CN104180689A - 内置全长扭带球突管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内置全长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，管束为内置全长扭带球突管束。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

内置全长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，涉及内置全长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内置全长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，管束为内置全长扭带球突管束。

进一步，所述内置全长扭带球突管束的管内径D为20mm，内插扭带的180°扭距y范围为25-75mm，球突管结合内置全长扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个凸起的波形结构，扭宽与管内径相等。

进一步，所述球突的突距和内置全长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，所述突距范围为25mm～50mm。

进一步，突深范围为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，使得内置全长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是本发明内置全长扭带结构示意图；

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7是本发明实施例4纽带布置示意图；

图8是本发明实施例5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为内置全长扭带球突管束。

本发明主要是对传统的管壳式换热器采取强化措施，用球突管与内置全长扭带相配合代替传统的光管，内置全长扭带球突管结构比较复杂，如图2所示包括管的内径D，内插扭带的180°扭距y，球突管结合内置全长扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个凸起的波形结构，结构参数包括球突的圆弧半径即波峰半径R、波深H、波距即球突的突距为p。球突管中的扭带是内置全长，扭宽w与管内径相等。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)。球突的突距和内置全长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H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，设计了一种内置全长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。

本发明一种高效的内置全长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，内置全长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，本发明的内置全长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。

本发明的内置全长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全长扭带球突管的几何模型。管的内径D为20mm。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，结构参数包括波深H、波距即突距p。参数分别为H＝1mm，波距p＝50mm。扭矩50mm。此实施方案的内置全长扭带球突管与传统的扭带管比较，传热性能和综合传热性能分别能够提高2.55和2.24倍。

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波距p＝25mm，其他结构与实施方案一相同。此实施方案的波距小于扭距。

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距y＝25mm，其他结构与实施方案一相同。

具体实施方案四：(参照图7)本实施方案与实施方案一的不同点在于波深H＝2mm，其他结构与实施方案一相同。

具体实施方案五：(参照图8)本实施方案与实施方案一的不同点在于波深H＝0.5mm，其他结构与实施方案一相同。

本发明的优点有：

(1)本发明的内置全长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，传热性能进一步升华，与传统的单作用强化换热技术相比具有更好的传热性能。

(2)本发明的内置全长扭带球突管式换热器具有二种重要结构，内置全长扭带结构和球突结构，现有的单一强化换热技术只包括一种特殊结构，因此不涉及两种结构间参数的匹配问题，本发明针对不同扭距和波距匹配下的传热性能进行研究，为两种重要结构的最优配置提供依据。

(3)本发明的内置全长扭带球突管式换热器能够在较宽的雷诺数范围内明显提高综合传热性能。现有的换热器一般针对湍流状态的流体能够起到明显的强化换热效果，而本发明的特殊结构使得层流和过渡流的二次流效应明显增加，在层流、过渡流和湍流状态下都能够强化换热。

(4)本发明的内置全长扭带球突管式换热器能够实现管侧和壳侧的双侧强化换热，能够适用于气-气(汽)换热。其中球突结构通过节流效应增强壳侧的强化换热效应，内插扭带和球突结构相互配合增强了管侧的强化换热效应。因此，即使管侧和壳侧流体对流换热系数全部较低的情况，本换热器亦适用。

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 (5)

1.内置全长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)为内置全长扭带球突管束。

2.按照权利要求1所述内置全长扭带球突管式换热器，其特征在于：所述内置全长扭带球突管束的管内径D为20mm，内插扭带的180°扭距y范围为25-75mm，球突管结合内置全长扭带相比于光管结合内插扭带在壁面上多出一个凸起的波形结构，扭宽与管内径相等。

3.按照权利要求2所述内置全长扭带球突管式换热器，其特征在于：所述球突的突距和内置全长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所述内置全长扭带球突管式换热器，其特征在于：所述突距范围为25mm～50mm。

5.按照权利要求2所述内置全长扭带球突管式换热器，其特征在于：突深范围为0.5mm～2mm。