CN102645113B - 一种振动螺旋流态化卧式列管换热器 - Google Patents

Abstract

一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，采用均布管箱等结构来提高流化球进入各换热管的均匀性。钢丝螺旋线外径与管内壁之间的间隙大于流化球直径的2倍，消除了流化球污垢清洗的盲区。运行时，流化球在螺旋流的推动下作螺旋线运动，自身的离心力自然地富集到管内壁，并且产生硬垢清洗必需的压力。流化球在管内壁的滑动分速度起到自动清洗硬垢的作用。流化球高速滚动对边界层强烈的横向搅动，大大的降低了滞流层的过饱和度，避免或显著的缓解了硬垢的产生，具有更宝贵的防垢作用。换热管内设置的钢丝螺旋线，在进口端固定，尾端自由，避免发生钢丝螺旋线对管内壁的磨损。因此，这种换热器适合于会生长硬垢的各种结构的卧式列管换热器。

Description

一种振动螺旋流态化卧式列管换热器

技术领域

本发明专利涉及一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，涉及卧式列管换热器管内的硬垢在线自动清洗和传热强化节能。它适用于水平换热管的各种列管式换热器，如无相变的换热器、冷凝器(包括汽轮机附属的抽真空设备的水冷式冷凝器)、蒸发器等。

背景技术

列管式换热器的管程流态化技术，较早时候的专利EP262725和中国专利ZL91106682.9等等，具有自动清洗管内污垢和高效传热强化的双重功能。但是，都只能应用于立式设备、并且还只是向上流动的立式设备；而占90％的列管式换热器是卧式设备不能应用。近期专利(流化球外循环螺旋强化卧式列管换热器，ZL200720063170.X，2009.12.31)，存在以下两个根本性缺陷：

第一，进口管箱没有流态化流化球的均布结构，各换热管内的流化球浓度势必非常悬殊，有些区域的换热管内流化球浓度低者污垢清洗严重不足，少数换热管内甚至没有进入流化球；浓度高者过度清洗伤害管表面保护膜，影响设备安全运行与使用寿命。出口管箱没有设计保障流态化流化球顺畅排出的专用结构，势必会造成局部区域的沉积，随着沉积区域的逐步扩大，不可避免的引发靠最低层换热管出口的阻塞。因而，只能在水平单管换热器中应用，无法在换热管以数十分、数百计的工程实际中应用，

第二，螺旋线的“外径D与传热管内径d_i的比值(D/d_i)在0.90～0.98范围：势必造成流化球逐渐卡塞在管内壁与钢丝螺旋线之间的缝隙内，而且螺旋线背流区的成为污垢清洗的盲区。

第三，在粒子循环和浓度调控方面也存在明显的缺点。一是需要在主体设备外部独立设置一台的流态化流化球外“循环槽”，由此必然增加连接的管线和阀门；二是对于诸如管程流量一类基本参数需要调节的传热设备，“循环槽的下部流态化液配制管”这种结构的浓度调节操作技术难度大，并且调节范围往往难以满足工程要求。

发明内容

本发明专利提出一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，目的在于解决现有流态化技术存在的上述问题，能够使单管程、双管程、三管程、四管程结构的换热器的各换热管的流化球均布性满足自动清洗防垢的基本要求，换热管内壁污垢能够消除盲区得到全面清洗，并且使流化球浓度调节的范围更大、操作更简便，运行的可靠性更高。因此，可以适合于管内壁会生长结晶盐类的冷却器、冷冻设备、结晶器、蒸发器，和生长硬垢的水冷设备。

本发明专利的技术方案为：一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，主要部件有均布管箱、出口管箱、换热管、钢丝螺旋线、流化球、文丘里、调节阀、进口管线、出口管。每根换热管内设置一根钢丝螺旋线，安装在进口端管口的固定架上，尾端自由；钢丝的直径1.0～3.0mm；螺旋线外径与管内壁之间的直径间隙大于流化球直径的两倍。钢丝螺旋线的螺距为换热管内径的(1.0～3.5)倍，具体取值主要依据硬垢清洗需要的强度和流速大小，一般是流速愈低，螺距就愈小，以便流化球产生较大的离心力，使流化球更好地富集到管内壁区域、并且有较大的离心压力，来增强清洗硬垢的能力。任何管程最低下2～3排的换热管内的钢丝螺旋线螺距要比其它换热管内的钢丝螺旋线螺距大10％以上，并且愈是低下排的螺距愈大。凡是流体向上流动的均布管箱，在最低下的2～3排的换热管出口端，都须安装一个90度的加速弯头插件，加速弯头的结构形状是出口端直径为进口端直径的0.9倍以下。均布管箱的均布盖不是承压端盖时，均布盖与承压端盖之间设计有压力平衡连通孔。均布盖曲面距离管板的高度设计原则，是使均布管箱内与换热管垂直方向的横向流速维持在流化球均布流动要求的范围内，若是向上流要求不低于流化球沉降速度的2.0倍以上，若是向下流要求不高于流化球沉降速度的1.5倍，以免进入各换热管的流化球数的多少悬殊。

在有进口管的均布管箱内，通过设置径向均布板来提高流化球在与流速垂直方向的分布均匀性，径向均布板的快数多少与换热器直径大小为一致性关系；通过设置有分区均布板来提高流化球在在流速方向的分布均匀性，分区均布板的快数多少与与进口管(8)的流速高低、换热器直径大小有一致性关系。

出口管箱内垂直方向流通的最大截面的高度H设计原则，是使得通过该截面的流速低于添加流化球的沉降速度的1/3，来确保参与循环流化球沉降分离的要求，出口管箱的底部是流化球循环槽。

进口管线上设计有为流化球在换热器系统内循环流动提供动力的文丘里和便于控制流化球合理浓度的调节阀。进口管线的水平段内都必需安装钢丝螺旋线，防止流化球沉积堵塞。

流态化可以是河沙、瓷球、金属球、塑料球、胶球，依据液体的腐蚀性、温度、污垢的软硬等选择。必需对管程液体是惰性的材质，同时耐磨性要好。

生产运行时，换热管内的钢丝螺旋线总是在发挥对流传热强化作用，可以使管内侧对流传热系数提高50％左右。本发明专利通过均布管箱、不同螺距钢丝螺旋线配置、加速弯头等多种措施，综合提高进入各换热管的流化球的数量的均匀性。这些流化球随管内液体作螺旋线运动，具有一定的离心力，自然富集到管内壁，对管内壁硬垢产生一定的离心压力，流化球在此压力下的滑动擦洗，实现硬垢的有效清洗。由于螺旋线外径与管内壁之间的间隙大于2倍的流化球直径，加上钢丝螺旋线是尾端自由的横向振动，所以流化球不难穿越该间隙，从而避免钢丝螺旋线背流区成为流化球擦洗的盲区，达到全面均匀清洗的目的。除了流化球的滑动擦洗作用外，钢丝螺旋线的径向振动和轴向的伸缩游动也有一定的自动清洗作用。

值得注意是流化球还有更宝贵的自动防垢作用。其原理是富集在换热管内壁的流化球，在螺旋线液流推动下产生每分钟数千转的高速滚动。这一高速滚动对边界层产生强烈的直接搅混作用。滚动的流化球表面对液体的粘性摩擦力引发的涡流穿越边界层的横向质量输运，很有效的强化了传热传质过程、降低了边界滞流层的过热度(或过冷度)和过饱和度，缓解甚至避免了硬垢(或结晶)的生长。

由于钢丝螺旋线在换热管内是进口端固定不能旋转，不会发生钢丝螺旋线与换热管之间的磨损，可靠性高，并且结构简化。

附图说明

图1是一种振动螺旋流态化卧式列管换热器的单管程结构示意图。

图1a、图1b、图1c分别图1的A-A剖视图、(件号4)加速弯头的结构放大图、换热管内钢丝螺旋线的组装示意图。

图2a、图2b分别是上下方向进口管的双管程的振动螺旋流态化卧式列管换热器结构示意图。

图3a、图3b分别是三管程的振动螺旋流态化卧式列管换热器结构示意图和管程截面排布的D-D剖视图。

图4a、图4b、图4c分别是四管程的振动螺旋流态化卧式列管换热器结构示意图和管程截面排布的B-B和C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合附图1、1a、1b、1c、2a、2b、3a、3b、4a、4b、4c，对本发明作进一步详细的描述。

图中的  1调节阀  2文丘里  3流化球  4加速弯头  5换热管  6钢丝螺旋线  7进口管线  8进口管  9分区均布板  10径向均布板  11均布盖  12承压端盖  13均布管箱  14管板  15循环槽隔板  16档沙板  17出口管  18出口管箱  19最大截面  20流化球循环槽  21固定架

一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，主要部件有均布管箱13、出口管箱18、换热管5、钢丝螺旋线6、流化球3、文丘里2、调节阀1、进口管线7、出口8管。每根换热管5内设置一根钢丝螺旋线6，安装在进口端管口的固定架21上，尾端自由；钢丝的直径1.0～3.0mm；螺旋线外径与管内壁之间的直径间隙大于流化球3直径的两倍。钢丝螺旋线6的螺距为换热管5内径的(1.0～3.5)倍，具体取值主要依据硬垢清洗需要的强度和流速大小，一般是流速愈低，螺距就愈小，以便流化球3产生较大的离心力，使流化球3更好地富集到管内壁区域、又有较大的离心压力，来增强清洗硬垢的能力。任何管程的最低下2～3排的换热管5内的钢丝螺旋线6螺距要比其它换热管5内的钢丝螺旋线6螺距大10％以上，并且愈是低下排的螺距愈大。凡是流体向上流动的均布管箱13，在最低下的2～3排的换热管5出口端，都须安装一个90度的加速弯头4插件，加速弯头4的结构形状是出口端直径为进口端直径的0.9倍以下。均布管箱13的均布盖11不作为承压端盖12时，均布盖11与承压端盖12之间设计有压力平衡连通孔。均布盖11曲面距离管板14的高度设计原则，是使均布管箱13内与换热管5垂直方向的横向流速维持在流化球3均布流动要求的范围内，若是向上流要求不低于流化球3沉降速度的2.0倍以上，若是向下流要求不高于流化球3沉降速度的1.5倍，以免进入各换热管5的流化球3数的过分悬殊。

在有进口管8的均布管箱13内，通过设置径向均布板10来提高流化球3在与流速垂直方向的分布均匀性，径向均布板10的块数多少与换热器直径大小有一致性关系；通过设置有分区均布板9来提高流化球3在在流速方向的分布均匀性，分区均布板9的块数多少与与进口管8的流速高低、换热器直径大小有一致性关系。

出口管箱18内垂直方向流通的最大截面19处的高度H设计原则，是使流体通过该截面的流速低于添加流化球的沉降速度的1/3，来确保参与循环流化球沉降分离的要求，出口管箱的底部是流化球循环槽。

进口管线7上设计有为流化球3在换热器系统内循环流动提供动力的文丘里2和便于控制流化球3合理浓度的调节阀1。文丘里2以后的进口管线7的水平段内都必需安装钢丝螺旋线6，防止发生流化球3沉积堵塞。

流化球3可以是河沙、瓷球、金属球、塑料球、胶球，依据液体的腐蚀性、温度、污垢的软硬等选择。必需对管内液体是惰性的材质，同时耐磨性要好。

生产运行时，换热管5内的钢丝螺旋线6总是在发挥对流传热强化作用，可以使管内侧对流传热系数提高50％左右。本发明专利通过均布管箱13、不同螺距的钢丝螺旋线6的配置、加速弯头4等多种措施，综合提高进入各换热管5的流化球3的数量的均匀性。这些流化球3随管内液体作螺旋线运动，具有一定的离心力，自然富集到管内壁，对管内壁硬垢产生一定的离心压力，流化球3在此压力下的滑动擦洗，实现硬垢的有效清洗。由于钢丝螺旋线6外径与管内壁之间的间隙大于2倍的流化球3直径，加上钢丝螺旋线6是尾端自由的横向振动，所以流化球3不难穿越该间隙，从而避免钢丝螺旋线6的背流区成为流化球3擦洗的盲区，达到全面均匀清洗的目的。除了流化球3的滑动擦洗作用外，钢丝螺旋线6的径向振动和轴向的伸缩游动也有一定的自动清洗作用。

值得注意是流化球3还有更宝贵的自动防垢作用。其原理是富集在换热管5内壁的流化球3，在螺旋线液流推动下产生每分钟数千转的高速滚动。这一高速滚动对边界层产生强烈的直接搅混作用。滚动的流化球3表面对液体的粘性摩擦力引发的涡流穿越边界层的横向质量输运，很有效的强化了传热传质过程、降低了边界滞流层的过热度(或过冷度)和过饱和度，缓解甚至避免了硬垢(或结晶)的生长。

由于钢丝螺旋线6在换热管5内是进口端固定不能旋转，不会发生钢丝螺旋线6与换热管5之间的磨损，可靠性高，并且结构简化。

Claims (4)

1.一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，主要结构部件有均布管箱(13)、出口管箱(18)、换热管(5)、钢丝螺旋线(6)、流化球(3)、文丘里(2)、调节阀(1)、进口管线(7)，其特征为：每根换热管(5)内设置一根钢丝螺旋线(6)，安装在进口端管口的固定架(21)上，尾端自由；钢丝的直径为1.0～3.0mm；钢丝螺旋线(6)外径与换热管(5)内壁之间的直径间隙大于流化球(3)直径的两倍；钢丝螺旋线(6)的螺距为换热管(5)内径的1.0～3.5倍，取值主要依据硬垢清洗需要的强度和流速大小；任何管程中排在靠底部的2～3排换热管(5)内的钢丝螺旋线(6)的螺距，要比其它换热管(5)内的钢丝螺旋线(6)的螺距大10％以上，并且愈是排在靠底部的螺距愈大；均布管箱(13)的均布盖(11)不作为承压端盖(12)，均布盖(11)与承压端盖(12)之间设计有压力平衡连通孔；均布盖(11)曲面距离管板(14)的高度设计原则，是使均布管箱(13)内与换热管(5)垂直方向的横向流速，保持在流化球(3)均布流动要求的范围内，若是向上流要求不低于流化球(3)沉降速度的2.0倍以上，若是向下流要求不高于流化球(3)沉降速度的1.5倍，以求进入各换热管(5)的流化球(3)的数量不过分悬殊；有进口管(8)的均布管箱(13)的结构，设置有上下分隔的分区均布板(9)和径向均布板(10)；出口管箱(18)内垂直方向流通的最大截面(19)的高度H设计原则，是使得通过该截面的流速，低于添加的流化球(3)的沉降速度的1/3，来满足参与循环的流化球(3)沉降分离的要求，出口管箱(18)的底部是储存流化球(3)的循环槽(20)；进口管线(7)上设计有为流化球(7)在换热器系统内循环流动提供动力的文丘里(2)和便于控制流化球(3)合理浓度的调节阀(1)；文丘里(2)以后的进口管线(7)的水平段内都必需安装钢丝螺旋线(6)，防止流化球沉积堵塞。

2.根据权利要求1的一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，其特征在于：流体向上流动的均布管箱(13)内，排在靠底部的2～3排换热管(5)的出口端都要安装一个90度的加速弯头(4)插件，加速弯头(4)的结构形状是出口端直径为进口端直径的0.9倍以下。

3.根据权利要求1的一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，其特征在于：均布管箱(13)内通过设置径向均布板(10)来提高流化球(3)在与流速垂直方向的分布均匀性，径向均布板(10)的块数多少与换热器直径大小有一致性关系。

4.根据权利要求1的一种振动螺旋流态化卧式列管换热器，其特征在于：进口管箱(13)内通过设置有分区均布板(9)来提高流化球(3)在流速平行方向的分布均匀性，分区均布板(9)的块数多少与进口管(8)的流速高低、换热器直径大小有一致性关系。

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