說明書一種變徑管纏繞的螺旋管式換熱器
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種換熱器，特別涉及一種變徑管纏繞的螺旋管式換熱器。
背景技術(shù)
螺旋纏繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位容積內(nèi)傳熱面積大、具有一定的溫度自補(bǔ)償能力、占地面積小等諸多優(yōu)點，在低溫工程，特別是混合工質(zhì)制冷天然氣液化工藝過程中獲得了廣泛的應(yīng)用。在混合工質(zhì)制冷過程中，管內(nèi)流過高壓混合工質(zhì)，管外間隙形成的殼側(cè)流過低壓混合工質(zhì)。管內(nèi)高壓混合工質(zhì)溫度由高到低經(jīng)歷著從汽相到汽液兩相再到液相的相變冷凝傳熱過程，流體密度不斷增大，如流道設(shè)計不當(dāng)，其中的汽液兩相的體積流速會不斷降低，導(dǎo)致冷凝液體依靠重力回流積存，混合工質(zhì)循環(huán)濃度發(fā)生變化，造成制冷性能發(fā)生偏差，嚴(yán)重時會使制冷性能無法達(dá)到設(shè)計要求。
另一方面，傳統(tǒng)的螺旋纏繞管式換熱器在制作過程中，一經(jīng)設(shè)計選定，繞管角度和直徑無法變化，僅可通過改變換熱管長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為避免高壓混合工質(zhì)汽液兩相分離，將會增加換熱設(shè)備臺數(shù)，不利于螺旋纏繞管式換熱器整體的集成化和大型化。
目前，基于纏繞管式換熱器的天然氣液化系統(tǒng)已經(jīng)有所報道，其中發(fā)明專利CN，提供的繞管式換熱器集成了預(yù)冷段、液化段和過冷段三段換熱器。上述換熱器僅通過殼體將三段換熱器連接，無法對管內(nèi)高壓混合工質(zhì)流動工況進(jìn)行改善調(diào)節(jié)。
另外，發(fā)明專利CN也提供了一種將單管束纏繞管式換熱器與雙管式纏繞管式換熱器相結(jié)合的復(fù)合換熱器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以改進(jìn)不同溫度多股流換熱的切入點，但換熱器管仍采用一種管徑纏繞，未考慮不同管程內(nèi)流體因溫度變化引起的密度和物性變化，不適用于混合工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于：針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種變徑管纏繞的螺旋管式換熱器，通過改變纏繞換熱管的直徑，調(diào)節(jié)高壓流體的體積流速，可實現(xiàn)大溫跨條件下不同溫度段的高效換熱，具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，利于將不同溫區(qū)換熱器集成組裝，縮小換熱器體積，減少換熱設(shè)備數(shù)量等優(yōu)點，可用于多種場合和環(huán)境的低溫制冷領(lǐng)域。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
本發(fā)明提供的變徑管纏繞的螺旋管式換熱器，其包括：
一換熱器殼體；所述換熱器殼體由依次相連的大直徑殼體12、過渡直徑殼體26和小直徑殼體7組成；
一同心地裝于所述換熱器殼體之內(nèi)的換熱器芯管體；所述換熱器芯管體由依次相連的大直徑芯管體22、過渡芯管體24和小直徑芯管體28組成；所述大直徑芯管體22、過渡芯管體24和小直徑芯管體28分別與對應(yīng)的大直徑殼體12、過渡直徑殼體26和小直徑殼體7等長；
裝于所述小直徑芯管體28上端部與小直徑殼體7上端部之間的**固定花板6；裝于所述過渡芯管體24上端部與過渡直徑殼體26上端部之間的第二固定花板8；裝于所述過渡芯管體24下端部與過渡直徑殼體26下端部之間的第三固定板10；裝于所述大直徑芯管體22下端部與大直徑殼體12下端部之間的第四固定板13；
螺旋纏繞于所述大直徑芯管體22之上的多層螺旋形**管程大直徑管束層11和多層螺旋形第二管程大直徑管束層23；所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束上端與所述第三固定板10相連，所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束下端與所述第四固定板13相連；所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束上端與所述第三固定板10相連，所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束下端與所述第四固定板13相連；
螺旋纏繞于所述小直徑芯管體28之上的多層螺旋形**管程小直徑管束層5和多層螺旋形第二管程小直徑管束層30；所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束上端與所述**固定板6相連，所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束下端與所述第二固定板8相連；所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束上端與所述**固定板6相連，所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束下端與所述第二固定板8相連；
所述連接于所述第三固定板10上的多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束分別通過**管程變徑過渡管9與所述多層螺旋**管程小直徑管束層5的管束相連通；所述連接于所述第三固定板10上的多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束分別通過第二管程變徑過渡管25與所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層30的管束相連通；
裝于所述換熱器殼體上端的帶頂端殼程進(jìn)口1的上封頭2；裝于所述上封頭2側(cè)壁上的**管程出口分配管板4和第二管程出口分配管板31；所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束分別通過所述**管程出口分配管板4上的通孔與**管程出口3相連通；所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束分別通過所述第二管程出口分配管板31上的通孔與第二管程出口32相連通；
裝于所述換熱器殼體下端的帶底端殼程出口18的下封頭19；裝于所述下封頭19側(cè)壁上的**管程進(jìn)口分配管板21和第二管程進(jìn)口分配管板15；所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束分別通過所述**管程進(jìn)口分配管板21上的通孔與**管程進(jìn)口20相連通；所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束分別通過所述第二管程出口分配管板15上的通孔與第二管程進(jìn)口16相連通；
一裝于所述變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的換熱器殼體下端的用以固定所述換熱器殼體的裙座17。
所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11、多層螺旋形第二管程大直徑管束層23、多層螺旋形**管程小直徑管束層5和多層螺旋形第二管程小直徑管束層30分別由一根以上的換熱管以螺旋狀纏繞于相應(yīng)的換熱器芯管體上以分別形成多層相應(yīng)管程的管束層；各層管程的管束層纏繞方向相同或相反，換熱管螺旋纏繞的螺旋角為5-20°；每層管程的換熱管的管長、纏繞角度和間距相同，每層管程的換熱管的直徑和管數(shù)成比例增加。
所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束和多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束采用直徑為1mm到40mm光管或螺紋管纏繞；多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束和多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束采用直徑為1mm到40mm光管或螺紋管纏繞。
所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11、多層螺旋形第二管程大直徑管束層23、多層螺旋形**管程小直徑管束層5和多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的相鄰兩層之間安裝有隔絲29以控制兩層之間間隙。相同管程螺旋纏繞的換熱 管由不同長度的一種或多種直徑換熱管連接組成，同一直徑的換熱管在各層的纏繞高度相同。
本發(fā)明的變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的優(yōu)點如下：
本發(fā)明的變徑管纏繞的螺旋管式換熱器通過改變纏繞換熱管的直徑，調(diào)節(jié)高壓流體的體積流速，可實現(xiàn)大溫跨條件下不同溫度段的高效換熱，具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，利于將不同溫區(qū)換熱器集成組裝，縮小換熱器體積，減少換熱設(shè)備數(shù)量等優(yōu)點，可用于多種場合和環(huán)境的低溫制冷領(lǐng)域。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的采用變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實施例1
參見圖1所示，本發(fā)明提供的變徑管纏繞的螺旋管式換熱器，其包括：
一換熱器殼體；所述換熱器殼體由依次相連的大直徑殼體12、過渡直徑殼體26和小直徑殼體7組成；
一同心地裝于所述換熱器殼體之內(nèi)的換熱器芯管體；所述換熱器芯管體由依次相連的大直徑芯管體22、過渡芯管體24和小直徑芯管體28組成；所述大直徑芯管體22、過渡芯管體24和小直徑芯管體28分別與對應(yīng)的大直徑殼體12、過渡直徑殼體26和小直徑殼體7等長；
裝于所述小直徑芯管體28上端部與小直徑殼體7上端部之間的**固定花板6；裝于所述過渡芯管體24上端部與過渡直徑殼體26上端部之間的第二固定花板8；裝于所述過渡芯管體24下端部與過渡直徑殼體26下端部之間的第三固定板10；裝于所述大直徑芯管體22下端部與大直徑殼體12下端部之間的第四固定板13；
螺旋纏繞于所述大直徑芯管體22之上的多層螺旋形**管程大直徑管束層11和多層螺旋形第二管程大直徑管束層23；所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束上端與所述第三固定板10相連，所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束下端與所述第四固定板13相連；所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層 23的管束上端與所述第三固定板10相連，所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束下端與所述第四固定板13相連；
螺旋纏繞于所述小直徑芯管體28之上的多層螺旋形**管程小直徑管束層5和多層螺旋形第二管程小直徑管束層30；所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束上端與所述**固定板6相連，所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束下端與所述第二固定板8相連；所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束上端與所述**固定板6相連，所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束下端與所述第二固定板8相連；
所述連接于所述第三固定板10上的多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束分別通過**管程變徑過渡管9與所述多層螺旋**管程小直徑管束層5的管束相連通；所述連接于所述第三固定板10上的多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束分別通過第二管程變徑過渡管25與所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層30的管束相連通；
裝于所述換熱器殼體上端的帶頂端殼程進(jìn)口1的上封頭2；裝于所述上封頭2側(cè)壁上的**管程出口分配管板4和第二管程出口分配管板31；所述多層螺旋形**管程小直徑管束層5的管束分別通過所述**管程出口分配管板4上的通孔與**管程出口3相連通；所述多層螺旋形第二管程小直徑管束層30的管束分別通過所述第二管程出口分配管板31上的通孔與第二管程出口32相連通；
裝于所述換熱器殼體下端的帶底端殼程出口18的下封頭19；裝于所述下封頭19側(cè)壁上的**管程進(jìn)口分配管板21和第二管程進(jìn)口分配管板15；所述多層螺旋形**管程大直徑管束層11的管束分別通過所述**管程進(jìn)口分配管板21上的通孔與**管程進(jìn)口20相連通；所述多層螺旋形第二管程大直徑管束層23的管束分別通過所述第二管程出口分配管板15上的通孔與第二管程進(jìn)口16相連通；
一裝于所述變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的換熱器殼體下端的用以固定所述換熱器殼體的裙座17。
本實施例1為一種采用變徑管纏繞的(三股流)螺旋管式換熱器，可以進(jìn)行混合制冷劑和原料氣氮氣之間的換熱過程，總高度為2.2米，大直徑殼體12外徑和小直徑殼體7外徑分別為219mm和133mm；
其中，**管程和第二管程小直徑管束共采用56根直徑4mm，長8米的銅管 螺旋繞制，**管程和第二管程大直徑管束共采用56根直徑6mm，長10.2m的銅管螺旋繞制；高壓混合制冷劑通過第二管程進(jìn)口16，經(jīng)第二管程進(jìn)口分配管板5分配后進(jìn)入第二管程大直徑管束23。第二管程大直徑管束23由56根大直徑換熱管束中的38根組成，螺旋纏繞在大直徑芯管體22上，在大直徑殼體12內(nèi)被殼程流體低壓混合制冷劑冷卻，再經(jīng)第二固定花板8和第三固定花板10上的第二管程變徑過渡管25與第二管程小直徑管束30連接。第二管程小直徑管束30由56根小直徑換熱管束中的38根組成，螺旋纏繞在小直徑芯管體28上，在小直徑殼體7被殼程流體低壓混合制冷劑繼續(xù)冷卻，經(jīng)第二管程出口管板31和第二管程出口32流出換熱器；
流出換熱器的高壓混合制冷劑經(jīng)節(jié)流后，通過殼程進(jìn)口1進(jìn)入換熱器，在小直徑殼體7分別與**管程小直徑管束5和第二管程小直徑管束30換熱，之后經(jīng)過渡殼體26進(jìn)入大直徑殼體12分別與**管程大直徑管束11和第二管程大直徑管束23進(jìn)行換熱，通過殼程出口18流出換熱器；
原料氣氮氣在通過**管程進(jìn)口20,**管程進(jìn)口分配管板21分配后進(jìn)入**管程大直徑管束11。**管程大直徑管束11由56根大直徑換熱管束中的18根組成，螺旋纏繞在大直徑芯管體22上，在大直徑殼體12內(nèi)被殼程流體低壓混合制冷劑冷卻，再經(jīng)第二固定花板8和第三固定花板10上的第二管程變徑過渡管25與**管程小直徑管束5連接。**管程小直徑管束5由56根小直徑換熱管束中的18根組成，螺旋纏繞在小直徑芯管體28上，在小直徑殼體7被殼程流體低壓混合制冷劑繼續(xù)冷卻，經(jīng)**管程出口管板4和**管程出口3流出換熱器，完成整個換熱過程。
本實施例中，換熱器內(nèi)的管程流體溫度跨度近160℃，流體密度發(fā)生顯著變化，管內(nèi)流速和換熱都將受到較大影響。采用變徑管纏繞的螺旋管式換熱器可以很好承受溫度變化引起的材料收縮，并能更好的保證被冷卻介質(zhì)的管內(nèi)流速和換熱效果，提高了換熱效率，減少了換熱器的體積，從而使整體換熱器更加經(jīng)濟(jì)高效。
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