CN105180687A

CN105180687A - 一种双壳程折流杆管壳式换热器

Info

Publication number: CN105180687A
Application number: CN201510673102.4A
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 王新婷; 刘志春; 杨金国
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: CN105180687B

Abstract

本发明公开了一种双壳程折流杆管壳式换热器，包括壳体及从左至右依次设置在壳体上的左封头、左管板、环形隔板、右管板和右封头，左封头和右封头分别密封安装在壳体的左右两端；左管板和右管板均密封安装在壳体两端的内侧；壳体内设有多根换热管；环形隔板密封安装在壳体内，其一侧安装有第一套筒；环形隔板与右管板之间还设有多个折流装置，每个折流装置均包括一折流圈和多根折流杆；左封头上设有第一管程进出口，壳体上设有第一壳程进出口和第二壳程进出口；左封头或右封头上设有第二管程进出口。本发明可以大幅度增加壳程流体流速从而提升换热器壳程的换热能力，同时有效控制阻力的增幅，尤其适用于油冷器等壳程流体黏度大流速低的场合。

Description

一种双壳程折流杆管壳式换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，更具体地，涉及一种双壳程折流杆管壳式换热器。

背景技术

换热器是石油、化工、能源、动力、冶金等工业中一种重要的单元设备，其中管壳式换热器以其结构简单、造价低廉等优点得到广泛的应用，约占换热器总量70％。管壳式换热器壳侧的折流装置除了支撑换热管束外，更重要的是改变壳程流体的流动状态，从而强化传热。

管壳式换热器壳程流体的流动形式主要有三种：1.横向流动，如传统的弓形折流板换热器，使壳程流体对换热管垂直冲刷形成横向流动；2.纵向流动，如折流杆换热器，使壳程流体平行于换热管形成纵向流动；3.螺旋流动，如螺旋折流板换热器，使壳程流体总体呈螺旋流动，但这种螺旋流动在本质上仍是流体横掠管束的横向流动。不同的壳程流动形态，其换热器性能有较大差异。研究发现，纵流式换热器相对于横流式换热器有以下优点：壳侧流体纵掠管束，防止了诱导振动的产生，提高了换热器的安全系数；大大减小了壳侧流体的阻力，降低了泵功，节约能源；减少了横掠管束时的流动死区及漏流损失；减少了污垢的沉淀和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命；加工制造简单，适用范围广。

20世纪70年代，美国Philips石油公司研制开发了单壳程折流杆换热器，作为纵流式换热器的代表，折流杆换热器是将折流杆通过一定的排列规律固定在折流圈内，相邻折流杆垂直排列代替传统的弓形折流板组成折流结构，流体通过折流杆与换热管之间的间隙形成纵向流动，有效的实现了降低壳程阻力及强化传热的目的。

研究表明，在相同管程布置、相同壳程流量的情况下，现有单壳程折流杆管壳式换热器的最大特征是其流动阻力比传统的弓形折流板换热器低，但同时单壳程折流杆管壳式换热器壳程流速较低造成其换热能力不足，当壳程流体黏性较大、流速较低时，难以达到生产需求的换热量。为了提高换热量，只能通过减小单壳程折流杆管壳式换热器的壳程直径或增大其壳程长度来提高其壳程的流体流速以增强换热，但这种方法不仅使换热器结构庞大，占地面积扩大，而且换热效果的增加也并不显著。

为了提高壳程的换热效率，已有专利对此特征提出了改进措施。中国实用新型专利公开说明书CN2901229Y中公开了一种波形折流杆换热器，该实用新型提出一种波纹状的折流杆代替传统的直杆折流杆，适用于换热管的三角形排列，这种形式减少了换热管的振动，同时流体经波纹杆产生扰动，提高总传热效率。中国实用新型专利公开说明书CN201748839U中公开了一种微扰流折流杆换热器，这种换热器在扰流杆的垂直方向间隔安装具有加强扰流作用的微绕流件，这种结构能充分利用换热面积，彻底消灭流动死区，提高换热效率，延长使用寿命。这两种换热器形均是针对换热器局部进行了小调整，仍存在换热性能提升不高的问题。

尽管现有单壳程折流杆管壳式换热器的壳程强化传热技术取得了一些效果，但也存在不足，其换热性能提升幅度较小，或者换热性能提升较大时造成过大的流体阻力损失，流体耗功增加等。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种双壳程折流杆管壳式换热器，在提升换热性能的同时可以提高换热器的紧凑性，解决现有折流杆管壳式换热器在壳程流速低时换热性能较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，包括壳体及从左至右依次设置在壳体上的左封头、左管板、环形隔板、右管板和右封头，其中，

所述左封头和右封头分别密封安装在壳体的左右两端；

所述左管板和右管板均密封安装在所述壳体两端的内壁上，所述左封头、壳体和左管板共同构成左通流腔，右封头、壳体和右管板共同构成右通流腔；

所述壳体内设置有多根换热管，每根换热管的左右两端分别安装在左管板和右管板上，所述左管板、右管板及所有换热管共同构成换热管通流结构，以使流体从所述左通流腔经过换热管后流入右通流腔；

所述环形隔板密封安装在所述壳体的内壁上，其向右延伸有用于通流的第一套筒，从而在第一套筒的外壁与壳体的内壁之间形成外壳程，在第一套筒内腔形成内壳程；所述第一套筒的右端与所述右管板之间存在间距；其中一些换热管从所述第一套筒内穿过，另一些换热管贯穿所述环形隔板；

所述环形隔板与右管板之间还设置有多个折流装置且这些折流装置左右并排设置，每个折流装置均包括一个折流圈和多根相互平行的折流杆，其中，所述折流圈安装在所述壳体的内侧，所述折流杆的两端安装在所述折流圈的上并位于所述折流圈内，每根折流杆均从所述换热管之间的间隙穿过，每个折流装置中的一些折流杆贯穿所述第一套筒；

所述左封头上设置有第一管程进出口，所述壳体上设置有第一壳程进出口和第二壳程进出口，所述第一管程进出口、左管板、第一壳程进出口和第二壳程进出口按从左至右的顺序依次设置；所述左封头或右封头上设置有第二管程进出口。

优选地，离左管板距离最近的折流装置为左折流装置，所述环形隔板、第二壳程进出口和左折流装置按从左至右的顺序依次设置，所述第二管程进出口设置在所述右封头上。

优选地，所述第二管程进出口设置在所述左封头上，并且所述左封头内密封设置有挡板，从而将所述左通流腔分隔成上通流腔和下通流腔，所述第一管程进出口与所述上通流腔连通，所述第二管程进出口与所述下通流腔连通。

优选地，所述第二管程进出口设置在所述右封头上；

离右管板距离最近的折流装置为右折流装置，所述右折流装置、第二壳程进出口和右管板按从左至右的顺序依次设置；

所述右管板向左延伸有第二套筒，所述第二套筒的内径大于所述第一套筒的外径，所述第二套筒的左端与所述环形隔板之间存在间距。

优选地，所有的折流装置的折流圈通过多根支撑杆固定连接在一起，所有折流装置与所有支撑杆共同组成折流结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明可以大幅度提高换热器壳程的流体流速从而提升换热性能，同时有效控制阻力的增幅；

2)本发明采用的双壳程结构，在提升换热性能的同时可以提高换热器的紧凑性；

3)本发明的内外壳程共用一组折流装置，可以简化加工和安装工艺；

4)本发明壳程为纵向流动，能减少振动，提高安全系数，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明的部分剖视示意图；

图2为本发明中环形隔板的结构示意图；

图3为本发明中第一套筒结构示意图；

图4为本发明中折流装置安装在第一套筒上的结构示意图；

图5为本发明实施案例一的管程壳程流体流动示意图；

图6为本发明实施案例二的管程壳程流体流动示意图；

图7为本发明实施案例三的管程壳程流体流动示意图；

图8为本发明实施案例一不同质量流量M下换热系数h的变化曲线图；

图9为本发明实施案例一的不同质量流量M下进出口压降Δp的变化曲线图；

图10为本发明实施案例一的不同质量流量M下效能评价系数EEC的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

如图1～图5所示，一种双壳程折流杆管壳式换热器，包括壳体9及从左至右依次设置在壳体9上的左封头13、左管板12、环形隔板11、右管板8和右封头16，其中，

所述左封头13和右封头16分别密封安装在壳体9的左右两端；

所述左管板12和右管板8均密封安装在所述壳体9两端的内壁上，所述左封头13、壳体9和左管板12共同构成左通流腔32，右封头16、壳体9和右管板8共同构成右通流腔33；

所述壳体内设置有多根换热管18，每根换热管18的左右两端分别固定安装在左管板12和右管板8上，所述左管板12、右管板8及所有换热管18共同构成换热管通流结构，以使流体从所述左通流腔32经过换热管18后流入右通流腔33；

所述环形隔板11密封安装在所述壳体9的内壁上，其向右延伸有用于通流的第一套筒7，从而在第一套筒7的外壁与壳体9的内壁之间形成外壳程22，在第一套筒内腔形成内壳程21；所述第一套筒7的右端与所述右管板8之间存在间距；其中一些换热管18从所述第一套筒7内穿过，另一些换热管18贯穿所述环形隔板11；

所述环形隔板11与右管板8之间还设置有多个折流装置且这些折流装置左右并排设置，每个折流装置均包括一个折流圈5和多根相互平行的折流杆20，其中，所述折流圈5安装在所述壳体9的内壁，所述折流杆20的两端安装在所述折流圈5的上并位于所述折流圈5内，每根折流杆20均从所述换热管18之间的间隙穿过，每个折流装置中的一些折流杆20通过第一套筒7上的杆孔24贯穿所述第一套筒7；优选地，所有折流装置的折流圈5通过多根支撑杆19固定连接在一起，所有折流装置与所有支撑杆19共同组成折流结构。

所述左封头13上设置有第一管程进出口14，所述壳体上设置有第一壳程进出口1和第二壳程进出口4，所述第一管程进出口14、左管板12、第一壳程进出口1和第二壳程进出口4按从左至右的顺序依次设置；所述左封头13或右封头16上设置有第二管程进出口17。

其中，离左管板12距离最近的折流装置为左折流装置30，所述环形隔板11、第二壳程进出口4和左折流装置30按从左至右的顺序依次设置，所述第二管程进出口17设置在所述右封头16上。

如图2所示，实施案例一的环形隔板11是一个开有多个管孔23的圆环形板。

如图3所示，实施案例一的第一套筒7侧壁上按照折流杆20的形状及分布，优选等间距地开有八组杆孔24，相邻组的杆孔24方向垂直布置。

如图4所示，实施案例一的折流杆20穿过折流圈5和第一套筒7上的杆孔24并点焊固定，第一套筒7的左端与环形隔板11的内环面焊接固定。

如图5所示，本发明实施案例一的管程壳程流体流动示意，壳程进口流体3从第二壳程进出口4流入外壳程22，外壳程流体6沿壳体9纵向向右流动，流体流至右管板8处反向流入内壳程21，内壳程流体10沿第一套筒7纵向向左流动，流至环形隔板11左侧和左管板12右侧区域后，壳程出口流体2从第一壳程进出口1流出；换热器管程采用单管程结构，管程进口流体15从第一管程进出口14流入换热器左封头13内的左通流腔32中，通过左管板12沿换热管18内流动至右封头16内的右通流腔33后，换热器管程出口流体26沿换热器第二管程进出口17流出。

实施例二

本发明实施例二与实施例一的不同之处在于第二管程进出口17的安装位置，及增加了挡板27。

所述第二管程进出口17设置在所述左封头13上，并且所述左封头13内密封设置有挡板27，从而将所述左通流腔32分隔成上通流腔34和下通流腔35，所述第一管程进出口14与所述上通流腔34连通，所述第二管程进出口17与所述下通流腔35连通。

如图6所示，本发明实施案例二的管程壳程流体流动示意图，壳程进口流体3从第一壳程进出口1流入内壳程21，内壳程流体10沿第一套筒7纵向向右流动，流体流至右管板8处反向流入外壳程22，外壳程流体6沿壳体9纵向向左流动，流至环形隔板11右侧处后，壳程出口流体2从第一壳程进出口1流出；换热器管程采用双管程结构，在左封头13内增设挡板27，换热器第一管程进出口14和第二管程进出口17均设置在左封头13上，管程进口流体15从第一管程进出口14流入换热器左封头13中挡板27上侧的上通流腔34，通过左管板12沿位于壳程上半部的换热管18内流动至右封头16内的右通流腔33中，管程流体在右封头16内反向，通过右管板8的下半部流入位于壳程下半部的换热管18内，沿换热管18向左流动至左封头13下侧的下通流腔35后，管程出口流体26沿第二管程进出口17流出换热器管程。

实施例三

实施例三与实施例一的不同之处在于第二壳程进出口4的安装位置，及增加了第二套筒29。

离右管板8距离最近的折流装置为右折流装置31，所述右折流装置31、第二壳程进出口4和右管板8按从左至右的顺序依次设置；

所述右管板向左延伸有第二套筒29，所述第二套筒29的内径大于所述第一套筒7的外径，所述第二套筒29的左端与所述环形隔板11之间存在间距。

如图7所示，本发明实施案例三的管程壳程流体流动示意图，壳程设置两个套筒，即第一套筒7和第二套筒29，两个套筒将换热器壳程分为外壳程22、中壳程28和内壳程21三个壳程，壳程进口流体3从第二壳程进出口4流入外壳程22内，外壳程流体6沿壳体9纵向向左流动，流动至环形隔板11右侧处后，反向流入中壳程28内，中壳程流体25沿第二套筒29纵向向右流动至右管板8处后，再次反向流入内壳程21内，内壳程流体10沿第一套筒7纵向向左流动，流至环形隔板11与左管板12中间处后，壳程出口流体2从第一壳程进出口1流出；换热器管程采用单管程结构，管程进口流体15从第一管程进出口14流入换热器左封头13内的左通流腔32中，通过左管板12沿换热管18内流动至右封头16内的右通流腔33后，换热器管程出口流体26沿换热器第二管程进出口17流出。

图8～图10为对实施案例一的壳程整体进行数值模拟的结果，用于对比的传统单壳程管壳式换热器其壳体结构尺寸、壳体进出口管结构尺寸、换热管的结构尺寸及分布间距、折流杆和折流圈的结构尺寸及分布间距均与实施案例一保持一致。数值模拟中以水作为壳程流体介质，壳程入口流体的质量流量范围为2.5kg/s～10kg/s，对应的单壳程折流杆换热器的雷诺数为3554～14215，图中黑色方点代表传统的单壳程折流杆换热器的模拟结果，黑色圆点代表本发明实施案例一的模拟结果。边界条件为：给定均匀进口速度和进口温度293K；管壁温度为313K，壳体壁面绝热。

换热管壁面与流体间的对流换热量Q定义如下：

Q＝c_pM(T_out-T_in)

式中，c_p为壳程流体比热容，单位为J/(kg·K)；M为壳程流体质量流量，单位为kg/s；T_out为流体出口温度，单位为K；T_in为流体入口温度，单位为K。

对流换热系数h定义如下：

h = \frac{Q}{A (T_{w} - T_{f})}

式中，A为换热总面积，单位为m²；T_w为换热管壁面温度，单位为K；T_f为流体平均温度，单位为K。

效能评价系数(换热器强化传热的收益增幅与流体消耗泵功的代价增幅之比)EEC定义如下：

E E C = \frac{Q / Q_{0}}{P / P_{0}}

式中，Q为实施案例一中换热器的换热量，单位为W；Q₀为单壳程折流杆换热器的换热量，单位为W；P为实施案例一中换热器的功耗，单位为W；P₀为单壳程折流杆换热器的功耗，单位为W。

图8和图9分别为在不同的质量流量M下，流体流经实施案例一和单壳程折流杆换热器的换热系数h和压降Δp的变化。从图中可以看出，两种结构的换热器壳程的换热系数h和进出口压降Δp变化趋势相同，均随着质量流量M的增大而增大。实施案例一的换热系数大于单壳程折流杆换热器的换热系数，增幅为40.32％～53.69％，在M＝10kg/s时两者相差最大，此时实施案例一的换热系数相对于单壳程折流杆换热器的换热系数增加了约53.69％，随着质量流量的增大，实施案例一相对于单壳程折流杆换热器的换热系数增幅逐渐加大。实施案例一的壳程进出口压降大于单壳程折流杆换热器的进出口压降，增幅为42.23％～40.32％，在M＝2.5kg/s时两者相差最大，此时实施案例一的壳程进出口压降相对于单壳程折流杆换热器的进出口压降增加了约42.23％，随着质量流量的增大，实施案例一相对于单壳程折流杆换热器的壳程进出口压降增幅逐渐减小。

图10为在不同的质量流量M下，实施案例一与单壳程折流杆换热器对比得到的效能评价系数EEC的值随质量流量M的变化规律，从图中可以看出，EEC值保持在1左右，当M≥6.5kg/s时，EEC值大于1，证明本发明的综合性能优于单壳程折流杆换热器。

从图10可以得出，实施案例一的综合性能优于单壳程折流杆换热器，这说明在换热性能得到大幅度提升的同时(换热系数h提升50％左右)，压降的增加得到了有效的控制，这对于管壳式换热器壳程的传热强化意义重大，因此，可将油类等高黏度低流速的工作流体置于换热器的壳程。

本领域的技术人员容易理解，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

1.一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，包括壳体及从左至右依次设置在壳体上的左封头、左管板、环形隔板、右管板和右封头，其中，

所述左封头和右封头分别密封安装在壳体的左右两端；

2.如权利要求1所述的一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，离左管板距离最近的折流装置为左折流装置，所述环形隔板、第二壳程进出口和左折流装置按从左至右的顺序依次设置，所述第二管程进出口设置在所述右封头上。

3.如权利要求1所述的一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，所述第二管程进出口设置在所述左封头上，并且所述左封头内密封设置有挡板，从而将所述左通流腔分隔成上通流腔和下通流腔，所述第一管程进出口与所述上通流腔连通，所述第二管程进出口与所述下通流腔连通。

4.如权利要求1所述的一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，所述第二管程进出口设置在所述右封头上；

5.如权利要求1所述的一种双壳程折流杆管壳式换热器，其特征在于，所有的折流装置的折流圈通过多根支撑杆固定连接在一起，所有折流装置与所有支撑杆共同组成折流结构。