CN101435670B - 纵向扰流管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

纵向扰流管壳式换热器，属于管壳式换热器，解决现有管壳式换热器传热强化和流体与表面间的剪切力、摩擦力以及流体的耗散功增加的问题。本发明壳体上具有壳程进、出口，两端由右、左封头封闭，并具有管程进、出口，壳体内左、右管板之间具有支撑框架，多根传热管通过左、右管板和支撑框架固定；支撑框架的每个支撑环内固定有扰流元件；扰流元件由连接杆上轴向对称至少安装2组旋流叶片构成，每组旋流叶片为2～6片，沿连接杆周向均匀分布，每个旋流叶片在连接杆轴向上的安装角度相同；连接杆正中部分位于支撑环圆心并与支撑环固定。本发明流动阻力大幅度减少；同时由于扰流元件的扰流作用，传热得到了强化，提高换热器的总体传热性能。

Description

纵向扰流管壳式换热器

技术领域

本发明属于管壳式换热器，特别涉及一种纵向扰流管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器广泛用于电力、化工、炼油等行业，约占换热器总量的70％。折流部件在管壳式换热器中起着十分重要的作用，一方面，对管束起支撑和固定作用，另一方面，又对壳程流体起扰流作用。对于管壳式换热器，按壳程流体的流动方向，可分为横向流、纵向流和螺旋流三种。对于不同的壳程流动形态，管壳式换热器的性能呈现较大差异。而壳程流体的换热系数对换热器总传热系数的影响很大，研究壳程的流动与换热机理，对于减少换热器能耗、降低传热温差，提高换热器性能，具有重要意义。

表面与流体间的传热强化方式可以归纳为：(1)减薄流体热边界层厚度；(2)增加流体对壁面的扰动；(3)扩展传热表面；(4)改变换热表面的物理性质等。由于这些方法均基于边界附近流体或换热表面，因而可以称为边界流传热强化或表面传热强化。

对于管壳式换热器的传热强化，可从改进传热管与管束扰流体两个方面考虑。改进传热管一般有波纹管、波纹螺旋管、螺旋槽纹管、缩放管等。虽然大多数改进传热管对管程和壳程的换热强化都有一定的作用，但主要还是用于强化管程，对壳程的作用不是很大。折流板是管壳式换热器壳程的一种典型扰流结构，但由于流体横向冲刷管束的传热效率较低，流动阻力较大，而且常发生流体诱导振动，因而，国内外研究者在折流板的基础上，发展了一些新的管束扰流结构，如折流杆、螺旋折流板等，使换热器壳程流体的流动方向和流动状态发生改变，进而强化换热；见(1)R.Mukherjee，Use double-segmental baffles in the shell-and-tubeheat exchangers，Chem.Eng.Progress，88：47-52，1992；(2)H.Li，V.Kottkeb，Analysis of local shell side heat and mass transfer in the shell-and-tube heatexchanger with disc-and-doughnut，Int.J.of Heat and Mass Transfer，42：3509-3521，1999；(3)H.Li and V.Kottke，Effect of baffle spacing onpressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat exchangers forstaggered tube arrangement，Int.J.Heat Mass Transfer，41(10)：1303-1311，1998；(4)Q.W.Dong，YQ.Wang，M.S.Liu，Numerical and experimentalinvestigation of shell side characteristics for ROD baffle heat exchanger，Applied Thermal Engineering，28：651-660，2008；(5)B.Peng，et al.，AnExperimental Study of Shell-and-Tube Heat Exchangers with ContinuousHelical Baffles，J.of Heat Transfer，129：1425-1431，2007；(6)A.L.H.Costa，E.M.Queiroz，Design optimization of shell-and-tube heat exchangers，Applied Thermal Engineering，2008(on line)；(7)G.N.Xie et al.，Heattransfer analysis for shell-and-tube heat exchangers with experimental data byartificial neural networks approach，Applied Thermal Engineering，27：1096-1104，2007。但在受限空间内采取诸如扩展肋、涡发生器、槽纹以及其它强化传热措施后，流体的流动阻力也会明显增加，其原因是：由于边界附近流体的速度梯度、粘性扩散以及动量耗散的增大，使得流体与表面间的剪切力、摩擦力以及流体的耗散功有不同程度的增加。若流动阻力成为矛盾的主要方面，甚至可能会弱化换热。

发明内容

本发明提供一种纵向扰流管壳式换热器，解决现有管壳式换热器传热强化和流体与表面间的剪切力、摩擦力以及流体的耗散功增加的问题，改变换热器管束内的支撑和扰流方式，提高换热器的总体传热性能。

本发明的一种纵向扰流管壳式换热器，壳体上具有壳程进口和壳程出口，壳体两端由右封头和左封头封闭，并分别具有管程进口和管程出口，壳体内设有左管板、右管板，左、右管板之间具有至少一个支撑框架，多根传热管通过左、右管板和支撑框架固定，其特征在于：

所述支撑框架由纵支撑杆、横支撑杆和支撑环在外框内固定成网格构成；

所述传热管通过支撑框架，四周由支撑框架上分布的支撑环限定位置；

所述支撑框架上分布的每个支撑环内固定有扰流元件；所述扰流元件由连接杆上轴向对称至少安装2组旋流叶片构成，每组旋流叶片为2～6片，沿连接杆周向均匀分布，每个旋流叶片在连接杆轴向上的安装角度相同；连接杆正中部分位于支撑环圆心并与支撑环固定。

所述的纵向扰流管壳式换热器，其特征在于：

所述扰流元件的连接杆上安装的各组旋流叶片之间，旋流叶片的相位角不相同。

所述的纵向扰流管壳式换热器，其特征在于：

所述旋流叶片形状为端缘宽于底缘的等厚度扭曲曲面，端缘和底缘以中心线为轴，相对顺时针或逆时针扭曲40～65度；

旋流叶片的高度与连接杆的半径之和小于支撑环的半径。

本发明扰流元件的旋流叶片安置于支撑框架前后，对传热管管束间流体流动起到很好的组织作用，当传热管管束间流体经过扰流元件时，形成一种衰减的旋流，使流体混合均匀，当旋流衰减到一定程度之后，再经过一个扰流元件，使得旋流又得到恢复，传热管管束间流体的混合作用又得到增强，这样在传热管壁面形成一个等效的热边界层，因而传热得到强化。

扰流元件不与传热管相接触，位于传热管管束间的较小区域，只对传热管管束间较小区域的流体有扰动混合作用，对传热管壁面流体的影响较小，因而流动阻力增加不大，对于湍流时，优势更明显。

各个扰流元件在传热管管束间沿轴向分布式安置，在能形成有效旋流的前提下，扰流元件间的距离以及各组旋流叶片间距应尽可能大，这样，传热强化的同时，连续表面增加不多，因而阻力也增加不多。

本发明传热管管束间流体的流动和传热具有以下特征：(1)核心流区域温度均匀；(2)对边界层流体的流动状态影响较小；(3)不增加流场的速度梯度；(4)减少连续扩展面。因而不会造成较大的流动阻力，同时可以改变温度分布，使传热管管束间核心流区域的温度分布均匀，而在边界区域形成了较大的温度梯度，从而改变了传热特性，使换热器的综合性能大为改善。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的结构示意图；

图2为扰流元件和支撑框架的立体示意图；

图3为扰流元件的左视图；

图4为支撑框架示意图；

图5为旋流叶片的正视图；

图6为图5的右视图；

图7为不同Re数下换热系数h的变化曲线图；

图8为不同Re数下压降ΔP的变化曲线图；

图9为不同Re数下努谢尔数Nu的变化曲线图；

图10为不同Re数下阻力系数f的变化曲线图；

图11为不同Re数下换热系数和压降比值h/ΔP的变化曲线图；

图12为不同Re数下性能评价指标PEC的变化曲线图；

图13为不同ΔPRe值下换热系数的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种具体的结构形式，壳体12上具有壳程进口3和壳程出口11，壳体两端由右封头9和左封头1封闭，并分别具有管程进口8和管程出口13，壳体12内设有左管板2、右管板10，左、右管板之间具有至少一个支撑框架6，多根传热管7通过左、右管板和支撑框架6固定；支撑框架上固定有扰流元件4。

如图2所示，扰流元件由连接杆5上轴向对称至少安装2组旋流叶片构成，每组旋流叶片为4片，沿连接杆周向均匀分布，每个旋流叶片18在连接杆轴向上的安装角度相同；连接杆5正中部分位于支撑框架6的支撑环15圆心并与支撑环固定。

如图3所示，四个旋流叶片18沿周向均匀安装在连接杆5上构成扰流元件4，每个旋流叶片的安装角相等，均为0度，且相邻旋流叶片间的夹角α为90度。本实施例中，连接杆5两端旋流叶片的相位角为45度。

如图4所示，支撑框架6由纵支撑杆16、横支撑杆17和支撑环15在外框14内固定成网格构成；传热管7通过支撑框架6，四周由支撑框架上分布的支撑环15限定位置；扰流元件的连接杆5正中部分位于支撑框架6的支撑环15圆心并与支撑环固定。

如图5、图6所示，本实施例中，旋流叶片形状为端缘宽于底缘的等厚度扭曲曲面，端缘和底缘以中心线为轴，相对逆时针扭曲50度；叶片厚度为0.5mm，叶片底缘宽度2mm，端缘宽5mm，距中心高8mm，支撑叶片的连接杆5直径为2mm，扰流元件4径向最大宽度18mm。

如图4所示，传热管7外径25mm，扰流元件4与传热管7壁面的间距为2mm。

这样当壳程流体从壳程进口3进入换热器壳程之后，经过扰流元件之后，形成旋流，流经一段距离之后，旋流逐渐减弱，此后，再经过下一个扰流元件，旋流又重新组织起来，流体经过混合之后，传热管管束间核心区域的温度趋于均匀，而对边界附近的流体流动影响不大，因而与传统的连续内插物强化传热元件相比，传热得到了强化，流动阻力增加不大，因而综合传热能力大为提高。

图7～12为在传热管外径为25mm，传热管长为960mm的管束核心区域，均匀布置数个轴向扰流元件进行数值模拟的结果，计算流体为水，雷诺数Re范围为6000～21000，边界条件为：给定均匀进口速度和进口温度；给定出口压力；管壁温度为350K，旋流叶片表面绝热。

流体在流经扰流元件时会产生旋流扰动，由于扰流元件布置在管束的中心位置，因而旋流扰动主要发生在流道的中心区域，因而中心区域流体的温度更为均匀，从而使得管壁附近流体的温度梯度显著提高，流体的换热得以强化。此外，由于扰流叶片按分布式布置，扰流面积也比较小，这样，也就大大降低了表面对流体的粘性阻力。

图7和图8分别为在不同雷诺数Re下，流体流经折流杆换热器管束、本发明的换热系数h和压降ΔP的变化。从图中可以看出，两种结构换热器壳程的换热系数变化趋势相同，本发明的换热系数略微小于折流杆换热器，但本发明的管束的压降始终小于折流杆换热器管束，而且，随着雷诺数Re的增加，二者的压降差别越来越大。

图9和图10分别为折流杆换热器、本发明的努塞尔数Nu和阻力系数f随Re数的变化，其中，努塞尔数Nu的变化和图8中换热系数的变化规律相同，随着Re数的增加，由于流体的扰动加强，因而努塞尔数Nu增加。从图10可见，随着Re数的增加，阻力系数f逐渐减小。

图11为在不同Re数下，折流杆换热器和本发明换热系数和压降比值h/ΔP的变化关系，从图中可以看出，在相同的Re数下，本发明的比值始终大于折流杆换热器。

图12为本发明传热性能与折流杆相比得到的性能评价指标PEC值随Re数的变化规律，从图中可以看出，在雷诺数Re＝6000～21000之间，本发明的换热器综合性能PEC值均大于1.1，这说明，根据PEC值的意义，这说明，在相同的雷诺数Re下，本发明与折流杆相比，提高幅度大于10％。

图13为相同的泵功下，折流杆换热器和本发明的换热系数的变化关系，图中横坐标为压降与雷诺数的乘积ΔPRe，表示功耗，可以看出，在相同的功耗下，本发明的换热系数比折流杆提高10％。

Claims (1)

1.一种纵向扰流管壳式换热器，壳体上具有壳程进口和壳程出口，壳体两端由右封头和左封头封闭，并分别具有管程进口和管程出口，壳体内设有左管板、右管板，左、右管板之间具有至少一个支撑框架，多根传热管通过左、右管板和支撑框架固定，其特征在于：

所述支撑框架由纵支撑杆、横支撑杆和支撑环在外框内固定成网格构成；

所述传热管通过支撑框架，四周由支撑框架上分布的支撑环限定位置；

所述支撑框架上分布的每个支撑环内固定有扰流元件；所述扰流元件由连接杆上轴向对称至少安装2组旋流叶片构成，每组旋流叶片为2～6片，沿连接杆周向均匀分布，每个旋流叶片在连接杆轴向上的安装角度相同；连接杆正中部分位于支撑环圆心并与支撑环固定；

所述扰流元件的连接杆上安装的各组旋流叶片之间，旋流叶片的相位角不相同；

所述旋流叶片形状为端缘宽于底缘的等厚度扭曲曲面，端缘和底缘以中心线为轴，相对顺时针或逆时针扭曲40～65度；

旋流叶片的高度与连接杆的半径之和小于支撑环的半径。

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