CN110260692B - 一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，主要应用于石油、化工、冶金、电力、船舶等领域中，本发明提供了一种全新的折流板换热器结构形式，通过对流体进行放缩，变横向冲刷为斜向冲刷，减小了压降和泵功的损耗以及管束振动，并通过合理的布置消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率，实现综合效果的优化。

Description

一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器
技术领域
本发明涉及一种在石油、化工、冶金、电力、船舶等领域中使用的管壳式换热器，特别涉及一种折流板管壳式换热器。
背景技术
管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，是目前应用最广的类型。
传统弓形折流板换热器将纵掠管束变成了横向冲刷管束，增强了换热能力，由于其结构简单，制造安装方便，得到广泛的应用。但传统弓形折流板换热器有以下缺点：(1)壳程流体在折流板的作用下，由纵掠管束变成了横掠管束，折转角度较大，使得其压降和泵功消耗较大；(2)折流板背风处存在流动死区，使得该区域换热能力大幅下降；(3)由于流动死区的存在，对于含杂质流体作为工作流体时候，容易结垢；(4)通过折流板转向引起的高速流动，以及对管束的横向冲击，易产生诱导振动，破坏换热管，降低其使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，该换热器为全新的结构形式，通过对流体进行放缩，变横向冲刷为斜向冲刷，减小了压降和泵功的损耗以及管束振动，并通过合理的布置消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率，实现综合效果的优化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，包括壳体1、换热管束2、入口管箱3、入口管板4、管程入口接管5、壳程入口接管6、出口管箱7、出口管板8、管程出口接管9、壳程出口接管10和多组三角形截面放缩折流板，换热管束2置于壳体1内，入口管箱3和出口管箱7分别设置在壳体1的入口和出口；入口管板4和出口管板8分别设置在入口管箱3和出口管箱7与壳体1之间，用于分隔管程流体和壳程流体；管程入口接管5和管程出口接管9分别设置在入口管箱3和出口管箱7上，壳程入口接管6和壳程出口接管10分别设置在壳体1的入口和出口处；每组三角形截面放缩折流板由收缩板11和扩张板15组成，收缩板11和扩张板15内切于壳程内表面，收缩板11和扩张板15中心处在壳程中心线上，且镜像布置，不同组三角形截面放缩折流板按照平移周期布置，收缩板11和扩张板15垂直于壳程中心线的过流截面均为等边三角形，收缩板11位于流体流动的上游，沿流体流动方向，收缩板11垂直于壳程中心线的过流截面逐渐减小，沿流体流动方向，扩张板15垂直于壳程中心线的过流截面逐渐增加，收缩板11和扩张板15有若干孔，换热管穿过所述孔；
所述收缩板11由三块半椭圆板A12，三块梯形板A13和一块三角板A14组成，梯形板A13的长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure BDA0002093543230000025
梯形板A13与壳程中心线夹角为α，10°≤α≤80°，梯形板A13的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板A13腰长为
Figure BDA0002093543230000021
到
Figure BDA0002093543230000022
梯形板A13的短边长为
Figure BDA0002093543230000023
到
Figure BDA0002093543230000024
三角板A14为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板A14的边长为梯形板A13的短底边长，半椭圆板A12为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板A12的长轴与壳程中心线夹角为β，20°≤β≤90°，半椭圆板A12的长轴长为梯形板A13长底边长，短轴长为
Figure BDA0002093543230000031
所述扩张板15由三块半椭圆板B16，三块梯形板B17和一块三角板B18组成，梯形板B17的梯形长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure BDA0002093543230000037
梯形板B17与壳程中心线夹角同样为α，10°≤α≤80°，梯形板B17的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板B17的腰长为
Figure BDA0002093543230000032
到
Figure BDA0002093543230000033
梯形板B7的短边长为
Figure BDA0002093543230000034
到
Figure BDA0002093543230000035
三角板B18为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板B18的边长为梯形板B17的短底边长，半椭圆板B18为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板B16的长轴与壳程中心线夹角同样为β，20°≤β≤90°，半椭圆板B16的长轴长为梯形板B17长底边长，短轴长为
Figure BDA0002093543230000036
所述半椭圆板A12中心处、三角板A14中心处、半椭圆板B16中心处以及三角板B18中心处均有三角形开缝；
流体从壳程流经收缩板11，经三块半椭圆板A12斜向导流，大部分流体从三块梯形板A13组成的等边三角形区域流入，由于等边三角形区域截面积逐渐变小，使流体向管中心收缩，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和参混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时，斜向冲刷减小了压降和泵功的损耗以及换热管束振动；小部分流体经三块半椭圆板A12上的三角形开缝流入收缩板11的死区，由于半椭圆板A12上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率；
流体从收缩板11流出后，流经扩张板15，经三块梯形板B17斜向导流，大部分流体从三块梯形板B17组成的圆环区域流入，由于圆环区域截面积逐渐变小，使流体向管外侧扩张，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和参混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时斜向冲刷减小了压降和泵功的损耗以及管束振动；小部分流体经三块三角形板B18上的三角形开缝流入扩张板15的死区，由于三角形板B18上的三角形开缝上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率。
所述半椭圆板A12中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板A12的
Figure BDA0002093543230000041
倍到
Figure BDA0002093543230000042
倍，三角板A14中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板A2的
Figure BDA0002093543230000043
倍到1倍；
半椭圆板A12上三角形开缝较小，增加流入收缩板11死区流体的流速，且三角形开缝与流入收缩板11死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，三角板A14中心处三角形开缝较大，是流入收缩板11的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入收缩板11主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
所述半椭圆板B16中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板B16的
Figure BDA0002093543230000051
倍到1倍，三角板B18中心处的三角形开缝，其开缝面积为三角板B18的
Figure BDA0002093543230000052
倍到
Figure BDA0002093543230000053
倍；
三角板B18上三角形开缝较小，增加流入扩张板15死区流体的流速，且三角形开缝与流入扩张板15死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，半椭圆板B16上三角形开缝较大，是流入扩张板15的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入扩张板15主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
每组三角形截面放缩折流板内收缩板11和扩张板15的间距为
Figure BDA0002093543230000054
到
Figure BDA0002093543230000055
每组三角形截面放缩折流板间距为
Figure BDA0002093543230000056
到
Figure BDA0002093543230000057
所述三角板A14、三角板B18与换热管垂直，三角形截面放缩折流板与换热管束以及壳程内表面有更大的接触面积，增强了对管束的支撑作用，减小了振动。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提供一种全新的结构形式，通过一种三角形截面放缩折流板对流体进行放缩，变横向冲刷为斜向冲刷，减小了压降和泵功的损耗以及管束振动。
2、本发明通过一种三角形截面放缩折流板对流体进行放缩，增强壳程流体扰动和掺混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率。
3、本发明在半椭圆板中心处有三角形开缝，三角板中心处有三角形开缝，通过合理的布置消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率，实现综合效果的优化。
附图说明
图1为三角形截面放缩折流板结构及布置示意图。
图2为三角形截面放缩折流板与换热管管束的结构与布置示意图。
图中：1-壳体，2-换热管束，3-入口管箱，4-入口管板，5-管程入口接管，6-壳程入口接管，7-出口管箱，8-出口管板，9-管程出口接管，10-壳程出口接管，11-收缩板，12-半椭圆板A，13-梯形板A，14-三角板A，15-扩张板，16-半椭圆板B，17-梯形板B，18-三角板B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，包括壳体1、换热管束2、入口管箱3、入口管板4、管程入口接管5、壳程入口接管6、出口管箱7、出口管板8、管程出口接管9、壳程出口接管10和多组三角形截面放缩折流板，换热管束2置于壳体1内，入口管箱3和出口管箱7分别设置在壳体1的入口和出口；入口管板4和出口管板8分别设置在入口管箱3和出口管箱7与壳体1之间，用于分隔管程流体和壳程流体；管程入口接管5和管程出口接管9分别设置在入口管箱3和出口管箱7上，壳程入口接管6和壳程出口接管10分别设置在壳体1的入口和出口处；每组三角形截面放缩折流板由收缩板11和扩张板15组成，收缩板11和扩张板15内切于壳程内表面，收缩板11和扩张板15中心处在壳程中心线上，且镜像布置，不同组三角形截面放缩折流板按照平移周期布置，收缩板11和扩张板15垂直于壳程中心线的过流截面均为等边三角形，收缩板11位于流体流动的上游，沿流体流动方向，收缩板11垂直于壳程中心线的过流截面逐渐减小，沿流体流动方向，扩张板15垂直于壳程中心线的过流截面逐渐增加，收缩板11和扩张板15有若干孔，换热管穿过所述孔。
如图2所示，所述收缩板11由三块半椭圆板A12，三块梯形板A13和一块三角板A14组成，梯形板A13的长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure BDA00020935432300000711
梯形板A13与壳程中心线夹角为α，10°≤α≤80°，梯形板A13的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板A13腰长为
Figure BDA0002093543230000071
到
Figure BDA0002093543230000072
梯形板A13的短边长为
Figure BDA0002093543230000073
到
Figure BDA0002093543230000074
三角板A14为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板A14的边长为梯形板A13的短底边长，半椭圆板A12为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板A12的长轴与壳程中心线夹角为β，20°≤β≤90°，半椭圆板A12的长轴长为梯形板13长底边长，短轴长为
Figure BDA0002093543230000075
如图2所示，所述扩张板15由三块半椭圆板B16，三块梯形板B17和一块三角板B18组成，梯形板B17的梯形长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure BDA0002093543230000076
梯形板B17与壳程中心线夹角同样为α，10°≤α≤80°，梯形板B17的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板B17的腰长为
Figure BDA0002093543230000077
到
Figure BDA0002093543230000078
梯形板B7的短边长为
Figure BDA0002093543230000079
到
Figure BDA00020935432300000710
三角板B18为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板B18的边长为梯形板B17的短底边长，半椭圆板B18为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板B16的长轴与壳程中心线夹角同样为β，20°≤β≤90°，半椭圆板B16的长轴长为梯形板B长底边长，短轴长为
Figure BDA0002093543230000081
Figure BDA0002093543230000082
如图2所示，所述半椭圆板A12中心处、三角板A14中心处、半椭圆板B16中心处以及三角板B18中心处均有三角形开缝。
流体从壳程流经收缩板11，经三块半椭圆板A12斜向导流，大部分流体从三块梯形板A13组成的等边三角形区域流入，由于等边三角形区域截面积逐渐变小，使流体向管中心收缩，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和参混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时，与弓形折流板比较，变横向冲刷为斜向冲刷，减小了压降和泵功的损耗以及换热管束振动；小部分流体经三块半椭圆板A12上的三角形开缝流入收缩板11的死区，由于半椭圆板A12上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率，实现综合效果的优化；
流体从收缩板11流出后，流经扩张板15，经三块梯形板B17斜向导流，大部分流体从三块梯形板B17组成的圆环区域流入，由于圆环区域截面积逐渐变小，使流体向管外侧扩张，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和参混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时，与弓形折流板比较，变横向冲刷为斜向冲刷，减小了压降和泵功的损耗以及管束振动；小部分流体经三块三角形板B18上的三角形开缝流入扩张板15的死区，由于三角形板B18上的三角形开缝上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率，实现综合效果的优化。
作为本发明的优选实施方式，所述半椭圆板A12中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板A12的
Figure BDA0002093543230000091
倍到
Figure BDA0002093543230000092
倍，三角板A14中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板A2的
Figure BDA0002093543230000093
倍到1倍；
半椭圆板A12上三角形开缝较小，增加流入收缩板11死区流体的流速，且三角形开缝与流入收缩板11死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，三角板A14中心处三角形开缝较大，是流入收缩板11的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入收缩板11主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
作为本发明的优选实施方式，所述半椭圆板B16中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板B16的
Figure BDA0002093543230000094
倍到1倍，三角板B18中心处的三角形开缝，其开缝面积为三角板B18的
Figure BDA0002093543230000095
倍到
Figure BDA0002093543230000096
倍；
三角板B18上三角形开缝较小，增加流入扩张板15死区流体的流速，且三角形开缝与流入扩张板15死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，半椭圆板B16上三角形开缝较大，是流入扩张板15的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入扩张板15主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
作为本发明的优选实施方式，每组三角形截面放缩折流板内收缩板11和扩张板15的间距为
Figure BDA0002093543230000097
到
Figure BDA0002093543230000098
每组三角形截面放缩折流板间距为
Figure BDA0002093543230000101
到
Figure BDA0002093543230000102
对比弓形折流板，三角形截面放缩折流板流动阻力更小，可以采用更小的折流板间距。
作为本发明的优选实施方式，所述三角板A14、三角板B18与换热管垂直，三角形截面放缩折流板与换热管束以及壳程内表面有更大的接触面积，客观上增强了对换热管束的支撑作用，减小了振动。

Claims (5)

1.一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，其特征在于：包括壳体(1)、换热管束(2)、入口管箱(3)、入口管板(4)、管程入口接管(5)、壳程入口接管(6)、出口管箱(7)、出口管板(8)、管程出口接管(9)、壳程出口接管(10)和多组三角形截面放缩折流板，换热管束(2)置于壳体(1)内，入口管箱(3)和出口管箱(7)分别设置在壳体(1)的入口和出口；入口管板(4)和出口管板(8)分别设置在入口管箱(3)和出口管箱(7)与壳体(1)之间，用于分隔管程流体和壳程流体；管程入口接管(5)和管程出口接管(9)分别设置在入口管箱(3)和出口管箱(7)上，壳程入口接管(6)和壳程出口接管(10)分别设置在壳体(1)的入口和出口处；每组三角形截面放缩折流板由收缩板(11)和扩张板(15)组成，收缩板(11)和扩张板(15)内切于壳程内表面，收缩板(11)和扩张板(15)中心处在壳程中心线上，且镜像布置，不同组三角形截面放缩折流板按照平移周期布置，收缩板(11)和扩张板(15)垂直于壳程中心线的过流截面均为等边三角形，收缩板(11)位于流体流动的上游，沿流体流动方向，收缩板(11)垂直于壳程中心线的过流截面逐渐减小，沿流体流动方向，扩张板(15)垂直于壳程中心线的过流截面逐渐增加，收缩板(11)和扩张板(15)有若干孔，换热管穿过所述孔；
所述收缩板(11)由三块半椭圆板A(12)，三块梯形板A(13)和一块三角板A(14)组成，梯形板A(13)的长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure FDA0002394591870000011
梯形板A(13)与壳程中心线夹角为α，10°≤α≤80°，梯形板A(13)的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板A(13)腰长为
Figure FDA0002394591870000021
到
Figure FDA0002394591870000022
梯形板A(13)的短边长为
Figure FDA0002394591870000023
到
Figure FDA0002394591870000024
三角板A(14)为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板A(14)的边长为梯形板A(13)的短底边长，半椭圆板A(12)为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板A(12)的长轴与壳程中心线夹角为β，20°≤β≤90°，半椭圆板A(12)的长轴长为梯形板A(13)长底边长，短轴长为
Figure FDA0002394591870000025
所述扩张板(15)由三块半椭圆板B(16)，三块梯形板B(17)和一块三角板B(18)组成，梯形板B(17)的梯形长底边由壳程内表面半径R确定，为
Figure FDA0002394591870000026
梯形板B(17)与壳程中心线夹角同样为α，10°≤α≤80°，梯形板B(17)的腰长由夹角α和壳程内表面半径R共同确定，梯形板B(17)的腰长为
Figure FDA0002394591870000027
到
Figure FDA0002394591870000028
梯形板B(17)的短边长为
Figure FDA0002394591870000029
到
Figure FDA00023945918700000210
三角板B(18)为等边三角形且与壳程中心线垂直，三角板B(18)的边长为梯形板B(17)的短底边长，半椭圆板B(18)为半椭圆形且由长轴切分，半椭圆板B(16)的长轴与壳程中心线夹角同样为β，20°≤β≤90°，半椭圆板B(16)的长轴长为梯形板B(17)长底边长，短轴长为
Figure FDA00023945918700000211
所述半椭圆板A(12)中心处、三角板A(14)中心处、半椭圆板B(16)中心处以及三角板B(18)中心处均有三角形开缝；
流体从壳程流经收缩板(11)，经三块半椭圆板A(12)斜向导流，大部分流体从三块梯形板A(13)组成的等边三角形区域流入，由于等边三角形区域截面积逐渐变小，使流体向管中心收缩，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和掺混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时，斜向冲刷减小了压降和泵功的损耗以及换热管束振动；小部分流体经三块半椭圆板A(12)上的三角形开缝流入收缩板(11)的死区，由于半椭圆板A(12)上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率；
流体从收缩板(11)流出后，流经扩张板(15)，经三块梯形板B(17)斜向导流，大部分流体从三块梯形板B(17)组成的圆环区域流入，由于圆环区域截面积逐渐变小，使流体向管外侧扩张，流体横截面积减小，速度增加，并斜向冲刷换热管束，增强壳程流体扰动和掺混程度，增加了壳程流体的平均流速和湍动程度，提高了换热效率，与此同时斜向冲刷减小了压降和泵功的损耗以及管束振动；小部分流体经三块三角形板B(18)上的三角形开缝流入扩张板(15)的死区，由于三角形板B(18)上的三角形开缝上的三角形开缝面积较小，流入流体速度会增加，扰动强烈，消除了死区，改善了换热和积垢问题，提高了管壳式换热器的换热效率。
2.根据权利要求1所述的一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，其特征在于：所述半椭圆板A(12)中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板A(12)的
Figure FDA0002394591870000031
倍到
Figure FDA0002394591870000032
倍，三角板A(14)中心处的三角形开缝，其开缝面积为三角板A(14)的
Figure FDA0002394591870000033
倍到1倍；
半椭圆板A(12)上三角形开缝较小，增加流入收缩板(11)死区流体的流速，且三角形开缝与流入收缩板(11)死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，三角板A(14)中心处三角形开缝较大，是流入收缩板(11)的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入收缩板(11)主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
3.根据权利要求1所述的一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，其特征在于：所述半椭圆板B(16)中心处的三角形开缝，其开缝面积为半椭圆板B(16)的
Figure FDA0002394591870000041
倍到1倍，三角板B(18)中心处的三角形开缝，其开缝面积为三角板B(18)的
Figure FDA0002394591870000042
倍到
Figure FDA0002394591870000043
倍；
三角板B(18)上三角形开缝较小，增加流入扩张板(15)死区流体的流速，且三角形开缝与流入扩张板(15)死区流体的流动截面近似，减小了流动阻力，半椭圆板B(16)上三角形开缝较大，是流入扩张板(15)的流体主要流动位置，且三角形开缝与流入扩张板(15)主要流体的流动截面近似，减小了流动阻力。
4.根据权利要求1所述的一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，其特征在于：每组三角形截面放缩折流板内收缩板(11)和扩张板(15)的间距为
Figure FDA0002394591870000044
到
Figure FDA0002394591870000045
每组三角形截面放缩折流板间距为
Figure FDA0002394591870000046
到
Figure FDA0002394591870000047
5.根据权利要求1所述的一种三角形截面放缩折流板管壳式换热器，其特征在于：所述三角板A(14)、三角板B(18)与换热管束(2)垂直，三角形截面放缩折流板与换热管束(2)以及壳程内表面有更大的接触面积，增强了对管束的支撑作用，减小了振动。
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