CN108827037A - 一种气液两相流换热器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气液两相流多管式管壳式换热器的设计方法，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，汽液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，所述换热管内设置用于减震降噪的分割装置，同一根换热管内设置多个分割装置，所述分隔装置的采取沿着管道流动方向方法设计。本发明提供一种新的换热器的设计方法，能够最大程度减弱管道的振动，降低噪声水平，同时降低流动阻力。
Description
技术领域
本发明涉及一种管壳式换热器，尤其是涉及一种含有不凝气体的两相流动换热器。
背景技术
含有不凝气体的两相流换热广泛地存在于换热装置中，例如在换热过程中混入了不凝气体，或者在流体运输过程中因为设备老化产生的不凝气体，还有例如天然气液化(主要成分为沸点-162℃甲烷、沸点-88℃乙烷、沸点-42℃丙烷等)过程中的不同沸点混合介质的冷凝、空气分离、混合冷剂制冷、石油或废塑料裂解、生物质气生产等行业的主要工艺过程。
含有不凝气体的流体在换热过程中因为气相的存在，会导致换热效率低，恶化换热，流体流动过程不稳定，而且会导致水锤现象的发生。当两相工质的汽液相没有均匀混合且不连续流动时，大尺寸的液团会高速地占据气团空间，导致两相流动不稳定，从而剧烈地冲击设备与管道，产生强烈震动和噪声，严重地威胁设备运行安全。
针对气液两相流的换热恶化问题，已经有人提出了新的解决方式来解决上述问题，例如公开号为CN105258535A专利申请，通过设置突刺破坏层流底层，通过“刺”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，从而进行强化传热。但是上述技术并没有解决气液两相流换热器中的震动和噪音问题，而且上述的解决方式结构复杂，而且因为突刺的尺寸问题，无法保证换热管中部的整个横截面上的扰动，无法实现整体上的气相液相的均匀，噪音和震动问题依然严重。针对上述问题，本发明提供了一种新式结构的分割装置的换热器，从而解决上述的问题。
本申请人在前面申请中也设计了一种多管式分割装置，参见图7所示。但是此种装置在运行中发现，因为管子之间是紧密结合在一起，因此三根管子之间形成的空间A相对较小，因为空间A是三根管子的凸弧形成，因此空间A的大部分区域空间狭窄，会造成流体无法进入通过，造成流体短路，从而影响了了流体的换热，无法起到很好的稳流作用。同时因为上述结构的多根管子组合在一起，制造困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种新式结构的分割装置的换热器，在管道内存在气液两相流动时，减弱气液两相流换热管内的振动，降低噪声水平，同时强化传热。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种气液两相流多管式管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，汽液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，所述换热管内设置用于减震降噪的分割装置，同一根换热管内设置多个分割装置，沿着换热管内流体的流动方向，所述分割装置的长度先逐渐的减小到某一位置，然后从某一位置开始分割装置的长度又逐渐的增加。
作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，所述分割装置的长度逐渐的减小的幅度越来越大。
作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，分割装置的长度逐渐的增加的幅度越来越大。
作为优选，换热管的长度为L，所述某一位置为换热管长度的中间位置。
作为优选，所述分隔装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管和肋片，所述肋片连接相邻的同心管。
作为优选，所述同心管和肋片上设置连通孔。
作为优选，所述肋片的延长线穿过同心管的圆心。
作为优选，换热管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分割装置。
作为优选，相邻分隔装置之间的距离为S，分隔装置的长度为C，换热管的外径为W，相邻同心管的半径分别为R2和R1，其中R2>R1，相邻的肋片之间的圆弧的弧度为h，满足如下要求：
S/C＝a-b*LN(W/E)；
E＝((h*R2 2-h*R1 2)/2)1/2；
其中LN是对数函数，a,b是参数，其中16.1<a<17.2,7.9<b<8.8；
其中分隔装置的间距是以相邻分隔装置相对的两端之间的距离；
34<W<58mm；
7<E<12；
14<C<23mm；
50<S<70mm。
作为优选，a＝16.5,b＝8.4。
与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：
1)本发明根据换热管内的气相液相的流动规律，使得所述分割装置的长度先减小后增加，最大程度减弱管道的振动，降低噪声水平，同时降低流动阻力。
2)本发明提供了一种新式结构的分割装置，相对于通过分割装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。相对于多管式分割装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。
3)本发明通过设置分割装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。
4)本发明因为将气液两相在换热管的整个横截面位置上进行了分割，避免了现有技术中仅仅换热管内壁面进行分割，从而在整个换热管截面上实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动，降低了噪音和震动，强化了传热。
5)本发明通过在换热管长度方向上设置相邻分割装置之间的距离、分割装置的长度、贯通孔的外径等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。
6)本发明通过对环形分割装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。
附图说明
图1是本发明的两相流管壳式换热器的结构示意图；
图2是本发明的两相流管壳式换热器的换热管结构示意图；
图3本发明分隔装置结构示意图；
图4是本发明分隔装置在换热管内布置示意图；
图5是是本发明分隔装置在换热管内布置的另一个示意图。
图6是是本发明分隔装置在换热管内布置横截面示意图。
图7是是本发明分隔装置的尺寸示意图。
图8是背景技术中的两相流管壳式换热器的结构示意图。
附图标记如下：前封头1，封头法兰2，前管板3，壳体4，分隔装置5，换热管6、后管板7，封头法兰8，后封头9，支座10，支座11，管程入口管12，管程出口管13，壳程入口管14，壳程出口管15，分隔装置外壳51，环孔52，肋片53，同心管54
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。
需要说明的是，如果没有特殊说明，本发明提到的两相流是气液两相流，此处的气体是不溶或者难溶性气体，即在换热过程中，气体不会溶于液体。
如图1所示的一种管壳式换热器，所述管壳式换热器包括有壳体4、换热管6、管程入口管12、管程出口管13、壳程入口接管14和壳程出口接管15；多个平行设置的换热管6组成的换热管束连接在前管板3、后管板7上；所述前管板3的前端与前封头1连接，后管板7的后端连接后封头9；所述的管程入口管12设置在后封头9上；所述的管程出口管13设置在前封头1上；所述的壳程入口接管14和壳程出口接管15均设置在壳体4上；两相流的流体从管程入口管12进入，经过换热管进行换热，从管程出口管13出去。
所述换热管6内设置用于减震降噪的分割装置5，同一根换热管6内设置多个分割装置5，如图4所示，沿着换热管6内流体的流动方向(即从换热管的入口到换热管的出口)，所述分割装置5的长度先逐渐的减小到某一位置，然后从某一位置开始分割装置的长度又逐渐的增加。
主要原因是因为流体中含有不凝气体，因此沿着流体的流动方向，不凝气体依然存在，不会因为换热管内流体放热而冷凝。从换热管6入口到换热管6中部，因为流体从前封头1进入换热管内，在换热管6的前部流动中，流体的震动和噪音相对少，因此此时可以将分割装置之间的距离设置的大一些，既可以实现减震和降低噪音，同时还能够降低阻力。但是从换热管的中部往后，因为存在从换热管6到后封头9这一段的空间从小到大的变化，这一段的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，液体也会快速的项下部流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的气相(气团)从管板位置进入封头，由于气(汽)液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成水锤现象。气(汽)液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。水锤现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的分割装置长度不断增加，从而不断的增加在流体输送过程中分隔气相和液相的能力，从而最大程度上减少震动和噪音。
作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，所述分割装置5的长度逐渐的减小的幅度越来越大。
作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，分割装置5的长度逐渐的增加的幅度越来越大。
通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低10％左右的震动和噪音，同时降低流动5％左右的阻力。
作为优选，换热管的长度为L，所述某一位置为换热管长度L的中间位置。
如图4-5所示，在换热管6内设置环形分隔装置5。所述环形分隔装置5的结构见图3。如图3所示，所述分隔装置5包括芯体和外壳51，所述芯体设置在外壳51中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管54和肋片53，所述肋片53连接相邻的同心管54。相邻的肋片53及其肋片53连接的同心管54之间限定形成环孔52。
本发明在换热管内设置环形分隔装置，通过多管式分隔装置将两相流体中的液相和气相进行分离，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。相对于多管式分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。
本发明通过设置环形分隔装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。
本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。
作为优选，作为优选，所述同心管54和/或肋片53上设置连通孔。
相邻环孔之间设置连通孔，通过连通孔实现环孔52之间的连通。
通过设置连通孔，可以保证相邻的环孔之间互相连通，能够均匀环孔之间的压力，使得高压流道的流体流向低压，同时也可以在流体流动的同时进一步分隔液相和气相，有利于进一步稳定两相流动。
作为优选，所述肋片的延长线穿过同心管的圆心。
作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，换热管内设置多个分隔装置，从换热管的入口到换热管的中部，相邻分隔装置之间的距离越来越长，从换热管的中部到换热管的出口，相邻的分隔装置之间的距离越来越短。即换热管的长度为L，距离换热管入口的距离为X，相邻分隔装置之间的距离为S，S＝F1(X)，S’是S的一次导数，满足如下要求：
S’>0,0<＝X<L/2；
S’<0,L/2<＝X<＝L；
主要原因是因为流体中含有不凝气体，因此沿着流体的流动方向，不凝气体依然存在，不会因为换热管内流体放热而冷凝。从换热管6入口到换热管6中部，因为流体从前封头1进入换热管内，在换热管6的前部流动中，流体的震动和噪音相对少，因此此时可以将分隔装置之间的距离设置的大一些，既可以实现减震和降低噪音，同时还能够降低阻力。但是从换热管的中部往后，因为存在从换热管6到后封头9这一段的空间从小到大的变化，这一段的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，液体也会快速的项下部流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的气相(气团)从管板位置进入封头，由于气(汽)液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成水锤现象。气(汽)液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。水锤现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。
通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以保证降低流体的流动阻力。
进一步优选，从换热管的入口到换热管的中部，相邻分隔装置之间的距离越来越长的幅度不断增加，从换热管的中部到换热管的出口，相邻的分隔装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：
S”>0,0<＝X<L/2；
S”>0,L/2<＝X<＝L；
通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低10％左右的震动和噪音，同时降低流动5％左右的阻力。
作为优选，每个分隔装置的长度保持不变。
作为优选，除了相邻的分隔装置之间的距离外，分隔装置其它的参数(例如长度、管径等)保持不变。
作为优选，沿着换热管6内流体的流动方向，换热管6内设置多个分隔装置5，从换热管6的入口到换热管6的中部，分隔装置5的长度越来越短，从换热管6的中部到换热管6的出口，分隔装置5的长度越来越长。即分隔装置的长度为C，C＝F2(X)，C’是C的一次导数，满足如下要求：
C’<0,0<＝X<L/2；
C’>0,L/2<＝X<＝L；
进一步优选，从换热管的入口到换热管的中部，分隔装置的长度越来越短的幅度不断增加，从换热管的中部到换热管的出口，分隔装置的长度越来越长的幅度不断增加。即C”是C的二次导数，满足如下要求：
C”>0,0<＝X<L/2；
C”>0,L/2<＝X<＝L；
具体理由如相邻分隔装置之间的距离的变化相同。
作为优选，相邻分隔装置之间的距离保持不变。
作为优选，除了分隔装置的长度外，分隔装置其它的参数(例如相邻的间距、管径等)保持不变。
作为优选，沿着换热管6内流体的流动方向，换热管6内设置多个分隔装置，从换热管6的入口到换热管6的中部，不同分隔装置5内的环孔52的水力直径越来越大，从换热管的中部到换热管的出口，不同分隔装置5内的环孔52的水力直径越来越小。即分隔装置的环孔的水力直径为D，D＝F3(X)，D’是D的一次导数，满足如下要求：
D’>0,0<＝X<L/2；
D’<0,L/2<＝X<＝L；
作为优选，从换热管的入口到换热管的中部，分隔装置的环孔水力直径越来越大的幅度不断增加，从换热管的中部到换热管的出口，分隔装置的环孔水力直径越来越小的幅度不断增加。即
D”是D的二次导数，满足如下要求：
D”>0,0<＝X<L/2；
D”>0,L/2<＝X<＝L。
具体理由如相邻分隔装置之间的距离的变化相同。
作为优选，分隔装置的长度和相邻分隔装置的距离保持不变。
作为优选，除了分隔装置的环孔水力直径外，分隔装置其它的参数(例如长度、相邻分隔装置之间的距离等)保持不变。
进一步优选，如图4所示，所述换热管6内部设置凹槽，所述分隔装置5的外壳51设置在凹槽内。
作为优选，外壳51的内壁与换热管6的内壁对齐。通过对齐，使得换热管内壁面表面上达到在同一个平面上，保证表面的光滑。
作为优选，外壳51的厚度小于凹槽的深度，这样可以使得换热管内壁面形成凹槽，从而进行强化传热。
进一步有选，如图5所示，换热管6为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分隔装置5。这种方式使得设置分隔装置的换热管的制造简单，成本降低。
通过分析以及实验得知，分隔装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，环孔的直径也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力(总承压为10Mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于50Pa/M)的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。
相邻分隔装置之间的距离为S，分隔装置的长度为C，换热管的外径为W，相邻同心管(例如图6中的3个同心管中任意相邻的2个)半径分别为R2和R1，其中R2>R1，和/或者外壳51与相邻的同心管的半径分别为R2和R1，(例如图6中的外壳51的半径为R2，与外壳相连的同心管的半径为R1)，相邻的肋片之间的圆弧的弧度为h，满足如下要求：
S/C＝a-b*LN(W/E)；
E＝((h*R2 2-h*R1 2)/2)1/2；
其中LN是对数函数，a,b是参数，其中16.1<a<17.2,7.9<b<8.8；
34<W<58mm；
7<E<12；
14<C<23mm；
50<S<70mm。
作为优选，16.3<a<16.6,8.2<b<8.5。
其中分隔装置的间距S是以相邻分隔装置相对的两端之间的距离；即前面分隔装置的尾端与后面分隔装置的前端之间的距离。具体参见图4的标识。
上面的公式中实际上将外壳51视为最外层的同心管来一起参与计算。
弧度h是以肋片53的中间线限定的弧度，参见图7；同心管的半径分别为R2和R1是以同心管的内径和外径的平均值来计算的。
进一步优选，a＝16.5,b＝8.4。
作为优选，换热管长度L为3000－7500mm之间。进一步优选，4500－6000mm之间。
进一步优选，40mm<W<50mm；
18mm<C<20mm；
55mm<S<60mm。
通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。
作为优选，同心管为2－3个。
进一步优选，随着W/E的增加，a不断增加，b不断的减小。
对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。
作为优选，壳程内流体是水。
作为优选，管程内流体流速3-5m/S。
作为优选，换热管的长度L与换热器的壳体直径比为6－10。
作为优选，同心管和肋片在分隔装置5的整个长度方向延伸。即同心管和肋片以及同心管和肋片之间形成的环孔52的长度等于分隔装置5的长度。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (4)
1.一种气液两相流多管式管壳式换热器的设计方法，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，汽液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，所述换热管内设置用于减震降噪的分割装置，同一根换热管内设置多个分割装置，所述分隔装置的采取如下方法设计：
换热管的长度为L，距离换热管入口的距离为X，相邻分隔装置之间的距离为S，S＝F1(X)，S’是S的一次导数，满足如下要求：
S’>0,0<＝X<L/2；
S’<0,L/2<＝X<＝L。
2.如权利要求1所述的管壳式换热器的设计方法，其特征在于，S”是S的二次导数，满足如下要求：
S”>0,0<＝X<L/2；
S”>0,L/2<＝X<＝L。
3.如权利要求1所述的管壳式换热器的设计方法，其特征在于，所述分隔装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管和肋片，所述肋片连接相邻的同心管。
4.一种管壳式换热器，所述管壳式换热器包括有壳体、换热管、管程入口管、管程出口管、壳程入口接管和壳程出口接管；多个平行设置的换热管组成的换热管束连接在前管板、后管板上；所述前管板的前端与前封头连接，后管板的后端连接后封头；所述的管程入口管设置在后封头上；所述的管程出口管设置在前封头上；所述的壳程入口接管和壳程出口接管均设置在壳体上。
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