CN105066763A - 异型翅片扰流子换热管和换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种异型翅片扰流子换热管和使用该换热管的换热器，所述换热管外壁设有由基圆和导流角组成的异型翅片，该翅片可以增大工质蒸气与壁面有更多直接接触的面积，减少传热热阻，增大换热效率。管内有由正扰流部和反扰流部组成的扰流子，正扰流部由固定部固定在管内壁上，将正扰流部末端的自由端与反扰流部连接。利用上述换热管制作管壳式换热器，还包括管箱、壳体、循环进出口、凝结液体进口、凝结液体出口和折流板。该换热管通过其外壁异型翅片和内壁扰流子的特殊结构，提高临界状态换热器的换热效率；同等工况下能强化传热、提高传热效率，减小换热面积。

Description

异型翅片扰流子换热管和换热器

技术领域

本发明涉及粮食干燥余热回收装置，尤其涉及一种异型翅片扰流子换热管和使用该换热管的换热器。

背景技术

二十一世纪环保和节能是科学技术发展的重要议题。为了优化我国的能源结构，提高能源利用效率，减少二氧化碳排放，近年来我国积极开展节能减排余热废热回收利用，一方面大力开发未被广泛利用的余热，提高能源利用率。我国粮食产量约占世界的1/4，粮食在干燥过程中耗费大量高品位能源的同时有大量的低品位热能被排放掉，这样不仅大量热能被排放浪费掉，而且还会对周围的生态环境造成热污染。如果利用热泵将这部分余热回收不仅可以提高粮食的干燥品质而且起到节能降耗、环境友好等效益。粮食干燥余热回收技术既可以确保粮食得到很好的储存又可以解决热源资源的浪费，提高了能源利用率。

粮食干燥余热回收技术作为余热回收利用主要方式之一，发挥着重要作用。冷凝器(换热管)是粮食干燥循环工质回收的设备，具有重要的作用，其结构和换热效果对系统的性能影响较大，其换热和压降特性对整个系统效率的提高起着非常重要的作用。常规朗肯动力循环冷凝器以冷却水为冷源，冷却水压较低，只需克服换热器阻力即可。而粮食干燥余热回收装置冷凝器以超临界流体为冷源。普通冷凝管或换热器中的换热管均为光面，凝结液体能很好地润湿壁面，壁面上铺展成膜，这时液膜层就成为传热的主要热阻，造成传热效率低、换热面积大等问题。同时，由于在管内受到内壁面的加热，因其自有低温高压的特殊性在管内形成稳定的螺旋流动，即以温度较低的液体核为中心的涡团螺旋向前流动，外部围绕着温度较高的液体，虽然旋转的离心力能把一部分温度较低的液体甩到壁面，但大部分温度较低的液体还是聚集在管道中心，造成传热恶化，减少管内温度较低的液体与管壁的换热，降低了冷凝器的换热效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种异型翅片扰流子换热管和使用该换热管的换热器，该换热管通过其外壁异型翅片和内壁扰流子的特殊结构，一方面可以解决蒸气凝结成液体后由上而下滴落时在下排管束形成液膜带来传热热阻增大的问题；另一方面针对临界状态蒸气，可以解决临界状态附近液体在管中加热时产生的螺旋流动造成的换热恶化问题，从而提高临界状态换热器的换热效率。

本发明的技术原理是：本发明提供的异型翅片扰流子换热管中，蒸气通过异型翅片扰流子换热管与超临界液体工质换热。蒸气与低于饱和温度的壁面接触时，有两种不同形式的凝结形式。如果凝结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。这种凝结形式称为膜状凝结。膜状凝结时，壁面总被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热(潜热)必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。这时，液膜层就成为传热的主要热阻。当凝结液体不能很好的润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠。无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体都是构成液体与壁面交换热量的热阻载体。显然，将蒸气与冷壁面隔开的液体层越大、越厚，热阻越大。本发明采用带导流角的异性翅片，可以将受重力作用凝结液体长大到一定尺寸后就沿导流角滚下，在滚下的过程中，一方面会与相遇的液体合并成更大的液滴，另一方面也避开沿途中滴落到下排管束，从而使蒸气与壁面有更多直接接触的面积，减少传热热阻，增大换热效率。换热管内壁上设置的扰流子可以打破临界状态稳定的螺旋形流动，特别是在管内交替设置正扰流部和反扰流部，可以把在换热管中心区域的温度较低的液核为中心的涡团分散到换热器的内壁面；当沿着正扰流部扰动方向扰动的工质形成温度较高的液核为中心的涡团时，又会受到反扰流部的反向扰动，使高、低温液体分散到管的外周，从而提高了换热效果。

本发明提供的技术方案是：

一种异型翅片扰流子换热管，蒸气通过异型翅片扰流子换热管与超临界液体工质换热；异型翅片扰流子换热管包括换热管、异型翅片和扰流子；异型翅片包括基圆和导流角，为整体冲压成型的异型翅片，固定在换热管的外面；基圆为空心圆环；基圆的下半部分设有导流角；换热管内有扰流子，该扰流子包括正扰流部、固定部、反向结和反扰流部，设置在换热管内壁的固定部把正扰流部前端固定，反扰流部的前端连接在正扰流部的末端，即自由端；反扰流部与正扰流部的扰动方向相反；扰流子反复排列在管内且都与换热管的壁面接触。

所述异型翅片的基圆的空心圆环内径与换热管外径相同；异型翅片的导流角与基圆相切，且两切点分别与基圆的圆心在同一水平和垂直线上，导流角的边均为光滑曲线且对称；基圆的下半部分设有的导流角为一个或两个(相应的异型翅片分为单导流角异型翅片和双导流角异型翅片)；导流角的顶点与基圆的圆心的距离大于基圆外径的倍。

反扰流部与正扰流部的区别在于反扰流部具有反向结；正扰流部与反扰流部反复交替排列在管内。

本发明还提供一种换热器(冷凝器)，该冷凝器为装有异型翅片扰流子换热管的管壳式换热器，包括管箱、壳体、换热管、循环液体进口、循环液体出口、蒸气进口、凝结液体出口和折流板；换热管包括多个管束；置于壳体内部的换热管位于管箱中间，循环液体进口和循环液体出口均设在管箱的左侧；蒸气进口设在壳体的上方；凝结液体出口设在壳体的下方；折流板设在换热管的管束之间。

换热器的壳体可以是圆形筒体，也可以是方形筒体或其他形状的筒体。

上述装有异型翅片扰流子的管壳式换热器在工作时，蒸气由壳体上方的蒸气进口进入壳体，在折流板的作用下将蒸气均匀分布，迫使蒸气均匀通过管束和换热管的异型翅片，将热量释放给换热管内的超临界液体(气体)而凝结成液体，由凝结液体出口排出。超临界液体(循环液体)则从进口通过管箱进入上述换热管，在上述换热管内的扰流子的作用下呈温度均匀混合流动，并通过换热管从蒸气中吸收热量，管内的超临界液体温度升高或转换为气体，最终经管箱由循环液体出口排出。

上述管壳式换热器在工作时，换热器在管程流动的超临界工质与壳程流动的蒸气进行换热。流动的流程可以是单流程，也可以是双流程或多流程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种异型翅片扰流子换热管和使用该换热管的冷凝器，该换热管通过其外壁异型翅片和内壁扰流子的特殊结构，一方面可以解决蒸气凝结成液体后由上而下滴落时在下排管束形成液膜带来传热热阻增大的问题；另一方面针对临界状态蒸气，可以解决临界状态附近液体在管中加热时产生的螺旋流动造成的换热恶化问题，从而提高临界状态换热器的换热效率。

本发明采用带导流角的异性翅片，可以将受重力作用凝结液体长大到一定尺寸后就沿导流角滚下，在滚下的过程中，一方面会与相遇的液体合并成更大的液滴，另一方面也避开沿途中滴落到下排管束，从而使蒸气与壁面有更多直接接触的面积，减少传热热阻，增大换热效率。换热管内壁上设置的扰流子可以打破临界状态稳定的螺旋形流动，特别是在管内交替设置正扰流部和反扰流部，可以把在换热管中心区域的温度较低的液核为中心的涡团分散到换热器的内壁面；当沿着正扰流部扰动方向扰动的工质形成温度较高的液核为中心的涡团时，又会受到反扰流部的反向扰动，使高、低温液体分散到管的外周，从而提高了换热效果。同等工况下，能够强化传热、提高传热效率，减小换热面积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单导流角异型翅片的结构图；

图2为本发明实施例提供的双导流角异型翅片的结构图；

图1～图2中，1—异型翅片基圆；2—异型翅片导流角；3—异型翅片基圆的中心孔；O—基圆1的圆心；A—导流角2与翅片基圆1相切且与基圆1的圆心O在同一水平线上的切点；B—导流角2与翅片基圆1相切且与基圆1的圆心O在同一垂直线上的切点。

图3为本发明实施例提供的异型翅片扰流子换热管的正剖面结构图；

其中，(a)为扰流子的正扰流剖面图；(b)为扰流子的反扰流子剖面图；1—异型翅片基圆；2—异型翅片导流角；4—换热管；5—正扰流部；6—固定部；7—反向结；8—管内壁；9—反扰流部。

图4为本发明实施例提供的设置异型翅片扰流子换热管的管壳式换热器的结构图；

其中，10—管壳式换热器；11—管箱；12—壳体；4—换热管；13—循环液体进口；14—循环液体出口；15—蒸气进口；16—凝结液体出口；17—折流板。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种异型翅片扰流子换热管，蒸气通过异型翅片扰流子换热管与超临界液体工质换热；异型翅片扰流子换热管包括换热管、异型翅片和扰流子；异型翅片由基圆和导流角组成，为整体冲压成型的异型翅片，固定在换热管的外面；基圆的下半部分设有导流角；换热管内有扰流子，该扰流子包括正扰流部、固定部、反向结和反扰流部，设置在换热管内壁的固定部把正扰流部前端固定，反扰流部的前端连接在正扰流部的末端，即自由端；反扰流部与正扰流部的扰动方向相反；扰流子反复排列在管内且都与换热管的壁面接触。

如图1和图2所示，异型翅片由基圆1和导流角2组成，根据导流角2的数目可以分为单导流角异型翅片和双导流角异型翅片，图1为本发明实施例提供的单导流角异型翅片的结构图；图2为本发明实施例提供的双导流角异型翅片的结构图。导流角2与翅片基圆1相切，且切点A与基圆1的圆心O在同一水平线上，切点B应与基圆1的圆心O在同一垂直线上。定义基圆1的中心孔3直径为基圆1的内径，基圆1的最外圈直径为基圆外径。基圆1的内径等于换热管外径，基圆1的外径可以根据不同工况进行调节。导流角2的顶点D与基圆1的圆心O的距离DO大于且可根据不同的工况进行调节；导流角的边DA、DB均为光滑曲线，且关于OD对称。异型翅片的基圆1和导流角2为整体冲压成型。

图3为本发明异型翅片扰流子的换热管局部正剖面的结构示意图，其中1为异型翅片基圆，2为异型翅片导流角，4为换热管，5为正扰流部，6为固定部，7为反向结，8为管内壁，9为反扰流部，由基圆1和导流角2组成的异型翅片固定在换热管4的外面。采用带导流角的异性翅片，可以将受重力作用凝结液体长大到一定尺寸后就沿导流角滚下，在滚下的过程中，一方面会与相遇的液体合并成更大的液滴，另一方面也避免凝结液体滴落到下排管束而形成液膜，从而使蒸气与壁面有更多直接接触的面积，减少传热热阻，增大换热效率。反扰流部9上的反向结7的作用是改变原来流向为相反流向，若定义有一个反向结的扰流部为反扰流部，用实线表示，且为反向扰动，则没有反向结的扰流部为正扰流部，用虚线表示且为正向扰动；反之亦然。设置在管内壁8上的固定部6把正扰流部5前端固定，正扰流部5的末端是自由端，把反扰流部9的首端固定在正扰流部5的末端。这样，在超临界工质在正扰流部5附近流动时形成顺时针方向的周期性扰动，形成顺时针旋转的流动分量。在超临界工质在反扰流部9附近流动时形成逆时针方向的周期性扰动，形成逆时针旋转的流动分量。不管是顺时针的扰动还是逆时针的扰动，都会破坏临界状态附近超临界工质自有的特殊性，在管内形成稳定的螺旋流动，从而增强超临界工质的均匀性。

图4为本发明实施例采用异型翅片扰流子换热管的管壳式换热器的结构示意图。利用上述的换热管可以制作管壳式换热器10，包括管箱11、壳体12、换热管4、循环液体进口13、循环液体出口14、蒸气进口15、凝结液体出口16和折流板17。置于壳体12内部的换热管4位于管箱11之间，循环液体进口13和循环液体出口14均设在管箱11的左侧；蒸气进口15设在壳体12的上方；凝结液体出口16设在壳体12的下方；折流板17设在换热管4的管束之间。

上述管壳式换热器10在工作时，蒸气由壳体12上方的蒸气进口15进入壳体12，在折流板17的作用下将蒸气均匀分布，迫使蒸气均匀通过管束和换热管4的异型翅片，将热量释放给换热管内的超临界液体(气体)而凝结成液体，由凝结液体出口16排出。超临界液体(循环液体)则从进口13通过管箱11进入上述换热管4，在上述换热管4内的扰流子的作用下呈温度均匀混合流动，并通过换热管4从蒸气中吸收热量，管内的超临界液体吸收热量后升温或转换为气体，最终经管箱11由出口14排出。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种异型翅片扰流子换热管，包括换热管、异型翅片和扰流子；

所述异型翅片包括基圆和导流角，固定在所述换热管的外面；所述基圆为空心圆环；所述基圆的下半部分设有所述导流角；

所述换热管内设有扰流子，所述扰流子包括正扰流部、固定部、反向结和反扰流部；设置在换热管内壁的固定部把正扰流部的前端固定；反扰流部的前端连接在正扰流部的末端，为自由端；反扰流部与正扰流部的扰动方向相反；

所述扰流子反复排列在所述换热管内且均与所述换热管的壁面接触。

2.如权利要求1所述异型翅片扰流子换热管，其特征是，所述异型翅片为整体冲压成型的异型翅片；所述异型翅片的基圆的空心圆环内径与所述换热管的外径相同。

3.如权利要求1所述异型翅片扰流子换热管，其特征是，所述异型翅片的导流角与基圆相切，且两个切点分别与基圆的圆心在同一水平和垂直线上。

4.如权利要求1所述异型翅片扰流子换热管，其特征是，所述导流角的边均为光滑曲线且对称；所述导流角的顶点与基圆的圆心的距离大于基圆外径的倍。

5.如权利要求1所述异型翅片扰流子换热管，其特征是，所述导流角为一个或两个。

6.如权利要求1所述异型翅片扰流子换热管，其特征是，所述扰流子的反扰流部具有反向结。

7.一种换热器，所述换热器为管壳式换热器，包括管箱、壳体、循环液体进口、循环液体出口、蒸气进口、凝结液体出口和折流板；其特征是，所述换热器装有异型翅片扰流子换热管，所述异型翅片扰流子换热管包括换热管、异型翅片和扰流子；

所述异型翅片包括基圆和导流角，固定在所述换热管的外面；所述基圆为空心圆环；所述基圆的下半部分设有所述导流角；

所述换热管内设有扰流子，所述扰流子包括正扰流部、固定部、反向结和反扰流部；设置在换热管内壁的固定部把正扰流部的前端固定；反扰流部的前端连接在正扰流部的末端，为自由端；反扰流部与正扰流部的扰动方向相反；

所述扰流子反复排列在所述换热管内且均与所述换热管的壁面接触。

8.如权利要求7所述换热器，其特征是，所述异型翅片扰流子换热管置于壳体内部，并位于管箱中间，循环液体进口和循环液体出口均设在管箱的左侧；蒸气进口设在壳体的上方；凝结液体出口设在壳体的下方；折流板设在换热管的管束之间；所述异型翅片扰流子换热器在工作时，蒸气由壳体上方的蒸气进口进入壳体，在折流板的作用下将蒸气均匀分布，迫使蒸气均匀通过管束和换热管的异型翅片，将热量释放给换热管内的超临界液体而凝结成液体，由凝结液体出口排出。超临界液体则从进口通过管箱进入上述换热管，在上述换热管内的扰流子的作用下呈温度均匀混合流动，并通过换热管从蒸气中吸收热量，管内的超临界液体最终经管箱由循环液体出口排出。

9.如权利要求8所述换热器，其特征是，所述换热器在管程流动的超临界工质与壳程流动的蒸气进行换热；所述流动的流程为单流程、双流程或多流程。

10.如权利要求7所述换热器，其特征是，换热器的壳体为圆形筒体、方形筒体或其他形状的筒体。