專利名稱：螺旋層腔熱交換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種提高熱交換效率的方法。
中國(guó)專利法所稱的發(fā)明是指對(duì)產(chǎn)品，方法或者其改進(jìn)所提出的新的技術(shù)方案，必須具備新穎性，創(chuàng)造性和實(shí)用性。
檢索，審查現(xiàn)有技術(shù)，及1985年到現(xiàn)在的中國(guó)專利公告有關(guān)熱交換技術(shù)。人們?yōu)榱颂岣邿峤粨Q效率，而采取的擴(kuò)大熱交換面的方法相當(dāng)很多，但它們都是有限度地?cái)U(kuò)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(kuò)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(fā)明熱交換面的擴(kuò)大將是無(wú)限的。另一方面，現(xiàn)有熱交換器都是采用擴(kuò)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(fā)明采用了高，低溫相間螺旋漸擴(kuò)包圍層熱交換方法，即相當(dāng)于將高低溫流體隔層相互滲透，相互包圍而進(jìn)行流體內(nèi)部相互滲透式熱交換。所以，本發(fā)明與現(xiàn)有熱交換技術(shù)不同。
本發(fā)明的目的解決現(xiàn)有熱交換器體積大，熱交換不充分，熱交換速度慢，熱交換后溫差不大的問(wèn)題。使熱交換器體積小，熱交換充分，熱交換速度快。熱交換后，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(fā)明的內(nèi)容第一.本發(fā)明的理論基礎(chǔ)熱量的傳遞有傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射三種方式。
傳導(dǎo)是由于兩種溫度不等的物體接觸所引起的熱量交換傳導(dǎo)一直進(jìn)行到兩物體溫度相等為止。導(dǎo)熱的基本公式為Q＝ (γ)/(δ) △t×F式中γ代表導(dǎo)熱系數(shù)，δ代表物體的壁厚△t代表導(dǎo)熱物體兩側(cè)表面溫度，F(xiàn)代表導(dǎo)熱表面積，由此公式可知物體導(dǎo)熱量的大小與兩側(cè)溫度成正比，與壁厚成反比，并與物體性質(zhì)有關(guān)。
對(duì)流是指流動(dòng)性的物體中，借助于部分質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移的熱量，稱為對(duì)流。
幅射是高溫物體將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榉渚€，同時(shí)向四周空間傳播。
從熱力學(xué)定律可知，熱量只會(huì)從高溫物體向低溫物體傳遞。
第二.本發(fā)明的內(nèi)容根據(jù)上述傳熱學(xué)理論，為達(dá)到本發(fā)明的目的，而采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(dòng)。高，低溫流體通路可以是具有相同相間條數(shù)的螺旋層腔首與首，尾與尾相并聯(lián)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(gè)腔是封閉的，另一個(gè)腔是兩端敞開(kāi)的。根據(jù)不同產(chǎn)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(jiàn)附

圖1中，高溫流體從7(內(nèi)層腔內(nèi)口)輸入，與低溫流體相向而流，流經(jīng)3(內(nèi)層腔)螺旋層，一邊流動(dòng)，一邊向高溫層腔壁釋放熱量，高溫流體由于釋放熱量，而使高溫流體溫度逐漸下降一直到高溫流體流出5(內(nèi)層腔外口)為止，溫度也就下降到最低點(diǎn)，如果是充分熱交換的話，這個(gè)高溫流體輸出時(shí)的溫度最低點(diǎn)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(jīng)2(外層腔)螺旋層，一邊流動(dòng)一邊吸收高溫流體通過(guò)1(螺旋層腔壁)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量，低溫流體由于吸收熱量，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(nèi)口)為止，溫度也就上升到最高點(diǎn)，如果是充分熱交換的話，這個(gè)低溫流體輸出時(shí)的溫度最高點(diǎn)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(guò)程。
半封閉式螺旋層腔熱交換器工作原理見(jiàn)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(jīng)3(封閉層腔)螺旋層，一邊流動(dòng)，一邊向高溫層腔壁釋放熱量，高溫流體由于釋放熱量，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(nèi)口)為止，溫度也就下降到最低點(diǎn)，如果是充分熱交換的話，這個(gè)高溫流體輸出時(shí)的溫度最低點(diǎn)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(kāi)層隙)內(nèi)的低溫流體由于吸收高溫流體通過(guò)1(螺旋層腔壁)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量使敞口層隙內(nèi)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(dòng)，熱交換器下方的低溫流體不斷補(bǔ)充，形成對(duì)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(guò)程。
由于在一定體積的螺旋層腔體內(nèi)，增加螺旋層數(shù)，一方面可以任意擴(kuò)大導(dǎo)熱表面積(F)，另一方面由于螺旋層腔熱交換器體積一定，螺旋層數(shù)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(nèi)的流速越高，高溫質(zhì)點(diǎn)與層腔壁的直接接觸的機(jī)會(huì)就多，(幅射熱越大，)導(dǎo)熱量也就大，給層腔壁殼補(bǔ)償?shù)臒崮芫投?，從而使高溫層腔?nèi)壁溫度保持高溫。同樣，低溫流體在層腔內(nèi)的流速越高，低溫質(zhì)點(diǎn)與層腔壁的直接接觸機(jī)會(huì)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(nèi)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，采用螺旋層腔熱交換方法，一方面可以使熱交換面(F)擴(kuò)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(jù)熱傳導(dǎo)公式Q＝ (γ)/(δ) △t×F可知在有足夠的熱量輸入時(shí)，導(dǎo)熱量Q也就相應(yīng)擴(kuò)大了若干倍。
根據(jù)以上分析，由于采用了螺旋層腔熱交換方法，使放熱，吸熱兩個(gè)過(guò)程的速度都大大加快，從而提高了熱能交換的速度。
由于采用螺旋層腔，使高溫流體要通過(guò)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(zhǎng)了同一斷面高溫流體與較長(zhǎng)段低溫流體的傳熱時(shí)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于制造散熱取暖產(chǎn)品，將具有體積小，散熱量大等特點(diǎn)。
如用半封閉式螺旋層腔熱交換方法制造螺旋層火腔加熱器安裝在水壺內(nèi)的水中，將加熱器進(jìn)火口做成喇叭型，出口處用抽風(fēng)機(jī)，或用高煙囪拉火，也可在進(jìn)火口吹火，或直接放置在爐火上，使火苗卷進(jìn)螺旋層腔內(nèi)，由于螺旋層腔體淹沒(méi)在水壺內(nèi)的水中，所以，這樣制成的水壺?zé)俣瓤?，熱量損失極小。
如用螺旋層腔熱交換方法制成的各種鍋爐，空調(diào)，烘烤箱，取暖器，降溫器，恒溫箱，燒水壺，炒菜鍋等都具有熱交換快，熱交換后溫差大，交換熱量大，熱量利用率高，熱交換器體積小等優(yōu)點(diǎn)。
總之，與現(xiàn)有技術(shù)相比，螺旋層腔熱交換方法具有以下優(yōu)點(diǎn)熱交換速度快，熱量交換充分，熱交換量大，特別是熱交換后高，低溫負(fù)溫差大(如采用全封閉高，低溫流體在螺旋層腔中相反方向相間分層流動(dòng)。熱交換后，原高溫流體的輸出溫度將遠(yuǎn)低于原低溫流體的輸出溫度。由于熱交換輸入前高，低溫差為正溫差，而熱交換后高，低溫輸出的溫差為負(fù)數(shù)值，所以稱負(fù)溫差)，這是同樣現(xiàn)有熱交換方法(熱交換后，原高，低溫的輸出溫差為漸近于零的正溫差)所不能達(dá)到的。
螺旋層腔熱交換方法的出現(xiàn)，將有利于現(xiàn)有鍋爐，空調(diào)與制冷，烘烤箱，散熱取暖器，燒水壺，炒菜鍋等熱交換產(chǎn)品，由面熱交換方法轉(zhuǎn)向高，低溫流體相互進(jìn)行體內(nèi)隔離滲透式熱交換方法，使熱交換向著速度快，熱交換充分，交換后負(fù)溫差大，交換熱量大，熱交換器體積小的方向發(fā)展。
附面說(shuō)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(nèi)層腔 4-外層腔外口5-內(nèi)層腔外口 6-外層腔內(nèi)口7-內(nèi)層腔內(nèi)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(nèi)口 6-保溫外殼實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方法第一.螺旋層腔壁應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)大，在高溫流體長(zhǎng)期通過(guò)不變形的材料，如銅，鋁等。
第二.盡量減小螺旋層腔壁的厚度，但也要滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。
第三.盡量增大螺旋層腔內(nèi)，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(qiáng)制性增加高溫流體的流速，如采用抽風(fēng)機(jī)將火焰拉長(zhǎng)，卷進(jìn)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(zhì)流體。高溫流體與低溫流體相向螺旋流動(dòng)，高溫流體熱交換后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后的溫度可升到漸近與高溫流體熱交換前的溫度。
第四.盡量增加螺旋層數(shù)，一方面能使熱交換表面積成倍數(shù)擴(kuò)大，這樣單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量就大。另一方面，由于熱交換裝置體積一定，螺旋層數(shù)越多，每層之間的層距就越小，層腔就越扁，高低溫流體質(zhì)點(diǎn)在層腔中流動(dòng)，接觸層腔壁的機(jī)會(huì)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.盡量增加高，低溫層腔內(nèi)壁的表面粗糙程度。這樣，一方面相當(dāng)于加大層腔內(nèi)壁的表面積，使高，低溫質(zhì)點(diǎn)與層腔內(nèi)壁的接觸機(jī)會(huì)增多;另一方面可以使層腔內(nèi)的高，低溫流體內(nèi)部加快對(duì)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(shù)，可擴(kuò)大高，低溫流體的總流量，從而達(dá)到增加單位時(shí)間內(nèi)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，尾與尾相并聯(lián)。這樣可在不擴(kuò)大每條層腔斷面的前提下，擴(kuò)大了高低溫流體的總通路斷面，從而使單位時(shí)間內(nèi)熱交換量成倍數(shù)增長(zhǎng)。提高了熱交換速度。
第七.加速高，低溫流體的流速，可采用合理或強(qiáng)制加快對(duì)流散熱結(jié)構(gòu)，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(duì)流。如高，低溫流體螺旋層腔都是封閉的，封閉腔內(nèi)流體的流動(dòng)必須具有動(dòng)力推動(dòng)，使其強(qiáng)制流動(dòng)，加大這種強(qiáng)制流動(dòng)的動(dòng)力，可加快封閉螺旋層腔內(nèi)的流體的流速，以加快熱交換速度。但流速過(guò)大，熱交換時(shí)間就短，就不能充分熱交換;流速過(guò)小，流量就小，熱交換速度也就較慢了。所以既要盡量加快流速，又要考慮到充分熱交換。
第八.根據(jù)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(nèi)，外層腔;內(nèi)，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?zé)峤粨Q器制造時(shí)可先做成敞口層隙，然后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(yōu)點(diǎn)，但構(gòu)造，及制造工藝復(fù)雜。
最實(shí)用的螺旋層腔熱交換器有圓筒型和鼓型，可廣泛用于取暖散熱，燒水容器，空調(diào)，制冷等熱交換器。
第十.高，低溫流體在熱交換的入口處，應(yīng)設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)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，交換速度和交換后的溫差等有關(guān)參數(shù)。
權(quán)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(shí)任意擴(kuò)大高，低溫流體的接觸面，本發(fā)明特征是采用螺旋層腔將高，低溫流體相隔導(dǎo)熱層螺旋分層，相互包圍，相互滲透，充分接觸，進(jìn)行熱交換，
權(quán)利要求
1、螺旋層腔熱交換方法。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋層腔熱交換方法，其特征在于高，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(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋層腔熱交換方法，其特征在于高，低溫腔只有一個(gè)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(jù)權(quán)利要求2所述的全封閉式螺旋層腔熱交換方法或權(quán)利要求3所述的半封閉式螺旋層腔熱交換方法生產(chǎn)的熱交換產(chǎn)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(dǎo)熱層螺旋分層，相互包圍，相互滲透，充分接觸，進(jìn)行熱交換，從而使熱交換充分，速度快，交換后溫差大。該發(fā)明可以廣泛用于鍋爐，空調(diào)，制冷，取暖，蒸飯，燒水，炒菜等熱交換產(chǎn)品。
文檔編號(hào)F28D7/02GK1057105SQ9110394
公開(kāi)日1991年12月18日 申請(qǐng)日期1991年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月7日
發(fā)明者楊福九 申請(qǐng)人:楊福九