CN110057214A - 一种换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种换热装置，属于机械技换热设备技术领域。它解决了现有的换热装置换热效率较低的问题。本换热装置，包括壳体、沿壳体长度方向设置于壳体内的换热管和沿壳体长度方向螺旋设置于壳体内的折流板，所述壳体的一端具有壳程流体进口且另一端具有壳程流体出口，所述换热管的外侧壁上设有若干翅片，所述换热管环绕壳体的轴心线间隔分布，所述翅片呈长条状，所述翅片朝向壳程流体进口方向的一侧具有用于使壳程流体朝远离换热管方向流动的导流面，所述折流板上沿折流板延伸方向间隔开有靠近壳体轴心线并供壳程流体通过的折流口。本发明能够使壳程流体形成径向涡流，使壳程流体与换热管接触更充分且率用率更高，换热效果更好。

Description

一种换热装置
技术领域
本发明属于换热设备技术领域，涉及一种管壳式换热装置。
背景技术
换热装置是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一，主要应用于石油、化工、暖通等行业。
换热装置主要分为间壁式、混合式和蓄热式三大类，其中，间壁式中的管壳式换热器由于其结构简单、造价低、流体截面宽、易于清洗水垢、使用范围广等优点，是目前应用最广泛的一种换热装置。管壳式换热器主要由壳体和设置在壳体内的换热管组成，进行热交换时，冷热两者流体的其中一种在管内流动，称为管程流体，另一种在管外流道，称为壳程流体，管程流体与壳程流体通过换热管的避免作为传热面进行热交换。然而由于该结构中，壳程流体和管程流体之间存在着换热系数低的问题。
为了解决上述问题，本领域技术人员通常采用在换热管外设置翅片和折流板的结构，如中国专利申请(申请号：200310105835.5)公开了一种管壳式换热器，包括壳体、位于壳体中心的中心气体通道，位于壳体两端的挡板，平行固定于两挡板之间的内翅片管束，位于内翅片管束和外壳之间的螺旋形折流板，使壳程流体通过折流板提高与换热管的换热效率。虽然壳程流体通过折流板会形成环绕壳体流道的湍流，一定程度上提高了换热效率，然而，由于壳程流体始终仅仅只是环绕壳体的轴心线流动，导致壳程流体靠近换热管的部分始终与换热管接触，使其温度与换热管温度接近而导致换热效率降低，而壳程流体远离轴心线的部分始终不与换热管接触，导致该部分的壳程流体利用率较低，即壳程流体整体的换热效率依然不高，而且壳程流体沿折流板螺旋流动时，靠近壳体轴心的壳程流体流速较为缓慢，使换热管的内侧无法与壳程流体进行充分热交换，导致整体的换热效率依然较低。而中国专利申请(申请号201610793710.3)也公开了类似结构的螺旋翅片式结构热交换器，然而该专利也依然存在相同的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种换热装置，本发明所要解决的技术问题是：如何提高换热装置的换热效率。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种换热装置，包括壳体、沿壳体长度方向设置于壳体内的换热管和沿壳体长度方向螺旋设置于壳体内的折流板，所述壳体的一端具有壳程流体进口且另一端具有壳程流体出口，所述换热管的外侧壁上设有若干翅片，其特征在于，所述换热管环绕壳体的轴心线间隔分布，所述翅片呈长条状，所述翅片朝向壳程流体进口方向的一侧具有用于使壳程流体朝远离换热管方向流动的导流面，所述折流板上沿折流板延伸方向间隔开有靠近壳体轴心线并供壳程流体通过的折流口。
本换热装置的壳体呈筒状，换热管沿壳体的轴向并环绕壳体的轴心线设置于壳体内，折流板也沿壳体长度方向螺旋设置于壳体内，由于换热管的外壁上设置了具有导流面的翅片，使壳程流体在沿折流板螺旋通过翅片时，与翅片进行热交换后的壳程流体会沿翅片的导流面向远离散热管的方向流动，便于未与翅片进行热交换的壳程流体补充进来与翅片进行热交换，而又由于折流板上开设有靠近壳体轴心线的折流口，使壳程流体在沿折流板螺旋流动时，部分的壳程流体会直接朝壳体的轴心方向并通过折流口进入下一层的折流片间隙，使壳程流体在壳体的径向方向形成涡流，提高壳程流体各位置的利用率，而且，本结构设计还保证了壳体内靠近轴心线部位的壳程流体具有较大的流量，使散热管靠近壳体轴心线一侧的翅片依然能够与大量的壳程流体接触，既保证了壳程流体整体的利用率，也使换热管各部位的换热更均匀，翅片的利用效率也更高，从而提高本换热装置的换热效率。
而且，由于翅片的导流面朝向壳程流体进口的方向，而壳程流体主要流道的方向为沿折流板的螺旋方向流道，使壳程流体流向翅片时与翅片的导流面具有一定的夹角，使壳程流体流动时的压降更小，流动更顺畅。
在上述的换热装置中，所述折流口的宽度沿折流板外侧到壳体轴心线的方向依次增大。这样，既能够保证折流板的导流效果，又能够使部分壳程流体更易向壳体的轴心方向流动，壳程流体沿径向的流动效果更好，使位于外侧的壳程流体更易与翅片接触进行热交换，提高换热效率。
在上述的换热装置中，所述折流板包括若干扇形的折流片，所述折流片通过弧形边的两端依次首尾连接形成螺旋形，相邻的折流片之间相对倾斜设置使相邻的两折流片之间形成上述折流口。本折流板结构简单，通过扇形的折流片焊接而成，使折流片之间自然形成折流口，加工更简单方便。
在上述的换热装置中，相邻两所述折流片的侧边之间的夹角为10～40°。
在上述的换热装置中，所述折流片沿壳体长度方向的投影呈圆心角为90°的扇形。这样，四个折流片能够形成一个完整的螺旋周期。且上下层的折流片均位于同一轴线上，便于换热管的安装。
在上述的换热装置中，所述折流板上还设有若干沿换热管长度方向设置的支撑杆，所述折流片上开有安装孔和让位孔，所述支撑杆穿过安装孔并与折流片固连，所述让位孔的孔径大于换热管的外径并供换热管穿过。折流板上设置多条支撑杆对折流片进行支撑，使折流板的结构更稳固，而让位孔的孔径较大，便于设置有翅片的换热管穿过折流片，避免翅片对换热管的安装形成干涉。
在上述的换热装置中，所述翅片的导流面呈向内凹陷的弧形，所述导流面的一端与换热管的外壁平滑过渡且导流面的另一端朝远离换热管的方向延伸。导流面呈弧形，使其能够更顺畅地改变壳程流体的流向，使壳程流体向远离换热管的方向流动，而且导流面呈弧形能够增大翅片的表面积，提高换热效果。
在上述的换热装置中，所述翅片的厚度沿靠近换热管的一端到远离换热管的一端依次减小。翅片与换热管连接的一端厚度较厚，便于翅片与换热管之间的热传递，而翅片远离换热管的一端厚度较薄，增大了单位体积的翅片与壳程流体的接触面积，从而提高了换热管的换热效率，而且，这样的设计使翅片侧部的面积更小，壳程流体沿折流板的螺旋方向经过翅片时的阻力更小，使壳程流体的压降也更小，避免过度减小壳程流体的流速，从而保证换热效率。
在上述的换热装置中，所述翅片与导流面相背的一侧具有背流面，所述背流面也呈弧形且与导流面的弯曲方向相同。这样的设计也增加了翅片背部的面积，提高翅片的换热效果。
在上述的换热装置中，所述翅片沿换热管的外壁螺旋分布。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过在换热管外壁设置具有导流面的翅片并在螺旋设置的折流片上设置折流口，使壳程流体在沿折流片螺旋流动的同时还会产生沿壳体径向流动的涡流，使内侧和外侧的壳程流体均能够与换热管进行热交换，且换热管各周向上的翅片均能够与壳程流体充分接触，换热装置的换热效率更高且管程流体的整体温度也更均匀，换热效果更好。
2、本折流板通过多个扇形的折流片固连形成，折流口为相邻的折流片相倾斜设置而形成，使折流口的宽度沿外侧到内侧的方向依次增大，使壳程流体更易向壳体的轴心方向流动，便于径向涡流的形成，而且本折流板结构简单，便于加工，生产成本低。
3、翅片的导流面朝向壳程流体进口方向且翅片底部厚顶部薄，使翅片既能够对壳程流体进行导流，且提高了换热管与壳程流体之间的换热效率，而且对壳程流体的压降较小，保证了壳程流体的流速。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是散热管的结构示意图；
图3是折流板的结构示意图。
图中，1、壳体；11、壳程流体进口；12、壳程流体出口；2、换热管；3、翅片；31、导流面；32、背流面；4、折流板；41、折流片；411、让位孔；412、安装孔；42、折流口；5、支撑杆。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种换热装置，如图1、图2所示，包括壳体1、折流板4和若干换热管2，其中，壳体1呈筒状，壳体1的一端具有壳程流体进口11且另一端具有壳程流体出口12，折流板4沿壳体1的长度方向螺旋设置于壳体1内，换热管2也沿壳体1的长度方向设置于壳体1内，换热管2的外周面上沿周向设置有翅片3，翅片3上具有使壳程流体远离散热管并形成扰动的导流面31，且折流板4上沿其延伸方向间隔设置有多个供壳程流体穿过的折流口42，使壳程流体沿壳程流体进口11流向壳程流体的出口时形成扰动，使壳程流体更均匀地且无死角地与换热管2内的管程流体进行热交换。
具体的，如图2所示，折流板4包括若干依次连接的折流片41，折流片41均呈扇形，折流片41弧形边的两端依次与相邻的折流片41通过焊接固连形成螺旋状，且相邻的折流片41相倾斜设置，使相邻的折流片41的侧边之间形成折流口42，折流口42的宽度沿折流板4的外侧到折流板4的轴心线方向依次增大，相邻的折流片41的侧边之间的夹角为10～40°，本实施例中，该夹角为30°。换热管2环绕壳体1的轴心线间隔分布并穿设于折流板4上，换热管2的外侧壁上均固设有若干翅片3，翅片3沿散热管的周向以及长度方向间隔分布，翅片3呈长条片状，翅片3的一端与散热管固连且另一端向外伸出，翅片3宽度较宽的两侧面为导流面31和背流面32，其中，导流面31朝向壳程流体进口11且背流面32朝向壳程流体出口12，翅片3的导流面31呈向内凹陷的弧形，导流面31的一端与换热管2的外壁平滑过渡且导流面31的另一端朝远离换热管2的方向延伸。
本换热装置工作时，换热管2内通入需要进行换热的管程流体，且壳体1内通入位于换热管2外的壳程流体，管程流体通过与换热管2接触将热量传递到换热管2上，而管程流体从壳程流体进口11流向壳程流体出口12时，大部分的壳程流体均沿着折流板4呈螺旋流动，在流动过程中，部分的壳程流体会与换热管2外壁上的翅片3接触，使壳程流体沿导流面31的方向一边与翅片3进行热交换一边向远离换热管2的方向流动，而又由于折流板4上具有折流口42，使部分沿折流板4流道的壳程流体会直接向折流口42方向流动，直接进入下一层折流板4之间的间隙，即壳程流体沿壳体1的径向流向壳体1的轴心方向，进而对散热管翅片3附近的壳程流体形成补充，使壳程流体在壳体1的径向方向形成涡流，使位于换热管2外侧且未与换热管2进行热交换的壳程流体向壳体1的轴心一侧流动，进而与换热管2接触并进行热交换，且径向方向的涡流使壳体1轴心线一侧的壳程流体也具有较大的流量，从而使位于靠近壳体1轴心线一侧的换热管2也能够充分的与壳程流体接触，使换热管2周向上的各部位换热效果基本相同，使换热管2内的管程流体各部位的温度更接近，换热效果和换热效率均得以大幅提高。
进一步的，如图3所示，本实施例中，折流板4上还设置有多条支撑杆5，支撑杆5沿壳体1的长度方向且环绕壳体1的轴心线间隔设置。折流片41沿壳体1长度方向的投影呈圆心角为90°的扇形，使四个折流片41形成折流片41的一个螺旋周期，折流片41上开有两个让位孔411和一个安装孔412，其中，让位孔411位于安装孔412的外侧，且让位孔411的孔径大于换热管2的外径，使安装有翅片3的换热管2能够自由地穿过让位孔411，避免换热管2安装时形成干涉，支撑杆5穿过让位孔411并与折流片41通过焊接固连，使各螺旋周期的折流片41均固定于支撑杆5上并形成一个整体，提高折流板4的结构稳定性并便于折流板4安装到壳体1内。当然了，在实际的使用过程中，每个螺旋周期的折流片41也可以采用3个或5个的设计，让位孔411和安装孔412的数量也可以根据实际需要进行选择。
进一步的，如图2所示，本实施例中，翅片3的厚度沿靠近换热管2的一端到远离换热管2的一端依次减小，即翅片3的底部较厚且顶部较薄，翅片3的背流面32也呈弧形，且背流面32的弯曲方向与导流面31相同，使翅片3侧部的面积较小且翅片3的背流面32面积较大。这样的结构既保证了翅片3与换热管2之间的导热效率，又提高了翅片3与壳程流体之间的接触面积与换热效率，而且翅片3的侧部面积更小，对壳程流体的阻力更小，使壳程流体的能量损耗也更小，从而减少壳程流体的压降并保证流速。
进一步的，本实施例中，翅片3沿换热管2的周向均匀间隔排布，且在换热管2的轴线方向为沿换热管2的轴线间隔分布。当然了，翅片3还可以采用沿换热管2的外侧壁螺旋间隔排布，也可以采用沿换热管2的周向均匀间隔排布的同时沿换热管2的长度方向交错排布，使每层的翅片3在换热管2长度方向的投影上均位于相邻一层的两相邻翅片3之间，使部分壳程流体能够穿过翅片3之间的间隙而与下一层的翅片3接触进行热交换，进一步提高翅片3的利用率。
进一步的，本实施例中，壳体1的两端还均固设有镂空的安装板，安装板在说明书附图中未示出，换热管2的两端分别穿设于安装板上并与安装板固连，从而使换热管2固定于壳体1内。
进一步的，换热管2内也可以设置内翅片，内翅片为现有技术，以增加管程流体与换热管2之间的换热效率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了壳体1、壳程流体进口11、壳程流体出口12、换热管2、翅片3、导流面31、背流面32、折流板4、折流片41、折流口42、支撑杆5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种换热装置，包括壳体(1)、沿壳体(1)长度方向设置于壳体(1)内的换热管(2)和沿壳体(1)长度方向螺旋设置于壳体(1)内的折流板(4)，所述壳体(1)的一端具有壳程流体进口(11)且另一端具有壳程流体出口(12)，所述换热管(2)的外侧壁上设有若干翅片(3)，其特征在于，所述换热管(2)环绕壳体(1)的轴心线间隔分布，所述翅片(3)呈长条状，所述翅片(3)朝向壳程流体进口(11)方向的一侧具有用于使壳程流体朝远离换热管(2)方向流动的导流面(31)，所述折流板(4)上沿折流板(4)延伸方向间隔开有靠近壳体(1)轴心线并供壳程流体通过的折流口(42)。
2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述折流口(42)的宽度沿折流板(4)外侧到壳体(1)轴心线的方向依次增大。
3.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述折流板(4)包括若干扇形的折流片(41)，若干折流片(41)通过弧形边的两端依次首尾连接形成螺旋形，相邻的折流片(41)之间相对倾斜设置使相邻的两折流片(41)之间形成上述折流口(42)。
4.根据权利要求3所述的换热装置，其特征在于，相邻两所述折流片(41)的侧边之间的夹角为10～40°。
5.根据权利要求3或4所述的换热装置，其特征在于，所述折流片(41)沿壳体(1)长度方向的投影呈圆心角为90°的扇形。
6.根据权利要求5所述的换热装置，其特征在于，所述折流板(4)上还设有若干沿壳体(1)长度方向设置的支撑杆(5)，所述折流片(41)上开有安装孔(412)和让位孔(411)，所述支撑杆(5)穿过安装孔(412)并与折流片(41)固连，所述让位孔(411)的孔径大于换热管(2)的外径并供换热管(2)穿过。
7.根据权利要求3所述的换热装置，其特征在于，所述翅片(3)的导流面(31)呈向内凹陷的弧形，所述导流面(31)的一端与换热管(2)的外壁平滑过渡且导流面(31)的另一端朝远离换热管(2)的方向延伸。
8.根据权利要求7所述的换热装置，其特征在于，所述翅片(3)的厚度沿靠近换热管(2)的一端到远离换热管(2)的一端依次减小。
9.根据权利要求8所述的换热装置，其特征在于，所述翅片(3)与导流面(31)相背的一侧具有背流面(32)，所述背流面(32)也呈弧形且与导流面(31)的弯曲方向相同。
10.根据权利要求7或8或9所述的换热装置，其特征在于，所述翅片(3)沿换热管(2)的外壁螺旋分布。
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