CN104930880A - 一种脉动流管壳式换热器及其换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉动流管壳式换热器及其换热方法。换热器，包括若干换热管、脉动流发生系统、壳体、壳体两端的管板、与管板连接的端盖以及壳体内的多块折流板。其中，换热管具有周期性圆环形内肋结构，每个环肋相互平行排布并与轴线垂直；脉动流发生系统，将流经管壳式换热器右端盖部分的换热工质由恒流状态转变为有平均流速的脉动流状态。本发明通过脉动流与具有周期性内环肋结构的圆管结合，使换热器管程侧流体在低平均雷诺数时，由恒流转变为具有一定频率和振幅的纵向波形脉动流，可以在具有内环肋结构的换热管中形成周期性的涡旋，提高管程侧流体换热效率和防结垢能力。

Description

一种脉动流管壳式换热器及其换热方法

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，特别涉及一种脉动流管壳式脉动流换热器及其换热方法。

背景技术

随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的重视。壳式换热器广泛应用于石油化工、电力、环保、能源等各种工业领域，主要作用是在工业生产中调节工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗。因此，对壳式换热器进行优化设计或结构改进，提高其换热性能降低其动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平。

此外，在能源化工工业领域，管壳式换热器内的液态工质往往具有较高的粘度，液态工质的流动性差，管程流动过程中需要消耗大量的泵功以强化其管内流动状态从而使得热交换量达到预期要求。现有的管壳式换热器泵功消耗过大、管程侧传热效果不佳，无法满足换热需求，无法实现节能降耗的目的。

因此，现有技术有待进一步改进和完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种脉动流管壳式换热器及其换热方法，使换热器管程侧流体按照更加合理的形式流动，提高管程侧流体换热效率。

本发明提供了一种脉动流管壳式换热器，包括若干换热管、脉动流发生系统、壳体、壳体两端的左右管板、分别与左右管板连接的左右端盖以及壳体内的多块折流板，管程液态换热工质流动处于低平均雷诺数状态（Re<1500）；换热管具有周期性内肋结构；换热管的入口端接入脉动流发生系统，脉动流发生系统在换热管内产生的脉动流为有平均流速的纵向波形态。

在上述脉动流管壳式换热器中，进一步地，换热管为圆管，在换热管的内壁设有多个圆环形内肋，每个内肋相互平行排布并与换热管的轴线垂直。

在上述脉动流管壳式换热器中，进一步地，脉动流发生系统由混合室、隔膜泵、脉动流回路管道组成，隔膜泵通过脉动流回路管道与混合室相连接，混合室与换热管相连接，通过调节隔膜泵，在混合室中，将液态换热工质由恒流形态转变为有平均流速的脉动流形态，并产生可控的脉动频率和振幅，以纵向波形态在换热管中脉动。

本发明还在于提供一种利用了如上述的任意一项所述的脉动流管壳式换热器的换热方法，当液态换热工质流态处于低平均雷诺数时，将该换热工质由恒流转变为具有一定频率和振幅的有平均流速的纵向波形脉动流，可以在内壁具有周期性内环肋结构的换热管中形成周期性的涡旋，涡旋不但可以有效破坏流体边界层，而且加剧了流体之间的掺混，强化了边界与主流之间的热量输运，从而有效提高低流速管程流体的传热能力和防结垢能力。

在上述的换热方法中，进一步地，纵向波形脉动流的脉动频率f控制在0.3Hz至1.5Hz，所述脉动振幅A控制在平均流速的20%至100%。

与现有技术相比，本发明的脉动流管壳式换热器及其换热方法具有以下特点：1、换热管道具有周期性内肋结构，增加了液态工质换热面积，热交换效率进一步提高；2、采用具有周期性内肋结构的管道与脉动流相结合的技术，使流体在管道中不断改变流向，能在较低的流速下形成旋涡，破坏换热管通道中流体的流动边界层，大大增加了流体的相互掺混与扰动，从而使得传热效率提升；3、该换热技术可以有效减少泵功消耗，节能效果明显；4、换热管管壁内具有圆环形内肋结构，壁厚不减薄，换热管的刚性加强，换热管受力状况更好，有效提高了设备工作的可靠性；5、设置混合室，可以有效防止液体工质倒流，增加了设备运行的安全性。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的结构示意图；

图2为图1中换热管结构示意图；

图3为脉动流发生系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1所示，本发明脉动流管壳式换热器的较佳实施例，包括若干换热管1、脉动流发生系统、壳体5、壳体5两端的左右管板20和21、分别与左右管板20和21连接的左右端盖3和4以及壳体5内的多块折流板19。管程液态换热工质流动处于低平均雷诺数状态（Re<1500）。换热管1具有周期性内肋结构。换热管1的入口端接入脉动流发生系统。脉动流发生系统在换热管1内产生的脉动流为有平均流速的纵向波形态。

换热管1为圆管，在换热管1的内壁设有多个圆环形内肋2，每个内肋2相互平行排布并与换热管1的轴线垂直。换热管1的内径a一定的条件，相邻两个内环肋2间距b为0.15d至0.75d，内肋2高度c为0.05d至0.15d；脉动流发生系统产生的脉动流的脉动频率f控制在0.3Hz至1.5Hz、脉动振幅A控制在平均流速的20%至100%。

脉动流发生系统由混合室14、隔膜泵17、脉动流回路管道18组成。隔膜泵17通过脉动流回路管道18与混合室14相连接，混合室14与换热管1相连接。恒定流速的主流换热工质进入混合室14，与流经隔膜泵17的换热工质混合，在混合室14中将换热工质由恒流形态转变为具有平均流速的纵向波形脉动流形态。通过调节隔膜泵17，在混合室14中产生可控的脉动频率和振幅，以纵向波形态在换热管1中脉动。通过控制变频器调节隔膜泵17，实现对脉动频率和振幅的控制。

具体地，脉动流管壳式换热器包括沿其轴线排列的左右端盖3和4以及壳体5。在换热器内使用了若干换热管1，若干换热管1穿过管板20和21把左右端盖3和4连通起来。

在左端盖3上设置有管程流体出口端7，在右端盖4上设置有管程流体入口端8。在壳体5上设置有壳程流体入口端9和壳程流体出口端10。壳程流体入口端9靠近左端盖3侧，壳程流体出口端10靠近右端盖4侧。

在右端盖4与管板21之间设置有隔板11。在隔板11的轴线处设置有通孔12。若干换热管1的过流面积应该不小于通孔12的过流面积，通孔12的过流面积也不小于管程流体入口端8的过流面积，否则，从管程流体入口端8进入的流体不能够正常流经换热管1后从管程流体出口端7排出。在隔板11的左侧为换热管集箱13，在隔板11的右侧为混合室14。

在右端盖4上还设置有脉动流入口15和脉动流出口16。左端盖3、右端盖4以及隔板11的轴线同轴。脉动流入口15和脉动流出口16分别与混合室14相连通。脉动流入口15位于右端盖4的轴线处，换热器换热工质出口端7位于左端盖3的轴线处。因此，脉动流入口15与管程出口端7也是轴线同轴的。

在壳体5内设置有多块折流板19，以增加壳体5内流体的换热路径以及流体自身的扰动，从而达到强化传热的效果。多块折流板19相互间隔且并列地固定在壳体5的内壁上。相邻的折流板19以壳体5的中心相互对称错开。本发明的换热器可以长期处于高效状态，使得管程流体处于低平均雷诺数状态（Re<1500）下流动时，仍然可以达到预期换热效果，因此，可以达到节能的目的。

请参照图2所示，本发明的换热管的较佳实施例，在换热管1的内壁上有多个圆环形内肋2。多个内肋2相互平行均匀排布，每个内肋2与换热管1的轴线垂直。在换热管1的内径a一定的条件下，内肋2的间距b和高度c根据换热工质的粘度大小进行选择。换热工质的粘度大时，间距b选择较大值，内肋高度c选择较小值。换热管1中的流体流经内肋2时，不但使得管程换热面积增大，而且，换热工质的流体在受内肋2的作用下会产生涡旋。涡旋不但可以有效破坏流体边界层，而且加剧了流体之间的掺混，强化了边界与主流之间的热量输运，从而有效提高流体的传热能力。因此，本发明的换热管特别适合于高粘度、低流速的换热工质的换热需要，其适用范围比现有的换热管要广。

请参照图3所示，本发明的脉动流发生系统的较佳实用例，包括混合室14、隔膜泵17以及脉动流回路管道18。隔膜泵17通过脉动流回路18分别与脉动流入口15和脉动流出口16相连接。恒定流速的主流换热工质由管程流体入口8进入混合室14，与流经隔膜泵17的换热工质混合，在混合室14中将换热工质由恒流形态转变为具有平均流速的纵向波形脉动流形态。然后，脉动形态的管程换热工质通过换热管集箱13分别进入若干换热管1中。隔膜泵17产生的脉动流的脉动频率f控制在0.3Hz至1.5Hz、脉动振幅A控制在平均流速的20%至100%。

本发明还在于提供一种利用了如上述的任意一项所述的脉动流管壳式换热器的换热方法，当液态换热工质流态处于低平均雷诺数（Re<1500）时，将该换热工质由恒流转变为具有一定频率和振幅的有平均流速的纵向波形脉动流，可以在内壁具有周期性内环肋结构的换热管中形成周期性的涡旋，涡旋不但可以有效破坏流体边界层，而且加剧了流体之间的掺混，强化了边界与主流之间的热量输运，从而有效提高低流速管程流体的传热能力和防结垢能力。此外，不同参数下的脉动流所产生的涡旋，呈现出不一样的速度场与温度场的协同状况（协同数越大，换热效果越好），因此，通过脉动流参数的调节可以实现最佳换热效果的设定。

本发明的换热方法正是利用了前述的换热器进行换热，从流体湍流涡旋的角度考虑，提出了利用流体流动状态与换热管结构相结合产生周期性涡旋来破坏流体边界层、加强流体掺混，从而提高管壳式换热器管程侧流体热量输运能力的换热方法。该方法主要包括以下步骤：

第一步，换热流体通过右端盖4的管程流体入口端8进入混合室14，隔膜泵17通过脉动流回路18不断地把处于混合室14的换热流体从脉动流入口15吸入，并从脉动流出口16送出并与来自管程流体入口端8的主流换热工质混合，再将混合后的换热工质由恒流状态转变成纵向波形脉动流状态，脉动流通过隔板11的通孔12后进入换热管集箱13中。

第二步，脉动流从换热管集箱13分别进入换热管1中进行换热；由于换热管1中设有多个内肋2，脉动流通过内肋2后在换热管1肋间形成周期性的涡流，然后进入到左端盖3中。

第三步，换热后的脉动流从左端盖3的管程流体出口端7流出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脉动流管壳式换热器，包括若干换热管、脉动流发生系统、壳体、壳体两端的左右管板、分别与左右管板连接的左右端盖以及壳体内的多块折流板，其特征在于：管程液态换热工质流动处于低平均雷诺数状态（Re<1500）；所述换热管具有周期性内肋结构；所述换热管的入口端接入脉动流发生系统，所述脉动流发生系统在换热管内产生的脉动流为有平均流速的纵向波形态。

2.如权利要求1所述的脉动流管壳式换热器，其特征在于：所述换热管为圆管，在所述换热管的内壁设有多个圆环形内肋，每个内肋相互平行排布并与换热管的轴线垂直。

3.如权利要求1或2所述的脉动流管壳式换热器，其特征在于：所述脉动流发生系统由隔膜泵、脉动流回路管道以及混合室组成，所述隔膜泵通过脉动流回路管道与混合室相连接，所述混合室与换热管相连接，通过调节隔膜泵，在混合室中，将液态换热工质由恒流形态转变为有平均流速的脉动流形态，并产生可控的脉动频率和振幅，以纵向波形态在换热管中脉动流动。

4.一种利用如权利要求3所述脉动流管壳式换热器的换热方法，其特征在于，当液态换热工质流态处于低平均雷诺数时，将该换热工质由恒流转变为具有一定频率和振幅的有平均流速的纵向波形脉动流，可以在内壁具有周期性内环肋结构的换热管中形成周期性的涡旋，涡旋不但可以有效破坏流体边界层，而且加剧了流体之间的掺混，强化了边界与主流之间的热量输运，从而有效提高低流速管程流体的传热能力和防结垢能力。

5.如权利要求书4所述的换热方法，其特征在于：所述纵向波形脉动流的脉动频率f控制在0.3Hz至1.5Hz，所述脉动振幅A控制在平均流速的20%至100%。