CN105987624A - 具有分形结构的列管式换热器 - Google Patents

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沈国飞
唐志永
魏伟
汪丹峰
祝贺
吕敏
陈倩倩
赵陆海波
罗晓茭
韩伟
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Abstract

本发明公开了一种具有分形结构的列管式换热器，包括壳体、管板、封头、换热管束、管程流体入口、管程流体出口、壳程流体入口和壳程流体出口，所述换热管束的主体设置在壳体内部，两端无间隙地固定在管板上，并穿过管板，换热管束的管径和位置呈分形结构分布；所述管板设置在壳体两端，管板上安装换热管束的位置处开有使换热管束两端开放的孔口；所述封头设置在壳体两端，并与管板相连。本发明通过优化换热器内流体的输送路径，充分利用壳体内部空间，合理布置换热管束，强化冷热流体在管壁间的传热，提高了列管式换热器的综合换热性能。

Description

具有分形结构的列管式换热器
技术领域
本发明涉及能源化工领域，特别是涉及一种流动换热装置，更具体的说，是涉及一种能够强化流动换热综合性能的具有分形结构的列管式换热器。
背景技术
换热装置是能源化工中必不可少的装置。列管式换热器也叫管壳式换热器，是目前化工生产中使用最广泛的换热器。它具有结构简单、坚固耐用、制造容易、造价低廉、材料范围广、处理量大、清洗方便、适应性强、操作弹性大等众多优点，在换热设备中占据主导地位，广泛用于石油、化工、动力、能源、冶金、制冷、轻工等行业，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。
列管式换热器内管程流体和壳程流体的流动行为对整个换热器的换热性能有重大的影响。目前，为了强化传热，提高列管式换热器的传热效率，通常在壳体内增加横向或纵向折流挡板。常见的横向折流板多为圆缺形挡板，也叫弓形挡板，通过折流板使壳侧流动成为弯曲的之字形流动,让流体可以垂直冲刷管束，从而提高壳程流体的对流传热系数，增加壳程流体的流速。这样设计的换热器改善了冷热流体在列管内外表面的流动状态，在一定程度上增加了流体的湍动强度，提升了换热器的换热性能，收到了一定的效果，但也存在一些问题：高流速的流体横掠换热管束,容易诱导换热管束的振动，从而缩短换热器的寿命。此外，流体垂直冲击壳体壁面，也造成较大的沿程压降，进而增加了泵功耗，并且流体在折流板与壁面连接处容易产生流动死区，因而也降低了换热效率。同时，这种设计也增加了列管式换热器的制作难度，并且其对列管式反应器的改善和优化的空间也已经比较有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有分形结构的列管式换热器，它流动阻力小，换热效率高，且易于加工。
为解决上述技术问题，本发明的具有分形结构的列管式换热器，包括壳体、管板、封头、换热管束、管程流体入口、管程流体出口、壳程流体入口和壳程流体出口，所述换热管束的主体设置在壳体内部，两端无间隙地固定在管板上，并穿过管板；所述管板设置在壳体两端，管板上安装换热管束的位置处开有使换热管束两端开放的孔口；所述封头设置在壳体两端，并与管板相连；其特征在于，所述换热管束的管径和位置呈分形结构分布。
不同管径的换热管束的水力直径满足公式：dk＝d0γk，其中，d0为第0级换热管束的水力直径，k为管径级别，γ为管径的比例系数(一般为0.5)，级别越小，水力直径越大。
换热管束的管径级别数不应少于2级，但也不宜过多，最好为3级，过多级别的换热管束会增加加工制作的复杂度和换热器整体的制作成本。
换热管束的位置分布根据类Sierpinski镂垫分形规则确定，不同管径级别的换热管束的位置呈交错分布，且换热管束沿着管长方向在壳体内相互平行；最近的同级别换热管束在壳体内呈正三角形分布。这样的管径位置分布可以充分利用壳体内的空间，最大限度地实现换热器结构紧凑和高效换热的目的。壳体内换热管束数目的增加及管径的周期性变化，有助于紊流的形成，增强流动的湍动能，继而能最大限度地提升整体的冷热流体的热交换系数，从而达到高效换热和节能的目的。
换热管束的内表面和外表面可以设计花纹结构，以进一步增强壳程流动和管程流动的湍动能强度，增强换热器的换热性能。所述花纹结构可以是凸点、凹点、横纹、斜纹、直纹或螺旋纹中的一种或两种以上的组合。
换热管束横截面的形状可以多变，例如可以是圆形、正多边形、圆角多边形等，但是其水力直径均应满足前述的公式关系。
本发明的列管式换热器可以是立式或卧式换热器。
本发明通过考察列管式换热器内冷热流体的流动行为，优化流体输送路径，充分利用壳体内部空间，合理布置换热管束，强化冷热流体在管壁间的传热，提高了列管式换热器的综合换热性能，从而达到了高效换热的目的。
附图说明
图1为本发明的具有分形结构的列管式换热器的整体结构示意图。
图2为图1所示列管式换热器的AA’剖面的一种局部结构放大示意图。
图3为图2所示列管式换热器的剖面结构的生成示意图。
图4为图1所示列管式换热器的AA’剖面的另一种局部结构放大示意图。
图5为图4所示列管式换热器的剖面结构的生成示意图。
图中附图标记说明如下：
11：管程流体的入口
12：管程流体的出口
21：壳程流体的入口
22：壳程流体的出口
3：壳体
4：管板
5：封头
6：换热管束
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，不用于限定本发明。
本发明的具有分形结构的列管式换热器的整体结构如图1所示，包括壳体3、管板4、封头5、换热管束6、管程流体入口11、管程流体出口12、壳程流体入口21和壳程流体出口22。换热管束6的主体设置在壳体3的内部，换热管束6的两端分别固定在管板4上，与管板4之间无间隙地紧密结合，并穿过管板4。管板4设置在壳体3的两端，在管板4上换热管束6的安装位置处开有使换热管束6两端开放的孔口。封头5设置在壳体3的两端，并与管板4相连。管板4一方面起密闭作用，另一方面分配封头5内的管程流体，同时阻隔壳程流体流入封头5内。管程流体入口11设置在换热器的左侧，管程流体出口12设置在换热器的右侧。壳程流体入口21设置在壳体3的右上方，壳程流体出口22设置在壳体3的左下方。
实施例1
本实施例的列管式换热器，其剖面局部结构如图2所示。该剖面结构的生成方法如图3所示，先将整个壳体圆周按内接正六边形进行区域分割，接着将正六边形区域透过中心分割为六个正三角形，然后将每个正三角形按照Sierpinski镂垫分形规则继续分为4个正三角形，将得到的正三角形按照Sierpinski镂垫分形规则继续进行区域划分，直至得到的正三角形的内切圆的直径符合需要的第0级换热管束(主换热管束)的直径(d0)为止。主换热管束按照正三角形内切圆的位置进行交错布置，且和邻近的主换热管束呈现正三角形分布(如图3中所示)。将相邻第0级换热管束的中心相连，在其连线中心位置布置第1级换热管束(直径d1)，此后在相邻第1级换热管束的连线的中心位置布置第2级换热管束(直径d2)，每级换热管束的直径可由如下公式(1)获得：
dk＝d0γk (1)
式中，d0为第0级换热管束的水力直径，即主换热管束水力直径；k为换热管束级别；γ为管径的比例系数，一般为方便处理取为0.5。
如此循环下去则可得到具有类Sierpinski分形结构的列管式换热管束分布。本实施例中，换热管束总级别数不应少于2级，即至少应布置有第1级换热管束。
实施例2
本实施例的列管式换热器，其剖面局部结构如图4所示。该剖面结构的生成方法如图5所示，先将整个壳体圆周按内接正六边形进行区域分割，接着将正六边形区域透过中心分割为六个正三角形，然后将每个正三角形按照Sierpinski镂垫分形规则继续分为4个正三角形，将得到的正三角形按照Sierpinski镂垫分形规则继续进行区域划分，直至得到的正三角形的内切圆的直径符合需要的第0级换热管束(主换热管束)的直径(d0)为止。主换热管束按照正三角形内切圆的位置进行交错布置，且和邻近的主换热管束呈现正三角形分布(如图5中所示)。将相邻第0级换热管束的中心相连，在其连线中心位置处布置第2级换热管束(直径d2)，其管径大小同样满足上述公式(1)。此后将相邻的第2级换热管束的中心相连，在构成的正三角形中心位置布置第1级换热管束。此实施例中换热管束的总级别数至少为2级，但至多为3级。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制。尽管选取的实施例对本发明做了详细地说明，本领域的普通技术人员应当可以理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.具有分形结构的列管式换热器，包括壳体、管板、封头、换热管束、管程流体入口、管程流体出口、壳程流体入口和壳程流体出口，所述换热管束的主体设置在壳体内部，两端无间隙地固定在管板上，并穿过管板；所述管板设置在壳体两端，管板上安装换热管束的位置处开有使换热管束两端开放的孔口；所述封头设置在壳体两端，并与管板相连；其特征在于，所述换热管束的管径和位置呈分形结构分布。
2.根据权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，不同管径的换热管束的水力直径满足公式：dk＝d0γk，其中，d0为第0级换热管束的水力直径，k为管径级别，γ为管径的比例系数，级别越小，水力直径越大。
3.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，所述γ为0.5。
4.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，换热管束的管径级别数不少于2级。
5.根据权利要求4所述的列管式换热器，其特征在于，换热管束的管径级别数为3。
6.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，根据类Sierpinski镂垫分形规则确定换热管束的位置分布，不同管径级别的换热管束的位置呈交错分布，且换热管束沿着管长方向在壳体内相互平行；最近的同级别换热管束在壳体内呈正三角形分布。
7.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，所述换热管束的内表面和外表面有花纹结构，所述花纹结构包括凸点、凹点、横纹、斜纹、直纹或螺旋纹中的一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，所述换热管束横截面的形状包括圆形、正多边形、圆角多边形。
9.根据权利要求2所述的列管式换热器，其特征在于，所述列管式换热器为立式或卧式换热器。
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