說明書一種變徑管纏繞的螺旋管式換熱器

　　技術領域

　　本發明涉及一種換熱器，特別涉及一種變徑管纏繞的螺旋管式換熱器。

　　背景技術

　　螺旋纏繞管式換熱器具有結構緊湊、單位容積內傳熱面積大、具有一定的溫度自補償能力、占地面積小等諸多優點，在低溫工程，特別是混合工質制冷天然氣液化工藝過程中獲得了廣泛的應用。在混合工質制冷過程中，管內流過高壓混合工質，管外間隙形成的殼側流過低壓混合工質。管內高壓混合工質溫度由高到低經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，如流道設計不當，其中的汽液兩相的體積流速會不斷降低，導致冷凝液體依靠重力回流積存，混合工質循環濃度發生變化，造成制冷性能發生偏差，嚴重時會使制冷性能無法達到設計要求。

　　另一方面，傳統的螺旋纏繞管式換熱器在制作過程中，一經設計選定，繞管角度和直徑無法變化，僅可通過改變換熱管長度進行調節，為避免高壓混合工質汽液兩相分離，將會增加換熱設備臺數，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已經有所報道，其中發明專利CN，提供的繞管式換熱器集成了預冷段、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，無法對管內高壓混合工質流動工況進行改善調節。

　　另外，發明專利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合的復合換熱器結構，這種結構可以改進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，不適用于混合工質低溫制冷系統。

　　發明內容

　　本發明目的在于：針對上述現有技術中存在的不足，本發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，調節高壓流體的體積流速，可實現大溫跨條件下不同溫度段的高效換熱，具有結構緊湊，換熱效率高，利于將不同溫區換熱器集成組裝，縮小換熱器體積，減少換熱設備數量等優點，可用于多種場合和環境的低溫制冷領域。

　　本發明的技術方案如下：

　　本發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口1的上封頭2；裝于所述上封頭2側壁上的**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側壁上的**管程進口分配管板21和第二管程進口分配管板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**管程進口分配管板21上的通孔與**管程進口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的換熱器芯管體上以分別形成多層相應管程的管束層；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。

　　本發明的變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的優點如下：

　　本發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，調節高壓流體的體積流速，可實現大溫跨條件下不同溫度段的高效換熱，具有結構緊湊，換熱效率高，利于將不同溫區換熱器集成組裝，縮小換熱器體積，減少換熱設備數量等優點，可用于多種場合和環境的低溫制冷領域。

　　附圖說明

　　圖1為本發明的采用變徑管纏繞的螺旋管式換熱器的結構示意圖。

　　具體實施方式

　　下面結合附圖及實施例進一步闡述本發明。

　　實施例1

　　參見圖1所示，本發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口1的上封頭2；裝于所述上封頭2側壁上的**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側壁上的**管程進口分配管板21和第二管程進口分配管板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**管程進口分配管板21上的通孔與**管程進口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口16，經第二管程進口分配管板5分配后進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內被殼程流體低壓混合制冷劑冷卻，再經第二固定花板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冷卻，經第二管程出口管板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節流后，通過殼程進口1進入換熱器，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，之后經過渡殼體26進入大直徑殼體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**管程進口20,**管程進口分配管板21分配后進入**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內被殼程流體低壓混合制冷劑冷卻，再經第二固定花板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冷卻，經**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，換熱器內的管程流體溫度跨度近160℃，流體密度發生顯著變化，管內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的管內流速和換熱效果，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濟高效。

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