螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器的研究地源熱泵技術(shù)是目前中國(guó)建筑中心空調(diào)領(lǐng)域正在興起的一項(xiàng)革命性新技術(shù)。我國(guó)政府及企業(yè)界正致力于這一新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。作為建筑熱通空調(diào)行業(yè)的理論工作者，也全身心致力于地源熱泵項(xiàng)目的技術(shù)研究，產(chǎn)品研發(fā)工作。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用含有大量能源的土壤(地下水)作為吸熱或排熱的熱交換器，實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng);當(dāng)多數(shù)熱泵在制熱模式時(shí)，就從土壤(地下水)中吸收熱量;當(dāng)多數(shù)熱泵在制冷模式時(shí)，就將熱量排放在土壤(地下水)中。土壤(地下水)提供了一個(gè)盡好的免費(fèi)的能量存儲(chǔ)源泉。
地源熱泵技術(shù)中有一種重要的換熱設(shè)備一般采用板式換熱器，板式換熱器的缺點(diǎn)是重量大，而且加工本錢高，承壓能力低。隨著地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，其缺點(diǎn)也日益突出。現(xiàn)研究出一種螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器來代替板式換熱器，用于改善(地源)熱泵機(jī)組換熱器的性能，減輕換熱器重量，減小體積、降低生產(chǎn)本錢。
1、螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器原理
螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器，是以傳統(tǒng)管殼式換熱器為基礎(chǔ)，采用橢圓形截面換熱管為換熱元件，并設(shè)計(jì)了多種特殊結(jié)構(gòu)的組件，取消常規(guī)管殼式換熱器的折流板、管板，管殼結(jié)構(gòu)采用常規(guī)管殼式換熱器的零部件。在換熱器內(nèi)兩種介質(zhì)在殼程和管程內(nèi)呈相對(duì)逆相活動(dòng)，在換熱管管束表面呈叉流活動(dòng)。
在殼程內(nèi)一種介質(zhì)從一側(cè)封頭直線活動(dòng)進(jìn)進(jìn)封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在固定旋轉(zhuǎn)折流板內(nèi)介質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)折流板的曲線形角度活動(dòng)，流出旋轉(zhuǎn)折流板后，介質(zhì)改變成沿軸線成45o角旋轉(zhuǎn)的切向流擦過流量回流管進(jìn)進(jìn)筒體內(nèi)的橢圓螺旋換熱管管束間。在主渦流腔、輔渦流腔內(nèi)本已旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)，受到旋轉(zhuǎn)截面的作用產(chǎn)生向心力和離心力;主渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力大于輔渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力，它們兩股旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動(dòng)本身已旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的介質(zhì)加速旋轉(zhuǎn)向上活動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)活動(dòng)中心壓力較低，使整個(gè)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)受到向心力的作用;同時(shí)介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)過程中又受到離心力作用，產(chǎn)生復(fù)雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的介質(zhì)分離與混合為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng)。在向心力和離心力平衡的范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)形成渦流，渦流收束于核心區(qū)并流向介質(zhì)出口。在出口封頭處，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋片轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)螺旋片內(nèi)介質(zhì)由旋轉(zhuǎn)活動(dòng)改變成直線活動(dòng)，結(jié)果是動(dòng)壓減小靜壓增加，介質(zhì)在殼程內(nèi)的阻力損失降低。
管程介質(zhì)從筒體上的兩個(gè)接管沿與筒體相切的角度流進(jìn)流量分配管的兩個(gè)進(jìn)口，介質(zhì)經(jīng)流量分配管均勻分配給每個(gè)橢圓螺旋換熱管(外側(cè)橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速高，活動(dòng)間隔長(zhǎng)，活動(dòng)阻力大;中心處橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速低，活動(dòng)間隔短，活動(dòng)阻力小)，在橢圓螺旋換熱管內(nèi)螺旋活動(dòng)。流量分配管和換熱管截面采用的橢圓形截面具有強(qiáng)化傳熱的功能，并且介質(zhì)產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋流為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng)，更能進(jìn)步傳熱效率。
2、螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式
螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)完全不同。換熱器外殼由兩側(cè)封頭和中間筒體組成，內(nèi)部由橢圓螺旋換熱管組成管束，橢圓螺旋換熱管管束構(gòu)成換熱器的主傳熱元件;橢圓螺旋換熱管管束布置成兩個(gè)主介質(zhì)螺旋活動(dòng)通道，叫主渦流腔;兩個(gè)輔介質(zhì)螺旋活動(dòng)通道，叫輔渦流腔;其余橢圓螺旋換熱管管束成螺旋外形均勻分布，介質(zhì)也在橢圓螺旋換熱管管束間隙中均勻分布。橢圓螺旋換熱管管束兩端固定在螺旋形流量分配管、流量匯流管上，流量分配管、流量匯流管與殼體連接在一起;流量分配管、流量匯流管為輔傳熱元件。殼體的兩端設(shè)有封頭，在封頭和殼體上設(shè)有流體的進(jìn)出口，在封頭的流體進(jìn)口側(cè)設(shè)有封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在封頭的流體出口側(cè)設(shè)有封頭旋轉(zhuǎn)螺旋片。低溫低壓介質(zhì)在封頭的流體進(jìn)口進(jìn)進(jìn)筒體，在筒體內(nèi)經(jīng)過橢圓螺旋換熱管管束表面換熱后從另一側(cè)封頭出口流出，稱為殼程;另一種高溫介質(zhì)從筒體上的兩個(gè)接管沿與筒體相切的角度流進(jìn)流量分配管，經(jīng)流量分配管進(jìn)進(jìn)橢圓螺旋換熱管管束內(nèi)，從另一側(cè)流量匯流管匯流，經(jīng)與筒體相切的角度上的一組接管流出，稱為管程。
折流板 螺旋片圖2(d)流量匯流管平面圖 圖2(e)流量分配管平面圖
3、螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器特點(diǎn)
(1)管程和殼程可同時(shí)強(qiáng)化加熱。
(2)強(qiáng)化傳熱效果好，殼程流阻較小。螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器的總換熱系數(shù)比普通管殼式換熱器的總換熱系[3]數(shù)一般可進(jìn)步45﹪以上。
(3)使用壽命長(zhǎng)。由于旋流換熱器殼程物流上為縱向活動(dòng)，明顯的減少了管束的震動(dòng)，大大降低了由于管束震動(dòng)而造成的換熱管破裂等失效的可能性;同時(shí)也有效的消除了殼程物流橫向活動(dòng)的“死區(qū)”，降低了積垢速率，從而延長(zhǎng)了換熱器的使用壽命。
(3)取消折流板、管板，簡(jiǎn)化了加工方法;減小了換熱器的體積并節(jié)約原材料，降低了制造本錢。
4、結(jié)論
螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器理論上在整個(gè)二維的均勻協(xié)同系數(shù)與理想二維流場(chǎng)溫度場(chǎng)協(xié)同值比較接近，其結(jié)構(gòu)達(dá)到了化程度，是換熱器比較理想的一種結(jié)構(gòu)形式，殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果是同強(qiáng)化管束的優(yōu)化組合相聯(lián)系而產(chǎn)生的。該項(xiàng)研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空缺，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)提升我國(guó)(地源)熱泵機(jī)組換熱器的性能有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。但換熱管束剛度低，其振動(dòng)計(jì)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留意。管程、殼程壓力損失小，換熱器運(yùn)行用度低;取消折流板、管板，減小了換熱器的體積和節(jié)約原材料，降低了制造本錢，是當(dāng)前推崇的換熱器產(chǎn)品。
地源熱泵技術(shù)是目前中國(guó)建筑中心空調(diào)領(lǐng)域正在興起的一項(xiàng)革命性新技術(shù)。我國(guó)政府及企業(yè)界正致力于這一新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。作為建筑熱通空調(diào)行業(yè)的理論工作者，也全身心致力于地源熱泵項(xiàng)目的技術(shù)研究，產(chǎn)品研發(fā)工作。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用含有大量能源的土壤(地下水)作為吸熱或排熱的熱交換器，實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng);當(dāng)多數(shù)熱泵在制熱模式時(shí)，就從土壤(地下水)中吸收熱量;當(dāng)多數(shù)熱泵在制冷模式時(shí)，就將熱量排放在土壤(地下水)中。土壤(地下水)提供了一個(gè)盡好的免費(fèi)的能量存儲(chǔ)源泉。
地源熱泵技術(shù)中有一種重要的換熱設(shè)備一般采用板式換熱器，板式換熱器的缺點(diǎn)是重量大，而且加工本錢高，承壓能力低。隨著地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，其缺點(diǎn)也日益突出?，F(xiàn)研究出一種螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器來代替板式換熱器，用于改善(地源)熱泵機(jī)組換熱器的性能，減輕換熱器重量，減小體積、降低生產(chǎn)本錢。
1、螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器原理
螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器，是以傳統(tǒng)管殼式換熱器為基礎(chǔ)，采用橢圓形截面換熱管為換熱元件，并設(shè)計(jì)了多種特殊結(jié)構(gòu)的組件，取消常規(guī)管殼式換熱器的折流板、管板，管殼結(jié)構(gòu)采用常規(guī)管殼式換熱器的零部件。在換熱器內(nèi)兩種介質(zhì)在殼程和管程內(nèi)呈相對(duì)逆相活動(dòng)，在換熱管管束表面呈叉流活動(dòng)。
在殼程內(nèi)一種介質(zhì)從一側(cè)封頭直線活動(dòng)進(jìn)進(jìn)封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在固定旋轉(zhuǎn)折流板內(nèi)介質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)折流板的曲線形角度活動(dòng)，流出旋轉(zhuǎn)折流板后，介質(zhì)改變成沿軸線成45o角旋轉(zhuǎn)的切向流擦過流量回流管進(jìn)進(jìn)筒體內(nèi)的橢圓螺旋換熱管管束間。在主渦流腔、輔渦流腔內(nèi)本已旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)，受到旋轉(zhuǎn)截面的作用產(chǎn)生向心力和離心力;主渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力大于輔渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力，它們兩股旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動(dòng)本身已旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的介質(zhì)加速旋轉(zhuǎn)向上活動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)活動(dòng)中心壓力較低，使整個(gè)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)受到向心力的作用;同時(shí)介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)過程中又受到離心力作用，產(chǎn)生復(fù)雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的介質(zhì)分離與混合為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng)。在向心力和離心力平衡的范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)形成渦流，渦流收束于核心區(qū)并流向介質(zhì)出口。在出口封頭處，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋片轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)螺旋片內(nèi)介質(zhì)由旋轉(zhuǎn)活動(dòng)改變成直線活動(dòng)，結(jié)果是動(dòng)壓減小靜壓增加，介質(zhì)在殼程內(nèi)的阻力損失降低。
管程介質(zhì)從筒體上的兩個(gè)接管沿與筒體相切的角度流進(jìn)流量分配管的兩個(gè)進(jìn)口，介質(zhì)經(jīng)流量分配管均勻分配給每個(gè)橢圓螺旋換熱管(外側(cè)橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速高，活動(dòng)間隔長(zhǎng)，活動(dòng)阻力大;中心處橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速低，活動(dòng)間隔短，活動(dòng)阻力小)，在橢圓螺旋換熱管內(nèi)螺旋活動(dòng)。流量分配管和換熱管截面采用的橢圓形截面具有強(qiáng)化傳熱的功能，并且介質(zhì)產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋流為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng)，更能進(jìn)步傳熱效率。
2、螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式
螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)完全不同。換熱器外殼由兩側(cè)封頭和中間筒體組成，內(nèi)部由橢圓螺旋換熱管組成管束，橢圓螺旋換熱管管束構(gòu)成換熱器的主傳熱元件;橢圓螺旋換熱管管束布置成兩個(gè)主介質(zhì)螺旋活動(dòng)通道，叫主渦流腔;兩個(gè)輔介質(zhì)螺旋活動(dòng)通道，叫輔渦流腔;其余橢圓螺旋換熱管管束成螺旋外形均勻分布，介質(zhì)也在橢圓螺旋換熱管管束間隙中均勻分布。橢圓螺旋換熱管管束兩端固定在螺旋形流量分配管、流量匯流管上，流量分配管、流量匯流管與殼體連接在一起;流量分配管、流量匯流管為輔傳熱元件。殼體的兩端設(shè)有封頭，在封頭和殼體上設(shè)有流體的進(jìn)出口，在封頭的流體進(jìn)口側(cè)設(shè)有封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在封頭的流體出口側(cè)設(shè)有封頭旋轉(zhuǎn)螺旋片。低溫低壓介質(zhì)在封頭的流體進(jìn)口進(jìn)進(jìn)筒體，在筒體內(nèi)經(jīng)過橢圓螺旋換熱管管束表面換熱后從另一側(cè)封頭出口流出，稱為殼程;另一種高溫介質(zhì)從筒體上的兩個(gè)接管沿與筒體相切的角度流進(jìn)流量分配管，經(jīng)流量分配管進(jìn)進(jìn)橢圓螺旋換熱管管束內(nèi)，從另一側(cè)流量匯流管匯流，經(jīng)與筒體相切的角度上的一組接管流出，稱為管程。