CN100365368C - 一种连续螺旋折流板管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体，一个中心管，分别位于壳体两端的两个挡板，挡板分别连接封头，一封头上设置排液孔，另一个封头上连通有管侧进出口，一束换热管束，若干位于中心管和壳体之间的连续螺旋折流板，连续螺旋折流板是由多个周期螺旋片搭接而成，每个周期的螺旋片沿中心轴方向升高一个螺距，连续螺旋折流板可为单连续螺旋、双连续螺旋或多连续螺旋结构，也可采用带内套管的连续螺旋折流板结构，其连续螺旋可为左手螺旋或右手螺旋，壳侧进口和壳侧出口的外侧母线与壳体相切。采用本发明的结构方式，可以使得换热器更加紧凑，提高换热效率，减低流动阻力，减轻换热管的振动，减少壳侧结垢，提高使用寿命。

Description

一种连续螺旋折流板管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种在炼油、化工、环保、能源、电力等工业中使用的管壳式换热器，特别涉及一种连续螺旋折流板管壳式换热器。

背景技术

换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等工业中一种重要的单元设备通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10-20％；尤其在炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40％。管壳式换热器占有世界换热器市场总额的37％。在管壳式换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在壳侧流动，并通过管子进行热量交换。同时，壳侧布置有折流板，折流板为管子提供支撑，还使流体按特定的通道流动以改善其传热特性。

传统弓型折流板存在很多问题：①弓型折流板使流体垂直冲击壳体壁面，造成较大的沿程压降；②折流板与壳体壁面相接处产生流动滞止死区，降低了换热效率，且容易结垢；③折流板与壳体壁面之间及换热管与折流板之间存在漏流，使壳侧存在较大的旁路流动，旁流及漏流降低了有效的横掠管束的质量流量，故减小了壳侧的换热效率；④高的流速流体横掠换热管束，会诱导换热管的振动，缩短了换热器的寿命。

20世纪60年代，已有学者提出了螺旋折流板换热器的思想。螺旋折流板换热器是将折流板布置成近似的螺旋面，使换热器中的壳侧流体呈连续的螺旋状流动，以实现有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的。

然而，现有的螺旋折流板所采用的几乎都是不连续的近似螺旋曲面。非连续螺旋折流板换热器的折流板一般是由两块至四块扇形平板组成(见专利200320106763.1)，结果往往与真实的螺旋曲面相去甚远，两块扇形折流板搭接处一般存在三角区，有严重的漏流问题，导致换热器壳侧流动阻力增加，也影响换热器的换热性能。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种连续螺旋折流板管壳式换热器，它能使流体按照更加合理的形式流动，从而使换热器结构更加紧凑，提高换热效率，降低流动阻力，并提高换热器使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体，位于壳体内的中心管，分别连接在壳体两端的两个挡板，挡板分别连接封头，其中第一封头上设置排液孔，第二封头上连通有管侧进口与管侧出口，换热管束穿过螺旋折流板上的孔平行固定于两挡板之间，在壳体上安装有壳侧进口和壳侧出口，所述的螺旋折流板是连续螺旋折流板，连续螺旋折流板位于中心管和壳体之间，壳侧进口和壳侧出口的外侧母线与壳体相切。

所述的连续螺旋折流板是由多个周期螺旋片搭接而成，每个周期的螺旋片沿中心轴方向升高一个螺距，螺旋片之间首尾相接，形成连续螺旋面。

所述的连续螺旋折流板可采用拼接式连续螺旋折流板，拼接式连续螺旋折流板由内连续螺旋折流片与外连续螺旋折流片拼接而成的，也可以由两片以上的内、外连续螺旋折流片拼接而成。

所述的中心管是一根两端密封的空管，连续螺旋折流板的内侧螺旋线固定在中心管上，中心管、连续螺旋折流板和壳体包围形成一个封闭的连续螺旋通道。

所述的连续螺旋折流板可采用带内套管的连续螺旋折流板结构，在内连续螺旋折流片与外连续螺旋折流片之间加入至少一个内套管，在壳侧进口和壳侧出口处内套管均比壳体短一个螺距。该结构在壳体内可形成两个或多个各自独立的封闭的连续螺旋通道。

所述的连续螺旋折流板在壳体内可形成单连续螺旋、双连续螺旋或多连续螺旋结构，其连续螺旋可以是左手螺旋或右手螺旋。

本发明对折流板进行了改进，采用了连续螺旋折流板。连续螺旋折流板的加工是将连续的螺旋面分解成许多个周期的螺旋片，每个周期的螺旋片沿中心轴方向升高一个螺距，螺旋片之间首尾相接，形成连续螺旋面。换热器的中心存在一个中心管，因此，组装若干片连续的螺旋片时容易固定，且中心管、连续螺旋折流板和外壳包围形成封闭的螺旋通道。采用这种连续螺旋折流板和中心管结构使得流体在壳侧形成螺旋流。螺旋流动的流体在向前运动的过程中连续地改变方向，产生的二次环流而强化换热。连续的螺旋面保证了所有流体都可以完成每一个螺旋周期，而不会从三角区漏流，充分利用了管束的换热面积，达到提高换热效率的目的。由于流体连续的改变方向，不存在冲击折流板的突然转向流动，可以降低流动的压损。振动大大的减少，安全性提高，增加了换热器的寿命。该结构完全不存在流动的死区，又有不易结垢的优点。

本发明对壳侧进口管和出口管也进行改进，换热器壳侧进口管和出口管的外侧母线与换热器外壳相切，而且进出口管的内径一般不要大于螺旋片的螺距。流体从壳侧进口管进入第一个螺旋口子，沿螺旋通道流动，在最后一个螺旋口子流出，经过出口管流出换热器。这样的进出口设计有利于减少进出口流动阻力，使得主流能有效地沿螺旋通道流动。

折流板在壳体内可根据工艺设计的需要采用单连续螺旋、双连续螺旋或多连续螺旋结构。这种结构可适应大直径的进出口管。

本发明采用拼接式连续螺旋折流板，可适用于大直径壳体的连续螺旋折流板管壳式换热器。

本发明所述的连续螺旋折流板可采用带内套管的连续螺旋折流板结构，在内连续螺旋折流片与外连续螺旋折流片之间加入一个或多个内套管，在壳侧进口和壳侧出口处内套管均比壳体短一个螺距，在壳体内可形成两个或两个以上各自独立的封闭的连续螺旋通道。这种结构可适用于大直径壳体的连续螺旋折流板管壳式换热器；内连续螺旋折流片与外连续螺旋折流片无需安装在同一曲面上，使得换热器的安装更加简便。

折流板在壳体内可根据安装设计的需要采用连续螺旋可以是左手螺旋或右手螺旋结构。这样就可将进出口合理的安装在壳体的左侧或者右侧。

附图说明

图1为本发明换热器结构示意图。

图2(a)为本发明中折流板加工前的圆环片示意图。

图2(b)为本发明未钻孔的螺旋曲面示意图。

图2(c)为本发明中连续螺旋折流板示意图。

图3(a)为本发明双连续左螺旋折流板示意图。

图3(b)为本发明双连续右螺旋折流板示意图。

图4(a)为本发明拼接式连续螺旋折流板的内连续螺旋折流片示意图。

图4(b)为本发明拼接式连续螺旋折流板的外连续螺旋折流片示意图。

图4(c)为本发明拼接式连续螺旋折流板结构示意图。

图5(a)为本发明带内套管的连续螺旋折流板结构示意图。

图5(b)为本发明带内套管的连续螺旋折流板流体流线示意图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明是在解决了切实可行的加工工艺的前提下提出的。

加工方法一：

将一片金属材料(铝板或钢板)的圆环片子沿径向裁开，然后将其套入锻压下模具，锻压模具的表面即为一个周期的螺旋曲面。然后将锻压上模具从上方套入锻压下模具，将圆环片子夹在中间，同时可以上紧模具周边的螺栓，将上下模具固定在一起，然后将模具放到锻床上锻压，将金属片子锻压成螺旋片。

将一片或数片压制好的螺旋片套入打孔下模具，然后将打孔上模具套入打孔下模具，将螺旋片夹在中间。钻头可以从打孔模具小孔插入，并在螺旋片上打出均布的小孔，螺旋片上的小孔是用来穿换热管的。

再将换热管子插在打孔下模具的小孔上，这样换热管束就可以在轴向、周向都被固定。然后将钻过孔的一个周期的螺旋片从顶端套入换热管束，为了使螺旋片能向下推进，可以在螺旋片上方套入打孔上模具，通过敲打这个模具使得其下方的螺旋片滑到指定的位置，然后将第二片、第三片等螺旋片以同样的方法套入换热管束，就可以完成换热器芯子部分的拼装。先拼装好换热器芯子，再将芯子套入换热器外壳，然后在两端加上封头，就可以完成换热器的组装。

采用拼接式连续螺旋折流板结构时，内、外连续螺旋折流片拼接后在拼接缝上点焊上几个点固定，套入换热管束。采用带内套管的连续螺旋折流板结构时，按照从内到外得的顺序，将内连续螺旋折流片套入换热管束，套入内套管，内套管两端各留有一个缺口，分别正对壳侧进口和壳侧出口，然后再将外连续螺旋折流片套入换热管束，将芯子套入换热器外壳，然后在两端加上封头，就可以完成换热器的组装。

在需要加工的螺旋片的外径太大的情况下，在压制一个周期的螺旋片的时候，螺旋片的包角会不足360度，在组装时相邻两个周期之间会出现一个缺口，这时可以通过两种方法来进行补偿。第一种方法是采用专门的补偿片来补偿这个缺口。补偿片的制作可以从已成形的螺旋片成品中根据需要的角度剪裁出来。第二种方法是采用特殊的组装方案来补偿这个缺口。例如可以将两个340度的螺旋片在搭接处稍微重叠一下，这样可以将缺口堵住。但是两个螺旋片装完以后就不足两个周期，这种方法只适用于孔的分布沿周向相当均匀的情况，否则要调整钻孔时的起始基准。

加工方法二：

连续螺旋折流板换热器的实施方式一中，需要用到压制模具和钻孔模具，而且模具的适应能力比较差，不同的几何参数需要不用不同的模具，这会增加设备投资。对于加工精度要求不高的情况，还可以采用另外一种比较简单的办法来加工。

将一片金属材料(铝板或钢板)的圆环片子沿径向裁开，先裁掉一个小扇形，选材时要保证圆环的内径、外径都大于成形后的螺旋片的内外径。在圆环片的首尾处各钻一个螺栓孔，然后将开好孔的圆环片子套到拉片夹具上，用螺栓将圆环片固定在拉片夹具上。拉片夹具的中心要穿一根定位杆，定位杆的外径与目标螺旋片的内径一致。然后将拉片夹具放到拉床上，将圆环片沿定位杆方向拉伸变形到目标螺距(为了消除螺旋片回弹的影响，一般使圆环片拉伸到稍大于目标螺距)。

将数片拉制好的螺旋片叠放在一起，用铁锤敲打其表面，使相邻片子的表面尽量贴合在一起。或者可以将数片叠好的片子装到拉片夹具上，然后把夹具放到拉床上再拉一下，使得各个片子的表面尽量贴合。将数片处理过的片子放到特制的钻孔夹具上，先用键槽铣刀划窝定位，然后用长钻头钻出预期的孔。钻完孔后形成螺旋片。

采用加工方法二时，换热器的组装可以采用普通弓形折流板的组装方式进行组装。

方法一需要的初期投资大，但精度高，加工速度快，适合于大规模的批量生产。而方法二比较简单易行，所需要的初期投资很少，但是其加工精度有限，加工速度较慢，适用于加工精度不高、小规模的生产。

管侧流体的流动与传统的管壳式换热器一样。壳侧流体经进口切向流入由中心管、连续螺旋折流板和外壳包围形成封闭得螺旋通道，绕中心管作螺旋流动，且斜向外掠换热管进行热交换，最后由出口切向流出壳体。

参照图1所示，该换热器包括一个壳体8，一个中心管6，分别位于壳体两端的两个挡板5，5，位于壳体一端的第一封头1和一个排液孔2，第二封头10上连通有管侧进口12与管侧出口11，换热管束4穿过连续螺旋折流板7上的孔13平行固定于两挡板5，5之间，壳侧进口流体15由壳侧进口3流进壳体8，壳侧出口流体16由壳侧出口9流出壳体8，管侧进口流体17由管侧进口12流入管程，管侧出口流体18由管侧出口11流出管程，连续螺旋折流板7两两相互搭接后点焊两三个点固定，形成搭接缝14。换热器壳侧进口管3和壳侧出口管9的外侧母线与换热器外壳8相切。

参照图2(a)所示，圆环片19用一片金属材料(铝板或钢板)制成，裁成圆环状，再沿径向裁开一条缝。

参照图2(b)所示，采用上述的加工方法一或二，将一个圆环片19沿中心轴方向升高一个螺距，加工成连续螺旋面20。

参照图2(c)所示，连续螺旋折流板7是由连续螺旋面20按一定排列规律钻出孔13，可穿换热管4。

参照图3(a)所示，双连续左螺旋折流板由两组同轴的连续螺旋折流板7组成，且连续螺旋折流板7呈左手螺旋结构。另外，可根据需要将三组或三组以上连续左螺旋折流板组合形成多连续左螺旋折流板结构。

参照图3(b)所示，双连续右螺旋折流板由两组同轴的连续螺旋折流板7组成，且连续螺旋折流板7呈右手螺旋结构。另外，可根据需要将三组或三组以上连续右螺旋折流板组合形成多连续右螺旋折流板结构。

参照图4(a)所示，该连续螺旋折流片为拼接式连续螺旋折流板23的内连续螺旋折流片21，13是设置在内连续螺旋折流片21上的孔。

参照图4(b)所示，该连续螺旋折流片为拼接式连续螺旋折流板23的外连续螺旋折流片22，13是设置在外连续螺旋折流片22上的孔。

参照图4(c)所示，连续螺旋折流板7可以采用拼接式连续螺旋折流板23的结构，拼接式连续螺旋折流板23由内连续螺旋折流片21与外连续螺旋折流片22拼接而成，13是设置在拼接式连续螺旋折流板23上的孔。

参照图5(a)所示，连续螺旋折流板7可以采用带内套管24的连续螺旋折流板结构，该结构由内连续螺旋折流片21、外连续螺旋折流片22和内套管24组成，内套管24与中心管6同轴，在壳侧进口3和壳侧出口9处内套管24均比壳体8短一个螺距，该结构在壳体8内可形成两个各自独立的封闭的连续螺旋通道，换热管束4穿过螺旋折流板上的孔13平行固定于两挡板5，5之间。15是进口流体。16是出口流体。该结构也可以有多个内套管，形成多个各自独立的封闭的连续螺旋通道。

参照图5(b)所示，连续螺旋折流板7可以采用带内套管24的连续螺旋折流板结构，内套管24与中心管6同轴，在壳侧进口3和壳侧出口9处内套管24均比壳体8短一个螺距，15是进口流体。16是出口流体，流体的流线25从壳侧进口3进入壳体8，经由内套管24、壳体8和连续螺旋折流片21组成的封闭连续螺旋通道，再从壳侧出口9流出壳体8，流体的流线26是从壳侧进口3进入壳体8，经由内套管24、中心管6和连续螺旋折流片22组成的封闭连续螺旋通道，再从壳侧出口9流出壳体8。

本发明具有以下优点：

1、本发明可以使得换热器结构更加紧凑，换热效率更高；

2、本发明大大减少了换热器运行时的振动，安全性提高，不易结垢，增加了换热器的寿命。

3、本发明大大降低流动的压损，从而降低运行费用。

4.可适用于各种直径壳体的连续螺旋折流板管壳式换热器。

Claims (5)

1.一种连续螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体(8)，位于壳体(8)内的中心管(6)，分别连接在壳体(8)两端的两个挡板(5，5)，挡板(5，5)分别连接第一、第二封头(1，10)，其中第一封头(1)上设置排液孔(2)，第二封头(10)上连通有管侧进口(12)与管侧出口(11)，换热管束(4)穿过螺旋折流板上的孔(13)平行固定于两挡板(5，5)之间，在壳体(8)上安装有壳侧进口(3)和壳侧出口(9)，其特征在于，所述的螺旋折流板是连续螺旋折流板(7)，连续螺旋折流板(7)位于中心管(6)和壳体(8)之间，壳侧进口(3)和壳侧出口(9)的外侧母线与壳体(8)相切；所述的连续螺旋折流板(7)是由多个周期螺旋片搭接而成，每个周期的螺旋片沿中心轴方向升高一个螺距，螺旋片之间首尾相接，形成连续螺旋面，或连续螺旋折流板(7)采用拼接式连续螺旋折流板(23)的结构，拼接式连续螺旋折流板(23)由内连续螺旋折流片(21)与外连续螺旋折流片(22)拼接而成。

2.根据权利要求1所述的连续螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的中心管(6)是一根两端密封的空管，连续螺旋折流板(7)的内侧螺旋线固定在中心管(6)上，中心管(6)、连续螺旋折流板(7)和壳体(8)包围形成一个封闭的连续螺旋通道。

3.根据权利要求1所述的连续螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的拼接式连续螺旋折流板(23)在内连续螺旋折流片(21)与外连续螺旋折流片(22)之间加入至少一个内套管(24)，在壳侧进口(3)和壳侧出口(9)处内套管(24)均比壳体(8)短一个螺距。

4.根据权利要求1所述的连续螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，连续螺旋折流板(7)在壳体(8)内可呈单连续螺旋、双连续螺旋或多连续螺旋结构，其连续螺旋可为左手螺旋或右手螺旋。

5.根据权利要求1所述的连续螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的拼接式连续螺旋折流板(23)由两片以上的内、外连续螺旋折流片(21、22)拼接而成。

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