CN111664730B - 一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器结构，由筒体、管板、螺旋折流板、光滑换热管、螺旋槽纹管、拉杆、拧紧螺钉和弹性材料组成；所述螺旋折流板在一个周期内的投影为环形，在各块螺旋折流板的搭接区域附近有扰流件；所述光滑换热管穿过所述螺旋折流板的板体部分；所述螺旋槽纹管安装在所述螺旋折流板中心部分形成的通道内，同时提高管程和壳程的换热效率；螺旋折流板通过旋转拧紧螺钉从而压紧弹性材料实现两两搭接。本申请将在中间区域使用螺旋槽纹管，根据实际流动和换热情况分为强化段、正常流动段和换向段，各部分螺距不同，进一步提升总体性能。

Description

一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器

技术领域

本发明涉及管壳式换热器领域，具体涉及一种使用螺旋槽纹管的螺旋折流板管壳式换热器。

背景技术

换热器是实现冷热流体热量交换的一种重要过程设备，广泛应用于化工、石油、冶金、食品、动力、医药、制冷等行业，在热量回收和综合利用等方面起到不容忽视的作用。其中，管壳式换热器的应用最为广泛，管程和壳程的流体通过管壁实现热量交换，出于安全性考虑，国内许多管壳式换热器内仍采用光滑传热管，这方面有很大的节能进步空间。

螺旋折流板换热器内壳程流体在螺旋折流板的作用下呈螺旋状流动，可以在一定的沿程压降下提高换热效率，螺旋折流板的形状和位置很大程度上影响着换热器的使用效果。二～四等分的螺旋折流板在实际工程中由于安装方便、折流板数量可控等原因，应用较多。六等分螺旋折流板则适合正三角形布管，传热系数也相对更高，但相应地加工和装配难度更大。

螺旋折流板的结构设计主要是为了优化壳程流体的流动路径，避免流动死区的形成，使流体更接近于柱塞状流动，从而提高换热效果。实际工作时，在离心力的作用下靠近中间区域的流体流速较慢，导致了这部分管子的换热效率降低，同时在某些部位还会发生泄露现象，使整体的综合性能受到影响。

发明内容

本发明针对螺旋折流板换热器内中间区域的换热管换热效率较低的问题，提供了一种使用变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器结构，可以缓解漏流问题，提高换热器的综合性能。

本发明采用如下的技术方案：

一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其包括筒体、螺旋折流板、光滑换热管和螺旋槽纹管；光滑换热管和螺旋槽纹管均用于通入换热流体；

筒体作为换热器的外壳，其侧壁的一端设有进口和出口；筒体内设有若干螺旋折流板，螺旋折流板为扇环形；多块螺旋折流板在筒体中顺次搭接，形成与筒体同轴的螺旋式导流结构；所述螺旋式导流结构中安装有若干光滑换热管，所述光滑换热管与筒体轴线平行布置并贯穿螺旋折流板上的换热管安装孔；

所述螺旋式导流结构和筒体围成的外螺旋通道作为换热器的外壳程；所述螺旋槽纹管有多条，沿轴向布置于螺旋式导流结构内部的中空通道中，使中空通道在螺旋槽纹管的外螺纹导向下形成内螺旋通道，作为换热器的内壳程；壳程流体由所述进口进入外壳程做螺旋流动，流体完成外壳程流动后换向进入内壳程在螺旋槽纹管外部继续流动，直至从出口流出；

每条所述螺旋槽纹管分为强化段、正常段和换向段，正常段的螺距与所述螺旋式导流结构的螺距相等，正常段、强化段和换向段的螺距递减，其中强化段为螺旋槽纹管位于换热器内流体入口段的部分，换向段为螺旋槽纹管位于换热器内的壳程流体换向段的部分，正常段为强化段和换向段之间的部分。

作为优选，所述的螺旋折流板上还开设有拉杆安装孔，所述螺旋式导流结构通过多条贯穿螺旋折流板的拉杆固定于筒体两侧的管板上。

作为优选，所述螺旋式导流结构中，相邻两块螺旋折流板的板体搭接位置夹有压紧弹性材料，两块螺旋折流板的搭接端分别通过拧紧螺钉固定于压紧弹性材料上，实现连续搭接。

作为优选，所述螺旋式导流结构中，螺旋折流板呈周期性，若干连续搭接的螺旋折流板为一个螺旋周期，一个螺旋周期内的所有螺旋折流板沿螺旋式导流结构轴向的投影为完整环形，且满足0.5≤r/R≤0.72，其中R为螺旋折流板的扇环外径，r为螺旋折流板的扇环内径。

进一步的，所述扰流件为相对螺旋折流板表面凸出或凹陷的半球体，半球体的半径为a，(R-r)是a的15～45倍。

作为优选，所述螺旋式导流结构中，螺旋折流板在搭接端附近设有若干扰流件，用于顺着流体的流动方向形成绕流，避免出现流动滞止死区。

作为优选，所述螺旋式导流结构中穿过的光滑换热管和中空通道中布设的螺旋槽纹管数量相同，且外螺旋通道和内螺旋通道的流体流动面积相等。

作为优选，所述螺旋式导流结构中，光滑换热管和螺旋槽纹管均采用正三角形布管方式，管程数大于等于1。

作为优选，所述拉杆通过螺纹连接或焊接的方式固定在所述管板上。

进一步的，所述螺旋式导流结构的螺距s计算公式为:

其中，α为螺旋折流板的搭接程度，0≤α≤1，n为一个所述螺旋周期内螺旋折流板的块数，d_s为筒体内径；β为螺旋折流板的螺旋角；

所述正常段的螺距p₂＝s；

所述强化段的长度占螺旋槽纹管管长的10％～15％，螺距p₁＝0.9p₂；

所述换向段的长度占螺旋槽纹管管长的25％～40％，螺距p₃＝0.75p₂。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的螺旋折流板换热器中，螺旋折流板形成的中间区域使用螺旋槽纹管代替光滑换热管，和两两连接在一起的螺旋折流板形成螺旋通道，提高中间部分流体的流动速度，减薄温度边界层，提高换热效率，相比全部使用光滑管的螺旋折流板换热器，换热系数提高20.1％；同时螺旋折流板的螺距s与螺旋槽纹管正常流动段的螺距p₂相等，使流体在内螺旋通道流动时有序地形成规律的螺旋状流动，促进了管内和管外流体的换热，相比螺旋折流板螺距s和螺旋槽纹管正常流动段的螺距p₂不相等的情况，换热系数提高8.2％。

(2)本发明所述的螺旋折流板换热器中，通过旋转拧紧螺钉从而压紧夹在两块螺旋折流板之间的弹性材料，使螺旋折流板两两固定在一起的同时，避免了在搭接位置处发生的漏流现象，使壳程流体都在螺旋通道内流动。

(3)本发明所述的螺旋折流板换热器中，螺旋折流板连接区域附近的凹坑和凸起尺寸依据流动情况而定，流体流过这部分形成扰流，使边界层得到充分分离，进一步提高中间区域的流动速度，同时有效缓解漏流现象。

(4)本发明所述的螺旋折流板换热器中，筒体和螺旋折流板围成了外壳程流道，螺旋折流板中间挖空的部分形成了内壳程流道，螺旋折流板上穿过的光滑换热管和中间区域插入的螺旋槽纹管数量相同，内外壳程流体的流动面积尽可能相等，流体换向时流速基本保持不变，提高流动的流畅性，避免引起管束颤动；相比单壳程结构，在流量不变、管程数相同的情况下，双壳程结构换热器换热效率更高。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为本发明所涉及的使用变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器的立体结构示意图；

图2为本发明所涉及的使用变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器的壳程流动示意图；

图3为图2沿A-A方向的剖视图；

图4为本发明所涉及的螺旋折流板的立体结构示意图；

图5为本发明所涉及的螺旋折流板的平面结构示意图；

图6为本发明所涉及的一个螺旋周期的螺旋折流板组的安装结构示意图；

图7为本发明所涉及的螺旋槽纹管的结构示意图。

图中：1、筒体；2、管板；3、螺旋折流板；4、光滑换热管；5、螺旋槽纹管；6、拉杆；7、拧紧螺钉；8、弹性材料。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1和图3，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其包括筒体1、螺旋折流板3、光滑换热管4、螺旋槽纹管5和拉杆6。

其中，筒体1作为换热器的外壳，其内部作为热交换的换热场所。筒体1 的侧壁一端设有进口和出口。筒体1内设有若干螺旋折流板3，螺旋折流板3 的作用是对内部流体进行导流，使其形成螺旋形的流场，以强化换热。

如图4和5所示，本实施例中的螺旋折流板3为扇环形，由一个半径为R 的扇形中心截掉半径为r的小扇形而成。多块螺旋折流板3在筒体1中顺次搭接，形成与筒体1同轴的螺旋式导流结构。如图6所示，相邻两块螺旋折流板 3的板体搭接位置夹有压紧弹性材料8，压紧弹性材料8可以采用具有弹性的不透水材料制成，其两侧侧面具有坡度，以适应于两块螺旋折流板3的安装角。两块螺旋折流板3的搭接端分别通过旋转拧紧螺钉7固定于压紧弹性材料8上，使两块板体能够稳定地保持相对的安装角度，同时其搭接位置由于弹性材料的填充，保证螺旋折流板3两两固定在一起的同时，实现连续搭接。该方式避免了在搭接位置处发生的漏流现象，使壳程流体都在导流结构的螺旋通道内流动。

另外，每块螺旋折流板3在搭接端附近设有若干扰流件，用于顺着流体的流动方向形成绕流，边界层得到充分分离，避免出现流动滞止死区。本实施例中，扰流件为相对螺旋折流板3表面凸出或凹陷的半球体，半球体的半径为a， (R-r)是a的15～45倍。r/R和a随着换热器筒体的大小和螺旋折流板搭接时的交错程度而有所变化。当然，在其他实施例中当壳程流动介质为气体时，螺旋折流板3连接区域附近可以安装翅片来代替凹坑和凸起，使气体流过翅片时受到扰动，增加换热面积同时减薄温度边界层，从而提高传热效率。

在该螺旋式导流结构中，螺旋折流板3呈周期性，若干连续搭接的螺旋折流板3为一个螺旋周期，一个螺旋周期内的所有螺旋折流板3沿螺旋式导流结构轴向的投影为完整环形，且满足0.5≤r/R≤0.72，其中R为螺旋折流板3的扇环外径，r为螺旋折流板3的扇环内径。

在螺旋式导流结构中，安装有若干与筒体1轴线平行布置的光滑换热管4 和拉杆6。每块螺旋折流板3上均开设有换热管安装孔和拉杆安装孔，光滑换热管4穿过螺旋折流板3板体上的换热管安装孔，而用于螺旋式导流结构整体固定的拉杆6则穿过螺旋折流板3外围部分的拉杆安装孔。螺旋式导流结构通过多条贯穿螺旋折流板3的拉杆6固定于筒体1两侧的管板2上，固定方式可以为螺纹连接或焊接。而光滑换热管4的两端分别伸出筒体1两侧管板2，连接外部流体输送管道。光滑换热管4和螺旋槽纹管5均采用正三角形布管方式，管程数大于等于1，管程的分程形式参考换热器的设计标准。

螺旋式导流结构的内螺旋线外部的板体和筒体1围成了一条外螺旋通道，用于作为换热器的外壳程。而螺旋式导流结构的内螺旋线内部的空间为一条中空通道，该条中空通道中插入有多条螺旋槽纹管5。螺旋槽纹管5内部中空用于流通换热流体，而外部具有外螺纹，如图7所示。螺旋槽纹管5沿轴向布置于螺旋式导流结构内部的中空通道中，由此使中空通道在螺旋槽纹管5的外螺纹导向下形成内螺旋通道，作为换热器的内壳程。内螺旋通道的二次流的存在，进一步提高了换热器中间区域流体的流动速度，促进了管内和管外的热量交换。

本发明中，螺旋式导流结构中穿过的光滑换热管4和中空通道中布设的螺旋槽纹管5数量相同，且外螺旋通道和内螺旋通道的流体流动面积尽可能相等，避免壳程流体在换向时流动不均匀，导致换热管束颤动，缩短设备的使用寿命。

如图2所示，在该换热器中，壳程流体由筒体1上的进口进入外壳程做螺旋流动，流体完成外壳程流动后换向进入内壳程在螺旋槽纹管5外部继续流动，直至从出口流出。螺旋折流板换热器的壳程数为2，筒体1的进口管和出口管布置在同一侧。

根据流动和换热情况，每条螺旋槽纹管5除了两端与管板2装配的非螺纹部分外，其余有效部分划分为强化段、正常段和换向段，各段长度和螺距互不相同，以便于合理利用空间，促进管内的管外的热量交换，使整体的综合性能得到提升。其中，正常段的螺距与螺旋式导流结构的螺距相等，正常段、强化段和换向段的螺距递减。在本发明中，强化段是指螺旋槽纹管5位于换热器内流体入口段的部分，换向段是指螺旋槽纹管5位于换热器内的壳程流体换向段的部分，正常段是指强化段和换向段之间的部分。

上述螺旋式导流结构的螺距s，即一个螺旋周期内n块螺旋折流板3通过搭接而连接在一起形成的螺距s，其计算公式为:

其中，α为螺旋折流板的搭接程度，0≤α≤1，搭接点的投影与螺旋折流板圆心的距离为αR，螺旋折流板为连续搭接型所以α＝1；n为一个螺旋周期内螺旋折流板的块数，一般取2～4；d_s为筒体内径；β为螺旋折流板的螺旋角，一般取5°～40°。

因此，螺旋槽纹管5的正常段的螺距p₂＝s，使流体在内螺旋通道流动时更加有序、规律，同时缓解漏流问题，提升换热器的整体性能。正常段的长度为螺旋槽纹管5的有效长度扣除强化段和换向段的剩余长度。

螺旋槽纹管5的强化段的长度占螺旋槽纹管管长的10％～15％，由于入口效应的存在，流经这部分的流体流动比较剧烈，换热效率得到短暂的提升，若螺距和正常流动段保持一致，前一个螺旋槽距内对边界层的搅动作用尚未削弱时流体就流入后一个螺旋槽距，造成能量的浪费，故螺距p₁＝0.9p₂。

螺旋槽纹管5的换向段的长度占螺旋槽纹管管长的25％～40％，这部分的换热效率低于正常流动段，若螺距和正常流动段保持一致，前一个螺旋槽距内对边界层的搅动作用削弱后，后一螺纹槽产生的附加湍流尚未形成，流阻增加的同时换热没有得到强化，故这部分螺距p₃＝0.75p₂。

为了进一步展示本发明的优点，现通过一个具体实施例对该换热器的效果进行说明。

实施例1

本实施例中，具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器的具体结构如图 1～7所述，不再赘述。

其中，螺旋折流板3的半径R为400mm，去除的扇形部分半径r为240 mm，采用连续型搭接方式，凹坑和凸起的半径a为5mm。

光滑换热管4和螺旋槽纹管5均采用正三角形布管方式，管程数等于1，是一个单管程双壳程螺旋折流板换热器。拉杆6通过螺纹连接的方式固定在管板2上，每块螺旋折流板3上布置两根拉杆6。螺旋槽纹管3共19条，均匀分布在中间通道中。

螺旋槽纹管3的两端均留有一段光滑管，用来固定在两侧管板上，避免螺纹部分受到管板的挤压而变形。在相同的流动介质和雷诺数下，螺旋槽纹管的换热系数可以达到光滑管的2～3.2倍。螺旋槽纹管正常流动段的螺距p₂与螺旋折流板的螺距s相等，使流体在内螺旋通道流动时更加有序、规律，提升换热器的整体性能。

如前所述，螺旋折流板螺距s的计算公式为

其中，α反映了螺旋折流板的搭接程度，本实施例中螺旋折流板为连续搭接型所以α＝1；n为一个周期内螺旋折流板的块数，本实施例中三分螺旋折流板对应n＝3；d_s为筒体内径，为400mm；β为螺旋折流板的螺旋角，取30°。

由此计算得到螺旋折流板3的螺距s＝346mm，加工时螺旋槽纹管5正常流动段的螺距p₂也定为346mm。

强化段为流体入口段，长度取螺旋槽纹管3管长的10％，为200mm，为了充分利用每一段槽距内螺旋槽对边界层的搅动作用，这部分螺距p₁＝0.9p₂＝ 311.4mm。

换向段为壳程流体换向的部分，其长度取螺旋槽纹管3管长的30％，为 600mm，为了在前一段螺旋槽产生的附加湍流完全消失前使下一螺旋槽距对边界层起到搅动作用，这部分螺距p₃＝0.75p₂＝259.5mm。

为了与本实施例的换热器进行对比，此处还将换热器中的螺旋槽纹管5全部替换为光滑换热管4作为对照。结果表明，相比全部使用光滑管的螺旋折流板换热器，本发明的换热器换热系数提高20.1％。

为了对比螺旋槽纹管5的螺距对换热效果的影响，此处以等螺距的螺旋槽纹管5替换变螺距的螺旋槽纹管5作为对照，对照组中螺旋槽纹管5的螺距为 400mm。结果表明，本实施例相比于对照组中螺旋折流板螺距s和螺旋槽纹管 5正常流动段的螺距p₂不相等的情况，换热系数提高了8.2％。

以上所述的实施案例仅为本发明的具体实施方式，并非本发明的保护范围的限定。熟悉本领域的相关技术人员在本发明的基础上还可以做出其他不同方法的尝试。而由本发明引发出的不经过创造性劳动而进行的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：包括筒体(1)、螺旋折流板(3)、光滑换热管(4)和螺旋槽纹管(5)；光滑换热管(4)和螺旋槽纹管(5)均用于通入换热流体；

筒体(1)作为换热器的外壳，其侧壁的一端设有进口和出口；筒体(1)内设有若干螺旋折流板(3)，螺旋折流板(3)为扇环形；多块螺旋折流板(3)在筒体(1)中顺次搭接，形成与筒体(1)同轴的螺旋式导流结构；所述螺旋式导流结构中安装有若干光滑换热管(4)，所述光滑换热管(4)与筒体(1)轴线平行布置并贯穿螺旋折流板(3)上的换热管安装孔；

所述螺旋式导流结构和筒体(1)围成的外螺旋通道作为换热器的外壳程；所述螺旋槽纹管(5)有多条，沿轴向布置于螺旋式导流结构内部的中空通道中，使中空通道在螺旋槽纹管(5)的外螺纹导向下形成内螺旋通道，作为换热器的内壳程；壳程流体由所述进口进入外壳程做螺旋流动，流体完成外壳程流动后换向进入内壳程在螺旋槽纹管(5)外部继续流动，直至从出口流出；

每条所述螺旋槽纹管(5)分为强化段、正常段和换向段，正常段的螺距与所述螺旋式导流结构的螺距相等，正常段、强化段和换向段的螺距递减，其中强化段为螺旋槽纹管(5)位于换热器内流体入口段的部分，换向段为螺旋槽纹管(5)位于换热器内的壳程流体换向段的部分，正常段为强化段和换向段之间的部分。

2.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的螺旋折流板(3)上还开设有拉杆安装孔，所述螺旋式导流结构通过多条贯穿螺旋折流板(3)的拉杆(6)固定于筒体(1)两侧的管板(2)上。

3.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构中，相邻两块螺旋折流板(3)的板体搭接位置夹有压紧弹性材料(8)，两块螺旋折流板(3)的搭接端分别通过拧紧螺钉(7)固定于压紧弹性材料(8)上，实现连续搭接。

4.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构中，螺旋折流板(3)呈周期性，若干连续搭接的螺旋折流板(3)为一个螺旋周期，一个螺旋周期内的所有螺旋折流板(3)沿螺旋式导流结构轴向的投影为完整环形，且满足0.5≤r/R≤0.72，其中R为螺旋折流板(3)的扇环外径，r为螺旋折流板(3)的扇环内径。

5.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构中，螺旋折流板(3)在搭接端附近设有若干扰流件，用于顺着流体的流动方向形成绕流，避免出现流动滞止死区。

6.如权利要求5所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述扰流件为相对螺旋折流板(3)表面凸出或凹陷的半球体，半球体的半径为a，(R-r)是a的15～45倍。

7.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构中穿过的光滑换热管(4)和中空通道中布设的螺旋槽纹管(5)数量相同，且外螺旋通道和内螺旋通道的流体流动面积相等。

8.如权利要求1所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构中，光滑换热管(4)和螺旋槽纹管(5)均采用正三角形布管方式，管程数大于等于1。

9.如权利要求2所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述拉杆(6)通过螺纹连接或焊接的方式固定在所述管板(2)上。

10.如权利要求4所述的具有变螺距螺旋槽纹管的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋式导流结构的螺距s计算公式为:

其中，α为螺旋折流板的搭接程度，0≤α≤1，n为一个所述螺旋周期内螺旋折流板的块数，d_s为筒体内径；β为螺旋折流板的螺旋角；

所述正常段的螺距p₂＝s；

所述强化段的长度占螺旋槽纹管管长的10％～15％，螺距p₁＝0.9p₂；

所述换向段的长度占螺旋槽纹管管长的25％～40％，螺距p₃＝0.75p₂。

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