CN102519297A

CN102519297A - 一种利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器

Info

Publication number: CN102519297A
Application number: CN2011104556732A
Authority: CN
Inventors: 鄢炳火; 于雷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明涉及一种利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，通过改变换热侧壁面形状在垂直于流动的方向上形成较大的流体速度差，产生强烈的横向流体交混，增强对流换热能力，其特征在于：所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为光滑壁面与粗糙壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。通过该换热器增强换热器壳侧的传热能力；合理控制传热管间距，方便机械加工；减小换热器体积；避免流致振动现象，减小传热管受到的水力冲击以及增加板式换热器的传热能力并降低板式换热器在高流速下的流动阻力。

Description

一种利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器

技术领域

本发明涉及一种传热管，进一步涉及一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的传热管。

背景技术

管壳式换热器是目前应用最为广泛、使用量最大的换热器，约占换热器总量的70％。管壳式换热器具有结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大等优点，因而被广泛应用于能源动力、石油化工等行业。换热器的性能对产品的质量、能量利用、系统运行的经济性和可靠性等方面有着重要的作用，因此提高换热器性能显得尤为重要。管壳式换热器的换热阻力往往来自于壳侧，因此对壳侧强化传热便成为改善换热器性能的主要方式之一。

目前，管壳式换热器强化传热方法有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙表面和扩展表面；用添加内插物的方法增强流体本身的扰流。这些方法在提高换热器的换热能力的同时也在一定程度上增加了换热器的流动阻力，增加了燃耗。

近年来，国际上出现了一种通过减小传热管间隙以提高传热能力的方法。传热管间距降低后，壳侧主流区与间隙区的速度差增大，换热器壳侧流体的横向交混和扰动也随之增加，导致传热能力有一定程度的提升。传热管间隙越小，壳侧的对流换热能力提升幅度越大。这种换热器的换热能力在很大程度上取决于传热管的间隙。但是，传热管的间隙不可能小于机械加工的极限。因而这种方法的强化传热能力具有一定的范围。而且管间隙越小，机械加工精度越低，误差越大，这也会在一定程度上影响换热设备的性能。

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片壁面与流体进行热量交换，它与常规的管壳式换热器相比，在流速比较低的条件下，其传热系数要高于管壳式换热器。目前，板式换热器的应用已非常普遍。

传统的管壳式换热器强化传热方法如改变传热元件表面形状和增强扰流等在增强换热的同时也增加了流动阻力和燃耗，而且增大了传热管尺寸和换热器容积，这些因素的存在都在一定程度上阻碍了传统强化传热方法的推广和应用。

近年来新出现的通过减小传热管间隙以提高传热能力的方法也有一个显著的缺点，为了尽可能地提高传热能力，传热管间隙需要尽可能的减小，但是传热管间隙不能够太小。如果传热管间隙非常小会出现两个后果，①传热管间隙太小的话，工业加工难以实现，通常情况下，工业上难以制造出管间隙小于1mm的传热管束。②当传热管间隙比较小时，流致振动效应比较明显，传热管会受到壳侧流体的强烈冲击，进而引发传热管的力学不稳定性，使传热管发生变形、错位和偏移，甚至使传热管发生损坏。

限制板式换热器使用和推广的两个重要因素是流动阻力大、工作压力低。在高温高压工况下，由于受到密封垫片耐热、耐压性能的影响及板片间流道面积及流道通量的限制，如果流速比较高，阻力会急剧增大，使压力下降很大。因而板式换热器的工作压力通常在2MPa以下，其运行工况下的流速也不高。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的目的在于：

1.增强换热器壳侧的传热能力；

2.合理控制传热管间距，方便机械加工；

3.减小换热器体积；

4.避免流致振动现象，减小传热管受到的水力冲击；

5.增加板式换热器的传热能力并降低板式换热器在高流速下的流动阻力。

本发明提供了一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，通过改变换热侧壁面形状增大垂直于流动方向上的主流速度差，进而产生强烈的横向流体交混，最终增强换热器传热能力。其中，所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为光滑壁面与粗糙壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。

优选的，所述粗糙壁面通过在壁面铺设颗粒、刻槽和纹路以及调整走刀量形成。

优选的，所述粗糙壁面通过粗车、镗、刨、钻方法形成。

优选的，所述换热器由换热管构成。

优选的，所述换热器由热板构成。

优选的，所述粗糙壁面面积占壳侧整个管壁面面积的比例的50％。

优选的，所述换热通道壁上的粗糙壁面与光滑壁面在垂直于流体流动方向上间隔排列。

本发明提供了另一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，其中，所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为较厚壁面与较薄壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。

上述两种类型的换热器，是增强流动横截面上的主流速度差异，进而增强横向的流体交混，可以通过壁面的粗糙程度变化和壁面的厚度变化来实现。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.使传热管壳侧的对流换热能力有大幅提高；

2.管间距比较合理，不会引发流致振动和管束的力学不稳定；

3.不需要额外的增加管束的空间和容积，换热器体积比较小；

4.能够产生非常强烈的横向流体交混，使换热器中的污垢较轻；

5.能够广泛地应用于各种形式的由管束组成的换热设备中；

6.能够进一步增强板式换热器的换热能力并合理的控制流动阻力；

7.结构简单，易于机械加工，便于推广。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是壁面的三维视图。

图2是由换热管构成的正方形棒束的壁面。

图3是由换热管构成的三角形棒束的壁面。

图4是由换热板构成的矩形通道的壁面。

图5是由非均匀壁厚的换热管构成的正方形棒束的壁面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明是通过改变壁面形状以增大垂直于流动方向上的主流速度差，进而产生强烈的横向流体交混，最终达到增强换热器传热能力的目的。其中，改变壁面粗糙度是改变壁面形状的最典型的方式。设置粗糙壁面可以采用多种方法，例如：铺设颗粒、在壁面上刻槽和纹路等。在圆周方向，壳侧传热管壁面是以光滑壁面11-粗糙壁面12-光滑壁面11这种交叉组合方式布置的；在流动方向，壳侧的光滑壁面12与粗糙壁面11是相互平行的，且贯穿整个传热管轴向长度，如图1。在某些特殊条件下，比如传热管非常长，传热管中段需要添加一些定位格架以对传热管进行定位、固定，在这种条件下，固定装置所在区域的管壁面可以全部加工成光滑壁面11以便于管束定位装置的安置。在本发明中，不对传热管管侧壁面进行修改，管侧依然为光滑壁面。

理论上，粗糙壁面面积占壳侧整个管壁面面积的比例(等于横截面上粗糙壁面所占弧长与圆周长之比)可以在比较宽的范围内变化，从0％-100％，但是粗糙壁面面积最好为整个管壁面面积的50％(粗糙壁面和光滑壁面各占管壁面的50％)，此时壳侧的换热能力有显著的增强且由此导致的流动阻力增加幅度也不明显。

壳侧传热管壁分为光滑壁面和粗糙壁面两种，参见图2和3，由传热管束(21，31)组成的传热通道可以分成间隙区(22，32)和主流区(23，33)两种。而间隙区(22，32)中的流体流速要低于主流区(23，33)中的流体流速。将间隙区(22，32)的传热管束壁面设置成粗糙壁面(24，34)，同时将主流区(23，33)的传热管束壁面设置成光滑壁面(25，35)后，能够降低间隙区(22，32)的流体流速同时增大主流区(23，33)的流体流速，因而使主流区(23，33)与间隙区(22，32)的速度差进一步增大，进而有效地增强主流区(23，33)与间隙区(22，32)中的动量和能量交混并增强流体的扰动，从而增强传热管束间的对流换热能力。

实施例1

传热管呈图3所示的三角形排列，管直径为10mm，管中心距为12mm，管束长0.5m，管束间流动工质为常温常压下的水，壁面热流密度为1MW/m²，入口平均流速为5m/s，间隙区与主流区的壁面都为光滑壁面，此时管束间的平均努谢尔数为170.0。

实施例2

传热管呈图3所示的三角形排列，管直径为10mm，管中心距为12mm，管束长0.5m，管束间流动工质为常温常压下的水，壁面热流密度为1MW/m²，入口平均流速为5m/s，间隙区的壁面粗糙度为0.05mm，而主流区的壁面为光滑壁面，此时管束间的平均努谢尔数为216.6，比实例1的传热能力增强了27.4％。

实施例3

传热管呈图3所示的三角形排列，管直径为10mm，管中心距为12mm，管束长0.5m，管束间流动工质为常温常压下的水，壁面热流密度为1MW/m²，入口平均流速为5m/s，间隙区的壁面粗糙度为0.1mm，而主流区的壁面为光滑壁面，此时管束间的平均努谢尔数为317.3，比实例1的传热能力增强了86.6％。

实施例4

传热管呈图3所示的三角形排列，管直径为10mm，管中心距为12mm，管束长0.5m，管束间流动工质为常温常压下的水，壁面热流密度为1MW/m²，入口平均流速为5m/s，间隙区的壁面粗糙度为0.15mm，而主流区的壁面为光滑壁面，此时管束间的平均努谢尔数为383.2，比实例1的传热能力增强了125.4％。

实施例5

本发明主要是针对由传热管束组成的换热器，如管壳式换热器，但是也可以应用到板式换热器中。板式换热器的换热通道为矩形，如图4，在长度方向上，将通道两侧壁面加工成光滑壁面41-粗糙壁面42-光滑壁面41这种交叉组合壁面，在高度方向(平行流动方向)上，光滑壁面41与粗糙壁面42贯穿整个换热通道流动方向，进而将流道分隔成高流速区43-低流速区44-高流速区43这种交叉出现的形式。其中，光滑壁面41与高流速区43相对应(高流速区43两侧的传热壁面均为光滑壁面41)粗糙壁面42与低流速区44相对应。由于垂直于流动方向出现了比较大的速度差，因而也会出现类似于壳侧的横向流体交混，达到强化传热的目的。当本发明应用于板式换热器时，任一段光滑壁面41或粗糙壁面42的长度不应该小于3cm，一段光滑壁面41或粗糙壁面42的最佳长度在15cm左右；而两块平行换热板组成的矩形通道的宽度不应该大于3cm。否则，通道空间太小会极大地限制横向的流体交混，进而难以达到增强换热的效果。

实施例6

对于由传热管束51组成的换热器，可以通过改变壳侧壁面厚度达到相同的强化换热效果。如图5，在圆周方向，壳侧传热管壁面是以较厚壁面52-较薄壁面53-较厚壁面52这种交叉组合方式布置的；较厚壁面52和较薄壁面53的壁面粗糙度相同；在流动方向，壳侧的较厚壁面52与较薄壁面53是相互平行的，且贯穿整个传热管轴向长度。传热侧壁为均匀光滑壁面。由传热管束51组成的传热通道可以分成间隙区54和主流区55两种。间隙区54中的流体流速要低于主流区55中的流体流速。将间隙区54的传热管束壁面设置成较厚壁面52，同时将主流区55的传热管束壁面设置成较薄壁面53后，间隙区54与主流区55的流体流速差会进一步增大，进而有效地增强主流区55与间隙区54中的动量和能量交混并增强流体的扰动，从而增强传热管束间的对流换热能力。这种改变壁面厚度增强壳侧对流换热能力的方法与通过改变壁面粗糙度增强壳侧对流换热能力的方法的基本原理是相同的，都是通过增大横截面上的流体速度差，进而增强横向交混最终达到增强对流换热能力的目的。

本发明可以方便地应用于各种由传热管束组成的换热设备中，并显著地增强壳侧管束间的对流换热能力。

这种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的技术不论是应用于管壳式换热器还是应用于板式换热器，其核心部分都是通过改变壁面形状(如壁面粗糙度)在垂直流动方向上形成较大的主流速度差，进而产生强烈的横向流体交混，最终达到增强换热器传热能力的目的。由于核心方法相同，因而属于同一总体布局，应该合并申请同一项发明专利。

本发明主要针对传热器所进行的改进，以上所述仅为本发明较佳实施例而已，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡用本发明说明书及图式内容所为的简易变化及等效变换，均应包含于本发明的专利范围内。

Claims

1.一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，其特征在于：

所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为光滑壁面与粗糙壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。

2.根据权利要求1所述通过改变壁面形状增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述粗糙壁面通过在壁面铺设颗粒、刻槽和纹路以及调整走刀量形成。

3.根据权利要求1-2任一所述通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述粗糙壁面通过粗车、镗、刨、钻方法形成。

4.根据权利要求1所述通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述换热器由换热管构成。

5.根据权利要求1所述通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述换热器由热板构成。

6.根据权利要求4或5所述通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述粗糙壁面面积占壳侧整个管壁面面积的比例的50％。

7.根据权利要求6所述通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，其特征在于：所述换热通道壁上的粗糙壁面与光滑壁面在垂直于流体流动方向上间隔排列。

8.一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，其特征在于：

所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为较厚壁面与较薄壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。