CN1120657A - 热交换盘管组件及其复合结构 - Google Patents

Abstract

多个各具有不同盘绕直径的热交换盘管设置在位于进口管的进口侧的集流管与位于出口管的出口侧上的集流管之间以使两集流管相互间连通，以及还设有一组热交换盘管，每一热交换盘管都被另一具有更大直径的热交换盘管所包围。

Description

热交换盘管组件及其复合结构

本发明涉及一热交换盘管组件及其复合结构，尤其涉及一在热交换器壳体内容纳的热交换媒质和一盘管内流动的热交换媒质之间具有热量交换的热交换盘管组件及其复合结构。

一般来说，热交换器是以管子***或一板件***为基的，而基于管子***的热交换器是用在需要耐压的情况下。另外还有各种型式的基于管子***的热交换器，例如基于盘管***或一多管道***的热交换器。这些热交换器中，一种基于盘管***的热交换器由于其结构简单因而广泛地用于各种用途，但是其传热面积相对于箱体容量比较小，因此它用作具有相当小容量的热交换器。

图16示出一种传统型式的以盘管***为基础的热交换器。一种以螺旋形式盘绕在一热交换管上的热交换器盘管101设置在壳体部分104中，而一进口管102和一出口管103设在盘管101的两边缘。一种热交换媒质，例如一种液体或气体通过进入管102被引入壳体部分104、流过热交换盘管101并通过出口管103排离壳体部分104。而主要地是在热交换煤质流经盘管101时，热交换是通过盘管壁在盘管101内的热交换媒质和壳体部分1中的热交换媒质之间实现的。

为了实现较大数量的热交换和加强在这种基于如上所述的盘管***的热交换器中的热交换的能力，就需要通过增加盘管101中的圈数使传热面积增加。然而，在这种情况时，由于管道的摩擦阻力使压头损失变大，因而要求使在负荷侧的泵的工作能力较大以使流量保持在一个规定的水平上。

另一方面，还可用如图18所示的装置来实现较大数量的热交换。即是说，在热交换媒质入口侧及在热交换媒质出口侧上分别设有集流管105和106，而多根用于热交换盘管101的进管102以及出口管103分别连接于集流管105和106。然而在这种情况时，正如从图中清楚地看到的那样，壳体部分的容量变得较大，而效率并不是始终理想的。用于热交换器的安装空间也就不可避免地变得较大。

图19是图示出一个U形热交换器的纵剖视图，它是一种多管热交换器。这种U形型式的热交换器包括多根U形管109，每根U形管分别具有不同的长度，它们设置在壳体部分107内。每根U形管109由在壳体部107上的支撑金属件110支承，而在进口和出口侧边缘部分被固定在一集流管固定板108上。

一种热交换媒质从一入口111流进壳体部分107中而从出口112流出。另一种热交换媒质从一进口113流入进口侧的集流管114中，并流经多个U形管109，进入出口侧上的集流管115并从出口116流出。而当所述另一种热交换媒质在U形管109中流动时它便与在壳体107中的一种热交换媒质交换热量。

由于多根U形管109用在上述的U形热交换器中，传热面积就大，从而U形热交换器可用作具有大容量或大规模操作性能的热交换器，例如用在原子动力发生设备或类似装置中。

然而，在这种热交换器中，各根U形管109的长度是不同的，从而，由于在各U形管109中的摩擦阻力的不同，压头的损失在管与管之间都是不同的，并且因此在各U形管109中流动的热交换媒质的流速或流量不可能保持在一恒定水平上。结果是，在各U形管109中所产生的热应力就变得不均匀，并且变形或裂纹容易发生在某些U形管中。

另外，U形管109具有一直线部分和一弯曲部分，这样使这两部分之间的变形差别变大，这就常常会产生断裂。

再有，在固定在集流管固定板108上的U形管109的一边缘部分上的支承力与弯曲部分上的支承力是彼此不同的，这样就容易发生管子的振并且疲劳和裂纹就容易在由U形管和支承金属件110的接触部分上产生。

本发明的一个目的是提供一种热交换盘管组件及其复合结构，这种盘管组件和其复合结构可以在不使壳体部分容量增大的情况下增大热交换能力，并且可应用于具有大规模运行操作的热交换器上。

本发明的另一目的是提供一种热交换盘管组件及其复合结构，在这种盘管组件及其复合结构中，热交换能力可以不受壳体部分预定容量范围的限制。

本发明的再有的一个不同目的是提供一种热交换盘管组件及其复合结构，在这种盘管组件及其复合结构中，采用多个热交换盘管，但是在这些盘管中流动的热交换媒质的流量可以保持在一个恒定水平上。

为实现上述目的，本发明采用如下所述的装置。

本发明提供一种热交换盘管组件，它具有一第一集流管和一以与所述第一集流管离开一间距设置的第二集流管，以及多个热交换盘管，其中，每一盘管设置在第一集流管和第二集流管之间以使两集流管相互连通和具有不同的盘绕直径，并且包括一组热交换盘管，其中，每个热交换盘管分别被另一个具有更大盘绕直径的热交换盘管所包围。

另外，本发明提供一种热交换盘管组件，其中各根热交换盘管的长度基本相等。

还有，本发明提供一种热交换盘管组件，它具有一个用于将一种热交换媒质引入热交换器的壳体部分中的进口管，一个设在进口管的进口侧上的集流管2，一个用于将热交换媒质排离壳体部分的出口管，一个以与在进口侧集流管离开的一定间距的设在出口管的出口侧上的集流管，多个热交换盘管，它们设置在进口侧的集流管和出口侧的集流管之间以使两集流管彼此连通并有不同的盘绕直径，以及包括一组热交换盘管，其中，每一热交换盘管分别被另一具有更大盘绕直径的热交换盘管所包围。

此外，本发明提供一种热交换盘管组件，其中，每根热交换盘管具有基本上相等的长度。

另外，本发明提供一种热交换盘管组件，其中，进口管和出口管基本上相互平行地延伸，在进口侧上的集流管和在出口侧上的集流管基本上与进口管和出口管成直角并按进口管及出口管的轴线方向彼此间隔地设置。

本发明还提供这样一种热交换盘管组件，其中，进口管还是出口管都设置在具有最小盘绕直径的热交换盘管的盘绕直径的范围内。

本发明进一步提供一种热交换盘管组件，其中每根热交换盘管的盘绕直径是在由下式表示的范围内：

2D＋d≤盘绕直径≤(2D＋d)×n/1.5其中D为进口管及出口管的管径；d为盘管的管径，以及n为具有最小盘绕直径的盘管圈数。

本发明还提供一个含有多个热交换盘管组件1a的复合结构，其中，在各热交换盘管组件中的多热交换器盘管8a，8b组设置得使各个组具有一共同轴线，而在各热交换盘管组件中的进口管4a和出口管5a是在一热交换盘管组8b内延伸，而该热交换盘管组是设置在热交换盘管组件一侧上的全部热交换盘管组件1b内。

图1是示出本发明的第一实施例的平面视图；

图2是示出图1实施例的主剖视图；

图3是示出一进口管和出口管相对于一组热交换盘管布置的第一例子的视图；

图4是示出其布置的第二例子的视图；

图5是示出其布置的第三例子的视图；

图6是示出本发明的第二实施例的平面视图；

图7是示出图6实施例的主剖视图；

图8是示出本发明的第三实施例的平面视图；

图9是示出图8实施例的主视图；

图10是示出本发明的第四实施例的平面视图；

图11是示出图10实施例的主视图；

图12是示出进口管与出口管和圆形盘管之间的相互关系的视图；

图13是示出进口管与出口管和椭圆形盘管之间的相互关系的视图；

图14是示出一热水发生器的横剖视图，所述热水发生器是一种应用了本发明热交换盘管组件的热交换器；

图15是示出图14所示的热水发生器的垂直剖视图；

图16是一个传统型的热交换盘管例子的主视图；

图17是示出在图16的线17—17位置上所取的横剖视图；

图18是示出传统型的热交换盘管的另一个例子的平面视图；以及

图19是示出传统型的热交换盘管的又一个例子的横剖视图。

下面通过本发明的具体实施例并结合其有关附图来具体进行说明。

在图1和2所示的本发明第一实施例的热交换盘管组件中，构成任一第一集流管或第二集流管的进口侧上的集流管2是与进口管4的底边成直角即成L形设置的。在构成第一集流管或第二集流管的另一侧的出口侧上的集流管3与出口管5的底边也成直角即成U形设置的。

进口管4和出口管5相互平行地设置，而在进口侧上的集流管2和在出口侧上的集流管3按进口管4及出口管5的轴线方向相互间隔一距离设置。在进口侧的集流管2的周壁上有按轴线方向且以彼此间规定的间距设置的多个出口孔6。出口孔6的数目在本实施例中为4个。类似地，在出口侧集管3的周向壁上也以彼此规定的间距设有与流出孔数目相同的进口孔7。

一组热交换盘管8设置在进口侧上的集流管2和在出口侧上的集流管3之间。该组热交换盘管8包括多根圆形的热交换盘管9，每根盘管具有不同的盘绕直径。每根热交换器盘管9设置得使它们中的每一根都被具有更大盘绕直径的另一根热交换盘管9包围。在本实施例中，各根热交换盘管9具有一共同的轴线并同轴地设置。

另外，各根热交换盘管9的长度基本上相等。因而各根热交换盘管9的圈数从其内侧向外侧逐渐变得越来越少。

这种热交换盘管9本身是与传统型式的传热管相同的，并且是以螺旋形式盘绕的铜管、钢管式特种钢管等制成的。

各热交换盘管9的上、下边缘分别连接于出口侧的集流管3的进口孔7和进口侧的集流管2的流出孔6。尤其是，内部的热交换盘管9连接于在集流管2和3的底侧上的流出孔6和进口孔7，而外部的热交换盘管9连接于在集流管2和3的顶侧上的流出孔6和进口孔7。如上所述，在进口侧上的集流管2和在出口侧上的集流管3通过热交换盘管9相互连通。

在本实施例中，进口管4和出口管5两者都是位于具有比最小盘绕直径的热交换盘管9较小的直径范围内。因而进口管4伸入热交换器盘管8组件的内部。

热交换盘管组件1是设置在热交换器的壳体部分(图1和图2上未示出)内。第一种热交换媒质，如一种气体或一种液体作为通过进口管4的向下流动的流体被引入热交换器的壳体部分中。这种热交换媒质通过在进口侧的集流管2的流出孔6流入各根热交换盘管9中，并以螺旋形方式在这些热交换盘管9中上升。

第一种热交换媒质主要是在流经这些热交盘管9的过程中通过管壁与在壳体部分内的第二种热交换媒质实现热交换。所述第一种热交换媒质通过进口孔7进一步流入在出口侧上的集流管3中，且通过出口管5排向壳体部分的外面，并送向负载。

按照这些热交换盘管组件1，热交换器的工作能力是通过利用多根热交换盘管9得到提高的。而各根热交换盘管9设置得使盘管9被另一些具有更大的盘绕直径的热交换盘管9所包围以便节省热交换盘管组件1在壳体部分中所占的安装空间。换句话说，可以使传热面积在不使壳体容量加大的情况下变得更大。

另外，各根热交换盘管9并不是按连续复叠盘绕状态而是独立地盘绕成的，以使由于管的摩擦阻力产生的压头损失不会再变大。

还有，按需要通过增减热交换盘管9的数目，可自由地设定热交换器的工作能力，并且热交换盘管组件可以应用在从小规模至大规模的范围内的各种热交换器上。

另外，由于各根热交换盘管9的长度基本相等，各根热交换盘管9的压头损失变得基本上是恒定的。因而，在各根热交换盘管9中流动的热交换媒质的流量变得均匀，并且由于在热交换器的一些部分产生的不均匀热应力而出现的变形或裂纹就不会发生。为此，可以使用具有同样形状的传热管，这就使加工控制较为容易。此外，修理和替换盘管所花费时间基本是一样的，便于维护盘管。

在图3至5中，为简化起见，所述热交换盘管8组件用点划线示出。在图3中首先图示一个例子是一设在热交换盘管8组件外面的进口管4(即在具有最大盘绕直径的热交换盘管9的外侧)，而出口管5是设在热交换盘管8组件的内部(即在具有最大盘绕直径的热交换盘管9的内部)。在图4中所示的一个例子是进口管4设在热交换盘管8组件内部，而出口管5是设在热交换盘管8组件外部。在图5中所示的一个例子进口管4和出口管5两者都各自设在热交换盘管8组件的外部。如上所述，进口管4和出口管5可以以各种方式设置，但很显然，在图1和2中所示的这些方式是各种方式中是紧凑的因而可节省其安装空间。

在图6和7中所示的本发明的第二实施例中，负载是基于两种***，而按本***热交换盘管组件成为一个包括两组热交换盘管的复合结构。两个热交换盘管组件1a和1b各具有如图1和2中所示的热交换盘管组件1的形状，而只是在同样的零部件的标号上增加字母a或b以作为相应标号。

两个热交换盘管组件1a和1b按多级设置以使热交换盘管组件8a和8b各具有一共同的轴线。在本实施例中所述的共同轴线是一条向垂直方向延伸的轴线。设置在下侧的热交换盘管组件1a的进口管4a和出口管5b伸进设在上侧的热交换盘管组件1b的热交换盘管8b组的内部。

本实施例是采用两个热交换器组件的例子，而在具有三个或更多个的组件的例子中，在下侧上的热交换盘管组件的进、出口管是设置得使它们伸进在上侧的所有热交换盘管组件的热交换器盘管组的内部。

图8和图9示出本发明的第三实施例。在上述各实施例中都使用圆形的热交换盘管。在本实施例中热交换盘管组件11是一种在其中使用具有椭圆形式轨道形热交换盘管19的热交换盘管组件。关于就热交换盘管的形状外的其它各点来说，本例中的形状是与上述采用圆形盘管的实施例中的形状相同，而同样的部件则以相同的标号表示。

在图10和11中所示的本发明的第四实施例中包括采用多个如第二实施例那样的热交换盘管组件的一个复合结构，这些组的热交器盘管8a、8b和8c以多级设置以使它们具有一共同轴线。然而，在第三实施例中，为了相应于三种型式的负载而采用了三个热交换盘管组件11a、11b和11c，而在其中采用椭圆形或轨道形的热交换盘管1 9这一点是不同于第二实施例的。

所述的三个热交换盘管组件11a、11b和11c的形状与图8和9所示的热交换器盘管组件11的形状相同，而只是在同样部件的标号上增加字母a、b或c作为相应标号。

进口管以及出口管和圆形盘管间的相互关系在图12中示出，而在如上所述采用圆形盘管时，是用下面的式子表示盘管的最小盘绕直径m，而在该式中D表示进口管4和出口管5的直径，d表示盘管9的直径：m＝2D＋d；而对给定的(圈数n)具有最小盘绕直径的盘管的长度L用下式表示：

L＝π×m×n＝π×(2D＋d)×n…………………(1)

另一方面，具有最大盘绕直径的盘管的长度等于L以及其圈数为1.5(即1圈半)，这样对给定的盘管最大盘绕直径M来说，上面的关系满足下式：

L＝1.5π×M……………………………(2)

利用式(1)和(2)，盘管的最大盘绕直径由下式表达：

M＝(2D＋d)×n/1.5

进口管以及出口管和椭圆形盘管间的相互关系在图13中示出，而当如上所述采用椭圆形的盘管或轨道形盘管时，则盘管的最小直径m由下式表达：

m＝D＋d

另外，对给定的圈数n，由于直线部分长度为D，则具有最小盘绕直径的盘管长度L由下式表达：

L＝(π×m＋2D)×n＝{π×(D＋d)＋2D}×n……………(3)

另一方面，类似于圆形盘管的情况，具有最大盘绕直径的盘管长度等于L和其圈数为1.5，这样对于给定的盘管最大盘绕直径M来说，则上述关系满足下面的式子：

L＝1.5(π×M＋2D)………………………………(4)

利用式子(3)和(4)，盘管的最大盘绕直径M由下式表达：

M＝(D＋d)×n/1.5＋(2n－3)×D/1.5π

在应用如图14和15中所示的本发明的热交换盘管组件的热交换器的热水发生器中，烟道21设置在壳体20部分的底部，而燃烧室22是在烟道内部形成。燃烧设备23在燃烧室22中开启，而燃烧设备的工作是由恒温器24控制的以使储存在壳体部分20中的水25保持在规定的温度下。

在燃烧设备23中所产生的火焰在燃烧室22中变成高温燃气，而燃气通过排气管26被排向外面。此时，高温燃气通过对流管27的管壁和烟道21的壁加热储存水25。

壳体部分20通过连通管29与蒸馏水箱30连通。球旋塞设置在蒸馏水箱30内，而供给水是由蒸馏水管32供给的以使储存的水可被保持在一恒定的水位上。

一空气室33在壳体部分20的水平面之上形成，空气室33通过连通管34、蒸馏水箱30和空气开启管35通向大气。由于这个特点，储存水25是在大气压力状态下被加热，以使其温度在大气压力下保持不超过沸点(100℃)。

设在壳体部分20内的是两个本发明的热交换盘管组件1和11。一个热交换盘管组件1包括圆形的盘管，而另一个热交换盘管组件11包括一个椭圆形或轨道形的盘管。两个热交换盘管组件1和11各自分别地连接于不同的负载***。所述的负载***是，例如用于诸如加热、热水供给、浴室和游泳池的供热循环***。

负载***的第一种热交换器媒质(通常是如水那样的液体)通过热交换盘管组件1和11的进口管4被引入壳体部分20。当水第一热交换媒质在各热交换盘管8的组中的各根热交换盘管中流动时，所述第一种热交媒质连同作为第二种热交媒质的储存水25由此被加热，并通过出口管5送往负载***。

虽然本发明已如上所述给予了详细说明，但是本发明并不限于这些实施例，并且不用说，只要在本发明的本质范围内还可以作出种种的如下所述的变动方案。

(1)在热交换盘管组件1中的热交媒质的流动是可与上述的实施例相反的。即是说，管子5和集流管3可分别用作在进口侧的进口管和集流管，而管子4和集流管2可分别用作在出口侧的出口管和集流管。

(2)热交换盘管的盘绕形状并不限于圆形或椭圆形，而是可以应用各种型式的形状如多边形等。

(3)本发明的热交换盘管组件并不限于基于液体与液体间的热交换的***，而且可以用于如气体与气体之间或气体与液体之间这样的热交换。另外，在盘管中流动的热交换媒质可以是任何的受热媒质和加热媒质。

(4)在图14和15中所示的是一个本发明的热交换盘管组件以垂直型式用于热交换器的例子，但是它可以水平的型式用于热交换器。

如上所述，按本发明可在不使热交换器的壳体容量增加的情况下，使热交换的能力得到提高。另外，热交换的工作能力可以自由地调定。

Claims (8)

1.一种热交换盘管组件，它具有一第一集流管(2)和一与所述第一集流管(2)间隔地设置在第二集流管(3)，以及多根热交换盘管(9)，其中，每一根盘管设置在所述第一集流管和第二集流管之间以使两集流管相互间连通并具有不同的盘绕直径，其特征在于它还包括一组热交换盘管(8)，其中每根所述的热交换盘管分别被另一根具有更大盘绕直径的所述热交换盘管所包围。

2.如权利要求1所述的热交换盘管组件，其特征在于，各根热交换盘管的长度基本相等。

3.一种热交换器盘管组件，它具有一用于将一种热交换媒质引进热交换器的壳体部分中的进口管(4)，一设置在所述进口管(2)的进口侧上的集流管(2)，一用于将所述热交换媒质排离所述壳体部分的出口管(5)，一与进口侧的集流管隔开一间距而被设置在所述出口管的出口侧上的集流管(3)以及多个热交换器盘管(9)，它们设置在进口侧的集流管和出口侧的集流管之间以使两集流管相互连通并且具有不同的盘绕直径，还包括一组热交换器盘管(8)，其中各根热交换盘管分别被另一根具有更大盘绕直径的热交换盘管所包围。

4.如权利要求3所述的热交换盘管，其特征在于，各根所述的热交换盘管的长度基本相等。

5.如权利要求3或4所述的热交换盘管，其特征在于，所述进口管和出口管基本上相互平行地延伸，在进口侧上的集流管和在出口侧上的集流管与所述的进口管和出口管基本上成直角，并且按所述进口管和所述出口管的轴线方向彼此间隔地设置。

6.如权利要求5所述的热交换盘管组件，其特征在于，所述的进口管和出口管都设置在具有最小盘绕直径的热交换盘管的盘绕直径的范围内。

7.如权利要求6所述的热交换盘管组件，其特征在于，各根所述热交换盘管的盘绕直径是在由下式表达的范围内：

2D＋d≤盘绕直径≤(2D＋d)×1.5

其中，D表示进口管及出口管的管径；d表示盘管的管径，而n表示具有最小盘绕直径的盘管的圈数。

8.一种包括多个如权利要求6所述的热交换盘管(1a，1b)的复合结构，其特征在于，所述的各组热交换器盘管(8a，8b)，其中每个所述热交换盘管组件设置得使各组盘管具有一共同的轴线，在各个所述热交换盘管组件(1a)的进口管(4a)和出口管(5a)伸进设在热交换盘管组件一侧的所有热交换盘管组件中的热交换盘管组(8b)内。

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