CN101266106A - 空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，包括换热管和支撑装置，支撑装置设置于换热器内，换热管呈空间螺旋型，换热管的安装端与支撑装置连接，换热管的截面呈圆形或椭圆形。本发明是通过不同的换热管结构及支撑形式，获得管束不同的固有频率和振动特性，利用壳程不同介质及不同流体流动状态，诱导传热元件(或管束)实现强化换热所需的振动，并在空间螺旋及椭圆截面的作用下，使换热管内介质在一定管内流速下实现管内二次纵向涡流。在流体诱导振动和二次涡流的复合作用下，改善换热器场协同度，抑制污垢产生，提高换热效率。

Description

空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置

技术领域

本发明涉及一种强化传热元件，尤其是一种空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置。

背景技术

管壳式换热器在石油化工、能源动力、造纸、制药等过程工业领域应用十分广泛，换热强化对于换热器节能降耗具有十分重要的意义。研究新型强化换热管一直是强化换热研究的重要课题。传热强化技术通常可分为主动强化和被动强化技术，前者是需从外界输入能量的传热强化技术，后者则不需要外界能量的输入，因此在工程中应用广泛。

在换热器运行过程中，由于内部工质的流动，会导致传热元件的振动。在管壳式换热器中，流体诱导振动的主要原因是漩涡脱落、紊流抖振和流体弹性激振。换热器内传热元件布置方式使得任何一种元件都很难产生自由振动，但可能产生流体诱导下的共振。在换热器内部，平行于传热管轴线流动的纵向流和垂直于传热管轴线的横向流，都可能激发传热元件的振动。在一般情况下，纵向流所激发振动的振幅较小，往往可以忽略，只有在流速远远高于正常流速的场合才需考虑。而横向流在正常流速下就可能引起较大振幅的振动，因此横向流激振引起的振动得到广泛深入的研究。

换热器内流体诱导振动与传热表面污垢是传热技术应用中长期未能解决的技术难题，换热器内的流体诱导振动导致剧烈的噪声与元件损坏，污垢则造成巨大的资源与能量损失。利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式，将换热器内对流体诱导振动的严格防止转变为对振动的有效利用，使传热元件在低流速下的对流换热系数大幅度提高，并利用振动抑制传热元件表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化换热。

中国发明专利“浮动盘管-热管两级加热汽水热交换器”(申请号：92106727.5)和“弹性管束汽水热交换机组”(申请号：94110563.6)提出了一种弹性管束传热元件，利用流体诱导管束振动进行强化换热，这种弹性管束具有两个固定端和一个浮动质量端，是一种平面弹性管束传热元件。以上两种结构可利用流体诱导振动实现强化换热，但缺少空间螺旋及换热管截面椭圆率的变化，管内流体难以形成能够进一步强化换热的“二次纵向涡流”。

中国发明专利“交叉椭圆形截面换热管”(申请号：00136122.8)提出了一种由若干椭圆管段组成的强化换热管，相邻椭圆管段的椭圆长轴之间相交一定角度(60度或90度)。这种设计较好地符合“场协同原理”。而中国发明专利“圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”(申请号：03104763.7)提出的换热元件为若干圆管段、椭圆管段和圆-椭圆过渡段所组成，各管段依次周期排列，相邻椭圆管段的椭圆长轴之间交叉15～90度角，该换热管流动阻力小，速度场与温度梯度场有更好的协同程度。以上两种换热管结构在不采用外界插入物的情况下，产生大尺度的二次纵向涡，因此该换热管流动阻力小，速度场与温度梯度场有更好的协同程度，达到强化换热。但上述两种结构不能利用流体诱导振动，实现进一步的强化换热，而且管束制造工艺较复杂。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种具有充分利用流体诱导振动，使换热管实现预期的振动形式，并在换热管内产生二次流(纵向涡流)，使速度场与温度梯度场协同，流动阻力小，实现强化换热的空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，包括换热管和支撑装置，支撑装置设置于换热器内，换热管呈空间螺旋型，换热管的安装端与支撑装置连接，换热管的截面呈圆形或椭圆形。

所述的空间螺旋型包括单螺旋型和双螺旋型，其中双螺旋型换热管上设有附加质量。

所述的支撑装置包括固定支撑和浮动支撑，固定支撑固定安装于换热器内，浮动支撑悬浮于换热器内。

所述的单螺旋型或双螺旋型换热管的两个安装端分别安装于换热器的两个固定支撑上，或者两个安装端分别安装于换热器的固定支撑和浮动支撑上。

本发明通过不同换热管结构和安装固定形式，可以得到换热管束不同的支撑刚度及振动固有频率。在工作中，壳程流体横掠换热管束，诱导管束产生振动，利用不同介质及不同流体流动状态，诱导传热元件实现强化换热所需的振动，满足换热管在不同流体诱导振动激励下实现不同振型的设计要求，抑制污垢生成，强化换热。同时，由于空间螺旋和不同椭圆率截面换热管的作用，流经管程流体的向心力不断变化，在不采用管内插入物的条件下，使换热管内管程流体在一定管内流速下，实现管内二次纵向涡流，在不显著增加流动阻力的前提下，进一步改善了换热器整体场协同程度，提高换热效率。

附图说明

图1是无附加质量单螺旋圆截面换热管结构示意图；

图2是有附加质量双螺旋圆截面换热管结构示意图；

图3是双螺旋有附加质量的换热管在换热器中两端固定支撑的使用结构示意图；

图4是图3中A-A向剖视图；

图5是单螺旋无附加质量的换热管在换热器中两端固定支撑的使用结构示意图；

图6是图5中B-B向剖视图；

图7是单螺旋换热管在换热器中一端浮动支撑结构示意图；

图8是图7中C-C向剖视图；

图9是椭圆截面换热管内流场纵向涡流示意图；

图10是圆截面换热管内流场纵向涡流示意图。

其中1.换热管，2.安装端，3.附加质量，4.换热器，5.固定支撑，6.浮动支撑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：如图3、图5、图7所示，支撑装置设置于换热器4内，换热管1呈空间螺旋型，换热管1的安装端2与支撑装置连接，换热管1的截面呈圆形或不同椭圆率的椭圆形。

如图1、图2所示，空间螺旋型换热管1包括单螺旋型换热管1和双螺旋型换热管1，其中双螺旋型换热管1上设有附加质量3。

如图3、图5、图7所示，支撑装置包括固定支撑5和浮动支撑6，固定支撑5固定安装于换热器4内，浮动支撑6悬浮于换热器1内。

如图3、图4所示，有附加质量3的空间双螺旋型换热管1的两个安装端2分别固定安装于换热器4的两个固定支撑5上。

如图5、图6所示，无附加质量的空间单螺旋型换热管1的两个安装端2分别安装于换热器4的两个固定支撑5上。

实施例2：与实施例1不同的是：如图7、8所示，无附加质量的空间单螺旋型换热管1的一个固定端2安装在换热器4内的浮动支撑6上，另一固定端2安装在换热器4内的固定支撑5上。其余相同，不再赘述。

由实施例1、2可以得出，本发明通过不同换热管1结构和安装固定形式，可以得到换热管束不同的支撑刚度及振动固有频率。在工作中，壳程流体横掠换热管束，诱导管束产生振动，利用不同介质及不同流体流动状态，诱导传热元件实现强化换热所需的振动，满足换热管1在不同流体诱导振动激励下实现不同振型的设计要求，抑制污垢生成，强化换热。同时，由于空间螺旋和不同椭圆率截面换热管1的作用，流经管程流体的向心力不断变化，在不采用管内插入物的条件下，使换热管1内管程流体在一定管内流速下，实现管内二次纵向涡流(如图9、10)，在不显著增加流动阻力的前提下，进一步改善了换热器1整体场协同程度，提高换热效率。

Claims (4)

1.一种空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，包括换热管和支撑装置，支撑装置设置于换热器内，其特征在于：换热管呈空间螺旋型，换热管的安装端与支撑装置连接，换热管的截面呈圆形或椭圆形。

2.根据权利要求1所述的空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，其特征在于：所述的空间螺旋型包括单螺旋型和双螺旋型，其中双螺旋型换热管上设有附加质量。

3.根据权利要求1所述的空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，其特征在于：所述的支撑装置包括固定支撑和浮动支撑，固定支撑固定安装于换热器内，浮动支撑悬浮于换热器内。

4.根据权利要求1或2或3所述的空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置，其特征在于：所述的单螺旋型或双螺旋型换热管的两个安装端分别安装于换热器的两个固定支撑上，或者两个安装端分别安装于换热器的固定支撑和浮动支撑上。

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