换热管及具有该换热管的换热器的制作方法

本实用新型属于换热器技术领域，具体涉及换热管及具有该换热管的换热器。

背景技术：

在冶金、热电和化工领域的生产过程中，通常会产生大量的高温气体或高温液体，这一部分高温介质通常带有大量的反应余热，为了满足国家节能环保的要求，这一部分余热的回收利用成为了生产过程中的重要一环。换热管或换热器是工业生产中回收余热的主要部件之一，换热效率的高低以及换热部件的使用寿命直接影响着余热回收的效率和应用成本。

换热管通常使用高效传热材料制备，利用管内的相变介质通过相变作用进行热量的吸收、传递和释放。影响换热管换热效率的因素通常包括换热管的材料、参与换热的换热管面积以及换热管的厚度；而影响换热管使用寿命的主要因素通常为换热管的材料、换热管的使用环境等。在换热管实际工作时，其工作环境通常为高温、高腐蚀性环境，工作环境相对比较恶劣。所以，为了提升换热管的换热效率，提升换热管的使用寿命，现有技术中通常采用的方法是优选换热管的材料和改善换热管的结构形状。

例如专利文献CN 202420247U中提出了一种聚四氟乙烯波纹管的管壳式换热器，该换热器中的换热管采用聚四氟乙烯材料，并在换热管的外表面上设置有波纹结构，即外表面上设置有一定数量具有一定高度的凸起，这相比于同直径的光管，大大提升了换热面积，能较好地提升换热管的传热效率，再加之聚四氟乙烯材料有较好的防腐蚀能力，在高腐蚀性环境能长期保持工作性能，提升了换热管的使用寿命。但是，由于聚四氟乙烯材料具有经济成本较高，耐磨损能力较差，且耐温较低的缺点，使得这种换热管无法在高温余热回收领域广泛推广。现有技术中也有将上述波纹结构设置成翅片形状，以此来增加换热管的换热面积，但存在翅片积灰严重，不利于清理的缺陷，导致换热管的换热效率和使用寿命不能得到充分提高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了换热管及具有该换热管的热管器，其中通过对换热管材料进行优化选择，并对换热管内外壁结构进行优化改进，从而大大降低换热管的制造成本，提升换热管的换热效率，增加换热管的使用寿命。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供一种换热管，其包括两端封闭的管体，该管体内腔注入有液体相变介质并具有相变空间，其特征在于，

所述管体的至少一段管壁外壁面为凹凸相间的波纹结构，即该段管体外壁面在轴向剖面上呈波纹状，且所述管体的至少一段管壁内壁面也为凹凸相间的波纹结构，即该段管体内壁面在轴向剖面上呈波纹状。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面上波纹结构的波纹凸起的横截面为圆弧形、梯形、锯齿形、三角形和矩形中的至少一种，内壁面上波纹结构的波纹凹槽的横截面为圆弧形、梯形、锯齿形、三角形和矩形中的至少一种。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面上波纹凸起的横截面形状与内壁面上波纹凹槽的横截面形状相同或不同。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面上波纹凸起的宽度与内壁面上波纹凹槽的宽度相同或不同。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面上波纹凸起与内壁面上波纹凹槽位置匹配对应，使得管体管壁在轴向上的厚度相等。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面上波纹结构所在管体段与内壁面上波纹结构所在管体段重合，或不重合。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面或内壁面上的波纹结构为在轴向上绕外壁面或内壁面的螺旋结构。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面或内壁面上的波纹结构为环状的凹凸结构在轴向上间隔布置而成。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壁面或内壁面上的波纹结构沿周向上还开设有多个沿轴向的长槽，以将外壁面或内壁面的波纹结构凸起截断。

按照本实用新型的另一个方面，提供一种具有上述换热管的换热器。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本实用新型的换热管中，仅需将换热管的外壁面或内壁面设置为波纹结构，如螺旋形状、环纹形状、凸棘形状，从而可以大大增加换热管与换热介质的接触面积，提升换热管的换热效率，减少余热的浪费；

(2)本实用新型的换热管中，通过将换热管外壁设计为波纹结构，波纹结构的凸起与换热管一体而成，大大改善了翅片换热管由于翅片焊接导致的焊接部位易腐蚀，翅片积灰严重，不利于清理的缺陷，使换热管的换热效率和使用寿命得到了充分提高；

(3)本实用新型的换热管中，将换热管的外壁面或内壁面设置为相匹配的波纹结构或不同的波纹结构，结构简单，无需对现有换热器系统进行调整，而且加工工艺简单，操作方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例的螺旋换热管的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的螺旋换热管的局部放大图；

图3是本实用新型实施例的螺旋换热管的工作情况半剖示意图；

图4是本实用新型实施例的环纹换热管的整体结构示意图；

图5是本实用新型实施例的凸棘换热管的整体结构示意图；

图6是包括本实用新型实施例螺旋换热管的换热器工作原理示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1.换热管管体，2.换热区，3.相变空腔，4.光管端面区，5.液体相变介质，6.隔热板,7.波纹凸起，8.波纹凹槽，9.换热器壳体；Ⅰ.高温换热介质传送方向，Ⅱ.低温吸热介质传送方向，Ⅲ.相变换热介质气化传送方向；H.波纹凸起的高度，W.波纹凸起的宽度，T.换热管的管厚，D.换热管的直径。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本实用新型实施例的螺旋换热管的整体结构图；图2是按照本实用新型实施例的螺旋换热管的局部放大图；图3是本实用新型实施例的螺旋换热管的工作原理半剖示意图；图4是本实用新型实施例的环纹换热管的整体结构示意图；图5是本实用新型实施例的凸棘换热管的整体结构示意图；图6是包括本实用新型实施例的换热管的换热器工作原理示意图。

如图1～3所示，本实用新型实施例的螺旋换热管，包括两端封闭的换热管管体1，该管体1的内腔注入有液体相变介质5并具有相变空腔3。换热管管体1的两端为光管端面区4，光管端面区4的内外壁面均为光滑的柱面，管体1的两端面均为光滑平面，方便换热管管体1与换热器壳体9焊接密封。换热管管体1中部为换热区2，换热区2的管体外壁面为凹凸相间的波纹结构，波纹结构上具有波纹凸起7，换热区2的外壁面在轴向剖面上呈波纹形状，波纹凸起7的截面形状呈半圆形，波纹结构在轴向上绕外壁面螺旋形成外螺旋形状，使换热区2的管体呈螺旋波纹管形状。同时，换热区2所在的管体段的内壁面也为凹凸相间的波纹结构，波纹结构上具有波纹凹槽8，波纹结构在轴向上绕内壁面螺旋形成的内螺旋形状，螺旋换热管的外壁面上的波纹结构与内壁面上的波纹结构匹配加工，即外壁面的波纹凸起7与内壁面的波纹凹槽8对应设置，保证换热管管体1轴向上的管壁厚度保持一致。螺旋换热管管体1优选先成型为光滑直管，再将换热管中部换热区2的内外壁面加工成螺旋波纹管形状，但螺旋换热管管体1的换热区2和光滑端面区4也可以同时成型。

优选地，制备所述螺旋换热管时可选用耐腐蚀性特种金属合金材料，可进一步优选为钛-钢合金材料，该材料具有高耐腐蚀性的特点，并有较高的传热系数，便于热量的传递，使用钛-钢合金材料制备换热管可进一步提升螺旋换热管的抗腐蚀、耐磨损性能，提高换热管的使用寿命。

优选地，所述螺旋换热管外壁上开设的波纹凸体7沿周向均匀分布，内壁面与外壁面的波纹结构呈匹配设置，即外壁面的轴向剖面与内壁面的轴向剖面呈凹凸结构对应的均匀波浪形。在一个优选实施例中，螺旋换热管的管外径D为40mm，当然换热管的外径D也可以根据实际需要为其他值，例如8mm、20mm、60mm、100mm等，优选换热管的外径D为8～100mm；换热管的管壁厚度T在一个优选实施例中为3mm，其管壁厚度T可根据实际情况进行优选，优选范围为0.2～8mm。螺旋换热管的波纹凸体7或波纹凹槽8的高度H、宽度W也可以根据实际需求进行具体确定，其中，波纹凸起7最顶端到最底部的垂直距离为波纹凸起7的高度H，波纹凸起7最底部之间的距离为波纹凸起7的宽度W，波纹凸起7和波纹凹槽8的高度H宽度W保持一致。在一个优选实施例中，波纹凸起7的宽度W和高度H分别为0.2mm、0.1mm，波纹凸起7和波纹凹槽8的截面形状均为半圆形。本实用新型实施例中对螺旋换热管的波纹凸体7或波纹凹槽8的宽度W、高度H不做具体限定，可以适当选择为其他数值，优选宽度W为0.1～0.4mm，高度H为0.05～0.2mm。

优选地，本实用新型实施例提供一种图4所示的环纹换热管，所述环纹换热管包括两端封闭的换热管管体1，该管体1的内腔注入有液体相变介质5并具有相变空腔3。环纹换热管管体1的两端为光管端面区4，光管端面区4的内外壁面均为光滑的柱面，换热管管体1的两端面均为光滑平面，方便换热管管体1与换热器壳体9焊接密封。换热管管体1的中部为换热区2，换热区2的管体外壁面为凹凸相间的波纹结构，波纹结构为环状的凹凸结构在轴向上间隔布置而成，波纹凸起7的截面形状为梯形，波纹凸起7在轴向上均匀分布，其波纹结构的剖面为均匀的波纹形状。环纹波纹管的内壁面可以设置为与外壁面匹配的环纹形状，也可以设置为别的形状，波纹结构的波纹凸起7或波纹凹槽8的截面形状可以设置为梯形，也可以设置为矩形、圆弧形、三角形、锯齿形等别的形状。

优选地，本实用新型实施例提供一种图5所示的凸棘换热管，所述凸棘换热管可以是在图4所述的环纹换热管的基础上，在环纹换热管的换热区2的外壁面上沿周向上开设多个沿轴向的长槽，使环纹换热管外壁面上的环形波纹截断，原来呈环状的波纹结构被切割为一定数量的凸起块，换热管的换热区2的外壁面形成凸棘形状，形成凸棘换热管结构。进一步地，凸棘换热管的凸棘块的截面形状可以是矩形，也可以是三角形、锯齿形、圆弧形等其他形状，凸棘换热管换热区2的内壁面可以设置为与外壁面相匹配的凸棘形状，也可以设置为螺旋波纹形状或者环纹形状等其他结构形状，内壁面上的波纹凹槽8的截面形状可根据实际需要，设置为梯形、矩形、圆弧形、三角形、锯齿形等形状中的任一形状。

如图3所示，螺旋换热管工作时优选为垂直放置，其管内注入有一定量的液体相变介质5，并留有相变介质气化换热的相变空腔3，相变空腔3中抽真空处理。螺旋换热管布置时，优选在换热管的外壁中部设置有隔热板6，隔热板6的布置高度可进一步优选为高于管内液体相变介质5的液面高度。螺旋换热管换热过程中，需要回收余热的高温介质可以按传送方向Ⅰ与隔热板6下方的换热管外壁接触，换热管内部的液体相变介质5吸收热量气化后，按传送方向Ⅲ传送到隔热板6上方的换热管相变空腔3，隔热板6上方有低温吸热介质按方向Ⅱ与换热管外壁接触，吸收热量升温后被传送出去，相变空腔3内的气化相变介质放热后凝结为液相回到换热管的底部，循环工作。

如图6所示，包括有上述换热管的换热器主要由换热管管体1、隔热板2和换热器壳体9构成，换热器内布置有一定数量的换热管管体1，本实施例对其数量及布置关系不做具体限定，其可根据具体情况优选确定。本实用新型实施例中换热管管体1优选为均匀垂直布置于换热器壳体9中，换热管管体1的顶部和底部密封后紧密焊接在换热器壳体9的顶部和底部，换热器优选在其壳体9的垂直高度中部设置隔热板6，隔热板6将换热器分割为上下两部分，可以在隔热板6的下部通入需要回收余热的高温介质，隔热板6的上部通入吸收余热的低温介质。换热器工作时，高温余热介质可按传送方向Ⅰ与隔热板6下方的换热管外壁接触，换热管内部的液体相变介质5吸收热量气化后，按传送方向Ⅲ传送到隔热板6上方的换热管相变空腔3，吸收余热的低温介质按方向Ⅱ与隔热板6上方的换热管外壁接触，低温介质吸收并带走换热管内的高温相变介质气体放出的热量，完成回收余热的过程，换热管相变空腔3中的高温相变介质气体放出热量后凝结为液相回到换热管底部，循环工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。