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Abstract

本发明公开了一种带有蜂窝结构的交换器。该交换器壳体(10)呈正六边形截面形状，管束由多个短蜂窝管束(3)与长蜂窝管束(4)组成蜂窝管束芯(12)，长蜂窝管束(4)与短蜂窝管束(3)毗邻，共用壁面，长蜂窝管束(4)与短蜂窝管束(3)的壁厚为0.2～2mm，长蜂窝管束(4)两端分别与管箱(8)内的进口(7)和出口(1)连通。该交换器传热单位体积换热面积大，紧凑性好，系数K大，克服了传统列管式换热器管束中管子之间不能紧密排列，体积大，但总的换热面积小，因此经济效果差的缺点。该设备还具有组装方便的结构特点，操作灵活性大，检修清洗也方便。

Description

一种带有蜂窝结构的交换器
技术领域
本发明涉及能源技术中的管壳式换热器，具体涉及一种带有蜂窝结构的交换器。
背景技术
换热器是在动力、冶金、制冷、炼油、化工、航空、原子能、医药等工业部门中广泛应用的一种通用工艺设备。随着能源问题的日渐突显，要求在满足热量交换的前提下，尽可能缩小设备体积，即提高设备的紧凑性，进而减轻设备重量，节约材料，并相应地减少占地面积。由此，高效换热器应运而生。在有些应用领域，对换热设备的尺寸和重量有着特殊的要求，因而体积微小、单位体积换热面积很大的超紧凑式换热器已经成为当前换热设备生产发展的必需。该结构属于管壳式换热器领域。由于管壳式换热器技术成熟、结构高度可靠且其适应面非常广泛，因此其产量和应用至今仍在工业生产中占有很重要的地位，目前管壳式换热器以传统列管式换热器为主，虽然相关技术的发展对传统列管式换热器的设计制造技术有部分补充和完善，但并没有突破性进展，其使用局限性反而越来越突出，具体主要表现在以下几个方面：
(1)单位体积换热面积小，紧凑性差。由于安装缘故，管束中管子之间不能紧密排列。虽然列管式换热器的体积大，但总的换热面积小，因此经济效果差。
(2)传热系数小，效率低。传热系数是衡量换热器性能的一个重要指标。经过大量的研究改进，虽然列管式换热器的传热系数有所提高，但都是以增大压力损失为代价的，总体而言效率还是很低。
(3)可靠性差。高流速下容易产生管束振动，使管子破裂，损坏设备的基础与管路，同时产生噪音，难以通过理论计算对振动进行有的控制与预防。虽然在工程应用方面也开发了一些新的抗振结构，但效果并不理想。
(4)生产周期长，金属耗量大。传统列管式换热器的管束由上千根管子组成，管板直径可达3～5m，厚几十厘米，钻削精度和光洁度要求也比较严格。采用数控钻床，钻孔周期也要25天左右，生产周期较长；切屑量可达几吨甚至几十吨，材料浪费比较大。
(5)组装、检修、维护困难。管与孔、管束与壳体之间的间隙很小，管束的组装、管束与壳体的套装等都要求圆度或直度偏差较小，难度较大。管与管之间距离较小，不易安放检测仪器，无法检测和维护局部危险部位。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术列管模式的缺点，提供一种具有蜂窝仿生结构的正六面体形换热器。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种带有蜂窝结构的交换器，包括壳体和管束，壳体上设有流体进口和流体出口，壳体两端分别设有管箱，管箱上设有管束流体进口和出口，所述壳体呈正六边形截面形状，所述管束由多个短蜂窝管束与长蜂窝管束组成蜂窝管束芯，长蜂窝管束与短蜂窝管束毗邻，共用壁面，长蜂窝管束与短蜂窝管束的壁厚为0.2～2mm，长蜂窝管束两端分别与管箱内的进口和出口连通。
为进一步实现本发明的目的，所述长蜂窝管束通过隔板连接装置进行连接，隔板连接装置包括隔板、隔板条、边压条和密封条，采用可拆式紧密连接。
所述蜂窝长蜂窝管束与隔板通过胀接、钎焊固定、胀接加焊接或者可拆密封连接。
两端管箱与壳体均为可拆式连接。可拆式连接为壳体两端均焊有法兰，隔板夹持在两法兰之间，通过螺栓固定。
所述蜂窝管束芯外沿与壳体的间隙小于3mm。
与现有技术相比，本发明创造具有如下优点和有益效果：
(1)该发明的金属材质的薄板厚度为0.2～2mm，由于板片厚度很薄，故传热系数K大。例如在该换热器内，水对水的传热系数可达1500～3700w/m2.℃。
(2)单位体积换热面积大，紧凑性好。蜂窝结构边长小(一般为2～10mm)，结构紧凑，单位容积所提供的传热面为100～380m2/m3；而管壳式换热器只有40～150m2/m3。本发明克服了传统列管式换热器管束中管子之间不能紧密排列，体积大，但总的换热面积小，因此经济效果差的缺点。
(3)生产周期短，金属耗量小。该结构可以实现模压成型，节省内部组装，及多种加工工艺，没有切屑量。通该设备具有组装方便的结构特点，操作灵活性大，检修清洗也方便。
(4)蜂窝结构，以最少的耗材，创造最强的几何结构，具有优良的力学性能。有较强的支撑作用，允许操作压强也较高，可达5MPa。同时由于蜂窝结构特点，使内部换热结构形成一个刚性整体，高流速下不会产生振动。
(5)该换热设备，内芯是具有整体结构的蜂窝状管束组成，蜂窝框架夹紧组轻而刚度强，该设备正六面体结构比三面体、四面体、圆柱等多种几何集合体更耐压、耐拉。
附图说明
图1为本发明带有蜂窝结构的交换器的结构示意图；
图2为图1中长蜂窝管束与短蜂窝管束连接关系示意图；
图3是图1中A-A向剖视图；
图4是图1中B-B向剖视图；
图5是图4中隔板条放大示意图；
图6是图4中边压条放大示意图；
图7是图4中C-C向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种带有蜂窝结构的交换器包括壳体10和管束，壳体10上设有流体进口2和流体出口9，壳体10两端分别设有管箱8，管箱8上设有管束流体进口7和出口1，壳体10呈正六边形截面形状。所述管束由多个短蜂窝管束3与长蜂窝管束4组成蜂窝管束芯12，蜂窝管束芯12外沿与壳体10的间隙小于3mm。长蜂窝管束4两端分别与管箱8内的进口7和出口1连通。
如图2所示，长蜂窝管束4与短蜂窝管束3毗邻，共用壁面，长蜂窝管束4与短蜂窝管束3的壁厚为1.0mm，该壁厚可选取0.2～2mm之间任意厚度值。
如图3所示，长蜂窝管束4通过隔板连接装置11进行连接，隔板连接装置11包括隔板条13、边压条14和密封条15，采用可拆式紧密连接，具体是隔板条13与长蜂窝管束4长出的部分间隔组配，中间涂有密封胶，密封条15填封在边压条14的凹槽内，隔板条13装配在边压条14中，通过密封条15的受力变形实现密封。
两端管箱8与壳体10均为可拆式连接。具体是壳体10两端均焊有法兰5，隔板11夹持在两法兰之间，通过螺栓6固定。
1.隔板的制造
隔板条的毛坯可以是钢板的及复合的。当采用单一材料不能同时抵抗两侧换热介质的腐蚀时，必须采用双金属板。它的制造方法主要是模压、切割等。保证与蜂窝管束的几何配合。隔板条的加工是隔板制造过程中主要的一个环节，应尽可能地满足以下要求：
①保证孔的位置及尺寸精度，如隔板条的几何对中、同心度及加工的光洁度等；
②隔板条加工切面与隔板平面垂直；
③隔板与密封面垂直；
④如果存在隔板槽应与隔板中心线对称。
此外，为了保证隔板的同心度可将几块隔板叠合起来一起切加工。
2.蜂窝换热管束的制造
对金属箔进行表面处理，需要经过碱洗除油、硝酸光化、磷酸阳极化，烘干、浸底胶烘干，涂芯条胶后再烘干以及芯条胶热压固化，再加上金属蜂窝结构件的热压固化。
3.壳体的制造
蜂窝式换热器壳体与通用方形压力容器的筒节的制造成型一样，可分为冷和热两种加工方法。当钢板厚度超过2.5mm，应当选用热法；对于普通的换热器如果没有特殊的要求，一般属于常低压容器，所用钢板较薄，所以选用冷法即可。
作为换热器的壳体，由于壳体内部要装入较长的管束，管束上要有防摩擦设计，与壳体内壁间的装配间隙一般不大于3mm；壳体不直度不大于壳体长度的1/1000；壳体内壁焊缝要求带垫板焊，保持内壁平整。
弯卷成型常在专用的折弯机、卷板机上进行，钢板在卷板机上辊压加工时，需要注意钢板纵向边缘严格与滚筒轴线保持平行，辊压成型以后的圆筒立即点焊。焊接可以采用手工电弧焊或埋弧自动焊，并按有关规定进行。并且要注意接管不开在焊缝上，并应与其相连接的内表面平齐。
在换热器的制造过程中，保证管束与隔板的密封紧固连接是非常重要。如果连接的质量不好，会导致冷、热流体会渗漏在一起，还有可能在温差应力和管程与壳程压差的作用下，管束与隔板连接拉脱。连接的方法由于换热器的使用条件、加工条件的不同，主要有胀接、钎焊固定、胀接加焊接，可拆密封连接等。
(1)胀接
应用胀接应注意：胀管率应适当；隔板的硬度应比管束端部度高HB20～30，产生必要的弹性恢复，保证胀接强度；管子与隔板结合面必须光洁；胀接一般采用专用胀管机机械胀管等方法。
(2)钎焊固定
焊接加工简便，连接强度好，更能保证严密性，在高温高压、或深冷时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。
(3)胀接加焊接
胀接与焊接都有其各自的优点与缺点，尤其是在高温高压下，管端接头面临着极其苛刻的工作环境，单独的采用胀接或焊接都不能满足要求，这就需要采用胀接加焊接的方法。胀接加焊接，不仅能提高连接处的抗疲劳性能，还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命命。
(4)可拆密封连接
可拆密封连接加工、安装简便，利用结合面加装密封材料，连接密封好，更能保证严密性，不同的密封材质在高温高压、或深冷时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。
本发明带有蜂窝结构的交换器自成一体，可以于GB151-99设计的结构、零部件尺寸相配合。可以替换使用同种类型的间壁式换热器，尤其是使用在流速小，有明显诱导振动、空间要求紧凑、换热面积大的场合适用。本结构在换热器中工作时，管内外分别通有两种不同的介质，这两种介质通过管壁进行换热，增加的传热面积提高了换热器的换热量，而蜂窝式间壁很薄，提高了传热系数。
该换热设备可广泛应用于小型制冷设备。其中的蜂窝流道可以形成很细小的流道，它良好的尺寸匹配对整个换热系统的性能有着重要影响。尤其是在制冷领域，针对目前细管内制冷剂两相流特性的研究大多基于两相流的均相流模型，并且大多忽略了实际存在的亚稳态现象，以绝热细管为研究对象，建立了两相流漂移数学模型，同时考虑制冷剂流动过程中的亚稳态现象，通过对制冷剂热力性质、热力状态参数和热力过程的计算，实现了绝热细管的数值计算；搭建了绝热细管两相流特性研究实验装置，其实验数据与数值计算结果具有较好的吻合。

Claims (6)

1、一种带有蜂窝结构的交换器，包括壳体(10)和管束，壳体(10)上设有流体进口(2)和流体出口(9)，壳体(10)两端分别设有管箱(8)，管箱(8)上设有管束流体进口(7)和出口(1)，其特征在于所述壳体(10)呈正六边形截面形状，所述管束由多个短蜂窝管束(3)与长蜂窝管束(4)组成蜂窝管束芯(12)，长蜂窝管束(4)与短蜂窝管束(3)毗邻，共用壁面，长蜂窝管束(4)与短蜂窝管束(3)的壁厚为0.2～2mm，长蜂窝管束(4)两端分别与管箱(8)内的进口(7)和出口(1)连通。
2、根据权利要求1所述的带有蜂窝结构的交换器，其特征在于所述长蜂窝管束(4)通过隔板连接装置(11)进行连接，隔板连接装置(11)包括隔板(13)、隔板条(14)、边压条(15)和密封条(16)，隔板条13与长蜂窝管束4长出的部分间隔组配，中间涂有密封胶，密封条15填封在边压条14的凹槽内，隔板条13装配在边压条14中，通过密封条15的受力变形实现密封。
3、根据权利要求2所述的带有蜂窝结构的交换器，其特征在于长蜂窝管束(4)与隔板(13)通过胀接、钎焊固定、胀接加焊接或者可拆密封连接。
4、根据权利要求1所述的带有蜂窝结构的交换器，其特征在于两端管箱与壳体均为可拆式连接。
5、根据权利要求4所述带有蜂窝结构的交换器，其特征在于可拆式连接为壳体(10)两端均焊有法兰(5)，隔板(11)夹持在两法兰之间，通过螺栓(6)固定。
6、根据权利要求1所述的带有蜂窝结构的交换器，其特征在于蜂窝管束芯(12)外沿与壳体(10)的间隙小于3mm。
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