專利名稱：一種蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)的制作方法
該發(fā)明屬兩種不同溫度介質(zhì)間的高效間接換熱(或加熱)技術(shù)。如汽-汽、汽-液、液-液間換熱，燃料對(duì)介質(zhì)的間接加熱等。
介質(zhì)間的間接換熱(或加熱)技術(shù)，主要應(yīng)用于制造熱交換設(shè)備，現(xiàn)有熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式有管殼式(如固定管板式、浮頭式、填料函式及U型管式等)、板式(如板翅式、螺旋板式、傘板式及波紋板式等)、管式(空冷器、套管式、噴淋管式及箱管式等)及板殼式等。詳細(xì)內(nèi)容及其所涉及到的有關(guān)資料索引可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》等。
眾所周知，人類所擁有的煤炭、石油及天然氣等天然能源資源是有限和不可再生的，不久的將來這些資源將被消耗殆盡，因此人類將有面臨能源危機(jī)的可能；再則這些天然能源都是積蓄太陽能的產(chǎn)物，它們是在若干萬年的時(shí)間里才形成的，而人類要將這些能量在短短的數(shù)百年的時(shí)間內(nèi)集中釋放出來，由此引起的溫室效應(yīng)(主要表現(xiàn)在大量釋放CO2，地球氣溫逐漸升高)將會(huì)威脅到人類的生存。因此，用提高現(xiàn)有能源利用效率的途徑來最大限度地降低天然能源的消耗速度，開發(fā)新的環(huán)保性能源，利用太陽的光合作用將“過量的”CO2還原為有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)地球的生態(tài)平衡，這是人類需要作的非常迫切的幾項(xiàng)任務(wù)。本發(fā)明的目的就是為改變現(xiàn)有熱交換技術(shù)熱利用效率不高，浪費(fèi)能源嚴(yán)重的現(xiàn)狀而提出的一種新型高效的節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)通過節(jié)能的途徑，來達(dá)到節(jié)約能源資源和減少污染物排放的目的，而且可用來收集太陽能生產(chǎn)新的環(huán)保性能源。因此，本發(fā)明具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義，它是本人實(shí)施能源和環(huán)保戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分。
本發(fā)明是一種通道式間接換(傳)熱技術(shù)，換熱界面為圓形管道的管壁，

圖1～4為該種布陣方式的幾個(gè)橫斷面例子。本發(fā)明的基本特征是1)換熱管按正六邊形蜂窩節(jié)點(diǎn)位置布陣；2)換熱管公稱外徑近于或等于正六邊形邊長，即應(yīng)以使相臨換熱管外壁近于或正好相切為準(zhǔn)(是指熱態(tài)下相切，而冷態(tài)下并不一定相切)。
該技術(shù)中所采用的流體通道，是本人從上千種組合中精選出的一種近乎完美的布陣形式，其突出特點(diǎn)在于1)有兩種比較理想的流體通道采用不同的換熱管管徑及壁厚，可將管程與殼程通道面積之比控制在0.50～0.95之間；2)有效地增大了單位體積內(nèi)的傳熱面積和縮短了二換熱介質(zhì)間的最大傳遞距離；3)因相臨兩換熱管外壁相切，起到了支架的作用，故通道長度可以在不受換熱管受力和支架限制的情況下按實(shí)際需要任意加長，且管壁厚度還可以減??；4)管程與殼程都能夠適應(yīng)高溫和高壓的要求；5)其造型可滿足各種安放場所的要求，并可以實(shí)現(xiàn)管道化和小型化；6)因管程與殼程都實(shí)現(xiàn)了通道化，故可實(shí)現(xiàn)真正意義上的兩種介質(zhì)間的完全逆向換熱；7)能實(shí)現(xiàn)通道形狀全程基本不變，因而可減小通道對(duì)流體的阻力；8)適應(yīng)范圍廣，幾乎能適用于兩種介質(zhì)傳熱或加熱的各種場所；9)加工制作方便；10)能有效地利用熱能和減少排放，故該技術(shù)具有顯著的節(jié)能、回收能源和環(huán)保意義。此外，該技術(shù)還具有流體通道易清洗、能自凈、不易堵塞，換熱管勿需外加支架，換熱器能適應(yīng)熱脹冷縮要求，能實(shí)現(xiàn)對(duì)流體溫度的控制等多種特點(diǎn)。
盡管有一些結(jié)構(gòu)形式也可以形成兩種相互交錯(cuò)的流體通道，但多都存在這樣或那樣的缺陷。例如圖5和圖6，是分別為換熱管以正四邊形和正三邊形蜂窩節(jié)點(diǎn)布陣所形成的流體通道，其由換熱管外壁圍成的通道斷面較小，易堵塞；又如，圖7～10分別是由三角形、矩形、三角形與平面板、弧形波紋板組成的流體通道，盡管它們的通道形狀較為理想，但它們穩(wěn)定性較差，不耐高溫高壓，且加工制作比較復(fù)雜。
現(xiàn)有的熱交換設(shè)備多為容積式，有些為多管程或多段式結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)形式的換熱管，一般單管程長度一般都較短，管壁間間距也較大，殼程又無明顯的流體通道，存在著嚴(yán)重的短流和混流現(xiàn)象，故不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的逆向換熱，因而換熱效果較差。
盡管螺旋板熱交換器為通道式，但其換熱效率并不高，這主要是由于其通道本身的缺陷產(chǎn)生的圖11為螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式圖，由圖可以看出，該熱交換器的通道斷面實(shí)際上為單一的矩形，盡管其螺旋通道可以無限延長，但其單位體積內(nèi)所擁有的換熱面積較少(在相同通道寬度的情況下，其所擁有的換熱面積僅為本發(fā)明的一半)，這是其換熱效率低的原因之一；再則，盡管螺旋板換熱器有較好的流體通道，在每個(gè)通道的兩側(cè)均為同一流體，但它卻存在著明顯的反向換熱現(xiàn)象，這主要是由于在同一通道兩側(cè)的流體不同溫所引起的。比如有高低溫兩種流體通過螺旋板換熱器進(jìn)行逆向換熱，試看在高溫流體通道的某個(gè)斷面(例如“a”)處，如果其通道外側(cè)在與低溫流體換熱，換熱后的低溫流體繼續(xù)向內(nèi)流動(dòng)，并不斷與更高溫度的高溫流體換熱，此時(shí)低溫流體的溫度也在不斷升高，然而在走行360°后，升溫后的低溫流體又轉(zhuǎn)到了斷面“a”處的內(nèi)側(cè)，因此在斷面“a”的內(nèi)側(cè)就會(huì)出現(xiàn)換熱效率低下，不換熱，甚至是反向換熱的現(xiàn)象，這說明，螺旋板換熱器的流體通道未能實(shí)現(xiàn)真正的逆向換熱，這是螺旋板換熱器換熱效率低的原因之二。相比之下，蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)集眾多換熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為一身，且剔除了現(xiàn)有換熱設(shè)備的種種弊端，為一種更接近理想傳熱方式的換熱結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
蜂窩圓管熱交換技術(shù)的節(jié)能功能主要在于以下幾個(gè)方面1用加大單位體積內(nèi)的換熱面積，而不是傳統(tǒng)觀念上的加大流體流速或制造流體紊流的方式來提高換熱效果，因此可使二換熱流體的流速都可以降得足夠低，并因全程擁有均勻不變的通道，這就使得流體在換熱過程中壓頭損失大大減小，因而換熱結(jié)構(gòu)本身就是一種節(jié)能形式；2因該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的管道化，水平放置或采用本人發(fā)明的另一項(xiàng)通道技術(shù)，在有些場合下，能使換熱器的最大位置高度大大降低，因而可減少因克服位能而引出的為流體升壓而消耗的能量；3因該技術(shù)可真正實(shí)現(xiàn)二流體間的完全逆向換熱，熱交換充分，這在不同的場合有著不同的意義，下面是幾個(gè)例子(1)對(duì)于循環(huán)冷卻水，可減少循環(huán)水系統(tǒng)的能耗。比如在某地區(qū)，若要將某介質(zhì)從90℃冷卻到45℃，在采用非完全逆向換熱的情況下，較經(jīng)濟(jì)合理的做法可能是用32℃的循環(huán)冷卻水冷卻，換熱后的水溫升高到45℃。然而，如改用完全逆向換熱方式，就會(huì)產(chǎn)生如下兩種積極效果a)在循環(huán)水量不變的情況下，可以用更高溫度(比方說37℃)的循環(huán)冷卻水，升溫Δt＝13℃來實(shí)現(xiàn)。其意義在于假設(shè)當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)選用濕球溫度為28.6℃，則冷卻塔冷卻后水溫與設(shè)計(jì)濕球溫度的差值，由原先的3.4℃提高到了8.4℃，這對(duì)提高冷卻塔的淋水密度，減小冷卻塔的規(guī)模及能耗意義極其重大；b)若還利用32℃的冷卻水冷卻，若換熱后的水升溫到55℃，此時(shí)冷卻水量可較非完全逆向換熱的情況減少40％以上，這不僅降低了冷卻塔的能耗，而且減少了循環(huán)水加壓系統(tǒng)的能耗。
(2)對(duì)于低溫冷卻水，有時(shí)就可不必循環(huán)制冷假如，若某介質(zhì)要從45℃被冷卻到23℃，在采用非完全逆向熱交換的情況下，常需要用16℃的制冷水冷卻，換熱前后冷卻水的溫差為Δt＝7℃。若采用完全逆向換熱方式，就可能由20℃(或更高溫度)的地下水升溫到27℃(或更高溫度)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于某些有低溫水資源的地區(qū)，就可以利用現(xiàn)成的水溫資源，而不必再去耗能制冷了，而升溫后的低溫水其水質(zhì)基本不變，乃可供循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水等新水用戶使用，真可謂一舉兩得。
(3)對(duì)于化工工藝?yán)錈峤橘|(zhì)換熱(如用于分餾塔等出塔高溫流體與進(jìn)塔低溫流體間的換熱等)，若采用完全逆向換熱方式，可提高換熱后低溫流體的溫度，這就意味著回收了更多的熱能，因而可以減少對(duì)低溫介質(zhì)加熱所需的燃料或蒸汽消耗。
4利用該技術(shù)回收熱電站汽輪發(fā)電機(jī)后的余熱，可提高熱能的利用率，這對(duì)減少燃料的消耗意義重大；5把該通道技術(shù)用于鍋爐，可提高鍋爐的熱效率，減少燃料消耗。
6利用該技術(shù)和載熱流體，可有效地回收和利用熱能。如回收高溫?zé)煹罋?、高溫爐窯氣、高溫荒煤氣、接收的太陽能及其他高溫流體等所攜帶的熱量。
該技術(shù)可用于制造各種熱交換設(shè)備(如冷卻器、冷凝器、加熱器、再沸器、蒸發(fā)器、濃縮器、余熱及廢熱的回收或利用設(shè)備、制冷設(shè)備、燃料鍋爐、太陽能接收和回收的某些關(guān)鍵設(shè)備等)。根據(jù)需要，可制造由不同換熱管管徑、不同換熱管壁厚、不同換熱管數(shù)量、不同形狀橫斷面外殼(如圓形，矩形、六邊形、多邊形等)及不同材質(zhì)等構(gòu)成的各種造型和各種規(guī)格型號(hào)的熱交換設(shè)備。本發(fā)明之所以特別強(qiáng)調(diào)了換熱管的布陣方式及流體通道的全程不變或緩變性，是由于其比多管程和多段式換熱方式具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但并非指該技術(shù)不能用于多管程和多段式換熱設(shè)備。
權(quán)利要求
一種蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)該發(fā)明屬兩種不同溫度介質(zhì)間的高效間接換熱(或加熱)技術(shù)。如汽-汽、汽-液、液-液間換熱，燃料對(duì)介質(zhì)的間接加熱等。介質(zhì)間的間接換熱(或加熱)技術(shù)，主要應(yīng)用于制造熱交換和加熱設(shè)備等。按結(jié)構(gòu)形式分，現(xiàn)有熱交換設(shè)備有管殼式(如固定管板式、浮頭式、填料函式及U型管式等)、板式(如板翅式、螺旋板式、傘板式及波紋板式等)、管式(空冷器、套管式、噴淋管式及箱管式等)及板殼式等。在上述傳熱結(jié)構(gòu)中，僅有螺旋板換熱器屬通道式，其余容積式特征較為明顯。容積式換熱器的主要缺點(diǎn)是單管程長度一般都較短，而殼程又無明顯的流體通道，短流和混流現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的逆向換熱。就螺旋板換熱器而言，雖為通道式，但因其單位體積內(nèi)所擁有的換熱面積較少，且通道結(jié)構(gòu)本身存在著明顯的反向換熱現(xiàn)象等弊病，因而換熱效果也并不理想。本發(fā)明在于其獨(dú)特的換熱管布陣形式，其顯著特征為換熱管按正六邊形蜂窩節(jié)點(diǎn)位置布陣；換熱管公稱外徑近于或等于正六邊形邊長，即應(yīng)以使相臨換熱管外壁近于或正好相切為準(zhǔn)(是指熱態(tài)下相切，而冷態(tài)下并不一定相切)。該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1)形成了兩種比較理想的流體通道；2)有效地增大了單位體積內(nèi)的傳熱面積和縮短了二換熱介質(zhì)間的最大傳遞距離；3)通道長度可以在不受換熱管受力和支架限制的情況下按實(shí)際需要任意加長，且管壁厚度還可以減??；4)管程與殼程都能夠適應(yīng)高溫和高壓的要求；5)其造型可滿足各種安放場所的要求，并可以實(shí)現(xiàn)管道化和小型化；6)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的兩種介質(zhì)間的完全逆向換熱。更重要的是該技術(shù)具有顯著的節(jié)能、回收能源和環(huán)保意義。獨(dú)立保護(hù)權(quán)項(xiàng)換熱管按正六邊形蜂窩節(jié)點(diǎn)位置布陣的通道式傳熱或加熱技術(shù)。從屬保護(hù)權(quán)項(xiàng)1)用本蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)生產(chǎn)和制造的各種形式和用途的熱交換設(shè)備(如熱交換器、冷卻器、冷凝器、凝縮器、加熱器、空冷器及熱水器等)。2)用本蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)生產(chǎn)和制造的各種形式和用途的蒸發(fā)及汽化設(shè)備(如再沸器、蒸發(fā)器、汽化器、濃縮器及蒸餾水器等)；3)用本蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)生產(chǎn)和制造的各種形式和用途的加熱設(shè)備(燃煤鍋爐、燃油鍋爐及燃?xì)忮仩t、廢熱鍋爐等)；4)用本蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)生產(chǎn)和制造的各種形式和用途的制冷設(shè)備；5)用本蜂窩通道圓管熱交換技術(shù)生產(chǎn)和制造的各種形式和用途的熱能回收設(shè)備(如余熱及廢熱的回收或利用設(shè)備、太陽能接收和回收的某些關(guān)鍵設(shè)備等)。
全文摘要
本發(fā)明為通道式間接換(傳)熱技術(shù),其重要特征為起介質(zhì)換熱傳遞作用的圓管在正六邊形蜂窩節(jié)點(diǎn)位置上布陣,斷面形式之一見圖1。該技術(shù)具有流體通道完美,傳熱面積大,適應(yīng)性強(qiáng),用途廣,制作方便,并能真正實(shí)現(xiàn)介質(zhì)間的完全逆向換熱,且具有顯著的節(jié)能、回收能源和環(huán)保意義。該技術(shù)剔除了現(xiàn)有換熱設(shè)備的種種弊端,為一種更接近理想傳熱方式的換熱結(jié)構(gòu),可用于制造各種形式和用途的換熱及加熱設(shè)備等。
文檔編號(hào)F28D7/00GK1378064SQ0111250
公開日2002年11月6日 申請日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者劉潤海 申請人:劉潤海