高效模块式热交换器技术领域
本发明属于热交换器技术领域，具体涉及高效模块式热交换器。
背景技术
热交换器作为一种先进的换热器，主要应用于液-液，汽-液之间热交换的传递，使
热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体或者使温度较低的流体通过吸收热量使其
温度升高，从而达到快速热交换的目的，被广泛应用于石油化工，生物制药，食品加工,船舶
业等领域。例如制胺系统中的热回收，冷却，冷凝及再沸腾。例如在原油脱盐脱水系统中的
热回收，加热及冷却。例如对烯烃、芳烃，醛，酸，醚，酯，酮，和卤素等的冷凝，加热及冷却，热
回收和再沸腾。在肥料加工生产中，被应用于氮气，二氧化碳气体冷却等。在暖通行业中，也
被广泛应用于汽-水、水-水热交换的供暖系统以及汽-水、水-水热交换的热水供应系统。随
着工业不断进步及环保要求下的节能减排，且对于减少设备占用场地及建筑低成本的高要
求下，对热交换器的要求也越来越高。
目前传统的管壳式换热器已被广泛应用于石油化工，生物医药，食品加工生产等
诸多领域。但由于其体积大换热效率低，节能效果差等原因而不足以满足各行业的工况要
求。以国家标准GB151-1999管壳式换热器为例，传统管壳式换热器外形为圆形柱体，其结构
由封头、筒体、传热管、折流板、鞍形支座、接管等组成且传热管为直管，壁厚在2mm以上，管
程多为单程，管子较长，管程内部没有分层扰流，单位体积内的换热面积较小，造成体积大
且传热效果较低。其结构不易拆卸，导致结垢后不易清洗。再者结构不紧凑，占地面积较大，
对于设备建筑布置要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种热效率高、
灵活组合的高效模块式热交换器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，包括热交换体，所述热交换体内
设置有一层或者多层热交换单元，每一层所述热交换单元内包括水平均匀且多层排布的热
交换管，每一层热交换单元内的热交换管为相一致的左右走向，每一层热交换单元内的热
交换管用于高温流体通过，顶层的热交换单元内的热交换管的一端用于与外界高温流体相
联通，底层的热交换单元内的热交换管的一端与外界管路相联通，以将热交换后的高温流
体与外界相联通，热交换单元从上到下其侧端首尾依次相联通，从上到下形成蛇形高温流
体流通通道；
每一层热交换单元内的热交换管的壳程用于低温流体通过，低温流体的走向与高
温流体的走向相垂直，在同一热交换单元内，低温流体在水平面内以蛇形方式从其一端流
向另一端，顶层的热交换单元内的热交换管的一侧用于与外界低温流体相联通，底层的热
交换单元内的热交换管的一侧与外界管路相联通，以将热交换后的低温流体与外界相联
通，热交换单元从上到下首尾依次相联通，从上到下形成蛇形低温流体流通通道。
进一步地，该各热交换单元设置于一立方体框架内。
进一步地，立方体框架的左右端交错设置有挡流支撑板，挡流支撑板用于隔离框
架本侧端上下层高温流体流通通道，未设置挡流支撑板的侧端，用于形成该侧端上下层高
温流体流通通道。
进一步地，框架的前后侧均设置有多个支撑板，且每一个支撑板与对应层的挡流
支撑板位于同一水平面，支撑板用于隔离相邻热交换单元的低温流体流通通道。
进一步地，该立方体框架内水平设置有多个相互平行的层流板，每一个层流板与
对应层的挡流支撑板和支撑板位于同一水平面，且相邻层流板上的左右端依次交错开设有
用于热交换后的低温流体流过的通孔。
进一步地，该相邻层流板间的左右两端均竖直设立有用于固定热交换管的管板，
热交换管均架设在管板上，且热交换管的两端均穿过并伸出管板。
进一步地，该框架的六个面均与对应的法兰可拆卸连接，法兰的形状与框架对应
面的形状相一致，且左右两侧法兰与框架的对应侧、挡流支撑板及管板间形成高温流体缓
存区，且左右两侧法兰上分别设置有或者其中一侧法兰上设置有高温流体进口和高温流体
出口，高温流体进口与顶层热交换单元内的热交换管的进入口相连接，高温流体流出口与
底层热交换单元内的热交换管的排出口相连接；
前后的法兰与框架的对应侧、支撑板及热交换管间形成低温流体缓存区，前后法
兰上分别设置有或者其中一面法兰上设置有低温流体进口和热交换后低温流体出口，低温
流体进口与顶层热交换单元内的热交换管的壳程相连接，热交换后低温流体出口与底层热
交换单元内的热交换管的壳程相连接；且上下法兰上对应设置有排气口和排液口。
进一步地，该每一层热交换单元内竖直且间隔设置有多个扰流挡板，扰流板的端
部依次交错与框架的前后横梁相连接，以将扰流板隔成的通道相联通，使低温流体在水平
面上蛇形通过；扰流板上并列开设有多个用于热交换管穿过的固定孔，且固定孔与热交换
管一一相对应。
进一步地，该在顶部和底部的热交换单元内，相邻扰流板间沿其长度方向间隔且
竖直设置有一个或多个立式挡流板，立式挡流板的一端与对应侧法兰的内壁紧密贴合，所
述立式挡流板的另一端与外层热交换管的外壁相贴合。
本发明还公开了一种高效模块式热交换器组合，包含本发明中上述的多个高效模
块式热交换器，且多个上述的高效模块式热交换器间串联或者并联连接。
本发明高效模块式热交换器具有如下优点：1.热交换体内设置有一层或者多层热
交换单元，高温流体介质在管程中进行多次折流，使得流体介质在管程中延长了换热时间，
增大了单位容积内的换热面积，使两侧流体介质充分的进行了换热，换热效率有了显著的
提高。
2.热交换体设置于立方体框架内，立方体的六个面均连接有法兰，法兰起到密封
及将流体输出的作用，密封效果好，且所需元件少。
3.每一层热交换单元内沿热交换管的长度方向竖直间隔设置有多个扰流板，流体
介质进入壳程后总共需要通过多次扰流作业后排出设备。这使壳程中的流体介质从层流状
态快速转变为湍流状态，从而激化传热，提高换热效率。
4.相邻扰流板间沿其长度方向竖直且间隔设置有至少一个立式挡流板，同样使得
流体最开始进入壳程和最后流出壳程时在规定方向上进行上下翻滚扰流，再一次激化传
热，提高换热效率。
5.在设备进行组装和拆卸维修时，模块式管式换热器可灵活安装或拆卸。
6.根据传热介质的工况要求以及设备的总阻力降要求，高效模块式热交换器间可
进行灵活组合，既可单台使用也可多台并联或串联使用。
附图说明
图1是本发明高效模块式热交换器的结构示意图；
图2是本发明高效模块式热交换器主视半剖面图；
图3是本发明高效模块式热交换器俯视半剖面图；
图4是本发明高效模块式热交换器左视半剖面图；
图5是本发明高效模块式热交换器中流体的流向图；
其中1.热交换体；2.热交换单元；3热交换管；4.框架；5.层流板；6.管板；7.挡流支
撑板；8.法兰；9.支撑板；10.排气口；11.排液口；12.扰流板；13.立式挡流板；b.低温流体进
口；a.热交换后低温流体出口；d.高温液体进口；c.高温流体出口。
具体实施方式
如图1所示，本发明高效模块式热交换器，高效模块式热交换器，包括热交换体1，
热交换体1内设置有一层或者多层热交换单元2，每一层热交换单元2内包括水平均匀且多
层排布的热交换管3，每一层热交换单元2内的热交换管3为相一致的左右走向，每一层所述
热交换单元2内的热交换管3用于高温流体通过，顶层的所述热交换单元2内的热交换管3的
一端用于与外界高温流体相联通，底层的所述热交换单元2内的热交换管3的一端与外界管
路相联通，以将热交换后的高温流体与外界相联通，所述热交换单元2从上到下其侧端首尾
依次相联通，从上到下形成蛇形高温流体流通通道。
本发明中，每一层所述热交换单元2内的热交换管3的壳程用于低温流体通过，低
温流体的走向与高温流体的走向相垂直，在同一热交换单元2内，低温流体在水平面内以蛇
形方式从其一端流向另一端，顶层的所述热交换单元2内的热交换管3的一侧用于与外界低
温流体相联通，底层的所述热交换单元2内的热交换管3的一侧与外界管路相联通，以将热
交换后的低温流体与外界相联通，所述热交换单元2从上到下首尾依次相联通，从上到下形
成蛇形低温流体流通通道。热交换管3可采用内波纹管、外波纹管、扁管等。高温流体进入管
程时便被均匀分配进入每根热交换管与另一侧介质进行热交换。由于热交换管3内部结构
为内波浪纹或者外部为外波浪纹，流体进入后便可强制湍流，迅速提高换热效率，且壁厚很
薄使其传热速率快，使得两侧介质大幅度提高了热交换效率。
本发明高效模块式热交换器，上述各热交换单元2设置于一立方体框架4内，即框
架4的形状为长方体或者正方体。立方体框架4的左右端交错设置有挡流支撑板7，挡流支撑
板7用于隔离框架4本侧端上下层高温流体流通通道，未设置挡流支撑板7的侧端，用于形成
该侧端上下层高温流体流通通道。挡流支撑板7的外侧壁与框架4对应面的外侧壁相平齐。
相邻层流板5间的左右两端均竖直设立有用于固定热交换管3的管板6，所述热交换管3均架
设在管板6上，且热交换管3的两端均穿过并伸出管板6。管程中的流体可进行多次折流，而
后流出。这延长了高温流体在管程中换热时间，增大了单位容积内的换热面积，使热交换管
内外的流体介质充分的进行了热交换，换热效率有了显著的提高。
本发明中，框架4的前后侧均设置有多个支撑板9，且每一个所述支撑板9与对应层
的挡流支撑板7位于同一水平面，支撑板9用于隔离相邻热交换单元的低温流体流通通道。
且支撑板9的外侧壁与框架4对应面的外侧壁相平齐。立方体框架4内水平设置有多个相互
平行的层流板5，每一个层流板5与对应层的挡流支撑板7和支撑板9位于同一水平面，且相
邻所述层流板5上的左右端依次交错开设有用于热交换后的低温流体流过的通孔。低温流
体在每一层热交换单元2的壳程中蛇形通过，到达层流板5的端部，然后由通孔进入下一层
热交换单元2中。层流板5的个数可以为奇数，也可以为偶数，当为奇数或者偶数时，热交换
管3内的流体流出方向不同。壳程中的流体可进行多次折流，而后流出。这使得低温流体在
壳程中延长了换热时间，增大了单位容积内的换热面积，使热交换管内外的流体介质充分
的进行了热交换，换热效率有了显著的提高。层流板5的端部分别与对应层的挡流支撑板7、
支撑板9焊接连接，以起到固定层流板5的作用。可以在框架4两端的相应挡流支撑板7的对
应端焊接支撑筋，使支撑筋也与层流板5的对应端焊接连接,进一步固定层流板5。相邻层流
板(5)间的左右两端均竖直设立有用于固定热交换管(3)的管板(6)，所述热交换管(3)均架
设在管板(6)上，且热交换管(3)的两端均穿过并伸出。
如图2、3和4所示，框架4的六个面均与对应的法兰8可拆卸连接，法兰8的形状与框
架4对应面的形状相一致，且左右两侧法兰8与框架4的对应侧、挡流支撑板7及管板6间形成
高温流体缓存区，且左右两侧法兰8上分别设置有或者其中一侧法兰上设置有高温流体进
口d和高温流体出口c，高温流体进口d与顶层热交换单元2内的热交换管3的进入口相连接，
高温流体流出口c与底层热交换单元2内的热交换管3的排出口相连接。
前后的法兰8与框架4的对应侧、支撑板9及热交换管3间形成低温流体缓存区，前
后法兰8上分别设置有或者其中一面法兰8上设置有低温流体进口b和热交换后低温流体出
口a，低温流体进口b与顶层热交换单元2内的热交换管的壳程相连接，热交换后低温流体出
口a与底层热交换单元2内的热交换管的壳程相连接；且上下法兰8上对应设置有排气口10
和排液口11。
本发明高效模块式热交换器，每一层热交换单元2内竖直且间隔设置有多个扰流
板12，扰流板12的端部依次交错与框架(4)的前后横梁相连接，以将扰流板12隔成的通道相
联通，使低温流体在水平面上蛇形通过；所述扰流板12上并列开设有多个用于热交换管3穿
过的固定孔，且固定孔与热交换管3一一相对应。在顶部和底部的所述热交换单元2内，相邻
扰流板12间沿其长度方向间隔且竖直设置有一个或多个立式挡流板13，立式挡流板13的一
端与对应侧法兰8的内壁紧密贴合，所述立式挡流板13的另一端与外层热交换管3的外壁相
贴合。低温流体介质进入壳程后需要通过多次扰流作业后排出设备。这使壳程中的流体介
质从层流状态快速转变为湍流状态，从而激化传热，提高换热效率。低温流体介质在上层热
交换单元2的壳程中流动，在由扰流板12分割的流道方向上，低温流体介质进行上下翻滚扰
流，再一次激化传热，提高换热效率。
本发明高效模块式热交换器的上下法兰8上对应设置有上下支撑管，用于对整个
换热器的支撑，另外对于在多个高效模块式热交换器的组合使用时，其还可以用于两个高
效模块式热交换器的对接，这使得高效模块式热交换器可以满足更多的工况需求。
本发明还公开了一种高效模块式热交换器组合，包含本发明中上述多个高效模块
式热交换器，且多个上述高效模块式热交换器间串联或者并联。根据传热介质的工况要求
以及设备的总阻力降要求，高效模块式热交换器间可进行灵活组合，既可单台使用也可多
台并联或串联使用。
本发明高效模块式热交换器，如图5所示，低温流体介质A1由低温流体进口b流入
第一层壳程后,在顶层热交换体1内，通过立式挡流板13开始在热交换管3间进行上下扰流
①，然后通过由多个扰流板12分隔形成的蛇形低温流体流通通道，同时通过立式挡流板13
在热交换管3间进行上下扰流②；然后再通过由最后一个扰流板12形成的通道并伴随着立
式挡流板13在热交换管3的上下扰流后③，由最上层层流板5上的通孔流入第二层壳程④，
由此低温介质完成了第一层壳程的换热工作。进入相邻的热交换单元2，低温介质继续通过
由扰流板12形成的扰流通道在热交换管3间进行蛇形扰流⑤，而后由该层流板5上的通孔进
入第三层壳程⑥，由此低温介质完成了第二层壳程的换热工作。进入第三层壳程后低温介
质继续与另一侧介质进行热交换⑦，低温介质再一次通过由扰流板12形成的扰流通道在热
交换管3间进行蛇形扰流⑧，通过了多层多次扰流换热后，低温流体介质流向出口⑨，最后
热交换后低温流体A2汇集流入热交换后低温流体出口a排出。在管程中，高温流体介质B1高
温流体进口d进入管程，而后均匀进入到管束中每根内波纹热交换管内⑩，通过第一层管程
与另一侧壳程内的低温流体介质进行热交换后，流入第二层管程由此高温流体介质完
成了第一层管程内的热交换工作；进入第二层管程后，高温介质继续与相应壳程内的低温
介质进行充分的热交换后，从内波纹管束另一侧流出，继续流入第三层管程由此高温介
质完成了第二层管程内的热交换工作；进入第三层管程后，高温介质继续与相应壳程内的
低温介质进行充分的热交换后，从换热管束流出热交换后的高温流体介质B2由高温液
体出口c流出。至此低温流体介质与高温流体介质完成了在高效模块式换热器内的全部热
交换过程。