CN106767018B - 耦合夹套式的分形分叉结构换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，所述换热器至少包括外壳体、内壳体、夹套层、第一管板、第一封头、第二管板、第二封头、主管路和分形分叉结构换热管束；所述内壳体设置于所述外壳体中，所述内、外壳体之间形成所述夹套层；管板和封头均设置于所述外壳体的两端，所述第二管板上设置有与所述夹套层位置相对应的通孔；所述主管路的一端穿过并固定于所述第一封头和第一管板上；所述分形分叉结构换热管束安装在所述内壳体中，中心与所述主管路连通、末端通过内壳体上的孔体与所述夹套层连通。本发明的换热器克服当前技术中的物料收集问题，大幅度提高了传热能力，减小系统的压降，达到了高传热能力与节能的技术目的。

Description

耦合夹套式的分形分叉结构换热器

技术领域

本发明涉及换热领域，特别是涉及一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器。

背景技术

换热器是实现工业生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，换热器作为工业生产装置中的重要节能设备，在工业领域特别是在石油、化工、电力冶金等耗能大的行业中大量应用。据报道，化学工业中80％的能量传递都是由换热器来承担的。2008年世界换热器产业的总市场规模在500亿美元左右。其中，欧盟和美国这两大市场的规模约占200亿美元，占全球换热器市场近40％的份额，中国换热器市场规模为55亿美元，所占份额为11％。由于中国的经济发展增速较快，未来仍会是换热器行业的主要增量市场。

按照传热表面的形状和结构特点分类，换热器可分为管型换热器、板型换热器和其它形式换热器三大类。目前各种形状的管型与板型换热器已经被设计出来并广泛的应用于工业生产中。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，机械、食品、制药等行业对换热器的需求仍在增加，高效换热器逐渐替代换热效率较低的普通换热器。应运而生的分形结构的换热器也随之被设计出来并被部分学者加以研究，众所周知分形分叉结构用于换热器的设计中可以很好地提高系统的流体动力学和热力学性能，具体可以提高传热能力与减小压降。

中国专利CN 101846467 A设计了一种管壳式换热器，具体地是一种具有构型树状结构的换热器。在分形分叉结构换热器优良性能的同时存在一个亟待解决的问题就是换热介质的收集问题。在以前的设计及研究中多采用分散管路分散开经由末端垂直管路到下一层经由下层分叉管路进行收集。该两层管路形成一个单元，在一个换热器中由多个上述单元串联而成形成换热器的管程。但是这种收集方式一方面不利于换热器的“紧凑性”设计，另一方面使得换热物料流经的路径较长，在保证换热器处理能力的前提下物料的流动速度可能会很高，这样就会使得系统的压降增加。本发明基于换热器结构优化的背景，设计了一种具有夹套式的分形分叉结构换热器。其以一种简单的方法解决了分叉流动的物料的收集问题，同时较以前的设计更提高了传热与流动性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，用于解决现有技术中换热器物料收集等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，所述换热器至少包括：外壳体、内壳体、夹套层、第一管板、第一封头、第二管板、第二封头、主管路和分形分叉结构换热管束；

所述内壳体设置于所述外壳体中，所述内壳体和外壳体之间形成所述夹套层，所述内壳体壁上设置有孔体；

所述第一管板、第一封头设置于所述外壳体的一端，所述第二管板、第二封头设置于所述外壳体的另一端，所述第二管板上设置有与所述夹套层位置相对应的若干通孔；

所述主管路的一端穿过并固定于所述第一封头和第一管板上；

所述分形分叉结构换热管束安装在所述内壳体中，所述分形分叉结构换热管束的中心与所述主管路连通、末端通过所述内壳体上的孔体与所述夹套层连通。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述换热器还包括热介质入口、热介质出口、冷介质入口和冷介质出口，所述热介质入口安装在所述第一封头上且与所述主管路连通，所述热介质出口安装在第二封头上，所述冷介质入口和冷介质出口均安装在外壳体上。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述主管路沿外壳体中心轴向设置，且沿着热介质流动方向，所述主管路的直径逐渐变大。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述分形分叉结构换热管束包括多层平行排列的换热管束单元，所述换热管束单元沿所述外壳体轴向垂直分布。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，从所述热介质入口到热介质出口方向，所述换热管束单元的直径逐渐增大。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述分形分叉结构换热管束中，相邻层换热管束单元的直径比和长度比符合Murray’s law。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述换热器的冷介质和热介质为逆向流动，一方面，热介质从所述热介质入口进入换热器，沿着所述主管路依次经过各层换热管束单元，在流经所述换热管束单元末端部时由内壳体上的孔体进入所述夹套层，最后沿着夹套层流动，经过第二管板上的通孔进入第二封头并经由所述热介质出口排出换热器；另一方面，冷介质经由所述冷介质入口进入所述内壳体内部与所述分形分叉结构换热管束外壁接触进行换热并经由所述冷介质出口排出换热器。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述夹套层的宽度范围为10～20cm。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述分形分叉结构换热管束与所述主管路之间采用焊接方式进行连接，所述分形分叉结构换热管束与内壳体之间采用焊接或胀接方式连接。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述分形分叉结构换热管束为Y型分形树状结构换热管束。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述换热器为立式或卧式。

作为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的一种优化的方案，所述热介质入口、热介质出口、外壳体、内壳体、第一管板、第二管板及分形分叉结构换热管束的材料为不锈钢、碳钢、铜或铝合金。

如上所述，本发明的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，具有以下有益效果：

1、采用分形分叉结构换热管束可以有效地提高流体输送效率，减小管束内流动压降，同时增强流场与温度场的场协同效应，使用更紧凑的设计取代了折流板的使用，进一步减小了壳程的压降；

2、采用夹套式收集设计，很好地解决了分形分叉流动介质的收集问题。同时减小了管程液体的流通路径，在保证处理能力的同时以更低的速度进行流动，减小了额外的压降；

3、采用耦合设计，将夹套式与管壳式换热器耦合起来，在流体流过换热管束进入夹套层时，进行二次换热，再次增加该设计的换热能力。采用了主管路和分形分叉管路直径逐渐增加的设计，可以有效地分布换热介质，避免其产生偏向流动。

附图说明

图1为本发明耦合夹套式的分形分叉结构换热器的半剖视图。

图2为本发明换热器中主管路和分形分叉结构换热管束示意图。

图3为本发明换热器中第二管板示意图。

元件标号说明

1 外壳体

2 内壳体

3 夹套层

4 第一管板

5 第一封头

6 第二管板

61 通孔

7 第二封头

8 主管路

9 分形分叉结构换热管束

10 热介质入口

11 热介质出口

12 冷介质入口

13 冷介质出口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1～3，本发明提供一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，所述换热器至少包括：外壳体1、内壳体2、夹套层3、第一管板4、第一封头5、第二管板6、第二封头7、主管路8和分形分叉结构换热管束9。所述内壳体2设置于所述外壳体1中，所述内壳体2和外壳体1之间形成所述夹套层2，所述内壳体2壁上设置有孔体；所述第一管板4、第一封头5设置于所述外壳体1的一端，所述第二管板6、第二封头7设置于所述外壳体1的另一端，所述第二管板6上设置有与所述夹套层3位置相对应的若干通孔61；所述主管路8的一端穿过并固定于所述第一封头5和第一管板4上；所述分形分叉结构换热管束9安装在所述内壳体2中，所述分形分叉结构换热管束9的中心与所述主管路8连通、末端通过所述内壳体2上的孔体与所述夹套层3连通。

需要说明的是，所述换热器可以为立式或卧式。若所述换热器为立式，则所述第一管板4、第一封头5分别为上管板和上封头，所述第二管板6、第二封头7分别为下管板和下封头；若所述换热器为卧式，则所述第一管板4、第一封头5分别为左管板和左封头，所述第二管板6、第二封头7分别为右管板和右封头。其中，两端的管板4、6与内外壳体1、2均连接。附图1展示的是所述换热器为卧式的情况。

作为示例，所述换热器还包括热介质入口10、热介质出口11、冷介质入口12和冷介质出口13，所述热介质入口10安装在所述第一封头5上，并与所述主管路8相连通，所述热介质出口11安装在第二封头7上，所述冷介质入口12和冷介质出口13均安装在外壳体1上且与所述内壳体2内部连通。一方面，热介质从所述热介质入口10进入，通过主管路8和分形分叉结构换热管束9，再通过夹套层3统一收集，经过第二管板6上的通孔61进入第二封头7并经由所述热介质出口11排出换热器，由此可见，所述主管路8和分形分叉结构换热管束9的内部构成管程流动的通道。另一方面，冷介质则由所述冷介质入口12进入所述内壳体2内部，与所述分形分叉结构换热管束9外壁接触进行换热并经由所述冷介质出口13排出换热器，由此可见，所述主管路8和分形分叉结构换热管束9的外侧与所述内壳体2的内部构成壳程流道。

作为示例，所述主管路8沿外壳体1中心轴向设置，且沿着热介质流动方向，所述主管路8的直径逐渐增大。如图2所示，所述分形分叉结构换热管束9包括多层平行排列的换热管束单元，所述换热管束单元沿所述外壳体1轴向垂直分布。进一步地，从热介质入口10到热介质出口11方向，所述换热管束单元的直径逐渐增大。这种采用从左到右(或从上到下)换热主管路8和分形分叉结构换热管束9直径均逐渐增大的设计，可以使流体流经换热管束的阻力沿轴向不断减小，从而有效地分布换热介质，避免换热介质的轴向不均匀流动。

作为优化的方案，所述分形分叉结构换热管束9中，相邻层换热管束单元的直径比和长度比原则上符合Murray’s law设计，即相邻层换热管束单元的直径比和长度比都应为1.26。而在实际设计中，为避免换热管束末端自重叠，同时提高装备的紧凑性，相邻层换热管束单元的直径比和长度比按照实际情况进行尺寸参数设计。

作为示例，如图2所示，所述分形分叉结构换热管束9可以为Y型分形树状结构换热管束。相比现有技术中的折流板，本发明采用的分形分叉结构换热管束9，结构更加紧凑，进一步减小了壳程的压降，并且可以有效地提高流体输送效率，减小管束内流动压降，同时增强流场与温度场的场协同效应。

作为示例，所述内壳体2的两端分别连接在第一管板4和第二管板6上，其壁面上对应于换热管束9末端位置开设有相应大小的孔体。所述分形分叉结构换热管束9的末端与这些孔体相连接，从而使换热介质可以经由这些孔体流入所述夹套层3的内部。

作为示例，所述夹套层3的宽度范围为10～20cm。所述夹套层3的宽度指的是外壳体至内壳体之间的距离。优选地，所述夹套层3的宽度范围为15～20cm。本实施例中，所述夹套层3的宽度范围为15cm。本发明通过设计夹套层，很好地解决了分形分叉流动介质的收集问题，同时减小了管程液体的流通路径，在保证处理能力的同时以更低的速度进行流动，减小了额外的压降；

需要说明的是，所述分形分叉结构换热管束9的管路内部与所述夹套层3相连通，同时与内壳体2内部相隔绝，冷介质则通过所述冷介质入口10直接由所述外壳体1外部通入内壳体2内，与夹套层3内隔绝。冷热介质各个不相通区域采取密封处理。热介质通过所述夹套层3可以进行二次换热，增强换热能力，提高换热效率。

如图3所示，所述第二管板6上设置有与所述夹套层3位置相对应的若干通孔61，即所述第二管板6在边缘区域开有通孔61，这样，换热介质可以通过第二管板6后经由第二封头7上的热介质出口11排出。

作为示例，所述热介质入口10、热介质出口11、外壳体1、内壳体2、第一管板4、第二管板6及分形分叉结构换热管束9等均可由不锈钢材料制备，同时根据实际工况可选择碳钢、铜、铝合金等材料制备。另外，所述分形分叉结构换热管束9与所述主管路8之间采用焊接方式进行连接，所述分形分叉结构换热管束9与内壳体2之间采用焊接或胀接方式连接，封头5、7与管板4、6间采用螺栓连接。冷介质出入口12、13直接与内壳体2内部连通，其与外壳体1和内壳2体间采取焊接方式进行连接。

需要说明的是，所述的换热器还应包括流体驱动装置、控制装置、换热介质上下游连接设备以及冷却介质的驱动与收集装置等。

本发明换热器的具体工作过程为：所述换热器的冷介质和热介质为逆向流动，一方面，热介质从上游工况流出后经由热介质入口进入10所述主管路8中，并沿主管路8向前发展流动，当流经与主管路8垂直相连接的第一层换热管束单元时，部分液体流入该单元中进行分散流动，其余流体继续沿主管路8流动并自由分配进入其他换热管束单元中，直至最后一个换热管束单元。经过换热管束单元的热介质，之后全部经由内壳体2上的孔体进入换热器的夹套层3内，沿着夹套层3流动，并在所述第二管板6处通过管板上的通孔61进入第二封头7，最后通过所述热介质出口11排出进入下一个工况。另一方面，冷却介质经由冷介质入口12进入换热器内壳体2内部，在内壳体2内部，冷介质与管路8、9以及夹套层3中的热介质进行相对流动，换热后经由冷介质出口13排出到换热器之外。

再需要说明的是，本发明提供的换热器不仅可以用于化学工业中，还可以用于其他生物、物理、机械等方面具体的反应体系。

综上所述，本发明提供一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，所述换热器至少包括外壳体、内壳体、夹套层、第一管板、第一封头、第二管板、第二封头、主管路和分形分叉结构换热管束；所述内壳体设置于所述外壳体中，所述内、外壳体之间形成所述夹套层；管板和封头均设置于所述外壳体的两端，所述第二管板上设置有与所述夹套层位置相对应的通孔；所述主管路的一端穿过并固定于所述第一封头和第一管板上；所述分形分叉结构换热管束安装在所述内壳体中，中心与所述主管路连通、末端通过内壳体上的孔体与所述夹套层连通。本发明的换热器克服当前技术中的物料收集问题，大幅度提高了传热能力，减小系统的压降，达到了高传热能力与节能的技术目的。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于，所述换热器至少包括：外壳体、内壳体、夹套层、第一管板、第一封头、第二管板、第二封头、主管路和分形分叉结构换热管束；

所述内壳体设置于所述外壳体中，所述内壳体和外壳体之间形成所述夹套层，所述内壳体壁上设置有孔体；

所述第一管板、第一封头设置于所述外壳体的一端，所述第二管板、第二封头设置于所述外壳体的另一端，所述第二管板上设置有与所述夹套层位置相对应的若干通孔；

所述主管路的一端穿过并固定于所述第一封头和第一管板上；

所述分形分叉结构换热管束安装在所述内壳体中，所述分形分叉结构换热管束的中心与所述主管路连通、末端通过所述内壳体上的孔体与所述夹套层连通。

2.根据权利要求1所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述换热器还包括热介质入口、热介质出口、冷介质入口和冷介质出口，所述热介质入口安装在所述第一封头上且与所述主管路连通，所述热介质出口安装在第二封头上，所述冷介质入口和冷介质出口均安装在外壳体上。

3.根据权利要求2所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述主管路沿外壳体中心轴向设置，且沿着热介质流动方向，所述主管路的直径逐渐增大。

4.根据权利要求2所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述分形分叉结构换热管束包括多层平行排列的换热管束单元，所述换热管束单元沿所述外壳体轴向垂直分布。

5.根据权利要求4所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：从所述热介质入口到热介质出口方向，所述换热管束单元的直径逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述分形分叉结构换热管束中，相邻层换热管束单元的直径比和长度比符合Murray’s law且相邻层换热管束单元的直径比和长度比都为1.26。

7.根据权利要求4所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述换热器的冷介质和热介质为逆向流动，一方面，热介质从所述热介质入口进入换热器，沿着所述主管路依次经过各层换热管束单元，在流经所述换热管束单元末端部时由所述内壳体上的孔体进入所述夹套层，最后沿着所述夹套层流动，经过所述第二管板上的通孔进入所述第二封头并经由所述热介质出口排出换热器；另一方面，冷介质经由所述冷介质入口进入所述内壳体内部，与所述分形分叉结构换热管束外壁接触进行换热并经由所述冷介质出口排出换热器。

8.根据权利要求1所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述夹套层的宽度范围为10～20cm。

9.根据权利要求1所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述分形分叉结构换热管束与所述主管路之间采用焊接方式进行连接，所述分形分叉结构换热管束与内壳体之间采用焊接或胀接方式连接。

10.根据权利要求1所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述分形分叉结构换热管束为Y型分形树状结构换热管束。

11.根据权利要求1所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述换热器为立式或卧式。

12.根据权利要求2所述的耦合夹套式的分形分叉结构换热器，其特征在于：所述热介质入口、热介质出口、外壳体、内壳体、第一管板、第二管板及分形分叉结构换热管束的材料为不锈钢、碳钢、铜或铝合金。