专利名称：螺旋层腔热交换方法
技术领域：
本发明是一种提高热交换效率的方法。
中国专利法所称的发明是指对产品，方法或者其改进所提出的新的技术方案，必须具备新颖性，创造性和实用性。
检索，审查现有技术，及1985年到现在的中国专利公告有关热交换技术。人们为了提高热交换效率，而采取的扩大热交换面的方法相当很多，但它们都是有限度地扩大热交换面。如加散热片，将热交换面做成凸型或凹型的，螺旋管加热器等，这些扩大热交换面的方法都受热交换器体积限制，而具有一定的局限性，而使用本发明热交换面的扩大将是无限的。另一方面，现有热交换器都是采用扩大高，低温流体整体接触表面积，以提高热交换效率的;而本发明采用了高，低温相间螺旋渐扩包围层热交换方法，即相当于将高低温流体隔层相互渗透，相互包围而进行流体内部相互渗透式热交换。所以，本发明与现有热交换技术不同。
本发明的目的解决现有热交换器体积大，热交换不充分，热交换速度慢，热交换后温差不大的问题。使热交换器体积小，热交换充分，热交换速度快。热交换后，能使原高温流体温度降到渐近原低温流体的温度;原低温流体温度升到渐近原高温流体的温度。
本发明的内容第一.本发明的理论基础热量的传递有传导，对流和辐射三种方式。
传导是由于两种温度不等的物体接触所引起的热量交换传导一直进行到两物体温度相等为止。导热的基本公式为Q＝ (γ)/(δ) △t×F式中γ代表导热系数，δ代表物体的壁厚△t代表导热物体两侧表面温度，F代表导热表面积，由此公式可知物体导热量的大小与两侧温度成正比，与壁厚成反比，并与物体性质有关。
对流是指流动性的物体中，借助于部分质点流动而转移的热量，称为对流。
幅射是高温物体将热能转变为幅射线，同时向四周空间传播。
从热力学定律可知，热量只会从高温物体向低温物体传递。
第二.本发明的内容根据上述传热学理论，为达到本发明的目的，而采用螺旋层腔热交换方法。
将高，低温流体层腔相间分层卷在一起，形成螺旋层腔体。高，低温流体分别沿螺旋层腔相向或相垂直流动。高，低温流体通路可以是具有相同相间条数的螺旋层腔首与首，尾与尾相并联的通路，也可以是只有一条相间的螺旋层腔通路。
螺旋层腔热交换器有全封闭式和半封闭式两种。全封闭式就是高温流体腔和低温流体腔全都是封闭的;半封闭式是高温或低温流体腔，只有一个腔是封闭的，另一个腔是两端敞开的。根据不同产品要求选用全封闭或半封闭式的螺旋层腔热交换方法。
全封闭式螺旋层腔热交换器工作原理见附
图1中，高温流体从7(内层腔内口)输入，与低温流体相向而流，流经3(内层腔)螺旋层，一边流动，一边向高温层腔壁释放热量，高温流体由于释放热量，而使高温流体温度逐渐下降一直到高温流体流出5(内层腔外口)为止，温度也就下降到最低点，如果是充分热交换的话，这个高温流体输出时的温度最低点就是低温流体的输入温度，这样就使原高温流体降为低温。另一方面，低温流体从4(外层腔外口)输入，与高温流体相向而流，流经2(外层腔)螺旋层，一边流动一边吸收高温流体通过1(螺旋层腔壁)传导过来的热量，低温流体由于吸收热量，而使低温流体温度逐渐上升，一直到低温流体流出6(外层腔内口)为止，温度也就上升到最高点，如果是充分热交换的话，这个低温流体输出时的温度最高点就是高温流体的输入温度，这样就使原低温流体升为高温。这就是全封闭式螺旋层腔热交换的全过程。
半封闭式螺旋层腔热交换器工作原理见附图2中，高温流体从4(封闭层腔外口)输入，与低温流体垂直而流，流经3(封闭层腔)螺旋层，一边流动，一边向高温层腔壁释放热量，高温流体由于释放热量，而使高温流体温度逐渐下降，一直到高温流体流出5(封闭层腔内口)为止，温度也就下降到最低点，如果是充分热交换的话，这个高温流体输出时的温度最低点就是低温流体的输入温度，这样就使原高温流体降为低温。另一方面，2(敞开层隙)内的低温流体由于吸收高温流体通过1(螺旋层腔壁)传导过来的热量使敞口层隙内的低温流体温度升高，而使这部分流体体积彭涨，从而沿敞口层隙向上流动，热交换器下方的低温流体不断补充，形成对流，加热热交换器周围的流体。这就是半封闭式螺旋层腔热交换的全过程。
由于在一定体积的螺旋层腔体内，增加螺旋层数，一方面可以任意扩大导热表面积(F)，另一方面由于螺旋层腔热交换器体积一定，螺旋层数越多，层腔断面越窄，层腔断面就越小，断面上高，低温流体的流速也就越快。高温流体在层腔内的流速越高，高温质点与层腔壁的直接接触的机会就多，(幅射热越大，)导热量也就大，给层腔壁壳补偿的热能就多，从而使高温层腔内壁温度保持高温。同样，低温流体在层腔内的流速越高，低温质点与层腔壁的直接接触机会就多，因而低温流体吸收层腔壁壳上的热量的速度就快，低温层腔内壁的温度就能保持低温。这样层腔壁壳两壁的温差(△t)就较大。
总之，采用螺旋层腔热交换方法，一方面可以使热交换面(F)扩大若干倍，另一方面可以使层腔壁壳两壁的温差(△t)保持最大值。根据热传导公式Q＝ (γ)/(δ) △t×F可知在有足够的热量输入时，导热量Q也就相应扩大了若干倍。
根据以上分析，由于采用了螺旋层腔热交换方法，使放热，吸热两个过程的速度都大大加快，从而提高了热能交换的速度。
由于采用螺旋层腔，使高温流体要通过所有螺旋层，才能流出热交换器，这就使高温流体的流程增加了若干倍，这样也就延长了同一断面高温流体与较长段低温流体的传热时间，而使高温流体充分放热，降到最低温度;同理，使低温流体充分吸热升到最高温，从而提高了热量利用率。
如将半封闭式螺旋层腔热交换方法用于制造散热取暖产品，将具有体积小，散热量大等特点。
如用半封闭式螺旋层腔热交换方法制造螺旋层火腔加热器安装在水壶内的水中，将加热器进火口做成喇叭型，出口处用抽风机，或用高烟囱拉火，也可在进火口吹火，或直接放置在炉火上，使火苗卷进螺旋层腔内，由于螺旋层腔体淹没在水壶内的水中，所以，这样制成的水壶烧水速度快，热量损失极小。
如用螺旋层腔热交换方法制成的各种锅炉，空调，烘烤箱，取暖器，降温器，恒温箱，烧水壶，炒菜锅等都具有热交换快，热交换后温差大，交换热量大，热量利用率高，热交换器体积小等优点。
总之，与现有技术相比，螺旋层腔热交换方法具有以下优点热交换速度快，热量交换充分，热交换量大，特别是热交换后高，低温负温差大(如采用全封闭高，低温流体在螺旋层腔中相反方向相间分层流动。热交换后，原高温流体的输出温度将远低于原低温流体的输出温度。由于热交换输入前高，低温差为正温差，而热交换后高，低温输出的温差为负数值，所以称负温差)，这是同样现有热交换方法(热交换后，原高，低温的输出温差为渐近于零的正温差)所不能达到的。
螺旋层腔热交换方法的出现，将有利于现有锅炉，空调与制冷，烘烤箱，散热取暖器，烧水壶，炒菜锅等热交换产品，由面热交换方法转向高，低温流体相互进行体内隔离渗透式热交换方法，使热交换向着速度快，热交换充分，交换后负温差大，交换热量大，热交换器体积小的方向发展。
附面说明图1是全封闭式螺旋层腔热交换方法原理示意图。
图中1-螺旋层腔壁 2-外层腔3-内层腔 4-外层腔外口5-内层腔外口 6-外层腔内口7-内层腔内口 8-保温外壳图2是半封闭式螺旋层腔热交换方法原理示意图。
图中1-螺旋层腔壁 2-敞口层隙3-封闭层腔 4-封闭层腔外口5-封闭层腔内口 6-保温外壳实现本发明的最好方法第一.螺旋层腔壁应选用导热系数大，在高温流体长期通过不变形的材料，如铜，铝等。
第二.尽量减小螺旋层腔壁的厚度，但也要满足机械强度的要求。
第三.尽量增大螺旋层腔内，外壁的热交换温差。
1.增加高温流体的输入温度，即增加高温流体的单位体积的热能。
2.强制性增加高温流体的流速，如采用抽风机将火焰拉长，卷进螺旋层腔。
3.全封闭式螺旋层腔热交换装置，如果高，低温流体是同质流体。高温流体与低温流体相向螺旋流动，高温流体热交换后的温度可降到渐近低温流体热交换前的温度。同样低温流体热交换后的温度可升到渐近与高温流体热交换前的温度。
第四.尽量增加螺旋层数，一方面能使热交换表面积成倍数扩大，这样单位时间内的传热量就大。另一方面，由于热交换装置体积一定，螺旋层数越多，每层之间的层距就越小，层腔就越扁，高低温流体质点在层腔中流动，接触层腔壁的机会就多，即高，低温流体与层腔壁之间的热交换速度就加快。
第五.尽量增加高，低温层腔内壁的表面粗糙程度。这样，一方面相当于加大层腔内壁的表面积，使高，低温质点与层腔内壁的接触机会增多;另一方面可以使层腔内的高，低温流体内部加快对流速度，而快热交换速度。
第六.增加高低温流体层腔通路的条数，可扩大高，低温流体的总流量，从而达到增加单位时间内热交换的量，即提高了热交换的速度。如同一温度流体有若干条螺旋层腔支路，首与首，尾与尾相并联。这样可在不扩大每条层腔断面的前提下，扩大了高低温流体的总通路断面，从而使单位时间内热交换量成倍数增长。提高了热交换速度。
第七.加速高，低温流体的流速，可采用合理或强制加快对流散热结构，如半封闭式螺旋层腔散热器，可竖立放置且上下两敞口端留有一定空间，这样被加热的空气将沿敞口层壁向上自然对流。如高，低温流体螺旋层腔都是封闭的，封闭腔内流体的流动必须具有动力推动，使其强制流动，加大这种强制流动的动力，可加快封闭螺旋层腔内的流体的流速，以加快热交换速度。但流速过大，热交换时间就短，就不能充分热交换;流速过小，流量就小，热交换速度也就较慢了。所以既要尽量加快流速，又要考虑到充分热交换。
第八.根据不同要求选用全封闭或半封闭式螺旋层腔热交换器。注意高，低温流体;内，外层腔;内，外口的输入与输出方向之间的合理搭配。筒型，鼓型全封闭式螺旋层控热交换器制造时可先做成敞口层隙，然后用高温橡皮垫及盖子封闭交换器两端。再在交换器外围加上保温层，防止能量损失。
第九.螺旋层腔热交换器可做成全封闭式体积最小，而传热表面积最大的螺旋层球型热交换器，这种热交换器具有热交换充分，交换速度快，能量散失少，体积小等优点，但构造，及制造工艺复杂。
最实用的螺旋层腔热交换器有圆筒型和鼓型，可广泛用于取暖散热，烧水容器，空调，制冷等热交换器。
第十.高，低温流体在热交换的入口处，应设计成渐近收缩流线式嘴。如喇叭嘴式入口嘴，可以减小高，低温流体的流通阻力。
第十一.调节高，低温流体总流量阀门，就可以控制螺旋层腔热交换器的热交换量，交换速度和交换后的温差等有关参数。
权利要求
螺旋层腔热交换方法，是一种提高热交换效率的方法，该方法不增加热交换器体积，能同时任意扩大高，低温流体的接触面，本发明特征是采用螺旋层腔将高，低温流体相隔导热层螺旋分层，相互包围，相互渗透，充分接触，进行热交换，
权利要求
1、螺旋层腔热交换方法。2、根据权利要求1所述的螺旋层腔热交换方法，其特征在于高，低温腔都是封闭的，但输入输出口不封闭的全封闭式螺旋层腔热交换方法。3、根据权利要求1所述的螺旋层腔热交换方法，其特征在于高，低温腔只有一个封闭的，但输入和输出口都不封闭的半封闭式螺旋层腔热交换方法。4、根据权利要求2所述的全封闭式螺旋层腔热交换方法或权利要求3所述的半封闭式螺旋层腔热交换方法生产的热交换产品。
全文摘要
螺旋层腔热交换方法是一种提高热交换效率的方法，将高，低温流体相隔导热层螺旋分层，相互包围，相互渗透，充分接触，进行热交换，从而使热交换充分，速度快，交换后温差大。该发明可以广泛用于锅炉，空调，制冷，取暖，蒸饭，烧水，炒菜等热交换产品。
文档编号F28D7/02GK1057105SQ9110394
公开日1991年12月18日 申请日期1991年6月7日 优先权日1991年6月7日
发明者杨福九 申请人:杨福九