一种间壁式热交换器及其制作方法与流程

本发明涉及热交换器，特别是一种由多层螺旋形流道构成的间壁式热交换器及其制作方法。

背景技术：

热交换器是化工、能源、冶金、动力等行业用于改变流体工质温度条件的有效设备。热交换器的传热效率与换热面积成正比，与流动的湍流度成正相关。工程应用上对热交换器首先要求有大的换热面积以提高传热效率，同时希望其结构紧凑，体积尽量缩小。紧凑性是指热交换器单位体积内所包含的换热面积大小，单位为m²/m³。

换热面积的增加往往会伴随流动阻力的增大，在热交换器设计或选型过程中需根据工程实际需要对换热面积和流动阻力做出取舍。

热交换器按照传递热量方式可分为间壁式、混合式、蓄热式三大类。所谓间壁式是指热流体和冷流体之间有一固体壁面，两种流体不直接接触，热量通过壁面进行传递。其中，间壁式热交换器又包括管壳式、沉浸式、套管式、螺旋板式、板式、板翅式等多种结构形式。

管壳式热交换器目前应用最为广泛，其缺点是紧凑性不高、阻力损失较大、易结垢；沉浸式热交换器紧凑性较差，流体湍流度低；套管式热交换器仅适合高温高压小流量流体的换热，适用范围较小；板式和板翅式热交换器紧凑性好，流道内遍布凹凸不平的换热面，换热面积相对比较大，但同样存在流动阻力较大的缺陷；螺旋板式热交换器各项技术指标较为适中，但其传热方式同板式、板翅式一样，仍为一维传热，传热面积、传热效率和空间利用率仍不够理想。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种结构紧凑、传热面积大、传热效率和湍流度高的间壁式热交换器及其制作方法。

本发明提供的间壁式热交换器，由断面为矩形的热流体流道和冷流体流道相互贴合构成；其特点是，该热交换器沿轴向以多个不闭合环形换热流道单元形式通过转换弯道前后紧密排列构成一个流道层，多个这样的流道层沿径向紧密贴合嵌套，使热流体流道和冷流体流道在轴向和径向均相互交错，热流体和冷流体为轴向和径向二维传热。

本发明间壁式热交换器的制作方法是：

先用矩形薄金属板作为间壁式热交换器最内流道层的内壁，卷制成一个圆筒，并将圆筒焊接闭合；然后将宽度为流道内孔径向厚度的带状薄金属板沿换热流道单元的轨迹焊接在圆筒的外侧，作为最内流道层的热流体流道和冷流体流道共用的侧壁，并将设置在该流道层的热流体出口和冷流体出口及端部换层弯道同时焊接成型；然后用矩形薄金属板作为该流道层的外壁，卷制、并在卷制过程中同时使其与所述侧壁焊接，卷制完成后将其焊接闭合，在对应换层弯道位置处切割出一矩形口，作为端部换层弯道的接口，完成最内流道层的制作；然后以最内流道层的外壁作为自内向外第二流道层的内壁，按相同方法焊接第二流道层的冷流体流道和热流体流道共用的侧壁，同时将两端的换层弯道焊接成型，再用矩形薄金属板作为自内向外第二流道层的外壁，完成自内向外第二流道层的制作；如此循环，直至完成最外流道层的制作,将热流体入口和冷流体入口设在最外流道层的一端。

与现有技术相比较，本发明的优点是：

1、本发明由于冷热流体为二维传热，其换热面积，紧凑性、传热效率和流动湍流度均比同体积的螺旋板式热交换器大幅度提高。

2、与板式热交换器相比，本发明具有流动阻力小，不易结垢的优点。

3、与管壳式和沉浸式热交换器相比，本发明紧凑性大大提高。

4、与套管式热交换器相比，本发明紧凑性高，额定流量大，适用范围更广。

附图说明

附图为本发明实施例的示意图，其中：

图1为热交换器主体的轴测图；

图2为截取的单个换热流道单元的示意图；

图3为最外流道层向次外流道层转换示意图；

图4为热交换器首端沿轴向正视图；

图5为沿图4A-A断面图；

图6为热交换器最内流道层冷流体流道和热流体流道出口段示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

结合图1和图2，本实施例热交换器由断面为矩形的热流体流道7和冷流体流道8相互贴合(如图2所示)构成，沿其轴向以图2所示八个不闭合环形换热流道单元形式通过双弧形转换弯道5前后紧密排列构成一个流道层，每一流道层中的八个换热流道单元包括前后依次为Z1、Z3、Z5、Z7、Z9、Z11、Z13、Z15和Z2、Z4、Z6、Z8、Z10、Z12、Z14、Z16共十六个冷、热流体流道单元(其中奇数序号组和偶数序号组在不同流道层中对应不同的热流体流道单元和冷流体流道单元，图1中黑色表示热流体流道和冷流体流道共用的侧壁)。由十个这种结构的流道层R1至R10沿径向相互紧密贴合嵌套，构成热交换器的主体。结合图3、图4和图5，以最外流道层R1为例，相邻流道层间的转换方式为：流道层R1的最后一个换热流道单元在热交换器尾端转过大约270°后通过换层弯道6(直径为800mm的热交换器换层弯道的长度为120mm左右)向热交换器的首端回返，为使内外流道层中的热流体流道(图3和图5中沙粒图案所示)和冷流体流道(图3和图5中白色图案所示)在径向能相互交错，以实现冷热流体径向传热，最后一个换热流道单元回返时需由所在位置Z16和Z15经转换弯道与位于Z13和Z12的换热流道单元对接，中间空出如图3和图5中黑色图案所示与Z14位置对应的流道空区9，然后紧贴最外流道层R1的内壁行至热交换器的首端，构成次外流道层R2。流道层R2在热交换器的首端以同样方式回返至热交换器的尾端，构成第三流道层R3。如此往返，在径向自外向内构成R1至R10共十个流道层，使热流体流道和冷流体流道在轴向和径向呈图5所示相互交错状态，实现冷热流体在轴向和径向二维传热。热交换器的热流体入口1和冷流体入口2布置在热交换器首端最外流道层(如图1和图4所示)；热流体出口3和冷流体出口4布置在热交换器首端最内流道层(如图1和图6所示)。

热流体和冷流体在上述热交换器中的运行如下：

热流体和冷流体分别由布置在热交换器首端最外流道层的热流体入口1和冷流体入口2流入，在最外流道层R1中，冷热流体在流道的非转换弯道部分是做圆周形式的周向运行，运行接近一周时进入流道转弯区，经转换弯道转入第2个圆周继续做周向运行；运行到流道转弯区再经第二个转换弯道转弯进入第3个圆周继续做周向运行；如此循环，直至运行到热交换器的尾端后回返，进入次外流道层R2后，以同样方式向热交换器首端继续运行，如此往复10次，热流体和冷流体分别由布置在热交换器首端最内流道层的热流体出口3和冷流体出口4流出。热交换器中的热流体和冷流体呈现的是周向运行、轴向运行和径向运行的叠加，其中周向运行的方向自始至终不变，轴向运行在换层后变向。

本实施例的制作方法如下：

先用矩形薄金属板作为流道层R10的内壁卷制成一圆筒，焊接闭合后将宽度为流道内孔径向厚度的带状薄金属板沿换热流道单元的轨迹焊接在圆筒的外侧，作为最内流道层的热流体流道和冷流体流道共用的侧壁，并将该流道层的热流体出口3、冷流体出口4和末端换层弯道6同时焊接成型，然后用矩形薄金属板卷制作为该流道层的外壁，卷制过程中同时进行与所述侧壁的焊接，卷制完成后将外壁焊接闭合，并在对应换层弯道6的位置处切割出一矩形口，作为端部换层弯道的接口，完成最内流道层R10的制作；然后以流道层R10的外壁作为流道层R9的内壁，焊接流道层R9的冷热流体流道共用的侧壁，并将两端的换层流道6同时焊接成型，再用矩形薄金属板卷制作为流道层R9的外壁，以与流道层R10相同方式完成流道层R9的制作；如此循环，直至完成最外流道层R1的制作,将热流体入口1和冷流体入口2设在最外流道层R10的一端。

以直径为800mm、轴向长度为1600mm、冷热流体流道的断面分别为25mm×15mm、径向有20个流道层、每层轴向有32个换热流道单元的热交换器为例，其换热效果通过计算，换热面积约72.65m²，紧凑性指标为91m²/m³,工作的公称压力在2.5MPa以下。其中紧凑性远高于管壳式热交换器；换热面积、紧凑性和流动湍流度均优于相同流动阻力和相同体积的螺旋板式热交换器。其适用范围与螺旋板式热交换器相近，紧凑性介于螺旋板式热交换器和板式热交换器之间。

需要说明的是，本发明热交换器并不限于实施例所述径向有10个流道层、每层有8个换热流道单元，其流道层数量和每个流道层的换热流道单元个数均可增加或减少；冷热流体的进口和出口也不限于布置在热交换器的同一端，也可分别布置在热交换器的首尾两端；热流体流道和冷流体流道可以互换；冷热流体既可采取顺流换热，也可逆流换热。这些改变均在本发明的保护范围之内。