CN108827042B - 一种翅片管流化床取热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翅片管流化床取热器。它包括壳体、垂直管束和气体分布器，所述垂直管束由多根翅片管组成；所述翅片管包括光管和翅片，所述翅片纵向焊接在所述光管表面。所述翅片包括不同结构，具体包括翅片弯曲、翅片开孔、翅片切口及三种翅片的组合形式的翅片结构。本发明强化传热，提高了传热效率。

Description

一种翅片管流化床取热器

技术领域

本发明涉及一种翅片管流化床取热器，属于石油加工、化工等换热装置领域。

背景技术

在石油加工、化工等技术领域，为了保证系统温度的可控性和稳定性，工业中一般会配置合理的取热器来调节系统的温度，从而实现对温度的调控。流化床取热器由于具有良好的传热效果和较小的轴向、径向温差，被广泛的应用于石油、化工等行业。

流化床取热器按照布置的情况可以分为内取热器和外取热器，即安装在再生器内部的取热器为内取热器，安装在再生器外部的取热器为外取热器。工业中气固流化床外取热器的形式有很多种，根据固体颗粒和气体流动方式的不同，一般可分为上流式、下流式、返混式和气控式四类。其中，由于下流式外取热器一般为密相操作，流化气体用量较小且传热效率较高，应用较为广泛。这种流化床取热器一般会在内部设置多根换热管，形成换热管束。需要进行换热的固体颗粒一般在壳程流动，取热介质在管程流动，由流态化理论可知，大多数取热器都可以认为是具有垂直内构件(取热管束)的细颗粒气－固流化床。在实际应用中，这种管壳式气固流化床取热器传热效率有时不能达到设计值，取热负荷有待进一步提高；由于热应力的问题，实际生产中还会存在爆管等问题。因此，气固流化床取热器强化就十分重要。

中国专利CN201229141Y、中国专利CN2760486Y和中国专利CN201229140Y对翅片管进行了优化，分别通过将取热管外的翅片结构改为翅基和分翅片的形式、将长翅片改为短翅片并螺旋布置的形式、采用高低翅片的形式，解决了套管式取热管采用纵向长翅片时所存在的翅片两端和膨胀缝U型槽底部的应力集中，易产生裂纹的问题。但是没有实现对于翅片管传热的强化作用，翅片管的传热强化还有待于进一步加强。

中国专利2515637Y提出在换热管表面焊接钉头形式的构件来弱化催化剂对换热管的磨损，通过钉头的局部紊流提高了传热效率。中国专利CN2457555Y提出了环形翅片和斜翅片结构，强化了翅片管外的传热过程，提高了翅片管整体的传热效率，但是热应力问题没有解决，同时传热效率还有进一步提高的空间。

总之，目前已公布的翅片管专利和相关文献没有很好地解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种翅片管流化床取热器，本发明强化传热，提高了传热效率。

本发明提供了一种翅片管流化床取热器，它包括壳体、垂直管束和气体分布器，所述垂直管束由多根翅片管组成；

所述翅片管包括光管和翅片，所述翅片纵向焊接在所述光管表面。

上述的取热器中，所述翅片由直板段和弯板段组成。

上述的取热器中，所述弯板段的弯曲位置位于所述翅片的上部、下部或两端；

根据所述弯板段的弯曲位置将所述弯板段的弯曲形式分别记为上部弯曲、下部弯曲和两端弯曲。

上述的取热器中，所述翅片的厚度可为3～15mm，所述直板段的长度可为150～250mm，宽度可为10～30mm；所述弯板段的长度可为100～200mm，宽度可为10～30mm，弯曲角度可为10°～30°。

上述的取热器中，所述弯板段上设有开孔。

上述的取热器中，所述开孔在所述弯板段上的开孔率可为1％～10％；

所述开孔的形状为圆形、方形和梯形中的至少一种；对于不同的应用场合，开孔的位置和数量同样可以进行调整，最优的开孔率、开孔位置和开孔形状视具体情况而定。通过控制翅片开孔率可以调节翅片二次流作用的强弱；开孔的翅片在开孔处会形成二次流，与弯板段形成的二次流相互作用，增加湍动强度，强化传热。

上述的取热器中，所述直板段与焊接在所述光管相对的外表面上设有外切口。

上述的取热器中，所述切口的形状为V型、梯形、方形和椭圆形中的至少一种；

所述切口在所述直板段上的切入深度可为所述直板段宽度的20％～70％，所述切口在所述直板段表面的位置可为所述直板段长度的20％～80％位置处，所述切口宽度为所述直板段长度的20％～50％；其中切口的数量、切入深度、切口位置和切口宽度会随着翅片直板段尺寸的改变而调整，所以应根据具体情况对切口进行调整；通过切口的流体会出现二次流现象，增加翅片管表面的扰动，增加对流传热系数，而且会破坏翅片管表面的颗粒滞留层，降低传热阻力，从而强化传热过程。

上述的取热器中，所述翅片在所述光管表面采取螺旋布置方式进行焊接。

本发明所述翅片管流化床取热器应用于石油加工和/或化工的颗粒换热技术领域中。

本发明具有以下优点：

1、本发明强化传热，提高了传热效率。

2、安装上部弯曲翅片的取热管适用于上行式外取热器，安装下部弯曲翅片的取热管适用于下行式外取热器，安装两端弯曲翅片的取热管可适用于上行式外取热器和下行式外取热器。通过控制翅片弯曲的程度，可以调节翅片扰流作用的强弱。弯板段与光管之间的缝隙会引起二次流的出现，使流体的湍动程度增加，颗粒在翅片管的表面更新速率提升，传热过程得到强化。

3、通过控制翅片开孔率可以调节翅片二次流作用的强弱。开孔的翅片在开孔处会形成二次流，与弯板段形成的二次流相互作用，增加湍动强度，强化传热。

4、通过切口的流体会出现二次流现象，增加翅片管表面的扰动，增加对流传热系数，而且会破坏翅片管表面的颗粒滞留层，降低传热阻力，从而强化传热过程。

5、翅片的存在增加了传热面积；翅片螺旋形式安装，分散了热应力，解决了翅片管由于应力集中而导致的爆管问题。

6、每一个翅片管表面的二次流都会对取热器整个流场起到扰流作用，从而使整个壳程流场湍动程度增加，使翅片管外流体的对流换热系数提高，同时由于返混程度的增加，减少了局部死区出现的概率，避免了过大的轴径向温差，强化了取热器的取热效率；径向流动会起到冲刷取热器边壁的作用，弱化了边壁效应，解决了催化剂在取热器边壁停留时间过长影响传热的问题。

附图说明

图1为本发明开孔加外切口的翅片弯曲翅片管局部结构示意图，其中图1(a)为开孔加外切口的翅片上部弯曲翅片管局部示意图，图1(b)为开孔加外切口的翅片下部弯曲翅片管局部示意图，图1(c)为开孔加外切口的翅片两端弯曲翅片管局部示意图。

图2为本发明弯曲翅片结构示意图。

图3为本发明开孔翅片结构示意图。

图4为本发明外切口翅片结构示意图。

图5为本发明上部弯曲、开孔、外切口组合翅片结构示意图。

图6为本发明翅片管流化床取热器的结构示意图。

图7为本发明外取热器纵切面的管束布置图。

图中各个标记如下：1光管；2翅片；3外壳，4垂直管束；5气体分布器；A表示流化风；B表示待冷却催化剂；C表示冷却催化剂；D表示水；E表示水蒸汽；H表示翅片宽度；L1表示翅片直板段长度，L2表示翅片弯板段长度，θ表示弯板段弯曲角度，δ表示翅片厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图6所示，为本发明翅片管流化床取热器的结构示意图，它包括壳体3、垂直管束4和气体分布器5，垂直管束4由多根翅片管组成；

翅片管由光管1和不同结构的翅片2组成，翅片2纵向焊接在光管1表面。

如图2-5所示，为本发明不同结构的翅片2的结构示意图，不同结构的翅片2在光管1表面按照螺旋形式排布构成了新型的翅片管，具体结构如下：

(1)弯曲形式翅片

本发明弯曲翅片2由直板段和弯板段组成。弯板段的弯曲位置可以位于翅片2的上部、下部或两端；根据弯板段的弯曲位置将弯板段的弯曲形式分别记为上部弯曲、下部弯曲和两端弯曲，其中图2为上部弯曲形式的翅片示意图。翅片2厚度δ为1～10mm，其中直板段长度L1为150～250mm，宽度H为10～30mm，弯板段长度L2为100～200mm，宽度H为10～30mm，弯板段的弯曲方向与翅片厚度方向平行，弯曲角度θ为10°～30°。

安装上部弯曲翅片的取热管适用于上行式外取热器，安装下部弯曲翅片的取热管适用于下行式外取热器，安装两端弯曲翅片的取热管可适用于上行式外取热器和下行式外取热器。通过控制翅片弯曲的程度，可以调节翅片扰流作用的强弱。直板段与光管1采用焊接方式固定到一起，弯板段与直板段为整体，无需与光管1焊接，弯板段与光管1之间的缝隙会引起二次流的出现，使流体的湍动程度增加，颗粒在翅片管的表面更新速率提升，传热过程得到强化。

(2)开孔形式翅片

如图3所示，为本发明开孔翅片结构示意图，结合图1，翅片2由直板段和弯板段组成，与弯曲形式翅片的不同之处在于在翅片2的弯板段进行了开孔处理，开孔率可为1％～10％，开孔形状为圆形、方形和梯形等形状，图3中只对圆形开孔进行了说明。对于不同的应用场合，开孔的位置和数量同样可以进行调整，最优的开孔率、开孔位置和开孔形状视具体情况而定。通过控制翅片开孔率可以调节翅片二次流作用的强弱。开孔的翅片在开孔处会形成二次流，与弯曲段形成的二次流相互作用，增加湍动强度，强化传热。

(3)外切口形式翅片

如图4所示，为本发明外切口翅片结构示意图，翅片2也是由直板段和弯板段组成，但是在直板段进行了外切口处理，其中切口形状可以为V型切口、梯形切口、椭圆形切口和方形切口等，图4中只对V型切口进行了说明。切口在直板段上的切入深度可为直板段宽度的20％～70％，切口在直板段表面的位置可为直板段长度的20％～80％位置处，切口宽度为直板段长度的20％～50％。其中切口的数量和切入深度会随着翅片2直板段尺寸的改变而调整，所以应根据具体情况对切口进行调整。通过切口的流体会出现二次流现象，增加翅片管表面的扰动，增加对流传热系数，而且会破坏翅片管表面的颗粒滞留层，降低传热阻力，从而强化传热过程。

通过不同形式的翅片2结构，在翅片管表面形成二次流，流场在二次流的影响下湍动程度增加，管外流体的换热系数提高，颗粒在翅片管表面的更新频率提高，同时，二次流的冲击也会使翅片管表面的颗粒滞留层被破坏，降低传热阻力。二次流增强了气固体系中固体颗粒或者颗粒簇的径向及周向速度，由于颗粒的碰撞，翅片管表面颗粒的更新频率加快，完成换热过程的颗粒被待换热的颗粒以更快的速度取代，从而整个传热过程得到强化。由于翅片2的存在，换热管束的换热面积增加，在取热器体积和换热介质温度相同的条件下，取热负荷增加。

实施例1、

图1为组合式翅片管实施案例，将三种形式的翅片2进行合理的组合，得到组合形式翅片管，使三种形式的翅片2在翅片管表面附近所引起的二次流共同发生作用，使流体扰动强度显著提高，传热系数可提高20～40％；使翅片管表面的边界层被破坏，传热阻力降低；破碎气泡，防止了大气泡的生成，使待冷却催化剂B与翅片管的接触更加充分；翅片2的存在增加了传热面积；翅片2螺旋形式安装，分散了热应力，解决了翅片管由于应力集中而导致的爆管问题。

实施例2、

图6为本发明组合式翅片管式取热器，在壳程内，待冷却催化剂B从催化剂入口管路进入取热器，在流化风A的作用下，待冷却催化剂B与翅片管对流换热之后作为冷却催化剂C从取热器底部催化剂出口流出；在管程内，水D从翅片管上部套管内流入，与催化剂换热之后变为水蒸气E从翅片管上部水蒸气出口排出。图7为本发明外取热器管束布置图，将新型的翅片管按照图7所示的排布方式进行安装，每一个翅片管表面的二次流都会对取热器整个流场起到扰流作用，从而使整个壳程流场湍动程度增加，使翅片管外流体的对流换热系数提高，同时由于返混程度的增加，减少了局部死区出现的概率，避免了过大的轴径向温差，强化了取热器的取热效率；径向流动会起到冲刷取热器边壁的作用，弱化了边壁效应，解决了的催化剂在取热器边壁停留时间过长影响传热的问题。

Claims (6)

1.一种翅片管流化床取热器，它包括壳体、垂直管束和气体分布器，其特征在于： 所述垂直管束由多根翅片管组成；

所述翅片管包括光管和翅片，所述翅片纵向焊接在所述光管表面；

所述翅片由直板段和弯板段组成；

所述直板段与所述光管采用焊接方式固定到一起，所述弯板段与所述直板段为整体，无需与所述光管焊接；

所述弯板段上设有开孔；

所述直板段与焊接在所述光管相对的外表面上设有外切口；

所述弯板段的弯曲位置位于所述翅片的上部、下部或两端；

所述弯板段的弯曲方向与翅片厚度方向平行。

2.根据权利要求1所述的取热器，其特征在于：所述翅片的厚度δ为3~15mm，所述直板段的长度为150~250mm，宽度为10~30mm；所述弯板段的长度为100~200mm，宽度为10~30mm，弯曲角度为10°~30°。

3.根据权利要求1所述的取热器，其特征在于：所述开孔在所述弯板段上的开孔率为1%~10%；

所述开孔的形状为圆形、方形和梯形中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的取热器，其特征在于：所述切口的形状为V型、梯形、方形和椭圆形中的至少一种；

所述切口在所述直板段上的切入深度为所述直板段宽度的20%~70%，所述切口在所述直板段表面的位置为所述直板段长度的20%~80%位置处，所述切口宽度为所述直板段长度的20%~50%。

5.根据权利要求1或2所述的取热器，其特征在于：所述翅片在所述光管表面采取螺旋布置方式进行焊接。

6.权利要求1-5中任一项所述翅片管流化床取热器在石油加工和/或化工的颗粒换热技术领域中的应用。

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