一种耐高压紧凑型换热器的制作方法

本实用新型属于管壳式换热器技术领域，具体涉及一种耐高压紧凑型换热器。

背景技术：

在高压氢气给车载供氢系统加氢过程中，若不采取控温措施的氢气快速加注，会因氢气加注过程的压缩热和焦耳-汤普森效应，使得车载供氢系统中气瓶内的温度快速上升，远超储氢瓶的许可使用温度范围，带来极大的安全隐患。因此氢气加注前，必须采取氢气预冷处理。

目前市场上存在的管壳式换热器和螺旋管式换热器均无法适用于高压（大于20mpa）氢气的使用环境。高压氢气管管侧需使用整根高压管或多根高压管通过高压转接头串并联连接，无论采用上述哪种方式，目前市场上现有结构的换热器在有限的空间内均无法达到换热要求，上述换热器均不适用于高压氢气的使用场合，且现有螺旋管式换热器内部无法安装折流板进行扰流以打破流体边界层进而提高换热能力，故亟需提出一种新型的耐高压紧凑型换热器以解决加氢预冷问题。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是提供了一种结构设计合理且换热效果较好的耐高压紧凑型换热器。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种耐高压紧凑型换热器，其特征在于包括壳体、设置于壳体内部的换热管及连接于换热管两端的穿壳转接头，其中换热管是由整根高压管折弯而成，设计为不同弯管半径的螺旋套设结构，该换热管通过穿壳转接头密封贯穿壳体后分别与高压氢气进出管道连接，壳体两端的进出液法兰分别与冷却液进出管道连接。

优选的，所述壳体外侧设有用于对壳体进行隔热防护的保温装置，该保温装置内置保温材料，优选聚氨酯类发泡材料或保温棉。

优选的，所述壳体上安装有爆破装置，用于在高压氢气泄漏情况下对壳体进行泄压保护，该爆破装置的爆破压力大于壳程流体工作压力并小于壳体设计压力。

优选的，所述换热管是为整根金属管，优选316l不锈钢无缝管，为不同弯管半径折弯而成的螺旋套设结构的换热管。

优选的，所述壳体包括筒体、内筒体、设置于筒体两端的封头、设置于封头上的进出液法兰、设置于筒体上的穿壳转接头安装座及固定于筒体和内筒体两端的进出液端板，其中封头设计为耐压强度较高的椭圆形结构，筒体直径与换热管最大外径相匹配，筒体与换热管之间留有供铸造芯体浇铸的间隙，间隙厚度不小于浇铸时所用内丝管外径尺寸，筒体由金属板卷板焊接而成或由金属无缝管加工而成，穿壳转接头安装在穿壳转接头安装座上，实现换热管贯穿筒体且能保证换热管与筒体之间的密封性，内筒体外径与换热管最小内径相匹配，内筒体与换热管之间同样留有供铸造芯体浇铸的间隙，间隙厚度不小于浇铸时所用内丝管外径尺寸，进出液端板上设有连通筒体和封头的通孔，该通孔为沿圆周方向均布的多个腰形圆孔。

优选的，所述进出液端板上沿圆周方向均布有连通筒体和封头的四个腰形圆孔，前后两侧的进出液端板安装时沿轴向旋转角相差45°以使得前后两侧进出液端板上的腰形圆孔错位相对，用于保证流动的均匀性避免冷却液在筒体内产生死角而影响换热效果。

优选的，所述筒体进液侧或两侧的封头内分别安装有叶片，当冷却液进入封头后，沿叶片流动后进入筒体，冷却液经过叶片后沿径向形成离心力，径向离心力使得冷却液在筒体内旋转轴向流通，用于增加冷却液在流动时的扰流，通过流体的扰流打破流体边界层以增强换热性能。

优选的，所述换热管与内筒体和筒体装配完成后通过铸铝在壳体的筒体和内筒体及换热管之间形成铸造芯体，该铸造芯体的两端分别与进出液端板之间预留有供冷却液集液和分液的腔体。

优选的，所述铸造芯体包括不锈钢内丝管、铸铝和导流槽，不锈钢内丝管和导流槽在铸造前进行预埋，内丝管为直管，可按各种几何阵列式排列，优选为沿轴向列管式圆周阵列排布，内丝管贯穿整个铸造芯体，部分内丝管与换热管可能产生交错处，减小内丝管长度并采用导流槽与其他内丝管流道进行连通，不锈钢内丝管和导流槽密封连接以保证铸造时铸铝不会进入不锈钢内丝管和导流槽内部，冷却液通过不锈钢内丝管和导流槽实现在筒体内的流动，不锈钢内丝管的管内加工有增加扰流和散热面的内螺纹，通过导流槽实现相邻不锈钢内丝管流道之间的连通。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过铸铝芯体设计，本实用新型有效解决高压氢气管程耐压问题（大于100mpa），并在有限的空间体积下实现最大的换热面积和换热能力；

2、本实用新型通过壳体的特殊结构，保证冷却液流动均匀性，避免流动死区，通过两端叶片设计提高流动性，打破流体边界层以强化散热；

3、在相同参数条件下，同济大学申请的专利（专利号为zl201410301723.5）根据管壳式换热器设计的换热器外形为250×250×1500mm，而本实用新型中所述换热器结构达到同样换热能力的情况下，换热器的外形尺寸仅为250×250×800mm，且穿壳转接头数量更少，泄漏风险更小；

4、本实用新型通过铸造芯体增加换热管的耐压能力，并且换热面积由原来的换热管壁面换热改为不锈钢内丝管壁面换热，换热面积是未增加铸造芯体的2.7倍左右，铸造芯体为铸铝材料，导热系数远高于换热管不锈钢的导热系数，故由此增加的导热热阻可忽略；

5、低温冷却液在低温条件下粘度非常大，流体在流动时边界层较厚，通过不锈钢内丝管内部的螺纹结构可增加流体扰流和换热面积，大大提高换热能力。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的半剖结构示意图；

图3是本实用新型的局部结构剖视图；

图4是本实用新型中换热管的结构示意图；

图5是本实用新型中换热管的侧视图；

图6是本实用新型中壳体的结构示意图；

图7是本实用新型中进出液端板的结构示意图；

图8是本实用新型中进出液端板的安装结构示意图；

图9是本实用新型中铸造芯体的结构示意图；

图10是本实用新型中铸造芯体局部结构示意图。

图中：1-壳体，2-保温装置，3-换热管，4-穿壳转接头，5-爆破装置，6-铸造芯体，1-1-封头，1-2-筒体，1-3-穿壳转接头安装座，1-4-内筒体，1-5-进出液端板，1-6-叶片，1-7-进出液法兰，6-1-不锈钢内丝管，6-2-铸铝，6-3-导流槽。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的技术方案，一种耐高压紧凑型换热器，包括壳体1、设置于壳体1内部的换热管3及连接于换热管3两端的穿壳转接头4，其中换热管3是由整根高压管折弯而成，多个不同弯管半径的螺旋套设结构，该换热管3通过穿壳转接头4密封贯穿壳体1后分别与高压气体进出管道连接，壳体1两端的进出液法兰分别与冷却液进出管道连接。需要冷却的高压气体走换热管3，即管侧；低温冷却液走壳体1内侧，即壳侧；冷却液在壳侧内直接与换热管3内高压氢气接触进行热交换，由于换热管3由整根高压管折弯而成且与壳体1转接处采用专用穿壳转接头4，故解决了氢气侧超高压耐压问题。

本实用新型所述壳体1外侧设有用于对壳体1进行隔热防护的保温装置2，该保温装置2为聚氨酯发泡材料或保温棉。所述壳体1上安装有爆破装置5，用于在高压氢气泄漏情况下对壳体1进行泄压保护，该爆破装置5的爆破压力大于壳程流体工作压力并小于壳体设计压力。所述换热管3为整根316l不锈钢无缝管，弯管半径分别为45mm、70mm、90mm折弯而成的螺旋套设结构的换热管。

本实用新型所述壳体1包括筒体1-2、内筒体1-4、设置于筒体1-2两端的封头1-1、设置于封头1-1上的进出液法兰1-7、设置于筒体1-2上的穿壳转接头安装座1-3及固定于筒体1-2和内筒体1-4两端的进出液端板1-5，其中封头1-1设计为耐压强度较高的椭圆形结构，筒体1-2直径与换热管3最大外径相匹配，筒体1-2与换热管3之间留有供铸造芯体6浇铸的间隙，间隙厚度不小于浇铸时所用内丝管6-1外径尺寸，筒体1-2由金属板卷板焊接而成或由金属无缝管加工而成，穿壳转接头4安装在穿壳转接头安装座1-3上，实现换热管3贯穿筒体1-2且能保证换热管3与筒体1-2之间的密封性，内筒体1-4外径与换热管3最小内径相匹配，内筒体1-4与换热管3之间同样留有供铸造芯体6浇铸的间隙，间隙厚度不小于浇铸时所用内丝管6-1外径尺寸，内筒体1-4用于减小铸造芯体6体积，提高一定流量下冷却液的流动速度以增强换热，进出液端板1-5上设有连通筒体1-2和封头1-1的通孔，该通孔为沿圆周方向均布的多个腰形圆孔。

本实用新型所述进出液端板1-5上沿圆周方向均布有连通筒体1-2和封头1-1的四个腰形圆孔，前后两侧的进出液端板1-5安装时沿轴向旋转角相差45°以使得前后两侧进出液端板1-5上的腰形圆孔错位相对，用于保证流动的均匀性避免冷却液在筒体1-2内产生死角而影响换热效果。

本实用新型所述筒体1-2进液侧或两侧的封头内分别安装有叶片1-6，当冷却液进入封头1-1后，沿叶片1-6流动后进入筒体1-2，冷却液经过叶片1-6后沿径向形成离心力，径向离心力使得冷却液在筒体1-2内旋转轴向流通，用于增加冷却液在流动时的扰流，通过流体的扰流打破流体边界层以增强换热性能。

本实用新型所述换热管3与壳体1中的筒体1-2和内筒体1-4装配完成后通过铸铝6-2在壳体1筒体1-2和内筒体1-4及换热管3之间形成铸造芯体6，该铸造芯体6的两端分别与进出液端板1-5之间预留有供冷却液集液和分液的腔体。

本实用新型所述铸造芯体6包括不锈钢内丝管6-1、铸铝6-2和导流槽6-3，不锈钢内丝管6-1和导流槽6-3在铸造前进行预埋，内丝管6-1为直管，可按各种几何阵列式排列，优选为沿轴向列管式圆周阵列排布，内丝管6-1贯穿整个铸造芯体，部分内丝管6-1与换热管3可能产生交错处，减小内丝管6-1长度并采用导流槽与其他内丝管6-1流道进行连通，不锈钢内丝管6-1和导流槽6-3通过焊接方式或其它连接方式密封连接以保证铸造时铸铝6-2不会进入不锈钢内丝管6-1和导流槽6-3内部，冷却液通过不锈钢内丝管6-1和导流槽6-3实现在筒体1-2内的流动，不锈钢内丝管6-1的管内加工有增加扰流和散热面的内螺纹，通过导流槽6-3实现相邻不锈钢内丝管6-1流道之间的连通。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。