一种可用于换热器和电加热器的主体构件 【技术领域】
本发明涉及一种可同时实现换热和加热功能的设备的主体构件，进一步说，本发明是一种类似于套管式换热器的设备的主体构件，可灵活的组装成套管式换热器或者电加热器，或者是电加热和换热的混合设备。
背景技术
本发明与套管式换热器和电加热设备相关。
套管式换热器是一种常见的换热器，其基本构造是两个不同直径的管子，直径大的(一般称为外管)套在直径小的(一般称为内管)外面，两种温度不同的流体(一般称为冷流体和热流体)分别在内管里面以及内外管的夹缝中逆向流动，通过内管的管壁进行热量的交换。
目前常见的套管式换热器以金属套管为主，即内管和外管均为金属管，如紫铜管、不锈钢管、钛管等。换热器的形状根据套管的不同，有很多种，其中以紫铜管为套管的多为螺旋盘状为主，这是因为紫铜管比较软，容易加工成螺旋形盘状。以不锈钢管、钛管为套管的换热器，一般都是采用直管加U形弯管通过法兰或焊接等方式组合而成。之所以采用金属管比较普遍，主要是金属管便于焊接，内外管容易进行隔离，同时承压能力也比较大。
但是，采用全金属套管，消耗的金属比较多，整套设备的质量也比较大，制造、安装和运输成本都比较高。同时，由于金属套管式换热器多采用焊接进行连接，可拆卸性很差，因此，管路里面不便于清洗。当换热的流体不纯，或者易产生污垢，容易发生管路堵塞的问题。同时，由于全部采用金属管道，当外管不做保温处理的时候，热量容易通过外管对外散失，如果增加外管的保温措施，又会增加一些成本，同时，维护保养也更加复杂。
电加热现在在加热领域获得了广泛的应用。这是因为电加热采用的是电这种清洁的能源，设备设计简单，安装方便，功率好控制，安全性也能得到保证。电加热设备中的核心装置最常见的一种是电热棒。电热棒的基本结构是将金属管套上电热丝后在缝隙中充满绝缘导热粉，将电热丝的导线引出，进行密封处理后制成。金属管一般采用不锈钢或者铜，可以加工成直管棒状，也可以加工成曲线状，可以两头引出导线，也可以单端引出导线。导线引出端，可以只采用耐热硅胶等材料进行密封绝缘处理，也可以增加螺纹接头或者法兰，方便连接。
无论是套管式换热器还是电热棒，其实际效果都是使一种流体达到升温的效果，只不过套管式换热器是用一种热流体通过换热的方式来提升冷流体的温度，而电热棒则是通过将电能转换成热能并通过电热棒的管壁传导给冷流体，达到升温的效果。而电热棒和套管式换热器内管一般都为圆柱形，因此可以通过一定的方式将其进行统一处理。
另外，目前的金属套管式换热器之所以流行，主要是因为它们多用于高温、高压、高腐蚀等应用场合。而事实上，工业和民用的一些场合，如淋浴场所的废水热回收、工业废水的热回收等，需要换热处理的流体是低压(不超过1.2MPa)、低温(5~90℃以内)、低腐蚀、存在一定杂质的，目前还缺少这种与之完全适应的套管式换热器，尤其是这种换热和电加热结合的设备，本发明正是针对此类应用而提出的。
【发明内容】
针对一种场合，即需要对一种流体(例如自来水，以下称冷流体)进行加热，同时存在一种可供换热的流体(例如废弃的含热废水，以下称热流体)，两种流体的压力都在一定范围内(如不超过1.2MPa)，且目标温度和当前温度都在一定范围内(如5~90℃以内)，利用热流体首先对冷流体通过换热器进行加热，如达不到效果，再结合电加热进行升温，本发明的目的是提供一种这种设备的主体构件，使之可以方便的配置成套管式换热器，或者电加热器，或者两者的结合体，并且，这种主体构件具有成本低、轻便、安装方便、易于清洗等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
该主体构件由塑料直管和一些塑料管件适当组合而成，塑料直管起到套管式换热器外管的作用，而塑料管件用于对塑料直管进行拼接以及作为设备的出入端口。套管地两头可以用三通形式的塑料管件来作为两种流体的出入口三通具有一个直通，中间引出一个侧通，其中的一个直通端口含有金属嵌件，相对的端口不含有金属嵌件。一种优选的形式，是把这种三通设计成T形，即直通中间与侧通垂直连接。当单个套管的效果不够时，需要实现多个套管的180度回转拼接，可通过一种四通形式的塑料管件来实现，该四通具有两个平行的直通，中间通过一个侧通连接，以侧管为界，一侧的两个直通端口为塑料端口，用来连接塑料直管，而另一侧的两个直通端口含有金属嵌件，用于隔离内管。一种优选的形式，是把这种四通设计成H形，即两个平行的同等直通中间通过一个侧通垂直连接。直管和四通通过多次重复组合，形成一个弓字形平面阵列。整个构件的最终两组端口，可以采用三通，也可以根据需要，使用四通，因为它们都可以实现两种流体的分流，但三通更简洁一些，而四通更灵活一些。各零件之间通过胶粘或者热熔等方式连接，形成一个不可拆卸的整体结构。
上述塑料直管可采用常用的塑料管材，如PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)或PP-R(无规共聚聚丙烯)水管等。上述三通、四通中的金属嵌件，为给水管件行业常用的嵌件形式，即采用黄铜或者不锈钢材质，管状，朝外开口端具有内螺纹，底部的开口稍小，小于内螺纹的小径。嵌件外壁有环状沟，底部有牙形突起，用于使嵌件和塑料紧密结合，防止漏水。金属嵌件的设计和生产工艺是非常成熟的。上述塑料T形三通、H形四通的模具在行业内均可实现，H形四通稍复杂，为降低成本，也可以是预先由两个侧通不等径的三通对侧通进行拼接而成，拼接方法可采用胶粘或者热熔等方式。
下面说明一下本发明在套管式换热器和电加热器的应用，以便加深对本发明的理解。为了方便阅读，后续所说的三通、四通为上述描述中优选的塑料T形三通、塑料H形四通的简化描述。
该主体构件结合一些其他零部件可以方便的组装成一个套管式换热器。换热器内管可以采用金属直管，如紫铜管，外径略小于主体构件中三通和四通的嵌件底部圆孔大小，长度比套管部分两头的两个嵌件底部圆孔的距离稍长。为了使内管与外管能隔离，需要在嵌件底部安放橡胶密封圈，通过一个中空的两头带外螺纹中间带六角头的金属接头，经旋入嵌件后压紧橡胶密封圈，实现内外管的密封隔离。为了使内管能起到180度转弯的效果，四通的金属接头可以通过一个带扩口端口的U形金属弯管(常用的是U形铜管)结合橡胶密封圈来实现。当然，也可以采用带内螺纹接头的金属软管或者波纹管来取代U形弯。
由于三通和四通的直通段外侧均具有内螺纹接口，所以可以方便的将这个主体构件装配为电加热器。若电热棒为简单的单端引线、耐热硅胶密封的直管型电热棒，外径与上述换热内管的外径相同或略小，可以将其插入套管内，取代上述换热管内管的位置，长度同上述换热内管长度一致。通过上述的金属接头和橡胶密封圈进行密封隔离，防止被加热流体溢出。这样，该设备就成了一个多段式的电加热流体的设备。当然，如果电热棒本身一端带有外螺纹接头，则安装起来更方便。通过三通和四通的直通段外侧的螺纹接口，甚至可以安装带螺纹接口的传感器，如温度传感器、压力传感器等。
通过上述方法，该主体构件可以组装成套管式换热器、电加热器或者两者的结合体。
将本发明应用于套管式换热器和电加热器，相比现有的技术方案，具有如下的良好效果：
1，通过配置金属内管或者电热棒，可以实现套管式换热器的功能，也可以实现电加热器的功能，也可以实现两种设备的合二为一，还可以安装带螺纹接口的传感器等零件，具有很强的灵活性。
2，塑料外管的保温效果远胜于金属外管，如PP-R管的导热系数约只有不锈钢的1/200，所以外管几乎不需要进行保温处理，因此该主体构件用于换热器和电加热器都具有节能的效果。
3，由于塑料管材和管件的质量很轻，整个设备的质量减轻很多，降低了制造、安装和运输成本。
4，由于减少了金属管材的使用，而塑料管材的成本低很多，所以整套设备的材料成本降低很多。
5，由于内管可以拆卸出来，所以无论是内管和外管，都可以进行清洗，可以有效防止换热器出现堵塞的情况发生。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明的立体示意图；
图2为本发明顶视平面示意图；
图3为三通实例一剖面示意图；
图4为三通实例二剖面示意图；
图5为三通实例三剖面示意图；
图6为一体成型的四通剖面放大示意图；
图7为组合式四通剖面放大示意图；
图8为细节I的剖面放大示意图；
图9为细节II的剖面放大示意图；
图10为本发明用于装配套管式换热器和电加热器的立体示意图；
图11为图10的平面示意图；
图12为细节III的剖面放大示意图；
图13为细节IV的剖面放大示意图；
图14为细节V的剖面放大示意图。
图中的标注如下：
1、三通，2、四通，3、塑料外管，4、金属嵌件，5、金属内管，6、橡胶密封圈，7、金属接头，8、橡胶密封圈，9、金属螺母，10、金属U形弯管，11、电热棒主体，12、电热棒导线；a、三通直通带嵌件端口，b、三通直通塑料端口，c、三通侧通端口，d、四通直通带嵌件端口，e、四通直通塑料端口；I、II、III、IV、V，细节区域。
【具体实施方式】
图1为本发明的立体示意图，图2为本发明顶视平面示意图，两者可以形象的说明本发明的组成结构。除两端用三通1连接外，其他部分为塑料外管3和四通2组成的弓字形阵列。
图3说明了三通1的一种形式，直通段的端口为a和b，侧通段的端口为c，端口a含有带内螺纹的金属嵌件4，端口b则为塑料端口，端口c为塑料端口。三通1的端口c根据情况，也可以含有金属嵌件，如图4、图5所示，其中图4的侧通端口的嵌件为内螺纹，而图5的则为外螺纹。图3、图4、图5的共同点在于，三通1的直通端口一端含有带内螺纹的金属嵌件，另一端不含有金属嵌件，而侧通则可以根据实际情况包含金属嵌件。
图6说明了四通2的一种形式，四个端口以侧通为界，有d和e两种，其中d端口含有带内螺纹的金属嵌件4，e端口则为塑料端口。四通由于存在一个侧通，不便于脱模，所以为了便于脱模，将侧通段管壁设计成带有一定的斜度。当然，图6的方案的模具成本比较高，为了降低成本，可以将四通改由两个侧通不等径的三通来实现，即两个三通的侧通通过胶粘(PVC等)或者热熔(PP-R、PE等)的方式连接，预先拼装成一个四通，如图7所示。
图8、图9是细节I、II的剖面放大示意图，说明塑料外管3与三通1、四通2的连接方式。根据塑料材质的不同，可以采用胶粘(PVC等)或者热熔(PP-R、PE等)的方式，这两种方式都是经过实际验证而广泛采用的连接方式。
上述实施方案都是切实可行的，塑料外管3可以采用市场上常见的PVC类、PP-R类、PE类管材，三通和四通可以采用与塑料外管3相同的材质，通过将金属嵌件放在模具内注塑而成，是很成熟的制造工艺。
下面结合附图说明本发明的应用，加深对本发明的有益效果的理解。
图10、图11展示了一种将换热器和电加热器做成一体的设备的核心部分，其主体构件即为本发明的方案。该设备可以用于淋浴房废水的热量回收和洗浴水的加热，其原理是将自来水首先经过换热单元进行换热处理，将淋浴废水的热量传递给自来水，然后再经过电加热单元进一步加热，生成温度合适的热水以供淋浴。图中实心箭头指示自来水的流动方向，空心箭头指示淋浴废水的流动方向，他们逆向流动，以取得最佳的换热效果。
图12是图11中细节III的剖面放大示意图，说明换热单元中自来水和淋浴废水在外管和内管的分流和隔离。金属内管5可以采用传热能力高的紫铜管。金属接头7两头有螺纹，中间有一个六角头，中间是贯通的，两头的内径稍大于金属内管5和金属U形弯管10扩口部分的外径，中段的内径稍小，形成一个小的台阶。金属内管5穿越三通的金属嵌件的底部圆孔后，将橡胶密封圈6套在金属内管5上，并置入金属嵌件的底部，然后将金属接头7旋入金属嵌件，套在金属内管5上，压紧橡胶密封圈6，使其与金属嵌件、金属内管5、金属接头7都紧密接触，阻断了自来水泄漏的途径，这样就可以实现自来水和淋浴废水的隔离和分流，同时可以实现金属内管5与金属接头7的密封衔接。
图13是图11中细节IV的剖面放大示意图，说明换热单元中自来水和淋浴废水实现180度等效转弯的方法。图中，自来水是通过四通的侧通部分实现180度等效转弯的，而淋浴废水则需要通过金属U形弯管10结合橡胶密封圈8、六角头金属螺母9实现。金属U形弯管10可以由紫铜直管经过弯折成180度，在两端的直管段经冲压形成扩口端口而成，两端的中心距等于四通的直通中心距。金属螺母9外面为六角头，内螺纹与金属接头7匹配，底部有一个圆孔，内径稍大于金属U形弯管10扩口部分的外径。橡胶密封圈8平时状态的内径稍小于金属U形弯管10的直管外径。组装时，先将金属螺母9套入金属U形弯管10内，然后将橡胶密封圈8套入，再将金属U形弯管10的扩口端口插入金属接头7中，然后旋紧金属螺母9，使橡胶密封圈8与金属U形弯管10以及金属螺母9都紧密接触，实现淋浴废水的通道的密封。
图14是图11中细节V的剖面放大示意图，说明电加热单元中电加热棒的安装方法。该电热棒为简单的单端引线式电热棒，电热棒主体外径等于或稍小于金属内管5，引线端采用耐热硅胶密封，长度与换热单元的金属内管5的长度一致。安装时，先将电热棒插入三通或者四通，穿越外管两头对应的金属嵌件的底部圆孔，这样电热棒主体11相当于架在金属嵌件上，与塑料外管没有接触，以防止出现意外时，将塑料外管烫熔化。然后将橡胶密封圈套在电热棒主体11上，并置入金属嵌件的底部，金属接头7旋入金属嵌件，压紧橡胶密封圈，实现电热棒与三通、四通的缝隙处的密封。对于有引线端，电热棒导线12应当先穿过金属接头7的内孔，然后再将金属接头7旋入金属嵌件。为了安全，电热棒主体11内的电热丝应当只布置在中间段，两头应当留出一定的距离，使发热集中在中间段，两端靠近金属嵌件的部分不发热，防止出现意外时，将三通或四通烫熔化。
以下说明一下清洗的方法。当需要对内外管进行清洗时，只需要将金属螺母9、金属接头7依次旋松，取下其他的零件，将金属内管5抽出，就可以分别对外管和内管进行清洗了。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，依然可以根据本发明的基本原理对技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。