CN102252539B - 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，包括进口混合腔、出口混合腔、第一组盘管、第二组盘管、盘管转接区、支撑管、筒体、排液管、管程介质入口、壳程介质入口、管程介质出口和壳程介质出口；第一组盘管、第二组盘管分别缠绕在支撑管上，第一组盘管出口和第二组盘管进口通过盘管转接区连接；支撑管的前后分别连接进口混合腔和出口混合腔，进口混合腔的分流管连接第一组盘管管束的进口处，出口混合腔的分流管连接第二组盘管管束的出口处；筒体和封头连接组成壳体，位于前端的封头上设有壳程介质出口，位于后端的封头上设有壳程介质入口，排液管连接在筒体上。本发明换热器的换热效率比普通的管壳式换热器换热效率大幅度提高。

Description

一种管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种适合各种压力和工质组合的高效紧凑管壳式换热器，属于换热器技术领域。

背景技术

随着全球工业化的迅速发展，煤、石油、天然气等能源消耗量不断增长，全球性的能源危机日益严重。因此，新能源的开发和余热回收利用以及节能技术就显得尤为重要。设计出换热效率高的换热器，减少能源消耗及材料消耗，不仅是现代化发展中必须解决的问题，同时也是缓解能源紧张局面的关键。由此看来，研究和开发强化传热技术，采取有效的强化传热措施，提高传热量并减小换热器的体积和重量，对于节约能源和环境保护有着非常积极的作用，对现代工业发展和促进国民经济的繁荣都将有十分现实的意义。当今，各种强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门已得到广泛应用。在地热资源、海洋热能、太阳能等新能源中，采用强化换热技术的换热器就更有应用价值。

管壳式换热器由于其适用的操作温度和压力范围较大，制造成本低，清洗方便，工作可靠等优点，在石油、化工及能源等部门所使用的换热设备中仍处于主导地位，成为应用最为广泛的一种换热器。但是，传统的管壳式换热器存在换热面积小，换热效率低等缺点，为了提高换热效果，很多换热器采取增加体积的方式来增加换热面积，这必然导致换热设备体积庞大、占地多，由此带来的单位传热面积的金属耗量也是相当惊人的。由于传统的管壳式换热器存在体积庞大、投资高等缺点，限制了其在各类热力系统中的使用。因此，为了现代工业能够更好的发展，换热领域亟需一种紧凑式换热器。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种管壳式换热器。

本发明的一种管壳式换热器，包括进口混合腔、出口混合腔、第一组盘管、第二组盘管、盘管转接区、支撑管、筒体、封头、排液管、管程介质入口、壳程介质入口、管程介质出口和壳程介质出口；

第一组盘管、第二组盘管的管束分别缠绕在中间的支撑管上，第一组盘管管束的出口和第二组盘管管束进口通过盘管转接区连接；

进口混合腔、出口混合腔结构相同，进口混合腔设有管程介质入口和多个分流管，出口混合腔设有管程介质出口和多个分流管，支撑管的前后分别连接进口混合腔和出口混合腔，进口混合腔的分流管连接第一组盘管管束的进口处，出口混合腔的分流管连接第二组盘管管束的出口处；

筒体和封头连接组成壳体，壳体位于第一组盘管、第二组盘管的外围；位于前端的封头上设有壳程介质出口，位于后端的封头上设有壳程介质入口，排液管连接在筒体上，排液管的主要作用是当换热器停止工作时把换热器里面冷凝的液体排出。

本发明的优点在于：

(1)本发明换热器的换热效率比普通的管壳式换热器换热效率大幅度提高；

(2)本发明从根本上解决了针对低导热系数工质作为制冷剂的换热器的设计难题；

(3)本发明的换热器的结构紧凑，外观上更加美观、轻便，应用前景更加广泛；

(4)本发明的换热器换热效率高，可广泛应用于石油、化工、航空、航天、车辆、动力机械等工业部门，在地热资源、海洋热能、太阳能等新能源方面也具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明换热器的整体结构示意图；

图2是本发明换热器内部盘管式管束示意图；

图3是本发明进口混合腔或者出口混合腔轴向剖面示意图；

图4是本发明图3中A-A剖面示意图；

图5是本发明实施例中第一组盘管或者第二组盘管缠绕示意图；

图6是本发明实施例中盘管转接区示意图；

图7是本发明实施例中盘管叉排布置示意图(局部放大图)

图8是本发明实施例中换热逆流结构示意图。

图中：

1-进口混和腔，2-出口混和腔，3-第一组盘管，4-第二组盘管，5-盘管转接区，6-支撑管，7-筒体，8-封头，9-法兰，10-排液管，11-管程介质入口，12-壳程介质入口，13-管程介质出口，14-壳程介质出口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种管壳式换热器，如图1所示，包括进口混合腔1、出口混合腔2、第一组盘管3、第二组盘管4、盘管转接区5、支撑管6、筒体7、封头8、法兰9、排液管10、管程介质入口11、壳程介质入口12、管程介质出口13和壳程介质出口14。

如图2所示，不同缠绕直径的管子缠绕形成第一组盘管3和第二组盘管4，第一组盘管3、第二组盘管4的管束分别缠绕在中间的支撑管6上，第一组盘管3中的管子之间采用叉排布置，管子排列分成奇数排和偶数排，交替盘绕在支撑管6上。第二组盘管4中的管子之间也采用叉排布置，管子排列分成奇数排和偶数排，交替盘绕在支撑管6上。第一组盘管3管束的出口和第二组盘管4管束进口通过盘管转接区5连接，连接方式为：将第一组盘管3中半径最大的盘管与第二组盘管4中半径最小的盘管进行对接，第一组盘管3中半径第二大的盘管与第二组盘管4中半径第二小的盘管进行对接，然后以此次类推，使得第一组盘管3与第二组盘管4中的管子全部对接。

如图2、图3、图4所示，进口混合腔1、出口混合腔2结构相同，进口混合腔1设有管程介质入口11和多个分流管(图中为四个)，出口混合腔2设有管程介质出口13和多个分流管(图中为四个)，支撑管6的前后分别连接进口混合腔1和出口混合腔2，所述的分流管上设置圆形接口(图中为设置三个或者两个圆形接口)，进口混合腔1的分流管通过圆形接口连接第一组盘管3管束的进口处，出口混合腔2的分流管通过圆形接口连接第二组盘管4管束的出口处。进口混合腔1分流管上圆形接口的数量与的第一组盘管3中管子进口的数量一致，出口混合腔2分流管上圆形接口的数量与的第二组盘管4中管子进口的数量一致。

如图1所示，筒体7和封头8通过法兰9连接组成壳体，壳体位于第一组盘管3、第二组盘管4的外围。位于前端的封头8上设有壳程介质出口14，封头8的前端与管程介质入口11之间密封接触，位于后端的封头8上设有壳程介质入口12，封头8的后端与管程介质出口13之间密封接触。排液管10连接在筒体7上，排液管的主要作用是当换热器停止工作时把换热器里面冷凝的液体排出。

本发明中为使得盘管轴线方向即壳程流体动方向能够取得更好的换热效果，盘管采用叉排布置，而且这样的排列方式使得换热器的结构更加紧凑。将所有的盘管分成奇数排和偶数排，盘管之间是“等边三角形”的排列方式，盘管之间交错缠绕，不同管束之间的缠绕半径不同。在进口混合腔1、出口混合腔2上设置多个分流管，分流管上设置圆形接口与盘管管束相连接。对于管内流动，沿程损失占很大的比重，因此为了使管内压损保持一致，在整个换热器中间部分设置了盘管转接区5，将盘转半径不同的盘管进行对接(将缠绕直径最大的盘管与缠绕直径最小的盘管进行对接，其他的以此类推)。这样就基本上保证每根盘管的长度基本相同，压力损失基本相同。在相同的进出口条件下，逆流的平均温压最大，顺流的平均温压最小，因此逆流方式比顺流方式具有更好的换热效果，因此本发明管内管外介质的流动方式采用逆流方式。

当本发明所述的管壳式换热器作为回热器应用时，换热器工作时，壳程中较高温度的工质流过换热器的管束，与换热管外壁面进行对流换热，通过换热管的导热以及换热管内壁面与较低温度的工质的对流换热，温度较高的工质将热量传递给管内温度较低的工质，从而实现了回热利用，进而提高热效率。

如图1所示，当换热器作为回热器使用时，温度较低的介质从管程介质入口11进入进口混合腔1，然后经过混合腔的分流管进入第一组盘管3，然后壳程介质经过盘管转接区5进入第二组盘管4，然后壳程介质从出口混合腔2的分流管进入混合腔2，最终从从管程介质出口13流出回热器。在管程介质进入盘管的同时，温度较高的壳程介质也从壳程介质入口12进入换热器，在盘管外流动，最终从壳程介质出口14流出回热器。这样壳程和管程的流体在流动过程中，通过盘管不断进行能量交换，这样使管程内的介质沿管程流动方向温度不断升高；相反，壳程内的介质温度沿壳程的流动方向温度不断降低。

实施例：

以6+5排盘管管束为例。

如图5所示，将盘管分成偶数排和奇数排(即6排和5排，共11排)，交替盘绕中间的支撑管6上。(图5中的a表示支撑管6与最内层盘管的的距离)

进口混合腔1、出口混合腔2如图3、图4所示，对于管内流动，在进口混合腔1、出口混合腔2上设置多个分流管，在这些分流管上设置圆形接口分别与盘管相管束相连接。图3中在进口混合腔1、出口混合腔2的四个方向分别设置4个分流管为例，如图4所示，其中三个分流管上设置3个圆形接口，剩余的一个分流管上设置两个圆形接口，这些圆形接口分别与6+5＝11个盘管相连接。

如图6所示，盘管之间交错缠绕，同一盘管的缠绕直径不变，不同盘管之间的缠绕半径依次增加。以6+5型盘管为例，第一组盘管3缠绕直径最大的6号盘管与第一组盘管4缠绕直径最小的1号盘管进行对接，5号盘管与2号盘管进行对接，其余的盘管也是按照这样的规律进行对接，这样就基本上保证每根盘管的长度基本相同，压力损失基本相同。

如图7所示，在相同的条件下，由于叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流动中流动，比顺排时流动扰动剧烈，一般情况下换热比顺排强，由于对换热器空间和质量的要求，换热管采用叉排布置。盘管之间是“等边三角形”的排列方式(即相邻三个盘管的中心连线为等边三角形)。

如图8所示，根据传热学原理，相同的进出口条件下，逆流的平均温压最大，顺流的平均温压最小，因此逆流方式比顺流方式具有更好的换热效果，因此本发明采用逆流布置。箭头表示流体的流动方向，黑色箭头表示的是管程内流动的介质，灰色箭头表示的是壳程内流动的介质。

Claims (9)

1.一种管壳式换热器，其特征在于，包括进口混合腔、出口混合腔、第一组盘管、第二组盘管、盘管转接区、支撑管、筒体、排液管、管程介质入口、壳程介质入口、管程介质出口和壳程介质出口；

第一组盘管、第二组盘管的管束分别缠绕在中间的支撑管上，第一组盘管管束的出口和第二组盘管管束进口通过盘管转接区连接；

进口混合腔、出口混合腔结构相同，进口混合腔设有管程介质入口和多个分流管，出口混合腔设有管程介质出口和多个分流管，支撑管的前后分别连接进口混合腔和出口混合腔，进口混合腔的分流管连接第一组盘管管束的进口处，出口混合腔的分流管连接第二组盘管管束的出口处；

筒体和封头连接组成壳体，壳体位于第一组盘管、第二组盘管的外围；位于前端的封头上设有壳程介质出口，位于后端的封头上设有壳程介质入口，排液管连接在筒体上，排液管的主要作用是当换热器停止工作时把换热器里面冷凝的液体排出。

2.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的第一组盘管由不同缠绕直径的管子缠绕形成。

3.根据权利要求1或者2所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的第一组盘管中的管子之间采用叉排布置，管子排列分成奇数排和偶数排，交替盘绕在支撑管上，管子之间是“等边三角形”的排列方式。

4.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的第二组盘管由不同缠绕直径的管子缠绕形成。

5.根据权利要求1或者4所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的第二组盘管中的管子之间采用叉排布置，管子排列分成奇数排和偶数排，交替盘绕在支撑管上，管子之间是“等边三角形”的排列方式。

6.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的盘管转接区的连接方式为：将第一组盘管中缠绕半径最大的盘管与第二组盘管中缠绕半径最小的盘管进行对接，第一组盘管中缠绕半径第二大的盘管与第二组盘管中缠绕半径第二小的盘管进行对接，然后以此次类推，使得第一组盘管与第二组盘管中的管子全部对接。

7.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的进口混合腔的分流管上设置圆形接口，进口混合腔的分流管通过圆形接口连接第一组盘管管束的进口处。

8.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的出口混合腔的分流管上设置圆形接口，出口混合腔的分流管通过圆形接口连接第二组盘管管束的出口处。

9.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器，其特征在于，所述的筒体和封头通过法兰连接。

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