CN105202950A

CN105202950A - 管壳式换热器

Info

Publication number: CN105202950A
Application number: CN201410287039.6A
Authority: CN
Inventors: 曾力丁; 张显程; 张慧
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明公开了一种管壳式换热器，其包括壳体、换热管、封头和管板，换热管的两端为圆形直管，其余部分是横截面为椭圆形的螺旋扭曲管，每四根相邻的换热管在管板上成正方形排列；相邻两根该螺旋扭曲管的扭转方向相反，在与壳体的轴线垂直的任一平面上，螺旋扭曲管的横截面的长轴互相平行，且相邻两根换热管的中心间距为螺旋扭曲管横截面的长半轴与短半轴之和；该些螺旋扭曲管每相隔1/4倍扭距相互接触，形成自支撑结构，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴互相垂直。本发明结构简单，易于维护，提高了壳层传热系数，强化了传热效果，提高了空间利用效率，提高了使用寿命，同时也消除了流动“死区”，降低了换热管的结垢和腐蚀速率。

Description

管壳式换热器

技术领域

本发明涉及换热器制造技术领域，具体涉及一种用于石化、电力、冶金等行业的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器作为一种传统的换热器结构形式，具有结构简单、制造成本低、维护方便、适用性强、安全性高、选材范围广、处理能力大等特点。在管壳式换热器中，传统的折流板管壳式换热器一直占据着主导地位。如图1所示，该折流板管壳式换热器包括固定于支座1′上的壳体2′、设于该壳体2′内的换热管4′、设于该壳体2′两端的封头3′和设于该壳体2′与该封头之间的管板5′，该封头设有管层流体进口31′和管层流体出口32′，该壳体2′上设有壳层流体进口21′和壳层流体出口22′，该管板5′上设有若干等直径的圆形的换热管4′，壳程通过加设弓形折流板6′来达到支撑管束和增强壳程流体扰动。

但该折流板管壳式换热器存在以下几个技术问题：

(1)流体在壳程做“Z”型折流运动，流动阻力大，同时在弓形折流板与壳体连接处，流体会形成漩涡而停滞不前，形成约占总换热面积20～30％的流动“死区7′”，导致换热面积得不到充分利用，降低了换热效率，而且还会引起污垢的沉积、结垢和腐蚀；

(2)流体反复横向掠过管束，又不断地改变流动方向，流动阻力大，增大了流体输送功耗；

(3)流体横向冲刷管束，易引起管束振动，造成管壁与折流板摩擦而穿孔；

(4)换热管采用圆形换热管，在管内流速较低的条件下，边界层热阻较大，传热系数低；而在流速较高的条件下，管内流动阻力较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统的折流板管壳式换热器换热效率低、流体流动阻力大、管壁与折流板易摩擦而穿孔等缺陷，提供一种管壳式换热器，该管壳式换热器结构简单，壳层传热系数高，传热效果好，使用寿命长，同时也消除了流动“死区”，降低了换热管的结垢和腐蚀速率。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种管壳式换热器，包括壳体、设于该壳体内的换热管、设于该壳体两端的封头和设于该壳体与该封头之间的管板，该封头设有管层流体进口和管层流体出口，该壳体上设有壳层流体进口和壳层流体出口，其特点在于，该换热管的两端为圆形直管，其余部分是横截面为椭圆形的螺旋扭曲管，每根该换热管沿该壳体的轴向平行设置，且通过两端的圆形直管分别与相应的管板固定连接组成管束芯体，每四根相邻的换热管在管板上成正方形排列；

每根螺旋扭曲管具有相同的扭距、短半轴和长半轴，相邻两根该螺旋扭曲管的扭转方向相反，在与该壳体的轴线垂直的任一平面上，螺旋扭曲管的横截面的长轴互相平行，且相邻两根该换热管的中心间距为螺旋扭曲管横截面的长半轴与短半轴之和；

该些螺旋扭曲管每相隔1/4倍扭距相互接触，形成自支撑结构，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴互相垂直。

在本方案中，扭距为螺旋扭曲管任一横截面绕扭曲管轴线旋转一周经过的长度。螺旋扭曲管每相隔1/4倍扭距相互接触，形成自支撑结构，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴互相垂直，且相邻两根该螺旋扭曲管的扭转方向相反，使得换热器管束排列更为紧凑，在壳层内形成均匀、密集的螺旋流道。因而对管层流体产生强制湍流作用，其传热效果好，流阻小，不易结垢，消除管束振动，尤其适合于壳层为高粘度流体和气相流体以及壳层产生冷凝相变等场合。

另外，螺旋扭曲管的横截面的长轴互相平行，且相邻两根该换热管的中心间距为螺旋扭曲管横截面的长半轴与短半轴之和，通过采用这种紧凑的换热管排列方式，使管层流体和壳层流体流速匹配更为合理，提高壳层流体的湍流程度，从而较大程度地提高壳层换热系数。

此外，采用相邻两螺旋扭曲管长轴与短轴顶点接触的支撑方式，同时，相邻两根该螺旋扭曲管的扭转方向相反，可明显缩短换热管间距，减小壳层流通截面，且对处于两换热管之间的壳层流体的扰动方向一致，而使壳层流体形成持续的螺旋流动，更有利于传热的进行。

较佳地，该螺旋扭曲管的横截面的短轴与长轴之比为(0.3-0.7):1。

较佳地，该螺旋扭曲管的管束芯体每相隔0.5-10倍扭距通过捆扎带整体捆扎。

较佳地，该管板为固定管板或浮头管板。

较佳地，各该管板上开设有若干用于安装相应的圆形直管的通孔，该通孔的直径大于该圆形直管的直径，且该圆形直管通过焊接或胀接固定于该通孔内。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明结构简单，易于维护，提高了壳层传热系数，强化了传热效果，提高了空间利用效率，提高了使用寿命，同时也消除了流动“死区”，降低了换热管的结垢和腐蚀速率。

附图说明

图1为现有的折流板管壳式换热器的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的管壳式换热器的结构示意图。

图3为图2中沿M-M的剖面结构示意图。

图4为图2中沿N-N的剖面结构示意图。

图5为本发明较佳实施例的螺旋扭曲管的结构示意图。

图6为本发明较佳实施例的相邻两根螺旋扭曲管的自支撑结构示意图。

图7为本发明较佳实施例的相邻四根螺旋扭曲管的自支撑结构示意图。

图8为一现有的螺旋扭曲管排列方式的结构示意图。

图9为另一现有的螺旋扭曲管排列方式的结构示意图。

图10为本发明的螺旋扭曲管排列方式的结构示意图。

附图标记说明：

现有技术：

支座：1′

壳体：2′壳层流体进口：21′壳层流体出口：22′

封头：3′管层流体进口：31′管层流体出口：32′

换热管：4′

管板：5′

弓形折流板：6′

死区：7′

本发明：

支座：1

壳体：2壳层流体进口：21壳层流体出口：22

第一封头：3管层流体进口：31

第二封头：4管层流体出口：41

第一管板：5

第二管板：6

换热管：7圆形直管：71螺旋扭曲管：72

长半轴：a短半轴：b扭矩：S

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图2-3所示，本发明管壳式换热器包括支座1、壳体2、设于壳体2内的换热管7，壳体2的一端设有一第一封头3，另一端设有一第二封头4，壳体2的外壁固定于该支座1上。该壳体2与第一封头3之间设有一第一管板5，壳体2与第二封头4之间设有第二管板6。

其中，该第一封头3的左端设有管层流体进口31，第二封头4的右端设有管层流体出口41。壳体2的左端上部设有壳层流体进口21，壳体的右端下部设有壳层流体出口22。

请根据图3-4予以理解，该换热管7的两端为圆形直管71，其余部分是横截面为椭圆形的螺旋扭曲管72。螺旋扭曲管72可由光滑圆管经冷轧加工而成。如图2-3所示，每根该换热管7沿该壳体的轴向平行设置，且通过两端的圆形直管71分别与第一管板5、第二管板6固定连接组成管束芯体，每四根相邻的换热管7在第一管板5和第二管板6上成正方形排列。在本实施例中，该第一管板5和第二管板6为固定管板或浮头管板。

请根据图4-7予以理解，每根螺旋扭曲管72具有相同的扭距S、短半轴b和长半轴a，且相邻两根该螺旋扭曲管72的扭转方向相反。在与壳体2的轴线垂直的任一平面上，螺旋扭曲管72的横截面的长轴互相平行，且相邻两根换热管的中心间距为螺旋扭曲管横截面的长半轴与短半轴之和。在本实施例中，扭距为螺旋扭曲管任一横截面绕扭曲管轴线旋转一周经过的长度。且通过采用这种紧凑的换热管排列方式，使管层流体和壳层流体流速匹配更为合理，提高壳层流体的湍流程度，从而较大程度地提高壳层换热系数。同时，在实际的使用过程中，通过采用紧凑的布管方式，管间距可显著缩小，因而在相同的布管面积内可排布更多的换热管，相同的体积内能够获得更多的换热面积，使得空间利用效率高。

另外，该些螺旋扭曲管每相隔1/4倍扭距S相互接触，形成自支撑结构，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴互相垂直。同时，相邻两根该螺旋扭曲管的扭转方向相反。这样使得换热器管束排列更为紧凑，在壳层内形成均匀、密集的螺旋流道，对壳层流体起到了强烈的扰动作用，因而可以大幅度提高壳层传热系数，对于层流流动，可提高壳层传热系数1.5-3倍，对于湍流流动，可提高壳层传热系数30％以上。同时，对管层流体产生强制湍流作用，其传热效果好，流阻小，不易结垢，消除管束振动，尤其适合于壳层为高粘度流体和气相流体以及壳层产生冷凝相变等场合。

在本实施例中，由于壳层流体流动方向为完全轴向流动，消除了由于对管束的冲刷引起的诱导振动，减少了由于振动造成管板焊接处开裂和换热管破裂，因而换热器的使用寿命更长，同时也消除了流动死区，降低了结垢和腐蚀速率。

在本实施例中，采用螺旋扭曲管形成自支撑结构形式，结构上易于实现，安装方便，适用于各种压力级别和温度条件的全部管壳式换热器结构形式，与常规的管壳式换热器具有互换性，因而易于推广。

进一步地，该螺旋扭曲管的横截面的短轴与长轴之比为(0.3-0.7):1。该螺旋扭曲管的管束芯体每相隔0.5-10倍扭距通过捆扎带整体捆扎。

优选地，第一管板和第二管板上均开设有若干用于安装相应的圆形直管的通孔，该通孔的直径大于该圆形直管的直径，且该圆形直管通过焊接或胀接固定于该通孔内。且螺旋扭曲管的两端采用管口收缩工具使两端圆管外径缩小至原来的70％-80％，从而使得两端为圆形直管，易使换热管安装在第一管板和第二管板上。

为阐明本发明换热器的壳层传热系数和传热面积较大的特性，对三种换热管排列方式的换热器进行了管、壳层流通截面积之比、在相同体积内的换热面积的对比。

效果实施例1

图8-10列出了典型的两种螺旋扭曲管排列方式的排列方式(图8、图9)与本发明(图10)的对比。

其中，如图8所示，螺旋扭曲管排列方式为正三角形排列，相邻两根螺旋扭曲管的中心间距为2a，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴在一条直线上。

如图9所示，螺旋扭曲管排列方式为正方形排列，相邻两根该螺旋扭曲管的中心间距为2a，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴在一条直线上。

如图10所示，本发明螺旋扭曲管排列方式为正方形排列，相邻两根螺旋扭曲管的中心间距为a+b，在接触点相邻两根螺旋扭曲管的横截面的长轴互相垂直。

另外，表1给出了相同管型在三种螺旋扭曲管排列方式下，管、壳层流通截面积之比(st/ss)，以及在相同体积内的换热面积(管外面积，以图8为基准，忽略换热器的边缘效应)。其中，在三种螺旋扭曲管排列方式中，螺旋扭曲管尺寸均为：长轴为31.5mm，短轴为18.5mm，管壁厚为2.5mm。

表1

	A	B	C
				st/ss	0.50	0.38	1.39
换热面积	1(基准值)	0.87	1.54

由表1可知，由于在本发明螺旋扭曲管排列方式中管束排列更为紧密，壳层流通截面显著缩小,因而壳层流体的湍流程度显著提高，相对其它两种典型的螺旋扭曲管排列方式形式的自支撑结构，其壳层流速提高了2.4～3.6倍，大幅度提高了壳层对流传热系数。同时，由于布管紧密，在相同的体积内，换热面积可提高50％以上。

为验证本发明换热器的传热特性，制作了三台换热面积相近的换热器进行了传热性能的对比测试。材质均为304不锈钢。

效果实施例2

换热器一：换热管为光滑圆管，管子尺寸为25mm×2.5mm(管外径×壁厚)，长度为2500mm，换热管根数为37根，换热管排列方式为正三角形排列，相邻两根该换热管的中心间距为31.5，具体排列方式为：从上至下换热管根数为4，5，6，7，6，5，4。壳层结构为单弓形折流板，折流板圆缺高度为60mm，折流板间距为150mm。

换热器二：换热管为螺旋扭曲管，以25mm×2.5mm(管外径×壁厚)光滑圆管为坯管，加工后椭圆界面外长轴为31.5mm，外短轴为18.5mm，螺旋扭曲管扭距为250mm，长度为2500mm,螺旋扭曲管根数为37根，换热管排列方式为正三角形排列，相邻两根该换热管的中心间距为31.5，换热管排列方式为正三角形排列。壳层结构为管束自支撑结构。

换热器三：为本发明所述管壳式换热器，换热管为螺旋扭曲管，但相邻两根螺旋扭曲管的扭转方向是相反的。螺旋扭曲管根数为36根，螺旋扭曲管排列方式为正方形排列，具体排列方式为6×6。壳层结构为管束自支撑结构。

操作条件：

以140℃的低压蒸汽加热甘油。管层为温度为140℃的低压饱和蒸汽，壳层为甘油。以齿轮泵将常温甘油输送至换热器壳层，甘油被加热后冷却至常温进行循环测试，实验测试了流量为50m³/Hr和100m³/Hr条件下，三台换热器的传热性能。表2列出了三台换热器传热系数的对比结果。

表2

由表2可见，对于壳层为高粘度流体的场合，壳层为折流板结构的换热器传热系数较低，这主要是因为折流板存在流动死区，尤其对于高粘度流体，死区效应更明显，因而传热效果差。而螺旋扭曲管壳层形成的自支撑结构的换热器二和换热器三克服了存在流动死区的缺点，同时能够对壳层流体产生强烈的扰动，因而传热系数更高。本发明的紧凑型换热器相对于折流板结构，在壳层流量分别为5m³/Hr和10m³/Hr的条件下，传热系数分别提高1.90和1.95倍，因而更适合于高粘度流体传热的场合。

综上所述，本发明结构简单，易于维护，提高了壳层传热系数，强化了传热效果，提高了空间利用效率，提高了使用寿命，同时也消除了流动“死区”，降低了换热管的结垢和腐蚀速率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种管壳式换热器，包括壳体、设于该壳体内的换热管、设于该壳体两端的封头和设于该壳体与该封头之间的管板，该封头设有管层流体进口和管层流体出口，该壳体上设有壳层流体进口和壳层流体出口，其特征在于，该换热管的两端为圆形直管，其余部分是横截面为椭圆形的螺旋扭曲管，每根该换热管沿该壳体的轴向平行设置，且通过两端的圆形直管分别与相应的管板固定连接组成管束芯体，每四根相邻的换热管在管板上成正方形排列；

2.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，该螺旋扭曲管的横截面的短轴与长轴之比为(0.3-0.7):1。

3.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，该螺旋扭曲管的管束芯体每相隔0.5-10倍扭距通过捆扎带整体捆扎。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的管壳式换热器，其特征在于，该管板为固定管板或浮头管板。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的管壳式换热器，其特征在于，各该管板上开设有若干用于安装相应的圆形直管的通孔，该通孔的直径大于该圆形直管的直径，且该圆形直管通过焊接或胀接固定于该通孔内。