CN104165534A - 松弛配合扭带球突管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了松弛配合扭带球突管式换热器，外壳的两端内壁上各安装有一个管板，外壳的一端顶部设置有热介质进口管，外壳的另一端底部设置有热介质出口管，内设置有水平隔板，一端顶部设置有冷介质进口管，底部设置有冷介质出口管，外壳的内部沿管径方向设置有多个折流板，折流板上下交错安装在外壳内壁上，使外壳内部形成从一端至另一端上下交错的气流通道，外壳内沿轴向设置多个管束，管束的两端均固定在管板的管板孔内，管束穿过折流板并被折流板所支撑，管束为松弛配合扭带球突管束。本发明的有益效果是结合了粗糙表面强化和采用远壁面扰流元件两种强化换热方式，强化换热效应。

Description

松弛配合扭带球突管式换热器

技术领域

本发明属于热力设备技术领域，涉及松弛配合扭带球突管式换热器。

背景技术

强化换热技术广泛应用于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、供暖、食品和制冷等领域中，典型的应用装备包括换热器、空调、化学反应设备以及制冷设备。被动强化换热作为重要的强化换热技术之一，能够有效的提高设备传热效率、减小设备尺寸以及降低其成本。高效换热元件的开发是被动强化换热的核心技术，深入研究其流动和传热的内在机理和规律对换热装备的设计、优化有着重要的实际意义。

从二十世纪七十年代至今，强化传热技术的开发和应用研究被全世界国家的学者放在举足轻重的地位。进入九十年代以后，强化传热技术进入飞速发展阶段，其更新换代日新月异，第二代强化传热技术逐渐被认为是一种常规技术，因此各学者着手开始将第二代技术向第三代发展。著名学者Bergles最近提出了一种最新的第四代复合强化传热技术的概念，即将二种或几种强化换热手段同时使用，使得换热效果优于单一手段作用下的强化换热效应。

目前为止，传统的高效换热器多采用单一的强化换热手段。一是采用粗糙表面强化换热管，通过改进壁表面形状设计形成脱涡流，达到破坏边界层，提高边界层内的传热性能的目的，例如横纹槽管、螺旋槽管、纵槽管、波纹管、正旋管以及翅片管等。二是采用远壁面扰流元件，产生了连续不断的涡流，在离心力的影响下使管中心的流体和壁面边界层的流体充分混合。但是单一的手段其换热效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供松弛配合扭带球突管式换热器，解决了现有的换热器多采用单一的强化换热手段、换热效果不理想的问题。

本发明所采用的技术方案是包括管状外壳、冷介质进口管、冷介质出口管、热介质进口管、热介质出口管、两个管板、第一封头、第二封头、水平隔板、多个折流板和管束；其中，外壳的两端内壁上各安装有一个管板，外壳其中一端开口部安装有第一封头，外壳的另一端开口部安装有第二封头，第一封头和第二封头将外壳的两端开口封闭，外壳的一端顶部设置有热介质进口管，外壳的另一端底部设置有热介质出口管，第一封头内设置有水平隔板，将第一封头内部空间分割成上下相同的两部分，第一封头的顶部设置有冷介质进口管，第一封头的底部设置有冷介质出口管，外壳的内部沿管径方向设置有多个折流板，折流板上下交错安装在外壳内壁上，使外壳内部形成从一端至另一端上下交错的气流通道，外壳内沿轴向设置多个管束，管束的两端均固定在管板的管板孔内，管束穿过折流板并被折流板所支撑，管束为松弛配合扭带球突管束。

进一步，所述松弛配合扭带球突管束的管束内径D为20mm，内插扭带的180°扭距y，球突管结合松弛配合扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个波形结构，球突突距即波距p为25-50mm，球突管与扭带之间是松弛配合，扭宽w小于管的内径。

进一步，所述球突的突距和松弛配合扭带的匹配设计包括3种布置，突距小于扭距，突距等于扭距以及突距大于扭距。

进一步，所述突深为0.5mm～2mm。

本发明的有益效果是结合了粗糙表面强化和采用远壁面扰流元件两种强化换热方式，鉴于表面基和流体基强化措施的作用区域不同，避免了强化换热管的构形冲突并且其共存可以形成合力，使得松弛配合扭带球突管式换热器的换热效应进一步加强。

附图说明

图1是本发明管壳式换热器结构示意图；

图2是本发明松弛配合扭带结构示意图；

图3是本发明管束布置径向截面图；

图4是本发明实施例1纽带布置示意图；

图5是本发明实施例2纽带布置示意图；

图6是本发明实施例3纽带布置示意图。

图中，1.管状外壳，2.冷介质进口管，3.冷介质出口管，4.热介质进口管，5.热介质出口管，6.管板，7.第一封头，8.折流板，9.管束，10.第二封头，11.水平隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示是本发明管壳式换热器结构示意图，本发明包括管状外壳1、冷介质进口管2、冷介质出口管3、热介质进口管4、热介质出口管5、两个管板6、第一封头7、第二封头10、水平隔板11、多个折流板8和管束9；其中，外壳1的两端内壁上各安装有一个管板6，外壳1其中一端开口部安装有第一封头7，外壳1的另一端开口部安装有第二封头10，第一封头7和第二封头10将外壳1的两端开口封闭，外壳1的一端顶部设置有热介质进口管4，外壳1的另一端底部设置有热介质出口管5，第一封头7内设置有水平隔板11，将第一封头7内部空间分割成上下相同的两部分，第一封头7的顶部设置有冷介质进口管2，第一封头7的底部设置有冷介质出口管3，外壳1的内部沿管径方向设置有多个折流板8，折流板8上下交错安装在外壳1内壁上，使外壳1内部形成从一端至另一端上下交错的气流通道，外壳1内沿轴向设置多个管束9，管束9的两端均固定在管板6的管板孔内，管束9穿过折流板8并被折流板8所支撑，管束9为松弛配合扭带球突管束。

本发明主要是对传统的管壳式换热器采取强化措施，用一种松弛配合扭带球突管式换热器代替传统的光管，松弛配合扭带球突管结构参数比较复杂，如图2所示包括管的内径D，内插扭带的180°扭距y，球突管结合松弛配合扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个波形结构，结构参数包括波峰半径R、波深H、球突突距即波距p。球突管与扭带之间是松弛配合，扭宽w小于管的内径，因此有一个余隙率C＝(D-w)/D。图3是本发明管束布置径向截面图。包括管间距(tp)，波峰间距(wp)。

本发明设计出一种松弛配合扭带球突管结构，球突结构和内置扭带之间相互配合，球突的圆弧半径R在加工允许范围内取5mm-20mm。球突的突距和松弛配合扭带的匹配设计包括3种布置，突距小于扭距，突距等于扭距以及突距大于扭距。突深为0.5mm～2mm，突深会影响突起间的距离，对壳侧的传热性能和阻力性能影响较大。扭带和管路的材质可以根据不同的换热工况选取不锈钢、碳钢以及合金钢。

本发明运用表面基和流体基协同强化的理念，设计了一种松弛配合扭带球突管式换热器。由于壳程的节流效应，外胀式波节管的壳程强化换热效果明显高于管程，管内插扭带的引入进一步增强管程的强化换热能力，可实现双边同时高效强化换热的效果，因此特别适用于管侧和壳侧需要同时高效强化的气-气(汽)换热工况。

本发明一种高效的松弛配合扭带球突管式换热器，采用表面基与流体基协同作用下的复合强化换热技术，大大提高了综合传热效率。并且，松弛配合扭带球突管式换热器能够实现周期性混合与分离的同时节省材料，降低制造成本。而且，本发明的松弛配合扭带球突管式换热器与传统的间隙扭带管相比，在扩展表面上加装了涡产生器，可以损失较小流动阻力增幅的条件下，使其能够在较宽雷诺数范围内明显提升强化换热效应。另外，能够实现管侧和壳侧的双侧强化换热，适用于气-气(汽)换热，增加了介质的适用范围。该高效换热管的旋流效应使其在防结垢方面具有很大优势，而且这种高效换热管的开发可直接应用于旧管壳式换热器的改造设计，将传统换热管替换而达到换热器的高效化。

本发明的松弛配合扭带球突管式换热器的综合传热效率公式为：

η＝(Nu·Nu_s ^-1)·(f·f_s ^-1)^-1/3；

其中，Nu＝α·D·ν^-1－努谢尔特数。α－对流换热系数；D－定性尺寸；ν－运动粘度。f＝Δp·(L·D^-1)^-1·(0.5·ρ·U_b ²)^-1－摩擦阻力系数。Δp－压力损失；L－管长；ρ－密度；U_b－平均流速。下角标：s－光管。

下面列举具体实施例对本发明进行说明：

具体实施方案一：(参照图4)本实施方案所述的是内置松弛配合扭带球突管的几何模型。管的内径D为20mm，突距为50mm。内插扭带的180°扭距y＝50mm，扭宽w＝18mm。波节管结合内插扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出波形结构，波深H＝1mm，此实施方案管壁与扭带的余隙率C＝0.1。

具体实施方案二：(参照图5)本实施方案与实施方案一的不同点在于扭宽w＝16mm,余隙率C＝0.2，其他结构与实施方案一相同。

具体实施方案三：(参照图6)本实施方案与实施方案一的不同点在于扭宽w＝14mm，余隙率C＝0.3，其他结构与实施方案一相同。

本发明的优点有：

(1)本发明的内置松弛配合扭带球突管式换热器采用表面基与流体基协同作用下的复合强化换热技术，结合热边界层破坏的经典强化换热理论，使得其与传统的表面粗糙或者内部扰流单独作用相比具有更好的传热性能。

(2)本发明的内置松弛配合扭带球突管式换热器相比于紧密配合扭带由于余隙率的存在，能够大大的降低流动阻力，从而明显的提高综合传热效率η，但是会相应的牺牲少量的换热效率。

(3)本发明的内置松弛配合扭带球突管式换热器能够在任何流态下明显提高传热性能。内置松弛配合扭带与球突管之间的间隙和球突管内凹槽相互配合，通过引流的方式使得流体在任何流体下都能产生二次流，而现有的强化换热手段只能实现湍流状态下的强化换热效应。

(4)本发明的内置松弛配合扭带球突管式换热器有明显的除污的效果，扭带与球突管之间的间隙使得流体集中在近壁面进行冲刷，在近壁面更容易形成二次流，对于贴壁污垢的形成具有抑制作用，并且能够去除已经形成的污垢。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.松弛配合扭带球突管式换热器，其特征在于：包括管状外壳(1)、冷介质进口管(2)、冷介质出口管(3)、热介质进口管(4)、热介质出口管(5)、两个管板(6)、第一封头(7)、第二封头(10)、水平隔板(11)、多个折流板(8)和管束(9)；其中，外壳(1)的两端内壁上各安装有一个管板(6)，外壳(1)其中一端开口部安装有第一封头(7)，外壳(1)的另一端开口部安装有第二封头(10)，第一封头(7)和第二封头(10)将外壳(1)的两端开口封闭，外壳(1)的一端顶部设置有热介质进口管(4)，外壳(1)的另一端底部设置有热介质出口管(5)，第一封头(7)内设置有水平隔板(11)，将第一封头(7)内部空间分割成上下相同的两部分，第一封头(7)的顶部设置有冷介质进口管(2)，第一封头(7)的底部设置有冷介质出口管(3)，外壳(1)的内部沿管径方向设置有多个折流板(8)，折流板(8)上下交错安装在外壳(1)内壁上，使外壳(1)内部形成从一端至另一端上下交错的气流通道，外壳(1)内沿轴向设置多个管束(9)，管束(9)的两端均固定在管板(6)的管板孔内，管束(9)穿过折流板(8)并被折流板(8)所支撑，管束(9)为松弛配合扭带球突管束。

2.按照权利要求1所述松弛配合扭带球突管式换热器，其特征在于：所述松弛配合扭带球突管束的管束内径D为20mm，内插扭带的180°扭距y，球突管结合松弛配合扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个波形结构，球突突距即波距p为25-50mm，球突管与扭带之间是松弛配合，扭宽w小于管的内径。

3.按照权利要求2所述松弛配合扭带球突管式换热器，其特征在于：所述球突的突距和松弛配合扭带的匹配设计包括3种布置，突距小于扭距，突距等于扭距以及突距大于扭距。

4.按照权利要求2所述松弛配合扭带球突管式换热器，其特征在于：所述突深为0.5mm～2mm。