热交换器 【技术领域】
本发明是有关一种热交换器， 尤其指一种三重套管结构的热交换器。背景技术 按将某种流体的热量以一定的传热方式相互传递给他种流体的设备称为热交换 器， 在该设备内至少具有两种温度不同的流体参与传热， 亦即高温流体放出热量， 而低温流 体吸收热量。因此， 热交换器已广泛用于人们的生活中， 例如制冷或制热的运用。
传统泛见于造冷或制热的热交换器包括 ： 套 管 热 交 换 器 (Double-pipeHeat Exchanger)， 壳管热交换器 (Shell And Tube Heat Exchanger)， 板式热交换器 (Plate Type Heat Exchanger)... 等， 其中 ：
(1) 套管热交换器主要由两支直径不同的管子组成同心套管， 在小管内及两管间 的环形空隙， 分别流入不同温度的流体， 经由小管的管壁为传热面而作热输送。 大管外通常 会包覆绝热材料， 以减少热损失。 套管式热交换器的优点在于， 构造简单、 价格便宜， 以及维 护容易 ； 惟套管热交换器显著的缺点则为传热面积与流速、 流量不能吻合。
(2) 壳管式热交换器的主要构造由管束 (tube bundle) 与管壳 (shell) 两部分组 成。管束是由成束排列的多支小管子， 两端以管束板 (tube sheet) 固定， 并置于外壳内， 而在管束内流动的流体称为管侧流体， 而在管束外流动的流体称为壳侧流体。该壳管式 热交换器依照其分类， 可分为定头式热交换器 (Fixed Head Exchanger)， 浮头式热交换器 (Floating Head Exchanger)， 以及 U 管式热交换器 (U-tube Exchanger)。
其中， 定头式热交换器两端管束板以螺栓固定在外壳的凸缘上， 管束不能拉出。 定 头式热交换器优点为构造简单、 价格便宜 ； 缺点为温度高时， 易使管子因发生膨胀而导致接 头破裂， 因此而造成渗漏。因此， 浮头式热交换器是将管束板的一固定于外壳的凸缘上， 另 一则套一个直径略小于壳径的浮头， 浮头与外壳间不固定， 能够自由伸缩， 并改进定头式的 热交换器， 惟缺点在于构造复杂， 成本过高。而 U 管式热交换器系将管束弯曲成 U 形， 使管 口均装于同一管板上， 其虽具有构造简单、 价格便宜， 且容许管束因膨胀弯曲， 而唯一的缺 点为管束内因不易清洗， 故不适用易结垢流体的操作。
(3) 板式热交换器主要由许多金属平板平行所组成， 两板间以垫圈密封防止泄漏， 两流体在交错板间流动。 平板材料以不锈钢最常见， 其表面通常会经压花处理， 以造成流体 流过时形成强烈扰流而增进热传效果。板式热交换器具有体积小、 重量轻、 容易维修、 平板 数目可依需要弹性调整， 以及流体在热交换器内可保持高度扰流的优点， 惟板式换热器的 缺点在于， 因密封周边较长， 容易泄漏， 使用温度只能低于 150℃， 不耐高温， 且承受压差较 甚至影响功效的需求， 小， 处理量小， 一旦发现板片累积结垢就会即刻反应在系统数据上， 例如造成压缩机烧毁。
因此， 通过前述各种热交换器的结构、 原理及优缺点的介绍， 如何有效增加传热面 积、 提高热交换效率， 以及结构简化以降低制造成本的热交换器， 乃相关业者亟待克服的难 题。
发明内容 本发明的目的在于提供一种热交换器， 为一种三重套管结构的热交换器， 可有效 地将热或冷的热量流体， 例如冷媒与润滑油表面与核心的热量分别通过热传介质， 例如水， 予以进行热量移转时， 能够有效增加传热面积， 来吻合流速与流量并且提高热交换效率， 同 时简化整体结构， 并有效降低制造成本的优点。
为实现上述目的， 本发明提供的热交换器， 其包括 ：
口径相异的一内管， 一中间管， 及一外管， 该外管内套设一中间管， 该中间管内套 设一内管， 据以形成一种三重套管结构 ；
一热量流体， 注入该中间管内 ；
一热传介质， 分别注入外管及内管内 ； 以及
该热量流体表面与核心的热量通过中间管分别与外管及内管内流动的热传介质 进行热量移转。
所述的热交换器， 其中该中间管内流动的热量流体与外管及内管内流动的热传介 质的流动方向为相反。
所述的热交换器， 其中该内、 外管的上、 下游端各自连接一三通管， 以输送热传介 质； 而中间管的上、 下游端各自连接一连通的歧管， 以输送热传介质。
所述的热交换器， 其中该热量流体为冷或热的液体或气体， 而热传介质则为热或 冷的液体或气体。
所述的热交换器， 其中该热量流体为冷媒与润滑油， 而热传介质为常温的水。
所述的热交换器， 其中该热交换器外部以一保温材进行包覆。
所述的热交换器， 其中该内管、 中间管及外管是以金属管体所制成。
所述的热交换器， 其中该金属管体是以铜管所制成。
本发明所具有的功效在于， 该三重套管结构的热交换器， 可有效地将热或冷的热 量流体表面与核心的热量分别通过热传介质， 予以进行热量移转， 除能够有效增加传热面 积， 来吻合流速与流量并且提高热交换效率外， 同时简化整体结构， 并有效降低制造成本的 优点。 此外， 将该三重套管结构的热交换器运用于热交换循环系统， 该热交换器可个别用于 冷凝器或蒸发器， 使该热交换循环系统分别具有热、 冰水的供应 ； 此举， 可避免热能的浪费， 并减少过多废热的排放。
附图说明
图 1 为本发明热交换器的立体图 ； 图 2 为本发明热交换器的剖面图 ； 图 3 为本发明的热交换器运用于空调、 冷冻系统的示意图。具体实施方式
本发明提供的热交换器， 其包括 ： 口径相异的一内管， 一中间管， 及一外管， 该外管 内套设一中间管， 该中间管内套设一内管， 据以形成一种三重套管结构 ； 一热量流体， 注入 该中间管内 ； 一热传介质， 分别注入外管及内管内 ； 以及该热量流体表面与核心的热量通过中间管分别与外管及内管内流动的热传介质进行热量移转。
为进一步说明本发明的具体技术内容， 首先请参阅附图。
如图 1 及图 2 所示， 基本上， 本发明热交换器是由一内管 11， 一中间管 12， 及一外 管 13 所组成。该些管体是以导热系数高的金属管体， 例如铜管制成为佳。其中， 该外管 13 内套设一中间管 12， 且该中间管 12 内套设一内管 11， 据以形成一种三重套管结构， 而为提 供本发明热交换器进行热交换， 因此， 一热量流体 2， 例如冷媒与润滑油是注入该中间管 12 内， 而热传介质 3， 例如常温状态的水则分别注入外管 13 与内管 11 内， 且该热量流体 2 与热 传介质 3 的流动方向系为相反。
请再参阅图 2， 该热量流体 2 表面与核心的热量分别通过中间管 12， 以便与外管 13 及内管 11 内流动的热传介质 3 进行热交换。此举， 该中间管 12 内流动的热量流体 2 可分 别为内管 11 及外管 13 呈相反流动的热传介质 3 进行热量移转， 使本发明的热交换器能有 效缩短长度并减少体积。前已述及， 该热量流体 2 为冷媒， 例如高温气态冷媒或低温液态冷 媒， 而热传介质 3 则为常温状态的水， 由本发明三重套管结构的热交换器的热量移转， 使该 热交换器分别具有冷凝器及蒸发器的功能。惟该热量流体 2 与热传介质 3 不以前述的冷媒 与水为限， 该热量流体 2 实施时， 可为冷或热的液体或气体 ； 而热传介质 3 则为热或冷的液 体或气体， 因此， 本发明的热交换器除运用于下述实施例的空调、 冷冻系统外， 亦可广泛应 用于化工、 石油、 动力和原子能等工业用途。
如图 3 所示， 是将本发明的热交换器运用于空调、 冷冻系统的示意图， 该空调、 冷 冻系统包括一压缩机 4， 一输送管路 5， 一第一热交换器 6， 一冷凝强化装置 7， 一膨胀装置 8， 一第二热交换器 9 所组成。
其中， 压缩机 4 为公知技术， 是以电动机， 例如马达为动力， 以便将输送管路 5 内的 热量流体 2， 例如低压低温的气态冷媒， 例如 R-22 与润滑油 ( 以下简称为油 ) 吸回 ( 回收 )， 并压缩成高压高温， 例如约 500psi、 168.6℃的吐出温度的气态冷媒与油由压缩机 4 的吐出 端沿着箭头 a 所示方向于输送管路 5 内移动。
输送管路 5 一端连接于压缩机 4 吐出端， 另端则连接于第一热交换器 6 的第一中 间管 62。
第一热交换器 6 是将高压高温的气态冷媒， 经由热传介质 3， 例如水进行散热， 使 之形成液态冷媒。该第一热交换器 6 是以一第一内管 61 套入该第一中间管 62 内， 且该第 一中间管 62 套设于一第一外管 63 内。为使该第一热交换器 6 成为一冷凝器， 该第一中间 管 62 上、 下游端各自连接一连通的歧管， 用以输送冷媒。而第一内、 外管 61、 63 下游端连接 一呈三通的分流管 64， 以便将热传介质 3， 例如 28.4℃常温的水如箭头 b1 所示方向注入该 第一内、 外管 61、 63 内， 使该两管 61、 63 内的水朝向第一热交换器 6 的上游端移动， 并于所 包夹的第一中间管 62 内由上游往下游移动的高温， 例如 140.5℃的冷媒与油进行热交换， 使该两管 61、 63 于上游端所连接呈三通的汇集管 65 将两股热水汇集而如箭头 b2 所示方向 排放， 经由实测， 该所排放的热水可高达 75.3℃。 而由第一热交换器 6 冷凝后的液态冷媒与 油则经由第一中间管 62 下游端进入输送管路 5。
由该第一热交换器 6 内部的热量流体 2 与热传介质 3 的热交换， 可有效降低该冷 媒与油的温度， 而后经由输送管路 5 的输送， 以便进入冷凝强化装置 7。
冷凝强化装置 7 是由复数个孔径细小的毛细管 71 所组成， 该些毛细管 71 可将来自第一热交换器 6 的液态冷媒、 油与气泡导入， 而形成如同本发明发明人所拥有的中国台 湾专利公告第 494222 号的冷凝强化装置， 以进行 「液、 气、 油」 自我调节流通， 以利用该些孔 径细小的毛细管 71 所组成的冷凝强化装置 7， 使该液态冷媒与油进入冷凝强化装置 7 后， 便自我调节分流并通过毛细管 71， 使泡沫被阻挡在毛细管 71 入口之外， 从而提升冷凝的效 果。 因此， 通过该些毛细管 71 的液态冷媒与油会再度汇流于下游的输送管路 5， 且由再度的 冷凝， 使液态冷媒与油的温度降至 33℃。
膨胀装置 8， 例如膨胀阀或单一毛细管， 其主要目的在于使液态冷媒通过时， 经过 高压挤压而喷射成雾化， 并降压至低压， 例如约 50psi， 以便配合后续第二交换器 9 的蒸发 作用， 使雾化冷媒在低压下能低温蒸发。
第二热交换器 9 将来自膨胀装置 8 输出的雾状冷媒， 经由该第二中间管 92 上游端 连通的歧管引入第二中间管 92 内， 并向下游端的歧管移动。该第二热交换器 9 结构与前述 第一热交换器 6 相同， 其系以一第二内管 91 套入该第二中间管 92 内， 且该第二中间管 92 套设于一第二外管 93 内。为使该第二热交换器 9 成为一蒸发器， 该第二内、 外管 91、 93 下 游端连接一呈三通的分流管 94， 以便将热传介质 3， 例如 28.4℃常温的水如箭头 c1 所示方 向注入该第二内、 外管 91、 93 内， 使该两管 91、 93 内的水朝向第二热交换器 9 的上游端移 动， 并于所包夹的第二中间管 92 内由上游往下游移动的液态冷媒与油进行热交换， 使该雾 状冷媒蒸发吸热成气态冷媒， 而两管 91、 93 于下游端所连接呈三通的汇集管 95 将两股冰水 汇集而如箭头 c2 所示方向排放， 经由实测， 该所排放的冰水为 17.4℃。而由第二热交换器 9 蒸发后的气态冷媒与油则经由第二中间管 92 下游端进入输送管路 5， 其另端则连接于压 缩机 4 的吸入端， 使气态冷媒可为再次压缩输出 ； 而该冰水可被输送至各出风口的冷却盘 管中， 以便吸收该盘管周围的空气热量， 使产生的低温空气由出风口进入室内而降温， 以形 成一种空调的循环系统。
其中， 该第二热交换器 9 使冷媒由雾状 ( 液态 ) 转变成气态， 使该冷媒与油吸热后 升温至 11.1℃。再者， 如图 3 所示， 该第一、 第二热交换器 6、 9 内部的冷媒和油与水的流动 方向为相反。进一步地， 而为避免热量的散失， 该第一、 第二热交换器 6、 9 外部可以一保温 材， 例如高分子发泡材料进行包覆， 以减少热量的散失。
为使气态冷媒吐出时能形成前述 168.6℃的高温， 所以， 该压缩机 4 的吐出端与吸 入端的两输送管路 5 形成一贴合状的导热段 51， 以进行热交换， 以便将气态冷媒与油在返 回压缩机 4 的前予以升温至约 30.9℃。 此举， 可令返回压缩机 4 前的气态冷媒与油升温后， 使油软化后， 有助于压缩机 4 的运转更为顺畅。由于吐气量增大， 使压缩机 4 线圈的热得以 释出， 进而使吐出的气态冷媒升温， 提高压缩比， 并降低电流安培量。
本发明所揭示的只是较佳实施例的一种， 举凡局部的变更或修饰而源于本发明的 技术思想而为本领域技术人员所易于推知的， 俱不脱本发明的权利要求范畴。