CN101619942A - 一种多层泡沫金属管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有管壳式换热器传热效率低、体积大、金属耗量多等问题，公开了一种利用多层泡沫金属作为扩展传热面的泡沫金属管壳式换热器，它通过在壳体中的换热管管外缠绕多层连续化带状泡沫金属芯材和换热管管内填充多层连续化带状泡沫金属芯材的方法提高了管壳式换热器管内外换热性能，省去了传统管壳式换热器的折流板，增大了管壳式换热器的换热面积，参与传热的冷、热流体流经多层泡沫金属芯材的泡沫金属通道，使得管壳式换热器在获得相同换热效果的前提下传热效率更高、体积更小、金属耗量更少。

Description

一种多层泡沫金属管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种广泛用于工业设备的管壳式换热器，具体涉及一种多层泡沫金属管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业领域，其用量占全部换热器用量的70％。由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，随着紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等换热器的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型的换热器所取代。但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，是其它高效换热器所不能替代的，它的产量至今仍占统治地位。为了提高管壳式换热器的换热能力，目前常用的强化方法是采用各种形式的强化管或管外采取改变支撑结构来进行，但增加了流体流动阻力，加大了制造成本。因此急需寻求一种更有效的强化传热方式，以提高管壳式换热器的传热效率，降低换热器的体积、材料用量和制造成本。

泡沫金属作为一种单位体积内的表面积很大(可达2000-10000m²/m³)、密度小(是固体材料的2％-25％)的多孔材料，它的应用可提供一种新的解决方案。泡沫金属是由刚性骨架和内部孔洞组成的，具有优异的物理性能和良好机械性能的新型材料。它具有很大比表面积和良好的流通性能，使得流体从泡沫金属中通过时有着极大的热交换面积，而且金属材料良好的导热性能使得温度更能均匀地分布，因此泡沫金属是一种优良的强化传热材料。在管壳式换热器管内外设置泡沫金属可以有效增大换热管的换热面积，强化管内外传热。

经对现有技术的文献检索发现，目前用泡沫金属材料实现换热器强化已有相关专利，如申请号为200610104597.X、名称为“一种套管式金属泡沫换热器”的专利和申请号为200810033289.1、名称为“内衬泡沫金属换热器”的专利，主要针对套管式换热器，并且泡沫金属与换热管的连接方式都是通过金属粉末烧结、电镀或熔模浇注(渗流)等方法覆盖在内管内表面以及外管与内管之间的区域上，上述加工方法加工要求高，难度大，且对于管壳式换热器，需要的换热管子根数多、直径大，如果采用上述方法，不仅会耗费大量的工时，影响产品的生产周期而且生产成本高，影响在市场的推广应用。根据市场调研得知，目前市场上主要泡沫金属产品的厚度受生产工艺的影响都在1-10mm内，这一缺陷限制了泡沫金属在大直径换热管中的应用，虽然市场上也出现了超厚泡沫金属，最大厚度达到70mm，但是超厚泡沫金属不仅造价高昂，也不能满足大直径换热管的需要。

针对上述换热器制造过程中的缺点和困难，本发明提供了一种多层泡沫金属管壳式换热器，其泡沫金属材料采用连续化带状泡沫金属材料卷制而成泡沫金属芯材，解决了泡沫金属厚度对于其应用范围的限制，降低了制造成本。所提供的多层泡沫金属芯材可根据管壳式换热器壳体和换热管的尺寸进行卷制。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种多层泡沫金属管壳式换热器，使其通过管内、管外填充泡沫金属的方式，提高管内、管外换热系数，大幅度扩展传热面积，解决现有设备换热效率低、体积大、金属耗量多的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：换热器壳体、换热管和泡沫金属芯材，泡沫金属芯材填充在换热管外侧和管内侧，并起到支撑作用，省去了传统管壳式换热器的折流板，泡沫金属芯材内部有供气体或液体介质流动的孔洞。

所述的换热器壳体可以由钢、钛、铝、石墨、搪瓷或其他材料制成。

所述的换热管的材料可以是钢、铜、铝等金属材料或石墨、工程塑料等非金属材料。换热管的形状可以是光管或强化管，强化管可以是螺旋槽纹管、横纹槽管、旋流管、波纹管、螺旋扁管等其他形式的强化管。管的直径范围5mm-76mm，管壁厚0.2mm-6mm，多根规格相同的换热管成正方形或正三角形平行分布。

所述的泡沫金属芯材采用生产工艺成熟、价格低廉的连续化带状泡沫金属材料制作，根据换热介质的种类和换热管的尺寸选择泡沫金属的基材材质、标称孔数和厚度，卷制不同层数的连续化带状泡沫金属芯材，泡沫金属材料为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫镍合金、泡沫铜合金或其他金属，孔径为0.05mm-6mm。

本发明具有显著的优点和积极的效果。由于泡沫金属结构、性能的独特性，这种换热器极大地满足了传热要求，传热效果可以明显优于现有的管壳式换热器，从而使得整个管壳式换热器在取得相同换热量的条件下所需的换热管子数量大大减少，从而减小管壳式换热器体积和重量，节约大量的金属材料，降低整个管壳式换热器的体积和重量，经初步计算管壳式换热器体积和用料均可减小40-60％。

附图说明

图1是传统的管壳式换热器，主要由壳体1、换热管2和折流板3组成，折流板3主要起加强管外流体的扰动和支撑作用。换热器强化可以采用管内强化和管外强化，管内强化可以采用强化管或管内加扰流子，强化管可以是螺旋槽纹管、横纹槽管、旋流管、波纹管、螺旋扁管等其他形式的强化管。管外强化可以采用改变壳程挡板结构、改变管束支承结构等来进行，目的都是强化管内外传热效果。

图2是本发明多层泡沫金属管壳式换热器的结构示意图。图中1为换热器壳体，2为换热管。

图3是典型的连续化带状泡沫金属芯材结构示意图，其中图3a为填充在换热管外侧的多层连续化带状泡沫金属芯材结构示意图，图3b为填充在换热管内侧的多层连续化带状泡沫金属芯材结构示意图。

图4是多层泡沫金属管壳式换热器截面示意图，图中1为换热器壳体、2为换热管、4为缠绕在换热管外侧的多层连续化带状泡沫金属芯材结构示意图、5为填充在换热管内侧的多层连续化带状泡沫金属芯材结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，实例仅为参考和说明之用，并非用来对本发明的应用范围加以限制。

如图2-4所示，本发明多层泡沫金属管壳式换热器，包括换热器壳体1、换热管2、缠绕在换热管外侧的多层连续化带状泡沫金属芯材4和填充在换热管内侧的多层连续化带状泡沫金属芯材5，泡沫金属芯材以增加传热面积，增大流体的扰动，泡沫金属芯材内部有供气体或液体介质流动的孔洞，泡沫金属芯材的孔洞直径为0.05-6mm。换热管2外没有缠绕泡沫金属芯材的部分也作为管外流体的流动通道，以减小管外流体流动的阻力。

上述泡沫金属芯材具有优异的物理性能和良好的机械性能。它具有很大比表面积和良好的流通性能，使得流体从泡沫金属中通过时有着极大的热交换面积，而且金属材料良好的导热性能使得温度更能均匀地分布，从而使换热器管内外流体间的换热效率大大提高。

下面介绍制作如图4所示多层泡沫金属管壳式换热器的具体实施方式：

按换热管尺寸卷制泡沫金属芯材4和5，并对侧边进行点焊固定，切割好长度与换热管2长度相同的适合尺寸的泡沫金属芯材4和5，必要时可对多层泡沫金属芯材两端进行点焊定型。固定换热管2，将多层泡沫金属芯材4套在换热管2外壁面上。将多层泡沫金属芯材5沿管的轴线方向推入换热管2，也可以使用金属丝来拉拽多层泡沫金属5使其完全置于换热管内，并于内壁紧密结合，达到增强换热效果的目的即可。

本发明未涉及部分如泡沫金属的制造以及换热器的具体结构等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

本发明的多层泡沫金属管壳式换热器最好用于洁净流体的热交换，以保证流体不会对泡沫金属中的孔洞造成堵塞，或增加具体手段保证泡沫金属中的孔洞不会造成堵塞。

Claims (6)

1、一种多层泡沫金属管壳式换热器，包括壳体和设置在壳体内的换热管，其特征在于，所述的换热管管内填充多层连续化带状泡沫金属芯材、换热管管外缠绕多层连续化带状泡沫金属芯材，所述的泡沫金属芯材内部有供气体或液体介质流通的孔洞。

2、根据权利要求1所述的一种多层泡沫金属管壳式换热器，其特征在于，所述的换热管的材料可以是钢、铜、铝等金属材料或石墨、工程塑料等非金属材料。

3、根据权利要求1和2所述的一种多层泡沫金属管壳式换热器，其特征在于，换热管的形状可以是光管或强化管，强化管可以是螺旋槽纹管、横纹槽管、旋流管、波纹管、螺旋扁管等其他形式的强化管。管的直径范围5mm-76mm，管壁厚0.2mm-6mm，多根规格相同的换热管成正方形或正三角形平行分布。

4、根据权利要求1所述的一种多层泡沫金属管壳式换热器，其特征在于，泡沫金属是不同层数的连续化带状泡沫金属芯材。

5、根据权利要求1和4所述的一种多层泡沫金属管壳式换热器，其特征在于，所述的泡沫金属孔洞直径为0.05mm-6mm。

6、根据权利要求1所述的一种多层泡沫金属管壳式换热器，其特征在于，所述的泡沫金属材料为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫镍合金、泡沫铜合金或其他金属。

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