CN105928392B - 一种螺旋垫条型缠绕管式换热器 - Google Patents

一种螺旋垫条型缠绕管式换热器 Download PDF

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Abstract

一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，包括螺旋型平垫条和螺旋型异形垫条，螺旋型垫条安装应使得层与层之间、垫条与垫条之间所形成的流道与该层换热管相垂直，螺旋型缠绕管式换热器的安装方式是对于第i层，计算出第i层螺旋型平垫条、第i层螺旋型异形垫条的缠绕螺距及定位槽的倾斜角后，选定该层所需要的第i层螺旋型异形垫条和第i层螺旋型平垫条的根数；将第i层螺旋型平垫条平整的一面贴着第i‑1层换热管的上表面沿周向均匀分布安装；安装完成后，反向螺旋安装该层的换热管，周而复始直至最外层，本发明传热性能好、阻力降小。

Description

一种螺旋垫条型缠绕管式换热器
技术领域
本发明涉及缠绕管式换热器技术领域，具体涉及一种螺旋垫条型缠绕管式换热器。
技术背景
缠绕管式换热器由于其结构紧凑、单位体积换热面积大、耐高压、传热效率高、可以实现多股流换热、具有良好的热补偿能力等优点。缠绕管式换热器是在芯筒与外筒之间的空间内，将换热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状换热管的螺旋方向相反，层间采用一定形状的垫条隔开使之保持一定的间距。由于其传热元件为圆管，缠绕管式换热器对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，降低了生产装置的操作难度，提高了设备的安全性。且其结构相对紧凑、耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿。目前国内工业应用的缠绕管换热器的换热管多为光管，垫条为直平形垫条或者直异形垫条。
研究发现缠绕管换热器的壳侧流动十分复杂，流体在绕管和壳体的间隙中不断地分离会合，使得壳侧流动湍流旺盛。但流体在同层绕管轴向相邻的上下管外壁间交错流动时会出现一些流速较低的滞留区域和涡旋，尤其是在垫条与换热管之间的狭小区域更易造成流动死区和产生涡旋。另外，由于换热管的螺旋缠绕安装，会对壳侧流动的流体产生一定的引导，使得壳侧流体在同层局部区域的流动形式为斜掠流。所存在的这两个现象都使得现有结构形式的缠绕管式换热器不能将小温差高效传热的特点充分发挥。
发明内容
为克服上述技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，能有效的提高现有缠绕管式换热器的传热效率。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，包括第i层换热管1和第i-1层换热管2，第i层换热管1和第i-1层换热管2之间设有第i层螺旋型平垫条3和第i层螺旋型异形垫条4，第i层螺旋型平垫条3控制不同层换热管之间的层间距Pl，第i层螺旋型异形垫条4控制同层换热管之间的管间距Pt，第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4使得换热管层与层之间所形成的流道与该层换热管相垂直，第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4使得垫条之间所形成的流道与该层换热管相垂直。
所述的第i层螺旋平垫条3垫条和第i层螺旋异形垫条4应按照螺距Pp,i进行安装，Pp,i的计算公式如下，取第i层：
式中，Ri-1和Ri，分别为第i-1和i层换热管的缠绕半径；Ptube,i为第i层换热换缠绕的螺距。
所述的第i层螺旋型异形垫条4上还要切割出相应的定位槽，其形状为圆柱形且直径为换热管外径d；定位槽的间距为同层换热管之间的管间距Pt，在第i层螺旋型异形垫条4上切割的定位槽有一定的倾斜角σ，σ计算公式如下：
所述的第i层螺旋型异形垫条4的俯视能围城一个标准的圆。
所述的一种螺旋型缠绕管式换热器的安装方式：对于第i层，在计算出第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4的缠绕螺距及定位槽的倾斜角后，选定该层所需要的第i层螺旋型异形垫条4和第i层螺旋型平垫条3的根数；按照计算所得的垫条螺距Pp,i，将第i层螺旋型平垫条3和第i层螺旋型异形垫条4平整的一面贴着第i-1层换热管的上表面沿周向均匀分布安装；垫条安装完成后，再反向螺旋安装该层的换热管，周而复始，直至最外层。
本发明的有益效果为：
1、结构方面：螺旋垫条型缠绕管式换热器由于垫条(第i层螺旋型平垫条3和螺旋型异形垫条4)的安装形式使得同层换热管间形成的流道垂直于换热管，易于增强换热；第i层螺旋型平垫条3和螺旋型异形垫条4也加强了整个换热管束的结构强度，防止换热器正常工作时的振动。
2、综合传热性能方面：螺旋型垫条缠绕管式换热器层与层之间形成的垂直于换热管的流道使流体的切向速度增大，部分流体流向同一层绕管轴向上下相邻的两根换热管的外壁面间隙，从而使此处流体流速增加，进而强化了此处管表面传热性能。用直垫条组装的管束，流体主要冲刷换热器壳侧径向相邻的两层换热管外壁面之间的区域。而用螺旋垫条替代直垫条之后，迫使换热器壳侧的主流体沿着换热器螺旋向下流动，除了向下冲刷径向相邻的两层换热管外壁面之间的区域，对原来的低流速区域--同层绕管轴向上下相邻的两根换热管外壁面之间的区域也进行了冲刷，有效地减薄了换热管外壁的流动边界层和热边界层，从而有效地提高了缠绕管换热器壳侧的传热性能。
附图说明
图1为本发明螺旋垫条型缠绕管式换热器结构示意图。
图2为第i层缠绕层中单根换热管和螺旋垫条结构图。
图3-1为第i层螺旋型异形垫条4的局部细节图。
图3-2为第i层螺旋型异形垫条4(部分)俯视图。
图4为本发明螺旋垫条型缠绕管式换热器相较于传统缠绕管式换热器在各工况下的PEC准则数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1和图2，一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，包括第i层换热管1和第i-1层换热管2，第i层换热管1和第i-1层换热管2之间设有第i层螺旋型平垫条3和第i层螺旋型异形垫条4，第i层螺旋型平垫条3控制不同层换热管之间的层间距Pl，第i层螺旋型异形垫条4控制同层换热管之间的管间距Pt，第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4使得换热管层与层之间所形成的流道与该层换热管相垂直，第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4使得垫条之间所形成的流道与该层换热管相垂直。
所述的第i层螺旋平垫条3垫条和第i层螺旋异形垫条4应按照螺距Pp，i进行安装，Pp，i的计算公式如下，取第i层：
式中，Ri-1和Ri，分别为第i-1和i层换热管的缠绕半径；Ptube,i为第i层换热换缠绕的螺距。
参照图3-1和图3-2，所述的第i层螺旋型异形垫条4上还要切割出相应的定位槽，其形状为圆柱形且直径为换热管外径d；定位槽的间距为同层换热管之间的管间距Pt，在第i层螺旋型异形垫条4上切割的定位槽有一定的倾斜角σ，σ计算公式如下：
所述的第i层螺旋型异形垫条4的俯视能围城一个标准的圆。
所述的一种螺旋型缠绕管式换热器的安装方式：对于第i层，在计算出第i层螺旋型平垫条3、第i层螺旋型异形垫条4的缠绕螺距及定位槽的倾斜角后，选定该层所需要的第i层螺旋型异形垫条4和第i层螺旋型平垫条3的根数；按照计算所得的垫条螺距Pp,i，将第i层螺旋型平垫条3和第i层螺旋型异形垫条4平整的一面贴着第i-1层换热管的上表面沿周向均匀分布安装；垫条安装完成后，再反向螺旋安装该层的换热管，周而复始，直至最外层。
参照图4，以数值模拟为手段，对比螺旋垫条型缠绕管式换热器与传统缠绕管式换热器的综合传热性能，并以PEC准则作为综合性能评价指标，从结果可以得出，螺旋垫条型缠绕管式换热器的综合传热性能提升显著。

Claims (2)

1.一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，包括第i层换热管(1)和第i-1层换热管(2)，其特征在于：第i层换热管(1)和第i-1层换热管(2)之间设有第i层螺旋型平垫条(3)和第i层螺旋型异形垫条(4)，第i层螺旋型平垫条(3)控制不同层换热管之间的层间距Pl，第i层螺旋型异形垫条(4)控制同层换热管之间的管间距Pt，第i层螺旋型平垫条(3)、第i层螺旋型异形垫条(4)使得换热管层与层之间所形成的流道与该层换热管相垂直，第i层螺旋型平垫条(3)、第i层螺旋型异形垫条(4)使得垫条之间所形成的流道与该层换热管相垂直；
所述的第i层螺旋平垫条(3)和第i层螺旋异形垫条(4)应按照螺距Pp,i进行安装，Pp,i的计算公式如下，取第i层：
式中，Ri-1和Ri，分别为第i-1和i层换热管的缠绕半径；Ptube,i为第i层换热换缠绕的螺距；
所述的第i层螺旋型异形垫条(4)上还要切割出相应的定位槽，其形状为圆柱形且直径为换热管外径d；定位槽的间距为同层换热管之间的管间距Pt，在第i层螺旋型异形垫条(4)上切割的定位槽有一定的倾斜角σ，σ计算公式如下：
所述的第i层螺旋型异形垫条(4)的俯视能围成一个标准的圆。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋垫条型缠绕管式换热器，其特征在于：所述的一种螺旋型缠绕管式换热器的安装方式：对于第i层，在计算出第i层螺旋型平垫条(3)、第i层螺旋型异形垫条(4)的缠绕螺距及定位槽的倾斜角后，选定该层所需要的第i层螺旋型异 形垫条(4)和第i层螺旋型平垫条(3)的根数；按照计算所得的垫条螺距Pp,i，将第i层螺旋型平垫条(3)和第i层螺旋型异形垫条(4)平整的一面贴着第i-1层换热管的上表面沿周向均匀分布安装；垫条安装完成后，再反向螺旋安装该层的换热管，周而复始，直至最外层。
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