專利名稱：一種新型熱交換裝置——多圈式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于熱交換裝置。它適用于一切兩種冷熱流體通過間壁進行間接熱(顯熱、潛熱或反應(yīng)熱)交換的場合。諸如換熱器、再沸器、蒸發(fā)器、過熱器、散熱器、空冷器，水冷器、熱水器冷卻器、冷凝器、加熱器、反應(yīng)器和鍋爐等等。(以下統(tǒng)稱為換熱器)在石油、化工、動力、輕工、食品、醫(yī)藥、制冷、采暖、交通運輸，宇航及民用器具等熱交換過程中，大量使用著結(jié)構(gòu)不同的換熱器，盡管它們的結(jié)構(gòu)有很大的差異，但都具有以下的共性。
1、冷流體和熱流體沿著互不串通的各自的通道流動(為便于敘述我們分別稱之為冷程和熱程)它們間不得滲漏。
2、熱交換是通過兩程間的間壁來實現(xiàn)的，通常間壁的壁面即為換熱面。
3、為使換熱器有足夠的換熱面，又要求有足夠的緊湊性(緊湊性可定義為單位體積的換熱器具有的換熱面積)。冷程和熱程間就會有相當(dāng)長的縫隙，例如列管換熱器中列管和管板間，螺旋板式換熱器中螺旋流道和端板間的縫隙，這些縫隙須采用各種辦法使其封閉。為便于敘述我們將這些須封閉的縫隙稱之為“封縫”。
4、封縫的存在不僅使換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，增加了制造費用，而且還使換熱器不好拆卸，致使在使用時難于檢查維修和清垢。此外，結(jié)構(gòu)上消除熱應(yīng)力也很復(fù)雜。
5、為便于檢查、維修和清垢，有一些可拆卸的換熱器已得到工業(yè)應(yīng)用，如可拆卸螺旋板式換熱器、板式換熱器，但是它們的結(jié)構(gòu)笨重。工作可靠性差，使用的壓力和工作溫度受到密封材料的限制工作壓力和溫度都不高。
縱觀換熱器的發(fā)展史，可以歸納成以下兩點1、與工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大型化相適應(yīng)，換熱器的換熱面積不斷增大，從初期的簡單增大到依靠提高緊湊性增大，例如早期的用列管換熱器取代套管換熱器以至到最近發(fā)展的板翅式換熱器和各種翅片的應(yīng)用。
2、換熱器的強化是以換熱方程式Q＝KFΔt為基礎(chǔ)而展開的。式中Q為換熱量，Δt為兩流體的溫度差。它是換熱過程的推動力。由于兩流體的溫度由環(huán)境(如水冷和空冷)和工藝要求決定，我們不能任意選擇。故增大Δt為余地不大。K為總傳熱系數(shù)，它和很多因素有關(guān)。圍繞如何提高K值，多年來國內(nèi)外科技工作者做了大量卓有成效的研究工作。概括起來有以下幾種措施(1)改善流體的流動狀況，如增加流速，采用強化圈，使流體產(chǎn)生渦流，以及使流體或間壁產(chǎn)生振蕩等等。(2)改善換熱面的表面狀態(tài)。(3)選用導(dǎo)熱系數(shù)(入)高的材料。(4)采用化學(xué)的物理的辦法減輕污垢。以上諸項措施的進一步應(yīng)用受到一些條件的限制，例如增加流速受流體阻力成方次的關(guān)系增大的限制。其它措施也受到制造費用和操作費用增加的限制。
污垢系數(shù)屬于流體的物性，難于改變。最可靠而簡易的辦法是使換熱器易于拆卸、便于人工清垢。但是隨著提高設(shè)備的緊湊性而加大換熱面F的同時，使設(shè)備更難于拆卸在換熱器的總熱阻中，垢的熱阻占20％以上。某些污垢系數(shù)較大的流體的垢的熱阻甚至高達總熱阻的80％以上。因之在增大F，提高設(shè)備的緊湊性的同時，還能使其易于拆卸，便于清垢。此外還能以板代管，降低材料費用，使結(jié)構(gòu)簡單。易于加工以減少加工費用，是當(dāng)前換熱器科研的發(fā)展方向。
本實用新型的目的是描準(zhǔn)這一方向而展開的。為實現(xiàn)這一目的，其重要的特征在于將互不相通的冷程和熱程交替地呈多圈式排布。它可以是同心相套的園形管或其它異形管，亦可以是用板卷成雙通道的螺旋管。由兩壁形成的環(huán)形或螺旋形是兩流體通道。為保證兩流體互不串通，并使流動有序，在換熱器的兩端設(shè)有配流板和集散室(或集散聯(lián)管)。
以下結(jié)合附圖
對本實用新型作進一步的描述。
圖一是為多圈式換熱器的結(jié)構(gòu)和流體流向的示意圖。它是由同心排列的若干多圈套管1所組成。圖中由D1～D6六根管所構(gòu)成(實際上管的數(shù)目不限于此，可多可少)在兩根管之間構(gòu)成了環(huán)形的流道截面。冷程的寬度用b1表示，熱程的寬度用bR表示。最大的管(D6)的管壁即為該換熱器的殼體。換熱器的兩端有配流板6。圖二為左端配流板的剖視圖，圖三為右端配流板的剖視圖。凡可見到呈輻射狀排列的翅片2的部份是開口的，而用斜剖線劃出的部份則是封閉的。開口的半環(huán)上用符號“×”表示冷程，而用符號“·”表示熱程，左右兩塊配流板是這樣匹配的若以隔板9為基線。同一個環(huán)形流道如左端的配流板上半部是開口的，下半部就是封閉的，與之相匹配的右端配流板正相反，上半部是封閉的，下半部是開口的，配流板的開口部份和封頭5的一個集散室相通。封頭5用隔板9分成互不相通的集散室。我們用L代表冷流體。用R代表熱流體．并分別用下標(biāo)l代表進口．下標(biāo)2代表出口。由圖一可見冷流體Ll從換熱器右端上部接口進入上部集散室7.這里的配流板冷程是開口的．故冷流體沿點劃線→進入D2～Dl形成的環(huán)沿 進入D4～D3形成的環(huán)沿 進入D6～D5形成的環(huán)。對應(yīng)這些環(huán)在配流板的下部是封閉的，故冷流體只能沿冷流體通道3向右流動。及至到右端配流板．同一環(huán)的上部是封閉的而下部則是開口的。故冷流體只能由右部的封頭的下部集散室集中后再由L2處流出。同樣熱流體從右端R1導(dǎo)入后．經(jīng)右端配流板上部按實線( 所示方向沿?zé)崃黧w通道4向左流動．最后經(jīng)右端配流板集散室后由R2處流出。從而實現(xiàn)了冷熱流體逆流換熱的過程。
通常，配流板6是固定(焊)于多圈管1上的．當(dāng)多函耆l設(shè)有孥蘆。特別是設(shè)有徑向翅片或螺紋翅片(參見本說明書稍后部份)為便營壁待別是題片清垢方便徹底。配流板6也可設(shè)計威可拆卸結(jié)構(gòu)。這樣每一根多圈營都能從換熱器中抽出?？梢愿奖銖氐椎厍宄隣I壁及翅片上的結(jié)垢?？刹鹦杜淞靼宓氖狙Y(jié)構(gòu)示于圖丸中。其構(gòu)造和功能說明詳見本說明書稍后的實施倒一之中。
前已述及，多圈管亦可采用漸開的螺旋板卷制而成。圖四為其縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。它是由兩塊平行的螺旋板10卷制而成中心部用聯(lián)板11相隔，它們間構(gòu)成了兩條互不相通的螺旋狀流道剖面，其寬度分別為bL和bR。圖中用符號“×”表示冷程，用符號“·”表示熱程。和同心布置的多圈套管式換熱器(參見圖一)一樣，其兩端亦有配流板集散室和封頭。封頭也是用法蘭和殼體相密封，其結(jié)構(gòu)和流體流動情況二者完全相似，故不再贅述。
為有效地增加換熱器的換熱面積，提高其緊湊性，在這里提出了兩項措施，實施時可因地制宜地選用，茲分述如下措施一將多圈管或螺旋板的壁制成花邊狀，現(xiàn)以多圈套管式為代表將剖面圖示于圖五中。
措施二增設(shè)翅片。翅片按排列方式分三種，第一種為軸向排列，翅片面和中心軸線平行。第二種為螺紋狀排列，翅片面呈螺紋狀排于多圈管上。第三種為徑向排列，翅片面和中心軸垂直。
軸向排列是應(yīng)優(yōu)先選擇的一種排列，因為其翅間的通道是直的，便于清垢，而且加工也容易。
軸向排列的翅片形狀有多種多樣，圖六中a為直形翅片，b為折形翅片。為了減少翅片和管壁的接觸熱阻，翅片最好能和管壁固成一體，或至少使其緊密配合。有時亦可采用彈性翅片。圖六中c為一種彈性翅片。這時應(yīng)使彈性翅片的自由寬度b′稍大于流道寬度b，這樣可保證翅片能緊貼于管壁上。彈性翅片有各種形狀，圖六中d為其可能的幾種。彈性翅片可以順排，如圖六中e，亦可成對對頂排列，如圖六中f所示。
螺紋狀翅片較之軸向翅片加工較為麻煩，清垢也較費事，但是可延長流道長度則是其優(yōu)點。螺紋狀翅片只能適用于多圈套管式換熱器上。圖八為其示意圖。它是在每根多圈管的外壁焊上或纏繞上螺紋翅片，翅片的頂園緊套于相鄰多圈管的內(nèi)壁上。于是相鄰兩管壁(內(nèi)管的外壁和外管的內(nèi)壁)和相鄰兩螺紋翅片包絡(luò)而成螺紋狀流體通道。為保證不同圈的螺紋狀流體通道具有相同的展開長度，不同圈的螺紋翅的螺紋角和螺紋頭數(shù)不等。
徑向排列的翅片加工最麻煩，清垢更難，只適用于不結(jié)垢或結(jié)垢非常輕微的液體，其優(yōu)點是加強了流體的攪動，延長了流道的長度。徑向排列的翅片也有多種形狀，圖七中a為篩板式翅片，b為具豁口的翅片。當(dāng)然具豁口的翅片上也可開有篩孔，相鄰兩翅片m和n是錯位的，以使流體有周向流動。
翅片可以是等截面的，也可以是不等截面的；翅片可以分段也可以不分段；其表面可以是光滑的也可以是非光滑的；翅片材料可以用和管壁同一種材料也可以和管壁不同材料制成。
這種多圈式換熱器，它具有很高的緊湊性，易于拆卸、清垢簡便可靠，能以板代管，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，使用可靠，成本低廉，能回收低溫余熱，能準(zhǔn)確控制流體溫度，結(jié)構(gòu)精巧，熱效率高，換熱速度快，可廣泛用于石油、化工、動力、輕工食品、醫(yī)藥、制冷、采暖、交通運輸、宇航及民用器具等熱交換過程中。
下面介紹幾種應(yīng)用本實用新型的原理的實施例實施例一多圈螺紋翅管換熱器，(參見圖八)多圈螺紋翅管換熱器是由多圈管1同心相套而成。每根多圈管固定有螺紋翅片2。螺紋翅片的長度短于多圈管。為使流體流動均勻，不同圈數(shù)上的螺紋頭數(shù)和螺距是不同的。冷程流道3和熱程流道4交叉相鄰。封頭5、集散室7和墊片8、隔板9和配流板6的作用和圖一所述一樣。同樣，配流板6也可設(shè)計成可拆卸結(jié)構(gòu)，這時翅片可采用螺紋擰合入扣的辦法以減少翅片與管壁的接觸熱阻。(參見圖九)。為能簡明地說明問題，作為代表圖九中只給出D1、D2、D3三根多圈管，而且也只繪出了換熱器的右端剖視圖。在多圈管的壁上固定有配流定位筋6(a)。其作用是使配流圈6(b)限位。配流圈6(b)和相鄰兩多圈管管壁松配，但縫隙很小。配流圈6(b)的小半圈上開有孔道作為流體的通道(相當(dāng)于圖一中配流板上的開口部位)。配流圈6(b)的另外大半圈上無有孔道(相當(dāng)于圖一中配流板上的封閉部位)。配流密封墊6(c)可以是平墊，也可以是密封圈或厭氧密封膠。其作用是使配流圈6(b)與多圈管1間的縫隙密封。配流壓板6(d)和配流密封墊6(c)上的孔道和配流圈6(b)上的孔道——對應(yīng)，作為流體的通道起到配流的作用。由于配流壓板6(d)還起到壓緊配流密封墊6(c)的作用。因此配流壓板6(d)需要有足夠的剛度。由圖九可見，只要卸開螺栓螺母12、13則封頭5，墊片8配流壓板6(d)配流密封墊6(c)和配流圈6(b)都能拆卸開，最后多圈管1可被——抽出。
實施例二多圈式鍋爐(參見圖十、十一)多圈式鍋爐有兩種型式立式(參見圖十)和臥式(參見圖十一)它們的結(jié)構(gòu)基本相同，只是放置方式不同。鍋爐爐體14是由多圈爐管相套而成。它們構(gòu)成了交叉相鄰的火程和水程?；鸪讨袩煔獾臒峤?jīng)多圈管壁傳給水。新鮮的水由注水口16注入到鍋爐爐體14的水程中。加熱到所需溫度的熱水由出水口18送往用戶。(當(dāng)鍋爐用于供汽，則出汽口應(yīng)在爐體的上部)爐體的最低處設(shè)有排污口17，用以定期排放爐體內(nèi)的污水，停爐時用此口可將爐內(nèi)水排盡。
為指示鍋爐內(nèi)的液面，爐配有液面計19。燃料煤從加煤口21喂入，與由爐柵22上升的空氣相燃。高溫?zé)煔庠谌紵?0上升進入爐體內(nèi)的火程。燃燒的灰渣落入渣室23，定期從清灰口24清出。
煙氣經(jīng)換熱降溫集中到煙室26后，最后由煙囪排放。煙室26的上部(立式)或側(cè)部(臥式)設(shè)有清灰門25。停爐時，打開此門可清掃與之相通的火程中的積灰。
爐體兩端有封頭5和集散室7。需要停爐清灰除垢時，只要卸開封頭5即可將所有多圈管中的積灰和結(jié)垢全部清除。立式爐需將爐體14從燃燒室上吊出，而臥式爐由于燃燒室是裝在臺車28之上的，只要移動臺車，爐體可以不吊出就可以進行清灰除垢工作。清灰除垢更為方便，只是占地面積較大。
實施例三水加熱器(參見圖十二)煤氣熱水器的心臟部分是水加熱器，目前市售的煤氣熱水器是用紫銅管彎折成蛇形管，管外加翅片制成。材料昂貴、工藝復(fù)雜，為克服這些缺點，這里設(shè)計了一種多圈式水加熱器，圖十二為其俯視圖，圖十三為其正視圖。它是用矩形的多圈管1相套而成，(這是為了和市售煤氣熱水器相配套，當(dāng)然亦可制成園形或正方形)多圈管的材料選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的有色金屬(如鋁或銅)。根據(jù)材料的工藝性能通水的多圈管可采用咬口或焊接封閉。通水多圈管間用配流管27相聯(lián)。配流管總成的放大圖示于圖十四中。兩端具螺紋的拉桿34和螺母33用以壓緊墊片32以保證密封。通水的圈內(nèi)設(shè)有通套30，其壁上有通孔，而火程通道使用的則是盲套31。擰緊螺母33使墊片32壓緊，于是水口35的水和水程相連通。達到配流的目的。
實施例四多圈回?zé)熓蕉嘤脿t(參見圖十五)多圈回?zé)熓蕉嘤脿t適用于家庭，它具有炊事、淋浴和冬季取暖等多種功能。它是在爐體36內(nèi)裝有爐瓦37和耐溫保溫層38。燃料39最好是型煤，當(dāng)然也可使用塊煤。爐體上部為多圈回?zé)熓剿訜崞?0，它是本爐的關(guān)健部份。它是由兩塊平行的螺旋板構(gòu)成的多圈螺旋水道盤繞而成。相應(yīng)地也形成了螺旋狀的煙道。為保證水道和煙道的寬度以及增加換熱面積它們間設(shè)有翅片或翅棒。
當(dāng)多用爐用于炊事，將拔火套44置于爐蓋43上，將螺旋狀煙氣進口堵嚴(yán)爐內(nèi)燃燒的煙氣直接上升加熱于架在支耳45上的炊具的底部，可用于燒水煮飯和炒菜等炊事過程。當(dāng)多用爐供應(yīng)熱水，用于淋浴或取暖時，可將拔火套44取出，蓋上蓋火板46，這樣爐內(nèi)燃燒的煙氣由內(nèi)向外沿螺旋狀回?zé)煹懒鲃?，最后從煙?7排往大氣中。冷水則由進水口41流入和煙氣逆向沿螺旋狀通道最后從出口水口42流出，送去淋浴或取暖。燃盡的爐灰積于灰室48中定期從灰門49清出。
實施例五節(jié)能快速水壺(參見圖十六)一般水壺?zé)畷r只靠壺底加熱，受熱面積不大，燃燒煙氣中的熱量未及充分利用就被排放于環(huán)境中，既浪費能源也污染環(huán)境。為此，在水壺50外加一集煙罩52和各種形狀的翅片51，這樣可增大加熱面降低排煙溫度達到節(jié)能快速加熱和改善環(huán)境的目的。
權(quán)利要求1.一種多圈式換熱器是一種通過間壁進行熱(顯熱、潛熱或反應(yīng)熱)交換的設(shè)備，它是由殼體端蓋、冷熱流體進出口、間壁換熱面所組成，其特征在于將互不相通的冷程和熱程交替地呈多圈式排布，它可以是同心相套的多圈管亦可以是用板卷成的漸開的螺旋管，由套管或螺旋管形成的環(huán)狀或螺旋狀斷面為流體的通道，為保證兩流體互不串通，流動有序，在換熱器的兩端設(shè)有配流板(或配流管)和集散室。
2.一種如權(quán)利要求1所述的多圈式換熱器，其特征在于多圈管可以是同心的園管亦可以是異形管，多圈管和螺旋管的壁可以是平直的也可以是花邊狀的，其表面可以是光滑的也可以是非光滑的。
3.一種如權(quán)利要求1所述的多圈式換熱器，其特征在于配流板上和冷程及熱程對應(yīng)處有開口的也有封閉的，它們是這樣配置的；凡冷程是開口的則熱程是封閉的，凡冷程是封閉的則熱程是開口的，換熱器兩端的配流板是交錯相向設(shè)置的，配流板和管壁可以采用固定聯(lián)接也可以采用可拆卸聯(lián)接。
4.一種如權(quán)利要求1所述的多圈式換熱器，其特征在于冷程和熱程(或其中之一)可以設(shè)有翅片，翅片有軸向、螺紋和徑向三種排列方式，翅片與管壁可以采用固定緊配或彈性力使它們和管壁緊貼。
專利摘要一種多圈式換熱器，是一種通過間壁進行熱交換的設(shè)備。它是由殼體端蓋、冷熱流體進出口、間壁換熱面所組成。其特征在于將互不相通的冷程和熱程交替地呈多圈式排布兩端有配流板。它的緊湊性高易于拆卸、清垢簡便、可靠，能以板代管，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，能回收低溫余熱，能準(zhǔn)確控制流體溫度，熱效率高，換熱速度快，可廣泛用于石油、化工、動力、輕工食品、醫(yī)藥、制冷、采暖、交通運輸、宇航及民用器具等熱交換過程中。
文檔編號F28D7/00GK2236637SQ9521547
公開日1996年10月2日 申請日期1995年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月6日
發(fā)明者吳植仁 申請人:吳植仁