CN109855450A - 一种不凝气体管壳式换热器管间距的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器管间距设计方法，换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置，所述换热管管间距采取优化的方法进行设计。本发明提供一种新式结构的分隔装置的换热器的管间距的设计方法，在优先满足正常的流动阻力的情况下，使得减震降噪达到最优化。

Description

一种不凝气体管壳式换热器管间距的设计方法

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。当两相工质的气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隔装置的换热器，从而解决上述的问题。

本发明人在前面申请中也设计了多种解决上述问题的换热器装置，例如多管式，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的大部分区域狭窄，会造成流体难于进入通过，造成流体短路，从而影响了流体的换热，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。再例如2017102671998结构，虽然该结构解决了流体短路现象，但是却存在流通面积大大缩小的问题，导致流动阻力的增加。再例如2017103224953的环形分隔装置，环形结构中分隔装置采用环形结构，导致整体上分隔装置环空在周向上分隔不均匀，而且因为存在环形结构，使得环空的四个夹角的位置出现了小于90度的锐角，这会导致在小于90度的锐角部分存在流体流动短路的问题。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的换热器，从而解决换热管换热的情况下的存在的稳流不均匀的换热问题。使得气体和液体充分进行混合，提高了换热效果

发明内容

本发明的目的是提供一种新式结构的分隔装置的换热器，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，气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，气液两相流在管程中流动，所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置；所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边。

作为优选，所述换热管的横截面是正方形。

作为优选，所述换热管内壁设置缝隙，所述分隔装置的外端设置在缝隙内。

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隔装置。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形通孔的边长为L1，换热管的边长为L2，满足如下要求：

S1/L2＝a*(L1/L2)²+b*(L1/L2)-c

其中a,b,c是参数，其中51.40<a<51.5,4.370<b<4.380，0.149<c<0.152；

12<L2<58mm；

2<L1<3.4mm；

15<S1<26mm。

作为优选，a＝51.45,b＝4.375，c＝0.151。

作为优选，随着L1/L2的增加，a,b越来越大，c越来越小。

作为优选，所述分隔装置包括下面两种类型中的至少一种，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形通孔位于换热管的中心，第二种类型是正八边形中心分隔装置，正八边形通孔位于换热管的中心。

作为优选，相邻设置的分隔装置类型不同。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)本发明提供一种新式结构的分隔装置的换热器的管间距的设计方法，在优先满足正常的流动阻力的情况下，使得减震降噪达到最优化。

2)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置不可凝气体换热器，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔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，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

3)本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

4)本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

5)本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

6)本发明通过在换热管内流体流动方向上设置相邻分隔装置之间的距离、分隔装置的孔的边长、换热管的管径、管间距等参数大小的规律变化，研究了上述参数的最佳的关系尺寸，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

7)本发明通过对环形分隔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是本发明分隔装置另一结构示意图；

图5是本发明分隔装置在换热管内布置的示意图。

图6是本发明分隔装置在换热管内布置横截面示意图。

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，正方形通孔51，正八边形通孔52，边53

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。

如图3-4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3-4。所述分隔装置5是片状结构，所述片状结构在换热管6的横截面上设置；所述分隔装置5为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔51和正八边形通孔52。如图3所述正方形通孔51的边长等于正八边形通孔52的边长，所述正方形通孔的四个边53分别是四个不同的正八边形通孔的边53，正八变形通孔的四个互相间隔的边53分别是四个不同的正方形通孔的边53。

本发明采用新式结构的分隔装置，具有如下优点：

1)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔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，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2)本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3)本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4)本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

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，所述分隔装置包括两种类型，如图3,4所示，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形位于换热管或者冷凝管的中心，如图4所示。第二种是正八边形中心分隔装置，正八边形位于换热管或者冷凝管的中心，如图3所示。作为一个优选，上述两种类型的分隔装置相邻设置，即相邻设置的分隔装置类型不同。即与正方形中心分隔装置相邻的是正八边形中心分隔装置，与正八边形中心分隔装置相邻的是正方形中心分隔装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得通过大孔的流体接下来通过小孔，通过小孔的流体接下来通过大孔，进一步进行分隔，促进气液的混合，使得分隔和换热效果更好。

作为优选，所述换热管3的横截面是正方形。

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的正方形通孔的边长越来越长，从换热管6的中部到换热管6的出口，分隔装置5的正方形通孔的边长越来越短。即正方形通孔的边长为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5的正方形通孔的边长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，分隔装置5的正方形通孔的边长越来越短的幅度不断增加。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，除了分隔装置的的正方形通孔的边长外，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，所述换热管内壁设置缝隙，所述分隔装置的外端设置在缝隙内。

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隔装置。

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，正方形的边长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2.5Mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5Pa/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。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形通孔的边长为L1，换热管为正方形截面，换热管正方形截面的边长为L2，满足如下要求：

S1/L2＝a*(L1/L2)²+b*(L1/L2)-c

其中a,b,c是参数，其中51.40<a<51.5,4.370<b<4.380，0.149<c<0.152；

12<L2<58mm；

2<L1<3.4mm；

15<S1<26mm。

作为优选，a＝51.45,b＝4.375，c＝0.151。

进一步优选，随着L1/L2的增加，a,b越来越大，c越来越小。

作为优选，正方形通孔的边长L1是正方形通孔内边长和外边长的平均值，换热管正方形截面的边长L2是换热管内边长和外边长的平均值。

作为优选，正方形通孔的外边长等于换热管正方形截面的内边长。

作为优选，随着L2的增加，L1也不断增加。但是随着L2的增加，L1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着L2的增加，S1不断减小。但是随着L2的增加，S1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

通过分析以及实验得知，换热管的间距也要满足一定要求，例如不能过大或者过小，无论过大或者过小都会导致换热效果不好，而且因为本申请换热管内设置了分隔装置，因此分隔装置也对换热管间距有一定要求。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2.5Mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5Pa/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S1，正方形的边长为L1，换热管为正方形截面，换热管的边长为L2，相邻换热管中心之间的间距为S2满足如下要求：

S2/L2＝d*(S1/L2)²+e-f*(S1/L2)³-h*(S1/L2)；

其中d,e,f,h是参数，

1.250<d<1.252,1.498<e<1.515,0.393<f<0.403,0.922<h<0.928；

12<L2<58mm；

2<L1<3.4mm；

15<S1<26mm。

16<S2<76mm。

相邻换热管中心之间的间距为S2是指换热管中心线之间的距离。

进一步优选，d＝1.2508,e＝1.505,f＝0.398，h＝0.925；

作为优选，随着S1/L2的增加，d，e越来越大，f，h越来越小。

作为优选，随着L2的增加，S2不断增加，但是随着L2的增加，S2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果。

作为优选，换热管长度L为3000－3500mm之间。进一步优选，3200－3300mm之间。

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。

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，换热管内流体是水。

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。

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)

1.一种管壳式换热器管间距设计方法，所述换热器包括换热管，所述换热管内是气液两相流，所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置；所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边；所述换热管管间距设置方法如下：

相邻分隔装置之间的距离为S1，正方形的边长为L1，换热管为正方形截面，换热管的边长为L2，相邻换热管中心之间的间距为S2满足如下要求：

S2/L2＝d*(S1/L2)²+e-f*(S1/L2)³-h*(S1/L2)；

其中d,e,f,h是参数，

1.250<d<1.252,1.498<e<1.515,0.393<f<0.403,0.922<h<0.928；

12<L2<58mm；

2<L1<3.4mm；

15<S1<26mm。

16<S2<76mm。

相邻换热管中心之间的间距为S2是指换热管中心线之间的距离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，d＝1.2508,e＝1.505,f＝0.398，h＝0.925。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，随着S1/L2的增加，d，e越来越大，f，h越来越小。

4.一种管壳式换热器管，所述换热器包括壳体，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，气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，气液两相流在管程中流动，所述换热管内设置分隔装置。