CN101846467B - 一种管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管壳式换热器，包括壳体、换热管束、管板以及封头，管板以及封头设置在壳体的两端，换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板，换热管束为构形树状结构；它由主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道构成，主连通管道至少为2段，在相邻两段的相向两端设置所述的分叉连接管道，在两端的分叉连接管道上连接所述的支连通管道。构形树状换热管束的布置方式充分利用了壳内空间，免去了折流板这一部件，消除了壳程空间内可能存在的流动换热死区。以上这些因素，不仅使得整个换热器结构设计紧凑合理，还实现了管壳程之间流体热量交换的场协同，进而大大提高了套管式换热器的热有效性，达到高效换热和节能目的。

Description

一种管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的具有构形树状结构特征换热管束的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器具有可靠性高、适应性强、结构坚固、制造简单等优点，广泛应用于石油化工、电力、环保等工业领域。随着工业节能减排的推进，对涉及能耗的各个环节采用积极有效的节能措施将具有重要工程价值和意义。对管壳式换热器进行优化设计，提高其换热效能，是节能减排的一个重要举措。

管壳式换热器通常有管箱、管板、壳体、换热管等组成。管壳式换热器一般都是在一个圆筒壳体内设置许多平行的管子，即平行管束，冷热两种流体通过换热管(平行管束)进行热量交换。由场协同理论可知，对于流动换热而言，平行管束布置并不是最为优化的空间组合方式。并且，平行管束布置也不能充分利用壳体内的空间。但现在对管壳式换热器的优化设计却大多基于此类结构而开展。如采用折流板式的结构设计，虽然在一定程度上提高了传热性能，但是在传热性能提高的同时也导致了流动阻力的增加，即以消耗一定量的泵功来获取一定量的换热量。

为此，迫切需要开展管壳式换热器优化设计，使得其既能有效提高流动换热性能，同时也能有效降低泵功消耗的增加，换言之，使得换热器的热有效性(换热量/泵功)得到最大限度的提高。受构形理论成功应用于解决流传递结构体内优化设计问题的思想启迪，本发明将管壳式换热器内的换热管布置成构形树状结构特征，以提高该类换热器的流动和换热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的具有构形树状特征换热管束的管壳式换热器，该换热器能大大提高换热器的热有效性，达到高效换热和节能作用。

技术方案

为解决管壳式换热器设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种管壳式换热器，包括壳体、换热管束、管板以及封头，所述的管板以及封头设置在壳体的两端，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板，其特征在于：所述的换热管束为构形树状结构；它由主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道构成，所述的主连通管道至少为2段，在相邻两段的相向两端设置所述的分叉连接管道，在两端的分叉连接管道上连接所述的支连通管道。

所述的构形树状换热管束沿所述的壳体轴向呈平行层状排列，所述的构形树状换热管束在每一层内沿径向布置，所述换热管束经主/支连通管道实现层与层之间连通。

所述的分叉连接管道与所述的主连通管道垂直，所述的支连通管道与所述的主连通管道平行。

所述的分叉连接管道至少为两级且每级分叉至少含有2个分叉管道，所述的第一级分叉连接管道与主连通管道连接，所述的最后一级分叉连接管道连接所述的支连通管道，所述的上下级分叉连接管道的直径之比为N^-1/Δ(N为每级的分叉管道数目，N取大于等于2的整数，直径维数Δ＝3)，所述的上下级分叉连接管道的长度之比为N^-1/d(每级的分叉管道数目N取大于等于2的整数，长度维数d取大于1且小于等于2的实数)。

所述的主连通管道和支连通管道，设置在构形树状换热管束的层与层之间，主连通管道与换热管束层的初级分支节点相连接，支连通管道与构形树状换热管束层的末级分支端点相连接，用于将管程流体从一层树状换热管束传输至下一层树状换热管束。并且，位于换热管束两侧的连通管道不仅起到分流两侧管箱内流体的作用，还起到与所述管板固定连接的作用。

所述管板不仅能分隔管箱内的管程流体与壳体内的壳程流体，还能均匀分配管箱内流体进入连通管道，并起到密封的作用。

本发明的技术方案在于：基于构形理论构建了多层构形树状结构的换热管管束。在每一层所述的换热管束内，换热管通过分叉产生越来越多的分支，使得管程对流换热面积大幅增加；分叉还能有效扰动换热管束内流体的流动提高流体湍流度，这样，换热管内的对流换热效果得到了大幅度增强。同时，树状换热管束结构类似于优化了的流体分配器/集合器，能有效降低换热管束内的流体流动压降。并且，树状换热管束沿径向层状布置不仅有效利用了壳程内空间来布置更多的换热管以提高管程和壳程之间的换热面积，还实现了壳程流体垂直冲刷树状换热管束作用使得换热管外侧的流动换热性能得到了大幅度提高。因此，多层构形树状结构的换热管管束的设计布置达到了高效换热和节能的目的。

所述的换热管束(由主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道构成)在每一层内由中心点向外发散布置直至壳体，壳体截面形状为圆形和椭圆形、扁形。主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道的截面形状皆可为圆形、矩形、梯形、螺旋形、波纹形等任意形状。在对人体血管构形特征的研究中发现，分支结构中第n级管径与下一级管径之间的关系为D_n/D_n-1＝N^-1/Δ(N为每级的分叉管道数目，取为大于等于2的整数)，式中D为水力直径。大量实验证明，当Δ＝3时，流体在构形管内的流动阻力可以取到最小值，即第n级换热管与第n-1级换热管的直径比为D_n/D_n-1＝N^-1/3。这样，第n级换热管与第0级换热管直径(即最初级的换热管)的关系为D_n/D₀＝N^-n/3。并且，在构形树状通道网络中，所有分支节点都可以均匀分布在一系列同心圆簇上，根据构形理论，不同循环层次的换热管束长度也存在着类似于管径分布的关系，即第n级换热管束长度与第n-1级换热管束长度的比为L_n/L_n-1＝N^-1/d(N为每级的分叉管道数目，长度维数d取大于1且小于等于2的实数)，递推得L_n/L₀＝N^-n/d(L₀为初级换热管长)。需要指出的是，尽管在构形通道分叉流动可能会带来了一定的压降损耗，但是，应注意到构形通道具有流体流量的分散作用，它实质上类似一流动的优化分散器，该结构可使各单元流体分散流动，流动距离较之具有相同流固换热面积、集中流动的蛇形结构中流动距离大为减小。换热管束不同级的管径和长度这样的构形分布特征，能实现管内流动泵功消耗的最优化。与此同时，对于壳程内流体流动，相对于折流板式的结构设计，使得流体流动更为畅通，能有效减少泵功消耗。为此，构形树状换热管束布置能有效提高流动换热性能，同时也能有效降低泵功消耗的增加，换言之，使得换热器的热有效性(换热量/泵功)得到最大限度地提高。

所述换热管束、壳体、管板等根据工作条件、流体性质等可以选择不同的材料，可选用碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜(合金)、铝(合金)、镍(合金)、石墨、氟塑料、玻璃等材料。

本发明提供的构形树状换热管束式的管壳式换热器，其换热管束内和壳程内的流体可为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意流体工质；其换热管束内的换热方式可为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热方式，壳程的换热方式也可为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热方式。并且，该管壳式换热器可以做成卧式和立式两种类型，不管是哪种类型，树状构形结构均不受重力的影响而能正常高效地工作。

本发明提供一种新型高效换热的构形树状换热管束式的管壳式换热器。在该换热器使用中，管程流体从各个树状结构初级分支节点进入换热管束，迅速分流到达各换热管道分支，在这个层面内与壳程流体充分换热，然后流体从树状结构末梢流出，进入下一层换热管束。在这个层面内，流体流动方向与上一层换热管束内的流动方向相反，从树状结构末梢向着节点汇合，直至汇合至树状结构的初级节点，然后再从连通管道进入到下一层换热管束，如此循环往复，最终从管程流体出口流出。由于构形树状换热管束的存在，与传统的平行排列的换热管束相比，壳内的有效对流换热面积大大增加，并且，对流换热效果也得到了大幅度提升，能够使高温热流迅速得到冷却，而且换热均匀。另外，构形树状换热管束合理布置在壳体空间内，消除了壳程空间内可能存在的流动换热死区，这对于实现高效换热是有益的。

有益效果：

本发明涉及的一种新型的构形树状管壳式换热器，不仅增加了管程与壳程之间的对流换热面积，还有利于换热管束内流体湍流度的提高和热边界层的重新形成，并且，壳程内流体还可近似垂直地冲刷换热管束。另外，构形树状换热管束的布置方式充分利用了壳内空间，免去了折流板这一部件，消除了壳程空间内可能存在的流动换热死区。以上这些因素，不仅使得整个换热器结构设计紧凑合理，还实现了管壳程之间流体热量交换(由换热管束内外流体流动换热来实现)的场协同，进而大大提高了套管式换热器的热有效性，达到高效换热和节能目的。

附图说明

图1构形树状管壳式换热器结构示意图。

图2本发明构形树状换热管束单层结构示意图。

图3本发明工作原理示意图。

图中1.左封头；2.左管板；3.支连通管道；4.主连通管道；5.壳体；6.构形树状换热管束；7.右管板；8.右封头；9.分叉节点；10.分叉连接管道；11.壳程流体

具体实施方式：

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了本发明的结构示意图，一种具有构形树状特征换热管束的管壳式换热器，由构形树状换热管束、壳体和管板等组成。具体结构包括：左封头1、左管板2、支连通管道3、主连通管道4、分叉连接管道10、壳体5、构形树状换热管束6、右管板7和右封头8等主要部分组成。管板2、7设置于壳体两端，构形树状换热管束6沿壳体轴向平行层状排列，位于构形树状换热管束两侧的主连通管道3在壳体内两端穿过管板2、7，并与之焊接或胀接连接，位于换热管束层与层之间的连通管道则与换热管束的树状分叉初级节点和末梢焊接连接。左、右封头1和8分别与左、右管板2和7用螺栓连接。由左、右封头1和8及构形树状换热管束6的内侧构成管程流道；由左、右管板和壳体内侧，以及构形树状换热管束6的外侧构成壳程流道。

图2给出了所述换热管束的单层结构示意图，分叉节点9即为图中箭头所指位置。从图中还可以看到，换热管束之间的空隙也由构形树状管束来填充，这样就能够充分利用壳内空间，来获得更大的换热面积。

图3给出了所述换热管束的工作原理图。支连通管道3用来连接换热管束层与层之间的树状结构末梢，主连通管道4用于连接换热管束层与层之间的树状结构的初级分叉节点。如图3所示，主连接管道4被分成了3段，所以行形成了4层树状结构。需要说明的是，主连接管道4可以被分成2～N段(N为大于2的整数)，这样就会形成(N-1)×2层树状结构，为了提高换热效率，树状层数越多，换热效果越好。

管程流体从主连通管道4进入换热管束到初级达分叉节点然后分流进入换热管分支，在当前层面内不断分流直至流到分支结构的末梢，然后从支连通管道3流出该换热管束层面，到达下一层面之后，管程流体从各个换热管分支向分支节点汇合，最终在初级分支节点处合流，然后在从主连通管道4流出，离开当前层面。在这一层，管内的流体通过构形树状特征换热管束与壳程流体11进行热量交换。如此循环往复，最终从主连通管道4流出换热器，完成换热过程。本发明涉及的构形树状换热管束结构能够充分利用壳内空间，增大有效换热面积，加大管程、壳程流体11流动的湍流度，实现了管壳程之间流体热量交换(由换热管束内外流体流动换热来实现)的场协同，提升了换热器结构的紧凑性，有效提高了换热器的流动换热效能。

Claims (2)

1.一种管壳式换热器，包括壳体、换热管束、管板以及封头，所述的管板以及封头设置在壳体的两端，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板，其特征在于：所述的换热管束为构形树状结构；它由主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道构成，所述的主连通管道至少为2段，在相邻两段的相向两端设置所述的分叉连接管道，在两端的分叉连接管道上连接所述的支连通管道；所述的构形树状换热管束沿所述的壳体轴向呈平行层状排列，所述的构形树状换热管束在每一层内沿径向布置，所述换热管束经主/支连通管道实现层与层之间连通，所述的分叉连接管道与所述的主连接管道垂直，所述的支连通管道与所述的主连通管道平行。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于：所述的分叉连接管道至少为两级且每级分叉至少含有2个分叉管道，所述分叉连接管道的第一级分叉连接管道与主连通管道连接，所述分叉连接管道的最后一级分叉连接管道连接所述的支连通管道，所述分叉连接管道的上下级分叉连接管道的直径之比为N^-1/Δ，所述的分叉连接管道的上下级分叉连接管道的长度之比为N^-1/d，其中：靠近主连通管道的分叉连接管道为上级分叉连接管道，远离主连通管道的分叉连接管道为下级分叉连接管道，N为每级的分叉管道数目，N取大于等于2的整数，直径维数Δ＝3，长度维数d取大于1且小于等于2的实数。

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