CN113776364A - 一种加热空气的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管壳式换热器，出口管内设置从出口管内壁向出口管中心延伸的引流板，所述引流板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小。本发明提供了一种新的管壳式换热器，需要设置夹角A4越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

Description

一种加热空气的管壳式换热器

技术领域

本发明涉及换热器，尤其是涉及一种气体参与换热的管壳式换热器。

背景技术

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。

气体加热器可以采取管壳式换热器的方式。若气体换热器在长期运行条件下存在堵灰、腐蚀、漏风等严重问题，导致气体换热器的出口气体的切向温差较大。同是因为换热器内部换热不均匀，也会导致出口气体不同位置的温度不均匀。当把气体分配到不同的场合进行运用时候，会因为气体温度不均匀导致出现过热或者过冷情况，对运行造成影响。

因此，针对上述的缺陷，申请人在先申请的专利提出了一种新的管壳式换热器，旨在通过对管壳式换热器出口管设置分配器，以达到出口温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

本申请是针对在先申请的一个改进，本申请通过改进在先申请结构的优化，使得分配器的均温效果达到最佳。

发明内容

本发明提供了一种新的换热管换热器，从而解决前面出现的技术问题。

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，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热器包括气体进口和气体出口，气体从气体进口流入，在换热器内与刷换热管内的流体进行换热，然后从气体出口流出，其特征在于，所述气体出口连接出口管，所述出口管内设置从出口管内壁向出口管中心延伸的引流板，所述引流板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向气体流动方向弯曲，第一壁和第二壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的下游，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的下游；其特征在于，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小。

作为优选，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小的幅度不断增加。

作为优选，第一弯曲壁和第二弯曲壁是圆弧，其中第一弯曲壁的圆弧直径小于第二弯曲壁的圆弧直径。

作为优选，交点位置处第一弯曲壁的切线与出口管的轴线形成30-60°的夹角。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多层引流板，相邻层的引流板错列分布。

作为优选，交点与出口管内壁的距离为出口管直径的0.4-0.5倍。

作为优选，第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度。

作为优选，同一层的引流板与内壁连接的圆弧的总弧度是150－180°。

作为优选，第一弯曲壁与内壁的连接点与交点之间第一线的长度L2，第二弯曲壁与内壁的连接点与交点之间的第二线的长度L1，第一线与内壁的夹角是A2，第二线与内部的夹角是A1，沿着气体的流动方向上相邻楔形结构的间距S，即相邻引流板在内壁的中心点之间的距离，中心点就是第一弯曲壁、第二弯曲壁与内壁的连接点连线的中点，满足如下要求：

N＝a-b*Ln(M)，其中N＝(L1+L2)/S，M＝sin(A2)/sin(A1)；Ln是对数函数，

0.263<a<0.264，0.0829<b<0.0831；

与现有技术相比较，本发明的扁平换热管具有如下的优点：

1)本发明通过设置第一线与内壁的锐角A4越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

2)本发明提供了一种新的管壳式换热器，通过在在气体出口管内设置引流板，使得气体一部分沿着引流板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的气体充分混合，从而实现气体的温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

3)本发明通过对引流板各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，本发明对换热器的引流板结构进行优化，以达到最优的出口气体均温效果。

4)本发明通过合理的布局，使得相邻排的引流板结构错列布置，从而进一步充分混合气体，达到温度均匀。

5)本发明通过设置引流板沿着流体流动方向的尺寸和数量角度等参数的分布变化，进一步促进充分混合。

6)本发明通过对引流板的距离进行了广泛的研究，设计了最小距离的公式，充分满足均温混合需要，避免混合不均匀以及流动阻力增加问题，以达到最优的出口气体均温效果。

附图说明

图1是本发明换热器的结构示意图；

图2是本发明出口管设置引流板的轴向切面图；

图3是本发明出口管设置引流板的尺寸示意图。

图4是每层设置1块引流板的立体示意图。

图5是每层设置3块引流板的立体示意图。

图6是每层设置1块引流板的立体示意图。

图7是图6的出口管一侧的分解立体示意图。

附图标记如下：

1换热管，2引流板，21第一弯曲壁，22第二弯曲壁，23交点，3入口管，4出口管，5、出口管6气体进口，7气体出口，8上集箱，9下集箱

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。

图1公开了一种使得出口气体温度均匀的管壳式换热器。如图1所示，所述换热器包括上集箱8、下集箱9以及设置在上下集箱之间的换热管1；所述换热器包括气体进口6和气体出口7，气体从气体进口6流入，在换热器内与换热管1内的流体进行换热，然后从气体出口7流出。

作为一个改进，所述气体出口7连接出口管5，如图2所示，所述出口管5内设置从出口管内壁51向出口管中心延伸的引流板2，所述引流板2包括从内壁延伸的第一弯曲壁21和第二弯曲壁22，其中第一弯曲壁21与内壁51连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁22与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁21和第二弯曲22壁朝向气体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向气体流动方向，第一弯曲壁21和第二弯曲壁22的交点23位于第一弯曲壁21与内壁51连接处的下游，同时位于第二弯曲壁22与内壁连接处的下游。引流板2的形状是第一弯曲壁21和第二弯曲壁22以及内壁沿着出口管轴线旋转形成的形状。

本发明提供了通过在在气体出口管内设置引流板，使得气体一部分沿着引流板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的气体充分混合，从而实现气体的温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

本发明引流板分别设置第一弯曲壁和第二弯曲壁，通过设置两个弯曲壁，使得气体的扰动效果更好，而且使得引流板接触内壁的面积增加，增加了稳定性。而且通过设置第二弯曲壁，使得从对面方向导流过来的气体也能沿着第二弯曲壁方向弯曲方向运动，增加缓冲，减少流动阻力。

作为优选，第一弯曲壁21和第二弯曲壁22是圆弧，其中第一弯曲壁21的圆弧直径小于第二弯曲壁22的圆弧直径。

本发明通过第一壁和第二壁是圆弧状，使得气体流动阻力更小，容易流向对方进行混合。

作为优选，交点23位置处第一弯曲壁21的切线与出口管的轴线形成30-60°的夹角，优选夹角是45°。通过设置这一夹角，使得流体能够快速引导到对面的下游位置，而且还能进一步减少流动阻力。

作为优选，如图2所示，沿着气体的流动方向，出口管5内壁设置多层引流板2，相邻层的引流板错列分布。通过相邻排的引流板的错列分布，使得气体能够在出口管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。图2展示的每层引流板设置一块。当然每层引流板可以设置多块，例如设置两块，每块角度90°，或者设置四块，每块角度45°。

作为优选，交点与出口管内壁的距离为出口管直径的0.3-0.5倍，优选0.4倍。通过这一设置使得空气在充分混合基础上较少流动阻力。

作为优选，第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度。

作为优选，同一层的引流板与内壁连接的圆弧的总弧度是150－180°。通过这一参数设置保证在满足阻力要求的充分混合。例如图2、4、6展示的每层引流板设置一块，这一块的总弧度是150-180°。当然每层引流板可以设置多块，例如图5的每层设置三块的总弧度是150－180°。

作为优选，A层引流板设置多块，A引流板之间设置间隔，A引流板等间隔设置，B层是A层的相邻排，从流动方向观察，B层引流板设置在A层的间隔位置处。通过相邻层的引流板位置互补，能够使得气体能够在出口管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。需要说明的，此处A层B层不是不是具体明确指定那一层，A、B仅仅是作为一个区别，将其作为相邻层进行区别。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的分布密度越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置分布密度越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，引流板的分布密度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的尺寸越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置尺寸越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，引流板的尺寸越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

通过大量的数值模拟和实验研究发现，引流板的角度以及尺寸对于换热以及混合均匀具有很大的影响，引流板与内壁夹角偏小，会导致混合效果变差，而且导致引流板尺寸过大，影响流动阻力，夹角偏大，导致搅动流体效果不好，阻力变大，混合效果变差，引流板的间距过大，会导致扰流效果不好，间距过小会导致增加运动阻力，因此本申请通过大量的数据模拟和实验得到了最近的引流板结构尺寸优化关系。

作为优选，第一弯曲壁与内壁的连接点与交点23之间第一线的长度L2，第二弯曲壁与内壁的连接点与交点23之间的第二线的长度L1，第一线与内壁的锐角是A2，第二线与内部的锐角是A1，沿着气体的流动方向上同一侧相邻引流板的间距S(例如图2上侧的相邻的两个引流板的距离为S)，即相邻引流板在内壁的中心点之间的距离，中心点就是第一弯曲壁、第二弯曲壁与内壁的连接点连线的中点，满足如下要求：

N＝a-b*Ln(M)，其中N＝(L1+L2)/S，M＝sin(A2)/sin(A1)；Ln是对数函数，

0.263<a<0.264，0.0829<b<0.0831；

作为优选，0.25<M<0.75,0.28<N<0.35,45<A1<75°，15<A2<45°,400<S<500mm，70<L2<130mm，30<L1<90mm。

由上述各式可以进行引流板结构的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，a＝0.2634，b＝0.0830。

在数据模拟以及实验中发现，引流板之间的间距必须大于一定距离，否则会导致流体通过上一个引流板引导到对面方向，但是如果引流板之间的间距过小，会导致气体在对面流动，还没充分充满整个管道，此时设置引流板，起不到混合效果，引流板仅仅起到是一个折流板作用，没有引导混合的作用，只能增加流动阻力。因此本申请通过大量的研究，提出了一个引流板最小间距的设计方案，对于此种引流板的设计具有一定的指导意义。

交点23在内壁上的垂点，交点与垂点形成的线是第三线，第一弯曲壁与内壁的连接点与垂点的距离为H，第一线和第三线形成的锐角为A3，交点位置处的第一弯曲壁的切线与出口管的轴线形成的锐角为A4，出口管的内管径为R，距离S采用如下方式设计：

(S/H)>a+b*Ln(T)，(S/R)²>c+d*Ln(T)；

其中T＝sin(A3)/sin(A4)，2.74<a<2.75,17.4<b<17.5，1.998<c<1.999，3.431<d<3.432，

30<A3<70°，20<A4<60°；优选1.07<T<1.30；

作为优选，a＝2.743,b＝17.47,c＝1.9984,d＝0.4316；

本发明通过大量的实验以及数值模拟，得到了引流板最小的设计距离，通过上述设计距离使得阻力降低，同时能够此充分混合。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A2的夹角越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，A2的夹角越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，同一层的引流板与内壁连接的圆弧的总弧度越来越小。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置的流动空间越来越大，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，同一层的引流板与内壁连接的圆弧的总弧度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A1的夹角越来越大。因为随着气体的不断运动，气体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越大以减少尺寸，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着气体的流动方向，沿着气体的流动方向，A1的夹角越来越大的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合气体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

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，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热器包括气体进口和气体出口，气体从气体进口流入，在换热器内与刷换热管内的流体进行换热，然后从气体出口流出，其特征在于，所述气体出口连接出口管，所述出口管内设置从出口管内壁向出口管中心延伸的引流板，所述引流板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向气体流动方向弯曲，第一壁和第二壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的下游，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的下游；其特征在于，沿着气体的流动方向，出口管内壁设置多个引流板，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，沿着气体的流动方向，A4的夹角越来越小的幅度不断增加。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，第一弯曲壁和第二弯曲壁是圆弧，其中第一弯曲壁的圆弧直径小于第二弯曲壁的圆弧直径。

4.一种管壳式换热器，所述换热器包括上下集箱以及设置在上下集箱之间的换热管；所述换热器包括气体进口和气体出口，气体从气体进口流入，在换热器内与刷换热管内的流体进行换热，然后从气体出口流出，其特征在于，所述气体出口连接出口管，所述出口管内设置从出口管内壁向出口管中心延伸的引流板，所述引流板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向气体流动方向弯曲，第一壁和第二壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的下游，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的下游。

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