CN104697366A - 一种表面式逆流式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明电公开了一种表面式热交换器，其特征在于其传热增强：1、从客观和理论上得出结论的有极高传热效率的瓦型换热流道，并在其瓦型流道的凹弧壁面槽内设置弦肋，该不但更进一步提增加了其换热流道的传热的表面积，更是使换热流道的耐压能力得到大幅度提高；2、其换热的冷、热流体是相互完全逆流的；3、坡旋式的壳侧流体导流，它的传热增强效果是传统圆管式、板式……不可比的。其节能、省材的效果非常显著，应用前景极为广泛。

Description

一种表面式逆流式热交换器

技术领域

本发明涉及的是一种传热学技术，所提供的是一种特高热交换效能的热交换器。 

背景技术

目前，表面式热交换器种类繁多，不管其属于圆管换热流道直管式的、螺旋管式、喷淋蛇管式的；还是属于板式的螺旋式、平板式及紧凑肋式(叉流式)的，其热交换效能相对都不高；而且板类型的都要不耐压，运用范围受到限制。目前技术上将石化能源通过设备转化成人所实际利用的热值只在30％左右；有资料反应目前地球上的各种能源合起来总储量约为1万亿吨石油当量，按当今这种热值利用率的技术水平来消耗，地球上的所有能源只够人类使用140年。每年的工业、运输业消耗石化总能源的75％，不可再生资源大量的无功浪费：不但加快了资源枯竭的速度；而且给环境造成了极大的污染。其污染在于：一是大量的煤的燃烧后的废碴，大都靠水力冲走，堵塞河道、污染了水源，或大量的废碴料需再运，而重新消耗人力、物力和能源；二是石化燃料的无功燃烧造成大气污染，全国每年排放的烟尘达13-14百万吨；排放S02达16-17百万吨，光此造成的经济损失就达100多亿元(1996.12月出版的《工程师手册》第1006页)。即是人类将来有可能另一星球上找得到一种能用之不竭又无污染的能源，但节约始终要讲的，因为无功浪费，要长期地为之付出多开采或多提炼的人力、物力、财力；而且从外星运来，其运耗也是不得了的!即使是风力、太阳能、地热(大量地抽取地热水，会造成地陷和水质污染)、水力、潮汐，太阳能、它们都受天气、环境、季气和时间的不连续性的影响，水力发电无法取代火力发电的，因为电能的不可储存性，使得在秋、冬枯水季节期，靠水力发电是远远不能满足社会需求的。无论是用核能、燃煤、石油、还是地热……的任何种热能发电都离不开抽汽回热的换热设备(热能发电是蒸汽作功)；根据2000年3月9日《中国电力报》第一版，全国高效、节能的换热器、冷冻机、泵……通用类产品，每年只要能节约1％的能源，就可建一座300MW的热力发电厂，电力主要还是靠石化燃料来发电，水力发电只15％，风力、太阳能发电只占1.15％(摘自中国传动网09年国家统计局数据)。人类利用利用开发太阳能发电，据网上查，风力发电已有5500年历史了，太阳能发电也有近百年历史，到当今风力、太阳能发电量也只占1.几％，可见要取代石化能源，既是有可能也是一个难度极高又很遥远的梦!能源是万物、万事的完全之依靠之命脉，任何现代和将来的超高能、高智能的精、深的技术的实现，没有能源这块基石的支起也只是空谈。节约不可再生资源，尤其是石化能源是当务之急，减少排放改善人类生存环境，是当代人和子孙后代永不能放弃的追求目标。天天喊节能减排，节能减排是要靠技术手段的! 

发明内容

发明的目的是提供需一种换热效率极高的弦肋式瓦型管状的热交换流道换热器。在《一种流道逆流式热交换器》ZL200510073604.X的瓦型热交换流道的瓦型凹弧壁槽内，沿轴向按一定距离设置弦肋，以去掉簧撑和加强支撑件的麻烦，就此不但节约了材料；又在于与瓦型流道同成一体的弦肋能为增加瓦型换热流道的传热表面积更进一步提高了换热效率；又更为了提高瓦型换热流道变形的耐压强度。 

发明技术方案 

一种表面式逆流式热交换器由壳体3、弦肋式瓦型热交换流道1、管板6、坡旋式横锁导流板2、流道流体进口管8、流道流体出口管11、壳侧流体进口管5、壳侧流体出口管14、流道流体进口封头12、流道流体出口封头7组成。弦肋式瓦型换热流道1是由同心的凹弧壁面和凸弧壁面及两窄弧壁面h所围成，并在其凹弧壁槽内沿轴向按一定距离布置弦助15所构成的换热流道型。弦肋可以随压制瓦型流道的模具在凹 弧壁的一面设置形成；也可用预制的弦肋块在流道的凹弧壁槽内按距布固。弦肋的间距最大不能超出流道强度的允许距离。弦肋式瓦型热交换流道的排列，属于同一列的所有弦肋式瓦型热交换流道凹凸弧壁朝向都相同，而与邻列的则都相反。弦肋式瓦型热交换流道两端有管板6固定，穿越管板中心设置流道流体进口管8，在两管板之间设置坡旋式横锁导流板2。坡旋式横锁导流板的导程间距b根据弦肋式瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置，以便于弦肋与导流板上的流道孔16的玄边衔扣；坡旋式横锁导流板的导程间距b也可以不根据弦肋式瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置，前者16在不根据后者15的间距或间距倍数设时，前者的流道孔16可以不与后的弦肋15衔扣。以壳横截面对半的坡旋式横锁导流板个块，对应流道流体进口管的位置折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段。以流道流体进口管为旋导中心，在坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段与对边的另块坡旋式横锁导流板个块的斜折面段的上端的平面段搭接在一起，如反复地搭接构成壳侧流体的旋导式导流结构。流道流体进入流道流体进口管8，经流道流体进口封头12后进入弦肋式瓦型热交换流道1，与壳侧流体进行热交换后流入流道流体出口封头7然后经流道流体出口管11流出；壳侧流体进入壳侧流体进口管5，经坡旋式横锁导流板旋式导流，流向与弦肋式瓦型热交换流道内的流体流向互为相反，经壳侧流体出口管14流出，相互构成流道流体与壳侧流体的完全逆流式换热。流道流体进口管8从流道流体出口封头7伸出套上密封圈9与固管头10相扣接所固定。 

本发明的显著优点 

一、本发明的热交换器所用弦肋式瓦型热交换流道，其弦肋使瓦型换热流道进一步增加了传热表面积，使换热效率得到更大的提高；弦肋更在于提高了瓦型换热流道的耐压强度。虽说其流道内的流体压力是均匀作用在圆弧壁上，但其压力是作用在凸弧壁面的阴面和凹弧壁面的阳面，以作用在凹弧壁阳面上的流体压力P势必所产生的力会分解成F₂方向的力，和F₁方向的力的两个分力，F₁的力是使凹弧面横向展平的力，虽说在180°的弧壁上的F₁力积分为零，但是在该凹弧壁面的长度方向流体压力作用所产生的长度方向的弯矩力，在其导流板间距超出凹弧壁面弯矩允许应力距离时，该弧壁就会被流道内流体压力的作用下使之展平后进一步向外鼓出变形，而凸弧壁面则不会有这种变形过程，固而需在瓦型热交换流道的凹弧壁面的凹槽内依一定间距设置弦肋，以固定这种瓦状型流道能起到更好的耐压的作用；而且其弦肋与瓦型换热流道紧密成一体又进一步增加了其流道的传热面积，另又减少了设置簧撑和支撑件的麻烦。其弦肋不与导流板上的流道孔衔扣时，当壳侧流体的一小股穿越在流道孔与流道凹弧壁面槽空隙处的空隙时，该股流体还要翻越一个个按一定距离布置的横在凹弧壁凹槽内的若干弦肋，而且同列瓦型换热道凹弧壁面与不同列的凹弧壁面朝向相反，空隙流体在不同朝向的凹弧壁槽内的弦肋翻越相互交错，并且还与绝大部份顺坡旋式横锁导流板旋式流向的壳侧流体纵横交错相互搅动，这对换热起到了更好的强化作用!其空隙流体的折流正有如：《换热器设计手册》9～10页(化学工业出版社、工业装备与信息工程出版中心2002年8月出版)由美国菲利浦石油公司1970首创的折流杆的折流作用的卡曼旋涡和文丘里效应。 

瓦型换热流道的传热增强是在于它的单位截面积周边远大于其它任何截面形的流道，因为换热的传热增强是与换热流道单位截面积周边的平方次成正比的，该特性用圆管传热公式来证明(用特殊推及一般的分析问题的方式)： 

$\begin{array}{c}Q=\mathrm{FK\Δt}=F\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\π}{d}_1}+\frac{1}{2\mathrm{\π\λ}}\mathrm{In}\frac{d_2}{d_1}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\π}{d}_2}}\\ =\mathrm{\πdl}\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\πd}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\πd}}}={\left(\mathrm{\πd}\right)}^2\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_1}l(t_{f1}-t_{f2})\end{array}$

上式中的F是传热面积=πdL，将其代入上式，再把式中d₁、d₂近似看成d(因用于换热的管子管壁薄)即：d₁＝d₂=d；那么些上式中的对数项本因而得出了上式中的(πd)²即是换热流道截面周边的平方值的结果；本换热流道型是一种扁状弧弓型的换热流道。下面作该型流道型的数学证明： 

1、首先看圆管的单位截面积周边，设圆管的单位截面积周边为C₀

$C_0=\frac{\mathrm{\πd}}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{4}{d}$

上式结果的分子4是不变常量，当圆管直径d越大时，上式比值就越小，即就是其单位截面积周边越小。 

2、仍以圆管的截面积不变，但由圆形面变成矩形面，以变窄矩形面的宽边，设宽边为a、长边为b、观其变窄后的各矩形面的单位截面积周边为C₁、C₂

令 $a=\frac{d}{2}$ 时的 $b=\frac{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{\frac{d}{2}}=\frac{\mathrm{\πd}}{2},C_1=\frac{(\frac{d}{2}+\frac{\mathrm{\πd}}{2})\×2}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{5.27}{d}$

3、令 $a=\frac{d}{4}=$ 时的 $b=\frac{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{\frac{d}{4}}=\mathrm{\πd},C_2=\frac{(\frac{d}{4}+\mathrm{\πd})\×2}{\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}=\frac{2}{\mathrm{\πd}}+\frac{8}{d}=\frac{8.64}{d}$

综合以上的1、2、3得出的单位截面积周边得出下面的关系式： 

$C_0=\frac{4}{d}<C_1=\frac{5.27}{d}<C_2=\frac{8.64}{d}$

上面的关系式得出了圆管的单位截面积周边最小，只有当截面形越扁窄时其单位截面积周边才越大。本发明的换热流道型是一种扁窄形截面弯成弧弓形的瓦状流道型，它和板式流道同是扁窄截面型流道，但板式是不是称得上其单位截面积周边是最大的呢上面1的单位截面积周边式的数学证明可知：流道型的截面积越大其单位截面积周边就越小。板式流道截面积相当于列管式的本换热流道型的截面积 几十，甚至几百根的流道截面积，因此板式换热远没有本换热流道型的单位截面积周边大，而且在很大程度上并不会胜于圆管，而且板式是不耐压的，无法适应高压工况的换热。显然椭圆管、槽管，都不能具备这特性。本瓦型热交换流道窄侧宽在圆管直径的1／4时，在这宽度内加进管壁厚度时其单位截面积周边是圆管的2.6～3倍多，因此其单位截面周边的传热增强为：2.6²＝6.76倍；此外在所述的传热公式中的换热α₁根据努尔特数N_u是与流道的当量直径d_e：因为

于在换热流道的单位截面积周边为圆管的2.6倍时，d_e＝1／2.6，其换热系数α₁也就为圆管的2.6倍。将6.76倍和2.6α₁二因素骨代入上述传热公式，其相对圆管式的传热增强有十几倍，增加换热流道内介质的α₁倍数，比增加换热流道外介质的α₂倍数，对提高传热系数K的倍数更显著(“传热学”第262页，冶金工业出版社1989年出版，因公式中： $K={\left(\mathrm{\&pi;d}\right)}^2\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1{\mathrm{\&alpha;}}_2}{{\mathrm{\&alpha;}}_1+{\mathrm{\&alpha;}}_2}\underset{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&alpha;}}_1<{\mathrm{\&alpha;}}_2$

二、本发明因传热增强是圆管的9～10倍多，也就是其单位流程长的换热热流密度是圆管式换热器9～10倍多，达到圆管的换热端差时其流道长度只需后者的1／9～1／10，它只需极短的换热流道就能完全能达到圆管近10个流程的换热效果。由于圆管换热的单位长度的热流密度低，要达到需要的温度端差时要用很长的的换热流道来实现同等端差效果，于是圆管式的流道在壳体中用迂回返折的用好多个流程进行换热，这样是无法实现冷、热流体完全逆流式换热的，即使它用单流程的换热，要达到本发明流道的换热端差，就要多设好多台换热器，这样是更不经济的!如果说板式能实现冷、热流体完全逆流，但它的各温度段同处一平齐位置，温度被中和而并不能实现真正的完全逆流式换热。完全逆流式换热其换热的平均温差Δt＝t_f1-t_f2相对可增大到只少有百分之几十或一倍。 

三、传统的弓形折流板、圆环形折流板的壳侧流体折流在其折流板的圆空、弦边与靠壳体圆边处的折返距离的悬差，使壳侧流体横穿管束换热路程的远近差距，导致距离短的换热不充分。而坡旋式的导流的壳侧流体是齐头并进旋转走向的；坡旋式横锁导流板还将附着在换热流道上的冷凝液顺走，减少了冷凝液对热传导的热阻。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明： 

图1是本热交换器的纵向剖面图 

图2热交换器横向剖面图 

图3开有能穿过弦肋式瓦型热交换流道的流道孔的坡旋式横锁导流板个块 

图4坡旋式横锁导流板在平面段、斜折面段的流道孔与弦肋式瓦型换热流道的弦肋衔接的纵向剖面图 

图5弦肋式瓦型换热流道三维图 

图6弦肋式瓦型换热流道流体作用力分析图 

一种表面式逆流式热交换器由壳体3、弦肋式瓦型热交换流道1、管板6、坡旋式横锁导流板2、流道流体进口管8、管板6、坡旋式横锁导流板2、流道流体进口管8、流道流体出口管11、壳侧流体进口管5、壳侧流体出口管14、流道流体进口封头12、出流道流体出口封头7组成。热换器由壳体3内设置的弦肋式瓦型换热流道1，是由同心的凹弧壁面和凸弧壁面及两窄弧壁面h所围成，并在其凹弧壁槽内轴向按一定距离布置弦肋15所构成的换热流道型。弦肋可以随压制瓦型流道的凹弧壁面槽侧的模具设置依型压制而成，也可用预制的弦肋块在流道凹弧壁面槽内按距布固。弦肋的间距最大不能超出流道强度的允许距离。弦肋式瓦型热交换流道的排列，属于同一列的所有弦肋式瓦型热交换流道凹、凸弧壁面朝向都相同，而与邻列的则都相反。弦肋式瓦型热交换流道两端有管板6固定，穿越管板中心设置流道流体进口管8，在两管板之间设置坡旋式横锁导流板2，坡旋式横锁导流板的导程间距b根据瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置，以便于弦肋与导流板上的流道孔16的玄边衔扣；坡旋式横锁导流板的导程间距b也可以不根据弦肋式瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置，在坡旋式横锁导流板的导程间距b不根据瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置时，前者的流道孔16的弦边可以不与后的弦肋15衔扣。以壳横截面对半的坡旋式横锁导流板个块2，对应流道流体进口管8或以ZL200510073604.X所述的挡隔板的位置折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段。以流道流体进口管或挡隔板为旋导中心，在坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段与对边的另块坡旋式横锁导流板个块的斜折面段的上端的平面段搭接在一起，如反复地搭接构成壳侧流体在其导程b内的旋导式导流结构。流道流体进入流道流体进口管8，经流道流体进口封头12后进入弦肋式瓦型热交换流道1，与壳侧流体进行热交换后流入流道流体出口封头7然后经流道流体出口管11流出；壳侧流体进入壳侧流体进口管5，经坡旋式横锁导流板2旋式导流，流向与弦肋式瓦型热交换流道1内的流体流向互为逆流，经壳侧流体出口管14流出，相互构成流道流体与壳侧流体的完全逆流式换热。流道流体进管8从封头7伸出套上密封圈9与固管头10相扣而固定国；或是采用ZL200510073604.X所述的流道流体进管8从封头7伸出后的内函式固定。以挡隔板为旋导中心的流道流体进口管设置在流道流体进口封头12处，其流道流体与壳侧流体互为逆流。壳侧流体的导、折流可以是螺旋横锁导流板，或折流杆、圆缺形、盘环形的，这些变换均落在本发明的保护范围内；坡旋式横锁导流板、螺旋横锁导流板导流在其导程b内可是数头或单头导流。 

Claims (8)

1.一种表面式逆流式热交换器由壳体(3)内设置一道制热交换流道(1)，热交换流道两端由管板(6)固定，两管板间的热交换流道束全长设置壳侧流体导流板，壳侧流体、流道流体流径分别由流道流体进口管(8)、流道流体进口封头(12)、热交换流道(1)、流道流体出口封头(7)、流道流体出口管(11)，壳侧流体进口管(5)、和壳侧流体出口管(14)组成，其特征在于：流道流体进口管(8)，流道流体出口管(11)、壳侧流体进口管(5)、壳侧流体出口管(14)的设置构成流道流体与壳侧流体互为完全逆流式换热，其壳体(3)内设置一道制的弦肋式瓦型热交换流道(1)是由同心的凹弧壁面和凸弧壁面及两窄弧壁面(h)所围成，并在其凹弧壁面槽内沿轴向按一定距离布置弦肋(15)所构成的换热流道型，弦肋式瓦型热交换流道(1)的排列，属于同一列的所有弦肋式瓦型热交换流道凹凸弧壁朝向都相同，而与邻列的则都相反，弦肋式瓦型热交换流道束两端由管板(6)固定，穿越管板中心设置流道流体进口管(8)，在两管板之间设置壳侧流体坡旋式横锁导流板(2)，坡旋式横锁导流板(2)，以壳体内横截面对半的坡旋式横锁导流板个块，对应流道流体进口管(8)或挡隔板的位置折成斜折面段，斜折面段外的两头为平面段。以流道流体进口管(8)或挡隔板的位置为旋导中心，在坡旋式横锁导流板个块的斜折面段下端的平面段与对边的另块坡旋式横锁导流板个块的斜折面段的上端的平面段搭接在一起，如反复地搭接构成壳侧流体的旋导式导流结构，坡旋式横锁导流板的导程间距根据弦肋式瓦型流道的弦肋间距或间距倍数设置，以便于玄肋(15)与导流板的流道孔(16)的弦边衔扣，坡旋式横锁导流板的导程间距可以不根据弦肋式瓦型流道的弦肋间距或间距的倍数设置，不根据弦肋间距或间距倍数设置的坡旋式横锁导流板导流板上的流道孔(16)的玄边可不与弦肋(15)衔扣，流道流体进口管(8)，从流道流体出口封头(7)伸出，套上密封圈(9)后被固定头(10)固定。

2.根据权利要求1所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于，壳侧流体的导流为螺旋横锁导流板板式导流。

3.根据权利要求1所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于，壳侧流体导流板为圆缺形折流。

4.根据权利要求1所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于，壳侧流体导流板为折流杆折流。

5.根据权利要求4所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于，壳侧流体导流板为盘环形折流。

6.根据权利要求1所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于以挡隔板为旋导中心的和2、3、4、5的壳侧流体导流时，其流体进口管设置在流道流体进口封头(12)处。

7.根据权利要求1、2表面式逆流式热交换器，其特征在于坡旋式横锁导流板、螺旋式横锁导流板导流在其导程(b)内为多头式导流。

8.根据权利要求1所述的表面式逆流式热交换器，其特征在于其固定头为内函式的。