CN112984803A - 一种管壳式换热器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器，壳体内壁半径为R，所述中心换热部件的圆心设置在壳体圆形截面圆心，外围换热部件的圆心距离壳体圆形截面的圆心的距离为S，相邻外围换热部件的圆心分别与圆形截面圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，外围换热部件的加热功率为P2，单个中心换热部件的加热功率为P1。本发明设计了一种新式结构的换热部件在壳体中的布局图，优化了换热管的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

Description

一种管壳式换热器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，尤其涉及一种换热效率高的管壳式换热器。

背景技术

本发明是和青岛科技大学进行合作研发的项目，涉及换热器除垢，在青岛科技大学研发的基础上（申请号2019101874848）将其用于管壳式换热器的新的发明。

管壳式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

管壳式换热器结垢后，采取常规的蒸汽清扫、反冲洗等方式对换热器进行清洗，生产实践证明，效果不是很好。只能将换热器的封头拆卸下来，采用物理清理的方式，但采取该种方式进行清洗，操作复杂、耗时长，人力、物力投资较大，对连续化的工业生产带来极大的困难。

利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式，可将换热器内对流体振动诱导的严格防止转变为对振动的有效利用，使传动元件在低流速下的对流换热系数大幅度的提高，并利用振动抑制传热元件表面污垢，减低污垢热阻，实现复合强化传热。

在应用中发现，持续性的加热会导致内部流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致换热管振动性能大大减弱，从而影响换热管的除垢以及加热的效率。因此需要对上述换热器进行改进。

同时在应用中发现，通过调整相应的结构参数可以提高换热效率。因此需要对上述换热器进行改进。

发明内容

本发明针对现有技术中管壳式换热器的不足，提供一种新式结构的电加热管壳式换热器。该管壳式换热器能够实现换热管周期性的频繁性的振动，提高了加热效率，从而实现很好的除垢以及加热效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种合理优化间距的管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括下管箱、上管箱和换热管，换热管与下管箱和上管箱相连通，形成加热流体封闭循环，所述下管箱、上管箱的两端设置在管板的开孔中，电加热器设置在下管箱内；下管箱内填充相变流体；换热管为一个或者多个，每个换热管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为以下管箱为同心圆的圆弧，相邻管束的端部连通，从而使得管束的端部形成管束自由端，其特征在于，下管箱和上管箱沿着壳体长度方向上设置，所述换热管设置为多个，沿着壳体内流体的流动方向，相邻换热管的间距不断变小。

作为优选，沿着壳体内流体的流动方向，邻换热管的间距不断变小的幅度不断的增加。

作为优选，壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括下管箱、上管箱和换热管。

一种管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括下管箱、上管箱和换热管，换热管与下管箱和上管箱相连通，形成加热流体封闭循环，所述下管箱、上管箱的两端设置在管板的开孔中，电加热器设置在下管箱内；下管箱内填充相变流体；换热管为一个或者多个，每个换热管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为以下管箱为同心圆的圆弧，相邻管束的端部连通，从而使得管束的端部形成管束自由端，其特征在于，所述电加热器设置为多个,每个电加热器独立控制,随着时间的变化,电加热器启动的数量进行周期性变化；在周期的前一段时间内，电加热器的启动数量随着时间逐渐增加，直到全部启动；周期的后一段时间，电加热器的启动数量随着时间逐渐减少，直到全部关闭。

作为优选，前一段时间是后一段时间的3倍。

作为优选，假设电加热器为m个，则在一个周期内，每隔3/4m个周期的时间，启动一个电加热器，直到3/4个周期时间加热器全部启动，然后再每隔1/4m个周期的时间，关闭一个电加热器，直到一个周期时间内加热器全部关闭。

作为优选，每个电加热器加热功率都相同。

作为优选，沿着壳体内流体的流动方向，换热管管束的内径不断变大的幅度不断的增加。

本发明具有如下优点：

1、通过电加热器沿着流体流动方向逐渐启动，可以使得后端加热温度高，形成类似逆流效果，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。

2、本发明管壳式换热器在周期内间歇式的换热，能够实现弹性换热管周期性的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及换热效果。

3、本发明将换热管周期性不断增加加热功率以及降低加热功率，使得加热流体受热后会产生体积不停的处于变化状态中，诱导换热管自由端产生振动，从而强化传热。

4、本发明设计了一种新式结构的换热部件在壳体中的布局图，可以进一步提高加热效率。

5、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了换热管的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

附图说明

图1为本发明换热部件的俯视图。

图2为换热部件的主视图。

图3是换热部件间隙式加热的坐标示意图。

图4是换热部件周期性增加以及降低加热功率坐标示意图。

图5是换热部件周期性增加以及降低加热功率的另一个实施例坐标示意图。

图6是换热部件加热功率线性变化的坐标示意图。

图7是圆形壳体中设置换热部件的布局示意图。

图8是换热管结构示意图。

图9是壳体结构示意图。

图中：1、换热管，2、下管箱，3、自由端，4、自由端，5、壳程入口接管，6、壳程出口接管，7、自由端，8、上管箱，9、连接点，10、换热部件，11、壳体，12管束，13电加热器，前管板14，支座15，支座16，后管板17 ，端部18-20。

具体实施方式

一种管壳式换热器，如图9所示，所述管壳式换热器包括有壳体11、换热部件10、壳程入口接管5和壳程出口接管6；所述换热部件10设置在壳体11中，换热部件固定连接在前管板14、后管板17上；所述的壳程入口接管5和壳程出口接管6均设置在壳体11上；流体从壳程入口接管5进入，经过换热部件进行换热，从壳程出口接管6出去。

所述下管箱、上管箱的两端的端部18-20设置在前后管板14、17的开孔中，用于固定。

图1展示了换热部件10的俯视图，如图1所示，所述换热部件10包括下管箱2、上管箱8和换热管1，换热管1与下管箱2和上管箱8相连通，流体在下管箱2和上管箱8以及换热管1内进行封闭循环，所述换热部件10内设置电加热器13，所述电加热器13用于加热换热部件10的内流体，然后通过加热的流体来加热壳体内的流体。

如图1－2所示，电加热器13设置在下管箱2内；下管箱2内填充相变流体；换热管1为一个或者多个，每个换热管1包括多根圆弧形的管束12，多根圆弧形的管束12的中心线为以下管箱2为同心圆的圆弧，相邻管束12的端部连通，流体在下管箱2和上管箱8之间形成串联流动，从而使得管束的端部形成管束自由端3、4；所述流体是相变流体，汽液相变液体，所述换热部件与控制器进行数据连接，所述控制器控制换热部件的加热功率随着时间的变化而周期性发生变化。

作为优选，所述下管箱2和上管箱8沿着壳程长度方向上设置。壳程优选沿着水平方向延伸。

研究以及实践中发现，持续性的功率稳定性的电加热器的加热会导致内部换热部件的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致换热管1振动性能大大减弱，从而影响换热管1的除垢以及加热的效率。因此需要对上述电加热换热管进行如下改进。

作为一个优选，加热功率采取间歇式的加热方式。即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。优选加热的时间是不加热的时间的3倍。

如图3所示，在一个周期时间T内，电加热器的加热功率P变化规律如下：

0-3T/4，即四分之三个周期内,P＝n，其中n为常数数值，单位为瓦（W），即加热功率保持恒定；

3T/4-T的四分之一个周期内,P=0。即电加热器不加热。

优选T是50－80分钟，其中加热功率P是3500－5500W，优选4000W<n<5000W。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为一个优选，所述电加热器13设置为多个,每个电加热器独立控制,随着时间的变化,电加热器启动的数量进行周期性变化。

作为一个优选，电加热器为n个，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，启动一个电加热器，直到3T/4时间加热器全部启动，然后再每隔T/4n的时间，关闭一个电加热器，直到T时间加热器全部关闭。

作为优选，每个电加热器加热功率都相同。关系图如图4所示。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，沿着管壳长度方向电加热器设置为多段，每段独立控制，随着时间的变化，电加热器的沿着壳程内流体流动方向相反方向（例如图其右端开始）依次启动，直到全部段都启动，然后从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

作为优选，在四分之三个周期3T/4内，电加热器的沿着壳程内流体流动相反方向（例如图其右端开始）依次启动，直到全部段都启动，然后在后面的四分之一个周期T/4内，从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

即假设电加热器为n段，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，从右端开始启动一个段，直到3T/4时间所有段全部启动，然后再每隔T/4n的时间，从左端开始，关闭一个段，直到T时间全部段关闭。

作为优选，每个段加热功率都相同。关系图如图4所示。

通过电加热器沿着流体流动方向逐渐启动，可以使得后端加热温度高，形成类似逆流效果，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，所述电加热器13为多个，每个电加热器13功率不同，可以一个或者多个组合形成不同的加热功率，在周期的前段时间（优选是四分之三个周期）内,按照时间循序，先是单个电加热器启动，单个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个电加热器，两个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加换热部件启动的数量，如果数量为n，则n个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的电加热器启动，保证所述换热部件的加热功率依次增加。在周期的后段时间（优选是四分之一个周期）内，先是单个电加热器不启动，单个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再不启动两个电加热器，两个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再逐渐增加换热部件不启动的数量，如果数量为n，则n个电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立不启动；直到最后所有的电加热器不启动，保证所述电加热器的加热功率依次降低。

例如所述换热部件为三个，分别是第一换热部件D1、第二换热部件D2和第三换热部件D3，加热功率分别为P1，P2和P3，其中P1<P2<P3，P1+P2>P3；即其中第一换热部件、第二换热部件之和大于第三换热部件，按照时间顺序依次启动第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三，在剩下的周期时间内不启动的顺序是第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三。

通过电加热器逐渐增加减少加热功率，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，在周期前段时间内，换热部件的加热功率是线性增加的，周期后段时间内，换热部件的加热功率是线性减少的，参见附图6。

作为优选，线性增加的增长幅度小于线性减小的增长幅度。

通过输入电流或电压的变化实现加热功率的线性变化。

通过设置多个电加热器，实现电加热器的逐渐数量增加的启动，实现线性变化。

作为优选，周期是50－300分钟，优选50－80分钟；换热部件平均加热功率为2000－4000W。

作为优选，所述下管箱2的管径小于上管箱8的管径，下管箱2的管径是上管箱8管径的0.5-0.8倍。通过下管箱和上管箱的管径变化，能够保证流体进行相变在第一箱体内时间短，快速进入换热管，充分进入第二箱体换热。

作为优选，换热管在下管箱的连接位置9低于上管箱与换热管的连接位置。这样保证蒸汽能够快速的向上进入上管箱。

作为优选，下管箱和上管箱之间设置回流管，有选设置在下管箱和上管箱两端端部18-20，保证上管箱内冷凝的流体能够进入第一管线。

作为优选，下管箱和上管箱沿着水平方向上设置，沿着壳程内流体的流动方向，所述换热管设置为多个，沿着流体的流动方向，换热管管束的管径不断变大。

作为优选，沿着流体的流动方向，换热管管束的管径不断变大的幅度不断的增加。

通过换热管的管径幅度增加，可以保证壳程流体出口位置充分进行换热，形成类似逆流的换热效果，而且进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着壳程内流体的流动方向，所述换热管设置为多个，沿着流体的流动方向，相邻换热管的间距不断变小。

作为优选，沿着下管箱的高度方向，换热管之间的间距不断变小的幅度不断的增加。

通过换热管的间距幅度增加，可以保证壳程流体出口位置充分进行换热，形成类似逆流的换热效果，而且进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，如图7所示，所述壳体是横截面为圆形壳体，壳体中设置多个换热部件。

作为优选，如图7所示，所述壳体内设置的多个换热部件，其中一个设置在壳体的中心，成为中心换热部件，其它的围绕壳体的中心分布，成为外围换热部件。通过如此结构设计，可以使得壳体内流体充分达到振动目的，提高换热效果。

作为优选，单个外围换热部件的加热功率小于中心换热部件的加热功率。通过如此设计，使得中心达到更大的震动频率，形成中心振动源，从而影响四周，达到更好的强化传热和除垢效果。

作为优选，同一水平换热截面上，流体要达到均匀的振动，避免换热分布不均匀。因此需要通过合理分配不同的换热部件中的加热功率的大小。通过实验发现，中心换热部件与外围管束换热部件的加热功率比例与两个关键因素相关，其中一个就是外围换热部件与壳体中心之间的间距（即外围换热部件的圆心与中心换热部件的圆心的距离）以及壳体的直径相关。因此本发明根据大量数值模拟和实验，优化了最佳的脉动流量的比例分配。

作为优选，壳体内壁半径为R，所述中心换热部件的圆心设置在壳体圆形截面圆心，外围换热部件的圆心距离壳体圆形截面的圆心的距离为S，相邻外围换热部件的圆心分别与圆形截面圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，外围换热部件的加热功率为P2，单个中心换热部件的加热功率为P1，则满足如下要求：

P1/P2=a-b*Ln（R/S）；Ln是对数函数；

a,b是系数，其中2.0869<a<2.0875,0.6833<b<0. 6837；

优选，1.35< R/S <2.1；进一步优选1.4< R/S <2.0；

优选，1.55< P1/P2<1.9。进一步优选1.6< P1/P2<1.8；

其中35°<A<80°。

作为优选，四周分布数量为4－5个。

作为优选，R为1600－2400毫米，优选是2000mm；S为1150－1700毫米，优选为1300mm；换热管管束的直径为12－20毫米，优选16mm；优选换热管的最外侧直径为300－560毫米，优选400mm。下集管的管径为100－116毫米，优选108毫米，上集管和下集管的长度为1.8-2.2米。

总加热功率优选为5000-10000W，进一步优选为8000W。

进一步优选，a=2.0872,b=0.6835。

作为优选，所述箱体是圆形截面，设置多个换热部件，其中一个设置在圆形截面圆心的中心换热部件和其它的形成围绕圆形截面圆心分布的换热部件。换热管1为一组或者多组，每组换热管1包括多根圆弧形的管束12，多根圆弧形的管束12的中心线为同心圆的圆弧，相邻管束12的端部连通，从而使得换热管1的端部形成管束自由端3、4，例如图2中的自由端3、4。

作为优选，所述的加热流体为汽液相变的流体。

作为以优选，所述下管箱2、上管箱8以及换热管1都是圆管结构。

作为优选，换热管1的管束是弹性管束。

通过将换热管1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

作为优选，所述同心圆是以下管箱2的中心为圆心的圆。即换热管1的管束12围绕着下管箱2的中心线布置。

如图8所示，管束12不是一个完整的圆，而是留出一个口部，从而形成管束的自由端。所述口部的圆弧所在的角度为65－85度，即图8夹角b和c之和是65－85度。

作为优选，管束在同一侧的端部对齐，在同一个平面上，端部的延长线（或者端部所在的平面）经过下管箱2的中线。

进一步优选，所述电加热器13是电加热棒。

作为优选，换热管1的内侧管束的第一端与下管箱2连接，第二端与相邻的外侧管束一端连接，换热管1的最外侧管束的一端与上管箱8连接，相邻的管束的端部连通，从而形成一个串联的结构。

第一端所在的平面与下管箱2和上管箱8中心线所在的平面形成的夹角c为40－50度。

第二端所在的平面与下管箱2和上管箱8中心线所在的平面形成的夹角b为25－35度。

通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

如图8所示，换热管1的管束为4个，管束A、B、C、D联通。当然，不局限于四个，可以根据需要设置多个，具体连接结构与图8相同。

所述换热管1为多个，多个换热管1分别独立连接下管箱2和上管箱8，即多个换热管1为并联结构。

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 (4)

1.一种管壳式换热器的设计方法，所述换热器包括壳体，所述壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括下管箱、上管箱和换热管，换热管与下管箱和上管箱相连通，形成加热流体封闭循环，所述下管箱、上管箱的两端设置在管板的开孔中，电加热器设置在下管箱内；下管箱内填充相变流体；换热管为一个或者多个，每个换热管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为以下管箱为同心圆的圆弧，相邻管束的端部连通，从而使得管束的端部形成管束自由端，其特征在于：壳体内壁半径为R，所述中心换热部件的圆心设置在壳体圆形截面圆心，外围换热部件的圆心距离壳体圆形截面的圆心的距离为S，相邻外围换热部件的圆心分别与圆形截面圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，外围换热部件的加热功率为P2，单个中心换热部件的加热功率为P1，则满足如下要求：

P1/P2=a-b*Ln（R/S）；Ln是对数函数；

a,b是系数，其中2.0869<a<2.0875,0.6833<b<0. 6837。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，1.35< R/S <2.1，1.55< P1/P2<1.9。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，1.4< R/S <2.0；

1.6< P1/P2<1.8；

其中35°<A<80°。

4.一种管壳式换热器，壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括下管箱、上管箱和换热管。

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