CN107131778A - 层叠式螺盘换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种层叠式螺盘换热器，属于化工换热领域，包括至少两块双面螺盘，所述双面螺盘的两面分别设有用于冷、热流体流动但互不相通的第一螺旋槽和第二螺旋槽，在所述双面螺盘上设有分别用于连通第一螺旋槽和第二螺旋槽的连通孔或连通管，在所述双面螺盘的上、下方设有夹板，在所述双面螺盘之间及夹板与双面螺盘之间设有柔性密封垫板，作为双面螺盘的密封紧固件，在所述密封紧固件的上、下夹板上设有分别用于冷、热流体进出的进料管和出料管，冷、热流体分别在所述第一螺旋槽和第二螺旋槽中逆向流动进行热量交换。本发明可用于实验室、中试和生产规模的换热过程，具有较高的换热效率。

Description

层叠式螺盘换热器

技术领域

本发明属于化工换热技术领域，更具体地说，是涉及一种用于冷热流体热量交换的层叠式螺盘换热器。

背景技术

众所周知，螺旋板式换热器以其传热系数高、流道均一、不易堵塞、两通道不易串料、结构紧凑、散热面积小、占地面积小等突出优点而在医药、化工和食品工业领域获得广泛应用，特别用于加热、冷却过程的余热回收，为该过程的节能减排做出了很大的贡献。但是，由于加工工艺复杂、价格昂贵、故障率高，而且一旦发生故障就很难修复，从而增加了装备成本。另外，用于实验室和中试规模的小型螺旋板式换热器在目前技术条件下尚无法加工，也影响了这一装备的持续技术改进与发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层叠式螺盘换热器，可将多个螺盘层叠组合用于实验室、中试和生产规模的换热过程，除了回收余热达到节能减排效果外，还能在一定程度上提高换热效率，缩短换热时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种层叠式螺盘换热器，包括：

至少两块双面螺盘，所述双面螺盘的两面分别设有用于冷、热流体流动但互不相通的第一螺旋槽和第二螺旋槽；

用于分别连通第一螺旋槽和第二螺旋槽的连通孔或连通管；

用于将所述双面螺盘密封压紧的夹板式密封紧固件；

用于分别将冷、热流体导入、导出的进料管和出料管；

冷、热流体分别在所述双面螺盘的第一螺旋槽和第二螺旋槽中逆向流动进行热量交换。

进一步地，所述密封紧固件包括上夹板和下夹板，在所述上夹板与所述双面螺盘之间、所述双面螺盘与所述双面螺盘之间以及所述双面螺盘与所述下夹板之间分别设有用于密封的柔性密封垫板，穿过所述上夹板、双面螺盘、下夹板和各所述柔性密封垫板的中心孔以及所述上夹板和下夹板边沿孔的多副螺栓副紧固连接，每一块所述柔性密封垫板上分别设有用于冷流体或热流体通过的连通孔。

进一步地，所述柔性密封垫板采用耐高温、高压的硅橡胶、氟橡胶、石棉橡胶、聚四氟乙烯、对位聚苯、聚酰亚胺、柔性石墨以及复合材料中的任一种制成。

进一步地，当两块以上的所述双面螺盘层叠时，在每块所述双面螺盘的第一螺旋槽和第二螺旋槽的末端分别设置垂直连通孔使层叠的所述双面螺盘上下串联连通，或在每块双面螺盘对应第一螺旋槽和第二螺旋槽末端的侧面分别设置水平连通孔并通过外接的U型连通管将层叠的所述双面螺盘并联连通。

进一步地，所述双面螺盘两面的第一螺旋槽与第二螺旋槽均为阿基米德螺旋槽，其螺旋方向相反，螺旋长度、槽壁厚度相同，各螺旋槽的凹槽断面形状为矩形或梯形，凹槽底部为平底或圆弧底。

进一步地，所述双面螺盘均使用相同的耐高温高压、高强度导热金属或非金属材料通过铣制、精密铸造或三维打印的方式加工制成。

进一步地，所述双面螺盘的外形为相同的圆盘形螺盘，或为相同的方形或多边形螺盘。

进一步地，所述密封紧固件的上夹板和下夹板均使用相同的耐高温高压、高强度的金属或非金属材料制成。

本发明提供的层叠式螺盘换热器的有益效果在于：

（1）采用两面具有逆向螺旋流道的双面螺盘，能够提高传热系数和换热效率，缩短换热时间。

（2）可以模块化，依据层叠层数的不同改变换热面积，满足不同换热量的需要。

（3）层叠组装，易拆卸，好清洗。

（4）结构紧凑，占地面积小，易保温，减少热量损耗。

（5）无需焊接，降低了人工成本，且质量更有保证，减少泄漏危险，使用寿命更长。

（6）可实现小型化，满足实验室和中试过程小流量的要求，为今后这类设备和工艺的进一步改进提供试验工具。

（7）采用铣制、铸造或三维打印等方法制作，大大简化了加工工艺，降低了制作成本，解决了现有技术中存在的加工工艺复杂、制作成本高、故障率高、使用寿命短、难以制作用于实验室和中试规模小型装备的问题。

本发明可广泛应用于石化、轻工、医药、生物化工、食品加工类生产行业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的层叠式螺盘换热器的整体组装结构示意图；

图2是本发明实施例提供的双面螺盘用于串联时一面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的双面螺盘用于串联时另一面的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的双面螺盘用于并联时一面的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的双面螺盘用于并联时另一面的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的四层双面螺盘用于串联时的结构示意图；

图7本发明实施例提供的八层双面螺盘两两并联时的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的十二层双面螺盘三三并联时的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的十六层双面螺盘四四并联时的结构示意图。

图中标记：1、第一螺旋槽；2、第二螺旋槽；3、双面螺盘； 5、第一中间连通孔；6、第一侧开水平连通孔；7、第一边沿垂直连通孔；8、第二侧开水平连通孔； 9、下夹板；10、上夹板；11、第一进料管；12、第一出料管；13、第二进料管；14、第二出料管；15、柔性密封垫板；16、螺栓；17、螺母；18、中心孔；20、第四连通孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1、图6至图9，现对本发明提供的层叠式螺盘换热器进行说明。所述层叠式螺盘换热器，包括至少两块双面螺盘3，所述双面螺盘3的两面分别设有用于冷、热流体流动但互不相通的第一螺旋槽1和第二螺旋槽2，冷热流体在其中逆向流动进行热量交换，以及用于将所述双面螺盘3密封压紧的夹板式密封紧固件，在所述双面螺盘3上设有用于冷热流体通过的连通孔或连通管，在所述密封紧固件上设有分别用于冷热流体进出的进料管和出料管，在所述双面螺盘3的第一螺旋槽1和第二螺旋槽2内，冷、热流体分别逆向流动进行热量交换。

本发明提供的层叠式螺盘换热器，与现有技术相比：采用两面具有逆向螺旋流道的双面螺盘，能够提高传热系数和换热效率，缩短加热和冷却的时间，减少热损耗；可以模块化，依据层叠层数的不同改变换热面积，满足不同换热量的需要；结构紧凑，占地面积小，易保温；层叠密封组合，易拆卸，好清洗；没有焊接点，降低了人工成本，且质量更有保证，使用寿命更长；可实现小型化，满足实验室和中试过程小流量的要求，为今后这类设备和工艺的进一步改进提供试验工具。因此所述层叠式螺盘换热器可广泛应用于石化、轻工、医药、生物化工、食品加工类生产行业的换热过程。

进一步地，请一并参阅图1至图9，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述密封紧固件包括上夹板10和下夹板9，在所述上夹板10与所述双面螺盘3之间、所述双面螺盘3与所述双面螺盘3之间以及所述双面螺盘3与所述下夹板9之间分别设有用于密封的柔性密封垫板15，穿过所述上夹板10、双面螺盘3、下夹板9和各所述柔性密封垫板15的中心孔18以及所述上夹板10和下夹板9边沿孔的多副螺栓副紧固连接，每一个所述柔性密封垫板15上分别设有用于冷流体或热流体通过的连通孔。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述柔性密封垫板15采用耐高温聚四氟乙烯材料制成。

进一步地，参阅图6至图9，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，当多块所述双面螺盘3层叠时，在每块所述双面螺盘3的第一螺旋槽1和第二螺旋槽2的末端分别设置垂直连通孔使层叠的所述双面螺盘3上下串联连通，或在每块双面螺盘3对应第一螺旋槽1和第二螺旋槽2末端的侧面分别设置水平连通孔并通过外接的U型连通管将层叠的所述双面螺盘3并联连通。

进一步地，请参阅图2至图5，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述双面螺盘3两面的第一螺旋槽1与第二螺旋槽2均为阿基米德螺旋槽，其螺旋方向相反，螺旋长度、槽壁厚度相同，各螺旋槽的凹槽断面形状为梯形，凹槽底部为平底。

进一步地，请参阅图2至图5，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述双面螺盘3中的螺旋槽均通过数控铣制的方式加工制成。采用所述数控铣制工艺制作，大大简化了加工工艺，降低了制作成本，且加工精度高，解决了现有技术中存在的加工工艺复杂、制作成本高、精度低、故障率高、使用寿命短、难以制作用于实验室和中试规模小型装备的问题。

进一步地，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述双面螺盘3的外形为相同的圆盘形螺盘。

进一步地，作为本发明提供的层叠式螺盘换热器的一种具体实施方式，所述密封紧固件的上夹板10和下夹板9均使用相同的耐高温高压、高强度的金属材料制成。

以上述制作方法完成的螺盘经层叠组装后，以如下方式进行应用：

热流体进入双面螺盘3的第一螺旋槽1或第二螺旋槽2中，与逆向进入双面螺盘3的第二螺旋槽2或第一螺旋槽1中的冷流体进行换热，热流体被冷却，而换热后的冷流体被加热，由此周而复始，完成全部冷热流体热量交换。

下面是四个具体的实施例。

实施例1：串联连通的四层螺盘换热器。

来自加热单元的热流体（灰箭头）从位于下夹板9的中间的第一进料管11经柔性密封垫板15的第四连通孔20向上进入最底层（为便于说明，命名为第一层，以上顺次排列，后面的实施例同）的双面螺盘3的第二螺旋槽2，顺着第二螺旋槽2由中心向边沿流动，在流动过程中与在上面的第一螺旋槽1内逆向流动的冷流体进行热交换，再通过U型连通管由第二层双面螺盘3的第二侧开水平连通孔8进入第二层双面螺盘3的第二螺旋槽2，顺着第二螺旋槽2由边沿向中心流动，在流动过程中进一步与在第一螺旋槽1内逆向流动的冷流体进行热交换，重复流经第三层双面螺盘3和第四层双面螺盘3，并顺着第二螺旋槽2由边沿向中心流动，最后经柔性密封垫板15的第四连通孔20自位于上夹板10上的第一出料管12流出。冷流体（白箭头）自第二进料管13和双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6进入第四层双面螺盘3的第一螺旋槽1，顺着螺旋槽由边沿向中心流动，向下经柔性密封垫板15的第四连通孔20进入第三层双面螺盘3的第一螺旋槽1，再顺着第一螺旋槽1由中间向边沿流动，经由第三层双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6，通过U型连通管经由第二层双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6进入第一螺旋槽1，由边沿向中心流动，至第一层双面螺盘3的第一螺旋槽1内，并由第二出料管14流出。冷、热流体分别在双层螺盘两面的螺旋槽中四次逆向流动换热，冷流体被加热，而热流体自身被冷却，实现热量交换。

以上实施效果为进入热通道的热流体初始平均温度142℃，换热后平均温度34℃；进入冷通道的冷流体初始平均温度20℃，换热后平均温度132℃。

实施例2：两两并联连通的八层螺盘换热器。

将八块双面螺盘3层叠，每两块双面螺盘3被并联成一组。来自加热单元的热流体（灰箭头），从位于下夹板9中间的第一进料管11经柔性密封垫板上的第四连通孔20，以并联分支方式分别进入第一层和第二层双面螺盘3的第二螺旋槽2，再顺着两条第二螺旋槽2由中心向边沿流动，经双面螺盘3的第二侧开水平连通孔8，经U型连通管分别进入第三层和第四层双面螺盘3的第二螺旋槽2，再顺着第二螺旋槽2自流向边沿中心，最后经第一中间连通孔5一并联分支方式分别进入第五层和第六层，最后进入第七层和第八层的第二螺旋槽2内，并由边沿流向中心，从从上夹板10的第一出料管12流出。冷料（白箭头）自侧面的第二进料管13、U形连通管和双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6以并联方式分别流入双面螺盘3的第一螺旋槽1，顺着第一螺旋槽1由边沿向中心流动，经由双面螺盘3的第一中间连通孔5分别进入第六层和第五层的双面螺盘3第一螺旋槽1，再顺着第一螺旋槽1由中心向边沿流动，最后经由第一层和第二层的双面螺盘的第一侧开水平连通孔6、U形连通管和第二出料管14流出。冷、热流体分别在八个双面螺盘3的上、下螺旋槽中逆向流动换热，冷流体被加热，热流体本身被冷却，实现热量交换。

以上实施效果为进入热通道的热流体初始平均温度150℃，换热后平均温度37℃；进入冷通道的冷流体初始平均温度20℃，换热后平均温度136℃。

实施例3：三三并联连通的十二层螺盘换热器。

是将十二块双面螺盘3层叠，每三块双面螺盘3被并联成一组。来自加热单元的热流体（灰箭头），从位于下夹板9中间的第一进料管11经柔性密封垫板上的第四连通孔20，以并联分支方式分别进入第一层、第二层和第三层双面螺盘3的第二螺旋槽2，再顺着三条第二螺旋槽2由中心向边沿流动。冷料（白箭头）自侧面的第二进料管13、U形连通管和双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6以并联方式分别流入第一层、第二层和第三层双面螺盘3的第一螺旋槽1，顺着第一螺旋槽1由边沿向中心流动，冷、热流体分别在十二个双面螺盘3的上、下螺旋槽中逆向流动换热，冷流体被加热，热流体本身被冷却，实现热量交换。

以上实施效果为进入热通道的热流体初始平均温度138℃，换热后平均温度36℃；进入冷通道的冷流体初始平均温度20℃，换热后平均温度126℃。

实施例4：四四并联连通的十六层螺盘换热器

是将十六块双面螺盘3层叠，每四块双面螺盘3被并联成一组。来自加热单元的热流体（灰箭头），从位于下夹板9中间的第一进料管11经柔性密封垫板上的第四连通孔20，以并联分支方式分别进入第一层、第二层、第三层和第四层双面螺盘3的第二螺旋槽2，再顺着四条第二螺旋槽2由中心向边沿流动。冷料（白箭头）自侧面的第二进料管13、U形连通管和双面螺盘3的第一侧开水平连通孔6以并联方式分别流入第一层、第二层、第三层和第四层双面螺盘3的第一螺旋槽1，顺着第一螺旋槽1由边沿向中心流动，冷、热流体分别在十六个双面螺盘3的上、下螺旋槽中逆向流动换热，冷流体被加热，热流体本身被冷却，实现热量交换。

以上实施效果为进入热通道的热流体初始平均温度141℃，换热后平均温度35℃；进入冷通道的冷流体初始平均温度20℃，换热后平均温度130℃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.层叠式螺盘换热器，其特征在于：包括：

至少两块双面螺盘，所述双面螺盘的两面分别设有用于冷、热流体流动但互不相通的第一螺旋槽和第二螺旋槽；

用于分别连通第一螺旋槽和第二螺旋槽的连通孔或连通管；

用于将所述双面螺盘密封压紧的夹板式密封紧固件；

用于分别将冷、热流体导入、导出的进料管和出料管；

冷、热流体分别在所述双面螺盘的第一螺旋槽和第二螺旋槽中逆向流动进行热量交换。

2.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述密封紧固件包括上夹板和下夹板，置于所述多层双面螺盘之间以及所述上、下夹板与所述双面螺盘之间的柔性密封垫板，穿过所述上夹板、多层双面螺盘、下夹板和所述柔性密封垫板的中心孔以及所述上夹板和下夹板边沿孔的多副螺栓副进行紧固密封，每一块所述柔性密封垫板上分别设有用于冷流体或热流体通过的连通孔。

3.如权利要求2所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述柔性密封垫板采用耐高温、高压的硅橡胶、氟橡胶、石棉橡胶、聚四氟乙烯、对位聚苯、聚酰亚胺、柔性石墨以及复合材料中的任一种制成。

4.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：当两块以上的所述双面螺盘层叠时，在每块所述双面螺盘的第一螺旋槽和第二螺旋槽的末端分别设置垂直连通孔使层叠的所述双面螺盘上下串联连通，或在每块双面螺盘对应第一螺旋槽和第二螺旋槽末端的侧面分别设置水平连通孔并通过外接的U型连通管将层叠的所述双面螺盘并联连通。

5.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述双面螺盘两面的第一螺旋槽与第二螺旋槽均为阿基米德螺旋槽，其螺旋方向相反，螺旋长度、槽壁厚度相同，各螺旋槽的凹槽断面形状为矩形或梯形，凹槽底部为平底或圆弧底。

6.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述双面螺盘均使用导热金属或非金属材料通过铣制、精密铸造或三维打印的方式加工制成。

7.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述双面螺盘的外形为相同的圆盘形螺盘，或为相同的方形或多边形螺盘。

8.如权利要求1所述的层叠式螺盘换热器，其特征在于：所述密封紧固件的上夹板和下夹板采用相同的耐高温高压、高强度的金属或非金属材料制成。