CN101435669A - 内翅片扁管壳管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内翅片扁管壳管式换热器，由通过封头密封的壳体、设置在壳体侧壁上的壳程进口和壳程出口、位于壳体内部两端的封板一和封板二、设置在封头上的管程进口和管程出口、位于壳体内部的折流板及多个平行安装在封板一和封板二间的换热管组成；其折流板为连通壳程进口和壳程出口的螺旋折流板，三者组成纵向螺旋式壳侧流通通道；换热管由扁管以及设置在扁管内部的纵向波纹内翅片组成，所述扁管与其内部纵向波纹内翅片之间形成多个纵向管内流通通道，其与管程进口和管程出口连通组成管内流通通道。本发明结构简单合理，在强化壳侧及管侧传热性能的同时，又能有效降低流阻及结垢现象，从而延长换热器的使用寿命。

Description

内翅片扁管壳管式换热器

技术领域

本发明涉及一种壳管式换热器，尤其是涉及一种内翅片扁管壳管式换热器。

背景技术

在炼油、化工、环保、能源、电力等工业中，换热器是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％；尤其在炼油厂的建设中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40％。其中，管壳式换热器又占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，同时还使流体按特定的通道流动以改善其传热特性。

在传热效率方面，管壳式换热器比板式换热器的传热效率要低许多。近几年推出的板壳式换热器，具有接近板式换热器的一些优点，但也存在制造较为复杂、维修不便及其造价较高的缺点。以扁管管束来代替板壳式换热器中的板束，可以达到制造简单、维修和清洗方便的目的。因此，利用扁管制成的扁管管壳式换热器是一种兼有传统管壳式换热器和板壳式换热器优点的新型高效换热器。但是对于单纯的扁管换热器而言，在石油化工中，高黏度流体在换热器光管中加热，常出现管壁附近流体温度过高，而在管子中心部位流体加热不足，即流体加热不均匀、不充分现象，从而影响设备的换热效率。因此，很有必要针对光管管内的流动传热进行强化。

另外，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，而旁流及漏流降低了有效横掠管束的质量流量，故减小了壳侧的换热效率；④高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。此外，在实现换热器的高效节能问题中开发出新型高效的强化传热元件同样关键，强化传热元件的研究是新型高效换热设备设计制造的基础。因此，合理设计开发新型高效换热器，同时实现壳管式换热壳侧及管侧传热强化，又能有效降低流阻及结垢现象，提高换热器的整体换热性能对于节能降耗具有重要意义。

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中的不足，提供一种内翅片扁管壳管式换热器，其结构简单合理，在强化壳侧及管侧传热、换热性能的同时，又能有效降低流阻及结垢现象，从而延长换热器的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种内翅片扁管壳管式换热器，由通过左右两端封头进行密封的壳体、设置在壳体侧壁上的壳程进口和壳程出口、分别位于壳体内部两端的封板一和封板二、设置在所述封头上的管程进口和管程出口、设置在壳体内部的折流板以及多个平行安装在封板一和封板二间的换热管组成，所述封板一和封板二上对应开有多个供换热管穿过的通孔，其特征在于：所述折流板为连通壳程进口和壳程出口的螺旋折流板，所述壳程进口、螺旋折流板和壳程出口组成纵向螺旋式的壳侧流通通道，螺旋折流板的外侧边缘与壳体侧壁的内壁之间固定连接，螺旋折流板上对应开有多个供换热管穿过的通孔；所述换热管由扁管以及设置在扁管内部的纵向波纹内翅片组成，所述扁管与其内部纵向波纹内翅片之间形成多个纵向管内流通通道。

所述管程进口和管程出口均位于同一个封头上，所述管内流通通道对应管程进口和管程出口分为两个流通通道，所述两个流通通道与管程进口和管程出口组成一个来回式的双管程管内流通通道。

所述管程进口和管程出口均位于壳体右端的右封头上，所述封板二和右封头之间设置有一隔板，隔板设置在封板二和右封头之间的中心处。

所述管程进口和管程出口均位于壳体左端的左封头上，所述封板二和左封头之间设置有一隔板，隔板设置在封板二和左封头之间的中心处。

所述管程进口和管程出口分别位于壳体左右两端的两个封头上，所述管程进口和管程出口与所述纵向管内流通通道组成一个单向式的单管程管内流通通道。

所述隔板与封板二和右封头之间均采用无缝钎焊进行连接。

所述螺旋折流板内流通的的介质黏性越大，其螺旋波纹越稀疏；所述螺旋折流板内流通的的介质黏性越大，其螺旋波纹越稀疏，所述纵向管内流通通道的数量越少。

所述螺旋折流板为连续螺旋片构成的折流板或由多个螺旋片搭接而成的折流板，螺旋折流板为单螺旋结构、双螺旋结构或多螺旋结构且其与壳程进口和壳程出口相应组成一个单螺旋、双螺旋或多螺旋式的壳侧流通通道。

所述壳体为圆柱形。

所述纵向波纹内翅片与扁管的内壁之间采用钎焊进行连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点，1、结构简单合理，加工制作方便且使用操作简便，同时，所制成换热器的种类多样，可为单壳程单管程、单壳程多管程及多壳程多管程类换热器，各类换热器冷热流体的进出口位置设计根据换热器的具体类型而定；2、将换热器壳侧的弓型折流板改进为螺旋折流板，则能够进一步优化壳侧流体的流动和传热性能；其壳侧螺旋折流板为单螺旋、双螺旋或多螺旋结构，螺旋折流板使换热器中的壳侧流体呈连续的螺旋状流动，以实现有效降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的；3、换热管由扁管以及设置在扁管内部的纵向波纹内翅片组成，而扁管与其内部纵向波纹内翅片之间形成多个纵向管内流通通道，纵向波纹内翅片的波纹形状为为锯齿形、波纹型等，其换热管采用扁管，能够有效地增加管内传热面积，提高其传热效率；而在扁管内加内翅片则能够有效地增加管内传热面积，同时增加了流动地扰动，从而使得管内流体得以充分加热，因此，在扁管内增加纵向内翅片板对于扁管内的传热强化具有显著效果，从而能够充分加热管内的高粘度流体，使其在传热结构及换热性能方面与板翅式换热器相当，同时其承压能力也能够有效地得到提高。总之，本发明不仅增大了换热器的传热面积，使得换热器结构更加紧凑，从而提高换热效率，而且减低了流体的流动阻力，增强了换热器的承压能力；4、减少了壳侧及管内结垢现象，减轻换热管的振动，因而使换热器的使用寿命大大增加；5、通过在波纹内翅片板上连续开孔或缝，实现油类高黏度流体流动边界层及温度边界层的有效破坏，增强扰动，从而有效强化壳侧及管内的对流换热。总之，本发明在强化壳侧及管侧传热、换热性能的同时，又能有效降低流阻及结垢现象，可以使换热器管内传热效率得到有效提高且使换热管在传热结构及换热性能方面接近板翅式换热器，从而提高了换热器的紧凑性，减低流动阻力，减轻换热管的振动及管内结垢，并且延长换热器的使用寿命，是一种兼有传统管壳式换热器和板壳式换热器优点的新型高效换热器，具有传热效率高，承压能力大，制造简单、维修和清洗方便等优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明第一优选实施方式的整体结构示意图。

图2为本发明换热管的结构示意图。

图3为本发明纵向波纹内翅片的结构示意图。

图4为本发明第二优选实施方式的整体结构示意图。

图5为本发明第三优选实施方式的整体结构示意图。

附图标记说明：

1—壳体；     2—左封头；       3—右封头；

4—挡板一；    5—挡板二；       6—隔板；

7—换热管；   8—螺旋折流板；   9—通孔；

10—管程进口；11—管程出口；    12—壳程进口；

13—壳程出口；14—扁管；        15—纵向波纹内翅片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明由通过两端封头即左封头2和右封头3进行密封的壳体1、设置在壳体1侧壁上的壳程进口12和壳程出口13、分别位于壳体1内部两端的封板一4和封板二5、均设置在右封头3上的一组管程进口10和管程出口11、设置在壳体1内部的折流板以及多个平行安装在封板一4和封板二5间的换热管7组成。其中，壳程进口12和壳程出口13分别位于壳体1的侧壁两端。所述封板一4和封板二5上对应开有多个供换热管7穿过的通孔9，换热管7外壁与通孔9之间无缝焊接，在封板一4和封板二5之间形成平行的管通道。另外，壳体1为圆柱形的外壳。其封板一4和封板二5的周边与壳体1的内壁之间无缝焊接在一起。

本实施例中，壳程进口12位于壳体1侧壁的左端，而壳程出口13位于壳体1侧壁的右端；另外，折流板为连通壳程进口12和壳程出口13的螺旋折流板8，也就是说，壳程进口12、螺旋折流板8和壳程出口13组成一个纵向螺旋式的壳侧流通通道且螺旋折流板8为单螺旋结构，其螺旋折流板8的外侧边缘与壳体1侧壁的内壁之间固定连接，具体是通过无缝钎焊进行密封焊接固定。同时，螺旋折流板8上对应开有多个供换热管7穿过的通孔9，这样通过穿过螺旋折流板8将由多个供换热管7组成的换热管束固定在封板一4和封板二5之间。在实际工作过程中，一种换热流体从左侧的壳程进口12进入，经过换热器内部由螺旋折流板8和壳体1内壁组成的壳程空间即从左至右的螺旋式流通通道后，从右侧的壳程出口13流出。

另外，螺旋折流板8为连续螺旋片构成的折流板或由多个螺旋片搭接而成的折流板，并且螺旋折流板8为单螺旋结构、双螺旋结构或多螺旋结构且其相应组成一个、两个或多个纵向螺旋式流通通道。在实际应用过程中，螺旋折流板8内流通的介质黏性越大，其螺旋波纹越稀疏。也就是说，当螺旋折流板8内流通的介质黏性比较大时，则相应采用单螺旋或双螺旋结构；而当螺旋折流板8内流通的介质黏性较小时，则可以相应采用多螺旋结构。本实施例中，螺旋折流板8为单螺旋结构。

结合图2、图3，所述换热管2由扁管14以及设置在扁管14内部的纵向波纹内翅片15组成，所述扁管14与其内部纵向波纹内翅片15之间形成多个纵向管内流通通道。所述纵向管内流通通道与管程进口10和管程出口11连通组成管内流通通道。所述纵向波纹内翅片15的波纹为锯齿形或波纹形，并且波纹内翅片板可以为铜、钢或铝等金属板。本具体实施例中，其波纹为正弦波形。实际使用过程中，纵向波纹内翅片15中所流通的介质黏性越大，其波纹越稀疏且所述波纹的波长λ越大，所述纵向管内流通通道的数量越少；反之亦然，即当所流通的介质黏性越小，其波纹越密集且所述波纹的波长λ越小，所述纵向管内流通通道的数量越多。

本实施例中，管程进口10和管程出口11均位于同一个封头即右封头3上，封板二5和右封头3之间设置有一隔板6，隔板6水平设置在封板二5和右封头3之间的中心处，并且隔板6与封板二5、右封头3以及壳体1的内壁之间无缝焊接，这样对应管程进口10和管程出口11将管内流通通道分成上下两部分。其中，管程进口10位于右封头3的上部且其与隔板6上方的多个换热管7组成上部管内流通通道，即上部管内流通通道与管程进口10相通；对应地，管程出口11位于右封头3的下部且其与隔板6下方的多个换热管7组成下部管内流通通道，即下部管内流通通道与管程出口11相通，综上，其上部管内流通通道和下部管内流通通道组成一个来回式的双管程管内流通通道。实际应用过程中，另一种换热流体从管程进口10流入，经过上部管内流通通道和下部管内流通通道后，从管程出口11流出。这样，管程进口10和管程出口11和上、下部管内流通通道组成一个来回式的双管程管内流通通道。实际使用过程中，管程进口10和管程出口11均位于同一个封头即左封头2上，封板二5和左封头2之间设置有一隔板6，隔板6水平设置在封板二5和左封头2之间的中心处。

综上，本实施例中，换热器为单壳程双管程换热器。

实施例2

如图4所示，本实施例中，所述管程进口10和管程出口11的数量为一组，即包括一个管程进口10和一个管程出口11，并且管程进口10和管程出口11分别位于壳体1左右两端的两个封头上，具体是管程进口10位于右封头3上，管程出口11位于左封头2上，并且封板二5和右封头3之间未设置隔板6，这样，所述纵向管内流通通道与管程进口10和管程出口11连通组成一个从右向左的单向式管内流通通道；其余部分的结构、连接关系、功能等均与实施例1相同。也就是说，本实施例与实施例1的区别之处在于：所述管程进口10和管程出口11分别位于两个封头上，二者与所述纵向管内流通通道组成一单向式的单管程管内流通通道。实际加工制作过程中，也可将管程进口10设置在左封头2上，而将管程出口11设置在右封头3上。

综上，本实施例中，该换热器为单壳程单管程换热器。

实施例3

如图5所示，本实施例中，由两个换热器相串联组成，其换热流体从其中一个换热器的壳程进口12流入，经过螺旋折流板8形成的壳侧流通通道后，从本换热器的壳程出口13流出；同时，该换热器的壳程出口13与另一个换热器的壳程进口12连通，因此，换热流体又从另一个换热器的壳程进口12流入，同样经过壳侧流通通道后，从其壳程出口13流出，这样，便形成一个来回式的双壳程流通通道。具体是：上一个换热器的壳程进口12位于壳体1的左侧，而其壳程出口13位于壳体1的右侧；对应地，下一个换热器的壳程进口12位于壳体1的右侧，而其壳程出口13位于壳体1的左侧。也就是说，左侧的壳程进口12为壳侧换热流体的总进口，而左侧的壳程出口13为壳侧换热流体的总出口；右侧的壳程进口12和壳程出口13相连通。综上，上一个换热器内的螺旋折流板8形成自左向右的纵向螺旋式壳侧流通通道，而下一个换热器内的螺旋折流板8形成自右向左的纵向螺旋式壳侧流通通道，这样，两个相串联的换热器相连通组成一个来回式的双壳程流通通道。

另外，两个换热器的管程进口10和管程出口11的数量均为一组(即每个换热器均包括一个管程进口10和一个管程出口11)且二者均位于同一个封头即右封头3上，其每个换热器内部的具体结构与实施例1相同；另外，上一个换热器的管程进口10为管内换热流体的总进口，该换热器的管程出口11与下一个换热器的管程进口10相连通，而下一个换热器的管程出口11为管内换热流体的总出口。综上，两个相串联的换热器最终组成两个来回式的管内流通通道，即整体构成一个4管程的管内流通通道。在实际应用过程中，也可以实现将多个换热器依次相串联，最终实现一个多壳程多管程的换热器结构。

建立物理模型对内翅片扁管内的传热特性进行计算并分析，具体是采用有限体积法对一定几何尺寸的扁管光管和本发明中的内翅片扁管两种传热管的流动与传热性能进行全场数值模拟，以此分析对比两者在相同边界条件下的传热性能。具体分析如下：以纵向长度为400mm的扁管光管和内翅片扁管为例，并且本发明的内翅片扁管中，内翅片扁管中扁管14的纵向长度为400mm且设置在扁管14内部的纵向波纹内翅片15的厚度为0.4mm，波纹周期个数为3，同时，纵向波纹内翅片15的材料为铜且其形状为锯齿形。另外，计算边界条件给定如下：两种传热管进口和出口均采用压力边界条件，流体工质为水，并且进口温度为T＝300K；而内翅片扁管和普通扁管的外壁采用定温边界条件为T＝400K。

采用流固耦合算法对两种传热管在高流速下的传热特性进行计算，湍流模型选用可实现k～ε两方程模型。采用有限容积法对计算区域进行离散，以内翅片扁管为例，其网格划分节点数为487312，网格类型为六面体结构化网格。采用SIMPLEC算法处理速度和压力的耦合问题，对流项的离散格式为QUICK。通过验证，采用上述数值分析方法所得出的数值计算结果与《扁管管内流动与传热的三维数值模拟》一文中所得出的分析结果相对偏差在6％以内，因而采用数值计算模型的可靠性较高。同时，为了便于分析问题，将两种传热管即扁管光管与内翅片扁管，在相同的进出口压力及相同的进口流速条件下，对比分析其出口温度、进口流速、总传热量、平均传热系数等数据，以此来分析内翅片扁管传热性能的优劣性。具体分析如下：

首先，在相同的进出口压力条件下，对比分析两种换热管的传热性能，其计算数据见表1。

表1 相同进出口压力条件下对比数据

 

对比参数	出口温度(K)	进口流速(m/s)	总传热量(kW)	平均传热系数(W/(m2·K))
					扁管光管	316.6	6.97	59.41	30688
内翅片扁管	325.8	5.0	67.25	25385

表1说明在相同的进出口压力边界条件下，相对扁管光管，内翅片扁管内水工质的出口温度提高了2.91％(即9.2℃)；在流速小于扁管光管的情况下(流速降低了28.3％)，总传热量反而提高了13.2％；平均传热系数则降低了17.2％，这主要由两方面的原因造成，其一为进口流速的降低，对内翅片扁管内的传热起到了一定的消弱作用；其二为内翅片扁管总传热量大于扁管光管，其传热面积也大于扁管光管，将总传热量进行平摊，其平均传热系数则可能小于扁管光管，但总的来说，即使在进口流速小于扁管光管的情况下，内翅片扁管的整体传热性能要好于扁管光管。

为了更加全面分析内翅片扁管的传热性能，在相同进口流速条件下，进一步对比分析内翅片扁管与扁管光管的传热特性。具体是：在相同的进口流速条件(V＝5.0m/s)下对比分析两种换热管的传热性能，其计算数据见表2。

表2 相同进口流速条件下对比数据

 

对比参数	出口温度(K)	总传热量(kW)	平均传热系数(W/(m2·K))
				扁管光管	317.5	45.90	23449
内翅片扁管	325.8	67.25	25385

由表2可知，在相同的进口流速条件下，相对于扁管光管，内翅片扁管内水工质的出口温度提高了2.61％(即8.3℃)；总传热量提高了46.5％；平均传热系数提高了8.26％，即全体的传热指标都得到了有效地提高。因此，相对于扁管光管，内翅片扁管使得管内传热特性得到了很大地改善，有利于提高换热器整体的紧凑性。

综上所述，适当地增加设置在扁管14内的纵向波纹内翅片15的厚度及个数，选择具有高导热性能及良好强度性能的内翅片材料，对于进一步改善和提高内翅片扁管换热器的整体传热效率及紧凑性具有一定的积极作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内翅片扁管壳管式换热器，由通过左右两端封头进行密封的壳体(1)、设置在壳体(1)侧壁上的壳程进口(12)和壳程出口(13)、分别位于壳体(1)内部两端的封板一(4)和封板二(5)、设置在所述封头上的管程进口(10)和管程出口(11)、设置在壳体(1)内部的折流板以及多个平行安装在封板一(4)和封板二(5)间的换热管(7)组成，所述封板一(4)和封板二(5)上对应开有多个供换热管(7)穿过的通孔(9)，其特征在于：所述折流板为连通壳程进口(12)和壳程出口(13)的螺旋折流板(8)，所述壳程进口(12)、螺旋折流板(8)和壳程出口(13)组成纵向螺旋式的壳侧流通通道，螺旋折流板(8)的外侧边缘与壳体(1)侧壁的内壁之间固定连接，螺旋折流板(8)上对应开有多个供换热管(7)穿过的通孔(9)；所述换热管(2)由扁管(14)以及设置在扁管(14)内部的纵向波纹内翅片(15)组成，所述扁管(14)与其内部纵向波纹内翅片(15)之间形成多个纵向管内流通通道。

2.按照权利要求1所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述管程进口(10)和管程出口(11)均位于同一个封头上，所述管内流通通道对应管程进口(10)和管程出口(11)分为两个流通通道，所述两个流通通道与管程进口(10)和管程出口(11)组成一个来回式的双管程管内流通通道。

3.按照权利要求2所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述管程进口(10)和管程出口(11)均位于壳体(1)右端的右封头(3)上，所述封板二(5)和右封头(3)之间设置有一隔板(6)，隔板(6)设置在封板二(5)和右封头(3)之间的中心处。

4.按照权利要求2所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述管程进口(10)和管程出口(11)均位于壳体(1)左端的左封头(2)上，所述封板二(5)和左封头(2)之间设置有一隔板(6)，隔板(6)设置在封板二(5)和左封头(2)之间的中心处。

5.按照权利要求1所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述管程进口(10)和管程出口(11)分别位于壳体(1)左右两端的两个封头上，所述管程进口(10)和管程出口(11)与所述纵向管内流通通道组成一个单向式的单管程管内流通通道。

6.按照权利要求3或4所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述隔板(6)与封板二(5)和右封头(3)之间均采用无缝钎焊进行连接。

7.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述螺旋折流板(8)内流通的的介质黏性越大，其螺旋波纹越稀疏；所述螺旋折流板(8)内流通的的介质黏性越大，其螺旋波纹越稀疏，所述纵向管内流通通道的数量越少。

8.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述螺旋折流板(8)为连续螺旋片构成的折流板或由多个螺旋片搭接而成的折流板，螺旋折流板(8)为单螺旋结构、双螺旋结构或多螺旋结构且其与壳程进口(12)和壳程出口(13)相应组成一个单螺旋、双螺旋或多螺旋式的壳侧流通通道。

9.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述壳体(1)为圆柱形。

10.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的内翅片扁管壳管式换热器，其特征在于：所述纵向波纹内翅片(15)与扁管(14)的内壁之间采用钎焊进行连接。

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