CN107421370A - 一种传热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热管，该传热管(10)中设置有扭曲片(1)，其中，该扭曲片(1)具有沿所述传热管(10)的轴向方向从所述扭曲片的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔。本发明提供的传热管可以在提高传热效率的同时减少通过的流体的压降。

Description

一种传热管

本申请是申请日为2012年10月30日，申请号为201210426111.X，名称为“一种传热管”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种传热管，该传热管特别适用于加热炉，尤其是生产乙烯的裂解炉。

背景技术

传热过程的傅立叶定理如下式(1)所示，其中q为传热量，A为传热面积，k为传热系数，t/y为温度梯度，

以石油化学工业中的加热炉为例，在传热面积(由加热炉的能力决定)和温度梯度(由炉管材质和燃烧器的能力决定)确定的情况下，唯一能够提高单位面积传热量的方法就是提高传热系数。传热系数k是由主流体的热阻、边界层的热阻决定的，按照普兰特边界层流动理论，当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴在壁面的一层极薄的流体，将附着在壁面不滑脱，即靠近壁面的流体的流速为零，在流体流动主体和壁面之间存在一个流动边界层，这个边界层虽然很薄，但实际情况已经证明，它的传热阻力却非常大。热量通过流动边界层后，就可以迅速传递到主体物流中心，因此，通过某种方式减薄边界层，将有效地增加传热量。

CN1121996A公开了一种生产乙烯的方法，该方法是在裂解炉管中沿炉管的轴向从炉管的入口端到出口端设置一个或多个区域或全部区域管壁内表面上的肋片，肋片由沿管的轴向在管壁内表面上的螺旋延伸的突起形成，肋片的方向与管的中心线相交并具有适当的节距。该发明通过管壁内表面上的螺旋形突起来达到搅动流体的目的，从而达到更大的紊流，在传热的同时尽量降低压降的损失。该发明中，肋片为沿管得轴向在管壁表面上螺旋延伸的螺旋突起形成，或各肋片围绕管中心线在管壁表面上周向衍生的环形突起。很明显，随着炉管使用时间的增加，炉管内表的结焦将会使得螺旋形突起的作用越来越弱，无法延续传热的目的。

CN1711340A公开了一种用于生产乙烯的裂解炉中的裂化管，具有形成在其内表面上且相对于管的中心线倾斜的用于搅拌管内部流体的翅片，所述的翅片离散布置在一个或者多个螺旋轨迹上。这种结构的炉管能够抑制炉管的压力损失，但其传热过程的效果同样也受到损失。

CN1260469A公开了一种能传热过程的热交换管，该热交换管是采用真空冶炼熔模精铸技术制造的扭曲片和圆管集成一体的炉管，其目的是改善传热效果，减小结焦倾向，而且使用性能稳定可靠，工作寿命长。该发明中，扭曲片为强化传热元件的内径绕其中心线旋转的同时沿中心线上下平移而经过的轨迹曲面。采用上述形状的扭曲片，在流体通过扭曲片的时候，由于扭曲片的面积较大，流体通过强化传热元件的压降仍较大。对于管式加热炉而言，压降越低，更有利于节约能量。对于裂解炉来说，压降的降低将有利于裂解反应的选择性的提高，从而提高目的产品如乙烯丙烯的收率。

因此，如何进一步在提高传热效果的同时降低强化传热元件的压降是强化传热元件的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术中的传热管在提高传热效果的同时引起的压降仍比较大的缺点，提供一种提高传热效果的同时尽最大程度降低流体压降的传热管。

本发明的发明人通过研究发现，包括扭曲片的传热管在流体经过时，靠近管中心流体的流线发生改变的较少，而靠近管壁的流体的流线发生较大改变，为螺旋形流线，正是该部分螺旋形流线为传热过程起到了关键的作用，因此，只需要改变靠近管壁附近的流体的流线的流向，使其产生扰流，就可以有效地传热管的传热效果。即，当扭曲片为传热管的内径绕其中心线旋转的同时沿中心线上下平移而经过的轨迹曲面时，去除部分扭曲，可以减小扭曲片对流过的流体产生的阻力，从而可以减小压降损失；同时，存留在管壁附近的扭曲片仍可使流过的流体产生扰流，强化传热，从而可以得到兼具较小的压降损失和较大的传热效果的传热管。再者，本发明提供的传热管，物流在扭曲片处产生大的扰动，当用于毫秒炉中时，很大程度可以减小结焦。基于此发现，完成了本发明。

本发明提供一种传热管10，该传热管10中设置有扭曲片1，其中，该扭曲片1具有沿所述传热管10的轴向方向从所述扭曲片的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔。

优选地，该竖孔呈轴对称，所述竖孔的中心线与所述传热管10的中心线重合。

优选地，所述竖孔的孔径与传热管10的内径的比值为0.05-0.95，优选为0.05-0.5。

优选地，所述传热管10中设置的扭曲片1的个数为1-24，优选为2-10。

优选地，所述传热管10中设置多个所述扭曲片1，相邻所述扭曲片1之间的轴向距离与传热管10的内径的比值为15-75，进一步优选为25-50。

当所述传热管10中设置多个所述扭曲片1时，优选地，相邻的扭曲片1的横截面相互垂直。

优选地，所述扭曲片1的轴向长度和所述传热管10的内径的比值为1-10，优选为1-6，进一步优选为2-4。

优选地，所述扭曲片1的旋转角度为90-1080°，优选为120-360°。

优选地，所述扭曲片1横截面的厚度与传热管10的管壁厚度的比值为0.2-2:1，且与所述传热管10的内径的比值为0.01-0.02:1。

优选地，所述传热管10的内径的数值范围为5-300mm；所述传热管10的管壁的厚度为4-20mm。

优选地，所述传热管采用真空冶炼熔模精铸技术、锻造和焊接中的一种加工而成。

通过上述技术方案，本发明的传热管可以降低流体流过时的阻力从而降低通过的流体的压降，并且同时提高传热管的传热效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明具有两个扭曲片的传热管的轴向截面图；

图2是传热管的横向截面图；

图3是如图1所示的传热管的侧视图，其中假设传热管为透明，因此能够看到传热管之内扭曲片的结构示意图。

附图标记说明

10 传热管 1扭曲片

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指本发明的传热管在工作情况下的方向，也就是附图中所示的方向。传热管的中心线是指传热管在工作情况下，传热管形成的圆柱体沿轴线方向的中心线。

如图1-图3所示，根据本发明的传热管10，该传热管10中设置有扭曲片1，其中，该扭曲片1具有沿所述传热管10的轴向方向从所述扭曲片的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔。

这样的传热管能够利用流体自身的旋转，减薄了流体的边界层，以达到强化传热的目的。本发明的传热管10中，扭曲片上具有竖孔，从而在提高传热效果的同时，减小了对流体流过传热管10的阻力。传热管由于开有竖孔，便于进行清焦。

现有技术中扭曲片通常不具有竖孔，可以理解成一条水平方向上的线段绕其自身中点旋转，同时还在竖直方向上向上或者向下平移而经过的轨迹曲面，并且在传热管设置有扭曲片的部分管段的横截面中，扭曲片的截面一直都是传热管截面圆的内径。扭曲片包括一对相互平行的上侧边和下侧边，以及一对扭曲边，该一对上侧边和下侧边与传热管的直径相等，两个扭曲边始终与传热管的内壁接触。

根据本发明的传热管，该传热管10包括扭曲片1，如图1-图3所示，该扭曲片1上具有沿传热管10的轴向方向从扭曲片的上侧边至下侧边贯穿的竖孔，即，竖孔在轴向上的长度与扭曲片在中心线上的长度相等。开有竖孔后，扭曲片就会从中间断开分成两个扭曲的部分，即，设置有扭曲片的传热管段部分的横截面中，扭曲片1的截面为传热管10截面圆的直径上与圆周相连的两个线段。

对于普通的传热管，管内流体换热的主要热阻集中在层流底层的低速区，但是对于本发明的传热热管来说，管内流体的活塞流转变旋转流，提高了切向速度，破坏了原来的层流层，减薄边界层，增加传热系数，提高了传热管的传热效果。

并且，由于扭曲片1上具有竖孔，从而使得水力清焦头和除垢头能够插入传热管中，以进行机械清焦和除垢。

在本发明的一种优选实施方式中，传热管10中的竖孔的中心处于传热管10的中心线上，并且竖孔关于中心线对称。在此种情形下，传热管10中的一个或多个的扭曲片1上形成孔之后的剩余部分关于传热管10的中心线对称。也就是说，对于扭曲片来说，形成竖孔之后的剩余部分相互分离且对称，这样对称的结构能够使得传热管10中的各个换热加强件受到流体的作用力均匀。

根据本发明，优选地，所述竖孔的中心线与所述传热管10的中心线重合。

优选地，所述竖孔的孔径与传热管10的内径的比值为0.05-0.95，进一步优选为0.05-0.5。在该优选实施方式中，给出了传热管10的竖孔的直径优选数值范围。上述直径的数值范围是根据一般的经验设置的。在该传热管应用于毫秒炉时，由于要进行机械清焦和除垢，因此该竖孔的直径的最小值应当以能够使清焦头和除垢头伸入传热管10为准。例如，现有的清焦头的直径为20mm，即相应的孔的直径为20mm。

优选地，所述传热管10中设置的扭曲片的个数为1-24个，进一步优选为2-10个。

在扭曲片为多个的情形下，扭曲片通常并不是在传热管10的整个长度上设置，而是分段设置在传热管10上，在所述传热管10中设置多个所述扭曲片1的情形中，优选地，相邻扭曲片1之间的轴向距离与传热管10的内径的比值为15-75，进一步优选为25-50。这样分段地不断将管内的流体从活塞流变为旋转流，提高传热效率。该优选实施方式是根据传热管10的长度设置的一般范围，本发明对此并不作限定，任何与传热管10的长度相适应的扭曲片的个数以及轴向间距都在本发明的保护范围之内。进一步优选地，相邻的扭曲片1的横截面相互垂直。需要说明的是，当传热管包括两个以上的扭曲片时，多个扭曲片的竖孔的孔径不一定相同，并且竖孔设置的位置也不一定相同。也就是说，该传热管中的两个扭曲片不一定相同。

通常，术语“节距”是指扭曲片的上侧边旋转180度后的轴向长度。术语“扭曲比”是指节距与传热管的内径的比值。该扭曲比决定了每个传热管的长度，而扭曲片的旋转角度决定了扭曲片的扭曲程度，从而影响传热效率。扭曲片的扭曲比可以根据实际情况进行调整，以下仅仅给出了通常情况下的优选范围，并不对本发明的保护范围进行限制。优选地，本发明的传热管10中的扭曲片1的轴向长度和所述传热管10的内径之间的比例为1-10，优选为1-6，进一步优选为2-4。

所述扭曲片的旋转角度为90-1080°，进一步优选为120-360°。1080°为3圈，也就是说扭曲片最多可以旋转3圈。本发明中，扭曲片的旋转角度是指上述水平方向上的线段形成所述扭曲片所旋转的角度。该旋转角度对管内流体旋转流的程度有影响，在相同扭曲比的前提下，旋转角度越大，流体的切向速度就越大。但是本发明并不限于上述旋转角度的值，任何适用的旋转角度值都可以用在本发明中。

根据本发明，尽管本发明对所述扭曲片的厚度没有特别要求，优选地，所述扭曲片1横截面的厚度与传热管10的管壁厚度的比值为0.2-2:1，且所述扭曲片1横截面的厚度与所述传热管10的内径的比值为0.01-0.02:1。

本领域的技术人员可以知晓的是，所述传热管10的内径可以根据应用的领域进行适当地调整，例如，当所述传热管10用于辐射炉时,所述传热管10的内径为5-300mm，优选为20mm-50mm，进一步优选为50-200mm。

本领域的技术人员可以知晓的是，所述传热管10的管壁的厚度可以传热管的强度要求来确定，优选地，所述传热管10的管壁的厚度为4-20mm，优选为5mm-15mm。

根据本发明，所述传热管10采用真空冶炼熔模精铸技术、锻造或焊接的中的一种加工而成。因此，可以简单、方便、成本低廉地制造传热管。当本发明的传热管采用铸造技术制成时，具有可焊性，可方便地通过焊接方法将传热管连接在例如裂解炉的炉管中。

根据本发明的传热管，所述传热管一体制成，这种结构的传热管不容易损坏，且结构稳定，工作寿命长。

需要说明的是，上述仅列举了本发明的优选实施方式，而在本发明的保护范围内可以进行适当调整，例如当传热管10中设置多个扭曲片1时，各个扭曲片1之间的距离不等，各个扭曲片1的扭曲比和/或旋转角度各不相同，多个扭曲片1可以分别设置为单个扭曲片或者相互垂直交叉的扭曲片1。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种传热管，该传热管(10)中设置有扭曲片(1)，其特征在于，该扭曲片(1)具有沿所述传热管(10)的轴向方向从所述扭曲片的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔。

2.根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，所述竖孔呈轴对称，所述竖孔的中心线与所述传热管(10)的中心线重合。

3.根据权利要求1或2所述的传热管，其特征在于，所述竖孔的孔径与传热管(10)的内径的比值为0.05-0.95。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的传热管，其特征在于，所述传热管(10)中设置的扭曲片的个数为1-24，优选为2-10。

5.根据权利要求4所述的传热管，其特征在于，所述传热管(10)中设置多个所述扭曲片(1)，相邻所述扭曲片(1)之间的轴向距离与传热管(10)的内径的比值为15-75，优选25-50。

6.根据权利要求5所述的传热管，其特征在于，相邻的扭曲片(1)的横截面相互垂直。

7.根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，所述扭曲片(1)的轴向长度与所述传热管(10)的内径的比值为1-10，优选为1-6，进一步优选为2-4。

8.根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，所述扭曲片(1)的旋转角度为90-1080°，优选为120-360°。

9.根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，所述扭曲片(1)横截面的厚度与传热管(10)的管壁厚度的比值为0.2-2:1，且所述扭曲片(1)横截面的厚度与所述传热管(10)的内径的比值为0.01-0.02:1。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的传热管，其特征在于，所述传热管(10)的内径的数值范围为5-300mm；所述传热管(10)的管壁的厚度为4-20mm。