本發(fā)明涉及熱交換器，特別是一種由多層螺旋形流道構(gòu)成的間壁式熱交換器及其制作方法。

背景技術(shù)：

熱交換器是化工、能源、冶金、動(dòng)力等行業(yè)用于改變流體工質(zhì)溫度條件的有效設(shè)備。熱交換器的傳熱效率與換熱面積成正比，與流動(dòng)的湍流度成正相關(guān)。工程應(yīng)用上對(duì)熱交換器首先要求有大的換熱面積以提高傳熱效率，同時(shí)希望其結(jié)構(gòu)緊湊，體積盡量縮小。緊湊性是指熱交換器單位體積內(nèi)所包含的換熱面積大小，單位為m²/m³。

換熱面積的增加往往會(huì)伴隨流動(dòng)阻力的增大，在熱交換器設(shè)計(jì)或選型過程中需根據(jù)工程實(shí)際需要對(duì)換熱面積和流動(dòng)阻力做出取舍。

熱交換器按照傳遞熱量方式可分為間壁式、混合式、蓄熱式三大類。所謂間壁式是指熱流體和冷流體之間有一固體壁面，兩種流體不直接接觸，熱量通過壁面進(jìn)行傳遞。其中，間壁式熱交換器又包括管殼式、沉浸式、套管式、螺旋板式、板式、板翅式等多種結(jié)構(gòu)形式。

管殼式熱交換器目前應(yīng)用最為廣泛，其缺點(diǎn)是緊湊性不高、阻力損失較大、易結(jié)垢；沉浸式熱交換器緊湊性較差，流體湍流度低；套管式熱交換器僅適合高溫高壓小流量流體的換熱，適用范圍較??；板式和板翅式熱交換器緊湊性好，流道內(nèi)遍布凹凸不平的換熱面，換熱面積相對(duì)比較大，但同樣存在流動(dòng)阻力較大的缺陷；螺旋板式熱交換器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較為適中，但其傳熱方式同板式、板翅式一樣，仍為一維傳熱，傳熱面積、傳熱效率和空間利用率仍不夠理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱面積大、傳熱效率和湍流度高的間壁式熱交換器及其制作方法。

本發(fā)明提供的間壁式熱交換器，由斷面為矩形的熱流體流道和冷流體流道相互貼合構(gòu)成；其特點(diǎn)是，該熱交換器沿軸向以多個(gè)不閉合環(huán)形換熱流道單元形式通過轉(zhuǎn)換彎道前后緊密排列構(gòu)成一個(gè)流道層，多個(gè)這樣的流道層沿徑向緊密貼合嵌套，使熱流體流道和冷流體流道在軸向和徑向均相互交錯(cuò)，熱流體和冷流體為軸向和徑向二維傳熱。

本發(fā)明間壁式熱交換器的制作方法是：

先用矩形薄金屬板作為間壁式熱交換器最內(nèi)流道層的內(nèi)壁，卷制成一個(gè)圓筒，并將圓筒焊接閉合；然后將寬度為流道內(nèi)孔徑向厚度的帶狀薄金屬板沿?fù)Q熱流道單元的軌跡焊接在圓筒的外側(cè)，作為最內(nèi)流道層的熱流體流道和冷流體流道共用的側(cè)壁，并將設(shè)置在該流道層的熱流體出口和冷流體出口及端部換層彎道同時(shí)焊接成型；然后用矩形薄金屬板作為該流道層的外壁，卷制、并在卷制過程中同時(shí)使其與所述側(cè)壁焊接，卷制完成后將其焊接閉合，在對(duì)應(yīng)換層彎道位置處切割出一矩形口，作為端部換層彎道的接口，完成最內(nèi)流道層的制作；然后以最內(nèi)流道層的外壁作為自內(nèi)向外第二流道層的內(nèi)壁，按相同方法焊接第二流道層的冷流體流道和熱流體流道共用的側(cè)壁，同時(shí)將兩端的換層彎道焊接成型，再用矩形薄金屬板作為自內(nèi)向外第二流道層的外壁，完成自內(nèi)向外第二流道層的制作；如此循環(huán)，直至完成最外流道層的制作,將熱流體入口和冷流體入口設(shè)在最外流道層的一端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明由于冷熱流體為二維傳熱，其換熱面積，緊湊性、傳熱效率和流動(dòng)湍流度均比同體積的螺旋板式熱交換器大幅度提高。

2、與板式熱交換器相比，本發(fā)明具有流動(dòng)阻力小，不易結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。

3、與管殼式和沉浸式熱交換器相比，本發(fā)明緊湊性大大提高。

4、與套管式熱交換器相比，本發(fā)明緊湊性高，額定流量大，適用范圍更廣。

附圖說明

附圖為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖，其中：

圖1為熱交換器主體的軸測(cè)圖；

圖2為截取的單個(gè)換熱流道單元的示意圖；

圖3為最外流道層向次外流道層轉(zhuǎn)換示意圖；

圖4為熱交換器首端沿軸向正視圖；

圖5為沿圖4A-A斷面圖；

圖6為熱交換器最內(nèi)流道層冷流體流道和熱流體流道出口段示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

結(jié)合圖1和圖2，本實(shí)施例熱交換器由斷面為矩形的熱流體流道7和冷流體流道8相互貼合(如圖2所示)構(gòu)成，沿其軸向以圖2所示八個(gè)不閉合環(huán)形換熱流道單元形式通過雙弧形轉(zhuǎn)換彎道5前后緊密排列構(gòu)成一個(gè)流道層，每一流道層中的八個(gè)換熱流道單元包括前后依次為Z1、Z3、Z5、Z7、Z9、Z11、Z13、Z15和Z2、Z4、Z6、Z8、Z10、Z12、Z14、Z16共十六個(gè)冷、熱流體流道單元(其中奇數(shù)序號(hào)組和偶數(shù)序號(hào)組在不同流道層中對(duì)應(yīng)不同的熱流體流道單元和冷流體流道單元，圖1中黑色表示熱流體流道和冷流體流道共用的側(cè)壁)。由十個(gè)這種結(jié)構(gòu)的流道層R1至R10沿徑向相互緊密貼合嵌套，構(gòu)成熱交換器的主體。結(jié)合圖3、圖4和圖5，以最外流道層R1為例，相鄰流道層間的轉(zhuǎn)換方式為：流道層R1的最后一個(gè)換熱流道單元在熱交換器尾端轉(zhuǎn)過大約270°后通過換層彎道6(直徑為800mm的熱交換器換層彎道的長(zhǎng)度為120mm左右)向熱交換器的首端回返，為使內(nèi)外流道層中的熱流體流道(圖3和圖5中沙粒圖案所示)和冷流體流道(圖3和圖5中白色圖案所示)在徑向能相互交錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)冷熱流體徑向傳熱，最后一個(gè)換熱流道單元回返時(shí)需由所在位置Z16和Z15經(jīng)轉(zhuǎn)換彎道與位于Z13和Z12的換熱流道單元對(duì)接，中間空出如圖3和圖5中黑色圖案所示與Z14位置對(duì)應(yīng)的流道空區(qū)9，然后緊貼最外流道層R1的內(nèi)壁行至熱交換器的首端，構(gòu)成次外流道層R2。流道層R2在熱交換器的首端以同樣方式回返至熱交換器的尾端，構(gòu)成第三流道層R3。如此往返，在徑向自外向內(nèi)構(gòu)成R1至R10共十個(gè)流道層，使熱流體流道和冷流體流道在軸向和徑向呈圖5所示相互交錯(cuò)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)冷熱流體在軸向和徑向二維傳熱。熱交換器的熱流體入口1和冷流體入口2布置在熱交換器首端最外流道層(如圖1和圖4所示)；熱流體出口3和冷流體出口4布置在熱交換器首端最內(nèi)流道層(如圖1和圖6所示)。

熱流體和冷流體在上述熱交換器中的運(yùn)行如下：

熱流體和冷流體分別由布置在熱交換器首端最外流道層的熱流體入口1和冷流體入口2流入，在最外流道層R1中，冷熱流體在流道的非轉(zhuǎn)換彎道部分是做圓周形式的周向運(yùn)行，運(yùn)行接近一周時(shí)進(jìn)入流道轉(zhuǎn)彎區(qū)，經(jīng)轉(zhuǎn)換彎道轉(zhuǎn)入第2個(gè)圓周繼續(xù)做周向運(yùn)行；運(yùn)行到流道轉(zhuǎn)彎區(qū)再經(jīng)第二個(gè)轉(zhuǎn)換彎道轉(zhuǎn)彎進(jìn)入第3個(gè)圓周繼續(xù)做周向運(yùn)行；如此循環(huán)，直至運(yùn)行到熱交換器的尾端后回返，進(jìn)入次外流道層R2后，以同樣方式向熱交換器首端繼續(xù)運(yùn)行，如此往復(fù)10次，熱流體和冷流體分別由布置在熱交換器首端最內(nèi)流道層的熱流體出口3和冷流體出口4流出。熱交換器中的熱流體和冷流體呈現(xiàn)的是周向運(yùn)行、軸向運(yùn)行和徑向運(yùn)行的疊加，其中周向運(yùn)行的方向自始至終不變，軸向運(yùn)行在換層后變向。

本實(shí)施例的制作方法如下：

先用矩形薄金屬板作為流道層R10的內(nèi)壁卷制成一圓筒，焊接閉合后將寬度為流道內(nèi)孔徑向厚度的帶狀薄金屬板沿?fù)Q熱流道單元的軌跡焊接在圓筒的外側(cè)，作為最內(nèi)流道層的熱流體流道和冷流體流道共用的側(cè)壁，并將該流道層的熱流體出口3、冷流體出口4和末端換層彎道6同時(shí)焊接成型，然后用矩形薄金屬板卷制作為該流道層的外壁，卷制過程中同時(shí)進(jìn)行與所述側(cè)壁的焊接，卷制完成后將外壁焊接閉合，并在對(duì)應(yīng)換層彎道6的位置處切割出一矩形口，作為端部換層彎道的接口，完成最內(nèi)流道層R10的制作；然后以流道層R10的外壁作為流道層R9的內(nèi)壁，焊接流道層R9的冷熱流體流道共用的側(cè)壁，并將兩端的換層流道6同時(shí)焊接成型，再用矩形薄金屬板卷制作為流道層R9的外壁，以與流道層R10相同方式完成流道層R9的制作；如此循環(huán)，直至完成最外流道層R1的制作,將熱流體入口1和冷流體入口2設(shè)在最外流道層R10的一端。

以直徑為800mm、軸向長(zhǎng)度為1600mm、冷熱流體流道的斷面分別為25mm×15mm、徑向有20個(gè)流道層、每層軸向有32個(gè)換熱流道單元的熱交換器為例，其換熱效果通過計(jì)算，換熱面積約72.65m²，緊湊性指標(biāo)為91m²/m³,工作的公稱壓力在2.5MPa以下。其中緊湊性遠(yuǎn)高于管殼式熱交換器；換熱面積、緊湊性和流動(dòng)湍流度均優(yōu)于相同流動(dòng)阻力和相同體積的螺旋板式熱交換器。其適用范圍與螺旋板式熱交換器相近，緊湊性介于螺旋板式熱交換器和板式熱交換器之間。

需要說明的是，本發(fā)明熱交換器并不限于實(shí)施例所述徑向有10個(gè)流道層、每層有8個(gè)換熱流道單元，其流道層數(shù)量和每個(gè)流道層的換熱流道單元個(gè)數(shù)均可增加或減少；冷熱流體的進(jìn)口和出口也不限于布置在熱交換器的同一端，也可分別布置在熱交換器的首尾兩端；熱流體流道和冷流體流道可以互換；冷熱流體既可采取順流換熱，也可逆流換熱。這些改變均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。