CN104896971B - 一种变径管缠绕的螺旋管式换热器 - Google Patents
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Abstract
一种采用变径管缠绕的螺旋管式换热器，其包括壳体和壳体内两端安装在管板上的螺旋管束组成；壳体上设置有一个壳程进口和一个壳程出口，一个或多个管程进口和出口，管程进口和出口采用分配器对换热管进行分配和汇集；螺旋管束分多层同心换热管缠绕在芯管上，每层换热管同向螺旋缠绕，相邻两层换热管之间安装有隔丝，缠绕方向相同或相反。单根换热管由不同长度的一种或多种直径管连接组成，不同直径缠绕管之间通过花板过渡、固定和连接；本发明的螺旋管式换热器，可实现大温跨条件下不同温度段的高效换热，具有结构紧凑，换热效率高，利于将不同温区换热器集成组装，缩小换热器体积，减少换热设备数量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热器，特别涉及一种变径管缠绕的螺旋管式换热器。
背景技术
螺旋缠绕管式换热器具有结构紧凑、单位容积内传热面积大、具有一定的温度自补偿能力、占地面积小等诸多优点，在低温工程，特别是混合工质制冷天然气液化工艺过程中获得了广泛的应用。在混合工质制冷过程中，管内流过高压混合工质，管外间隙形成的壳侧流过低压混合工质。管内高压混合工质温度由高到低经历着从汽相到汽液两相再到液相的相变冷凝传热过程，流体密度不断增大，如流道设计不当，其中的汽液两相的体积流速会不断降低，导致冷凝液体依靠重力回流积存，混合工质循环浓度发生变化，造成制冷性能发生偏差，严重时会使制冷性能无法达到设计要求。
另一方面，传统的螺旋缠绕管式换热器在制作过程中，一经设计选定，绕管角度和直径无法变化，仅可通过改变换热管长度进行调节，为避免高压混合工质汽液两相分离，将会增加换热设备台数，不利于螺旋缠绕管式换热器整体的集成化和大型化。
目前，基于缠绕管式换热器的天然气液化系统已经有所报道，其中发明专利CN201210236962，提供的绕管式换热器集成了预冷段、液化段和过冷段三段换热器。上述换热器仅通过壳体将三段换热器连接，无法对管内高压混合工质流动工况进行改善调节。
另外，发明专利CN20120569754也提供了一种将单管束缠绕管式换热器与双管式缠绕管式换热器相结合的复合换热器结构，这种结构可以改进不同温度多股流换热的切入点，但换热器管仍采用一种管径缠绕，未考虑不同管程内流体因温度变化引起的密度和物性变化，不适用于混合工质低温制冷系统。
发明内容
本发明目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种变径管缠绕的螺旋管式换热器，通过改变缠绕换热管的直径，调节高压流体的体积流速，可实现大温跨条件下不同温度段的高效换热，具有结构紧凑，换热效率高，利于将不同温区换热器集成组装，缩小换热器体积，减少换热设备数量等优点，可用于多种场合和环境的低温制冷领域。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其包括：
一换热器壳体；所述换热器壳体由依次相连的大直径壳体12、过渡直径壳体26和小直径壳体7组成；
一同心地装于所述换热器壳体之内的换热器芯管体；所述换热器芯管体由依次相连的大直径芯管体22、过渡芯管体24和小直径芯管体28组成；所述大直径芯管体22、过渡芯管体24和小直径芯管体28分别与对应的大直径壳体12、过渡直径壳体26和小直径壳体7等长；
装于所述小直径芯管体28上端部与小直径壳体7上端部之间的第一固定花板6；装于所述过渡芯管体24上端部与过渡直径壳体26上端部之间的第二固定花板8；装于所述过渡芯管体24下端部与过渡直径壳体26下端部之间的第三固定板10；装于所述大直径芯管体22下端部与大直径壳体12下端部之间的第四固定板13；
螺旋缠绕于所述大直径芯管体22之上的多层螺旋形第一管程大直径管束层11和多层螺旋形第二管程大直径管束层23；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束上端与所述第三固定板10相连，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束下端与所述第四固定板13相连；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束上端与所述第三固定板10相连，所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束下端与所述第四固定板13相连；
螺旋缠绕于所述小直径芯管体28之上的多层螺旋形第一管程小直径管束层5和多层螺旋形第二管程小直径管束层30；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束上端与所述第一固定花板6相连，所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束下端与所述第二固定花板8相连；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束上端与所述第一固定花板6相连，所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束下端与所述第二固定花板8相连；
所述连接于所述第三固定板10上的多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束分别通过第一管程变径过渡管9与所述多层螺旋第一管程小直径管束层5的管束相连通；所述连接于所述第三固定板10上的多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束分别通过第二管程变径过渡管25与所述多层螺旋形第二管程大直径管束层30的管束相连通；
装于所述换热器壳体上端的带顶端壳程进口1的上封头2；装于所述上封头2侧壁上的第一管程出口分配管板4和第二管程出口分配管板31；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束分别通过所述第一管程出口分配管板4上的通孔与第一管程出口3相连通；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束分别通过所述第二管程出口分配管板31上的通孔与第二管程出口32相连通；
装于所述换热器壳体下端的带底端壳程出口18的下封头19；装于所述下封头19侧壁上的第一管程进口分配管板21和第二管程进口分配管板15；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束分别通过所述第一管程进口分配管板21上的通孔与第一管程进口20相连通；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束分别通过所述第二管程出口分配管板15上的通孔与第二管程进口16相连通；
一装于所述变径管缠绕的螺旋管式换热器的换热器壳体下端的用以固定所述换热器壳体的裙座17。
所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11、多层螺旋形第二管程大直径管束层23、多层螺旋形第一管程小直径管束层5和多层螺旋形第二管程小直径管束层30分别由一根以上的换热管以螺旋状缠绕于相应的换热器芯管体上以分别形成多层相应管程的管束层；各层管程的管束层缠绕方向相同或相反，换热管螺旋缠绕的螺旋角为5-20°；每层管程的换热管的管长、缠绕角度和间距相同，每层管程的换热管的直径和管数成比例增加。
所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束和多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束采用直径为1mm到40mm光管或螺纹管缠绕；多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束和多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束采用直径为1mm到40mm光管或螺纹管缠绕。
所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11、多层螺旋形第二管程大直径管束层23、多层螺旋形第一管程小直径管束层5和多层螺旋形第二管程小直径管束层30的相邻两层之间安装有隔丝29以控制两层之间间隙。相同管程螺旋缠绕的换热管由不同长度的一种或多种直径换热管连接组成，同一直径的换热管在各层的缠绕高度相同。
本发明的变径管缠绕的螺旋管式换热器的优点如下：
本发明的变径管缠绕的螺旋管式换热器通过改变缠绕换热管的直径，调节高压流体的体积流速，可实现大温跨条件下不同温度段的高效换热，具有结构紧凑，换热效率高，利于将不同温区换热器集成组装，缩小换热器体积，减少换热设备数量等优点，可用于多种场合和环境的低温制冷领域。
附图说明
图1为本发明的采用变径管缠绕的螺旋管式换热器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步阐述本发明。
实施例1
参见图1所示，本发明提供的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其包括：
一换热器壳体；所述换热器壳体由依次相连的大直径壳体12、过渡直径壳体26和小直径壳体7组成；
一同心地装于所述换热器壳体之内的换热器芯管体；所述换热器芯管体由依次相连的大直径芯管体22、过渡芯管体24和小直径芯管体28组成；所述大直径芯管体22、过渡芯管体24和小直径芯管体28分别与对应的大直径壳体12、过渡直径壳体26和小直径壳体7等长；
装于所述小直径芯管体28上端部与小直径壳体7上端部之间的第一固定花板6；装于所述过渡芯管体24上端部与过渡直径壳体26上端部之间的第二固定花板8；装于所述过渡芯管体24下端部与过渡直径壳体26下端部之间的第三固定板10；装于所述大直径芯管体22下端部与大直径壳体12下端部之间的第四固定板13；
螺旋缠绕于所述大直径芯管体22之上的多层螺旋形第一管程大直径管束层11和多层螺旋形第二管程大直径管束层23；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束上端与所述第三固定板10相连，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束下端与所述第四固定板13相连；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束上端与所述第三固定板10相连，所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束下端与所述第四固定板13相连；
螺旋缠绕于所述小直径芯管体28之上的多层螺旋形第一管程小直径管束层5和多层螺旋形第二管程小直径管束层30；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束上端与所述第一固定花板6相连，所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束下端与所述第二固定花板8相连；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束上端与所述第一固定花板6相连，所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束下端与所述第二固定花板8相连；
所述连接于所述第三固定板10上的多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束分别通过第一管程变径过渡管9与所述多层螺旋第一管程小直径管束层5的管束相连通；所述连接于所述第三固定板10上的多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束分别通过第二管程变径过渡管25与所述多层螺旋形第二管程大直径管束层30的管束相连通；
装于所述换热器壳体上端的带顶端壳程进口1的上封头2；装于所述上封头2侧壁上的第一管程出口分配管板4和第二管程出口分配管板31；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层5的管束分别通过所述第一管程出口分配管板4上的通孔与第一管程出口3相连通；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层30的管束分别通过所述第二管程出口分配管板31上的通孔与第二管程出口32相连通；
装于所述换热器壳体下端的带底端壳程出口18的下封头19；装于所述下封头19侧壁上的第一管程进口分配管板21和第二管程进口分配管板15；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层11的管束分别通过所述第一管程进口分配管板21上的通孔与第一管程进口20相连通；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层23的管束分别通过所述第二管程出口分配管板15上的通孔与第二管程进口16相连通；
一装于所述变径管缠绕的螺旋管式换热器的换热器壳体下端的用以固定所述换热器壳体的裙座17。
本实施例1为一种采用变径管缠绕的(三股流)螺旋管式换热器，可以进行混合制冷剂和原料气氮气之间的换热过程，总高度为2.2米，大直径壳体12外径和小直径壳体7外径分别为219mm和133mm；
其中，第一管程和第二管程小直径管束共采用56根直径4mm，长8米的铜管螺旋绕制，第一管程和第二管程大直径管束共采用56根直径6mm，长10.2m的铜管螺旋绕制；高压混合制冷剂通过第二管程进口16，经第二管程进口分配管板5分配后进入第二管程大直径管束23。第二管程大直径管束23由56根大直径换热管束中的38根组成，螺旋缠绕在大直径芯管体22上，在大直径壳体12内被壳程流体低压混合制冷剂冷却，再经第二固定花板8和第三固定花板10上的第二管程变径过渡管25与第二管程小直径管束30连接。第二管程小直径管束30由56根小直径换热管束中的38根组成，螺旋缠绕在小直径芯管体28上，在小直径壳体7被壳程流体低压混合制冷剂继续冷却，经第二管程出口管板31和第二管程出口32流出换热器；
流出换热器的高压混合制冷剂经节流后，通过壳程进口1进入换热器，在小直径壳体7分别与第一管程小直径管束5和第二管程小直径管束30换热，之后经过渡壳体26进入大直径壳体12分别与第一管程大直径管束11和第二管程大直径管束23进行换热，通过壳程出口18流出换热器；
原料气氮气在通过第一管程进口20,第一管程进口分配管板21分配后进入第一管程大直径管束11。第一管程大直径管束11由56根大直径换热管束中的18根组成，螺旋缠绕在大直径芯管体22上，在大直径壳体12内被壳程流体低压混合制冷剂冷却，再经第二固定花板8和第三固定花板10上的第二管程变径过渡管25与第一管程小直径管束5连接。第一管程小直径管束5由56根小直径换热管束中的18根组成，螺旋缠绕在小直径芯管体28上，在小直径壳体7被壳程流体低压混合制冷剂继续冷却，经第一管程出口管板4和第一管程出口3流出换热器，完成整个换热过程。
本实施例中，换热器内的管程流体温度跨度近160℃，流体密度发生显著变化，管内流速和换热都将受到较大影响。采用变径管缠绕的螺旋管式换热器可以很好承受温度变化引起的材料收缩，并能更好的保证被冷却介质的管内流速和换热效果，提高了换热效率，减少了换热器的体积，从而使整体换热器更加经济高效。
Claims (6)
1.一种变径管缠绕的螺旋管式换热器，其包括：
一换热器壳体；所述换热器壳体由依次相连的大直径壳体(12)、过渡直径壳体(26)和小直径壳体(7)组成；
一同心地装于所述换热器壳体之内的换热器芯管体；所述换热器芯管体由依次相连的大直径芯管体(22)、过渡芯管体(24)和小直径芯管体(28)组成；所述大直径芯管体(22)、过渡芯管体(24)和小直径芯管体(28)分别与对应的大直径壳体(12)、过渡直径壳体(26)和小直径壳体(7)等长；
装于所述小直径芯管体(28)上端部与小直径壳体(7)上端部之间的第一固定花板(6)；装于所述过渡芯管体(24)上端部与过渡直径壳体(26)上端部之间的第二固定花板(8)；装于所述过渡芯管体(24)下端部与过渡直径壳体(26)下端部之间的第三固定板(10)；装于所述大直径芯管体(22)下端部与大直径壳体(12)下端部之间的第四固定板(13)；
螺旋缠绕于所述大直径芯管体(22)之上的多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)和多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)的管束上端与所述第三固定板(10)相连，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)的管束下端与所述第四固定板(13)相连；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)的管束上端与所述第三固定板(10)相连，所述多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)的管束下端与所述第四固定板(13)相连；
螺旋缠绕于所述小直径芯管体(28)之上的多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)和多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)的管束上端与所述第一固定花板(6)相连，所述多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)的管束下端与所述第二固定花板(8)相连；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的管束上端与所述第一固定花板(6)相连，所述多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的管束下端与所述第二固定花板(8)相连；
所述连接于所述第三固定板(10)上的多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)的管束分别通过第一管程变径过渡管(9)与所述多层螺旋第一管程小直径管束层(5)的管束相连通；所述连接于所述第三固定板(10)上的多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)的管束分别通过第二管程变径过渡管(25)与所述多层螺旋形第二管程大直径管束层(30)的管束相连通；
装于所述换热器壳体上端的带顶端壳程进口(1)的上封头(2)；装于所述上封头(2)侧壁上的第一管程出口分配管板(4)和第二管程出口分配管板(31)；所述多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)的管束分别通过所述第一管程出口分配管板(4)上的通孔与第一管程出口(3)相连通；所述多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的管束分别通过所述第二管程出口分配管板(31)上的通孔与第二管程出口(32)相连通；
装于所述换热器壳体下端的带底端壳程出口(18)的下封头(19)；装于所述下封头(19)侧壁上的第一管程进口分配管板(21)和第二管程进口分配管板(15)；所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)的管束分别通过所述第一管程进口分配管板(21)上的通孔与第一管程进口(20)相连通；所述多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)的管束分别通过所述第二管程出口分配管板(15)上的通孔与第二管程进口(16)相连通；
一装于所述变径管缠绕的螺旋管式换热器的换热器壳体下端的用以固定所述换热器壳体的裙座(17)。
2.按权利要求1所述的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其特征在于，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)、多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)、多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)和多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)分别由一根以上的换热管以螺旋状缠绕于相应的换热器芯管体上以分别形成多层相应管程的管束层；各层管程的管束层缠绕方向相同或相反，换热管螺旋缠绕的螺旋角为5-20°；每层管程的换热管的管长、缠绕角度和间距相同，每层管程的换热管的直径和管数成比例增加。
3.按权利要求1或2所述的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其特征在于，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)的管束和多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)的管束采用Φ1mm到Φ40mm直径光管或螺纹管缠绕；多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)的管束和多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的管束采用Φ1mm到Φ40mm直径光管或螺纹管缠绕。
4.按权利要求1或2所述的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其特征在于，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)、多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)、多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)和多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的相邻两层之间安装有隔丝(29)以控制两层之间间隙。
5.按权利要求3所述的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其特征在于，所述多层螺旋形第一管程大直径管束层(11)、多层螺旋形第二管程大直径管束层(23)、多层螺旋形第一管程小直径管束层(5)和多层螺旋形第二管程小直径管束层(30)的相邻两层之间安装有隔丝(29)以控制两层之间间隙。
6.按权利要求1所述的变径管缠绕的螺旋管式换热器，其特征在于，相同管程螺旋缠绕的换热管由不同长度的一种或多种直径换热管连接组成，同一直径的换热管在各层的缠绕高度相同。
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