CN103629952B - 管道式换热器、其制造方法以及换热设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供管道式换热器、其制造方法以及换热设备。该管道式换热器包括多个管道和布置在多个管道之间的翅片，该管道式换热器的特征在于：所述多个管道包括一个或更多个内管和套置在所述一个或更多个内管外围的外管；所述翅片在所述多个管道的轴向垂直的横截面上呈径向分布；并且所述多个管道和所述翅片被一体制成。

Description

管道式换热器、其制造方法以及换热设备

技术领域

本发明涉及管道式换热器、其制造方法以及换热设备，特别地涉及主要应用于工业换热、建筑业换热、中央空调、采暖通风等领域的换热设备的针对流体介质(如水、水蒸气等)的管道式换热器。

背景技术

随着节能技术的发展，换热器的应用领域不断扩大，并带来了显著的经济效益。传统的板式换热器通常采用不锈钢板或铜板的、多层叠加的结构，这种板式换热器允许的使用压力较低，应用于高层建筑时往往达不到要求。而且在传统的板式换热器中，每片换热板内以及两片换热板之间都需要利用密封条来进行密封，这种使用密封条的结构导致传统的板式换热器的使用寿命短且维修量大。

而目前流行的管壳式换热器，为了增加流体的换热效果，壳程内装有扰动装置，如折流板、挡板、翅片等，同时上述扰动装置也起到对管束的支撑作用，常见的扰动装置有弓形隔板、整圆形折流板、异形孔折流板、网状板、螺旋折流板等，这些结构降低了流体在传热过程中的压力降，同时减小了流体的流动诱导现象，但是由于管壳式换热器的管程贯穿壳程，且上述扰动装置也分布在壳程内，既需要管子与扰动装置的固定，也需要对扰动装置和壳程进行固定，导致装配繁琐复杂，并增大了生产和安装成本。

对于其他的换热器种类，例如，申请号为CN201110433264.2、发明名称为“一管翅片式高效换热器”的中国发明专利申请公开了一种采用如下结构的管翅片式换热器。制冷剂流程金属管被弯成多排连续、正反折弯交替的多个U形折弯管，金属翅片上制有和所述U形折弯管排列形式相适配的排成多排的多个长孔，制冷剂流程金属管被插入穿过所述多片金属翅片，且与长孔孔壁紧密接触，制冷剂流程金属管与金属翅片长孔孔壁焊接。在该申请中，金属管多排折弯，其应力分布不均匀，同时金属管与翅片接触处采用焊接方式结合，不适用于压力降大的换热环境，易产生管内的流动诱导，损坏翅片。

在提高换热器的换热系数技术方面，例如，申请号为CN201110405034.5、发明名称为“利用介质剪切力提高换热器传热系数的方法”的中国发明专利申请，公开了如下一种提高换热器传热系数的方法。在换热器的入口前设置有可使换热器整个流道内流体介质产生脉动流动的脉动发生器，通过调节脉动发生器，使两流体脉动的频率发生变化，使流体脉动而产生剪切力，换热面积受到剪切力作用发生振动，换热面振动破坏流体滞留层和剥离垢层，降低流体热阻值，从而提高换热器传热系数。此方法有效地改善了管内流体的流动形式，但是脉动发生器的成本较高，且对脉动发生器的安装调试操作不方便。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提出了一种采用挤压工艺一体成型的管道式换热器。该换热器的材质为铜合金或铝合金材料，内管、翅片和外管通过挤压工艺一体挤压成型。通过采用本发明的利用挤压工艺一体成型的管道式换热器，使得制造加工工艺简单易行，安装装配简便，并且解决了传统板式换热器的密封点多而导致维护成本高且使用寿命短等缺陷。

本发明的一方面提供了一种管道式换热器，该管道式换热器包括多个管道和布置在多个管道之间的翅片，其特征在于：所述多个管道包括一个以上的内管和布置在所述内管外围的外管，所述翅片在所述多个管道的轴向垂直的横截面上呈径向分布，并且所述多个管道和所述翅片被一体制成。内管和外管的中心线平行或者在同一直线上，翅片在内管与内管之间或者内管与外管之间以固定间隔或非固定间隔呈径向分布。设计和制造此种结构的换热器的挤压模具比较容易，从而降低了生产成本，并且两个换热器的连接简便，从而实现简便的安装装配。

本发明的另一方面提供了一种前述管道式换热器的制造方法，其特征在于，内管、翅片和外管是通过挤压工艺一体成型的。

本发明的再另一方面提供了一种换热设备，其特征在于，所述换热设备包括前述管道式换热器。

根据本发明，管道式换热器的内管、翅片、外管采用挤压工艺一体成型。在换热器所使用的材料方面，优选采用铝合金材料，铝合金材料的换热系数大于不锈钢的换热系数，且使换热器的质量轻成本低；更优选采用铜合金材料，铜合金材料换热系数远远大于不锈钢，与采用不锈钢材料制成的换热器相比，能够极大缩短换热器的换热时间，从而显著提高换热效率。并且，通过采用挤压一体成型工艺制作的翅片对内管外管形成了自支撑作用，具有耐高压、整体强度高、刚性好等优点，并且避免了传统管壳式换热器中折流板、挡板等所需要的加工和安装固定以及翅片所需要的焊接操作等的繁琐工序，从而实现了加工和安装操作简单，并且能够有效避免流体扰动带来的缺陷。

本发明提供的管道式换热器考虑到通过增加流体的扰动来增加流体的传热系数，将翅片布置在各内管外部、且沿内管横截面呈径向分布。并且，当彼此连接的两个管道式换热器的翅片均以固定间隔排列且翅片数目为N时，使其中一个管道式换热器与另一个管道式换热器在轴向上保持同心并且使所述一个管道式换热器相对于所述另一个换热器沿轴线旋转θ度角，其中，N为自然数，并且θ满足0＜θ＜360/N。通过以上连接方式，使相连接的两个换热器中对应的翅片分别错开θ度角，使得在内管与内管之间、外管与内管之间流动的液体在两个换热器的连接处改变了流体流向，从而增加了流体的扰动。另外，当两个相连的换热器的翅片数目和/或排布方式彼此不同时，也能够增加流体在连接处的扰动。

此外，本发明提供的管道式换热器之间通过连接器连接，换热器之间的O型密封圈在受到外力的作用下密封效果更好，因此采用本发明的管道式换热器的换热设备可以在诸如工矿的高压环境下工作。

综上所述，本发明提供的采用挤压工艺一体成型的管道式换热器，省去了翅片的焊接操作以及折流板、挡板的加工和安装固定等工序，实现了流体在两个换热器连接处的湍流流动，增大了换热器的换热系数，操作简单，成本降低。

通过以下参照附图对示例性实施例的详细描述，本发明的其他特征和方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图例示了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与文字说明一起用来解释本发明的原理。

图1示出了根据本发明第一实施例的管道式换热器的整体结构示例的纵向剖面图。

图2示出了根据本发明第一实施例的管道式换热器的整体结构示例的横向剖面图。

图3示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第一实施方式的换热设备的连接方式的纵向剖面图。

图4示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第一实施方式的换热设备的连接方式的横向剖面图。

图5示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第二实施方式的换热设备的连接方式的纵向剖面图。

图6示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第二实施方式的换热设备的连接方式的横向剖面图。

图7示出了根据本发明的管道式换热器中的波纹翅片结构示例的横向剖面图。

图8示出了根据本发明的管道式换热器中的三角形翅片结构示例的横向剖面图。

图9示出了根据本发明的管道式换热器中的镂空花纹翅片结构示例的横向剖面图。

图10示出了根据本发明的管道式换热器中的实心和镂空花纹翅片组合结构示例的横向剖面图。

图11示出了根据本发明的管道式换热器中的翅片排列方式示例的横向剖面图。

图12示出了根据本发明的管道式换热器中的翅片排列方式示例的横向剖面图。

图13示出了根据本发明的管道式换热器中的翅片排列方式示例的横向剖面图。

图14示出了根据本发明第二实施例的管道式换热器的结构示例的横向剖面图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。

管道式换热器的第一实施例

图1是示出根据本发明第一实施例的管道式换热器的结构示例的纵向剖面图，而图2是示出根据本发明第一实施例的管道式换热器的结构示例的横向剖面图。

如图1和图2所示，根据本发明第一实施例的管道式换热器100包括两个管道，所述两个管道包括内管(内层管道)1和以与内管1同轴的方式布置在内管1外围的外管(外层管道)3。管道式换热器100还包括布置在内管1与外管3之间的翅片2，翅片2在与内管1和外管3的轴向相垂直的横截面上以固定间隔呈径向分布。由于翅片2布置在内管1与外管3之间，因此翅片2不仅对管道起到自支撑的作用，而且增加了气流通过管道时的导热面积，并增强了对气流的扰动效果。并且，内管1、外管3以及翅片2被制成为一体。

优选的方案是，通过挤压工艺将根据本发明的管道式换热器100的内管1、外管3和翅片2一体成型，为实现该一体成型工艺，模具可以采用分流模结构。通过采用利用挤压工艺而一体成型的内管1、外管3和翅片2，使得根据本发明的管道式换热器制造加工工艺简单易行，安装装配简便，并且解决了传统板式换热器的密封点多而导致维护成本高且使用寿命短等缺陷。此外，设计和制造此种结构的换热器的挤压模具比较容易，降低了生产成本，并且换热器之间的连接操作简单，从而能够实现简便的安装装配。

下面结合上述第一实施例的管道式换热器100的结构来描述根据本发明的管道式换热器实现换热的基本原理。如图1所示，流体A和比流体A温度低的流体a呈逆流的流动方式在换热器100内流动(如图中的箭头所示)。在流体A流经换热器100的内管1的内部、同时流体a流经换热器100的外管3的内部与内管1的外部之间形成的管壳的过程中，流体A与流体a之间主要通过以下方式交换热：I)流体A的内部以对流的方式交换热，流体a的内部以对流的方式交换热；II)流体A与内管1的管壁之间通过接触以热传导的方式交换热，流体a与内管1、外管3的管壁及翅片之间通过接触以热传导的方式交换热，以及内管1与外管3之间经由布置在内管1与外管3之间的翅片而以热传导的方式交换热；II)流体A和流体a通过热辐射方式与内管1、外管3、翅片以及彼此交换热。流体A在流出内管1后变成与流体A同质但具有不同温度的流体B，而流体a在流出外管3后变成与流体a同质但是具有不同温度的流体b。在流体A的温度高于流体a的温度的情况下，经过上述热交换后，B的温度低于A的温度，b的温度高于a的温度，由此使流体A与流体a在换热器100内实现热交换。

虽然在本示例中，内管1和外管3的横截面均示例为圆形，但是本发明不限于圆形，内管1和外管3的横截面可以采用任何的规则或不规则的闭合几何形状，只要能够进行加工制造即可。内管和外管的横截面形状也不必相同，可以采用彼此不同的形状。

在根据本发明的管道式换热器所使用的材料方面，优选采用铝合金材料，铝合金材料的换热系数大于不锈钢的换热系数，且使换热器的质量轻成本低；更优选采用铜合金材料，铜合金材料换热系数远远大于不锈钢，与采用不锈钢材料制成的换热器相比，能够极大缩短换热器的换热时间，从而显著提高换热效率。

并且，通过采用挤压一体成型工艺制作的翅片对内管外管形成了自支撑作用，具有耐高压、整体强度高、刚性好等优点，并且避免了传统管壳式换热器中折流板、挡板等所需要的加工和安装固定以及翅片所需要的焊接操作等的繁琐工序，从而实现了加工和安装操作简单，并且能够有效避免流体扰动带来的缺陷。

管道式换热器的第二实施例

对于第一实施例的管道式换热器100，以两个管道(即一个内管1和套在内管1外围的一个外管3)为例进行了说明，并且内管1和外管3的位置关系采用了轴心线位于同一直线上的排布方式。但是本发明的管道式换热器的管道数量以及内管和外管的排布并不限于第一实施例的结构。

下面，对根据本发明第二实施例的管道式换热器200进行说明。与第一实施例的管道式换热器100的结构不同的是，在第二实施例的管道式换热器200中，管道的数量无特别限制。具体地说，内管1的数量不限于一个，例如可以采用两个或两个以上的内管1，而外管3的数量也不限于一个，例如可以采用两个或两个以上的外管3。并且在第二实施例的换热器200中，外管3套置在内管1外围的方式不限于同轴的方式嵌套，还可以采用其他排布方式，例如内管1和外管3以轴心线相平行的方式嵌套。例如，可以采用以轴心线平行方式布置的两个内管1外套外管3的结构，也可以采用以轴心线平行方式布置的三个内管1外套外管3的结构，或者可以采用在外管3内按轴心线平行方式布置四个内管1的结构(如图14所示)。

管道式换热器的其他实施例

在第一实施例的管道式换热器100中和第二实施例的管道式换热器200中，翅片2以固定间隔布置在内管1与外管3之间，并在轴向垂直的横截面上呈径向分布。但是在本发明的管道式换热器中，翅片2的布置方式并不限于以上方式，也可以采用以非固定间隔分布翅片的结构，或者采用以非固定间隔或者变化间隔分布翅片的结构。例如，图11至图13例示了以变化间隔分布翅片的管道式换热器的示例。

此外，在根据本发明的管道式换热器中，不对翅片的厚度、形状、数量进行特别限制。例如，在图11中示出的管道式换热器300中，翅片具有相同的厚度并采用周期变化的间隔距离，而在图12和图13中示出的管道式换热器300中，翅片具有不同的厚度并采用周期变化的间隔距离。

此外，在根据本发明的管道式换热器中，不对翅片的形状和图案进行特别限制。本发明的管道式换热器可以使用表面无图案的平面实心翅片，也可以采用带有各种图案的凹凸花纹的、各种形状的实心翅片，还可以采用带有各种镂空图案的、各种形状的非实心翅片，翅片的图案和花纹可以提高气流的扰动，从而提高换热效率。例如，图7至图8例示了根据本发明的采用异形实心结构的翅片的管道式换热器300，其中，图7示出了采用波纹翅片结构的管道式换热器，而图8示出了采用三角形翅片结构的管道式换热器。又如，图9和图10例示了根据本发明的采用异形非实心结构的翅片的管道式换热器300，其中，图9示出了采用镂空花纹翅片结构的管道式换热器，而图10示出了采用实心和镂空花纹翅片组合结构的管道式换热器。

以上关于翅片的数量、形状、图案、厚度和排布方式给出了不同的示例，但是本发明的管理式换热器不限于这些示例情况。

此外，根据本发明的管理式换热器可以连接到连接器，从而通过连接器将管理式换热器相互连接，以供在换热设备中使用。以下结合以上对本发明的管道式换热器结构的描述，对根据本发明的使用管道式换热器的换热设备进行说明。

第一实施方式的换热设备

在使用根据本发明的管道式换热器的第一实施方式的换热设备中，每两个相连的换热器之间通过连接器进行连接，该连接器包括连法兰、垫片和卡环。下面，将参照图3和图4对连接两个管道式换热器的连接器及其连接方式进行详细描述。

图3示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第一实施方式的换热设备的连接方式的纵向剖面图。图4示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第一实施方式的换热设备的连接方式的横向剖面图。

如图3和图4所示，连接器包括法兰5、垫片4和卡环6。在两个管道式换热器进行连接时，要对接的内管1与内管1之间以及要对接的外管3与外管3之间，通过橡胶垫片4进行密封。两个管道式换热器之间通过一对法兰盘5和垫片4进行连接，法兰盘5通过卡环6进行限位。卡环6通过在外管表面加工出的凹槽而固定在外管上。所述一对法兰盘5通过其上带有的螺纹孔7进行连接。

在使用根据本发明的管道式换热器的换热设备进行换热工作时，一次或高压流体A从图3中所示箭头方向从内管1的一侧流入，与此同时，二次流体a从图3中所示箭头方向从外管3的另一侧流入，两种流体呈逆流的流动方式。流体A经内管1从内管1的另一侧流出，变成和流体A同质不同温度的流体B，流体a经外管3从外管3的另一侧流出，变成和流体a同质不同温度的流体b。如空调的热风从内管左侧处进入，从内管右侧处流出，新鲜冷风从外管右侧处进入，从外管左侧处流出，冷热流体在由内管和外管套接而形成的双层管道和翅片2之间实现热交换，经过换热后的热风变成冷风，新鲜冷风变成热风，由此来实现换热。

当将根据本发明的两个管道式换热器进行连接时，如果每个换热器的翅片数量均为N(N为自然数)，则可以将其中一个换热器与另一个换热器在轴向上保持同心，但是相对于所述另一个换热器沿轴线旋转θ(0＜θ＜360/N)度角的方式进行连接。在采用这种连接方式的换热设备中，由于在管道式换热器的连接处两个换热器的翅片相互错位了θ度角，改变了流体流向，从而增加了连接处的流体扰动，能够增大换热效率。

另外，当两个相连的换热器的翅片数目和/或排布方式彼此不同时，也能够增加流体在连接处的扰动。

根据本发明第一实施方式的换热设备由于不存在管路改变连接方向时单一的管层暴露部分，从而使其有效的换热面积变大，增大了换热效率，管道的连接易于实现，方便维修，有很好的节能减排经济效益和社会效益。

第二实施方式的换热设备

在使用根据本发明的管道式换热器的第二实施方式的换热设备中，每两个相连的换热器之间通过连接器进行连接，该连接器包括法兰、卡箍和O型密封圈。下面，将参照图5和图6对连接两个管道式换热器的连接器及其连接方式进行详细描述。

图5示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第二实施方式的换热设备的连接方式的纵向剖面图。图6示出了使用根据本发明的管道式换热器的根据第二实施方式的换热设备的连接方式的横向剖面图。

如图5和图6所示，连接器包括法兰8、卡箍9和O型密封圈10和11。在将两个管道式换热器进行连接时，要对接的内管1与内管1之间以及要对接的外管3与外管3之间，通过O型密封圈10和11进行密封。两个管道式换热器的接口处通过卡箍9和一对法兰盘8来连接。所述一对法兰盘8通过其上带有的螺纹孔12进行连接。

在使用根据本发明的管道式换热器的换热设备进行换热工作时，一次或高压流体A从图3中所示箭头方向从内管1的一侧流入，与此同时，二次流体a从图3中所示箭头方向从外管3的另一侧流入，两种流体呈逆流的流动方式。流体A经内管1从内管1的另一侧流出，变成和流体A同质不同温度的流体B，流体a经外管3从外管3的另一侧流出，变成和流体a同质不同温度的流体b。当管内压力增加时，O型密封圈的密封性更好，能够进行高压流体的换热，适用范围广。O型密封圈的放置需要对内管和外管连接部位进行切槽。如空调的热风从内管1的左侧处进入，从内管1的右侧处流出，新鲜冷风从外管3的右侧处进入，从外管3的左侧处流出，冷热流体在由内管和外管套接而形成的双层管道和翅片2之间实现热交换，经过换热后的热风变成冷风，新鲜冷风变成热风，由此来实现换热。

当将根据本发明的两个管道式换热器进行连接时，如果每个换热器的翅片数量均为N(N为自然数)，则可以将其中一个换热器与另一个换热器在轴向上保持同心，但是相对于所述另一个换热器沿轴线旋转θ(0＜θ＜360/N)度角的方式进行连接。在采用这种连接方式的换热设备中，由于在管道式换热器的连接处两个换热器的翅片相互错位了θ度角，改变了流体流向，从而增加了连接处的流体扰动，能够增大换热效率。

另外，当两个相连的换热器的翅片数目和/或排布方式彼此不同时，也能够增加流体在连接处的扰动。

根据本发明的使用本发明的管道式换热器的换热设备，安装方便，连接器成本低，换热效率高，并且还能够在高压等恶劣环境下工作。

Claims (13)

1.一种管道式换热器，该管道式换热器包括多个管道和布置在多个管道之间的翅片，该管道式换热器的特征在于：

所述多个管道包括一个或更多个内管和套置在所述一个或更多个内管外围的外管；

所述翅片在所述多个管道的轴向垂直的横截面上呈径向分布；

所述多个管道和所述翅片被一体制成，

所述翅片包括采用异形实心结构、异形非实心结构或异形实心结构与异形非实心结构的组合，并且

该管道式换热器的两端连接用于连接其他管道式换热器的连接器，

其中，当两个管道式换热器彼此进行连接时，两个相连的管道式换热器的翅片数目和/或排布方式彼此不同，并且

在彼此连接的两个管道式换热器的翅片以固定间隔排列且翅片数目为N的情况下，使其中一个管道式换热器与另一个管道式换热器在轴向上保持同心并且使所述一个管道式换热器相对于所述另一个换热器沿轴线旋转θ度角，其中，N为自然数，并且θ满足0<θ<360/N。

2.根据权利要求1所述的管道式换热器，其特征在于，

所述翅片的异形结构包括波纹形和三角形中的一种。

3.根据权利要求1所述的管道式换热器，其特征在于，

所述多个管道的轴心线位于同一直线上或是平行的。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的管道式换热器，其特征在于，

所述翅片在横向相邻的内管之间、内管和外管之间以固定间隔在与所述多个管道的轴向垂直的横截面上呈径向分布。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的管道式换热器，其特征在于，

所述翅片在横向相邻的内管之间、内管和外管之间以非固定间隔在与所述多个管道的轴向垂直的横截面上呈径向分布。

6.根据权利要求1所述的管道式换热器，其特征在于，所述连接器包括法兰、垫片和卡环。

7.根据权利要求1所述的管道式换热器，其特征在于，所述连接器包括法兰、卡箍和O型密封圈。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的管道式换热器，其特征在于，所述多个管道和所述翅片均由铜合金或铝合金制成。

9.一种权利要求1所述的管道式换热器的制造方法，其特征在于，所述多个管道和所述翅片是通过挤压工艺一体成型的。

10.根据权利要求9所述的管道式换热器的制造方法，其特征在于，所述多个管道和所述翅片均由铜合金或铝合金制成。

11.一种换热设备，所述换热设备包括如权利要求1所述的管道式换热器。

12.根据权利要求11所述的换热设备，其特征在于，所述连接器包括法兰、垫片和卡环。

13.根据权利要求11所述的换热设备，所述连接器包括法兰、卡箍和O型密封圈。