CN100467993C - 螺旋折流板支撑丁胞管束换热器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，包括设置在壳体两侧的前、后管箱，在前管箱内设置有管箱隔板，在管箱隔板的上、下两侧分别开设有管程进、出口，壳体的上、下两侧分别开设有壳程进、出口，在壳体内设置有丁胞型强化换热管束，该丁胞型强化换热管束的两端分别固定在前、后管板上且分别与前管箱上开设的管侧进口及管侧出口相连通，且在该丁胞型强化换热管束上还设置有若干组螺旋折流板。本发明换热器壳侧采用丁胞型强化换热管，有效增强了壳侧流体的湍流度，进一步强化了壳侧换热；壳侧采用螺旋折流板作为支撑结构，大大降低了壳侧阻力损失。具有换热效率高、壳侧流动阻力损失小、结构紧凑、占地面积少、不易结垢、使用寿命长的特点。

Description

螺旋折流板支撑丁胞管束换热器

技术领域

本发明属于换热强化和换热器领域，具体涉及一种应用于石油化工、能源动力等行业的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器。

背景技术

管壳式换热器是在石油化工、能源动力等行业应用最为广泛的一种换热设备，约占世界换热器市场总分额的37％，在石油化工领域高达70％的份额。管壳式换热器分为管侧和壳侧两部分，通过管壁进行热量交换，在其壳侧设置有折流板来支撑换热管，并强迫流体改变流动方式从而强化传热。工业中普遍采用的是垂直弓形折流板的结构形式，该结构形式存在很多弊端，主要表现为：(1)由于流体方向多次改变以及在垂直折流板处的突然转向，引起过高的流动阻力；(2)在折流板背风处存在较大的流动死区，使得无法有效利用传热面，降低了换热效率；(3)对于含有杂质的流体，由于流动死区的存在，极易结垢，从而缩短使用周期；(4)壳侧强烈的流体横向冲刷管束，容易诱发管束振动，致使换热器失效。

为了克服传统单弓形螺旋折流板结构的缺点，各种新型的壳侧折流板结构应运而生。螺旋折流板的结构形式是20世纪80年代首先由捷克科学家提出的新型结构形式，该结构可以有效地降低壳侧压降。现有的螺旋折流板换热器为光管和螺旋折流板结合的形式，该结构形式仍存在有不足之处。对螺旋折流板单周期的数值模拟的结果发现，螺旋折流板壳侧并非理想的螺旋流动，在两块折流板间存在有三角泄漏区，螺旋角较小时在折流板背风处有明显的流动低速区。且在具有相同的壳径、相同的换热管数量和布置形式的情况下，螺旋折流板换热器的阻力大大低于传统弓形折流板换热器；相同压降下的换热系数大大高于传统弓形折流板换热器；然而，相同的壳侧流量条件下，其换热系数低于传统弓形折流板换热器。以折流板倾角为20度的光管束螺旋折流板换热器为例，壳侧换热系数在相同压降下比传统弓形折流板换热器提高了30％～60％；而在相同流量下是传统弓形折流板换热器的70％。这意味着：光管束螺旋折流板换热器最大的优点是相同壳侧压降下具有较高的换热特性，适用于壳程流体流量大的场合。但是，实际工程应用中壳侧流量往往有限，致使换热器换热能力下降，不能满足需求，特别是在原有弓形换热器的改造工程中，壳侧流量不能很高，且换热器占地面积也不能太大，光管束螺旋折流板换热器难以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种即能够降低阻力又能够提高换热效率，从而实现换热器高效低阻目的的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：包括壳体以及设置在壳体两侧的前管箱和后管箱，其特点是，前管箱及后管箱与壳体之间分别设置有前管板及后管板，该前管板及后管板将前管箱、壳体及后管箱分成三个空腔，在前管箱内设置有管箱隔板，在管箱隔板的上、下两侧分别开设有管程出口和管程进口，壳体的上、下两侧分别开设有壳程出口和壳程进口，在壳体及后管箱内还设置有丁胞型强化换热管束，该丁胞型强化换热管束的两端分别固定在前、后管板上且分别与前管箱上开设的管侧进口及管侧出口相连通，且在该丁胞型强化换热管束上还设置有若干组螺旋折流板。

本发明的螺旋折流板为1/4扇形折流板，一个螺旋周期由四块螺旋折流板组成，相邻两块螺旋折流板采用连续或交错搭接；丁胞型强化换热管束与壳体的中心轴线平行，两端分别与前、后管板垂直连接；丁胞型强化换热管束的丁胞为半球形；壳体内设置有与前、后管板垂直的拉杆，且在拉杆上套装有定距管，该定距管的两端分别与螺旋折流板连接；丁胞型强化换热管束的丁胞高度与直径之比为0.2-0.5，丁胞间距与管径比为0.5-1；螺旋折流板的螺旋倾角α为：10°<α<50°；前、后管板分别与壳体的端部法兰盘及前、后管箱的管箱法兰盘相连接，且在其之间还分别设置有密封垫。

本发明具有以下优点和有益效果：本发明换热器采用丁胞型强化换热管束，使得换热管近壁面的边界层进一步减薄，换热器壳侧和管内流体的扰动增强，从而增强了换热器的换热。换热器壳侧采用螺旋折流板，一方面避免了壳侧流体突然转向而引起的较大的形体阻力损失；另一方面流体斜向冲刷管束，减小了壳侧外掠管束的阻力；同时也减小和部分消除了壳侧流动死区，因此本发明换热器壳侧阻力损失大大降低。本发明换热器壳侧综合性能良好，即相同压降下的壳侧换热系数高，同时满足换热系数高、阻力低的特点，是一种高效低阻的高效换热器。本发明特别适合于壳侧为高粘性流体、壳侧流量有限，且要求保证具有较高换热系数的场合。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为丁胞型强化换热管束2的结构示意图；

图3为本发明丁胞型强化换热管束2与管板的连接示意图；

图4为本发明螺旋折流板3的结构示意图；

图5(a)为螺旋折流板3交错搭接方式结构示意图；

图5(b)为螺旋折流板3连续搭接方式结构示意图；

图6(a)为螺旋折流板3交错搭接的壳侧流动状态示意图；

图6(b)为螺旋折流板3连续搭接的壳侧流动状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括壳体1以及设置在壳体1两侧的前管箱6和后管箱14，前管箱6及后管箱14与壳体1之间分别设置有前管板9及后管板15，该前管板9及后管板15将前管箱6、壳体1及后管箱14分成三个空腔，在前管箱6内设置有管箱隔板7，在管箱隔板7的上、下两侧分别开设有管侧出口5和管侧进口8，壳体1的上、下两侧分别开设有壳程出口4和壳程进口12，在壳体1及后管箱14内设置有丁胞型强化换热管束2，该丁胞型强化换热管束2的两端分别固定在前管板9上且分别与前管箱6上开设的管侧进口8及管侧出口5相连通，且在该丁胞型强化换热管束2上还设置有若干组螺旋折流板3，壳体1内还设置有与前、后管板9、15垂直连接拉杆10，且在拉杆10上套装有定距管11，该定距管11的两端分别与螺旋折流板3垂直连接。

工作时，一种介质走管程，由管程进口8进入，通过换热管16内侧，最后由管程出口5流出；一种介质走壳程，由设置于壳侧的壳侧入口12进入，沿1/4扇形板折流板3形成的螺旋通道冲刷丁胞型强化换热管束2，最后由壳程出口4流出。由于螺旋折流板3的设置，壳侧形成了螺旋流动，避免了壳侧流体突然转向而引起的较大的形体阻力损失，减小和部分消除了壳侧流动死区，同时流体斜向冲刷管束，减小了壳侧外掠管束的阻力；由于丁胞型强化换热管束2，流体外掠管束时，使得换热管近壁面的边界层进一步减薄，换热器壳侧流体扰动增强，从而增强了换热器壳侧换热。

参见图2，所述的丁胞型强化换热管束(2)的丁胞高度与直径之比为0.2-0.5，丁胞间距与管径比为0.5-1。

如图3所示，前、后管板9、15通过螺栓和密封垫17将其固定于壳体端部法兰盘18和管箱法兰盘19之间，丁胞型强化换热管束2两端头部为光滑圆管，丁胞型强化换热管束2与前管板9垂直，管头与前管板9焊接或胀接连接。

如图4所示，α为螺旋折流板3的倾角；AE，EC’为螺旋折流板3的两条边，其长度为L；

为两边的夹角；R为壳侧半径。螺旋折流板3倾角的计算关系式为：

$\mathrm{\&alpha;}=\arctan \left(\sqrt{2(L^2{R}^2-1)}\right)$

螺旋折流板3两边夹角的计算关系式为：

螺旋折流板3通过模具冲压成型，每一周期包括四块螺旋折流板3。

图5(a)和图5(b)分别为螺旋折流板3采用1/2交错搭接和连续搭接的方式，每一周期由四块沿螺旋线方向设置的1/4扇形螺旋板折流板3组成。连续塔接方式的螺距计算关系式为：

$H_s=8\sqrt{2}R\tan \mathrm{\&alpha;}$

1/2交错搭接方式的螺距计算关系式为：

$H_s=4\sqrt{2}R\tan \mathrm{\&alpha;}$

图6(a)和图6(b)分别为螺旋折流板3采用1/2交错搭接和连续搭接的壳侧流动状态示意图。该换热器壳侧主流为螺旋流动，减小和部分消除了壳侧流动死区。

Claims (8)

1、一种螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，包括壳体(1)以及设置在壳体(1)两侧的前管箱(6)和后管箱(14)，其特征在于：前管箱(6)及后管箱(14)与壳体(1)之间分别设置有前管板(9)及后管板(15)，该前管板(9)及后管板(15)将前管箱(6)、壳体(1)及后管箱(14)分成三个空腔，在前管箱(6)内设置有管箱隔板(7)，在管箱隔板(7)的上、下两侧分别开设有管程出口(5)和管程进口(8)，壳体(1)的上、下两侧分别开设有壳程出口(4)和壳程进口(12)，在壳体(1)内设置有丁胞型强化换热管束(2)，该丁胞型强化换热管束(2)的两端分别固定在前、后管板(9、15)上且分别与前管箱(6)上开设的管侧进口(8)及管侧出口(5)相连通，且在该丁胞型强化换热管束(2)上还设置有若干组螺旋折流板(3)。

2、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：螺旋折流板(3)为1/4扇形折流板，一个螺旋周期由四块螺旋折流板(3)组成，相邻两块螺旋折流板(3)采用连续或交错搭接。

3、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：丁胞型强化换热管束(2)与壳体(1)的中心轴线平行，两端分别与前、后管板(9、15)垂直连接。

4、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：丁胞型强化换热管束(2)的丁胞为球冠形。

5、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：壳体(1)内设置有与前、后管板(9、15)垂直的拉杆(10)，且在拉杆(10)上套装有定距管(11)，该定距管(11)的两端分别与螺旋折流板(3)连接。

6、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：所述的丁胞型强化换热管束(2)的丁胞高度与直径之比为0.2-0.5，丁胞间距与管径比为0.5-1。

7、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：螺旋折流板(3)的螺旋倾角α为：10°<α<50°。

8、根据权利要求1所述的螺旋折流板支撑丁胞管束换热器，其特征在于：前、后管板(9、15)分别与壳体(1)的端部法兰盘(18)及前、后管箱(6、14)的管箱法兰盘相连接，且在其之间还分别设置有密封垫(17)。

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