CN102322752B - 一种换热器 - Google Patents
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Abstract
一种换热器，包括开设有换热工质入口和换热工质出口的壳体，在壳体内设置有若干层带有制冷剂入口和制冷剂出口的蛇形换热管，相邻两层蛇形管交错布置，壳体内还设置有用于固定蛇形换热管的定位柱。本发明不同层之间的换热管形成网状交错布置，极大地增加了壳侧流体的扰动，即便是在较小流速下，也能有效地加强管外绕流形式的流体扰动，从而大大提高壳侧流体的传热系数及换热器传热性能，并使得壳侧流体的温度分布更加均匀；另外去除了现有技术所常用的扰流板、导流柱等部件，同时将壳侧交替流动形式，改为阻力较小的管外绕流形式，减少了壳侧流体流程长度，有效地减少了壳侧的流动阻力，降低了系统的泵功消耗，实现了节能。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热器，尤其是一种用于两种流体不接触(例如制冷剂-水之间的热交换)的表面式蛇管换热器。
背景技术
在工业生产中，凡用来实现冷热流体热量交换的设备，统称为换热器。它在化工、炼油、原子能、建筑、机械、交通等许多技术领域中均有广泛的应用。如化工生产中的加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、再沸器等；又如热力发电厂中的空气预热器、蒸汽过热器、凝汽器和冷水塔等，为了满足不同生产条件的需要，各工业部门采用多种多样的换热器。根据冷热流体间的换热方式，换热器可分为三类：间壁式换热器、接触式换热器和蓄热式换热器。其中，间壁式换热器按传热面的结构形式，又分为管式换热器(如管壳式换热器、蛇管换热器、套管换热器、喷淋式换热器、空气冷却器等)和板式换热器(如螺旋板式换热器、平板式换热器、板翅式换热器等)。
目前，小型风冷冷(热)水中央空调机组由于结构紧凑，所使用的制冷剂-水换热器绝大部分为钎焊板式换热器，通过板间换热，实现制冷剂与水之间的热量传递，然后再利用水泵将冷(热)水输送至室内末端装置。但板式换热器有一致命的缺点是易冻结损坏，其内部某板片冻裂后，几乎是无法修复的，往往造成整个空调系统的报废。另外，由于钎焊板式换热器的板间液态制冷剂分配方式的限制，导致板式换热器的放置方式受到限制，从而影响了机组内空间的利用。
为了克服现有钎焊板式换热器所存在的固有问题，通常采用逆流盘管式换热器的结构形式，从而有效地解决了现有钎焊板式换热器的问题。例如：中国专利02204830.8介绍了一种逆流盘管式换热器，包括矩形壳体，放置在壳体内的盘管和电加热器。矩形壳体内部由导流板和隔板分隔出的蛇形流体通道，水流通道的内壁面安装有扰流器和叉流板支架，利用扰流器和叉流板实现水侧流体的扰动，提高换热性能，制冷剂侧通道为具有180°的蛇形盘管，同时在壳体内安装了电加热器，提供了融冰热源，有效的防止了壳体内的冰冻问题。为了解决因受盘管因弯曲半径的限制所导致的结构不紧凑，空间浪费严重，进而影响到换热性能的缺陷，中国专利200910250518.X介绍了一种盘管及具有该盘管的换热器，由若干个首端和尾端依次相接成连续弯曲线的弧状管组成，所述弧状管的首端和尾端之间跨越的角度大于180度，相邻的两个所述弧状管连接处的中心线与一直管中心线相切连接，并且在壳体内布置导流装置，导流装置由若干个导流圆柱和连接壁组成，进一步实现了换热器的紧凑和小型化。
虽然上述形式的盘管式换热器解决了现有小型风冷冷(热)水中央空调的换热器问题，但由于现有技术所采用的流动形式均为通过相邻的管内流体通道之间相互平行，在制冷剂侧通道的两端以半圆连接管与上下相邻的制冷剂通道来连接，形成蛇形(U形)盘管。这类换热结构将严重地影响换热器的传热或阻力特性，例如：低流速下的层流流动的换热系数较低，而高流速下的湍流流动的换热系数虽然较高，但由于壳侧流体的流道过长，造成阻力很大，导致壳侧流体的泵功过大，这都不利于换热器实现高效、节能的要求。另外，虽然采用了导流柱、扰流板等装置，提高了换热性能，但却进一步增加了系统的阻力，容易在流体转向区，例如导流柱和扰流板的死角形成污垢堆积，并且增加了系统制造与加工的复杂程度，进一步降低系统性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术基于增加系统流动阻力和增加水泵泵功消耗的基础上，提供一种通过换热管自身结构布置形式，在不增加外设装置和保证换热性能、空间安装尺寸不变的条件下，实现较现有技术更小的流动阻力和泵功消耗，达到全面节能的实用目的的换热器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括开设有换热工质入口和换热工质出口的壳体，在壳体内设置有若干层带有制冷剂入口和制冷剂出口的蛇形换热管，相邻两层蛇形管交错布置，壳体内还设置有用于固定蛇形换热管的定位柱。
本发明相邻两层蛇形热管的上层换热管和下层换热管的交叉角度为10°～40°。
上层换热管和下层换热管的交叉角度根据定位柱的直径和间距调节。
蛇形换热管的直管段长度占总长度的70％。
蛇形换热管的弯角大于180°。
蛇形换热管的采用无内芯弯管技术一次成型。
本发明根据换热量的大小及安装布置结构形式的不同采用多层蛇形管的布置方式，不同层之间的换热管形成网状交错布置，极大地增加了壳侧流体的扰动，即便是在较小流速下，也能有效地加强管外绕流形式的流体扰动，从而大大提高壳侧流体的传热系数及换热器传热性能，并使得壳侧流体的温度分布更加均匀；另外，由于采用本发明提出的结构形式，去除了现有技术所常用的扰流板、导流柱等部件，大大减少了设备的加工制造与组装成本，同时由于将现有技术的转向阻力损失较大的壳侧交替流动形式，改进为阻力较小的管外绕流形式，再加之较现有技术大大减少了原有结构的壳侧流体流程长度，从而有效地减少了壳侧的流动阻力，降低了系统的泵功消耗，实现了节能。
附图说明
图1是本发明的剖视图；
图2是本发明的换热蛇形管结构图；
图3是本发明的效果分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明包括开设有换热工质入口7和换热工质出口8的壳体4，在壳体4内设置有若干层带有制冷剂入口1和制冷剂出口6采用无内芯弯管技术一次成型的蛇形换热管，该蛇形换热管的弯角大于180°，其两端弯头靠在一起(或者相距很近)，从空间上大大减小了换热器的体积，直管段长度占总长度的70％，众所周知，流体在直管段内流动时只有沿程摩擦阻力没有因为流向变化而导致的过大局部阻力，所以流体直管段内流动时较在弯管段中流动时阻力损失小得多。由于本发明中蛇形换热管具有很长的直管段，所以本发明的管内流体的流动阻力大大降低，减小了管内流体的泵功消耗，而现有技术往往采用复杂多弯管的结构形式，极大地增加了管内的压力损失，降低了系统效率。本发明相邻两层蛇形管交错布置，上层换热管2和下层换热管3的交叉角度为10°～40°，壳体4内还设置有用于固定蛇形换热管的定位柱5，上层换热管2和下层换热管3的交叉角度根据定位柱5的直径和间距调节，可通过定位柱5的直径和间距的不同组合实现不同夹角大小的多种布置结构形式，使得两个夹角θ1和θ2大小不同，使得壳侧的液体流动更加无序，扰动更加剧烈。工作时，壳侧与管内一般为冷热两种不同流体，壳侧流体在流动中受到交错布置的换热管的扰动，形成极度混乱的流动形态，促进了流体内部的对流和热质交换，使得壳侧流体的温度更加均匀，与管内流体的换热温差更大，从而大大提高了壳侧流体的换热系数。
参见图3，换热量与阻力之比随夹角θ2的变化趋势图，同时固定夹角θ1为32°。由图3可以看出，在θ2＝18°左右时换热量与阻力之比达到最大值，即此时达到相同的换热量所需要消耗的泵功最小，也就是说此时的“性价比”最高。此时的θ2约为θ1的一半，壳侧流体受到前后两个不同夹角的换热管的扰动，使其流动形态极为混乱，从而其换热系数很高，而其最小流通截面又不至过小，故其流速不高，从而其阻力也不是很高，所以综合起来其换热量与阻力之比最高。当θ2＜18°(即图3中最高点的左侧)时，由于θ2过小导致壳侧流体的最小流通截面很小，从而使得壳侧流体的流动阻力过大，尽管此时换热量会有所提高，但是其换热量与阻力之比仍然随着θ2的减小而减小；当θ2＞18°(即图3中最高点的右侧)时，由于θ2变大，并且越来越接近于θ1，此时的壳侧流体的扰动周期性越来越明显，也就是说，后面夹角θ2的两条边不能对壳侧流体进行进一步的扰动，所以此时随着θ2的增加(或者说接近θ1)，换热器的换热量迅速下降，尽管其壳侧流体的流动阻力有所减小，但是其换热量与阻力之比仍然是随着θ2的增大而减小的。在7°-27°范围内本发明中的换热器的换热量与流动阻力之比远大于传统的U型管换热器，而大于29°时要小于传统的U型管换热器。这主要是由于随着本发明中换热器的换热管的夹角的增大，管内外流体的流动方向越来越接近于顺流，所以对流换热系数随之降低。
Claims (5)
1.一种换热器，包括开设有换热工质入口（7）和换热工质出口（8）的壳体（4），其特征在于：在壳体（4）内设置有若干层带有制冷剂入口（1）和制冷剂出口（6）的蛇形换热管，相邻两层蛇形换热管交错布置，壳体（4）内还设置有用于固定蛇形换热管的定位柱（5）；
所述的相邻两层蛇形换热管的上层换热管（2）和下层换热管（3）的交叉角度为10°～40°。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述的上层换热管（2）和下层换热管（3）的交叉角度根据定位柱（5）的直径和间距调节。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述的蛇形换热管的直管段长度占总长度的70%。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述的蛇形换热管的弯角大于180°。
5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述的蛇形换热管的采用无内芯弯管技术一次成型。
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