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一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统
申请号	CN202311829984.X	申请日	2023-12-27	公开(公告)号	CN117804262A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	安徽理工大学;			发明人	季家东; 赵金辉; 倪旭旺; 潘玉玲;
摘要	本发明公开的一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统，包括水平延伸的换热管本体，换热管本体内流通有一换热介质，且换热管本体放置于喷淋有另一换热介质的环境中，换热管本体的顶部表面上设有多个凹坑，凹坑的开口朝上设置，且各凹坑沿换热管本体延伸的方向等间隔分布，由于在换热管本体的顶部表面开设凹坑，其处于喷淋换热介质的环境中后，使得换热介质喷淋下来后能够在换热管本体的顶部表面停留的时间更长，进而换热介质溢出凹坑的四周边缘后，沿换热管本体的外表面流动，使得换热管本体的外表面形成液膜，且受凹坑存在的影响，与换热管本体接触的换热介质流动方向改变，其湍流程度比较大，可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。
权利要求	1.一种换热管，其特征在于，包括水平延伸的换热管本体，所述换热管本体内流通有一换热介质，且所述换热管本体放置于喷淋有另一换热介质的环境中，所述换热管本体的顶部表面上设有多个凹坑，所述凹坑的开口朝上设置，且各所述凹坑沿所述换热管本体延伸的方向等间隔分布。 2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述换热管本体呈竹节状结构并由多个分节依次连通形成，所述分节呈球形腔体状结构，且所述分节沿其轴线方向上的两端分别开设有通孔，相邻两所述分节之间通过所述通孔相连通，各所述凹坑对应分布在各所述分节上。 3.一种应用如权利要求1或2所述的换热管的水喷淋换热装置，其特征在于，包括换热装置本体，所述换热装置本体包括上水槽和下水槽及连接在两者之间的中间壳体，所述上水槽连通有对其通入低温换热介质的第一供给机构，所述上水槽连通有多个朝下喷淋的喷头，所述中间壳体内设有多组串联的换热管，所述换热管连通有对其通入高温换热介质的第二供给机构，所述换热管位于所述喷头的下方，并整体位于所述喷头的喷淋范围内，所述下水槽的顶部开设有用于收集所述低温换热介质的收集口，所述下水槽的底部连通有排出管路。 4.根据权利要求3所述的水喷淋换热装置，其特征在于，各所述换热管均平行分布，并沿竖直方向上分为多层，相邻两层之间的所述换热管沿竖直方向上交错分布。 5.根据权利要求4所述的水喷淋换热装置，其特征在于，所述中间壳体内成对设有呈板状结构的支架，两所述支架沿所述换热管延伸的方向对称分布，所述换热管的首尾分别穿过对应的所述支架。 6.根据权利要求5所述的水喷淋换热装置，其特征在于，所述换热管的首尾两端均连通有直管段，两所述支架上分别开设有供各所述直管段插接穿过的安装孔。 7.根据权利要求6所述的水喷淋换热装置，其特征在于，沿所述高温换热介质流动的方向上相邻两所述换热管之间连通有U型弯管，所述U型弯管位于所述支架远离所述换热管的一侧，所述U型弯管的两端开口与对应的所述直管段之间设有连接法兰。 8.根据权利要求7所述的水喷淋换热装置，其特征在于，所述第一供给机构包括储存所述低温换热介质的第一储存机构，所述上水槽呈封闭腔体结构，且所述第一储存机构与所述上水槽之间连通有第一循环泵。 9.根据权利要求8所述的水喷淋换热装置，其特征在于，所述第二供给机构包括储存所述高温换热介质的第二储存机构，所述第二储存机构的出口处设有第二循环泵，所述第二循环泵与底层的所述换热管相连通，所述高温换热介质自下至上传输。 10.一种应用如权利要求3至8任一项所述的水喷淋换热装置的换热系统，其特征在于，包括多个沿竖直方向叠摞放置的所述换热装置本体，各所述换热装置本体的所述上水槽与所述第一循环泵之间并联设置，各所述排出管路相连通，各所述中间壳体内的所述换热管均并联至所述第二循环泵的出口处。
说明书全文	一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统技术领域 [0001] 本发明涉及换热设备领域，特别是涉及一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统。背景技术 [0002] 换热装置是一种在不同温度的介质之间实现热量传递的节能设备，能使热量由温度较高的介质传递给温度较低的介质，使工作介质的温度达到设定范围，提高能源利用率。随着科学技术的发展，换热装置作为进行介质热交换的专用设备，广泛应用于石油、化工、制冷、核电等工业领域。 [0003] 管式换热器是由两个直径不同的标准管道以同心圆方式套管连接而成，外面的管道称作壳程，里面的管道称作管程。两种不同流体分别在各自管道内流动(大部分都是逆流，同流也可以)，通过管壁进行热交换。其优点表面传热系数大，传热面积可根据需要增减应用方便，结构简易，能承受高压流体。缺点是换热装置不能根据工作情况的实际需要，方便地移动到不同位置；占地面积比较大，单位传热面所消耗的金属量大，成本也会随之增加。沉浸式蛇管换热器是将金属管道根据容器的形状绕成各种形状，管内通入热流体，沉浸在冷却液中进行冷却。根据不同应用场景，选择不同的蛇管结构。具有结构简单，便于防腐，并能承受高压的特点。但是它的管外流体的湍流程度低，表面传热系数较小，所以传热效率不高，管内易结垢且不易去除。基于上述换热装置存在的问题，水喷淋式换热器应运而生，它比沉浸式换热器耗水量更小换热效果更好；与套管式换热器相比，用的金属材料更少成本更低，占地面积也更小。并且水喷淋换热器更加环保，冷却水可以循环使用，不会对环境造成破坏。 [0004] 目前针对上述问题并没有较为系统的全面的解决方案，专利《一种具有自振功能的螺旋浮动蒸发器》(CN114353389B)通过在换热装置内部布置多个弹性螺旋管束，延长壳程流体在换热装置内部热交换时间，使壳程流体充分吸收热量，换热效果有所改善。此外，换热装置内部配合众多翅片，使得换热面积增大。但这种装置内部结构复杂，加工难度高；且占地面积大，导致壳程冷却液需求量大。公开专利《一种便携式弹性涡管换热器》(CN211261871U)通过利用振动实现了强化传热，涡管采用紫铜材料，不易发生破坏有利于延长使用的寿命，降低了噪声危害还能达到自动除水垢的作用。通过设置在各出入口上的法兰及连接管，能够实现多个换热器的单列/阵列式灵活组合安装。但该装置仅考虑到了换热系统，装置的可移动性以及耗水量考虑欠缺。发明内容 [0005] 本发明的目的是提供一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统，以解决上述现有技术存在的问题，换热介质溢出凹坑的四周边缘后，沿换热管本体的外表面流动，使得换热管本体的外表面形成液膜，且受凹坑存在的影响，与换热管本体接触的换热介质流动方向改变，其湍流程度比较大，可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种换热管，包括水平延伸的换热管本体，所述换热管本体内流通有一换热介质，且所述换热管本体放置于喷淋有另一换热介质的环境中，所述换热管本体的顶部表面上设有多个凹坑，所述凹坑的开口朝上设置，且各所述凹坑沿所述换热管本体延伸的方向等间隔分布。 [0007] 优选的，所述换热管本体呈竹节状结构并由多个分节依次连通形成，所述分节呈球形腔体状结构，且所述分节沿其轴线方向上的两端分别开设有通孔，相邻两所述分节之间通过所述通孔相连通，各所述凹坑对应分布在各所述分节上。 [0008] 还提供一种水喷淋换热装置，包括换热装置本体，所述换热装置本体包括上水槽和下水槽及连接在两者之间的中间壳体，所述上水槽连通有对其通入低温换热介质的第一供给机构，所述上水槽连通有多个朝下喷淋的喷头，所述中间壳体内设有多组串联的换热管，所述换热管连通有对其通入高温换热介质的第二供给机构，所述换热管位于所述喷头的下方，并整体位于所述喷头的喷淋范围内，所述下水槽的顶部开设有用于收集所述低温换热介质的收集口，所述下水槽的底部连通有排出管路。 [0009] 优选的，各所述换热管均平行分布，并沿竖直方向上分为多层，相邻两层之间的所述换热管沿竖直方向上交错分布。 [0010] 优选的，所述中间壳体内成对设有呈板状结构的支架，两所述支架沿所述换热管延伸的方向对称分布，所述换热管的首尾分别穿过对应的所述支架。 [0011] 优选的，所述换热管的首尾两端均连通有直管段，两所述支架上分别开设有供各所述直管段插接穿过的安装孔。 [0012] 优选的，沿所述高温换热介质流动的方向上相邻两所述换热管之间连通有U型弯管，所述U型弯管位于所述支架远离所述换热管的一侧，所述U型弯管的两端开口与对应的所述直管段之间设有连接法兰。 [0013] 优选的，所述第一供给机构包括储存所述低温换热介质的第一储存机构，所述上水槽呈封闭腔体结构，且所述第一储存机构与所述上水槽之间连通有第一循环泵。 [0014] 优选的，所述第二供给机构包括储存所述高温换热介质的第二储存机构，所述第二储存机构的出口处设有第二循环泵，所述第二循环泵与底层的所述换热管相连通，所述高温换热介质自下至上传输。 [0015] 还提供一种换热系统，包括多个沿竖直方向叠摞放置的所述换热装置本体，各所述换热装置本体的所述上水槽与所述第一循环泵之间并联设置，各所述排出管路相连通，各所述中间壳体内的所述换热管均并联至所述第二循环泵的出口处。 [0016] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果： [0017] 由于在换热管本体的顶部表面开设凹坑，其处于喷淋换热介质的环境中后，使得换热介质喷淋下来后能够在换热管本体的顶部表面停留的时间更长，进而换热介质溢出凹坑的四周边缘后，沿换热管本体的外表面流动，使得换热管本体的外表面形成液膜，且受凹坑存在的影响，与换热管本体接触的换热介质流动方向改变，其湍流程度比较大，可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0019] 图1为本发明整个装置结构示意图； [0020] 图2为本发明单个换热管结构示意图 [0021] 图3为本发明多个换热管串联结构示意图； [0022] 图4为本发明万向轮结构示意图； [0023] 图5为本发明第一循环泵固定结构示意图 [0024] 图6为本发明支架结构示意图； [0025] 其中，1‑壳程入口管、2‑第一循环泵、3‑壳程入口分流管、4‑上水槽、5‑喷头、6‑竹形凹管、7‑中间壳体、8‑下水槽、9‑壳程出口汇流管、10‑管程入口分流管、11‑法兰盘、12‑垫片、13‑U型弯管、14‑螺栓、15‑螺母、16‑管程出口汇流管、17‑支架、18‑安装板、19‑支撑板、20‑万向轮、21‑车轮、22‑固定片支架、23‑双头螺柱。具体实施方式 [0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0027] 本发明的目的是提供一种换热管及其水喷淋换热装置和换热系统，以解决上述现有技术存在的问题，换热介质溢出凹坑的四周边缘后，沿换热管本体的外表面流动，使得换热管本体的外表面形成液膜，且受凹坑存在的影响，与换热管本体接触的换热介质流动方向改变，其湍流程度比较大，可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。 [0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0029] 如图1至图6所示，本实施例提供一种换热管，包括水平延伸的换热管本体6，优选的换热管本体6采用铜制作而成，换热管本体6内流通有一换热介质，且换热管本体6放置于喷淋有另一换热介质的环境中，换热管本体6的顶部表面上设有多个凹坑，凹坑的开口朝上设置，且各凹坑沿换热管本体6延伸的方向等间隔分布，由于在换热管本体6的顶部表面开设凹坑，其处于喷淋换热介质的环境中后，使得换热介质喷淋下来后能够在换热管本体6的顶部表面停留的时间更长，进而换热介质溢出凹坑的四周边缘后，沿换热管本体6的外表面流动，使得换热管本体6的外表面形成液膜，且受凹坑存在的影响，与换热管本体6接触的换热介质流动方向改变，其湍流程度比较大，可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。 [0030] 作为本发明优选的实施方式，换热管本体6呈竹节状结构并由多个分节依次连通形成，分节呈球形腔体状结构，且分节沿其轴线方向上的两端分别开设有通孔，相邻两分节之间通过通孔相连通，各凹坑对应分布在各分节上，与传统铜管相比，换热管本体6的竹节状结构其传热面积更大，传热效果更好。以解决传统换热装置存在换热效果差、空间利用率低、加工难度高等问题。 [0031] 还提供一种水喷淋换热装置，包括换热装置本体，换热装置本体包括上水槽4和下水槽8及连接在两者之间的中间壳体7，上水槽4连通有对其通入低温换热介质的第一供给机构，上水槽4连通有多个朝下喷淋的喷头5，中间壳体7内设有多组串联的换热管，中间壳体7内部拥有63个换热管本体6，此外换热管本体6串并联的连接方式，使得内部管束紧密贴合、内部结构更加紧凑。并且该换热装置多为立式，比其它换热器的占地面积小，充分利用空间。换热管连通有对其通入高温换热介质的第二供给机构，换热管位于喷头5的下方，并整体位于喷头5的喷淋范围内，下水槽8的顶部开设有用于收集低温换热介质的收集口，下水槽8的底部连通有排出管路。换热管本体6内流高温热流体，低温冷流体从上方喷头5喷淋下来，如此进行冷却的。换热管本体6外表面形成液膜，它的湍流程度比较大可以增大管外传热系数，进而增大传热效果。而且作为优选的，整个装置大部分放置在室外空气流通处，低温冷流体的蒸发汽化也可以带走一部分热量，三重冷却，效果更好。而且，整个装置结构简单，进而可以减少设计成本和维修费，并且用水量少，在换热量相同的情况下，耗水量是沉浸式换热器的一半，采用的低温换热介质可重复使用，环保不危害环境。 [0032] 而且，各换热管均平行分布，并沿竖直方向上分为多层，相邻两层之间的换热管沿竖直方向上交错分布，一方面，错开排列，空间利用率高，另一方面，使换热介质喷淋下来能够均匀分散在各个换热管本体6的上表面上，并在上表面停留的时间更长，与传统铜管相比，它的传热面积更大，传热效果更好。 [0033] 作为优选的，中间壳体7内成对设有呈板状结构的支架17，两支架17沿换热管延伸的方向对称分布，换热管的首尾分别穿过对应的支架17，支架17用来承载换热管，支架17上部和下部分别于与上水槽4、下水槽8通过焊接连接。其中，换热管的首尾两端均连通有直管段，两支架17上分别开设有供各直管段插接穿过的安装孔，以方便换热管与支架17的安装，且保证换热管的稳定性。 [0034] 进一步的，沿高温换热介质流动的方向上相邻两换热管之间连通有U型弯管13，U型弯管13位于支架17远离换热管的一侧，U型弯管13的两端开口与对应的直管段之间设有连接法兰。换热管由换热管本体6、法兰盘11、U型弯管1312次串联组成，换热管共有9个，分为3组均布在中间壳体7的上中下三部分，每个换热管由7个换热管本体6和6个U型弯管13串联组成。换热管本体6和U型弯管13之间通过法兰盘11由螺栓14与螺母15连结，有利于保证换热装置的可靠性。换热管本体6、U型弯管13在中间壳体7内部串并联组合，延长了管程流体的流动路径，增加了冷热流体间的热交换时间，提高整个换热装置的整体传热性能。换热管本体6和个U型弯管13均采用铜为材料，有利于延长使用寿命，降低噪声危害。 [0035] 其中，第一供给机构包括储存低温换热介质的第一储存机构，上水槽4呈封闭腔体结构，且第一储存机构与上水槽4之间连通有第一循环泵2，通过第一循环泵2将低温换热介质泵入上水槽4中，进而通过喷头5进行喷淋。优选的，第一循环泵2与固定片支架22之间由双头螺柱23和垫片12通过螺母15连接，以保证装置的可拆性及连接的可靠性。 [0036] 而且，第二供给机构包括储存高温换热介质的第二储存机构，第二储存机构的出口处设有第二循环泵，第二循环泵与底层的换热管相连通，高温换热介质自下至上传输，以完成换热管内高温换热介质的传输，进而与低温换热介质进行换热。 [0037] 整个装置的使用过程如下： [0038] 强化传热：该装置工作时，高温换热介质由管程入口分流管10流入，管程出口汇流管16流出；低温换热介质由壳程入口分流管3流入，然后从壳程出口汇流管9流出。实现低温换热介质(壳程流体)与高温换热介质(管程流体)交叉流动，进而实现强化传热的效果。 [0039] 壳程：低温换热介质经过壳程入口管1流入第一循环泵2内，第一循环泵2把流入的低温换热介质提升至管壳程入口分流管3，而后经过上水槽4流经喷头5，利用喷头5直接将低温换热介质喷淋在换热管本体6外壁上与管内的高温换热介质进行热交换，流经换热管本体6外壁的低温换热介质汇聚在下水槽8中，最终经壳程出口汇流管9流出高温热流体。 [0040] 管程：高温换热介质从管程入口分流管10流入，流经换热管本体6、U型弯管13，最终通过流入多排串并联组合换热管本体6，与壳体内低温换热介质对流换热后，从管程出口汇流管16流出低温换热介质。 [0041] 进一步的，还提供一种换热系统，包括多个沿竖直方向叠摞放置的换热装置本体，各换热装置本体的上水槽4与第一循环泵2之间并联设置，各排出管路相连通，各中间壳体7内的换热管均并联至第二循环泵的出口处。具体的，各上水槽4的侧面开有1个孔用以连接壳程入口分流管3，底部开有8个孔用以连接喷头5。中间壳体7用来容纳蛇管，是冷热流体进行热交换的位置，其左右两侧面各开有1孔，分别与管程入口分流管10、管程出口汇流管16相连。下水槽8用来收集喷淋下来的高温热流体并排出，故其侧面开有1个孔与壳程出口汇流管9相连。 [0042] 作为优选的，最底部的换热装置本体设有万向轮20，以支撑其移动，万向轮20由安装板18、支撑板19、车轮21组成，安装板18与支撑板19之间、支撑板19和车轮21之间均由螺栓14和螺母15通过螺纹连接，有利于保证连接的可靠性。万向轮20与换热装置本体之间的连接通过安装板18与下水槽8底面焊接而成。整个装置可以自由移动，这一设计不仅打破了传统换热装置在移动方面的局限性，同时也显著提高了设备使用的便捷性和灵活性，以实现更高效的工作流程。该换热装置的移动性能强，可根据工作情况的实际需要，方便地移动到不同位置，以实现更高效的工作流程。 [0043] 根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。 [0044] 需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 [0045] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。