CN101650140A - 传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，包括通过左右两端封头密封的壳体、设置在壳体侧壁上的壳程进口和壳程出口、分别位于壳体内部两端的两个管板、设置在封头上的管程进口和管程出口以及由多个平行安装在两个管板间的传热管组成的传热管束，管板上开有多个供传热管安装的通孔；传热管包括同心穿套的外管和芯管及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片，传热管与管程进口和管程出口连通组成管内流通通道，传热管外设置有纵向螺旋外翅片，纵向螺旋外翅片与壳程进口和壳程出口连通组成多个螺旋式壳侧流通通道。本发明结构简单合理且使用操作方便，在优化传热管内外流体的综合传热性能的同时，又能有效降低传热管内外的流阻及结垢现象。

Description

传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器

技术领域

本发明涉及一种壳管式换热器，尤其是涉及一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器。

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。

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传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高流速流体横掠传热管束会诱导传热管的振动，缩短了换热器的寿命。

现有的场协同强化传热理论指出，获得高的对流传热系数的主要途径有两种：(1)提高流体速度场和温度场的均匀性；(2)改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致。因此，当速度矢量方向与热流矢量方向方向相反并在统一直线上时(方向相反时为流体被加热程度最强；方向相同时为被流体冷却程度最强)，此时的对流传热协同性最好，传热系数最大，即在对流传热过程中，流体以一定的方式垂直冲刷或接近垂直冲刷固体壁面时(设法使得流速矢量与热流密度矢量在同一直线上)，能够有效地提高对流传热系数，极端的例子为射流冲击，具有很强的传热效果，但同时流动阻力也达到了最大。基于场协同思想，考虑到强化传热的同时能够有效减少流动阻力的增加，应当设法找到一种流动方式，实现对流传热场协同的效果最佳。流体的螺旋式运动能够较好地解决以上问题，实现流动以一定的角度周期性地冲刷固体壁面，强化对流传热，同时又能够有效降低其流动阻力的增加。

20世纪60年代，基于对壳管式换热器壳侧流体流动形式的改进，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。

然而，现有的螺旋折流板所采用的大都是不连续的近似螺旋曲面。非连续螺旋折流板换热器的折流板一般是由两块至四块扇形平板组成，结果往往与真实的螺旋曲面相去甚远，两块扇形折流板搭接处一般存在三角区，有严重的漏流问题，导致换热器壳侧流动阻力增加，也影响换热器的换热性能。针对以上问题，已有相关专利给予解决，提出了连续螺旋折流板换热器的设计构想，但其加工工艺具有一定的难度，整体式连续螺旋折流板换热器的拆卸和清洗同样具有一定的难度。此外，由于连续螺旋折流板的导流，壳侧流体进行着整体式螺旋运动，从而导致其壳侧流体内部的相互掺混作用并不强烈，其壳侧流体的对流传热还有待于进一步改善，因此，有必要设计一种新型的壳管式换热器，在保持壳侧流体连续螺旋式运动的基础上，使其易于拆卸清洗，并为了保证管内外流体都具备高效低阻的综合传热特性，管内流体也有必要实现纵向螺旋式流动。

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，提供一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其结构简单合理且使用操作方便，在优化传热管内外流体的综合传热性能的同时，又能有效降低传热管内外的流阻及结垢现象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，包括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两个管板、设置在所述封头上的管程进口和管程出口以及由多个平行安装在两个管板间的传热管组成的传热管束，所述管板上开有多个供传热管安装的通孔；所述传热管包括同心穿套的外管和芯管以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片，所述传热管与管程进口和管程出口连通组成管内流通通道，其特征在于：所述传热管外设置有纵向螺旋外翅片，所述纵向螺旋外翅片与壳程进口和壳程出口连通组成螺旋式壳侧流通通道。

所述多个传热管外所设置的纵向螺旋外翅片为正对排列或交错排列。

所述内翅片由波纹内翅片板弯曲而成且其在外管和芯管之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道。

所述纵向螺旋外翅片的横截面波纹形状为矩形、三角形或梯形。

所述纵向螺旋外翅片上连续开有多个孔或多条缝。

所述波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°；所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高与外管和芯管之间的间距相等；

所述内翅片中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，所述纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。

所述波纹内翅片板的波纹为锯齿形、矩形或正弦波形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构合理，使用操作方便，安装布设灵活，传热管束既可采用顺排方式进行安装，也可采用叉排方式进行安装且安装方便。

2、传热管采用设有内外纵向螺旋翅片的传热管，能够有效地增加管内传热面积，同时改善管内外对流传热的场协效果，提高其综合传热效率；并且还省略了壳侧弓字型折流板，使得换热器的结构得到一定程度的简化。

3、在传热管外侧增加纵向螺旋外翅片，从而由内外纵向螺旋翅片管所组成的传热管束能够实现壳侧流体的多股螺旋式流动，增强壳侧流体流动时的相互掺混作用，使得传热管内外流体的流动实现周期性螺旋式冲刷管内外壁，改善管内外对流传热场协同效果，提高传热效率，从而达到改善壳侧流体流动与传热的综合效率；同时能够有效降低流动阻力的增加，对换热器的整体的传热过程起到了一定的优化作用；另外，由于传热管自身带有螺旋导流外翅片，相比较与螺旋折流板换热器，其省去了螺旋折流板的复杂加工及安装工艺，同时易于拆卸和清洗。因而，本发明在增加了传热管内外两侧的换热面积同时，综合优化了传热管内外流体的对流传热，很好地处理了强化传热与减阻之间的矛盾，使得壳管式换热器的整体流动与传热效率达到了优化的状态。

4、能够承受较高的绝对压力或者故障状态下较高的相对压力，能有效防止换热器发生胀裂。

综上，本发明能够有效增加传热管内外换热面积、强化管内外对流传热，有效降低流动阻力的增加，同时具有较高的承受高压能力以及制造简单、维修和清洗方便及不易结垢等优点，具体而言：本发明通过在传热管光管的内外装置纵向螺旋翅片，壳侧流体的螺旋流动通过传热管束上的纵向螺旋外翅片的导流作用得以实现，使得壳侧流体以多股螺旋流的形式冲刷传热管束，使得壳侧流体在实现螺旋式流动的同时，各股螺旋流之间又能相互掺混，有效地增强了壳侧流体的传热过程。相比较于传统的壳管式换热器，传热管内外螺旋翅片的存在能有效增加传热管内外的传热面积，同时实现传热管内外流体的双螺旋流动，改善对流传热的场协同效果，优化传热管内外的综合传热性能(传热和流阻兼顾)，另一方面能有效降低传热管内外结垢现象。

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为本发明的装配结构示意图。

图2为本发明换热器芯的内部结构示意图。

图3为本发明传热管外部结构示意图。

图4为本发明传热管所采用波纹内翅片板的整体结构示意图。

图5为本发明传热管的内部结构示意图。

图6为本发明纵向螺旋外翅片上开孔的传热管外部结构示意图。

图7为本发明纵向螺旋外翅片上开缝的传热管外部结构示意图。

图8为本发明传热管束采用顺排方式进行布设安装的结构示意图。

图9为本发明传热管束采用叉排方式进行布设安装的结构示意图。

附图标记说明：

1-管板；         2-传热管；      3-纵向螺旋外翅片；

4-通孔；         5-壳体；        6-外管；

7-内翅片；       8-芯管；        10-1-管程进口；

10-2-管程出口；  11-1-壳程进口； 11-2-壳程出口；

12-孔；          13-左封头；     14-右封头；

15-隔板；        16-缝。

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本发明包括通过左右两端封头进行密封的壳体5、设置在壳体5侧壁上的壳程进口11-1和壳程出口11-2、分别位于壳体5内部两端的两个管板1、设置在所述封头上的管程进口10-1和管程出口10-2以及由多个平行安装在两个管板1间的传热管2组成的传热管束。所述管板1上开有多个供传热管2安装的通孔4。所述传热管2包括同心穿套的外管6和芯管8以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片7，所述传热管2与管程进口10-1和管程出口10-2连通组成管内流通通道。所述传热管2外设置有纵向螺旋外翅片3，所述纵向螺旋外翅片3与壳程进口11-1和壳程出口11-2连通组成螺旋式壳侧流通通道。所述左右两端封头为左封头13和右封头14。结合图8，本实施例中，所述传热管束采用顺排方式固定安装在两个管板1间。实际安装时，也可以根据具体需要，采用如图9所示的叉排方式安装所述传热管束。

其中，壳程进口11-1和壳程出口11-2分别位于壳体5的侧壁两端。所述管板1上对应开有多个供传热管2穿过的通孔4，传热管2外壁与通孔4之间无缝焊接且其在两个管板1之间多个形成平行的管通道。另外，壳体5为圆柱形的外壳，两个管板1的周边与壳体5的内壁之间无缝焊接在一起。

本实施例中，壳程进口11-1位于壳体5侧壁的左端，而壳程出口11-2位于壳体5侧壁的右端。实际工作过程中，一种换热流体从左侧的壳程进口11-1进入，经过传热管2外设置纵向螺旋外翅片3所组成的螺旋式流通通道后，从右侧的壳程出口11-2流出。

实际加工制作时，所述多个传热管2外所设置的纵向螺旋外翅片3为正对排列或交错排列。所述多个纵向螺旋外翅片3的横截面形状为矩形、三角形或梯形，加工制作时，可以根据需要将纵向螺旋外翅片3的横截面波纹制作为相应的形状。另外，所述纵向螺旋外翅片3上连续开有多个孔12或多条缝16，详见图6和图7。另外，当流通的的介质黏性比较大时，纵向螺旋外翅片3采用单螺旋或双螺旋结构；而当流通的介质黏性较小时，则纵向螺旋外翅片3可以相应采用多螺旋结构。本实施例中，纵向螺旋外翅片3为单螺旋结构。

结合图4、图5，所述传热管2包括同心穿套的外管6和芯管8以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片7，其内翅片7由波纹内翅片板弯曲而成且在外管6和芯管8之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道。另外，波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°；所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高与外管6和芯管8之间的间距相等，并且所述内翅片7与外管6和芯管8之间采用钎焊进行连接，同时，芯管8为堵塞芯管。在实际应用过程中，内翅片7中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。本实施例中，波纹内翅片板的波纹为正弦波形，实践中，也可以将波纹内翅片板的波纹加工制作为锯齿形或矩形等其他波纹形状。

本实施例中，管程进口10-1和管程出口10-2均位于同一个封头即右封头14上，右侧的管板1和右封头14之间设置有一隔板15，隔板15水平设置在右侧的管板1和右封头14之间的中心处，并且隔板15与右侧的管板1、右封头14以及壳体5的内壁之间无缝焊接，这样对应管程进口10-1和管程出口10-2将管内流通通道分成上下两部分。其中，管程进口10-1位于右封头14的上部且其与隔板15上方的多个传热管2组成上部管内流通通道，即上部管内流通通道与管程进口10-1相通，又由于传热管2外所设置的纵向螺旋外翅片3为从左向右螺旋，则上部管内流通通道中的多个传热管2内部的内翅片7为从右向左螺旋，且其与壳侧流通通道为异向螺旋；对应地，管程出口10-2位于右封头14的下部且其与隔板15下方的多个传热管2组成下部管内流通通道，即下部管内流通通道与管程出口10-2相通，因而下部管内流通通道中的多个传热管2内部的内翅片7为从左向右螺旋，且其与壳侧流通通道为同向螺旋，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10-1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10-2流出。这样，管程进口10-1和管程出口10-2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。

综上，本实施例中，换热器为单壳程双管程换热器且其通过传热管2内外流体螺旋流动的结构设计，实现了换热器壳侧及管内流体的双螺旋运动。

实际加工制作过程中，也可以将管程进口10-1和管程出口10-2分别位于壳体5左右两端的两个封头上，具体是管程进口10-1位于右封头14上，管程出口10-2位于左封头13上，这样可以形成一单壳程单管程换热器。

同样，可以将上述两个换热器相串联，具体是将一个换热器的壳程进口11-1设置在壳体5左侧，而将其壳程出口11-2设置在壳体5右侧；对应地，另一个换热器的壳程进口11-1设置在壳体5右侧，而将其壳程出口11-2设置在壳体5左侧。也就是说，第一个换热器的壳程进口11-1为壳侧换热流体的总进口，第二个换热器的壳程出口11-2为壳侧换热流体的总出口；将第一个换热器的壳程出口11-2和第二个换热器的壳程进口11-1和相连通，这样组成一个来回式的双壳程流通通道。

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 (7)

1.一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，包括通过左右两端封头进行密封的壳体(5)、设置在壳体(5)侧壁上的壳程进口(11-1)和壳程出口(11-2)、分别位于壳体(5)内部两端的两个管板(1)、设置在所述封头上的管程进口(10-1)和管程出口(10-2)以及由多个平行安装在两个管板(1)间的传热管(2)组成的传热管束，所述管板(1)上开有多个供传热管(2)安装的通孔(4)；所述传热管(2)包括同心穿套的外管(6)和芯管(8)以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片(7)，所述传热管(2)与管程进口(10-1)和管程出口(10-2)连通组成管内流通通道，其特征在于：所述传热管(2)外设置有纵向螺旋外翅片(3)，所述纵向螺旋外翅片(3)与壳程进口(11-1)和壳程出口(11-2)连通组成螺旋式壳侧流通通道。

2.按照权利要求1所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述多个传热管(2)外所设置的纵向螺旋外翅片(3)为正对排列或交错排列。

3.按照权利要求1或2所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述内翅片(7)由波纹内翅片板弯曲而成且其在外管(6)和芯管(8)之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道。

4.按照权利要求1或2所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述纵向螺旋外翅片(3)的横截面形状为矩形、三角形或梯形。

5.按照权利要求1或2所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述纵向螺旋外翅片(3)上连续开有多个孔(12)或多条缝(16)。

6.按照权利要求3所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°；所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高与外管(6)和芯管(8)之间的间距相等；

所述内翅片(7)中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，所述纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。

7.按照权利要求3所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述波纹内翅片板的波纹为锯齿形、矩形或正弦波形。

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