋(5)或殼體(1)上連接有的管外流道進口接頭(6)、出口接頭(7)和換熱管(2)的進口接管(8)、出口接管(9)，殼蓋(5)與殼體(1)間夾有密封墊(4)，用螺絲(13)、(14)擰緊；其特徵在於所述換熱管(2)是管外側帶肋(3a)、管內有隔筋(3b)的多內通道扁管，卷製成扁管螺旋盤封裝在由殼體(1)和殼蓋(5)構成的腔體內，扁管螺旋盤的上、下端面分別被殼蓋(5)和殼體(1)的底面緊緊夾住，由此形成雙旋流通道一條是盤狀螺旋扁管，另一條是盤狀螺旋扁管的管外和殼體(1)以及殼蓋(5)圍成的螺旋通道；管外側肋的高度是管外流道的間距，管內隔筋的高度是管內流道的間距。
2.如權利要求1所述帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，特徵在於在殼蓋(5)或殼體(1)的中心區和外緣區分別連接有管外流道進口接頭(6)和出口接頭(7)；所述換熱管(2)的進口接管(8)、出口接管(9)分別穿過殼蓋(5)在外緣區和中心區所留的孔洞，並套上密封圈(12)、墊片(11)，接管(8)、(9)端部有一段螺絲，通過擰緊接管螺絲上的螺母(10)，壓緊密封圈(12)，使換熱管(2)的進、出口接管(8)、(9)伸出蓋板處的孔洞間隙得以密封。
3.如權利要求1所述帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，特徵在於所述管外側帶肋管內有隔筋的多內通道扁管的換熱管(2)，為鋁材質的單外側帶肋或雙外側相間隔帶肋的多內通道扁管。
4.如權利要求1所述帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，特徵在於所述管外側帶肋管內有隔筋的多內通道扁管的換熱管(2)，其內壁、或外壁、或內外壁可有細紋槽齒。
全文摘要
本發明公開了一種帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器，包括換熱管，殼體，筒蓋，管內、外流體的進、出口管；其特徵是，所述換熱管是外側帶肋的多內通道扁管，卷製成扁管螺旋盤，封裝在換熱器殼體和殼蓋構成的腔體內，由此形成了管內一種流體螺旋通道和管外另一種流體的螺旋通道，肋高控制管外通道的間距，兩種流體逆向流動；這種換熱器綜合了各類換熱器的優點，有很高的換熱性能，體積緊湊，製作容易，成本低，特別適合作水流量比較小而需要水有大溫升的熱泵制熱水的水冷凝器。
文檔編號F28D1/04GK1808038SQ20051003820
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月22日 優先權日2005年1月22日
發明者陳則韶, 江斌 申請人:中國科學技術大學