CN112781405A - 一种多通道式高效紧凑型换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道式高效紧凑型换热器，包括：柱形本体，其包括相套接的中心筒和外筒，中心筒和外筒之间为第一通道；换热外管，螺旋设于第一通道内；换热内管，穿设于换热外管内，换热内管与换热外管之间为第二通道，换热内管内为第三通道；第二通道分布管，设于本体一端外，与第二通道连通，其上设第二通道入口；第二通道汇集管，设于本体另一端外，与第二通道连通，其上设第二通道出口；第三通道分布管，设于本体另一端外，与第三通道连通，其上设第三通道入口；第三通道汇集管，设于本体一端外，与第三通道连通，其上设第三通道出口。该换热器满足较小温差的换热工况，换热效率高，结构紧凑，占据空间小，可长期稳定运行。

Description

一种多通道式高效紧凑型换热器

技术领域

本发明涉及石油、空分及化工领域的流体介质热交换设备技术领域，具体涉及一种多通道式高效紧凑型换热器。

背景技术

随着中国经济的持续快速发展，工业化进程的不断增加，国家对节能、环保的要求也越来越高，对于石油、空分及化工等流程工业中使用的过程设备，亟需进行智能化、高效化和小型紧凑化换代升级，以保证整个生产过程能耗更低，排放更少。

换热器做为流程工业中重要的过程设备，其换热效率、占地空间及长周期安全可靠性能等直接影响着整个流程工艺的先进水平。

现有的换热器通常只涉及冷介质和热介质两种温差介质的热传递。为满足冷却或加热效果，两种介质的温差设置相对较大，且需要较长的传热管程，使得设备的换热效率偏低，占据空间较大，无法满足温差较小的换热工况；此外，现有换热器的换热管道通常为“直线-360°弧形弯折-直线”设置，换热管道内容易结垢，弯折部位容易造成压力损失，不利于长周期安全运行和节能运行。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种多通道式高效紧凑型换热器，采用套接的螺旋换热管，通过多种温差介质进行换热，满足较小温差的换热工况，换热效率高，结构紧凑，占据空间小，可长期稳定运行。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多通道式高效紧凑型换热器，包括：

柱形本体，所述柱形本体包括中心筒和同轴套设于所述中心筒外的外筒，所述中心筒和外筒之间为第一通道，所述柱形本体的一端设有第一通道入口，另一端设有第一通道出口；

若干换热外管，并列螺旋设置于所述第一通道内；

若干换热内管，分别穿设于若干所述换热外管内，所述换热内管与换热外管之间为第二通道，所述换热内管内为第三通道；

第二通道分布管，设置于所述柱形本体的一端外，与若干所述第二通道的一端连通，所述第二通道分布管上设有第二通道入口；

第二通道汇集管，设置于所述柱形本体的另一端外，与若干所述第二通道的另一端连通，所述第二通道汇集管上设有第二通道出口；

第三通道分布管，设置于所述柱形本体的另一端外，与若干所述第三通道的一端连通，所述第三通道分布管上设有第三通道入口；

第三通道汇集管，设置于所述柱形本体的一端外，与若干所述第三通道的另一端连通，所述第三通道汇集管上设有第三通道出口。

可选地，套装的所述换热外管和换热内管两端穿过所述柱形本体端部，经第一接头与第二通道分布管或第二通道汇集管连接，使第二通道与第二通道分布管和第二通道汇集管连通；所述换热内管两端经第二接头穿过第二通道分布管或第二通道汇集管，再经第三接头与第三通道分布管或第三通道汇集管连通。

可选地，所述第二通道分布管、第二通道汇集管、第三通道分布管和第三通道汇集管均为环状管道，平行设置于所述柱形本体端部外，所述第二通道分布管和第二通道汇集管靠近所述柱形本体的端部。

可选地，所述第一接头密封套接于所述换热外管端部外，并与所述第二通道分布管或第二通道汇集管的侧壁密封连接。

可选地，所述第二接头密封套接于所述换热内管外，并与所述第二通道分布管或第二通道汇集管的侧壁密封连接，位于所述第一接头的对侧。

可选地，所述第三接头密封套接于所述换热内管端部外，并与所述第三通道分布管或第三通道汇集管的侧壁密封连接。

可选地，所述第二通道入口、第二通道出口、第三通道入口和第三通道出口分别设置于所述第二通道分布管、第二通道汇集管、第三通道分布管和第三通道汇集管的环状结构内侧。

可选地，所述第三通道分布管和第三通道汇集管均包括多根管道，且数量相等，多根所述第三通道分布管和第三通道汇集管一一对应与部分所述换热内管两端连通。

可选地，所述第三通道分布管和第三通道汇集管为多根隔断的弧形管。

可选地，所述中心筒端部设有内封板，外筒端部设有外封板，所述内封板和外封板之间的腔体连通第一通道，所述第一通道入口和第一通道出口分别设置于所述柱形本体两端部的外封板中部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的多通道式高效紧凑型换热器，设置相套装的换热内管和换热外管，且套装的换热内管和换热外管螺旋设置于中心筒和外筒组成的柱形本体内；中心筒和外筒之间形成第一通道，换热外管与换热内管之间形成第二通道，换热内管内为第三通道；三个通道依次套叠，可同时实现三股介质流的热交换，且其中第二通道和第三通道内的介质逆向流动，可实现较小温差介质之间的热传递，满足温差较小的换热工况，换热效率高。换热内管和换热外管呈螺旋设置，可有效延长管程，单位容积内具有较多的换热面积，占地面积小，结构紧凑；管内的流体呈螺旋流动，在流道截面形成二次流，管外的流体在各管层之间形成湍流，具有扰流作用，可显著提高换热系数，增加换热效果，且可有效降低流体对壁面的附着，不易发生结垢，实现长周期安全运行；换热内管和换热外管呈螺旋设置，可自动补偿部分热膨胀，减小结构因膨胀差产生的应力，使结构更加稳定安全。

2、分别设置分布管和汇集管，使介质均匀的分配进入第二通道和第三通道内，保证整个换热器中介质流量、压力和热流密度等均匀分布，保证换热器稳定高效的运行。

3、设置第一接头实现将换热外管过渡连接到第二分布管或第二汇集管上；设置第二接头保证换热内管穿过第二分布管或第二汇集管，防止两种介质相互泄漏；设置第三接头实现将换热内管过渡连接到第三分布管或第三汇集管上。

4、第三通道分布管和第三通道汇集管设置为数量相等的多根，且一一对应与部分换热内管的两端相连接，使第三通道分离成相对独立的多个介质通道，可增加换热器的工作介质数量，适用更多种工作介质的换热工况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中换热器的整体结构示意图。

图2为本发明中换热器的剖示结构示意图。

图3为本发明图2中A部分的放大结构示意图。

图4为本发明图2中B部分的放大结构示意图。

图5为本发明图2中C部分的放大结构示意图。

图6为本发明中换热器的俯视结构示意图。

图7为本发明中换热器的仰视结构示意图。

附图标记：

100、中心筒；110、内封板；200、外筒；210、第一通道；211、第一通道入口；212、第一通道出口；220、外封板；300、换热外管；310、第二通道；320、第一接头；400、换热内管；410、第三通道；420、第二接头；430、第三接头；500、第二通道分布管；510、第二通道入口；600、第二通道汇集管；610、第二通道出口；700、第三通道分布管；710、第三通道入口；800、第三通道汇集管；810、第三通道出口。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种多通道式高效紧凑型换热器，该换热器适用于天然气液化、煤气化废热回收、空气分离、氢液化、稀有气体分离、低温甲醇洗、液氮洗等领域。其包括柱形本体、螺旋盘管、分布管和汇集管等。

具体地，柱形本体包括中心筒100和外筒200，中心筒100位于内部，外筒200与中心筒100同轴设置，套接于中心筒100外侧；中心筒100和外筒200之间的腔体为供液体介质流通的第一通道210；柱形本体的一端设有与第一通道210连通的第一通道入口211，另一端设有第一通道出口212，供液体介质进入和排出。

如图2和图3所示，螺旋盘管包括若干数量相等的换热外管300和换热内管400，换热外管300和换热内管400套装成螺距均匀的螺旋套管。若干换热外管300上下并列螺旋盘设于中心筒100外侧，位于第一通道210内；若干换热内管400一一对应穿设于若干换热外管300内。换热内管400与换热外管300之间的腔道为供液体介质流通的第二通道310,；换热内管400内的腔道为供液体介质流通的第三通道410。

如图1和图2所示，分布管包括第二通道分布管500和第三通道分布管700。第二通道分布管500设置于柱形本体的下端外，与螺旋盘管中的第二通道310的下端连通；第二通道分布管500上设有第二通道入口510，液体介质由第二通道入口510进入第二通道分布管500内，然后均匀分散进入螺旋盘管中的第二通道310内进行热交换。

第三通道分布管700设置于柱形本体的上端外，与螺旋盘管中的第三通道410上端连通，即与换热内管400的上端连通；第三通道分布管700上设有第三通道入口710，相应的液体介质由第三通道入口710进入第三通道分布管700内，然后均匀分散的进入螺旋盘管中的第三通道310（也即换热内管400）内进行热交换。

汇集管包括第二通道汇集管600和第三通道汇集管800。第二通道汇集管600设置于柱形本体的上端外，与螺旋盘管中的第二通道310上端连通；第二通道汇集管600上设有第二通道出口610，第二通道310内的液体介质完成热交换后汇入第二通道汇集管600内，由第二通道出口610排出。

第三通道汇集管800设置于柱形本体的下端外，与螺旋盘管中的第三通道410下端连通，即与换热内管400的下端连通；第三通道汇集管800上设有第三通道出口810，第三通道310（也即换热内管400）内的液体介质完成热交换后汇入第三通道汇集管800内，由第三通道出口810排出。

其中，第一通道入口211、第二通道分布管500和第三通道汇集管800位于柱形本体的下端；第一通道出口212、第二通道汇集管600和第三通道分布管700位于柱形本体的上端。换热器工作时，由第三通道入口710进入的介质从上部向下部螺旋流动，由第二通道入口510进入的介质从下部向上部螺旋流动，二者之间形成逆流；从第一通道入口211进入的介质从下部往上流动，在螺旋盘管的扰流作用下与管内的介质形成错流；各通道内的介质保持各组物性、流量和压力独立，同时完成热量交换。

具体地，套装的换热外管300和换热内管400（即螺旋盘管）两端分别穿过柱形本体的上下端部，经第一接头320与第二通道分布管500或者第二通道汇集管600连接，使第二通道310与第二通道分布管500和第二通道汇集管600连通；然后换热内管400的两端经第二接头420密封穿过第二通道分布管500或第二通道汇集管600，再经第三接头430与第三通道分布管700或者第三通道汇集管800连通，使第三通道410与第三通道分布管700和第三通道汇集管800连通。实现将不同的介质分别引入或导出第二通道310和第三通道410，两种介质间相互隔离。

一种实施方式是，第二通道分布管500、第二通道汇集管600、第三通道分布管700和第三通道汇集管800均为环状管道，平行设置于柱形泵体的端部外，其中，第二通道分布管500和第二通道汇集管600较第三通道汇集管800和第三通道分布管700更靠近柱形本体的端部。套接的换热外管300和换热内管400的端部穿出柱形本体后，首先与第二通道分布管500或第二通道汇集管600连接，再与第三通道汇集管800或第三通道分布管700连接，结构分布更加合理、紧凑，介质流动更加顺畅。

如图2和图4所示，第一接头320密封套接于换热外管300端部外，第一接头320的外侧与第二通道分布管500或者第二通道汇集管600的侧壁密封连接，实现将第二通道310与第二通道分布管500和第二通道汇集管600连通；换热内管400穿过换热外管300及第一接头320中心向前延伸。

第二接头420密封套接于延伸部位的换热内管400外，其外侧与第二通道分布管500或者第二通道汇集管600的侧壁密封连接，使换热内管400穿过第二通道分布管500或者第二通道汇集管600的侧壁，而不会造成介质的泄露。第二接头420位于第二通道分布管500或者第二通道汇集管600上第一接头320的对侧，即换热内管400笔直设置，不发生弯曲。

如图2和图5所示，第三接头430密封套接于换热内管400的两端部外，并与第三通道分布管700或者第三通道汇集管800的侧壁密封连接，实现将换热内管400与第三通道分布管700和第三通道汇集管800连通。

其中，第一接头320、第二接头420和第三接头430的轴线相同，位于同一条直线上。设置第一接头320、第二接头420和第三接头430进行过渡连接，可有效保证连接处的结构强度和密封性。

如图6和图7所示，第二通道入口510、第二通道出口610、第三通道入口710和第三通道出口810分别设置于第二通道分布管500、第二通道汇集管600、第三通道分布管700和第三通过汇集管800的环状结构内侧，由环状管道的内侧与外接管道连接，结构更加紧凑，占据空间更小。

另一种实施方式是，第三通道分布管700和第三通道汇集管800均包括多跟管道，且数量相等，多根第三通道分布管700和第三通道汇集管800一一对应与部分换热内管400两端连通；且每根第三通道分布管700上均设有第三通道入口710，每根第三通道汇集管800上均设有第三通道出口810。使得换热器具有多个相对独立的第三通道410，可分别引入不同的介质进行热交换，增加换热器的适用性，适用于更多种工作介质的换热工况。

具体地，第三通道分布管700和第三通道汇集管800可为多根隔断的弧形管，多根第三通道分布管700或者多根第三通道汇集管800可组成环状结构，分别与环状结构的第二通道汇集管600和第二通道分布管500相对应。当然，多根第三通道分布管700和第三通道汇集管800也可分别为环状结构。

如图2所示，中心筒100的端部设有内封板110，外筒200的端部设有外封板220，内封板110和外封板220之间的腔体连通第一通道210；第一通道入口211和第二通道出口212分别设置于柱形本体两端部的外封板220中部，介质由第一通道入口211进入，流经第一通道210后由第一通道出口212排出。

综上，本发明的换热器，设置相套装的换热内管400和换热外管300，且套装的换热内管400和换热外管300螺旋设置于中心筒100和外筒200组成的柱形本体内；中心筒100和外筒200之间形成第一通道210，换热外管300与换热内管400之间形成第二通道310，换热内管400内为第三通道410；三个通道依次套叠，可同时实现三股介质流的热交换，且其中第二通道310和第三通道410内的介质逆向流动，可实现较小温差介质之间的热传递，满足温差较小的换热工况，换热效率高。其中，换热内管的管径较小，可承受较高压力，能满足高达22MPa压力介质的换热；换热内管400和换热外管300呈螺旋设置，可有效延长管程，单位容积内具有较多的换热面积，占地面积小，结构紧凑；管内的流体呈螺旋流动，在流道截面形成二次流，管外的流体在各管层之间形成湍流，具有扰流作用，可显著提高换热系数，增加换热效果，且可有效降低流体对壁面的附着，不易发生结垢，实现长周期安全运行；换热内管400和换热外管300呈螺旋设置，可自动补偿部分热膨胀，减小结构因膨胀差产生的应力，使结构更加稳定安全。

分别设置分布管和汇集管，使介质均匀的分配进入第二通道310和第三通道410内，保证整个换热器中介质流量、压力和热流密度等均匀分布，保证换热器稳定高效的运行。

设置第一接头320实现将换热外管300过渡连接到第二分布管500或第二汇集管600上；设置第二接头420保证换热内管400穿过第二分布管500或第二汇集管600，防止两种介质相互泄漏；设置第三接头430实现将换热内管过渡连接到第三分布管700或第三汇集管800上，实现介质的分流，且保证介质分布均匀稳定。

可将第三通道分布管700和第三通道汇集管800设置为数量相等的多根，且一一对应与部分换热内管400的两端相连接，使第三通道410分离成相对独立的多个介质通道，可增加换热器的工作介质数量，适用更多种工作介质的换热工况。

Claims (10)

1.一种多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，包括：

柱形本体，所述柱形本体包括中心筒（100）和同轴套设于所述中心筒（100）外的外筒（200），所述中心筒（100）和外筒（200）之间为第一通道（210），所述柱形本体的一端设有第一通道入口（211），另一端设有第一通道出口（212）；

若干换热外管（300），并列螺旋设置于所述第一通道（210）内；

若干换热内管（400），分别穿设于若干所述换热外管（300）内，所述换热内管（400）与换热外管（300）之间为第二通道（310），所述换热内管（400）内为第三通道（410）；

第二通道分布管（500），设置于所述柱形本体的一端外，与若干所述第二通道（310）的一端连通，所述第二通道分布管（500）上设有第二通道入口（510）；

第二通道汇集管（600），设置于所述柱形本体的另一端外，与若干所述第二通道（310）的另一端连通，所述第二通道汇集管（600）上设有第二通道出口（610）；

第三通道分布管（700），设置于所述柱形本体的另一端外，与若干所述第三通道（410）的一端连通，所述第三通道分布管（700）上设有第三通道入口（710）；

第三通道汇集管（800），设置于所述柱形本体的一端外，与若干所述第三通道（410）的另一端连通，所述第三通道汇集管（800）上设有第三通道出口（810）。

2.根据权利要求1所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，套装的所述换热外管（300）和换热内管（400）两端穿过所述柱形本体端部，经第一接头（320）与第二通道分布管（500）或第二通道汇集管（600）连接，使第二通道（310）与第二通道分布管（500）和第二通道汇集管（600）连通；所述换热内管（400）两端经第二接头（420）穿过第二通道分布管（500）或第二通道汇集管（600），再经第三接头（430）与第三通道分布管（700）或第三通道汇集管（800）连通。

3.根据权利要求2所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第二通道分布管（500）、第二通道汇集管（600）、第三通道分布管（700）和第三通道汇集管（800）均为环状管道，平行设置于所述柱形本体端部外，所述第二通道分布管（500）和第二通道汇集管（600）靠近所述柱形本体的端部。

4.根据权利要求3所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第一接头（320）密封套接于所述换热外管（300）端部外，并与所述第二通道分布管（500）或第二通道汇集管（600）的侧壁密封连接。

5.根据权利要求3或4所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第二接头（420）密封套接于所述换热内管（400）外，并与所述第二通道分布管（500）或第二通道汇集管（600）的侧壁密封连接，位于所述第一接头（320）的对侧。

6.根据权利要求3所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第三接头（430）密封套接于所述换热内管（400）端部外，并与所述第三通道分布管（700）或第三通道汇集管（800）的侧壁密封连接。

7.根据权利要求3所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第二通道入口（510）、第二通道出口（610）、第三通道入口（710）和第三通道出口（810）分别设置于所述第二通道分布管（500）、第二通道汇集管（600）、第三通道分布管（700）和第三通道汇集管（800）的环状结构内侧。

8.根据权利要求2所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第三通道分布管（700）和第三通道汇集管（800）均包括多根管道，且数量相等，多根所述第三通道分布管（700）和第三通道汇集管（800）一一对应与部分所述换热内管（400）两端连通。

9.根据权利要求8所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述第三通道分布管（700）和第三通道汇集管（800）为多根隔断的弧形管。

10.根据权利要求1所述的多通道式高效紧凑型换热器，其特征在于，所述中心筒（100）端部设有内封板（110），外筒（200）端部设有外封板（220），所述内封板（110）和外封板（220）之间的腔体连通第一通道（210），所述第一通道入口（211）和第一通道出口（212）分别设置于所述柱形本体两端部的外封板（220）中部。

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