换热管及换热器的制作方法

本发明涉及换热设备领域，尤其涉及一种换热管及换热器。

背景技术：

随着经济的发展，资源的需求量急剧增加，环境污染日趋严重，严重影响了人们的生活和经济的持续发展。为了解决以上问题，我国提出了一系列的节能减排措施，其中污水资源的开发利用是其中一项重要措施。

城市污水是一种比较理想的低温热源，具有一年四季水量相对稳定，水温变化较小的特点。冬季，污水温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；而夏季水温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，能效比也提高。综上所述，如果使用污水源热泵能够大大提高能效比，一般可以达到4级‐5级，节能效果显著。

按照污水利用的方式可分为直接利用方式和间接利用方式。直接利用方式是通过污水与制冷剂之间经换热器壁面直接换热；间接利用方式是通过污水与中间介质通过换热器避免换热，中间介质在于制冷剂通过换热器壁面换热。

对比直接利用方式与间接式利用方式可以发现，直接式利用方式相对于间接式利用方式省去了中间介质环节，换热效率更高，投资更小，运行费用低等优点。

污水源热泵换热系统实现无堵塞连续高效换热，是利用污水作为热泵冷热源技术的关键，但由于直接式利用方式对热泵机组的蒸发器和冷凝器改造较大，而间接式利用方式由于不同污水直接接触，目前应用较为广泛。

对于污水换热器的直接式利用方式有很多，但由于污水的粘性较大且易沉积、结垢，尽管换热器的设计及制造工艺很成熟，但是适用于污水进行直接换热的换热器至今还未成熟。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种换热管及换热器，以解决换热管内杂质易沉积的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种换热管，其包括换热管体，换热管体内设置有大小可调节的扰流结构，换热管还包括控制扰流结构大小的调节部，调节部与扰流结构连接。

进一步地，扰流结构具有内腔，调节部控制扰流结构的内腔的压力调节扰流结构的大小。

进一步地，扰流结构设置在换热管体的管壁上，扰流结构包括：安装基座，安装基座与管壁固定连接；弹性覆膜，弹性覆膜设置在安装基座上，且与安装基座的朝向换热管体内的表面形成内腔。

进一步地，扰流结构设置在换热管体内，扰流结构包括：安装管，安装管设置在换热管体内；弹性覆膜，弹性覆膜与安装管连通，且弹性覆膜与安装管的管腔构成扰流结构的内腔。

进一步地，调节部控制向内腔内输送填充物或从内腔抽出填充物调整内腔的压力。

进一步地，弹性覆膜的材质可以是高弹性记忆合金或耐磨硅胶。

进一步地，调节部包括：输送管，输送管与扰流结构的内腔连通，介质输送结构，介质输送结构与输送管连接；控制结构，控制结构与介质输送结构连接，并控制介质输送结构通过输送管向扰流结构的内腔输送填充物或抽出填充物。

进一步地，填充物可以为液体填充物和/或气体填充物。

根据本发明的另一方面，提供一种换热器，其包括换热器壳体，换热器壳体具有容纳腔，容纳腔内还设置有一个或以上换热管，换热管为上述的换热管。

进一步地，换热器还包括检测换热器的换热效率的检测部，检测部与换热管的控制结构连接，控制结构根据检测部检测的换热效率控制介质输送结构向扰流结构的内腔输送填充物或抽出填充物。

进一步地，换热器壳体上设置有与换热管连通的第一入口管和第一出口管，换热器壳体上还设置有与容纳腔连通的第二入口管和第二出口管，检测部包括：第一流量表，第一流量表设置在第一入口管上，并检测进入换热管内的第一介质的流量；第一温度检测件，第一温度检测件设置在第一入口管上，并检测进入换热管内的第一介质的进入温度；第二温度检测件，第二温度检测件设置在第一出口管上，并检测从换热管内流出的第一介质的流出温度；第二流量表，第二流量表设置在第二入口管上，并检测进入容纳腔内的第二介质的流量；第三温度检测件，第三温度检测件设置在第二入口管上，并检测进入容纳腔的第二介质的进入温度；第四温度检测件，第四温度检测件设置在第二出口管上，并检测从容纳腔流出的第二介质的流出温度；控制结构根据第一介质流量、第一介质的进入温度、第一介质的流出温度、第二介质流量、第二介质的进入温度和第二介质的流出温度确定换热器的换热效率。

本发明的实施例的换热管在换热管体内设置大小可调节的扰流结构，通过调节部对扰流结构的大小进行调节，使得换热管能够在需要时清除积垢，在不需要时避免增大系统阻力，既保证了换热效率和持久运行，又防止了过度增加能耗。

附图说明

图1为本发明的实施例的具有换热器的换热系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例的换热管的结构示意图；

图3为本发明的实施例的换热管的局部立体结构示意图；

图4为本发明的实施例的换热管的第一种扰流结构的立体结构示意图；

图5为本发明的实施例的换热管的第二种扰流结构的立体结构示意图；

图6为本发明的实施例的换热器的结构示意图。

附图标记说明：

10、换热管体；11、扰流结构；12、内腔；13、安装基座；14、弹性覆膜；15、安装管；16、输送管；17、换热器壳体；18、第一入口管；19、第一出口管；20、第二入口管；21、第二出口管；22、第一流量表；23、第一温度检测件；24、第二温度检测件；25、第二流量表；26、第三温度检测件；27、第四温度检测件；28、连接支管；30、四通阀；31、第二介质管；32、第二支路控制阀；33、第一热源管；34、第一热源管控制阀；35、输送泵；36、过滤网；37、总管；38、第一支路控制阀；39、第一支路；40、第二热源管控制阀；41、第一介质管；42、第二支路；43、总控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的换热管及换热器进行详细描述。

如图1至图6所示，根据本发明的实施例，换热管包括换热管体10，换热管体10内设置有大小可调节的扰流结构11，换热管还包括控制扰流结构11的大小的调节部，调节部与扰流结构11连接。

通过在换热管体10内设置扰流结构11，可以在换热管体10内有流体流动时使换热管体10内产生局部湍流，从而防止流体内夹带的杂质或污染物沉积，实现防止换热管体10内积垢的目的。避免换热管体10内积垢就可以解决由于换热管体10内积垢造成的换热效率降低等问题。扰流结构11的大小可以调节就解决了在换热管体10内设置凸起的扰流结构11造成的换热系统运行阻力增加，能耗增加的问题。

该换热管尤其适用于污水源热泵换热系统。由于污水源热泵换热系统采用污水作为热源，而污水中携带较多杂质，致使污水源热泵换热系统在工作时容易发生杂质沉积结垢，使换热效率降低等问题。采用此种换热管，可以利用扰流结构11避免换热管体10内结垢，在需要除垢或防止结垢时使扰流结构11凸出换热管体10的体积较大，产生湍流；在不需要除垢或防止结垢时扰流结构11凸出换热管体10的体积较小或没有。这样既能够防止结垢或除垢，又可以有效减少增加的换热系统运行阻力，降低能耗。

扰流结构11凸出换热管体10的体积大小的调节可以通过多种方式，例如，调节扰流结构11的位置，使其凸出的体积改变。如将扰流结构11设置在管壁上，并设置驱动结构使扰流结构11能够沿换热管体10的径向运动，从而调节扰流结构11凸出换热管体10内壁的凸起的大小。或者使扰流结构11采用弹性材料，通过改变压力的大小控制扰流结构11的大小，从而调节凸出换热管体10的体积的大小。

在本实施例中，扰流结构11采用弹性材料形成内腔12，调节部通过控制扰流结构11的内腔12的压力来调节扰流结构11的大小。具体地，通过向内腔12内输送填充物或从内腔12抽出填充物控制内腔12内的压力。

扰流结构11的设置方式可以有多种，例如，如图2所示，将扰流结构11设置在换热管体10的管壁上，随着内腔12内压力的增减，扰流结构11相应增减，从而实现换热管体10内的扰流结构11大小的调节。或者，如图5所示，扰流结构11设置在换热管体10内，随着内腔12内压力的增减，扰流结构11相应增减，也能够实现换热管体10内的扰流结构11大小的调节，从而使换热管体10内产生湍流，达到除垢或防止积垢的目的。

针对扰流结构11的设置方式的不同，扰流结构11的结构适应性不同，下面对两者扰流结构11进行逐一说明。

如图2至图4所示，扰流结构11设置换热管体10的管壁上时，扰流结构11包括安装基座13和弹性覆膜14。安装基座13与管壁固定连接，用于将扰流结构11固定在管壁上。安装基座13可以是金属等能够焊接的材质，以方便与换热管体10的管壁固定连接。

弹性覆膜14设置在安装基座13上，且与安装基座13的朝向换热管体10内的表面围成内腔12。弹性覆膜14的主要作用是形成内腔12，并在换热管需要除垢或防止积垢时膨胀形成凸起。

在本实施例中，扰流结构11还包括连接支管28，连接支管28穿过安装基座13，并与内腔12连通。调节部用于调节内腔12内的压力，以根据需要控制扰流结构11的大小，防止换热管体10内积垢。

调节部包括输送管16、介质输送结构和控制结构。

输送管16通过连接支管28与扰流结构11的内腔12连通。

介质输送结构与输送管16连接。介质输送结构可以是泵或其他液体或气体增压装置，只要能够输送填充物或抽出填充物的结构。

控制结构与介质输送结构连接，并控制介质输送结构通过输送管16向扰流结构11的内腔12输送填充物或抽出填充物。控制结构可以PLC控制器或单片机等。

填充物可以为液体填充物和/或气体填充物。

如图2所示，图中虚线所示为较小的弹性覆膜14形成的凸起。与虚线同心的实线为较大的弹性覆膜14形成的凸起。当换热管不需要进行除垢或防止结垢时，控制结构可以控制介质输送结构从内腔12中抽出填充物(填充物可以是气体或液体)。使内腔12中压力变小，弹性覆膜14变平，这样可以不增加换热管内的流阻，减少能耗。

需要除垢或防止结垢时，控制结构控制介质输送结构向内腔12中输送填充物，使内腔12的压力增大，弹性覆膜14膨胀形成凸起，使换热管内形成湍流，防止污垢沉积。

使用时，由于输送管16处于制冷剂内，需抗腐蚀，且需做好密封，否则将会污染制冷剂，影响系统运行。当然，该输送管16也可以设置在换热管内。

为了确保弹性覆膜14具有良好的弹性和恢复效果，且能够确保密封性，不会导致泄漏。弹性覆膜14的材质可以是高弹性记忆合金或耐磨硅胶。例如，弹性覆膜14的材质可选用高分子复合材料、耐磨硅胶、或者是钛合金、镁钪合金等。优选地，弹性覆膜14为高弹性的记忆合金。

需要说明的是，根据除垢和防止沉积的需要，在换热管体10内设置有多个扰流结构11。扰流结构11的具体设置位置可以根据仿真技术确定。在本实施例中，沿换热管体10的周向设置有多组扰流结构11，各组扰流结构11包括多个沿换热管体10的长度方向依次间隔设置的扰流结构11。

如图5所示，扰流结构11设置在换热管体10中时，扰流结构11包括安装管15和弹性覆膜14。安装管15设置在换热管体10内，安装管15主要用于安装弹性覆膜14。弹性覆膜14设置在安装管15上，且弹性覆膜14与安装管15的管腔构成扰流结构11的内腔12。弹性覆膜14膨胀形成凸起后为类球形。

沿安装管15的长度方向设置有多个弹性覆膜14。

此种结构中，在平时状态，弹性覆膜14内部无气体，处于线性扁平状；内部充气时，弹性覆膜14呈凸起状态，形成球状，在换热管内部形成湍流，冲击污垢，在清除后，将内部气体释放，恢复至线性扁平状，从而实现运行节能。充气可以采用充气装置，该充气装置处在换热器外部，通过输送管(如母管)的形式送入换热器，期间要做好密封。

如图6所示，根据本发明的另一方面，提供一种换热器，换热器包括换热器壳体17，换热器壳体17具有容纳腔，容纳腔内还设置有至少一个换热管。采用上述换热管的换热器可以保证持续良好运转，确保换热效率。

优选地，换热器还包括检测换热器的换热效率的检测部，检测部与换热管的控制结构连接，控制结构根据检测部检测的换热效率控制介质输送结构通过输送管16向扰流结构11的内腔12输送填充物或抽出填充物。这样能够根据换热效率判断换热管内是否有积垢，从而能够准确及时地控制除垢或防止积垢。

具体地，如图6所示，以第一介质与第二介质逆向流动为例进行说明，换热器壳体17上设置有与换热管连通的第一入口管18和第一出口管19，换热器壳体17上还设置有与容纳腔连通的第二入口管20和第二出口管21。检测部包括第一流量表22、第一温度检测件23、第二温度检测件24、第二流量表25、第三温度检测件26和第四温度检测件27。

其中，第一流量表22设置在第一入口管18上，并检测进入换热管内的第一介质的流量。第一温度检测件23设置在第一入口管18上，并检测进入换热管内的第一介质的进入温度。第二温度检测件24设置在第一出口管19上，并检测从换热管内流出的第一介质的流出温度。

第二流量表25设置在第二入口管20上，并检测进入容纳腔内的第二介质的流量。第三温度检测件26设置在第二入口管20上，并检测进入容纳腔的第二介质的进入温度。第四温度检测件27设置在第二出口管21上，并检测从容纳腔流出的第二介质的流出温度。

控制结构根据第一介质流量、第一介质的进入温度、第一介质的流出温度、第二介质流量、第二介质的进入温度和第二介质的流出温度确定换热器的换热效率。

需要说明的是，在其他实施例中，第一介质和第二介质的流动方向可以相反，即第一介质可以从第一出口管19流入，从第一入口管18流出，第二介质可以从第二入口管20进入，第二出口管21流出，也可以从第二出口管21流入，第二入口管20流出。

具体计算过程如下：

通过公式可求得单位时间内的第一介质的换热量，如下：

q₁＝cq_m(T₆-T₂)

其中，q₁为单位时间换热量，c为流经管程液体的比热容(即第一介质的比热容)，q_m为质量流量，T₆为管程出口温度(即第一介质的流出温度)，T₂为管程入口温度(即第一介质的进入温度)。

通过公式可求得单位时间内的第二介质的换热量，如下：

q₂＝cq_m(T₃-T₅)

其中，q₂为单位时间换热量，c为流经管程液体的比热容(即第二介质的比热容)，q_m为质量流量，T₃为壳程出口温度(即第二介质的流出温度)，T₅为壳程入口温度(即第二介质的进入温度)。

通过实时监测进入换热器的流量及进出口温度，显示换热量实时变化值，污水源热泵运行时，由于边界层的作用，其会逐渐在换热管的管壁内形成一层软垢，从而增加换热热阻，换热量成递减趋势。

两者在换热量上做一个对比，其值理论上是相等的，两者对比后进行相差不大后下一步计算。

由于换热量随工况的变化而变化，无法对换热器内部结垢形成有效的判断，为此可依据对流传热系数进行测量，具体如下：

对流换热系数K为：

式中，q为单位时间换热量，A为换热面积，Δtm为对数平均温差，K为对流换热系数。

其中

逆流时：ΔT₁＝T₂-T₃ ΔT₂＝T₆-T₅

顺流时：ΔT₁＝T₂-T₅ ΔT₂＝T₆-T₃

其中，

逆流时：T₂——热流进口温度℃(第一介质的进入温度)，T₃——冷流出口温度℃(第二介质的流出温度)，T₆——热流出口温度℃(第一介质的流出温度)，T₅——冷流进口温度℃(第二介质的流出温度)。

顺流时：T₂——热流进口温度℃(第一介质的进入温度)，T₃——冷流入口温度℃(第二介质的流入温度)，T₆——热流出口温度℃(第一介质的流出温度)，T₅——冷流出口温度℃(第二介质的进入温度)。

换热管内的换热面积是一定的，上述公式，可实时监测对流换热系数的变化值，在冲洗的过程中当ΔK＝K₂-K₁小于一定值时，可认为其对流换热系数不在变化，即冲洗完成，大于该定值时，则继续冲洗，其中K₂为此时检测值，K₁为上一时刻检测值。

如图1所示，采用此种换热器的污水源热泵换热系统。在换热系统中，管程走污水，壳程走制冷剂。

走污水所用的换热管，内部有相应的扰流结构11，该扰流结构11的布置能够使水流流经扰流结构11后，在其后上部形成高速流动区(高速流动区流速一般均大于来流速度)，下部形成回流区，两者均能在一定程度上避免污水结垢，当进口流速发生变化时，在扰流结构11后部流场发生较大的变化，湍流变化过程中不利于污垢的沉积，有利于换热管的持久高效运行。当流体反向后，扰流结构11外部流场再次发生较大变化，能够实现无盲区自动清洁污垢，定期通过四通阀30切换进出水，实现污水源热泵的长期不结垢，保证安全稳定运行。

扰流结构11在工作时处于凸起状态，由于凸起的作用，换热管内部的湍流度增加，污水冲刷管壁的效果增强，在避免污水在管壁上结垢的同时，会大大提高污水源热泵的换热效率。

但是，处于凸起状态的扰流结构11在一定程度上增加了换热系统阻力，流体在流动中一部分能量用于增加流体扰动，使得一部分能量被消耗，使得整个换热系统的能耗增加。为了解决这一问题，扰流结构11设置为大小可以调节的结构，在不需要进行除垢时使扰流结构11的凸起尽量小，避免过度增加能耗，在需要进行除垢时使扰流结构11的凸起较大，保证清洁效果。

该换热系统工作时可控制污水的流动方向，以提高清洁效果，保证系统持续运行。

污水正向流动：

总管37内的污水源水经过滤网36过滤后，经输送泵35加压，分别经过总控制阀43、第一热源管控制阀34通过第一热源管33，进入换热器内的换热管，此时第一支路39上的第一支路控制阀38、第一介质管41上的第二支路控制阀32关闭，水进入管程。制冷剂通过第二支路42或第二介质管31进入换热器，同污水换热。污水换热后，经第二热源管控制阀40排出。

当需要清洗时有三种方案：

其中一种，通过增加、减少输送泵35频率，实现管内流速变化，当管内流速变化时，能够实现管内局部雷诺数的剧烈变化，从而破坏管内软垢，实现管内自清洁。

另一种，通过控制结构控制介质输送结构向扰流结构11的内腔12内输送填充物，使扰流结构11增大，形成凸起，使换热管内产生湍流，破坏积垢。

再一种，使污水逆向流动(相对于换热器)：

通过改变管内流体方向，实现自清洁。此时，总管37内的污水源水经过滤网36过滤后，经输送泵35加压，流经总控制阀43、第一支路控制阀38进入第一支路39，并进入换热器，与制冷剂换热后经第二支路控制阀32通过第一介质管41排出，此时第一热源管控制阀34和第二热源管控制阀40关闭。

为保证和制冷剂的梯级换热，制冷剂流动的方向也做出相应调整，具体如下：

四通阀30的c口为压缩机出口、d口为蒸发器入口。

当热泵制冷、污水正向流动时：

经压缩机压缩后的高压制冷剂从c口进入四通阀30，经历a口和第二支路42、换热器壳程、第二介质管31，最后冷却后的制冷剂通过d口送入蒸发器。

当热泵制冷、污水逆向流动时：

经压缩机压缩后的高压制冷剂从c口进入四通阀30，经历b口、第二介质管31、换热器壳程、第二支路42，最后冷却后的制冷剂通过d口进入蒸发器。

以此类推：当热泵制热、污水正向流动时；当热泵制热、污水反向流动时，可以经过换热器实现热量的提取，在此不再赘述。

在换热管内设置可变形式球形凸起，当运行刚开始时，管内凸起呈扁平状态，减少系统运行阻力；当运行一段时间管内结垢时，通过控制管外介质输送结构(如加压装置)给凸起加压，使凸起突出，增加管内湍流度，随着液体在管内逐步清除污垢，通过换热效果来进行判断污垢是否清除。当产生污垢后会在一定程度上降低换热效果，大流量湍流冲洗后其换热量将大大增加，随后加压装置释放压力，管内凸起恢复至扁平状态，换热管继续运行，如此循环。

本发明的换热管及换热器具有如下效果：

能有效清除管内软垢；

能有效降低泵的能耗；

增加管内换热效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。