CN107270745A - 气体双涡旋换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体双涡旋换热装置，包括内管状腔体和外管状腔体，所述内管状腔体由上部的涡旋增压进气腔体、中部的高速直喷腔体以及下部的增压排气腔体一体构成；所述涡旋增压进气腔体为中空的圆柱状结构；所述高速直喷腔体为中空的管状结构；所述增压排气腔体为中空的圆柱状结构；且涡旋增压进气腔体和增压排气腔体的内径均大于高速直喷腔体的内管径；所述内管状腔体的进气开口对应开设于外管状腔体进气口中线延长线在内管状腔体侧壁的切线位置；所述增压排气腔体的下部侧壁沿侧壁双向对称切线位置开设有2个出气开口；本发明可针对高含水量气体进行热交换工作，其具有换热量大，低气体吸收，换热效率高，低气体阻力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体热交换装置，具体涉及气体双涡旋换热装置。
背景技术
本装置应用于气体分析或过程控制领域，对气体进行换热降温；各种过程气体或环境气体中均含有一定比例的水分子，当温度由高温迅速降低至低温时，气体中的水分子将快速饱和并凝结为液态，利用换热装置可将气体中的水分子快速饱和凝结并排出；通过换热温度的设定不同，可将气体中水分子比例控制在一定数值内，进而可以得到设定露点温度的气体。
目前，同类换热装置主要分为射流型热交换装置及内盘管型热交换装置。
射流型热交换装置采用一组内外不连通的腔体设计，共分为顶部加速腔体，中间直通腔体，外部换热腔体及真空隔温腔体四部分；降温外壳包裹外部腔体；热交换过程为，高温气体经由顶部预先冷却腔体减速后，进入中间隔热腔体至隔热腔体底部，由隔热腔体底部外侧开口反弹后沿外部腔体侧壁直线向上，利用包裹外部腔体的降温外壳提供低温，在外部腔体处进行热交换，冷凝后的液态水经由外部腔体底部排液口排出；该装置出现在上世纪末期，主要为欧洲公司所应用，该技术特点为吸收率低，换热效率高，设备体积小，气体阻力小，但受限制于整体体积大小及气体反弹后射流向上原理限制，不能应用于气体流量大，即换热量大的领域，主要应用于小流量换热领域。
内盘管型热交换装置，是最为原始的热交换装置，多数采用单一腔体设计，伴随加工技术的进步，目前也有使用双腔体设计的内盘管型热交换装置出现；气体经由顶部连接管直接进入盘管(长度约为实际热交换腔体的5-10倍)，气体沿盘管向下运动至底部，排液口同样设置在底部，外腔体为换热腔体，气体运动至底部后，沿外腔体壁向上运动，由于内外腔体之间无隔绝，气体向上运动过程中容易产生紊流及乱流现象，热交换效率很低，如遇有溶解于液体的气体组份极容易被吸收；后期出现带有隔绝腔体设计的热交换技术，隔绝腔采用夹套形式，内部充有冷凝液(防冻液)，用来提高气体进入时沿盘管运动过程中的热交换效率，但同样存在热交换效率低，冷凝控制不准确，气体组份容易吸收的情况；其特点为，制造成本低廉，由于热交换过程由盘管长度决定，故该装置可做到换热量大；但换热效率低，吸收率极高，气体阻力大，内部容易出现紊流或乱流，气体换热段不统一，换热过程混乱，设备体积大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了气体双涡旋换热装置，其可针对高含水量气体，具有换热量大，低气体吸收，换热效率高，低气体阻力的优点。
本发明的气体双涡旋换热装置，包括内管状腔体和外管状腔体，内管状腔体容置于外管状腔体内，内管状腔体上部侧壁设有进气开口，外管状腔体对应位置设有进气口，该进气口向内延伸连通于内管状腔体的进气开口处，将内管状腔体悬空固定于外管状腔体内，内管状腔体下部侧壁开设有至少一个出气开口，外管状腔体相对进气口的另一侧侧壁上设有出气口，外管状腔体下底壁设有冷凝排液口，利用离心力及重力原理，热交换后产生的冷凝液体将顺着外管状腔体内侧壁垂直向下由冷凝排液口排出；
所述内管状腔体由上部的涡旋增压进气腔体、中部的高速直喷腔体以及下部的增压排气腔体一体构成；所述涡旋增压进气腔体为中空的圆柱状结构；所述高速直喷腔体为中空的管状结构；所述增压排气腔体为中空的圆柱状结构；且涡旋增压进气腔体和增压排气腔体的内径均大于高速直喷腔体的内管径，其目的是使进气在涡旋增压进气腔体内进行增压，气体在这一腔体内开始进行热交换过程中的预降温，然后由于高速直喷腔体的内管径小，由涡旋增压进气腔体进入高速直喷腔体的气体会加速通过高速直喷腔体，当高速气体进入增压排气腔体时，由于增压排气腔体的内径大于高速直喷腔体的内管径，高速气体在此处再次进行增压，然后由至少一个出气开口高速喷出；
所述内管状腔体的进气开口对应开设于外管状腔体进气口中线延长线在内管状腔体侧壁的切线位置，以便进气由外管状腔体的进气口进入内管状腔体的进气开口后，沿着涡旋增压进气腔体的圆柱体结构的侧壁螺旋向下移动，由于压力差，旋转过程中，气体将产生一定的向下压力及离心旋转力，使得气体加速向下运动，快速通过顶部腔体；
所述增压排气腔体的下部侧壁沿侧壁双向对称切线位置开设有2个出气开口，高速气体进入增压排气腔体后，由于增压排气腔体底部为封闭状态，并且腔体采用圆柱形结构，高速气体将在这一空间内积攒较大压力，高速气体将由该2个出气开口喷出，增压排气腔体与高速直喷腔体由于内径不同，增压排气腔体内径大于高速直喷腔体内管径，由此由上至下构成扩散口结构设计，此设计可将高速气体较为均匀的分布于增压排气腔体的圆柱体结构内，并产生一定的气体向上旋转效果；当经过两次增压后的气体由增压排气腔体切线方向的出气开口喷出时，由于外管状腔体内壁同样为圆柱体，气体将沿外管状腔体内壁进行再次加速旋转，在旋转过程中，由于热交换出口位于外管状腔体上部，气体将沿外管状腔体壁进行盘旋向上运动，实际换热距离为外部腔体圆柱体螺旋向上的距离总和，既保持了内盘管型热交换装置换热面积大的优点，又避免了内盘管型热交换装置产生紊流及乱流现象。
所述内管状腔体的涡旋增压进气腔体外侧壁、高速直喷腔体外侧壁以及增压排气腔体的外侧壁的外径一致，外管状腔体的内侧壁由上至下的内径一致，且内管状腔体和外管状腔体同轴，气体在换热过程中，内外管状腔体之间的空间厚度保持一致，可有效降低气体螺旋上升的阻力。
所述高速直喷腔体的侧壁为真空隔热夹套腔体结构，有效避免气体在内管状腔体内部就与外管状腔体进行热量交换，避免冷凝液体在内管状腔体内留存，从而降低换热效率，避免换热样品组份的损失。
所述内管状腔体外顶壁与外管状腔体内顶壁相邻接，之间的空间夹层增加了气体的热交换面积，同时避免了刚进入内管状腔体的气体之间与外管状腔体进行热交换，杜绝了冷凝液体在内管状腔体内的产生。
所述外管状腔体的进气口、出气口以及冷凝排液口外管壁上分别设有内凹环槽，以便使套接的软管连接更稳固。
工作原理
当气体进入外管状腔体的进气口后，沿涡旋增压进气腔体切线方向进入，气体将沿涡旋增压进气腔体的中空的圆柱体结构内壁旋转，气体在这一腔体内开始进行热交换过程中的预降温，由于压力差，旋转过程中，气体将产生一定的向下压力及离心旋转力，使得气体加速向下运动，快速通过涡旋增压进气腔体，进入高速直喷腔体；
高速直喷腔体为管状结构，经由顶部涡旋增压进气腔体涡旋增压后的气体将高速通过高速直喷腔体，进入增压排气腔体，高速直喷腔体采用真空隔热夹套腔体结构，有效避免内管状腔体与外管状腔体进行热量交换；
高速气体进入增压排气腔体后，由于增压排气腔体底部为封闭状态并采用中空的圆柱体结构，气体将在这一空间内积攒较大压力，在增压排气腔体下部，沿双向对称切线位置设置2个出气开口，气体将由该出气开口流出，增压排气腔体与高速直喷腔体连接处为扩散口结构，可将气体较为均匀的分布于中空的圆柱体内，并产生一定的旋转效果；
当气体经过两次增压后喷出至外管状腔体内壁时，由于外管状腔体内壁同样为中空的圆柱体结构，气体将沿外管状腔体内壁的中空的圆柱体结构进行再次加速旋转，在旋转过程中，由于热交换出气口位于外管状腔体上部，气体将沿外管状腔体内壁的中空的圆柱体结构进行盘旋向上运动，有利于气体高速运动离开气体双涡旋换热装置，实际换热距离为外管状腔体的中空的圆柱体螺旋向上的距离总和；换热过程内管状腔体和外管状腔体之间的空间厚度一致，可有效降低气体阻力；利用离心力及重力原理，热交换后产生的冷凝液体将垂直向下由冷凝排液口排出。
有益效果
本发明可针对高含水量气体进行热交换工作，其具有换热量大，低气体吸收，换热效率高，低气体阻力的优点。
附图说明
图1是本发明的整体侧视结构示意图。
图2是本发明的整体正视结构示意图。
图3是图1的A-A向剖面结构示意图。
图4是图2的B-B向剖面结构示意图。
图5是图3的C-C向剖面结构示意图。
图6是图3的局部放大剖面结构示意图。
具体实施方式
参见图1-6所示，气体双涡旋换热装置，包括内管状腔体1和外管状腔体2，内管状腔体1容置于外管状腔体2内，内管状腔体1上部侧壁设有进气开口11，外管状腔体2对应位置设有进气口21，该进气口21向内延伸连通于内管状腔体1的进气开口11处，将内管状腔体1悬空固定于外管状腔体2内，内管状腔体1下部侧壁开设有2个出气开口12，外管状腔体2相对进气口21的另一侧侧壁上设有出气口22，外管状腔体2下底壁设有冷凝排液口23；
所述内管状腔体1由上部的涡旋增压进气腔体13、中部的高速直喷腔体14以及下部的增压排气腔体15一体构成；所述涡旋增压进气腔体13为中空的圆柱状结构；所述高速直喷腔体14为中空的管状结构；所述增压排气腔体15为中空的圆柱状结构；且涡旋增压进气腔体13和增压排气腔体15的内径均大于高速直喷腔体14的内管径；
所述内管状腔体1的进气开口11对应开设于外管状腔体2进气口21中线延长线在内管状腔体1侧壁的切线位置；
所述增压排气腔体15的下部侧壁沿侧壁双向对称切线位置开设有2个出气开口12。
所述内管状腔体1的涡旋增压进气腔体13外侧壁、高速直喷腔体14外侧壁以及增压排气腔体15的外侧壁的外径一致，外管状腔体2的内侧壁由上至下的内径一致，且内管状腔体1和外管状腔体2同轴。
所述高速直喷腔体14的侧壁为真空隔热夹套腔体结构。
所述内管状腔体1外顶壁与外管状腔体2内顶壁相邻接。
所述外管状腔体2的进气口21、出气口22以及冷凝排液口23外管壁上分别设有内凹环槽3。
本发明与现有技术装置的露点温度和溶解率参数对比表：
本发明可使现有的气体换热技术在有限的空间内，有效提升热交换效率；以25℃环境温度，将热交换腔体外壁使用5℃腔体包裹，在出口处50cm处检测露点温度，25℃环境温度的气体，通入可溶解于水的SO2气体进行测试，测试溶解率。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.气体双涡旋换热装置，包括内管状腔体(1)和外管状腔体(2)，内管状腔体(1)容置于外管状腔体(2)内，内管状腔体(1)上部侧壁设有进气开口(11)，外管状腔体(2)对应位置设有进气口(21)，该进气口(21)向内延伸连通于内管状腔体(1)的进气开口(11)处，将内管状腔体(1)悬空固定于外管状腔体(2)内，内管状腔体(1)下部侧壁开设有2个出气开口(12)，外管状腔体(2)相对进气口(21)的另一侧侧壁上设有出气口(22)，外管状腔体(2)下底壁设有冷凝排液口(23)；其特征在于：
所述内管状腔体(1)由上部的涡旋增压进气腔体(13)、中部的高速直喷腔体(14)以及下部的增压排气腔体(15)一体构成；
所述涡旋增压进气腔体(13)为中空的圆柱状结构；
所述高速直喷腔体(14)为中空的管状结构；
所述增压排气腔体(15)为中空的圆柱状结构；
且涡旋增压进气腔体(13)和增压排气腔体(15)的内径均大于高速直喷腔体(14)的内管径；
所述内管状腔体(1)的进气开口(11)对应开设于外管状腔体(2)进气口(21)中线延长线在内管状腔体(1)侧壁的切线位置；
所述增压排气腔体(15)的下部侧壁沿侧壁双向对称切线位置开设有2个出气开口(12)。
2.根据权利要求1所述的气体双涡旋换热装置，其特征在于：所述内管状腔体(1)的涡旋增压进气腔体(13)外侧壁、高速直喷腔体(14)外侧壁以及增压排气腔体(15)的外侧壁的外径一致，外管状腔体(2)的内侧壁由上至下的内径一致，且内管状腔体(1)和外管状腔体(2)同轴。
3.根据权利要求1所述的气体双涡旋换热装置，其特征在于：所述高速直喷腔体(14)的侧壁为真空隔热夹套腔体结构。
4.根据权利要求1所述的气体双涡旋换热装置，其特征在于：所述内管状腔体(1)外顶壁与外管状腔体(2)内顶壁相邻接。
5.根据权利要求1所述的气体双涡旋换热装置，其特征在于：所述外管状腔体(2)的进气口(21)、出气口(22)以及冷凝排液口(23)外管壁上分别设有内凹环槽(3)。
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