CN111336840B

CN111336840B - 一种管壳式换热器

Info

Publication number: CN111336840B
Application number: CN202010050720.4A
Authority: CN
Inventors: 赵炜; 张丽荣
Original assignee: Qingdao Vocational And Technical College Of Hotel Management
Current assignee: QINGDAO VOCATIONAL AND TECHNICAL College OF HOTEL MANAGEMENT
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: CN111336839A; CN109612308B; CN109612308A; CN111336840A; CN111336839B

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器，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，热交换管连接两端的管板，所述热交换管包括外管和设置在外管内的内核部件，所述内核部件在热交换管延伸的方向上延伸；内核部件设置电加热元件，同一个内核部件内的同一个电加热元件分为多段，沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同。本发明通过设置沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

Description

一种管壳式换热器

本申请是针对2018年12月18日、申请号2018115502827、发明名称“一种电热管壳式换热器”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，尤其是涉及一种产生不同温度的热水的管壳式换热器。

背景技术

目前,管壳式换热器是能源工程项目中使用最为广泛的换热器结构形式,其用量占全部换热器用量的70%，属于间壁式换热器的一种。管壳式换热器的特点是换热器结构牢固,使用可靠；历史悠久,制造使用的各技术环节已达到成熟；适应性较高,使用范围大。传统的管壳式换热器壳程采用冷源和热源交换的方式进行加热，一般情况下就是将一种流体温度升高同时将另一种流体温度下降。但是无法实现同时将两种流体同时加热。

此外，为改进和提高换热器工作效率以达到节能降耗的目的,最为重要的手段就是改善其内部流体的流动形态,因为此因素对管壳式换热器传热性能和动力消耗起着决定作用。由于内部换热介质有着多种流动形态,其主要区别在与对管束的冲刷流动上,所以以此为依据,可以把这些流动的形态为横向流、纵向流和螺旋流。

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，从而解决换热器仅能实现一种流体加热温度。同时在管内设置加热内核部件，通过设置内核部件的形状，使得流体在热交换管内充分进行加热，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换热器，通过该种结构换热器，能够实现将两种流体同时加热，同时设置内部的加热内核部件，起到强化传热的效果。

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，热交换管连接两端的管板，所述热交换管包括外管和设置在外管内的内核部件，所述内核部件在热交换管延伸的方向上延伸；内核部件设置电加热元件，距离内核部件的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电加热元件的加热功率越大。

作为优选，距离内核部件的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电加热元件的加热功率越来越大的幅度不断的增加。

作为优选，所述的电热元件是电阻加热器。

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，热交换管连接两端的管板，所述热交换管包括外管和设置在外管内的内核部件，所述内核部件在热交换管延伸的方向上延伸；所述内核部件为正四边形通孔和正八边形通孔组成，所述正四边形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正四边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不连接的边分别是四个不同的正四边形通孔的边；正四边形通孔中设置电热元件。

作为优选，所述热交换管的横截面是正四边形。

作为优选，所述热交换管内壁设置凹槽，所述内核部件的外端设置在凹槽内。

作为优选，热交换管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置内核部件。

作为优选，所述的电热元件是电阻加热器。

作为优选，电阻加热器填充整个正四边形通道。

作为优选，所述内核部件沿着热交换管延伸方向间隔设置为多个。

作为优选，距离热交换管的进口越远，则单位长度的电阻加热器的加热功率越大。

作为优选，距离热交换管的进口越远，则单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。

作为优选，所述内核部件中心为正八边形通道，所述正四边形通道为围绕内核部件的两层结构，最外层是正八边形通道，所述外管的边长为8倍的正四边形通道的边长。

作为优选，所述第一层的每个电热元件的加热功率是W1，第二层的每个电热元件的加热功率是W2，所述的内核部件长度是L1，正四边形的边长为L2，则满足下面的要求：

W2/W1=a-b*LN(L1/L2)；其中a,b是参数，2.978<a<2.982,0.79<b<0.81；

1.15<W2/W1<1.75；5.0< L1/L2<9.0；

单根热交换管的第一层和第二层的总加热功率为M，300W<M<500W。

作为优选，a=2.98，b=0.80。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）本发明通过设置热交换管内电热元件距离内核部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

2）本发明设计了一种新式内核部件加热结构的管壳式换热器，通过此种结构，能够实现快速提供热流体，而且该管壳式换热器具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

3）本发明通过设置热交换管内电热元件距离热交换管入口的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

4)本发明设计了热交换管内内核部件的竖直方向间隔分布，可以进一步的提高加热效率。

5）本发明设计了热交换管内不同的电热元件加热功率沿着热交换管长度方向的变化，能够进一步提高装置的安全性能和加热性能。

6）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了不同层的电加热功率的最优的比例关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率，也为此种结构的热交换管的设计提供了一个最佳的参考依据。

7）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了内核部件的各个尺寸的最优关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

附图说明

图1是本发明的管壳式换热器的结构示意图。

图2是本发明的管壳式换热器的热交换管结构示意图。

图3是热交换管内核部件横切面结构示意图。

图4是图3热交换管内内核部件A－A截面示意图。

图5是热交换管横向切面示意图。

图6是本发明分隔装置在热交换管内布置的示意图。

附图标记如下：前封头1，封头法兰2，前管板3，壳体4，内核部件5，热交换管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，电热元件16，正四边形通孔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。

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、热交换管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；多个平行设置的热交换管6组成的热交换管束连接在前管板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；流体从管程入口管12进入，经过热交换管进行换热，从管程出口管13出去。

作为一个改进，所述的热交换管6内设置电热元件16。通过在热交换管内设置电热元件，可以保证输出不同温度的加热流体。电热元件16首先加热热交换管6内的流体，然后加热后的流体通过热交换管6管壁加热壳程内的流体，这样使得通过电热元件16来加热产生管程和壳程内不同温度的流体，例如管程内产生高温的流体，壳程内产生温度低的加热流体，以满足不同的应用需求。

作为优选，流体是水。进一步优选，流体是药剂液体，例如熏洗使用的药液。例如壳体内是熏洗使用的药液。

如图3-4所示，在热交换管6内设置内核部件5。所述内核部件置5的结构见图3-4。所述内核部件5在热交换管6延伸的方向上延伸；所述内核部件5为正四边形通孔51和正八边形通孔52组成，所述正四边形通孔51的边长等于正八边形通孔52的边长，所述正四边形通孔的四个边53分别是四个不同的正八边形通孔的边53，正八边形通孔的四个互相不连接的边分别是四个不同的正四边形通孔的边；正四边形通孔51中设置电热元件16。

本发明通过设置新式加热结构的管壳式换热器，该加热结构将电热元件均匀分布在多个正八边形通道的周围，使得流体进入正八边形通道中通过电热元件能够均匀的加热，通过此种结构，可以通过一个装置能够实现快速提供不同温度的热流体，而且该管壳式换热器具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

通过上述的结构设置，可以同时产生不同温度的热流体，使得管壳式换热器具有多种功能，拓展了其利用的范围。

本发明提供了一种新式正四边形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的换热器，通过正四边形和正八边形，使得形成的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。本发明通过合理的布局，使得正四边形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横截面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的沿着周向的分割不均匀问题。

作为优选，所述热交换管6在水平方向布置。

作为优选，热交换管的外管就是内核部件的外壁面。作为优选，热交换管与内核部件是一体化制造。

作为优选，所述热交换管6的横截面是正四边形。

作为优选，连接电热元件16的导线通过管程入口管12和/或管程出口管13进入。

作为优选，所述热交换管6内壁设置凹槽，所述内核部件5的外壁面设置在凹槽内。通过如此设置可以进一步提高内核部件安装的牢固性。

作为优选，热交换管6为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置内核部件5。通过如此设置，可以使得加工方便，节省成本。

作为优选，所述的电热元件16是电阻加热器。

作为优选，电阻加热器16填充整个正四边形通道。通过如此设置能够保证电热元件与正四边形通道的壁面接触，进一步提高加热效率。

作为优选，正四边形通孔的中心距离内核部件5的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。例如，图3中，第一层的加热功率小于第二层的加热功率，但是第二层的加热功率也不同，具体的是四个顶角的加热功率大于非顶角的加热功率。通过数值模拟和实验发现，距离中心越远，则因为加热涉及的面积越大，因此需要更多的加热功率，尤其是在最外层，因为还要加热热交换管外部的水，因此需要的热交换管延伸方向上单位长度的加热功率更大。本发明通过设置热交换管内电热元件距离内核部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，正四边形通孔的中心距离内核部件5的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。上述的加热幅度的变化也是经过大量的数值模拟和实验得到，并非本领域的公知常识。通过上述幅度的变化，能够进一步提高加热效率和加热均匀度。

作为优选，所述内核部件5是正八边形中心内核部件，正八边形通孔位于内核部件的中心。如图3所示。

进一步优选，所述内核部件5中心为正八边形通道，所述正四边形通道为围绕内核部件的两层结构，最外层是正八边形通道，所述外管的边长为8倍的正八边形通孔的边长。

通过大量的数值模拟和实验可以得知，不同层电热元件的加热功率要求不同才能达到均匀加热的目的，正四边形边长越长，则因为需要加热的体积越大，外部空间也越大，则需要的内外层的加热功率比例就越大；而热交换管延伸方向上内核部件的长度越长，则因为整体的长度上的加热面积越大，加热的分布越均匀，因此导致的内外层的加热功率比例要求越小。因此本发明通过大量的数值模拟和实验对于每一层的加热功率及其边长、高度进行了大量的研究，得出了最佳的加热功率关系。而对于上述的图3的结构而言，最外层加热功率与最内层的加热功率的比值是满足如下要求：

作为优选，所述第一层的每个电热元件的加热功率是W1，第二层的每个电热元件的加热功率是W2，所述的内核部件长度是L1，正四边形通道的边长为L2，则满足下面的要求：

W2/W1=a-b*LN(L1/L2)；其中a,b是参数，2.978<a<2.982,0.79<b<0.81；

1.15<W2/W1<1.75；5.0< L1/L2<9.0；

作为优选，a=2.98，b=0.80。

作为优选，1.3<W2/W1<1.5；6.9< L1/L2<7.5；

120<B2<280mm；

8<L2<30mm；

第一层和第二层分别是内层和外层。

作为优选，随着L1/L2增加，a逐渐减小，b逐渐增加。通过如此设置能够进一步使得加热均匀，提高加热效率。

作为优选，沿着热交换管内流体的流动的方向，热交换管6的管径不断的变大。主要原因如下：1）通过增加热交换管6的管径，可以减少热交换管内流体流动的阻力，使得热交换管6内加热的流体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进流体流动。2）因为随着流体的不断的流动，液体在热交换管6内不断的加热，从而使得流体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。

作为优选，沿着热交换管内流体的流动的方向，热交换管6的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进流体流动，达到压力整体均匀。

作为优选，热交换管6内设置多个内核部件5，所述多个内核部件5间隔设置。通过间隔设置多个内核部件5，使得流体在内核部件中加热后，进入非内核部件区域进行混合，保证加热均匀。混合后再分别进入内核部件进行加热。

作为优选，热交换管6内设置多个内核部件5，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，内核部件5之间的间距越来越小。设距离热交换管6入口的距离为L1，相邻内核部件之间的间距为S，S=F₁(L1)，即S是以距离L1为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0；

主要原因是进一步强化传热。通过上述设置，可以使得沿着流体流动方向加热功率越来越大，这类似于管壳式换热器的逆流运动，使得管道出口的加热温度越来越高。类似于管道出口的热源温度越来越高，使得水充分进行加热。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。

进一步优选，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，相邻内核部件之间的距离越来越大的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0;

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，热交换管6内设置多个内核部件5，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，不同的内核部件长度越来越大。长度是指内核部件在热交换管延伸的方向上延伸的长度。进一步优选，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，不同的内核部件长度越来越大的幅度不断增加。原因同上。

作为优选，热交换管6内设置多个内核部件，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，不同内核部件的每个正四边形内布置的电热元件的加热功率逐渐增加。设距离热交换管6入口的距离为L1，相邻内核部件的每个正四边形内布置的电热元件功率为W，S=F₃(L1)，即W是以距离L1为变量的函数，W’是W的一次导数，满足如下要求：

W’>0;

进一步优选，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，相邻内核部件的每个正四边形内布置的电热元件功率变小的幅度不断增加。即W”是S的二次导数，满足如下要求：

W”>0；

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，热交换管6内设置多个内核部件，从热交换管6的入口到热交换管6的出口，正四边形的边长越来越小。距离热交换管6入口的距离为L1，正四边形的边长为C，C=F₂(L1)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’<0；

主要原因是因为正四边形边长越小，则制造越困难，但是整体加热的均匀性越好。因为越到热交换管出口，应该保持水的整体加热均匀，避免加热不均匀而导致的部分烧干。通过上述设置，可以节省成本，而且达到最好的加热均匀以及热流体产出效率。

进一步优选, 热交换管6的入口到热交换管6的出口，正四边形的边长越来越小的幅度不断的增加。C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0。

作为优选，相邻内核部件之间的距离保持不变。

作为优选，正四边形通孔中心距离内核部件的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。

因为通过实验和数值模拟可以得知，越是向外，则需要加热的体积越大，尤其是最外侧，需要加热周边的水和内管内的水。本发明通过设置热交换管内电热元件距离内核部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，正四边形通孔距离内核部件的中心越远，则热交换管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。通过如此规律设置，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，沿着热交换管内流体流动方向，电热元件16的单位长度的加热功率不断的增加。主要原因是进一步强化传热。通过上述设置，可以使得沿着流体流动方向加热功率越来越大，这类似于管壳式换热器的逆流运动，使得管道出口的加热温度越来越高。类似于管道出口的热源温度越来越高，使得水充分进行加热。经过大量的实验和数值模拟，经过上述的热交换管加热功率的变化，能够进一步提高10%左右的加热效率，节省加热时间。

作为优选，沿着高度方向，电加热棒16的单位长度的加热功率不断的减少的幅度不断的增加。

经过大量的实验和数值模拟，经过上述的电加热棒16加热功率幅度的变化，能够进一步提高5%加热效率，进一步节省加热时间。

作为优选，同一个内核部件内的同一个电加热棒16分为多段，沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同。其中沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不断的增加。进一步优选，增加的幅度不断的增加。

作为优选，每段的长度相同。

作为优选，每段的单位长度的加热功率相同。

具体理由如上。

通过设置分段，可以进一步使得制造简单方便。

通过分析以及实验得知，热交换管延伸方向内核部件之间的间距不能过大，过大的话导致热流体产生的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致内管内容易烧干，同理，正四边形的边长也不能过大或者过小，过大导致加热不均匀，过小导致正四边形和八边形分布过密，造成流动阻力增加以及加工成本增加。因此本发明通过大量的实验，在优先满足热流体出汽量的情况下，使得阻力达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻内核部件之间的距离为S1，正四边形的边长为L2，内核部件为正四边形截面，内核部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：

10*L2/B2=a-b*(S1/B2);

其中a,b是参数，其中0.95<a<0.96,0.16<b<0.17；

120<B2<280mm；

8<L2<30mm；

29<S1<110mm。

进一步优选，a=0.9562,b=0.163;

进一步优选，随着L2/B2的增加，a越来越大，b越来越小。

作为优选，正四边形通孔的边长L2是正四边形通孔内边长和外边长的平均值，内核部件正四边形截面的边长B2是内核部件正四边形截面内边长和外边长的平均值。

相邻内核部件之间的距离为S1是以相邻内核部件相对的面的距离。例如右部内核部件的左端面与左部内核部件的右端面之间的距离。

作为优选，随着B2的增加，L2也不断增加。但是随着B2的增加，L2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B2的增加，S1不断减小。但是随着B2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。

作为优选，内核部件正四边形截面的边长等于热交换管的内壁面的边长。

内核部件长度L1优选为50－300mm，进一步优选为100－150mm。

作为优选，热交换管长度为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，热交换管内流体是水。

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，热交换管的长度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

1.一种管壳式换热器，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，热交换管连接两端的管板，所述热交换管包括外管和设置在外管内的内核部件，所述内核部件在热交换管延伸的方向上延伸；所述内核部件为正四边形通孔和正八边形通孔组成，所述正四边形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正四边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不连接的边分别是四个不同的正四边形通孔的边；正四边形通孔中设置电热棒，同一个内核部件内的同一个电加热棒分为多段，沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同；其中沿着热交换管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不断的增加。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，每段的长度相同。