CN102954728B - 用于管壳式换热器的换热管和管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管壳式换热器的换热管，属于化工机械领域。其包括以非固定方式设于换热管内的混合器，所述混合器为具有中央通道的螺旋式无轴混合器。本发明还涉及一种使用所述换热管的管壳式换热器。本发明的管壳式换热器具有换热管内的流体的湍流程度高，换热效率高的优点。

Description

用于管壳式换热器的换热管和管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器以及换热器组件，特别是带有混合器的换热管和使用该换热管的管壳式换热器。

背景技术

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、制药以及其他许多工业部门广泛使用的一种设备。在化工企业中，换热器的投资约占总投资的10-20％。受世界性能源危机的影响，为了降低能耗，伴随着工业生产对换热器需求的迅速增加，对换热器的性能要求也越来越高。

在现有技术中，由于管壳式换热器的高度可靠性和广泛的适用性，因此它在实际应用中占据着主导地位。目前，管壳式换热器都是利用传统的换热方式，即通过换热管壁利用温差进行传热。但是，在该传统的管壳式换热器中，在靠近换热管内壁处会产生层流内层，该层流体流速慢，湍流程度极低，不利于管程流体与壳程流体的换热。

目前，绝大部分高效管壳式换热器是通过在换热管的内壁上刻槽，提高换热管内流体的边界湍流程度来提高传热效率。但是，该方法仅能破坏流体的边界层，并不能提高换热管内部的流体的湍流程度，从而造成换热管内中心部位处的流体的热传导效率不高，影响了整个设备传热效率。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种带有混合器的换热管，其能够提高换热管内流体的湍流程度。同时本发明还提出了一种使用该换热管的管壳式换热器，换热管内流体的湍流程度高，换热器的换热效率也较高。

根据本发明的一方面，提出了一种用于管壳式换热器的换热管，其包括以非固定方式设于换热管内的混合器，所述混合器为具有中央通道的螺旋式无轴混合器。

根据本发明，在使用中，混合器会因流经换热管内部的流体的推动力而转动，从而实现换热管边缘处的流体和中心部位处的流体的混合，提高了换热管内流体的湍流程度。这样，换热管中的流体温度趋向于一致，因此其换热效率得到提高。

在一个实施例中，所述螺旋式无轴混合器与换热管为分体装配结构。用语“分体装配结构”指的是螺旋式无轴混合器和换热管为分开制造，然后再将混合器装配到换热管中。这样使得换热管和混合器的生产变得非常方便，同时也方便了换热管的清洗和装配以及混合器的更换。

在一个实施例中，所述螺旋式无轴混合器的螺旋升角设置成使得在流体从换热管中流过时，混合器能够旋转但不移动。用语“不移动”包括混合器完全不移动的情况，以及混合器仅能够沿换热管的长度方向稍有移动但其端部不移出换热管的端部的情况。也就是说，混合器在换热管内沿长度方向移动时，其整体位于换热管内部。

为了保证混合器能在换热管中旋转而且不被流体冲出，除了其螺旋升角外，还需要考虑流体流速以及混合器重量等因素。一般来说，流体的流速越大，混合器的螺旋升角越小；混合器的重量越大，混合器的螺旋升角也越小。此外，混合器与换热管壁之间的滚动摩擦力和滑动摩擦力也是重要的影响因素。因此，流体流速与螺旋升角以及其他因素可由下面公式确定：

$\sqrt{\frac{W{\&CenterDot;f}_G}{(1-f_G\cos \mathrm{\&alpha;})S}}<V<\sqrt{\frac{W}{(\frac{1}{f_H}-\sin \mathrm{\&alpha;})S}}$

式中，V为流体流(m/s)，f_H为滑动摩擦系数，W为混合器重量(Kg)，f_G为滚动摩擦系数，S为换热管横截面积(m²)，α为叶片螺旋升角(度)。在一个优选实施例中，螺旋式无轴混合器的螺旋升角设置为不大于45°。更优选地，螺旋式无轴混合器的螺旋升角为25°。

根据本发明，螺旋式无轴混合器的直径小于换热管的直径，并且螺旋式无轴混合器的长度小于换热管的长度。在一个实施例中，螺旋式无轴混合器的直径比换热管的直径小1-2mm，和/或螺旋式无轴混合器的长度比换热管的长度小50-100mm。由于螺旋式无轴混合器的长度小于换热管的长度，从而保证了从换热管中流过的流体的流速有一个安全范围，即当流体的流速在安全范围中变化时，布置在换热管内的螺旋式无轴混合器可沿长度方向稍有移动，但不至于移出换热管，从而使得本发明的换热管以及装有该换热管的管壳式换热器有更大的使用范围。

考虑到螺旋式无轴混合器对换热管内流体的阻力，根据本发明，将其螺距设定为适当值。在一个实施例中，螺旋式无轴混合器的螺距与换热管内径的比为2-3。

在一个实施例中，螺旋式无轴混合器由金属带材螺旋绕制而成，带材的厚度优选为3-10mm。在另一个实施例中，所述螺旋式无轴混合器由工程塑料机加工或压制而成。

对于金属材料，先用厚度为3-10mm的金属带材沿着一根轴进行螺旋绕制形成螺旋，然后抽掉轴，从而形成无轴且中心留有通道的螺旋式无轴混合器。轴的直径一般不大于10mm，因此混合器的中央通道的直径一般也不大于10mm。混合器的材料一般可选用与换热管相同的材料，例如，碳钢可选用Q235A、10、20钢等；不锈钢可选用06Cr19Ni10、022Cr19Ni10、06Cr17Ni12Mo2等。对于工程塑料，其生产方法可采用圆棒或圆筒机加工成型或者也可以采用模具压制成型等。所选用的工程塑料一般为聚四氟乙烯等。

根据本发明的另一方面，提供了一种管壳式换热器，其包括根据本发明的换热管。

本发明的优点在于，管壳式换热器使用了带有混合器的换热管。在流体推动力的作用下混合器发生转动，从而在换热管内部边缘和中心部分的流体得到混合，换热管内流体的湍流程度得到提高，并且整个换热管内流体温度的趋近于一致，从而提高了管壳式换热器的换热效率。此外，本发明的混合器不具有中心轴，而在其中心处存在有流体可从中流过的中央通道，从而大大降低流体的阻力，并且在该混合器转动时，可进一步提高流体的湍流程度，管壳式换热器的换热效率也得到进一步提高。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的管壳式换热器的示意图；

图2是根据本发明的装有混合器的换热管的示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的管壳式换热器1，其包括以下部件：筒体7、换热管9、管板4、折流板6以及封头2。换热管9在筒体7中呈平行排列，其两端固定在管板4上。为了提高壳程流体的换热系数，在筒体内安装有折流板6，以防止流体短路、增加流体流速，并强迫流体按照规定的路径流动，提高换热效率。在筒体7的两端部分别安装了封头2，组成管壳式换热器1。上述特征是本领域的技术人员所熟知的，因此为节约篇幅起见在此未对其进行更具体的描述。

根据本发明，为了提高换热管9内的流体的湍流程度，在其内部布置了螺旋式无轴混合器5。当流体流过时，螺旋式无轴混合器5会发生旋转，由此混合换热管内的流体，增加其湍流程度。

图2示意性地显示了根据本发明的装有螺旋式无轴混合器的换热管。在换热管9中沿其长度方向布置了螺旋式无轴混合器5，其直径与换热管9的内径相匹配，在一个实施例中，螺旋式无轴混合器5的直径小于换热管9的内径，并且螺旋式无轴混合器5的长度小于换热管9的长度。

在使用过程中，流体进入换热管9后，沿着螺旋式无轴混合器5的螺旋叶片和其中央通道流动。在流体推动力的作用下，螺旋式无轴混合器5会发生转动。通过精确调节流体的流速，可保证螺旋式无轴混合器5发生转动而且不会被冲出换热管9。螺旋式无轴混合器5的转动对换热管9内的流体产生扰动，提高了换热管9内流体的湍流程度，使边界层减薄，换热管9内流体的温度趋向于一致，从而提高了换热器的传热系数。

本发明的螺旋式无轴混合器5与换热管9为分体装配结构，可先将螺旋式无轴混合器5加工好，然后再方便地安装到换热管9中。

下面来介绍根据本发明的一个具体实施例中。在该实施例中，管壳式换热器1的内径为800mm，长度为1000mm，换热管9的规格为45×3mm，数量为145根。螺旋式无轴混合器5的直径小于换热管9的内径1-2mm，因此选择其直径为38mm，其长度小于换热管9的长度50-100mm，因此选择其长度为950mm，其螺旋升角α为25°，螺距为40mm，叶片厚度为4mm。

在使用中，管程流体为90℃的热水，其流速为0.9m/s，壳程流体为20℃的冷水。经过根据本发明的管壳式换热器进行热交换之后，管程热水出口温度降低到35℃，壳程冷水出口温度升高到33℃。而在相同的实验条件下，使用传统无混合器的管壳式换热器进行热交换，壳程冷水出口温度只能升到30℃，由此可得出本发明的管壳式换热器的传热系数K比传统无混合器的管壳式换热器的传热系数K提高至少10％，大大提高了传热效率。当换热管直径较大，如DN≥45mm时换热效率的提高效果更明显，因此本发明对大直径的管壳式换热器更实用。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种用于管壳式换热器的换热管，包括以非固定方式设于换热管内的混合器，所述混合器为具有中央通道的螺旋式无轴混合器，

所述螺旋式无轴混合器的螺旋升角设置成使得在流体从所述换热管中流过时，所述混合器能够旋转但不移动，

所述螺旋式无轴混合器的螺旋升角设置为不大于45°，

所述螺旋式无轴混合器的螺距与所述换热管的内径之比为2-3，

所述螺旋式无轴混合器的直径比换热管的直径小1-2mm，和/或螺旋式无轴混合器的长度比换热管的长度小50-100mm。

2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述螺旋式无轴混合器与换热管为分体装配结构。

3.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述螺旋式无轴混合器的螺旋升角为25°。

4.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述螺旋式无轴混合器由金属带材螺旋绕制而成。

5.根据权利要求4所述的换热管，其特征在于，所述带材的厚度为3-10mm。

6.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述螺旋式无轴混合器由工程塑料机加工或压制而成。

7.一种管壳式换热器，其包括如权利要求1到6中任一项所述的换热管。