螺旋槽管反向缠绕式换热器及变流量螺旋槽管冷却装置

摘要

本发明涉及一种螺旋槽管反向缠绕式换热器，包括壳体和设在壳体内部的两端固定在管板上的螺旋槽管束，所述壳体上设置有管程进口、管程出口、壳程进口、壳程出口，所述螺旋槽管束由同心缠绕成螺旋状的螺旋槽管组成，每层螺旋槽管采用多根螺旋槽管同向缠绕；其中所述螺旋槽管的槽设在螺旋槽管的外表面，其旋转方向与相对应的螺旋槽管的缠绕方向相反。本发明的有益效果为：所述螺旋槽管的槽旋转方向与相对应的螺旋槽管的缠绕方向相反，这种特殊结构极大地改变了流体的流动状态，管内流体在前进过程中不断受迫改变方向，做离心运动，流体流速提高，形成强烈的湍流与二次流效果，这可以保证管内的换热强化。

说明书

技术领域

本发明属于对流传热、节能降耗的流体换热技术领域，具体涉及一种能够实时调节换热介质流量且螺旋管内外对流换热系数相差较小的变流量螺旋槽管冷却装置，以及一种螺旋槽管反向缠绕式换热器。

背景技术

传统的管壳式换热器换热管长度有限，单位体积内布置的换热面积较小；设备的安全运行往往受限于换热介质的最高工作温度，以及是否会出规流动死角等流速剧降区，导致换热面因局部换热不均而造成热应力损坏；设备长期运行时，管束易结垢，且不易清洗。

螺旋缠绕管式换热器可以一定程度上弥补上述不足，具有换热性能好，工质流动均匀的优点。但就现有的螺旋缠绕管式换热器而言，一方面，换热介质的流量不能实时调节，无法适应冷却负荷的动态变化，实现冷却负荷的实时区配；另一方面，已有的螺旋缠绕管式换热器管束内外流体的换热性能差别较大，换热面的总体换热效果改善不明显。因此，现有缠绕管式换热器缺乏换热负荷的动态调适性，运行经济性较差，难以满足节能降耗的更高要求。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种能够通过用螺旋槽管实现壳程强化传热的螺旋槽管反向缠绕式换热器，以提高管外流体的对流换热效率。另外，提供一种变流量螺旋槽管冷却装置，以实现冷却(或加热)负荷的实时匹配。

本发明通过如下技术方案实现，一种螺旋槽管反向缠绕式换热器，包括壳体和设在壳体内部的两端固定在管板上的螺旋槽管束，所述壳体上设置有管程进口、管程出口、壳程进口、壳程出口，所述螺旋槽管束由同心缠绕成螺旋状的螺旋槽管组成，每层螺旋槽管采用多根螺旋槽管同向缠绕；其中所述螺旋槽管的槽设在螺旋槽管的外表面，其旋转方向与相对应的螺旋槽管的缠绕方向相反。

在所述螺旋槽管束的中心位置设有芯体，芯体至少一端固定在管板上，用于防止在壳体中流动短路，从而提高冷却效率，使冷却更加充分。

所述螺旋槽管的奇数层与偶数层缠绕方向最好相反，使流体在该间隙内形成湍流。

所述相邻螺旋槽管之间安有折流板，折流板可改善壳程流体的流动状况，较好地解决管程壳程对流换热系数相差较大的问题，确保缠绕管式换热器的总体传热性能显著提高；所述折流板优选为扇形折流板，扇形折流板对壳程流体有扰动作用，能有效地促进湍流和强化壳程传热，传热效率高，流动阻力小。

所述折流板采用扣接方式连接在相邻螺旋槽管之间，具体为其安装方式可以采用两端焊接有半圆管状扣板以及扣板两侧带孔的凸缘，扣板卡扣在螺旋管外壁上并通过另一半半圆管状扣板和凸缘上安装的螺栓抱扣在螺旋管上。

所述壳体采用铸铝材料，减小冷却设备重量，降低生产成本。

所述螺旋槽管的槽等间距排列。

为了实现对换热负荷的实时调节，本发明还提供一种采用前述螺旋缠绕管式换热器的变流量螺旋管冷却装置，包括螺旋缠绕管式换热器，还包括温度传感器、控制系统、变频电机和被变频电机驱动的泵，所述温度传感器设置于所述螺旋缠绕管式换热器的管程出口管路上，所述温度传感器的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述变频电机的输入端与所述控制系统的输出端连接，所述泵的出口与所述螺旋缠绕管式换热器的壳程进口连接。

本发明的有益效果为：

1、螺旋槽管束层间交替反向缠绕，形成强烈的湍流与二次流效果，不但可以促进流体在流动过程中不断破坏边界层，增强扰动，流体介质的湍流度加强，减少污垢的沉积几率，降低螺旋槽管内外流体在壁面附着的可能性及结垢倾向；而且螺旋管缠绕管束的长度可达到壳体长度的四至六倍，可大大增加冷热介质换热面积，提高冷却器的紧凑性。

2、螺旋槽管层与层之间反向缠绕，且与每层螺旋槽管槽的旋转方向相反，这种特殊结构极大地改变了流体的流动状态，管内流体在前进过程中不断受迫改变方向，做离心运动，流体流速提高，形成强烈的湍流与二次流效果，这可以保证管内的换热强化。

3、螺旋槽管外表面槽内的流体在相邻的换热管之间不断分离汇合，既有旋转运动，又有纵向扰动，使得介质的湍流度加强，即可以强化换热，可减少沉积几率和结垢倾向。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的C-C向剖视图。

图3是螺旋槽管外表面的局部放大图。

图4是冷却装置的流量调节系统示意图。

1.壳体；2.螺旋槽管；3.芯体；4.折流板；5.槽

1-1.管程进口；1-2.管程出口；1-3.壳程进口；1-4.壳程出口

具体实施方式

以不结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释。

实施例1：

图1示出了本发明的一种螺旋槽管反向缠绕式换热器的较佳实施例的结构，用于对润滑油等流体进行水冷却。

如图1所示，一种螺旋槽管反向缠绕式换热器，包括壳体1和设在壳体内部的两端固定在管板上的螺旋槽管束，所述壳体1上设置有管程进口1-1、管程出口1-2、壳程进口1-3、壳程出口1-4，结合图2可以看出，螺旋槽管束由同心缠绕成螺旋状的6层螺旋槽管2构成，每层螺旋槽管2均采用多根螺旋槽管2同向缠绕所述螺旋槽管束由同心缠绕成螺旋状的螺旋槽管2组成，每层螺旋槽管2采用多根螺旋槽管2同向缠绕；其中所述螺旋槽管2的槽5设在螺旋槽管2的外表面，其具体结构可以参考图3，其旋转方向与相对应的螺旋槽管2的缠绕方向相反，且在螺旋槽管外表面等间距排列，由于其旋转方向与相对应的螺旋槽管2的缠绕方向相反，流体在此处的流动方向会受到扰动，被迫再次改变流动方向，形成更为强烈的湍流和二次流，管外壁流体边界层被不断减薄和破坏，最终达到增强对流传热的目的，从而提高传热效率。

结合图2可以看出，在该实施例中，每层螺旋槽管2从外到内的数量为14、12、10、8、6、4根。

每一组折流板的布置如图2所示，在螺旋槽管2层与层之间安装有多块折流板4。图2所示的实施例中，螺旋槽管从外到内共6层，6层螺旋管之间形成5层环形管间间隙，因此折流板4从外到内共5层，该实施例中每层折流板4有4块，因此每组共有20块折流板4。这种折流板化整为零的分散布置方式解决了采用传统结构折流板及其安装方式不能应用于螺旋缠绕管式换热器的问题。

如果所有螺旋槽管缠绕方向相同，其导流作用会使得壳程流体流动轨迹为螺旋形，其效果优于传统管壳换热器折流板。本发明作为最佳实施方式，奇数层与偶数层螺旋槽管2的缠绕方向相反，例如奇数层左旋，偶数层右旋。这样奇数层和偶数层对流体的导向方向相反，进一步提高流体流动的扰流效果，形成湍流，管外壁流体边界层被减薄和破坏，达到比同向缠绕更好的强化对流传热效果。

由于相邻层螺旋槽管2缠绕方向相反，因此折流板两端的扣板相互偏转一定角度，对应地折流板采用扭转形成与螺旋桨一样的扭曲形(与螺旋方向一致)扇面。这样不但对壳程流体沿换热器长度方向产生扰流作用，还对径向流产生扰流作用，扰动更剧烈。

由于最内层螺旋槽管2中部为一大体为圆形的孔洞，且由于加工问题最内层螺旋管缠绕直径不宜过小，中间形成的圆管状流道不利于对流传热，因此如图1-2、1-3所示，在所述螺旋管束中心位置设置有芯体3，芯体3一端或两端固定在管板上。芯体3防止在壳体1中流动短路，从而提高冷却效率，使冷却更加充分。

对比例1：

将本发明与表面没有槽的螺旋管在相同条件下对比，发现本发明的传热效率较没有槽的螺旋管明显提高，提高了70％；

对比例2：

将本发明与表面有槽的螺旋管槽在相同条件下对比，下同的是槽的旋转方向与螺旋管槽的缠绕方向一致，发现本发明的传热效率较与槽旋转方向一致的螺旋槽管提高，提高了40％。

通过以上对比例1和2也充分证明了螺旋槽管的设计结构较大程度上提高了传热效率，节省了经济成本。

实施例2变流量螺旋管反向缠绕式冷却装置

如图4所示，是一种变流量螺旋槽管冷却装置，螺旋槽管换热器采用实施例1的结构。

冷却装置包括螺旋管换热器、温度传感器、控制系统、变频电机和被变频电机驱动的泵，温度传感器设置于所述螺旋缠绕管式换热器的管程出口管路上，所述温度传感器的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述变频电机的输入端与所述控制系统的输出端连接，所述泵的出口与所述螺旋缠绕管式换热器的壳程进口连接。

缠绕管式换热器管程出口的温度由温度传感器测出，温度传感器将温度测出后上传至控制系统，控制系统控制变频电机的转速，变频电机调节泵的输出水量，使得缠绕管式换热器的进水量发生改变。这样，能够现场监测流体的温度，根据运行过程中冷却负荷的动态变化，通过变频调速控制系统实现对冷却介质流量的监控和调节，实时匹配冷却介质的流量，实现节能降耗，达到高效、可靠、稳定运行的目的。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。