高效率熱交換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孔德霞

（德州市高效熱泵空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東德州 253034）

0 引言

目前中國熱交換器市場主要集中于石油、化工、集中供暖、制冷空調(diào)、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油、化工生產(chǎn)中幾乎所有的工藝都有加熱、冷卻或冷凝過程，是熱交換器最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占熱交換器30%的市場份額；由于城市集中供熱中心二次熱交換器、制冷空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器的大量應(yīng)用，集中供暖和制冷空調(diào)行業(yè)約占熱交換器行業(yè)8%的市場份額；船舶行業(yè)應(yīng)用大量的中央冷卻器等換熱設(shè)備，約占熱交換器行業(yè)8%的市場份額；機(jī)械行業(yè)在汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用大量的機(jī)油冷卻器、中冷器等熱交換器，約占熱交換器行業(yè)8%的市場份額；在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，熱交換器用量也較大。

熱交換器設(shè)備是工業(yè)耗能、耗水大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器設(shè)備耗能量占工業(yè)用能的13%～15%。我國工業(yè)冷卻用水量占工業(yè)用水量的80%左右，取水量占工業(yè)取水總量的30%～40%。其中，火力發(fā)電、鋼鐵、石油、石化、化工、造紙、紡織、有色金屬、食品與發(fā)酵等行業(yè)取水量約占我國工業(yè)取水量的60%。我國工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能降耗任務(wù)緊迫而艱巨，作為耗水耗能大戶，節(jié)水、節(jié)能是熱交換設(shè)備今后的發(fā)展重點(diǎn)。本文對(duì)熱交換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在減少了加工工序、節(jié)省成本、降低泄漏率的同時(shí)，提高了換熱效率，改善流場分布情況。

1 技術(shù)方案

1.1 設(shè)計(jì)方案

高效率熱交換器采用了一種新型進(jìn)氣管組件，包括進(jìn)氣管和折流件：通過折流件連接在進(jìn)氣管端部，制冷劑蒸氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入折流件，降低制冷劑蒸氣的流速并改變其方向，使得制冷劑蒸氣形成沿水平方向的穩(wěn)流，以使蒸氣與熱交換器的換熱盤管均勻接觸。通過本設(shè)計(jì)方案，既可以防止進(jìn)氣口流體直接沖擊換熱管束，造成管子的侵蝕和振動(dòng)，又提高了熱交換器的換熱效率。

其中，進(jìn)氣管下部設(shè)有出氣口，出氣口可為圓形、橢圓形或條狀，出氣口數(shù)量為多個(gè)，且相對(duì)進(jìn)氣管軸線均布；折流件可為圓管或回轉(zhuǎn)體，圓管上有與排氣管下端連接帶有內(nèi)螺紋的接頭，圓管上開有沿水平方向相對(duì)折流件軸線均布的多個(gè)出氣口；折流件為喇叭狀的回轉(zhuǎn)體，且有與排氣管下端連接的帶有內(nèi)螺紋的接頭，接頭上開有沿水平方向相對(duì)折流件軸線均布的多個(gè)出氣口；排氣管出氣口設(shè)置在進(jìn)氣管下端，進(jìn)氣管下端有外螺紋，與折流件上帶有內(nèi)螺紋的接頭連接。

1.2 具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步闡述本技術(shù)方案為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施案例，對(duì)依據(jù)本技術(shù)方案提出的進(jìn)氣管組件其具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效。

1.2.1 實(shí)例1

實(shí)例1 提供了一種進(jìn)氣管組件，包括進(jìn)氣管、折流件和接頭：進(jìn)氣管端部通過接頭與折流件連接，制冷劑蒸氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入折流件，通過折流件降低制冷劑蒸氣流速并改變其方向，使得經(jīng)過折流件后的制冷劑蒸氣形成沿水平方向的穩(wěn)流，進(jìn)而使其與熱交換器內(nèi)的換熱盤管均勻接觸（圖1）。

組件接頭一端帶有內(nèi)螺紋，另一端與折流件按圖1 所示位置結(jié)合（焊接或融合）為一體。接頭和折流件材料可以采用金屬管，也可以采用工程塑料。折流件有兩排沿水平方向的出氣孔。進(jìn)氣管一端帶有外螺紋，另一端翻邊，其材料可以采用金屬管或工程塑料。

圖1 實(shí)例1 的進(jìn)氣管組件結(jié)構(gòu)

圖2 為本技術(shù)方案進(jìn)氣管組件安裝在熱交換器中的裝配示意：當(dāng)在熱交換器內(nèi)安裝時(shí)，先將進(jìn)氣管從熱交換器外部，依次穿過墊圈、密封圈、接管，與熱交換器內(nèi)接頭螺紋連接；接管一端與熱交換器焊接連接，另一端帶有外螺紋，接管與熱交換器的外殼材質(zhì)為金屬；變徑接頭直徑大的一端帶有內(nèi)螺紋，直接小的一端帶有外螺紋，材料為金屬或工程塑料；進(jìn)氣管端部與接頭通過螺紋連接，另一端通過變徑接頭與接管螺紋連接；進(jìn)氣管與接管內(nèi)側(cè)通過密封圈密封，與變徑接頭之間通過墊圈密封。

1.2.2 實(shí)例2

實(shí)例2 的技術(shù)方案如圖3 和圖4 所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)例1 的相似，不同之處在于：

圖2 實(shí)例1 的進(jìn)氣管組件在熱交換器中的裝配

（1）圖3 的進(jìn)氣管組件與圖1 的基本結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于：①圖1 的折流件形狀為圓管型，且折流件有兩排沿水平方向的出氣孔；②圖3 中的折流件為回轉(zhuǎn)體，回轉(zhuǎn)體形狀為喇叭狀，且接頭開有沿水平方向的出氣口，出氣口數(shù)量為多個(gè)且相對(duì)于接頭軸線均布。

（2）圖4 與圖2 的基本結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于進(jìn)氣管組件的結(jié)構(gòu)。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

圖3 實(shí)例2 的進(jìn)氣管組件結(jié)構(gòu)

（1）折流件為喇叭狀的回轉(zhuǎn)體。本設(shè)計(jì)的新型進(jìn)氣管組件，通過螺紋連接的折流件為回轉(zhuǎn)體，回轉(zhuǎn)體形狀為喇叭狀，其內(nèi)表面光滑，可以減小制冷劑蒸氣的流動(dòng)阻力。

（2）接頭開有沿水平方向的出氣口。本設(shè)計(jì)的新型進(jìn)氣管組件中的接頭開有沿水平方向的出氣口，出氣口數(shù)量為多個(gè)（具體數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置，形狀為圓形、矩形或其他形狀），且多個(gè)出氣口相對(duì)接頭軸向?qū)ΨQ均布。

（3）提高了熱交換器的換熱效率。折流件的橫截面積大于進(jìn)氣管出氣口的截面積，使制冷劑蒸氣通過接頭出氣口流入折流件時(shí)，流速降低同時(shí)改變流動(dòng)方向，制冷劑蒸氣形成沿水平方向的穩(wěn)流，使制冷劑蒸氣與換熱器內(nèi)的換熱盤管均勻接觸。提高了換熱器的換熱效率。

圖4 實(shí)例2 的進(jìn)氣管組件在熱交換器中的裝配

（4）提高了生產(chǎn)效率。本技術(shù)方案去掉了防沖擋板，減少了熱交換器焊接工序，避免了焊點(diǎn)泄漏隱患；同時(shí)提高了熱交換器的制造工藝性，提高了生產(chǎn)效率。從生產(chǎn)方面分析，預(yù)計(jì)單臺(tái)熱交換器節(jié)約能源和人工費(fèi)為5～10 元。

3 后續(xù)研究

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新型高效率熱交換器，換熱效果將利用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，并將優(yōu)化后的流場分布情況與優(yōu)化前的進(jìn)行對(duì)比分析，得出優(yōu)化后換熱效率提高率及流場分布改善情況。