CN110207515B - 一种双扭转流换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双扭转流换热器，包括壳体、若干换热管和若干组折流板，所述换热管穿设与所述折流板上，所述折流板倾斜设置且与所述换热管的夹角均相同，所述折流板呈周期排布，每个周期中包括四组折流板，每组内包括至少两个平行的折流板，其中，前两组折流板相互正交，后两组折流板也相互正交，前两组各折流板交点的连线与后两组各折流板交点的连线垂直。该双扭转流换热器集合螺旋流与扭转流各自的优点，压降小且换热系数高，便于装配，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热设备，具体的说，涉及了一种双扭转流换热器。
背景技术
换热器广泛应用在化工、石油、能源、动力、冶金、制冷、交通等众多工业领域，其主要作用是完成工艺过程的热量交换和余热利用，其传热和流体流动性能的优劣对工业过程的投资、能耗、安全经济运行、污染物排放等均产生显著影响。换热器中以管壳式换热器使用最多，应用技术最为成熟，弓型折流板换热器更是占到了管壳式换热器总量的70％左右，但其流阻大、能耗高等缺陷尚未得到根本改观。
上世纪60年代研究人员提出了连续型螺旋折流板换热器的设想，这种换热器可以极大程度的消除弓形折流板换热器壳程流动死区，使流体的流线更加圆滑，有效降低了管壳式换热器的壳程压降，同等泵功下，换热系数明显提升，但连续型螺旋折流板换热器却存在折流板加工安装难度大且换热管与折流板配合困难的问题；针对上述问题，科学家Lutcha和Nemcansky于90年代首次提出了四分螺旋折流板结构，以扇形板代替连续型螺旋折流板，依靠折流板的倾斜搭接布置方法产生螺旋流，这种结构在扇形板搭接处存在不连续性，形成三角形漏流区，降低了换热器的换热性能，这种换热器的壳程压降和传热系数在大流量时均低于弓形折流板换热器，换热效率不高。
近年来，中国专利CN201621266057.7公开了一种类梯形倾斜折流板管壳式换热器，类梯形倾斜折流板正交布置以改变壳体中流体的流向，提高扰流效果，提高壳程流体的平均流速和湍流程度，与弓形折流板相比，降低壳程压降，与连续螺旋折流板相比，加工工艺更加简单，但是这种种类梯形倾斜折流板管壳式换热器的换热系数要低于连续螺旋折流板。中国专利CN201810650108.3公开了一种扭转流管壳式换热器，采用滴形管代替常规直型管，以有效提高换热器的换热系数，但是滴形管为异型管加工与安装比较复杂，不利于工业应用。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种双扭转流换热器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双扭转流换热器，包括壳体、若干换热管和若干组折流板，所述换热管穿设于所述折流板上，所述折流板倾斜设置且与所述换热管的夹角均相同，所述折流板呈周期排布，每个周期中包括四组折流板，每组内包括至少两个平行的折流板，其中，前两组折流板相互正交且相邻的侧边相接触，后两组折流板也相互正交且相邻的侧边相接触，前两组各折流板交点的连线与后两组各折流板交点的连线垂直。
基于上述，所述折流板与所述换热管的夹角为θ，20°≤θ≤70°，所述前两组折流板与所述后两组折流板的轴向间距为其中R为所述壳体的半径。
基于上述，若干组矩形板按照所述折流板的排布方式进行固定后，再由和所述壳体半径相同的环形刀具切割得到若干组所述折流板；其中，所述矩形板的高度为所述矩形板的宽度比所述壳体半径大(5～6)mm的矩形板。
基于上述，每组内各所述折流板的间距为其中h为各所述换热管的管间距。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明提供的双扭转流换热器集合螺旋流与扭转流各自的优点，换热系数高、压降低、装配简便，具有广阔的应用前景。具体的，该换热器中在壳体的中心轴线附近流体做斜向流动，具有斜向流强烈冲刷管束、减薄热边界层、提高换热系数的效果；外侧流体做螺旋流动，具有流场分布均匀、流动阻力小，使得该双扭转流换热器既可以提高换热器的换热系数，又可以有效降低换热器的压降。经数值模拟研究发现，在壳程流量为1.37Kg/s～4.12Kg/s时，双扭转流换热器壳程压降较弓形折流板换热器降低50％～59％，较连续型螺旋折流板换热器降低17.9％～22.3％；同等雷诺数下，双扭转流换热器壳程换热系数较螺旋流换热器提高31.9％～49.3％，综合性能提高12.2％～25.5％。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的壳体示意图。
图3是本发明的折流板排布结构示意图。
图4是图3的侧视结构示意图。
图5是弓形折流板、螺旋折流板和本发明双扭转流换热器的压降对比。
图6是螺旋折流板和本发明双扭转流换热器的换热系数对比。
图7是螺旋折流板和本发明双扭转流换热器的综合性能对比。
图8是本发明壳程流体流动效果图。
图中：1.壳体；2.折流板；3.换热管；21.第一组折流板；22.第二组折流板；23.第三组折流板；24.第四组折流板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-4所示，一种双扭转流换热器，包括壳体1、若干换热管3和若干组折流板2，所述换热管3穿设于所述折流板2上，所述折流板2倾斜设置且与所述换热管3的夹角均相同，所述折流板2呈周期排布，每个周期中包括四组折流板，每组内包括四个平行的折流板2，其中，第一组折流板21和第二组折流板22相互正交且相邻的侧边相接触，第三组折流板23和第四组折流板24相互正交且相邻的侧边相接触，前两组各折流板交点的连线与后两组各折流板交点的连线垂直。在其他的实施例中，每组可根据需要设置两个、三个、五个、六个或是更多的折流板。
该双扭转流换热器集合螺旋流与扭转流各自的优点，大大简化了加工工艺，装配更加简便，既可以提高换热器的换热系数，又可以有效降低换热器的压降。
进一步，所述折流板2与所述换热管3的夹角为θ，夹角θ可选择20°、70°、45°或20°～70°之间的其他值，所述前两组折流板与所述后两组折流板的轴向间距为其中R为所述壳体的半径。
进一步，各组折流板2的制备可由若干组矩形板按照所述折流板的排布方式进行固定后，再由和所述壳体半径相同的环形刀具切割得到若干组所述折流板；其中，所述矩形板的高度为所述矩形板的宽度比所述壳体半径大(5～6)mm的矩形板。使得该折流板的弧形边与壳体内壁相切，还可以起到自支撑的作用。
进一步，每组内各所述折流板的间距为其中h为各所述换热管3的管间距。
经数值模拟研究结果参见图5-7，由图5-7可知，在壳程流量为1.37Kg/s～4.12Kg/s时，双扭转流换热器壳程压降较弓形折流板换热器降低50％～59％，较连续型螺旋折流板换热器降低17.9％～22.3％；同等雷诺数下，双扭转流换热器壳程换热系数较螺旋流换热器提高31.9％～49.3％，综合性能(Nu/f1/3)提高12.2％～25.5％。
该换热器壳程流体的效果图参见图8，由图8可知该换热器中在壳体的中心轴线附近流体做斜向流动，具有斜向流强烈冲刷管束、减薄热边界层、提高换热系数的效果；外侧流体做螺旋流动，具有流场分布均匀、流动阻力小，使得该双扭转流换热器既可以提高换热器的换热系数，又可以有效降低换热器的压降。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (2)
1.一种双扭转流换热器，包括壳体、若干换热管和若干组折流板，其特征在于：所述换热管穿设于所述折流板上，所述折流板倾斜设置且与所述换热管的夹角均相同，所述折流板呈周期排布，每个周期中包括四组折流板，每组内包括至少两个平行的折流板，其中，前两组折流板相互正交且相邻的侧边相接触，后两组折流板也相互正交且相邻的侧边相接触，前两组各折流板交点的连线与后两组各折流板交点的连线垂直；所述折流板与所述换热管的夹角为θ，20°≤θ≤70°，所述前两组折流板与所述后两组折流板的轴向间距为其中，R为所述壳体的半径；每组内各所述折流板的间距为/>其中，h为各所述换热管的管间距。
2.根据权利要求1所述的双扭转流换热器，其特征在于：若干组矩形板按照所述折流板的排布方式进行固定后，再由和所述壳体半径相同的环形刀具切割得到若干组所述折流板；其中，所述矩形板的高度为πR/所述矩形板的宽度比所述壳体半径大(5～6)mm；其中，θ为所述折流板与所述换热管的夹角，R为所述壳体的半径。
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