CN105387738A - 一种形状记忆合金折流板换热器及折流板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金折流板换热器，包括：筒体；管箱，其设置于筒体两侧或一侧；折流板，其中，上层折流板贴合设置于筒体顶部；下层折流板，贴合设置于筒体底部与上层折流板间隔设置；换热管束，其穿接在折流板的连接孔中，并提供了一种换热器内形状记忆合金结构参数及制备方法。

Description

一种形状记忆合金折流板换热器及折流板制备方法

技术领域

本发明涉及一种折流板换热器，尤其涉及一种形状记忆合金折流板换热器及一种形状记忆合金折流板制备方法。

背景技术

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，又称热交换器。它广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。浮头式换热器是目前应用最广泛的的一种换热器。该种换热器一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，方便清洗和检修。为了达到提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束的目的，换热器中增设了折流板，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构。折流板与换热器壳体内壁之间的间隙过大，泄露严重，流体短路，传热效率下降，能耗上升，还容易引起振动；但是，间隙过小，安装困难，并且在检修和清洗时换热器管束不能方便地抽出壳体或装入。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种形状记忆合金折流板换热器，形状记忆合金折流板的奥氏体态伸直张开，马氏体态为弧形，便于清洗维修。

本发明还有一个目的是提供了一种换热器内形状记忆合金结构参数及制备方法，通过热处理工艺可以改变相变点和相变形状。

本发明提供的技术方案为：

一种形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，包括：

筒体；

管箱，其设置于所述筒体两侧或一侧；

折流板，包括上层折流板和下层折流板，上层折流板贴合设置于所述筒体顶部；下层折流板，贴合设置于所述筒体底部，与所述上层折流板间隔设置；

换热管束，其穿接在所述折流板的连接孔中。

优选的是，所述折流板包括位于中心位置折流板基板及设置在所述折流板基板边缘的折流板嵌板；

其中，所述折流板嵌板材质为形状记忆合金；

优选的是，所述形状记忆合金为镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金中的一种。

优选的是，所述形状记忆合金在奥氏体状态为直线型，在马氏体状态为弧形。

优选的是，在马氏体状态下，所述上层折流板靠近筒体顶壁的弧面的方向与下层折流板靠近筒体底壁的弧面的弯曲方向相同。

优选的是，所述折流板厚度为4mm～6mm。

优选的是，所述所述上折流板和下折流板的间隔为，

$B_{cv}=\frac{sin\mathrm{\α}\·R_{cr}\·Q}{2{L_{re}}^3{C}_p\mathrm{\Δ}T\·u\mathrm{\σ}}$

其中，Q为换热器的传热速率；C_p为比热容；ΔT为温差；u为客体流动速度；σ为记忆合金密度。

本发明的目的还可进一步由一种形状记忆合金折流板制备方法，来实现包括：

步骤一：将折流板基板裁切为圆形板材，其半径为，

L_re＝0.02R_cv ²+0.11R_cv+0.83

其中R_cv为筒体内径；

步骤二：采用直板夹具将形状记忆合金夹装在中间，对所述形状记忆合金进行高温定型处理；

步骤三：形状记忆合金冷却至室温，采用冲压装置将形状记忆合金弯曲为弧形，形状记忆合金的弧面弯曲角度相同，弯曲半径为，

$R_{cr}=(R_{cv}-\sqrt{\frac{Q}{C_p\mathrm{\Δ}T\·u\mathrm{\σ}}})$

其中，Q为换热器的传热速率；C_p为比热容；ΔT为温差；u为客体流动速度；σ为记忆合金密度。

弯曲角度为，

$\mathrm{\α}=2\arcsin \left(\frac{0.82e^{0.08L_{re}}}{R_{cr}}\right)$

优选的是，所述步骤三中的形状记忆合金冷却方法为水冷或在空气中冷却。

本发明所述的有益效果

1、本发明所述的形状记忆合金折流板换热器与其普通换热器折流板相比，明显提高了换热率，节约能源，并清洗与维修管束创造了方便条件。

2、本发明所述的形状记忆合金折流板换热器反应灵敏，安全可靠，通过改变合金成分及热处理工艺可以改变相变点，即当不同温度的热流体介质通过时，折流板叶片的动作温度可控；形状记忆合金成本比较低、稍做处理可重复使用。

3、本发明所述的形状记忆合金折流板换热器间隔精准设置，保证换热效果又方便清洗。

附图说明

图1为本发明所述的形状记忆合金折流板换热器的结构示意图。

图2为本发明所述的形状记忆合金折流板换热器的剖面图。

图3为本发明所述的形状记忆合金马氏体态结构示意图。

图4为本发明所述的形状记忆合金奥氏体态结构示意图。

图5为本发明所述的形状记忆合金结构参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、2所示，本发明提供的形状记忆合金折流板换热器包括，筒体110,管箱120，上折流板140，下折流板150和换热管束160。

其中管箱120，其设置于筒体110两侧；

折流板，其中，上层折流板140贴合设置于筒体110顶部；下层折流板150，贴合设置于筒体110底部与上层折流板间140隔设置；

如图3所示，折流板包括位于中心位置折流板基板141及设置在折流板基板141边缘的折流板嵌板142；其中，所述折流板嵌板材质为形状记忆合金

换热管束160，其穿接在折流板的连接孔中。

位于浮头式换热器两端的管板170，一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，即为浮头端。换热管束160受热时，换热管束160连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

浮头式换热器的筒体110和换热管束160相对膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，换热管束160和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使换热管束160能容易的插入或抽出壳体。这样为检修、清洗提供了方便。

浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。

在设计时必须考虑浮头管板170的外径，小于筒体110内径，一般浮头管板170与筒体110内壁的间隙为3～5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将换热管束160从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间，钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用，钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。

在另一实施例中，形状记忆合金选用镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金中的一种。

如图3所示，所述折流板奥氏体状态为直线折流板，如图4所示，马氏体状态为弧形折流板，马氏体状态下上层折流板140靠近筒体顶壁的弧面的方向与下层折流板150靠近筒体底壁的弧面的弯曲方向相同，折流板厚度4mm～6mm。利用形状记忆合金作为折流板嵌板142，伸直状态为奥氏体相，弯曲状态为马氏体相，当有热流体经过折流板时，受热展开，使折流板与换热器壳体内壁的间隙消失。增大了壳程流体“蛇”字形的流动路线，提高了导热率。当需要检修或清洗时，通入低温流体，使折流板弯曲收缩，增大了折流板与壳体内壁的间隙尺寸，使管束的抽出变得非常容易，清洗和检修变得也非常方便。

折流板可以改变液体流向，增加流体在管间的湍动程度，增大传热系数，提高传热效率，同时还起到支撑管束的作用，折流板的间隔设置合理，有利于提高换热器的传热效率，作为一种优选，根据基体折流板材料采用铆接、焊接、螺栓连接等方式，把形状记忆合金折流板部分安装到折流板基体上，其间隔为

$B_{\mathrm{cv}}=\frac{\sin \mathrm{\α}\·R_{\mathrm{cr}}\·Q}{{{2L}_{\mathrm{re}}}^3{C}_p\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{u\σ}}$

其中，Q为换热器的传热速率，其单位为J/S；C_p为比热容，其单位为J/Kg·℃；ΔT为换热管内外温差，单位为℃；u为客体流动速度，单位为m/s；σ为记忆合金密度，单位为kg/m³。

本发明的目的还可进一步由一种形状记忆合金折流板制备方法，来实现包括：

因形状记忆合金具有伸缩延展性，因此折流板基板精准裁切可提高形状记忆合金折流板的性能参数，提高换热器的换热效果。

步骤一：将折流板基材裁切为圆形板材，其半径为，

L_re＝0.02R_cv ²+0.11R_cv+0.83

其中R_cv为筒体内径，；

步骤二：采用直板夹具将形状记忆合金夹装在中间，对所述形状记忆合金进行高温定型处理，工艺参数设定为：镍钛形状记忆合金，温度500℃～600℃，时间5～8小时；铜基形状记忆合金，温度300℃～500℃，时间0.5～2小时；铁基形状记忆合金，温度800℃～850℃，时间8～12小时。

如图5所示，步骤三：形状记忆合金冷却至室温，采用冲压装置将形状记忆合金弯曲为弧型，形状记忆合金的弧面弯曲角度相同，弯曲半径为，

$R_{cr}=(R_{cv}-\sqrt{\frac{Q}{C_p\mathrm{\Δ}T\·u\mathrm{\σ}}})$

其中，Q为换热器的传热速率，其单位为J/S；C_p为比热容，其单位为J/Kg·℃；ΔT为换热管内外液体温差，单位为℃；u为客体流动速度，单位为m/s；σ为记忆合金密度，单位为kg/m³。

弯曲角度为，

$\mathrm{\α}=2\arcsin \left(\frac{0.82e^{0.08L_{re}}}{R_{cr}}\right)$

作为一种优选，所述步骤三中的形状记忆合金冷却方法为水冷或在空气中冷却。

在另一实施例中，步骤一中，浮头换热器为方形筒体时，将折流板基材裁切为方形板材，其裁切长度为，

F_re＝0.02R_cv ²+0.11R_cv+0.83

其中R_cv为筒体内径；

裁切宽度，D_re＝0.56nd₀+0.28；

其中，n为换热管数量，d₀为换热管外径。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，包括：

筒体；

管箱，其设置于所述筒体两侧或一侧；

折流板，包括上层折流板和下层折流板，上层折流板贴合设置于所述筒体顶部；下层折流板，贴合设置于所述筒体底部，与所述上层折流板间隔设置；

换热管束，其穿接在所述折流板的连接孔中。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，所述折流板包括位于中心位置折流板基板及设置在所述折流板基板边缘的折流板嵌板；

其中，所述折流板嵌板材质为形状记忆合金。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，所述形状记忆合金为镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金中的一种。

4.根据权利要求2或3所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，所述形状记忆合金在奥氏体状态为直线型，在马氏体状态为弧形。

5.根据权利要求1所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，在马氏体状态下，所述上层折流板靠近筒体顶壁的弧面的方向与下层折流板靠近筒体底壁的弧面的弯曲方向相同。

6.根据权利要求1或4所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，所述折流板厚度为4mm～6mm。

7.根据权利要求6所述的形状记忆合金折流板换热器，其特征在于，所述所述上折流板和下折流板的间隔为，

其中，Q为换热器的传热速率；C_p为比热容；ΔT为温差；u为客体流动速度；σ为记忆合金密度。

8.一种形状记忆合金折流板制备方法，其特征在于，包括：

步骤一：将折流板基板裁切为圆形板材，其半径为，

L_re＝0.02R_cv ²+0.11R_cv+0.83

其中R_cv为筒体内径；

步骤二：采用直板夹具将形状记忆合金夹装在中间，对所述形状记忆合金进行高温定型处理；

步骤三：形状记忆合金冷却至室温，采用冲压装置将形状记忆合金弯曲为弧形，形状记忆合金的弧面弯曲角度相同，弯曲半径为，

其中，Q为换热器的传热速率；C_p为比热容；ΔT为温差；u为客体流动速度；σ为记忆合金密度。

弯曲角度为，

。

9.根据权利要求8所述的形状记忆合金折流板制备方法，其特征在于，所述步骤三中的形状记忆合金冷却方法为水冷或在空气中冷却。