一种三介质换热器
技术领域
本实用新型涉及换热器的结构设计领域，更具体地，涉及一种三介质换热器。
背景技术
随着经济和制冷/热技术的发展，对于多种介质(特别是三介质) 在同一空间内的换热技术需求越来越强烈，并且在多热源复合热泵、自然冷却系统、化学工艺等多种领域进行了实际应用。但现有三介质换热器在仅需两种介质参与换热的时间段内，第三种介质往往也会参与换热，从而造成耗能、控制复杂等问题。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型实施例提供一种三介质换热器，以解决现有的三介质换热器在仅需双介质换热的工况下，无法避免第三种介质参与换热的的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种三介质换热器，包括第一介质进口管、第一介质出口管以及换热管，所述换热管包括内管以及套在所述内管上的外管，所述外管的两端分别设置有第二介质进口和第二介质出口，所述内管的两端分别与所述第一介质进口管和所述第一介质出口管动密封连接；
所述换热管还包括第一隔层和第二隔层，所述第一隔层的相对两端分别与所述外管的内管壁连接并沿所述外管的长度方向延伸，并将所述外管与所述内管之间的区域分隔为绝热腔和传热腔，所述内管位于所述传热腔内；
所述第二隔层位于所述传热腔内并沿所述外管的长度方向延伸，通过至少一个所述第二隔层将所述传热腔分为第一传热腔单元和第二传热腔单元；
所述第一传热腔单元和第二传热腔单元均与所述第二介质进口和所述第二介质出口连通。
优选地，所述三介质换热器还包括：第一密封旋转轴和第二密封旋转轴，所述第一密封旋转轴的一端与所述第一介质进口管动密封连接，所述第一密封旋转轴的另一端与所述内管的进口端固定连接；
所述第二密封旋转轴的一端与所述第一介质出口管动密封连接，所述第二密封旋转轴的另一端与所述内管的出口端固定连接。
优选地，所述第一介质进口管和第一介质出口管平行，所述换热管为多个，多个所述换热管沿所述第一介质进口管的长度方向等间距布置。
优选地，所述三介质换热器还包括：第二介质进口管和第二介质出口管，所述第二介质进口管与所述第二介质进口之间通过软管柔性连接，所述第二介质出口管与所述第二介质出口之间采用所述软管柔性连接；
所述第二介质进口管和所述第一介质出口管位于所述外管的同一端，所述第二介质出口管与所述第一介质进口管位于所述外管的同一端。
优选地，所述内管与所述外管偏心设置，所述第一隔层为弧形结构，所述第一隔层靠近所述传热腔的一侧与所述内管的外管壁呈内切连接。
优选地，所述第二隔层连接在所述内管的外管壁与所述外管的内管壁之间距离最大的位置，所述第一隔层关于所述第二隔层对称布置，以使所述第一传热腔单元与所述第二传热腔单元的横截面大小相等。
优选地，所述外管的内管壁上设置有第一定位槽，所述第一隔层卡设在所述第一定位槽内；
所述内管的内管壁以及所述内管的外管壁上的对应位置均设置有第二定位槽，所述第二隔层的相对端分别卡设在所述外管和所述内管的所述第二定位槽内。
优选地，所述三介质换热器还包括加强筋，所述第一隔层靠近所述绝热腔的一侧通过加强筋与所述外管的内管壁连接，所述加强筋和所述第二隔层位于同一平面内。
优选地，所述外管的内管壁上设置有第三定位槽，所述加强筋的一端与所述第一隔层一体连接，所述加强筋的另一端卡设在所述第三定位槽内。
优选地，所述内管和外管均采用铜管、铝管或不锈钢管制成；
所述外管的内管壁设置有光滑表面或内螺纹，所述外管的外管壁设置有光滑表面、外螺纹、肋片或翅片结构。
(三)有益效果
本实用新型实施例提供的三介质换热器，对换热管的结构进行特殊设计，并通过调整换热管按照预设方向和角度旋转，来改变两个传热腔单元内的第二介质与内管的外管壁或外管的内管壁的接触面积，从而调节两种介质之间或者三种介质之间的换热量，解决了仅需第一种介质和第二种介质换热时第三种介质参与换热的问题并能实现换热量的无级调节，减小了能量消耗，有利于提高换热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中三介质换热器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中三介质换热器的俯视图；
图3为本实用新型实施例中换热管的内部结构示意图；
图4为本实用新型实施例中换热管的安装结构示意图；
图5为本实用新型实施例中换热管的绕轴向旋转的内部液位变化图；
图中：1、第一介质进口管；2、第一介质出口管；3、第二介质进口管；4、第二介质出口管；5、换热管；6、表面拓展结构；7、第一三通结构；8、第二三通结构；9、绝热腔；10、传热腔；11、最高液位线；12、第二介质；13、第一隔层；14、第一介质；15、第二隔层； 16、第一密封旋转轴；17、第二密封旋转轴；18、固定支撑件；19、第二介质进口；20、第二介质出口；21、第一定位槽；22、第二定位槽；23、加强筋；24、第三定位槽；25、软管；101、第一传热腔单元；102、第二传热腔单元；501、内管；502；外管。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1至图5所示，本实用新型实施例提供一种三介质换热器，包括第一介质进口管1、第一介质出口管2以及换热管5，第一介质进口管1与第一介质出口管2平行布置，换热管5位于第一介质进口管1 与第一介质出口管2之间，且与第一介质进口管1与第一介质出口管2 均垂直。
本实施例中通过对换热管的内部结构进行特殊设计，并结合换热管绕其轴向的转动来实现三介质换热器的换热量控制。
具体地，换热管5包括内管501以及套在内管上的外管502，且内管501的轴线与外管502的轴线平行。外管502的端部与内管501的端部之间为密封设置，防止外管502内的工质漏出。内管501的长度可与外管502的长度相等，也可大于外管502的长度，便于其内部的工质与第一介质进口管1和第一介质出口管2连通。
需要说明的是，内管501内用于填充第一介质14，外管502内用于填充第二介质12，第三介质位于换热管5的外部，与外管502的外管壁接触。
为了保证第二介质12在外管502内流动，外管502的两端分别设置有第二介质进口19和第二介质出口20。而在本实施例中，为了不影响换热管5在转动过程中的介质流动，将内管201的两端分别与第一介质进口管1和第一介质出口管2采用动密封连接。
其中，换热管5还包括第一隔层13和第二隔层15，第一隔层13 的相对两端分别与外管502的内管壁连接并且沿着外管502的长度方向延伸，从而将外管502与内管501之间的区域分隔为绝热腔9和传热腔10。
进一步地，内管501位于传热腔10内，以便于与传热腔10内的第二介质12接触，而为了实现第一传热腔单元101和第二传热腔单元 102内均布置有流动的第二介质12，本实施例中需要将这两个传热腔单元的两端分别与第二介质进口19和第二介质出口20连通。
同时，第二隔层15位于传热腔9内并沿外管502的长度方向布置，第二隔层15连接在外管502的内管壁与内管501的外管壁之间或者第一隔层13与内管501的外管壁之间。
传热腔10内通过设置至少一个第二隔层15将其分为第一传热腔单元101和第二传热腔单元102，通过设置两个传热腔在转动过程中与内管501的外管壁接触面积不同以及外管502与不同来实现不同介质参与换热的控制。需要说明的是，第二隔层15至少为一个具体指一个或者两个，一般地，绝热腔10内需要设置两个第二隔层15才能将绝热腔10内的空间分为两部分；特殊地，如果内管501的外管壁与第一隔层13贴合连接时，只需要在内管501与外管502之间设置一个第二隔层15即可。
本实施例中，第二隔层10和第一隔层6均为物理密封隔层，优选为各种绝热或导热系数低的材料。绝热腔9内可填充真空或者其他传热系数低的填充材料，从而起到在换热管在某些角度位置时能够起到隔热或部分隔热的目的，以便于调整换热量。
本实施例中提供的三介质换热器，通过调整换热管按照预设方向和角度旋转，来改变两个传热腔单元内的第二介质12与内管501(第一介质14)和外管502(第三介质)的接触面积，从而来改变两种介质之间或者三种介质之间的换热量，解决了仅需两种介质换热时第三种介质参与换热的问题并能实现换热量的无级调节，减小了能量消耗，有利于提高换热效率，其中可根据换热量需求自动调整旋转方向和角度。
在上述实施例的基础上，为了实现换热管5与第一介质进口管1 和第一介质出口管2之间的动密封连接，具体通过设置相应的第一密封旋转轴16和第二密封旋转轴17来实现，第一密封旋转轴16和第二密封旋转轴17内部为中空结构，其通过连接电源可实现自转并带动与其相连的轴或管件转动。
具体地，第一密封旋转轴16的一端与第一介质进口管1的管壁动密封连接，当然也可在第一介质进口管1的管壁上设置连接管，通过连接管与第一密封旋转轴16的一端动密封连接，第一密封旋转轴16 的另一端与内管501的进口端固定且密封连接。
第二密封旋转轴17的一端与第一介质出口管2的管壁动密封连接，当然也可在第一介质出口管2的管壁上设置连接管，通过连接管与第二密封旋转轴17的另一端动密封连接，第二密封旋转轴17的另一端与内管201的出口端固定且密封连接。
此处需要说明的是，本实施例中也可将第一密封旋转轴16和第二密封旋转轴17两端的连接方式调换，即内管501的两端分别与第一密封旋转轴16的一端以及第二密封旋转轴17的一端动密封连接，第一密封旋转轴16的另一端与第一介质进口管1的管壁之间为固定连接，第二密封旋转轴17的另一端与第一介质出口管2的管壁之间为固定连接。
在上述各实施例的基础上，为了增大三介质换热器内的换热面积，换热管5设置为多个，多个换热管5沿第一介质进口管1的长度方向等间距布置，由于第一介质进口管1和第一介质出口管2平行设置，即多个换热管5之间相互平行地布置在第一介质进口管1和第一介质出口管2之间，且各换热管5均与第一介质进口管1和第一介质处口管2垂直。
在上述各实施例的基础上，三介质换热器还包括：第二介质进口管3和第二介质出口管4，第二介质进口管3与第二介质进口19之间通过软管25实现柔性连接，第二介质出口管4与第二介质出口20之间也同样通过软管25实现柔性连接，以保证换热管5旋转时第二介质 12的循环流动不受影响。并且，通过对软管25长度的设置，可限制换热管5的转动角度。本实施例中的软管25长度以满足换热管在180度范围内转动为宜，防止软管25的长度过长缠绕在换热管5上而影响第二介质12的流动效果。
同时，为了增加第一介质14与第二介质12之间的换热效果，将第二介质进口管3和第一介质出口管2布置在外管502的一端，第二介质出口管4与第一介质进口管1布置在外管502的另一端。
此外，为了便于多个换热管5与第二介质进口管3、第二介质出口管4之间均通过软管25实现柔性连接，第一介质进口管1、第二介质出口管4、第二介质进口管3以及第一介质出口管2均相互平行设置，并且第二介质出口管4通过固定支撑件18与第一介质进口管1固定连接，第二介质进口管3也同样通过固定支撑件18与第一介质出口管2 固定连接。
在上述实施例中，为了便于对换热管5的端部进行安装和密封，在外管502的两端分别设置第一三通接头7和第二三通接头8。
外管502的进口与第一三通接头7的第一端口连通、出口与第二三通接头8的第一端口连通，第一三通接头7和第二三通接头8的第二端口上均盖设有盖板，内管501的两端分别穿过对应的盖板与第一介质出口管2和第一介质进口管1动密封连接，即内管501内腔形成的第一通道的两端分别与第一介质进口管1和第一介质出口管2动密封连通。
而第一三通接头7的第三端口(相当于第二介质进口19)与第二介质进口管3通过软管25实现柔性连接，第二三通接头8的第三端口 (相当于第二介质出口20)与第二介质出口管4也同样通过软管25 实现柔性连接，也就是说，内管501的外管壁与外管502的内管壁共同围设形成的传热腔10(包括第一传热腔单元101和第二传热腔单元 102)，该传热腔10的两端分别通过内管501与第一三通接头7和第二三通接头8之间形成的流道与第二介质进口管3和第二介质出口管4 连通。其中，软管25的长度以不干涉第一三通接头7和第二三通接头 8在一个旋转周期内自由转动为宜。
在上述各实施例的基础上，为了使热管腔换热面积最大化，内管 502与外管501之间为偏心设置，即二者的轴心不重合，从而能够为第一传热腔单元101和第二传热腔单元102预留较大的空间。第一隔层 13为弧形结构，第一隔层13靠近传热腔10的一侧与内管502的外管壁内切，且第一隔层13与内管502的外管壁之间的相切处通过卡槽固定连接，具体可在相切位置的内管501的外管壁上设置凹槽，在第一隔层13上设置与该凹槽配合的凸起即可，安装内管501时可在换热管的端部将内管的凹槽与第一隔层13上的凸起对应，并推入至外管502 内。基于本身结构设计和第一隔层13两边的压差又能起到稳固内管位置和减震的作用。
进一步地，为了使两个传热腔单元的体积相等，将第二隔层15连接在内管502的外管壁与外管501的内管壁之间距离最大的位置，即第二隔层15位于外管501的径向方向。同时第一隔层13关于第二隔层15对称布置，以使得最终形成的第一传热腔单元101与第二传热腔单元102的横截面大小相等，且二者之间的体积也相等。
在上述各实施例的基础上，为了便于换热管内各部件的安装，第一隔层13和第二隔层15均采用卡槽连接实现安装，可从外管502的一端插入到指定位置，然后在端口焊接固定。
具体地，外管502的内管壁上设置有两个第一定位槽21，第一隔层13的相对两端分别卡设在对应的第一定位槽21内。内管501的内管壁以及内管502的外管壁上的对应位置均设置有第二定位槽22，第二隔层15的相对两端分别卡设在外管502和内管501上的第二定位槽 22内。
进一步地，为了增加对第一隔层13的固定效果以增强其结构稳定性，第一隔层13靠近绝热腔9的一侧通过设置加强筋23与外管502 的内管壁连接，加强筋23和第二隔层15位于同一平面内，并且该平面位于外管502的径向方向，这种结构设计使整个换热管5内部的结构更加稳定。
进一步地，为了便于第一隔层13的安装和固定，在外管502的内管壁上设置有用于安装加强筋23的第三定位槽24，加强筋23的一端与第一隔层13一体连接从而形成一个整体结构，加强筋的另一端卡设在第三定位槽24内。
基于上述实施例的内容，本实用新型实施例还提供一种换热管各结构的安装方法：
首先，安装第一隔层13与外管502的内管壁的连接，使第一隔层13(包括加强筋23)分别与外管502的内管壁上位于左右端的两处第一定位槽21和位于上端的第三定位槽24连接，可从换热管5的端口处插入。
其次，安装内管501与第一隔层13的连接，同样将内管501从换热管5的端口插入，并且其上的凹槽与第一隔层13上的凸起配合，直至到达指定的安装位置为止。
然后，从换热管5的端口再插入第二隔层15，使其与内管501的外壁面和外管502的内壁面上的第二定位槽稳固接触，最后在换热管5 的端口处利用焊接等方式封死。
最后，根据需要在内管501内以及传热腔内填充相应的介质即可。
在上述各实施例中，内管501和外管502均可采用各种尺寸的铜管、铝管或不锈钢管制成。进一步地，外管502的内管壁设置有光滑表面、内螺纹以及其他各种以增强换热为目的的管内管壁面结构，外管1的外管壁设置有光滑表面、外螺纹、肋片、翅片结构以及其他各种以增强换热为目的的表面拓展结构6。
在上述各实施例的基础上，为了防止外管502内的第二介质12充液率过高，本实施例中需要对第二介质12的液位进行限定，具体可在外管502内设置最高液位线11，第二介质12的液位不允许超过最高液位线11，最高液位线11与第二隔层15垂直且与内管501相切，从而能够避免第二介质12在图5的A位置时接触内管501的外管壁或在E 位置时接触外管502的内管壁，进而增加了其在各个模式下的传热效果。
在上述各实施例的基础上，本实用新型实施例所述的三介质换热器的工作过程如下：
(1)第一、二介质换热模式
换热只在内管501内第一介质14和外管502内第二介质12这两种介质间进行，其中可以通过沿轴旋转的方式，改变传热腔10内第二介质12与外管502的内管壁零接触以及与内管壁多接触的方式(如图5中E位置所示)，几乎隔绝外管502外部的第三介质参与换热，从而保证换热仅在第一介质14和第二介质12间进行换热，有效隔绝了向外管502外第三介质的换热，达到节能的目的。另外在此基础上，在需要调节换热量工况下，可以调整与内管501的内管壁的接触面积，使第二介质12与外管内壁部分接触，虽然可能造成部分能量损失，但可以实现换热量的有效调节。
(2)第二、三介质换热模式
换热只在外管502内的第二介质12和外管502外的第三介质这两种介质间进行，其中可以通过沿轴旋转的方式，改变传热腔10内第二介质12与内管501的外管壁零接触以及与外管502的内管壁多接触的方式(如图5中A位置所示)，几乎隔绝第一介质14参与换热，从而保证换热仅在第二介质12和第三介质间进行换热，有效隔绝了向内管 501内的第一介质14的换热，达到节能的目的。另外在此基础上，还需要调节换热量工况下，可以调整与外管壁面接触的面积，使第二介质12与内管501的内管壁部分接触，虽然可能造成部分能量损失，但可以实现换热量的有效调节。
(3)三介质换热模式
制冷模式：外管502的外管壁及外接502拓展表面结构(如肋片、翅片等外接表面)与外管502外的第三介质-热流体(管外流体可以是热气相流体如空气，也可以是液相流体如热水)接触吸热，使第二介质12与外管502的内管壁接触，与内管501的外管壁不接触。
首先传热给外管502内的第二介质12，此时传热腔10内的第二介质12不受外力做水平方向流动，传热腔10变为重力式热管功能区运行，第二介质12吸热蒸发，在内管501的外管壁的冷壁面上凝结放热，最后将热量传到第一介质14，实现冷却换热器外流体的目的，实现持续制冷。
其中，旋转到图5的A位置为换热管5的第一状态，其对应的制冷效果最好(外管502的内管壁与第二工质14直接接触的面积最大)。
旋转到B位置时为换热管的第二状态，旋转到C位置时为换热管的第三状态，旋转到D位置时为换热管的第四状态，其中第二状态至第四状态中，外管502的内管壁与第二工质14直接接触的面积逐渐减小，对应的制冷效果也逐渐变差。
旋转到E位置时为换热管的第五状态，此时制冷效果最差(外管 502的内管壁与第二工质14直接接触的面积最小)。
旋转到F位置时为换热管的第六状态，旋转到G位置时为换热管的第七状态，旋转到H位置时为换热管的第八状态，其中第六状态至第八状态中，外管502的内管壁与第二工质14直接接触的面积逐渐减大，对应的制冷效果也逐渐增强。
本实施例中，从A到E(A-B-C-D-E)位置旋转制冷效果逐渐削弱， E到A(E-F-G-H-A)位置制冷效果逐渐增强，最终实现制冷量的无级调节。)具体在转动过程中，E到A按照(E-D-C-B-A)的顺序逆时针转动(转动角度限制在180度内)，其换热效果与E到A按照 (E-F-G-H-A)的顺时针转动的效果相同。
制热模式：第一介质14为热流体时，首先让第二介质12与内管 501的外管壁接触，通过内管501的外管壁与加热第二介质12，此时传热腔10内的第二介质12不受外力做水平方向流动，传热腔10变为重力式热管功能区运行，第二介质12吸热蒸发。
然后在外管502的内管壁的冷壁面上凝结放热，最后将热量传到外管502外部的第三介质，实现加热换热器外流体的目的，实现持续制热。
其中，旋转到图5的A位置为换热管5的第一状态，其对应的制热效果最差(内管501的外管壁与第二介质14直接接触的面积最小)。
旋转到B位置时为换热管的第二状态，旋转到C位置时为换热管的第三状态，旋转到D位置时为换热管的第四状态，其中第二状态至第四状态中，内管501的外管壁与第二介质14直接接触的面积逐渐增大，对应的制热效果也逐渐增强。
旋转到E位置时为换热管的第五状态，此时制冷效果最差(内管 501的外管壁与第二介质14直接接触的面积最大)。
旋转到F位置时为换热管的第六状态，旋转到G位置时为换热管的第七状态，旋转到H位置时为换热管的第八状态，其中第六状态至第八状态中，内管501的外管壁与第二介质14直接接触的面积逐渐减小，对应的制热效果也逐渐削弱。
本实施例中，从A到E(A-B-C-D-E)位置旋转制热效果逐渐增强，E到A(E-F-G-H-A)位置制热效果逐渐削弱，最终实现制热量的无级调节。)具体在转动过程中，E到A实际按照(E-D-C-B-A)的顺序逆时针转动(转动角度限制在180度内)，各状态的换热效果与E到A按照(E-F-G-H-A)的顺序顺时针转动的效果相同。
上述实施例提供的三介质换热器，由于换热管的两个传热腔内均填充有用于与第一介质以及第三介质进行热交换的第二介质，由于重力的作用，使得调整换热管沿其轴向的转动角度即可实现第二介质与内管的外管壁或外管的内管壁的接触面积变化，从而能够实现了在仅需双介质换热的工况时第三种介质不参与换热，有利于节约能源，并且能够实现对制冷量或制热量的无级调节，便于对换热器的精确控制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
