CN105135931A - 用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置 - Google Patents

Abstract

一种用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，包括竖管、分支弯管、导流管、脉动流管、扰流体和壳程进水管；竖管上分布有间距一致的分支弯管，每个分支弯管上连接有导流管，导流管上连接脉动流管，脉动流管上设置有扰流体；壳程进水管设置在竖管的底端。使用时，将上述均布式脉动流发生装置的一端固定在换热器的上封头上，一端悬置于换热器底部。该装置通过控制进入竖管的流体流量，可以在各脉动流管出口生成均匀一致的且具有一定频率和强度的脉动流，诱导弹性管束换热器内各排弹性管束实现均匀振动，可以获得弹性管束换热器强化传热所需的预期振动，避免了由于振动导致管束的疲劳破坏。

Description

用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置

技术领域

本发明涉及一种用于换热器内弹性管束振动诱导的脉动流发生装置，属于换热器内弹性管束振动诱导技术领域。

背景技术

换热器作为一种不同介质间热交换的通用工艺设备，广泛应用于石油、化工、电力、制冷等工业领域。换热器的强化换热技术力求提高换热器的换热能力，达到节能降耗的目的。依据是否需要额外的动力，强化换热技术可分为有源强化换热技术和无源强化换热技术。无源强化换热技术由于不需要附加动力设备而实现强化换热的目的，是当前强化换热技术的研究重点。

换热器及其相关技术经过近几十年的迅速发展，取得了令人鼓舞的进步，然而一些长期未能解决的问题更加凸现出来。换热器内流体诱导振动和传热表面积垢，是世界公认的亟待解决的突出问题。流体诱导振动会导致剧烈的噪声与传热管束的损坏，传热管束表面积垢会造成巨大的能量与资源损失。在换热器内完全防止管束振动是不可能的，而通过增加传热管束的强度来防止振动从而避免管束的损坏与噪声，并不总是有效的。利用流体诱导传热管束的振动实现强化换热是无源强化换热的一种形式，通过对振动的有效利用，可在实现强化换热的同时抑制传热表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化换热。

中国专利文献CN1084963公开的“浮动盘管-热管两级加热汽水热交换器”和CN1104759公开的“弹性管束汽水热交换机组”提出了一种平面弹性管束传热元件。这种管束由4根纯铜弯管组成，包括两个固定端和两个带有附加质量块的自由端，通过附加质量块调整管束的固有频率。CN101266106公开的“空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置”，包括单螺旋型管束和双螺旋型管束，双螺旋型管束通过其附加质量块调整管束的固有频率。上述平面弹性管束和空间锥螺旋弹性管束均通过壳程流体诱导振动实现强化换热并降低传热表面积垢，流体介质和流速是影响弹性管束阵型、频率和幅值的主要因素。然而，通过改变流体介质和流速获得管束所要求的阵型、频率和幅值是很困难的，且在换热器的实际工作过程中，很难实现各排管束的均匀振动，在靠近壳程流体入口的底层管排振动剧烈，易发生疲劳破坏。所以，为实现弹性管束换热器在满足强化传热、降低传热表面积垢的同时兼顾管束的疲劳寿命，对实际运行条件下管束振动的合理诱发和控制是弹性管束换热器设计的关键。

CN101738129B公开的“用于弹性管束换热器强化传热的振动诱导装置”，在进水管上设置与弹性管束浮动质量块一一对应的脉动管，并在脉动管内部安装扰流体，通过流体绕流扰流体生成具有一定强度和频率的脉动流，冲击弹性管束的质量块，诱导弹性管束振动。然而，由于这种装置的顶部密封结构，导致内部流场存在流动“死区”，流体流入各分支脉动管的流量和流动的稳定性较差，部分脉动管出口处不能生成脉动流，且生成脉动流的强度和频率不一致，无法实现强化换热所需的预期振动。以诱导换热器内六排弹性管束振动的六分支振动诱导装置为例，当入口流体介质为水且流速为0.4m/s时，通过改变各部分的结构参数，至少有1个脉动流管内不能生成脉动流，且其余脉动流管内生成脉动流强度(通过设立监测点，检测流体速度，以流速变化的幅值表征脉动流的强度。)的最大相对误差高于14.5％，脉动流频率最大相对误差高于5.0％。此外，通过管道阀门调节进入脉动管的流体流量，不能解决上述问题。

基于上述弹性管束换热器实际工程应用中存在的问题及现有用于弹性管束换热器振动诱导装置存在的不足，对实际运行条件下各排弹性管束的振动进行合理的诱发和控制，使各排弹性管束振动的阵型、频率和振幅基本一致，避免振动导致管束的疲劳破坏，是弹性管束换热器设计的难点问题之一。

发明内容

本发明为解决现有弹性管束换热器实际工程应用中存在的问题，提出一种用于诱导各排弹性管束实现均匀振动，在满足强化传热的同时兼顾管束的疲劳寿命，同时又能实现对管束振动的有效控制，能够方便获得弹性管束换热器强化传热所需预期振动的均布式脉动流发生装置。

本发明的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，采用下述技术方案：

该装置，包括竖管、分支弯管、导流管、脉动流管、扰流体和壳程进水管；竖管上分布有间距一致的分支弯管，每个分支弯管上连接有导流管，导流管上连接脉动流管，脉动流管上设置有扰流体；壳程进水管设置在竖管的底端。

所述分支弯管的弯曲角度(弯曲的两段之间的轴线夹角)为75°～120°。

所述分支弯管上与竖管连接的一段的轴线与竖管轴线的夹角为30°～60°。

所述脉动流管上设有三角形卡槽(用于安放及固定三棱柱形的扰流体)。

所述扰流体呈三棱柱形。

使用时，将上述均布式脉动流发生装置的一端固定在换热器的上封头上，一端悬置于换热器底部。通过控制进入竖管的流体流量，可以在各脉动流管出口生成均匀一致的且具有一定频率和强度的脉动流。当脉动流的频率接近弹性管束的某阶固有频率时，可以诱导弹性管束按该阶固有频率所对应的阵型振动。当流速较低时，生成脉动流的频率和强度较低，可以诱导弹性管束以低阶固有频率及其所对应的阵型振动；当流速较高时，生成脉动流的频率和强度较高，可以诱导弹性管束以高阶固有频率及其所对应的阵型振动。此外，在上述均布式脉动流发生装置的制造过程中，可根据换热器的实际使用情况，改变某个分支弯管、导流管和/或脉动流管的内径，或改变相应扰流体的尺寸和/或形状，可以控制该分支出口生成脉动流的频率和强度，从而控制所对应弹性管束的振动。

以诱导换热器内6排弹性管束振动的六分支均布式脉动流发生装置为例，当入口流体介质为水且流速为0.4m/s时，各脉动流管内均能生成脉动流，且通过调节结构参数可使脉动流强度的最大相对误差低于2.0％，脉动流频率最大相对误差低于0.05％。以诱导换热器内20排弹性管束振动的二十分支均布式脉动流发生装置为例，当入口流体介质为水且流速为0.4m/s时，各脉动流管内均能生成脉动流，且通过调节结构参数可使脉动流强度的最大相对误差低于4.5％，脉动流频率最大相对误差低于0.1％。

本发明具有以下特点：

①通过流体诱导换热器内弹性管束的振动，提高了弹性管束强化换热的效果，实现了振动的合理诱发和控制；

②使各排弹性管束的振动均匀一致，避免了由于局部管排剧烈振动而引起管束的疲劳破坏，提高弹性管束换热器的使用寿命。

③实现了管束振动的可控性，诱导弹性管束换热器内各排弹性管束的均匀振动，有效改善了现有弹性管束换热器内部管束振动不均匀的问题。

④实现了弹性管束换热器强化传热所需的预期振动，避免了由于振动导致管束的疲劳破坏。

附图说明

图1为本发明用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置的结构示意图。

图2为本发明在平面弹性管束换热器中应用的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为本发明在空间双螺旋弹性管束换热器中应用的结构示意图；

图5为图4中的A-A剖视图。

图中：1-竖管；2-脉动流管；3-导流管；4-分支弯管；5-壳程进水管；6-壳程进水口；7-扰流体；8-上封头；9-下封头；10-弹性管束；11-质量块；12-均布式脉动流发生装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置12，包括竖管1、分支弯管4、导流管3、脉动流管2、壳程进水管5和扰流体7。在竖管1的外侧分布有分支弯管4，相邻分支弯管4的间距一致。每个分支弯管4的一端焊接在竖管1上，与竖管1连通，另一端连接有导流管3，导流管3上连接脉动流管2。分支弯管4中弯曲的两段之间的轴线夹角(弯曲角度)为75°～120°。分支弯管4上与竖管1连接的那段的轴线与竖管轴线1下段(竖管轴线上在两条轴线交点(分支弯管4上与竖管1连接段轴线与竖管轴线的交点)以下的部分)的夹角为30°～60°。脉动流管2的外端设有三角形卡槽，用于安放及固定三棱柱形的扰流体7。

壳程进水管5通过焊接设置在竖管1的底部，其末端的壳程进水口6冲击换热器下封头9的内壁(参见图2)，作为换热器的壳程流体入口，这种布置方式可使壳程进水管5流出的流体在换热器内部螺旋向上移动，充分提高弹性管束10的换热性能。

如图2和图3所示，上述均布式脉动流发生装置12在平面弹性管束换热器(参见CN1084963公开的“浮动盘管-热管两级加热汽水热交换器”和CN1104759公开的“弹性管束汽水热交换机组”)应用时，一端固定在弹性管束换热器的上封头8上，一端悬置于换热器底部。脉动流管2的出水口与弹性管束10的质量块11的数量和位置一一对应，通过流体绕流扰流体7在各出水口生成频率和强度一致的脉动流，诱导各排弹性管束均匀振动。

由于分支弯管4的结构特点，竖管1内的流体易于流入分支弯管4，且均匀改变流体的流动方向，使流体倾斜向上流动，这与壳程流体的流动方向基本一致，降低了壳程流体对生成脉动流的影响。通过导流管3的导流作用，使流体均匀冲击扰流体7的迎流面，确保了在脉动流管2内生成具有一定频率和强度的脉动流。

如图4和图5所示，本发明的均布式脉动流发生装置12在空间双螺旋弹性管束换热器(参见CN101266106公开的“空间螺旋弹性强化换热管束及其支撑装置”)应用时，均布式脉动流发生装置12从侧面冲击质量块11，且脉动流管2的出水口与弹性管束10的质量块11的数量和位置一一对应。为了合理布置均布式脉动流发生装置12在上封头8的固定位置，将均布式脉动流发生装置12的顶部无焊接分支弯管部分进行了适当弯折。

Claims (5)

1.一种用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，其特征是，包括竖管、分支弯管、导流管、脉动流管、扰流体和壳程进水管；竖管上分布有间距一致的分支弯管，每个分支弯管上连接有导流管，导流管上连接脉动流管，脉动流管上设置有扰流体；壳程进水管设置在竖管的底端。

2.如权利要求1所述的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，其特征是，所述分支弯管的弯曲角度为75°～120°。

3.如权利要求1所述的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，其特征是，所述分支弯管上与竖管连接的一段的轴线与竖管轴线的夹角为30°～60°。

4.如权利要求1所述的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，其特征是，所述脉动流管上设有三角形卡槽。

5.如权利要求1所述的用于换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，其特征是，所述扰流体呈三棱柱形。