本發(fā)明涉及換熱領(lǐng)域，特別是涉及一種耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器。

背景技術(shù)：

換熱器是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)裝置中的重要節(jié)能設(shè)備，在工業(yè)領(lǐng)域特別是在石油、化工、電力冶金等耗能大的行業(yè)中大量應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，化學(xué)工業(yè)中80％的能量傳遞都是由換熱器來(lái)承擔(dān)的。2008年世界換熱器產(chǎn)業(yè)的總市場(chǎng)規(guī)模在500億美元左右。其中，歐盟和美國(guó)這兩大市場(chǎng)的規(guī)模約占200億美元，占全球換熱器市場(chǎng)近40％的份額，中國(guó)換熱器市場(chǎng)規(guī)模為55億美元，所占份額為11％。由于中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速較快，未來(lái)仍會(huì)是換熱器行業(yè)的主要增量市場(chǎng)。

按照傳熱表面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類，換熱器可分為管型換熱器、板型換熱器和其它形式換熱器三大類。目前各種形狀的管型與板型換熱器已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)并廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。石油化工、能源電力、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器的需求仍在增加，高效換熱器逐漸替代換熱效率較低的普通換熱器。應(yīng)運(yùn)而生的分形結(jié)構(gòu)的換熱器也隨之被設(shè)計(jì)出來(lái)并被部分學(xué)者加以研究，眾所周知分形分叉結(jié)構(gòu)用于換熱器的設(shè)計(jì)中可以很好地提高系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性能，具體可以提高傳熱能力與減小壓降。

中國(guó)專利CN 101846467 A設(shè)計(jì)了一種管殼式換熱器，具體地是一種具有構(gòu)型樹狀結(jié)構(gòu)的換熱器。在分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器優(yōu)良性能的同時(shí)存在一個(gè)亟待解決的問題就是換熱介質(zhì)的收集問題。在以前的設(shè)計(jì)及研究中多采用分散管路分散開經(jīng)由末端垂直管路到下一層經(jīng)由下層分叉管路進(jìn)行收集。該兩層管路形成一個(gè)單元，在一個(gè)換熱器中由多個(gè)上述單元串聯(lián)而成形成換熱器的管程。但是這種收集方式一方面不利于換熱器的“緊湊性”設(shè)計(jì)，另一方面使得換熱物料流經(jīng)的路徑較長(zhǎng)，在保證換熱器處理能力的前提下物料的流動(dòng)速度可能會(huì)很高，這樣就會(huì)使得系統(tǒng)的壓降增加。本發(fā)明基于換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的背景，設(shè)計(jì)了一種具有夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器。其以一種簡(jiǎn)單的方法解決了分叉流動(dòng)的物料的收集問題，同時(shí)較以前的設(shè)計(jì)更提高了傳熱與流動(dòng)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中換熱器物料收集等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器，所述換熱器至少包括：外殼體、內(nèi)殼體、夾套層、第一管板、第一封頭、第二管板、第二封頭、主管路和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束；

所述內(nèi)殼體設(shè)置于所述外殼體中，所述內(nèi)殼體和外殼體之間形成所述夾套層，所述內(nèi)殼體壁上設(shè)置有孔體；

所述第一管板、第一封頭設(shè)置于所述外殼體的一端，所述第二管板、第二封頭設(shè)置于所述外殼體的另一端，所述第二管板上設(shè)置有與所述夾套層位置相對(duì)應(yīng)的若干通孔；

所述主管路的一端穿過并固定于所述第一封頭和第一管板上；

所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束安裝在所述內(nèi)殼體中，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束的中心與所述主管路連通、末端通過所述內(nèi)殼體上的孔體與所述夾套層連通。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述換熱器還包括熱介質(zhì)入口、熱介質(zhì)出口、冷介質(zhì)入口和冷介質(zhì)出口，所述熱介質(zhì)入口安裝在所述第一封頭上且與所述主管路連通，所述熱介質(zhì)出口安裝在第二封頭上，所述冷介質(zhì)入口和冷介質(zhì)出口均安裝在外殼體上。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述主管路沿外殼體中心軸向設(shè)置，且沿著熱介質(zhì)流動(dòng)方向，所述主管路的直徑逐漸變大。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束包括多層平行排列的換熱管束單元，所述換熱管束單元沿所述外殼體軸向垂直分布。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，從所述熱介質(zhì)入口到熱介質(zhì)出口方向，所述換熱管束單元的直徑逐漸增大。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束中，相鄰層換熱管束單元的直徑比和長(zhǎng)度比符合Murray’s law。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述換熱器的冷介質(zhì)和熱介質(zhì)為逆向流動(dòng)，一方面，熱介質(zhì)從所述熱介質(zhì)入口進(jìn)入換熱器，沿著所述主管路依次經(jīng)過各層換熱管束單元，在流經(jīng)所述換熱管束單元末端部時(shí)由內(nèi)殼體上的孔體進(jìn)入所述夾套層，最后沿著夾套層流動(dòng)，經(jīng)過第二管板上的通孔進(jìn)入第二封頭并經(jīng)由所述熱介質(zhì)出口排出換熱器；另一方面，冷介質(zhì)經(jīng)由所述冷介質(zhì)入口進(jìn)入所述內(nèi)殼體內(nèi)部與所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束外壁接觸進(jìn)行換熱并經(jīng)由所述冷介質(zhì)出口排出換熱器。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述夾套層的寬度范圍為10～20cm。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束與所述主管路之間采用焊接方式進(jìn)行連接，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束與內(nèi)殼體之間采用焊接或脹接方式連接。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束為Y型分形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述換熱器為立式或臥式。

作為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的一種優(yōu)化的方案，所述熱介質(zhì)入口、熱介質(zhì)出口、外殼體、內(nèi)殼體、第一管板、第二管板及分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束的材料為不銹鋼、碳鋼、銅或鋁合金。

如上所述，本發(fā)明的耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器，具有以下有益效果：

1、采用分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束可以有效地提高流體輸送效率，減小管束內(nèi)流動(dòng)壓降，同時(shí)增強(qiáng)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)，使用更緊湊的設(shè)計(jì)取代了折流板的使用，進(jìn)一步減小了殼程的壓降；

2、采用夾套式收集設(shè)計(jì)，很好地解決了分形分叉流動(dòng)介質(zhì)的收集問題。同時(shí)減小了管程液體的流通路徑，在保證處理能力的同時(shí)以更低的速度進(jìn)行流動(dòng)，減小了額外的壓降；

3、采用耦合設(shè)計(jì)，將夾套式與管殼式換熱器耦合起來(lái)，在流體流過換熱管束進(jìn)入夾套層時(shí)，進(jìn)行二次換熱，再次增加該設(shè)計(jì)的換熱能力。采用了主管路和分形分叉管路直徑逐漸增加的設(shè)計(jì)，可以有效地分布換熱介質(zhì)，避免其產(chǎn)生偏向流動(dòng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器的半剖視圖。

圖2為本發(fā)明換熱器中主管路和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束示意圖。

圖3為本發(fā)明換熱器中第二管板示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說明

1 外殼體

2 內(nèi)殼體

3 夾套層

4 第一管板

5 第一封頭

6 第二管板

61 通孔

7 第二封頭

8 主管路

9 分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束

10 熱介質(zhì)入口

11 熱介質(zhì)出口

12 冷介質(zhì)入口

13 冷介質(zhì)出口

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請(qǐng)參閱附圖。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

請(qǐng)參閱圖1～3，本發(fā)明提供一種耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器，所述換熱器至少包括：外殼體1、內(nèi)殼體2、夾套層3、第一管板4、第一封頭5、第二管板6、第二封頭7、主管路8和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9。所述內(nèi)殼體2設(shè)置于所述外殼體1中，所述內(nèi)殼體2和外殼體1之間形成所述夾套層2，所述內(nèi)殼體2壁上設(shè)置有孔體；所述第一管板4、第一封頭5設(shè)置于所述外殼體1的一端，所述第二管板6、第二封頭7設(shè)置于所述外殼體1的另一端，所述第二管板6上設(shè)置有與所述夾套層3位置相對(duì)應(yīng)的若干通孔61；所述主管路8的一端穿過并固定于所述第一封頭5和第一管板4上；所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9安裝在所述內(nèi)殼體2中，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9的中心與所述主管路8連通、末端通過所述內(nèi)殼體2上的孔體與所述夾套層3連通。

需要說明的是，所述換熱器可以為立式或臥式。若所述換熱器為立式，則所述第一管板4、第一封頭5分別為上管板和上封頭，所述第二管板6、第二封頭7分別為下管板和下封頭；若所述換熱器為臥式，則所述第一管板4、第一封頭5分別為左管板和左封頭，所述第二管板6、第二封頭7分別為右管板和右封頭。其中，兩端的管板4、6與內(nèi)外殼體1、2均連接。附圖1展示的是所述換熱器為臥式的情況。

作為示例，所述換熱器還包括熱介質(zhì)入口10、熱介質(zhì)出口11、冷介質(zhì)入口12和冷介質(zhì)出口13，所述熱介質(zhì)入口10安裝在所述第一封頭5上，并與所述主管路8相連通，所述熱介質(zhì)出口11安裝在第二封頭7上，所述冷介質(zhì)入口12和冷介質(zhì)出口13均安裝在外殼體1上且與所述內(nèi)殼體2內(nèi)部連通。一方面，熱介質(zhì)從所述熱介質(zhì)入口10進(jìn)入，通過主管路8和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9，再通過夾套層3統(tǒng)一收集，經(jīng)過第二管板6上的通孔61進(jìn)入第二封頭7并經(jīng)由所述熱介質(zhì)出口11排出換熱器，由此可見，所述主管路8和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9的內(nèi)部構(gòu)成管程流動(dòng)的通道。另一方面，冷介質(zhì)則由所述冷介質(zhì)入口12進(jìn)入所述內(nèi)殼體2內(nèi)部，與所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9外壁接觸進(jìn)行換熱并經(jīng)由所述冷介質(zhì)出口13排出換熱器，由此可見，所述主管路8和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9的外側(cè)與所述內(nèi)殼體2的內(nèi)部構(gòu)成殼程流道。

作為示例，所述主管路8沿外殼體1中心軸向設(shè)置，且沿著熱介質(zhì)流動(dòng)方向，所述主管路8的直徑逐漸增大。如圖2所示，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9包括多層平行排列的換熱管束單元，所述換熱管束單元沿所述外殼體1軸向垂直分布。進(jìn)一步地，從熱介質(zhì)入口10到熱介質(zhì)出口11方向，所述換熱管束單元的直徑逐漸增大。這種采用從左到右(或從上到下)換熱主管路8和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9直徑均逐漸增大的設(shè)計(jì)，可以使流體流經(jīng)換熱管束的阻力沿軸向不斷減小，從而有效地分布換熱介質(zhì)，避免換熱介質(zhì)的軸向不均勻流動(dòng)。

作為優(yōu)化的方案，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9中，相鄰層換熱管束單元的直徑比和長(zhǎng)度比原則上符合Murray’s law設(shè)計(jì)，即相鄰層換熱管束單元的直徑比和長(zhǎng)度比都應(yīng)為1.26。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為避免換熱管束末端自重疊，同時(shí)提高裝備的緊湊性，相鄰層換熱管束單元的直徑比和長(zhǎng)度比按照實(shí)際情況進(jìn)行尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。

作為示例，如圖2所示，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9可以為Y型分形樹狀結(jié)構(gòu)換熱管束。相比現(xiàn)有技術(shù)中的折流板，本發(fā)明采用的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9，結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)一步減小了殼程的壓降，并且可以有效地提高流體輸送效率，減小管束內(nèi)流動(dòng)壓降，同時(shí)增強(qiáng)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)。

作為示例，所述內(nèi)殼體2的兩端分別連接在第一管板4和第二管板6上，其壁面上對(duì)應(yīng)于換熱管束9末端位置開設(shè)有相應(yīng)大小的孔體。所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9的末端與這些孔體相連接，從而使換熱介質(zhì)可以經(jīng)由這些孔體流入所述夾套層3的內(nèi)部。

作為示例，所述夾套層3的寬度范圍為10～20cm。所述夾套層3的寬度指的是外殼體至內(nèi)殼體之間的距離。優(yōu)選地，所述夾套層3的寬度范圍為15～20cm。本實(shí)施例中，所述夾套層3的寬度范圍為15cm。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)夾套層，很好地解決了分形分叉流動(dòng)介質(zhì)的收集問題，同時(shí)減小了管程液體的流通路徑，在保證處理能力的同時(shí)以更低的速度進(jìn)行流動(dòng)，減小了額外的壓降；

需要說明的是，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9的管路內(nèi)部與所述夾套層3相連通，同時(shí)與內(nèi)殼體2內(nèi)部相隔絕，冷介質(zhì)則通過所述冷介質(zhì)入口10直接由所述外殼體1外部通入內(nèi)殼體2內(nèi)，與夾套層3內(nèi)隔絕。冷熱介質(zhì)各個(gè)不相通區(qū)域采取密封處理。熱介質(zhì)通過所述夾套層3可以進(jìn)行二次換熱，增強(qiáng)換熱能力，提高換熱效率。

如圖3所示，所述第二管板6上設(shè)置有與所述夾套層3位置相對(duì)應(yīng)的若干通孔61，即所述第二管板6在邊緣區(qū)域開有通孔61，這樣，換熱介質(zhì)可以通過第二管板6后經(jīng)由第二封頭7上的熱介質(zhì)出口11排出。

作為示例，所述熱介質(zhì)入口10、熱介質(zhì)出口11、外殼體1、內(nèi)殼體2、第一管板4、第二管板6及分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9等均可由不銹鋼材料制備，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工況可選擇碳鋼、銅、鋁合金等材料制備。另外，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9與所述主管路8之間采用焊接方式進(jìn)行連接，所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束9與內(nèi)殼體2之間采用焊接或脹接方式連接，封頭5、7與管板4、6間采用螺栓連接。冷介質(zhì)出入口12、13直接與內(nèi)殼體2內(nèi)部連通，其與外殼體1和內(nèi)殼2體間采取焊接方式進(jìn)行連接。

需要說明的是，所述的換熱器還應(yīng)包括流體驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、換熱介質(zhì)上下游連接設(shè)備以及冷卻介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)與收集裝置等。

本發(fā)明換熱器的具體工作過程為：所述換熱器的冷介質(zhì)和熱介質(zhì)為逆向流動(dòng)，一方面，熱介質(zhì)從上游工況流出后經(jīng)由熱介質(zhì)入口進(jìn)入10所述主管路8中，并沿主管路8向前發(fā)展流動(dòng)，當(dāng)流經(jīng)與主管路8垂直相連接的第一層換熱管束單元時(shí)，部分液體流入該單元中進(jìn)行分散流動(dòng)，其余流體繼續(xù)沿主管路8流動(dòng)并自由分配進(jìn)入其他換熱管束單元中，直至最后一個(gè)換熱管束單元。經(jīng)過換熱管束單元的熱介質(zhì)，之后全部經(jīng)由內(nèi)殼體2上的孔體進(jìn)入換熱器的夾套層3內(nèi)，沿著夾套層3流動(dòng)，并在所述第二管板6處通過管板上的通孔61進(jìn)入第二封頭7，最后通過所述熱介質(zhì)出口11排出進(jìn)入下一個(gè)工況。另一方面，冷卻介質(zhì)經(jīng)由冷介質(zhì)入口12進(jìn)入換熱器內(nèi)殼體2內(nèi)部，在內(nèi)殼體2內(nèi)部，冷介質(zhì)與管路8、9以及夾套層3中的熱介質(zhì)進(jìn)行相對(duì)流動(dòng)，換熱后經(jīng)由冷介質(zhì)出口13排出到換熱器之外。

再需要說明的是，本發(fā)明提供的換熱器不僅可以用于化學(xué)工業(yè)中，還可以用于其他生物、物理、機(jī)械等方面具體的反應(yīng)體系。

綜上所述，本發(fā)明提供一種耦合夾套式的分形分叉結(jié)構(gòu)換熱器，所述換熱器至少包括外殼體、內(nèi)殼體、夾套層、第一管板、第一封頭、第二管板、第二封頭、主管路和分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束；所述內(nèi)殼體設(shè)置于所述外殼體中，所述內(nèi)、外殼體之間形成所述夾套層；管板和封頭均設(shè)置于所述外殼體的兩端，所述第二管板上設(shè)置有與所述夾套層位置相對(duì)應(yīng)的通孔；所述主管路的一端穿過并固定于所述第一封頭和第一管板上；所述分形分叉結(jié)構(gòu)換熱管束安裝在所述內(nèi)殼體中，中心與所述主管路連通、末端通過內(nèi)殼體上的孔體與所述夾套層連通。本發(fā)明的換熱器克服當(dāng)前技術(shù)中的物料收集問題，大幅度提高了傳熱能力，減小系統(tǒng)的壓降，達(dá)到了高傳熱能力與節(jié)能的技術(shù)目的。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。