CN109612312A - 一种波浪形板灯笼结构的球形换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪形板灯笼结构的球形换热器，包括球形的壳体和多张螺旋线板，多张螺旋线板均安装于壳体内，且相邻的两张螺旋线板的内边连接一起，每两张螺旋线板为一组，每组中两组螺旋线板的另一边通过螺旋曲面板密封连接，每组中的两张螺旋线板与相应的螺旋曲面板形成螺旋的管程通道，所述壳体的内壁、所有的螺旋线板和所有的螺旋曲面板形成壳程通道；所述壳体的一端设有热流输入口和冷流输出口，所述壳体的另一端设有热流输出口和冷流输入口，所述热流输入口和热液输出口通过管程通道连接，所述冷流输入口和冷流输出口通过壳程通道连接。本发明提高湍流度，增加冷热流体换热面积，延长冷流体换热时间，冷热流体逆流，提高换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及换热器技术，具体涉及一种波浪形板灯笼结构的球形换热器。
背景技术
换热器因其节约能源保护环境的独特优势，受到了各行业的极大重视。自从进入21世纪以来，通过各换热器企业的不断努力，推陈出新，使换热器在技术层面有了质的提升，被大量地应用到石油行业、化工行业、电力行业、冶金行业等等。在化工行业中，纯碱工业、合成氨、酒精发酵和树脂合成冷却等，换热器设备成为必不可少的重要设备。
换热器按冷热流体热量交换方式可分为三类：混合式、蓄热式和间壁式。其中，间壁传热式换热器的应用范围最广。间壁式换热器的冷热液体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高换热器的传热效率，主要通过两方面来实现：一是提高换热器传热系数，二是提高对数平均温差。提高换热器的传热系数，优化换热器设计，要求同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用导热率高的板片，减小板片的厚度。而提高对数平均温差，则要求尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。在国内外换热器研发中，非金属材料因其具有金属材料一些不可比拟的优点而被广泛应用，如超低碳型镍钼铬系镍基耐蚀材料(哈氏合金)具有独特的耐蚀性而被用于酸行业；陶瓷纤维材料和微孔隔热材料具有耐腐蚀性、耐高温、导热系数小的性能而用于壳体的保温夹层；氢氧化钡、六水合氯化钙等相变材料因其既具有热量交换的功能又具有热能储存的功能，被广泛用于不仅需要进行热量交换而且还需要将热能储存起来的场合等。
随着炼化行业节能减排及装置生产运行精细化要求的日益提高，进一步提高传热效率，减小流体阻力，增加强度、刚度、稳定性，优化结构、节省材料、降低成本，便于制造、装拆、检修等将是未来间壁式换热器的发展方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种波浪形板灯笼结构的球形换热器，此波浪形板灯笼结构的球形换热器提高了传热效率，可减小流体阻力，且增加了强度和稳定性。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本波浪形板灯笼结构的球形换热器，包括球形的壳体和多张螺旋线板，多张螺旋线板均安装于壳体内，且相邻的两张螺旋线板的内边连接一起，每两张螺旋线板为一组，每组中两组螺旋线板的另一边通过螺旋曲面板密封连接，每组中的两张螺旋线板与相应的螺旋曲面板形成螺旋的管程通道，所述壳体的内壁、所有的螺旋线板和所有的螺旋曲面板形成壳程通道；所述壳体的一端设有热流输入口和冷流输出口，所述壳体的另一端设有热流输出口和冷流输入口，所述热流输入口和热液输出口通过管程通道连接，所述冷流输入口和冷流输出口通过壳程通道连接。
优选的，所述壳体的直径方向上设有中心轴，所述管程通道的一边均固定于中心轴。
优选的，所述热流输入口内和热流输出口内均设有热流固定板，所述管程通道的两端分别与相应的热流固定板连接。
优选的，所述螺旋线板的板面和螺旋曲面板的板面均呈波浪状。
优选的，所述螺旋曲面板的板面与壳体的内壁之间具有间距。
优选的，所述管程通道相对于壳体的中心线螺旋设置，且各条管程通道平行设置。
优选的，所述热流输入口、热流输出口、冷流输入口和冷流输出口的外端均设有法兰盘。
优选的，所述壳体的内壁设有多条凹槽，多条凹槽依次排列分布形成波浪形结构。
优选的，所述壳体为双层钢制结构，且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。
优选的，填充的耐高温隔热材料的厚度为50mm～60mm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、提高湍流度，增加冷热流体换热面积，延长冷流体换热时间，冷热流体逆流，提高换热效率。本发明的管程通道和壳程主要采用螺旋线板、螺旋曲面板和球形的壳体构成，这一方面大大增加了冷热流体的换热面积，提高换热效率；另一方面对冷热流体造成扰流效果；同时管程通道和壳程通道螺旋设置呈灯笼结构，呈灯笼结构的设计对冷热流体也产生了扰动，提高湍流度，降低了边界层的厚度，强化了换热效果。灯笼结构的设计也延长了冷热流体在壳程通道和管程通道的流动时间，冷热流体形成逆流，大大提高换热效率。
2、受力均匀，抗压能力强，具有良好的强度、刚度和稳定性，可用于高温高压场合，同时单位体比表面积最大。与普通圆柱状换热器相比，在相同直径的条件下，球形换热器内应力最小，而且受力均匀，承载流体的能力比圆柱形换热器大一倍，故球形换热器外壳厚度只需普通圆柱形换热器的一半。在相同容积和相同压力下，球形换热器的表面积最小，故所需钢材面积小。使用球形换热器可大幅度减少钢材的消耗，一般节省30％～45％，此外，球形换热器占地面积小，基础工程小，可节省土地面积。
3、可实现换热器的串联或并联使用。由于球体自身和换热器内外部设计均具有高度对称性，且热流输入口，热流输出口和冷流输入口、冷流输出口垂直，便于安装，可实现换热器的串联或并联使用。不仅能实现热流串联、热流并联，还能实现冷流串联和冷流并联。
4、减小了通过壳体的热量损失，节约制造成本。球形壳体为双层钢制结构，中间填充耐高温绝热材料。与抽真空的隔热方法相比，填充绝热方式更加经济，有利于降低螺旋管道的球形换热器的制造成本。
附图说明
图1是本发明的波浪形板灯笼结构的球形换热器的结构示意图。
图2是本发明的波浪形板灯笼结构的球形换热器在去除一半壳体时的结构示意图。
图3是本发明的波浪形板灯笼结构的球形换热器的剖视图。
图4是本发明的其中一个半壳体的结构示意图。
图5是本发明的另一个半壳体的结构示意图。
图6是本发明的管程通道和壳程通道构成的灯笼结构示意图。
图7是本明的螺旋线板和螺旋曲面板连接一起的结构示意图。
图8是本明的热流固定板的结构示意图。
图9是本发明的波浪形板灯笼结构的球形换热器的串联结构示意图。
图10是本发明的波浪形板灯笼结构的球形换热器的并联结构示意图。
其中，1为壳体，2为螺旋线板，3为螺旋曲面板，4为管程通道，5为壳程通道，6为热流输入口，7为热流输出口，8为冷流输入口，9为冷流输出口，10为中心轴，11为热流固定板，12为安装孔，13为法兰盘，14为半壳体，15为法兰部，16为凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至图3及图6、图7所示的波浪形板灯笼结构的球形换热器，包括球形的壳体和多张螺旋线板，多张螺旋线板均安装于壳体内，且相邻的两张螺旋线板的内边连接一起，每两张螺旋线板为一组，每组中两组螺旋线板的另一边通过螺旋曲面板密封连接，每组中的两张螺旋线板与相应的螺旋曲面板形成螺旋的管程通道，所述壳体的内壁、所有的螺旋线板和所有的螺旋曲面板形成壳程通道；所述壳体的一端设有热流输入口和冷流输出口，所述壳体的另一端设有热流输出口和冷流输入口，所述热流输入口和热液输出口通过管程通道连接，所述冷流输入口和冷流输出口通过壳程通道连接。
具体的，两张螺旋线板和螺旋曲面密封所成的管程通道作为热流换热管程，用于给热流体流动，球形壳体与所有螺旋线板及螺旋曲面密封所成的壳程通道作为冷流换热壳程，用于给冷流体流动。热流体从热流输入口输入，沿着螺旋的热流换热管程流动。同时，冷流体从冷流输入口输入，再流向冷流输出口。冷流体与热流体流动方向相反，即冷热流体形成逆流。热流体与冷流体通过螺旋线板和螺旋曲面进行热量的交换。热交换后的热流体分别从螺旋热流输出口和直管热流输出口排出，冷流体则从冷流输出口排出。螺旋的管程通道和壳程通道均可提高了湍流度，增加冷热流体换热面积，延长冷流体换热时间，冷热流体逆流，提高换热效率。同时，管程通道和壳程通道螺旋设置呈灯笼结构，这与壳体的内腔相匹配，使管程通道、壳程通道和壳体这三者的契合度更高。为使热流体和冷流体之间换热更充分，热流输入口、冷流输出口、热流输出口和冷流输入口交错分布。如图1所示，热流输入口和热流输出口水平设置，而冷流输出口位于冷流输入口的上方。如图9所示，本实施例采用多个球形换热器，这多个球形换热器串联设置，以满足使用需求。
所述壳体的直径方向上设有中心轴，所述管程通道的一边均固定于中心轴。具体的，中心轴呈圆柱状，采用具有较高的强度、硬度且耐热、耐腐蚀等性能的合金材料制成。中心轴与球形壳体直径中心重合，且中心轴的直径为壳体直径的4％～5％。这中心轴用于支撑管程通道，保证管程通道的稳定性。此结构简单，可进一步保证螺旋线板安装于时的稳定性，提高了工作可靠性。
所述热流输入口内和热流输出口内均设有热流固定板，所述管程通道的两端分别与相应的热流固定板连接。此结构简单，可保证管程通道的稳定性。如图8所示，热流固定板设有安装孔，这些安装放射状分布，管程通道的端部固定于安装孔，则管程通道的两端通过安装孔分别与热流输出口及热流输入口连通。而为进一步提高稳定性，管程通道的端部通过胀焊的方式固定于安装孔。
所述螺旋线板的板面和螺旋曲面板的板面均呈波浪状。此结构一方面对冷热流体同时起到扰流的效果，提高冷热流体的湍流度，另一方面大幅度增加冷热流体的换热面积，大大强化了传热效果。
所述螺旋曲面板的板面与壳体的内壁之间具有间距。此间距的大小为球形壳体直径的4％～5％，以保证冷流体在壳程通道具有足够自由流动空间。
所述管程通道相对于壳体的中心线螺旋设置，且各条管程通道平行设置。具体的每块螺旋线板旋转扭曲180°，且以中心轴为中心圆周阵列分布，以使管程通道相对于中壳体的中心线螺旋设置，且平行分布。同时，管程通道的形状、面积和相邻两条之间的间距均相等。这一方面对冷热流体同时起到了导流的作用，同时所形成的每个热流换热管程形状、容积、比表面积相同，保证了不同热流换热管程换热效率的一致。
所述热流输入口、热流输出口、冷流输入口和冷流输出口的外端均设有法兰盘。此结构方便球形换热器的安装，也方便多球形换热器之间进行串联或并联。
如图4和图5所示，所述壳体的内壁设有多条凹槽，多条凹槽依次排列分布形成波浪形结构。此结构缓冲了冷流体的流动，一方面延长了冷流体在冷流换热壳程内流动的时间，从而提高换热效率，另一方面减小了冷流体对热流换热管程的冲击，对换热管层起到保护作用。
所述壳体为双层钢制结构，且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。填充的耐高温隔热材料的厚度为50mm～60mm。具体的，双层钢制结构中钢板的厚度为5mm～7mm。而耐高温隔热材料为微孔硅酸钙等多孔型绝热材料、岩棉等纤维型材料或者膨胀珍珠岩等粒状绝热材料中的一种。这可有效减少热量损失。为方便安装，壳体分为两个半壳体，这两个半壳体通过法兰部固定连接。
实施例2
本波浪形板灯笼结构的球形换热器除以下技术特征外同实施例1：如图 10所示，球形换热器采用多个，这多个球形换热器并联设置。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：包括球形的壳体和多张螺旋线板，多张螺旋线板均安装于壳体内，且相邻的两张螺旋线板的内边连接一起，每两张螺旋线板为一组，每组中两组螺旋线板的另一边通过螺旋曲面板密封连接，每组中的两张螺旋线板与相应的螺旋曲面板形成螺旋的管程通道，所述壳体的内壁、所有的螺旋线板和所有的螺旋曲面板形成壳程通道；所述壳体的一端设有热流输入口和冷流输出口，所述壳体的另一端设有热流输出口和冷流输入口，所述热流输入口和热液输出口通过管程通道连接，所述冷流输入口和冷流输出口通过壳程通道连接。
2.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述壳体的直径方向上设有中心轴，所述管程通道的一边均固定于中心轴。
3.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述热流输入口内和热流输出口内均设有热流固定板，所述管程通道的两端分别与相应的热流固定板连接。
4.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述螺旋线板的板面和螺旋曲面板的板面均呈波浪状。
5.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述螺旋曲面板的板面与壳体的内壁之间具有间距。
6.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述管程通道相对于壳体的中心线螺旋设置，且各条管程通道平行设置。
7.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述热流输入口、热流输出口、冷流输入口和冷流输出口的外端均设有法兰盘。
8.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述壳体的内壁设有多条凹槽，多条凹槽依次排列分布形成波浪形结构。
9.根据权利要求1所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：所述壳体为双层钢制结构，且所述壳体中的两层钢之间填充有耐高温隔热材料。
10.根据权利要求9所述的波浪形板灯笼结构的球形换热器，其特征在于：填充的耐高温隔热材料的厚度为50mm～60mm。
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