CN108645271A - 一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，可以有效提高管束传热的均匀有效性，减少因管束非均匀流动造成的传热不均衡性。其包括依次连接的进口管箱、管束和出口管箱，与换热工质进口依次相连接的进口三通和偶数根对称设置的进口管，以及与换热工质出口依次相连接的出口三通和偶数根对称设置的出口管；进口管箱与出口管箱由中间隔板相隔开，进口管箱和出口管箱通过前端管板与管束的进出口相连；进口管伸入进口管箱内部，进口管背对第一管程管束一侧开设若干向下倾斜开孔的倾斜孔；出口管伸入出口管箱内部，出口管正对第二管程管束一侧开设若干水平开孔的平孔。

Description

一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构
技术领域
本发明涉及管式热交换的管束换热设备，具体为一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构。
背景技术
燃煤/燃气锅炉生成的烟气伴有巨大的余热，且含有SOx、NOx、HCl、HF等酸性气体，直接排放不仅造成大量热量损失，还会引发酸雨等一系列环境问题。因此，在火电厂锅炉或者其他工业锅炉尾部烟道上，一般均布置有烟气余热回收和烟气再热装置。
烟气余热回收一般是在湿式烟气脱硫塔入口处安装烟气冷却器以降低烟气温度。烟气通过烟气冷却器后温度可降至90℃以下，一方面烟气余热得到有效回收，另一方面在烟气温度下降过程中，烟气中的SOx、NOx等酸性气体会与水蒸气发生反应，形成H2SO4、HNO3等酸性蒸汽，这些酸性蒸汽在达到其酸露点时会凝并，从而得以脱除。这时的烟气冷却器除了回收烟气余热以外，还兼顾了酸性污染物预脱除的作用。烟气再热器通过换热器提高烟气温度，避免排烟温度降低至酸露点而造成下游设备以及烟道壁面的腐蚀。
因此，用于烟气余热回收、烟气再热除湿消白、烟气冷凝除湿脱污消白的烟气换热器必须具备换热效率高，抗腐蚀等特点。
管式换热器由于其结构简单，制造加工方便，可为冷热工质进行热量交换提供较大的换热面积，因此在火电厂烟气余热回收和烟气再热以及化工、石油等其他工业过程中应用广泛。但现有管式换热器的进出口多采取单管连通管箱的连接方式，换热工质从进口管流入管箱后，正对进口管出口位置处的换热管束分配到的流量较大，而流入其他换热管内流量较小，且亦存在差异。在管式换热器设计计算方法上，绝大多数场合至今仍沿用按均匀流量分配估算换热性能的传统惯例，而正如上述，在传统换热器管箱结构下，不同换热管中实际工质流量分配与理论平均流量值存在较大的偏差，对换热器换热效率产生很大的影响，特别是在管束传热实验中，由于不考虑管束中的流量偏差将导致实验结果的严重失真。除此之外，由于流量分配不均亦会导致现实换热器中不同管束内流体温度的差异，进而使换热管与管板的连接部位出现不同程度的温差，形成金属热应力，加速管板腐蚀开裂，严重时还会直接导致管板热变形。特别地，在紧凑型换热器工作状态下，因换热器进出口结构不合理而导致的管束中工质流量分配不均匀，将大大降低其换热有效性，从而影响换热器的整体性能表现。
针对换热器管束间出现的管内流量分布不均现象，现有技术手段主要为在管箱中设置均流板，以及改进入口管的入口方向等，但实际操作操作过程不易实现，随不同工况条件的变化较大，而且在实际运行过程，由于管箱中添加有均流板，会额外较大程度的增加压力损失，增加泵的运行功耗等，使得运行成本大大增加。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，可以有效地消除管束中管内工质的流量偏差现象，从而减小因换热管内流量分配不均对换热器整体换热性能造成的不良影响，同时降低不同管内流体因流动偏差而引起的温度差异问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，包括依次连接的进口管箱、管束和出口管箱，与换热工质进口依次相连接的进口三通和偶数根对称设置的进口管，以及与换热工质出口依次相连接的出口三通和偶数根对称设置的出口管；
所述进口管箱与出口管箱由中间隔板相隔开，进口管箱和出口管箱通过前端管板与管束的进出口相连；
所述的进口管伸入进口管箱内部，进口管背对第一管程管束一侧开设若干向下倾斜开孔的倾斜孔；
所述出口管伸入出口管箱内部，出口管正对第二管程管束一侧开设若干水平开孔的平孔。
优选的，进口管的末端伸入进口管箱内部至中间隔板处，伸入长度高出管束的进口区域，多根进口管的伸入长度相同。
优选的，倾斜孔与水平方向向下形成的倾斜角为20°～60°。
优选的，倾斜孔的直径为梯度减小或梯度增大。
优选的，若干倾斜孔均匀对称开设在进口管上，或上部开孔数量少于下部开孔数量。
优选的，出口管的末端伸入出口管箱内部至中间隔板处，伸入长度超过管束的出口区域，若干平孔均匀对称开设出口管上。
优选的，进口三通和进口管之间依次连接有进口连接管和进口弯头，出口三通和出口管之间依次连接有出口连接管和出口弯头。
优选的，所述的管束包括依次连接的第一管程管束、转弯管箱和第二管程管束；进口管箱和出口管箱通过前端管板分别与第一管程管束和第二管程管束相连，转弯管箱通过后端管板分别与第一管程管束和第二管程管束相连；第一管程管束和第二管程管束采取顺列排布、错列排布的方式或者混合排列方式。
进一步，进口管箱、转弯管箱以及出口管箱采用矩形管箱、半圆柱形管箱或椭圆形管箱。
优选的，进口三通的两个出口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，与偶数根对称设置的进口管连接；出口三通的两个进口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，与偶数根对称设置的出口管连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，采用三通结构将进口水管一分为二，被分出的两根或多根进口管与进口管箱相连，首先增加进口管的流通面积，减小进口管内工质的流速，降低流动工质由进口管进入管箱时所产生的湍流强度以及流动扰动，为后续管箱内流体工质的均匀分布提供条件；同时根据实际情况需要，亦可将进口水管一分为三根或更多，在设计过程中可以灵活地进行增减，对不同的设计条件下的实际操作适用性强；伸入进口管箱内部的进口管背部的所开孔采用倾斜向下的倾斜孔，利用斜孔所产生的倾斜壁面，可以对流体工质的流动方向进行引导和校正，用于抵消进口管内流体工质的入口效应，消除流体工质由于入口方向而产生的纵向方向的动量，均匀流体工质在进口管箱内部的分布情况。多根出口管与出口管箱相连接的同时，亦伸入出口管箱内部，同时出口管正对管束的一侧均匀开孔，出口管箱不存在入口效应。
进一步的，将采用三通分出的多根进口水管与进口管箱相焊接密封之后，进一步伸入管箱内部，进口水管的伸入长度可以根据管箱的实际设计深度而定，一般应高出管束分布区域，靠近进出口管箱的中部隔板，实际操作过程中，亦可以根据实际工质的流速进行取舍，例如流量较大时，可以适当减少两根进口管的伸入长度，降低流体工质在流量较大时由于入口效应对进口管箱顶部的补给量过大，可以一定程度上调节流体工质在进口管箱内部的纵向分布情况。
进一步的，在伸入进口管箱的多根进口管的背对管束一侧进行均匀对称开孔，开孔直径可以随设计流量而定，例如当换热器设计流量较大时，可以适当扩大开孔直径，降低流体工质由进口管流入进口管箱时的流速，减少由此在进口管箱内部而带来的流动扰动等，同时开孔数量亦可根据实际需要进行取舍，可最大限度均匀流体工质在进口管箱中的纵向分布情况。采用正对管束一侧开孔的方式，均匀管箱内部流场的同时，亦可在一定程度上减少压力损失。
进一步的，倾斜角的倾斜角度一般取为20～60°；同时，在流量较大时，倾斜孔无法完全消除入口效应对进口管箱内部流场所造成的干扰，亦可对进口管背部的实际开孔数量进行取舍，增减进口管顶部的开孔数量，减少流体工质在进口管箱顶部的流量；并且可以根据实际设计工况条件，对进口管背部的开孔直径采取依次作递增或递减措施，例如当设计流量较大时，可以将开孔直径依次递减，减少进口管箱顶部的流量分布，当流量较小时，可将开孔直径依次递增，增大进口管箱顶部的流量分布。
进一步的，所涉及到的管箱结构为矩形管箱或半圆柱形管箱或椭圆形管箱，可方便地在电厂或相关工业设备上进行连接。
附图说明
图1为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的整体示意图。
图2为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的内部结构示意图。
图3a为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的进口水管结构示意图。
图3b为图3a的左视图。
图4a为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的出口水管结构示意图。
图4b为图4a的左视图。
图5为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的半圆柱形管箱结构示意图。
图6为本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱的半圆柱形管箱内部结构示意图。
图中，101为进口三通，102为出口三通，201为进口连接管，202为出口连接管，301为进口弯头，302为出口弯头，4为进口管，5为进口管箱，6为前端管板，7为管束，701为第一管程管束，702为第二管程管束，8为后端管板，9为转弯管箱，10为出口管箱，11为出口管，12为中间隔板，13为倾斜孔，14为平孔。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，可实现换热工质流量在换热管束管内的均匀分布，减小管中流量偏差，降低由于换热管内工质流量分布不均对换热器整体换热效率产生的不利影响。用于火电厂及相关工业过程中的管式烟气热交换装置，亦可用于紧凑型管式换热器管束中工质流量的均匀分配。
如图1所示，本发明一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，设计安装简单便捷，可以有效改善现有管式换热器管内工质流量偏差较大的现状，其包括：与换热工质进口相连接的进口三通101、进口连接管201、进口弯头301、偶数根进口管4，其中进口管4伸入进口管箱5内部，进口管4背对第一管程管束701一侧开设若干倾斜孔13，如图2和图3a、图3b所示；进口管箱5与出口管箱10由中间隔板12相隔开，进口管箱5和出口管箱10通过前端管板6分别与第一管程管束701和第二管程管束702相连，转弯管箱9通过后端管板8分别与第一管程管束701和第二管程管束702相连，出口管11正对第二管程管束702一侧开设若干平孔14，如图2和图4a、图4b所示，出口管11分别与出口弯头302、出口连接管202以及出口三通102相连；其中，进口管箱5、出口管箱10和转弯管箱9亦可采用半圆柱形结构，如图5和图6所示。
其中，进口管4可以根据需要设置两根或更多的偶数根，通过采用多根进口管4可在相同流量的条件下降低工质的入口流速，减小工质由进口管流入后再进口管箱内的湍流强度和扰动，为工质均匀分配至管束中不同的换热管内提供必要条件；本优选实例中，进口三通101和进口管4之间依次连接有进口连接管201和进口弯头301，出口三通102和出口管11之间依次连接有出口连接管202和出口弯头302；进口三通101的两个出口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，然后依次通过一一对应的进口连接管201和进口弯头301，与偶数根对称设置的进口管4连接；出口三通102的两个进口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，然后依次通过一一对应的进口连接管201和进口弯头301，与偶数根对称设置的出口管11连接。
进口管4的末端伸入进口管箱5内部至中间隔板12处，伸入长度亦可根据实际设计需要而定，一般应高出第一管程管束区，但当设计流量较大时，考虑到由于入口效应而在进口管箱顶部造成的流体工质补给量增大的现象，可适当减少进口管4的伸入长度，但多根进口管的伸入长度应保持一致；
进口管4伸入进口管箱5中的部分管段，在背对第一管程管束701的一侧，均匀对称开设若干倾斜孔13，避免流体工质由倾斜孔13流出后，对第一管程管束701的入口区域形成直接对冲，造成流入被冲击区域与未被冲击区域的换热管内的流量出现较大的偏差；
进口管4伸入进口管箱5中的部分管段，所开倾斜孔13的倾斜度α可根据设计需要选取，利用管壁厚度所形成的倾斜孔可以在一定程度上缓解流体工质的入口效应，根据前期数值模拟结果，与水平方向向下形成的倾斜角一般应在20°～60°的范围内选取，当超过60°时，反而会进一步增加进口管箱内流体工质的扰动，使不同换热管内工质流量的均流效果降低；
进口管4伸入进口管箱5中的部分管段，所开倾斜孔13的数量可根据实际设计需要进行重新分配，当设计入口流速较大时，可以适当减少上部的开孔数量，仅依赖流体工质的入口效应对进口管箱5的上部进行补给，避免分配至第一管程管束的上部区域的流量过大；
进口管4伸入进口管箱5中的部分管段，所开倾斜孔13的直径可以根据需要设计为梯度减小或梯度增大，当设计流量较大时，可适当增加进口管4上的下部倾斜孔13的直径同时减小上部倾斜孔13的直径，通过变开孔直径的手段抵消过大的入口效应；当设计流量较小时，流体工质的入口效应较弱，流体受重力影响更倾向于向进口管箱的下部进行分配，此时可适当减小进口管4下部倾斜孔13的直径同时增大上部倾斜孔13的直径，强制流体工质向进口管箱的上部区域进行补给分配；
出口管11的末端伸入出口管箱10内部至中间隔板12处，伸入长度应保证超过第二管程管束702的出口区域，出口管11的伸入部分管段正对第二管程管束702的出口一侧均匀对称开设平孔14，同时应尽量选取较大的开孔直径，减小流动压力损失，出口管11的根数亦可根据需要选取两根或多根；
第一管程管束701和第二管程702中的换热管，可以采取顺列排布或者错列排布的方式，亦或者混合排列方式均可，根据实际设计需要，换热管的材料可选取金属管、非金属管或者氟塑料管等多种材质的管材；
进口管箱5、转弯管箱9以及出口管箱10可以根据实际现场需要，设计为矩形管箱或者半圆柱形或椭圆形管箱，如图5所示，管束亦可以设计为一管程或多管程，不受实际设计需要现场施工对结构的限制。
本发明的主要工作过程及原理：
换热工质由换热工质入口进入后，首先流经进口三通101进行分流，降低其整体流速，减少流体的动能，之后分别经进口连接管201、进口弯头301流入多根进口管4；进口管4伸入进口管箱5的内部，伸入长度一般应超过第一管程管束701的上部区域直至中间隔板12，其伸长部分的管段背对第一管程管束701的入口一侧，均匀对称开设多个倾斜孔13，换热工质流体由进口管4的倾斜孔13流出至进口管箱5内部，通过在进口管4上钻取倾斜孔13，利用管壁厚度强迫换热工质向下流动，一定程度上削弱其进口效应，同时配合减少进口管4上部的钻孔数量、将开孔直径进行不同的梯度变化等技术手段，均匀换热工质在进口管箱5内的纵向分布；之后，换热工质由进口管箱5均匀流入第一管程管束701的入口，通过第一管程管束701流入转弯管箱9，并由第二管程管束702流入出口管箱10；多根出口管11伸入进口管箱内部，正对第二管程管束702出口的一侧均匀开设若干平孔14，出口管箱10内的换热工质通过多个平孔14均匀流入多根出口管11，并依次经由出口弯头302、出口连接管202以及出口三通102等流出管式换热器。
本发明还具有以下优点：
本发明所提供的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，可以有效解决现有管式换热器管内流量分配不均的问题，而且结构简单，方便换热器的设计加工和组装，同时，也方便现有管式换热器的换热管内工质流量的均流效果改造；首先在进口处通过三通将来流分配至多个进口管，大大降低换热工质的流动速度，减少流体进入进口管箱后的湍流强度和扰动，为均匀分配管式换热器管内工质的流量提供必要条件；
通过设置多根进口管，同时将进口管延长至进口管箱以内，在进口管背对第一管程管束进口的一侧开设倾斜孔的技术手段，使得换热工质在进口管箱内的纵向方向进行均匀分配补给，配合调节倾斜孔的倾斜角度、减少进口管伸入管段上部的开孔数量以及将倾斜孔的开孔直径设置为梯度变化等方法，有效削减甚至抵消换热工质进入进口管箱的入口效应；
对出口管做相同处理，但在伸入管段上的开孔为平孔，且正对第二管程管束出口，可有效降低对换热设备造成的压力损失，该方法与在管箱内增设均流板相比，对管式换热器的整体运行并没有增加太多的流动阻力，对换热设备的整体压头损耗较小；
本发明可以适用于包括顺排和错排在内的多种管排形式，以及多种包括金属管、非金属管和氟塑料管在内的多种管材，管程亦可设置为一管程或多管程，根据实际设计和现场施工需要，如图5和图6所示，进出口管箱、转弯管箱等亦可设置为半圆柱形或椭圆形，不受结构限制。
总体来说，本发明设计简便，构思新颖，简单高效，方便制造和安装，同时也方便现有管式换热器的进出口管箱的均流改造，可操作性强；同时，在所提均流方法的基础，可根据实际设计需要，采用多种不同的技术方法，如改变开孔直径，开孔数量，开孔分布以及开孔的倾斜角度等综合对管箱内部特别是进口管箱内部的流场进行均匀处理，有效减小管束中不同管内的流量分配差异，降低不同管内流体工质的温度差异以及由此带来的管板热应力损伤，提高管式换热器的整体换热效率。与现有在管箱内增设均流板等技术手段相比，该方法可以有效减少因管束均流而额外增加的压力损失，降低运行成本。同时，该方法还可以根据换热器不同的运行工况条件，便于优化设计不同的管箱结构，可操作性强。
申请者已将此设计方法及其结构应用于最新搭建的冷凝除湿和再热消白的换热器传热特性及阻力特性实验，并将实验结果和数值模拟结果进行了对比，发现符合很好。实验结果表明：本发明所述结构可获得管束内流量的均匀分配，同时减少了流动阻力，是一种可应用于实验室实验和工程实际应用的先进设计的管箱结构，具有优异的传热及阻力特性。

Claims (10)

1.一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，包括依次连接的进口管箱、管束和出口管箱，与换热工质进口依次相连接的进口三通和偶数根对称设置的进口管，以及与换热工质出口依次相连接的出口三通和偶数根对称设置的出口管；
所述进口管箱与出口管箱由中间隔板相隔开，进口管箱和出口管箱通过前端管板与管束的进出口相连；
所述的进口管伸入进口管箱内部，进口管背对第一管程管束一侧开设若干向下倾斜开孔的倾斜孔；
所述出口管伸入出口管箱内部，出口管正对第二管程管束一侧开设若干水平开孔的平孔。
2.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，进口管的末端伸入进口管箱内部至中间隔板处，伸入长度高出管束的进口区域，多根进口管的伸入长度相同。
3.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，倾斜孔与水平方向向下形成的倾斜角为20°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，倾斜孔的直径为梯度减小或梯度增大。
5.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，若干倾斜孔均匀对称开设在进口管上，或上部开孔数量少于下部开孔数量。
6.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，出口管的末端伸入出口管箱内部至中间隔板处，伸入长度超过管束的出口区域，若干平孔均匀对称开设于出口管上。
7.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，进口三通和进口管之间依次连接有进口连接管和进口弯头，出口三通和出口管之间依次连接有出口连接管和出口弯头。
8.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，所述的管束包括依次连接的第一管程管束、转弯管箱和第二管程管束；进口管箱和出口管箱通过前端管板分别与第一管程管束和第二管程管束相连，转弯管箱通过后端管板分别与第一管程管束和第二管程管束相连；第一管程管束和第二管程管束采取顺列排布、错列排布的方式或者混合排列方式。
9.根据权利要求8所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，进口管箱、转弯管箱以及出口管箱采用矩形管箱、半圆柱形管箱或椭圆形管箱。
10.根据权利要求1所述的一种均匀分配管式换热器管内流量的进出口管箱结构，其特征在于，进口三通的两个出口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，与偶数根对称设置的进口管连接；出口三通的两个进口端分别通过多通道转换接头将一根管口均匀对称转接为多根管口，与偶数根对称设置的出口管连接。
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