CN105547015A - 一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，包括传热管，传热管穿过旋流片安装在壳程内；旋流片由长条状的平面金属薄片简单折叠而成，由若干个全等的等腰三角形单片构成，每个单片上均设置一个通孔，传热管依次穿过通孔设置。本发明在传热管外安装旋流片，通过将旋流片设计为由若干个等腰三角形状的单片折叠而成的立体结构，且在每个单片上均开有一个椭圆形通孔，使传热管依次穿过通孔设置，能够使壳程中的流体在流动时，产生类似双螺旋结构的旋转流动，使得壳程流体的湍动程度增加，从而使传热系数增加，传热得到强化。

Description

一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，具体涉及一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器。

背景技术

套管式换热器是用两种直径不同的标准管连接而成同心圆套管，内管作为传热管，其管内流体通道叫管程，内外管之间的环形通道称为壳程，冷、热介质可分别在壳程和管程内逆向流动以达到换热的效果。套管换热器作为一种标准的逆流式换热器，因其结构简单、能承受高压而被广泛应用于石油、化工、暖通空调、动力、冶金等各个工业领域中。一般而言，套管换热器的管程比壳程更容易获得较高的传热系数，因此强化壳程传热就具有非常重要的意义。目前强化套管换热器壳程传热的主要途径为改变换热管外形或者在换热管外面加强化元件，以此来增加流体的绕流，应用较多的是管外安装翅片，根据翅片的形状和结构可以分为方翅、螺旋翅片、花瓣形翅片及螺旋锯齿状翅片等，然而采用翅片进行壳程传热强化的效果往往不佳，并且传统翅片由于空间结构复杂，翅片之间的间隙一般很小，流动阻力大，易堵塞易结垢。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，解决现有技术中套管换热器的壳程传热效果不佳的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，包括传热管，传热管外安装有旋流片，传热管与旋流片安装在壳程内；旋流片分为若干个单片，每个单片上均设置一个通孔，传热管依次穿过通孔设置。

本发明的特点还在于：

单片为等腰三角形，相邻两个单片的一个腰相重合。

通孔为椭圆形，通孔的中心到相应单片三个顶点的距离相等。

每个单片的顶点均与所述壳程的内壁相接。

传热管的两端伸出壳程，传热管的一端设置有管程进口，传热管的另一端设置有管程出口；壳程的一端设置有壳程出口，壳程的另一端设置有壳程进口。

本发明的有益效果是：本发明的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，在传热管外部安装旋流片，通过将旋流片设计为由若干个等腰三角形状的单片折叠而成的立体结构，且在每个单片上均开有一个椭圆形通孔，使传热管依次穿过通孔设置，能够使壳程中的流体在流动时，产生类似双螺旋结构的旋转流动，使得壳程流体的湍动程度增加，从而使传热系数增加，传热得到强化。本发明的多平面旋流片可由金属薄片简单折叠而成，结构简单、造价低廉，旋流片还起到支撑传热管的作用，抗振动、抗堵塞、不易结垢。

附图说明

图1为本发明一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器的结构示意图；

图2为图1中旋流片的平面结构示意图；

图3为图1中旋流片使用状态时的立体示意图；

图4为图1的侧投影视图；

图5为本发明采用的旋流片相关尺寸之间关系的推导示意图。

图中，1.旋流片，2.单片，3.通孔，4.传热管，5.管程进口，6.壳程出口，7.壳程，8.管程出口，9.壳程进口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，如图1所示，包括传热管4，传热管4外安装有旋流片1，传热管4连同旋流片1安装在壳程7内，传热管4的两端伸出壳程7；如图2所示，旋流片1分为若干个单片2，每个单片2上均设置一个通孔3，传热管4依次穿过通孔3设置。单片2为等腰三角形，相邻两个单片2的一个腰相重合。通孔3为椭圆形，通孔3的中心到相应单片2三个顶点的距离相等。每个单片2的顶点均与壳程7的内壁相接。传热管4的一端设置有管程进口5，传热管4的另一端设置有管程出口8；壳程7的一端设置有壳程出口6，壳程7的另一端设置有壳程进口9。

旋流片1是一个整体为等腰梯或者平行四边形的平面形状，其由多个相邻的等腰三角形的单片2组成，单片2之间的分界线为图2中所示的虚线，在每个等腰三角形的单片2中心均开有一个椭圆形的通孔3，每个通孔3的圆心到所在单片2顶角的距离都相等，使用时，将该旋流片1沿虚线按正反交错的方式以一定角度进行折叠，形成如图3所示的形状，然后进行安装，使传热管4依次穿过每个通孔3。以传热管4的尺寸为壳程7的尺寸为为例：假设折叠后相邻单片2形成的二面角均为90°，则椭圆形通孔3的长轴长为35.38～37.38mm、短轴长度是20～22mm。

椭圆孔的长轴长度、短轴长度与相邻单片2形成的二面角的关系如下：如图5所示，△ABC和△ACD为构成旋流片的两个相邻的等腰三角形，其顶角∠ACB＝∠CAD，两三角形平面上的两个椭圆孔为全等图形，设a为椭圆孔的长轴长度，b为椭圆孔的短轴长度，d为换热管的外径，D为壳程的内径，并设△ABC和△ACD之间的二面角∠GEF＝β，∠ACD＝∠ADC＝∠CAB＝∠CBA＝θ,∠CDB＝γ，

则有： $cos\mathrm{\β}=\frac{1}{2}({\tan }^2\mathrm{\θ}-1)$

$cos\mathrm{\γ}=\frac{4{\cos }^2\mathrm{\θ}-1}{2cos\mathrm{\θ}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\θ}-\frac{3}{4}}}$

$a=\frac{b}{sin\mathrm{\γ}}$

b＝d

单片上两个等腰三角形的边长分别为：

$BC=AC=AD=\frac{3D}{4\sin \mathrm{\θ}}$

$AB=CD=\frac{3D}{2tan\mathrm{\θ}}$

图3是将图2所示的平面梯形金属片沿虚线所示的折叠线按照一定的角度(相邻两个三角形的二面角β＝90°～115°)折叠形成的立体结构图，折叠时使各等腰三角形状的单片2的顶点分别落在同一条直线上，也就是所有单片2的顶点均与壳程7的内壁相接。并使各个单片2的侧投影视图形成一个等边三角形，同时这个等边三角形的外接圆直径为壳程7的内径。

本发明在工作时，如图1所示，一种流体(比如热流体)由管程进口5流入，经传热管4与其管外即壳程7的流体进行热量交换后由管程出口8流出；另一种流体即冷流体由壳程进口9流入，由壳程出口6流出。在此过程中冷、热流体在该套管换热器中总体呈逆流传热。

图4所示为传热管4穿入多平面旋流片1后，在换热器壳程7中的侧投影视图。

壳程7中的流体在流动时，在多平面旋流片1的强制作用下连续改变流向，产生类似双螺旋结构的旋转流动，使得壳程7流体的湍动程度增加，从而使传热系数增加，传热得到强化。同时多平面旋流片1可以使壳程7中的流体多次绕流经过传热管外壁，使得传热面积利用率增加。

本发明的发明点主要在于旋流片1，使用时，传热管4只需穿过多平面旋流片1中的每个椭圆形通孔3，可快速方便地拆卸和安装，通孔3的尺寸以及折叠角度(单片2之间的二面角)可以改变，以适应不同结构的套管换热器，方便取代套管换热器壳程传统的传热强化元件——翅片。多平面旋流片对套管换热器的传热过程有明显强化作用，可以提高换热器的总体性能，节约能源，提高能效。

实验发现，本发明的采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，与壳程无强化相比，可使壳程流体的传热系数提高约60％～90％，传热综合性能评价因子提高，且结构简单，成本低廉，流动阻力增加幅度较小。

本发明中采用的多平面旋流片1可设计成不同角度的立体结构，可使流体在壳程中产生不同的湍流效果，多平面旋流片在套管换热器中的应用，使单位体积的换热器具有更大的传热面积，增加流体在壳内的湍动程度以达到增加传热效果，充分促使流动场与温度场的协同，从而提高换热器的综合性能。此多平面旋流片结构简单，可由廉价的长条状平面薄片(一般为金属薄片)简单加工而成，材料和制造成本均较低。安装拆卸容易，清洗方便，换热器振动小，可以广泛用于各领域的传热操作。

Claims (5)

1.一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，其特征在于，包括传热管(4)，传热管(4)外安装有旋流片(1)，传热管(4)与旋流片(1)安装在壳程(7)内；旋流片(1)分为若干个单片(2)，每个单片(2)上均设置一个通孔(3)，所述的传热管(4)依次穿过通孔(3)设置。

2.根据权利要求1所述的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，其特征在于，所述的单片(2)为等腰三角形，相邻两个单片(2)的一个腰相重合。

3.根据权利要求2所述的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，其特征在于，所述的通孔(3)为椭圆形，通孔(3)的中心到相应单片(2)三个顶点的距离相等。

4.根据权利要求2所述的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，其特征在于，所述每个单片(2)的顶点均与所述壳程(7)的内壁相接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种采用多平面旋流片进行壳程传热强化的套管换热器，其特征在于，所述传热管(4)的两端伸出壳程(7)，传热管(4)的一端设置有管程进口(5)，传热管(4)的另一端设置有管程出口(8)；所述壳程(7)的一端设置有壳程出口(6)，壳程(7)的另一端设置有壳程进口(9)。