螺旋缠绕管式换热器及变流量螺旋管冷却装置

摘要

本发明公开了一种螺旋缠绕管式换热器及变流量冷却装置，所述螺旋缠绕管式换热器包括壳体（1）和壳体内两端安装在管板（6）上的螺旋管束，壳体（1）上设置有管程进口（1-1）和出口（1-2），以及壳程进口（1-3）和出口（1-4），所述螺旋管束由同心缠绕成螺旋状的多层螺旋管（2）构成，每层螺旋管（2）采用多根螺旋管（2）同向缠绕；在所述螺旋管（2）层与层之间安装有多块折流板（4），每块折流板（4）两端固定在螺旋管（2）上。既可保证管内流体的换热强度，又能强化管外流体的对流换热；缠绕管式换热器外部与温度传感器、控制系统、变频电机、泵等系统部件相连，可实现冷却介质流量的实时调节，适应冷却负荷变化，满足节能之需；同时具有防结垢、耐腐蚀的优点。

权利要求

1.一种螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，所述螺旋缠绕管式换热器包括壳体(1)和壳体内两端安装在管板(6)上的螺旋管束，壳体(1)上设置有管程进口(1-1)和管程出口(1-2)，以及壳程进口(1-3)和壳程出口(1-4)，所述螺旋管束由同心缠绕成螺旋状的多层螺旋管(2)构成，每层螺旋管(2)采用多根螺旋管(2)同向缠绕；在所述螺旋管(2)层与层之间安装有多块折流板(4)，每块折流板(4)两端固定在螺旋管(2)上。

2.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，所述折流板(4)沿壳程进口(1-3)与壳程出口(1-4)之间的位置设置有多组，相邻组之间的折流板(4)错位排列。

3.如权利要求2所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，在同一组折流板(4) 中，相邻层之间的折流板(4)错位排列。

4.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，在所述螺旋管束中心位置设置有芯体(3)，芯体(3)至少一端固定在管板(6)上。

5.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，所述折流板(4)为扇形，两端焊接有半圆管状扣板以及卡板两侧带孔的凸缘，扣板卡扣在螺旋管(2)外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管(2)上。

6.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，奇数层与偶数层螺旋管(2)的缠绕方向相反。

7.如权利要求6所述的螺旋缠绕管式换热器，其特征在于，所述折流板(4)形状为螺旋扭转状，其展开为扇形，两端焊接有半圆管状扣板以及卡板两侧带孔的凸缘，扣板卡扣在螺旋管(2)外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管(2)上。

8.如权利要求1所述的缠绕管式换热器，其特征在于，所述壳体(1)采用铸铝材料；所述螺旋管(2)和折流板(4)采用不锈钢材料。

9.如权利要求1所述的缠绕管式换热器，其特征在于，所述螺旋管束两端均为直管段，所述壳程进口与壳程出口对应于螺旋管束直管段。

10.一种采用权利要求1至9中任一所述螺旋缠绕管式换热器的变流量螺旋管冷却装置，其特征在于：包括上述螺旋缠绕管式换热器、温度传感器、控制系统、变频电机和被变频电机驱动的泵，所述温度传感器设置于所述螺旋缠绕管式换热器的管程出口管路上，所述温度传感器的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述变频电机的输入端与所述控制系统的输出端连接，所述泵的出口与所述螺旋缠绕管式换热器的壳程进口连接。

说明书

螺旋缠绕管式换热器及变流量螺旋管冷却装置

技术领域

[0001] 本发明属于对流传热、节能降耗的流体换热技术领域，具体涉及一种能够实时调节换热介质流量且螺旋管内外对流换热系数相差较小的变流量螺旋管冷却装置，以及一种带折流板的螺旋缠绕管式换热器。

背景技术

[0002] 传统的管壳式换热器换热管长度有限，单位体积内布置的换热面积较小；设备的安全运行往往受限于换热介质的最高工作温度，以及是否会出现流动死角等流速剧降区，导致换热面因局部换热不均而造成热应力损坏；设备长期运行时，管束易结垢，且不易清洗。

[0003] 螺旋缠绕管式换热器可以一定程度上弥补上述不足，具有换热性能好，工质流动均匀的优点。但就现有的螺旋缠绕管式换热器而言，一方面，换热介质的流量不能实时调节，无法适应冷却(或加热)负荷的动态变化，所以不能实现冷却(或加热)负荷的实时匹配，运行经济性较差，难以满足节能降耗的更高要求。另一方面，己有的螺旋缠绕管式换热器管束内外流体的换热性能差别较大，主要表现在壳程换热性能低于管程，形成制约总换热效率的瓶颈。管壳式换热器壳程采用折流板，通过改变壳程流体流动方向以提高壳程流体换热效果。由于现有管壳式换热器换热列管为直管，弓形折流板上开管孔，列管与折流板垂直穿过折流板即可。然而，螺旋缠绕管式换热器由于列管被缠绕成了螺纹状，采用现有换热器折流板技术根本无法安装到螺旋缠绕管束上。对这一问题，本行业有关人员做了大量工作但始终无法解决，导致螺旋缠绕管式换热器壳程无法用折流板强化传热。所以目前螺旋缠绕管式换热面的总体换热效果改善不明显。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够通过用折流板实现壳程强化传热的螺旋缠绕管式换热器，以提高管外流体的对流换热效率。另一个目的还在于提供一种变流量螺旋管冷却装置，以实现冷却(或加热)负荷的实时匹配。

[0005] 为实现本发明第一个目的，本发明提供的螺旋缠绕管式换热器，所述螺旋缠绕管式换热器包括壳体和壳体内两端安装在管板上的螺旋管束，壳体上设置有管程进口和出口，以及壳程进口和出口，所述螺旋管束由同心缠绕成螺旋状的多层螺旋管构成，每层螺旋管采用多根螺旋管同向缠绕；在所述螺旋管层与层之间安装有多块折流板，每块折流板两端固定在螺旋管上。

[0006] 所述折流板沿壳程进口与壳程出口之间的位置可以设置有多组，以实现沿壳程方向多次折流，强化管外传热。

[0007] 在同一组所述折流板中，相邻层之间的折流板优选错位排列的方式。同样的道理，相邻组之间的折流板也优选错位排列的方式，使流体在换热器径向和轴向均实现分分合合的流动方式，进一步强化对流传热。

[0008] 所述折流板形状优选为扇形。其安装方式可以采用两端焊接有半圆管状扣板以及扣板两侧带孔的凸缘，扣板卡扣在螺旋管外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管上。

[0009] 进一步地，奇数层与偶数层螺旋管的缠绕方向最好相反，使流体在该间隙内形成湍流。与此相适应，所述折流板形状为螺旋扭转状，其展开为扇形，两端焊接有半圆管状扣板以及扣板两侧带孔的凸缘，扣板卡在螺旋管外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管上。

[0010] 所述壳体可以采用铸铝材料，以降低换热器自重，同时传热系数高，实现壳程流体由壳体直接散热冷却。

[0011] 所述螺旋管和折流板采用不锈钢材料。

[0012] 优选地，所述螺旋管束两端均为直管段，所述壳程进口与出口对应于螺旋管束直管段。

[0013] 为了实现对换热负荷的实时调节，本发明还提供一种采用前述螺旋缠绕管式换热器的变流量螺旋管冷却装置，包括螺旋缠绕管式换热器，还包括温度传感器、控制系统、变频电机和被变频电机驱动的泵，所述温度传感器设置于所述螺旋缠绕管式换热器的管程出口管路上，所述温度传感器的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述变频电机的输入端与所述控制系统的输出端连接，所述泵的出口与所述螺旋缠绕管式换热器的壳程进口连接。

[0014] 本发明的有益效果：采用不同于传统管壳式换热器的折流板形式和安装方式，解决了螺旋缠绕管式换热器的折流板安装问题，通过壳程安装折流板，对壳程流体有扰动作用，能有效地促进湍流和强化壳程传热，传热效率高；这种折流板与螺旋缠绕管束相结合，流体流动阻力小，可改善壳程流体的流动状况，较好地解决管程壳程对流换热系数相差较大的问题，确保缠绕管式换热器的总体传热性能显著提高。同时，流体介质的湍流度加强，减少污垢的沉积几率，降低管内外流体在壁面附着的可能性及结垢倾向。此外冷却器外部的流量调节系统，能够现场监测流体的温度，通过变频调速控制系统实现对冷却介质(或加热介质)流量的监控和调节，保证冷却系统(或加热系统)换热量的实时匹配，达到高效、可靠、稳定运行的目的。

附图说明

[0015] 图1-1 是缠绕管式换热器的局部剖视图；

[0016] 图1-2 是缠绕管式换热器的A 向视图；

[0017] 图1-3 是缠绕管式换热器的B-B 向剖视图；

[0018] 图1-4 是缠绕管式换热器中螺旋管束的c-c 向剖视图；

[0019] 图1-5 是折流板展开后的结构示意图；

[0020] 图1-6 是折流板固定方式示意图；

[0021] 图2 是本发明变流量螺旋管冷却装置的流量调节系统示意图。

[0022] 上述附图中：1.壳体；2. 螺旋管；3. 芯体；4. 折流板；5. 扣板， 6. 管板；

[0023] 1- 1.管程进口；1-2. 管程出口；1-3. 壳程进口；1-4. 壳程出口。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

[0025] 实施例1 螺旋缠绕管式换热器

[0026] 图1-1 示出了本发明的一种螺旋缠绕管式换热器的较佳实施例的结构，用于对润滑油等流体进行水冷却。

[0027] 如图1-1 所示，螺旋缠绕管式换热器包括壳体1 和壳体内两端安装在管板6 上的螺旋管束，壳体1 两端封头上设置有管程进口1-1 和管程出口1-2 ，壳体1 侧壁上则有壳程进口1-3 和壳程出口1-4 ，由多根螺旋管2 构成的螺旋管束两端安装在换热器两端的管板6上。

[0028] 螺旋管束的结构结合图1-1 和图1-4 所示，螺旋管束由同心缠绕成螺旋状的6 层螺旋管2 构成，每层螺旋管2 均采用多根螺旋管2 同向缠绕。结合图1-3 和图1-4 可以看出，在该实施例中，每层螺旋管从外到内螺旋管2 的数量为14 、12 、10 、8 、6 、4 根。

[0029] 如图1-1 中四道虚线位置所示，沿壳程进口1-3 与壳程出口1-4 之间的位置设置有4 组折流板(4 道虚线所示位置)，使得流体在壳程由进口1-3 到出口1-4 流动时要经过四道折流板扰动以改变流向和流动状态，达到有效地促进湍流和强化壳程传热，提高壳程流体传热效率。根据具体应用情况和换热器负荷，折流板的组数视壳程长度而进行增减。

[0030] 每一组折流板的布置如图1-4 所示，在螺旋管2 层与层之间安装有多块折流板4，每块折流板4 两端参照图1-6 所示固定在螺旋管2 上。图1-4 所示的实施例中，螺旋管从外到内共6 层， 6 层螺旋管之间形成5 层环形管间间隙，因此折流板4 从外到内共5 层，该实施例中每层折流板4 有4 块，因此每组共有20 块折流板4 。这种折流板化整为零的分散布置方式解决了采用传统结构折流板及其安装方式不能应用于螺旋缠绕管式换热器的问题。

[0031] 折流板4 在组与组之间，同一组中层与层之间的布局方式，会产生不同的扰流效果。作为最佳实施方式，如图1-4 所示，同一组中的每一层折流板4 环状均布，相邻层之间折流板4 错位排列。具体要求是：折流板4 沿螺旋管2 缠绕方向呈一定角度放置，每组折流板4 等距分布在换热器的四个相应位置，每层折流板相互呈90°，层与层之间错开45°。同样道理，相邻组之间的折流板4 也错开45°排列。这样经过一道折流板流体被折流板分流、合流一次，经过多次分合进一步强化扰流效果。当然，螺旋管的数量和折流板的数量、安装角度因换热器负荷而定。

[0032] 如图1-4 所示，每块折流板4 的安装方式是，折流板4 一头连内层螺旋管，另一头连外层螺旋管，可以通过焊接等方式固定。但由于焊接操作难度较大，技术要求较高，且焊接会对螺旋管2 产生有害的热应力。作为最佳实施例，安装固定方式采用扣接方式，如图1-5 和图1-6 所示，折流板4 为扇形，两端焊接有半圆管状扣板5 以及扣板两侧带孔的凸缘，扣板卡扣在螺旋管2 外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管2 上，安装方式简单。实现方法是：在每层螺旋管2 缠绕结束后，在指定的相应位置布置扇形折流片4 ，以扣接形式先固定，然后再进行下一层的螺旋管缠绕。相应地，折流板的另一端扣接在外层螺旋管上。这种方式折流板外端的扣板对外层螺旋管缠绕时还具有辅助定位作用，使缠绕和固定位置准确。

[0033] 如果所有螺旋管缠绕方向相同，其导流作用会使得壳程流体流动轨迹为螺旋形，其效果优于传统管壳换热器折流板。本发明作为最佳实施方式，奇数层与偶数层螺旋管2的缠绕方向相反，例如奇数层左旋，偶数层右旋。这样奇数层和偶数层对流体的导向方向相反，进一步提高流体流动的扰流效果，形成湍流，管外壁流体边界层被减薄和破坏，达到比同向缠绕更好的强化对流传热效果。

[0034] 由于相邻层螺旋管2 缠绕方向相反，因此折流板两端的扣板相互偏转一定角度，对应地折流板采用扭转形成与螺旋桨一样的扭曲形(与螺旋方向一致)扇面。这样不但对壳程流体沿换热器长度方向产生扰流作用，还对径向流产生扰流作用，扰动更剧烈。

[0035] 如图1-1 所示，壳体1 内的螺旋管束两端均为直管段，所述壳程进口1-3 与出口1-4 对应于螺旋管束直管段，这样在进出口位置流体流动阻力小，有利于流体在进出口位置在整个圆形截面上的快速分散、分布。

[0036] 由于最内层螺旋管2 中部为一大体为圆形的孔洞，且由于加工问题最内层螺旋管缠绕直径不宜过小，中间形成的圆管状流道不利于对流传热，因此如图1-2 、1-3 所示，在所述螺旋管束中心位置设置有芯体3 ，芯体3 一端或两端固定在管板6 上。芯体3 防止在壳体1 中流动短路，从而提高冷却效率，使冷却更加充分。

[0037] 本发明与现有的螺旋缠绕管式换热器相比，其突出效果有：

[0038] 1 、壳程螺旋管层与层之间安装折流板，特别是扇形折流板，这种支撑结构对壳程流体有扰动作用，能有效地促进湍流和强化壳程传热，具有传热效率高，流动阻力小的优点。折流板可改善壳程流体的流动状况，较好地解决管程壳程对流换热系数相差较大的问题，确保缠绕管式换热器的总体传热性能显著提高。

[0039] 2 、螺旋管束层间交替反向缠绕，形成强烈的湍流与二次流效果；同时，流体介质的湍流度加强，减少污垢的沉积几率，降低管内外流体在壁面附着的可能性及结垢倾向。

[0040] 本发明之所以能有上述的技术效果主要原因有以下几个方面：

[0041] 1 、折流板一方面可以减小折流板处的流通面积，管外流体流速变大，湍流度增加；另一方面，管外流体绕流折流板产生漩涡，进一步增强流体的湍动强度。因此，折流板可以起到强化壳程传热的作用。

[0042] 2 、层与层之间的螺旋管反向缠绕，且与每层螺旋管的螺旋方向相反，这种特殊结构极大地改变了流体的流动状态，管内流体在前进过程中不断受迫改变方向，做离心运动，流体流速提高，形成强烈的湍流与二次流效果，这可以保证管内的换热强化。

[0043] 3 、管外流体在相邻的换热管之间不断分离汇合，既有旋转运动，又有纵向扰动，使得介质的湍流度加强，即可以强化换热，可减少沉积几率和结垢倾向。

[0044] 4 、螺旋管不但可以促进流体在流动过程中不断破坏边界层，增强扰动。而且螺旋管缠绕管束的长度可达到壳体长度的四至六倍，可大大增加冷热介质换热面积，提高冷却器的紧凑性。

[0045] 螺旋管2 及折流板4 可以采用不锈钢，提高耐腐蚀效果，壳体采用铸铝材料，减小冷却设备重量，降低生产成本，特别是对于壳体走待冷却流体时，铸铝材料外壳可以强化外壳散热。

[0046] 实施例2 变流量螺旋管反向缠绕式冷却装置

[0047] 如图2 所示，是一种变流量螺旋管反向缠绕式冷却装置，螺旋管换热器采用实施例1 的结构。

[0048] 冷却装置包括螺旋管换热器、温度传感器、控制系统、变频电机和被变频电机驱动的泵，温度传感器设置于所述螺旋缠绕管式换热器的管程出口管路上，所述温度传感器的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述变频电机的输入端与所述控制系统的输出端连接，所述泵的出口与所述螺旋缠绕管式换热器的壳程进口连接。

[0049] 缠绕管式换热器管程出口的温度由温度传感器测出，温度传感器将温度测出后上传至控制系统，控制系统控制变频电机的转速，变频电机调节泵的输出水量，使得缠绕管式换热器的进水量发生改变。这样，能够现场监测流体的温度，根据运行过程中冷却负荷的动态变化，通过变频调速控制系统实现对冷却介质流量的监控和调节，实时匹配冷却介质的流量，实现节能降耗，达到高效、可靠、稳定运行的目的。

[0050] 上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。