CN114659392B - 一种可拆卸式翅片管换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可拆卸式翅片管换热器，属于换热器领域。壳体尾部结构可以采用盲法兰、封头或平盖，盲法兰与壳体螺栓连接实现固定密封，封头以及平盖则与壳体焊接。芯组利用安装在下封板的滚轮支撑安放在壳体内滑道上，也可以加长活动管板底部直至壳体内表面使芯组得到支撑，实现芯组的可拆卸功能。芯组上下封板以及回程水盖安装具有弹性的密封条，紧贴壳体里的L形挡风板与滑道表面或壳体内表面。翅片采用具有开缝、凹槽、或纵向涡流发生器的组合式强化传热翅片，进一步提高换热器换热性能。该可拆卸式翅片管换热器及其密封方式具有结构紧凑、换热面积大、传热效率高、方便拆卸换洗、便于规模化生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于换热器领域，尤其涉及一种可拆卸式翅片管换热器，可用于余热回收，特别适用于压缩空气余热回收，属于换热设备技术邻域。
背景技术
低品位余热回收作为近几年研究的热点，在“碳达峰、碳中和”的大背景下，显得愈发重要。在工业领域内，对于高、中温余热回收利用，我国取得显著的成果，但与发达国家相比，我国低品位余热回收利用还有一定的差距。气体余热资源的主要来源于烟气、压缩空气等。
低品位余热回收难点在于温差较小，对于压缩空气来说，一般在110-150℃之间，利用该余热将水加热到80-90℃，通常要使用较大的换热面积。对于一般的管壳式换热器，体积会非常大，故采用换热管套外翅片的方式来增加气侧的传热面积，减小换热器体积，提高气侧的传热能力。市面上常见的翅片管换热器大多为方形壳体，承压能力上不如圆形壳体。由于级间压缩空气压力一般在0.2-0.5MPa，方形壳体要通过增加壳体厚度或设置加强筋来保证壳体强度。
翅片管换热器换热管胀接或焊接在管板上，壳体直接焊接在管板上，气侧密封性虽好，但清洗除垢较为困难，而且除垢时一般采用化学清洗，这样严重缩短零部件的使用寿命。个别换热管出现问题，可以进行替换，但密封性能会有所降低。翅片管换热器一般采用方形翅片，整个管束也是长方形的结构，如果用圆形壳体，会面临气侧密封的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于针对上述技术的不足，提供一种可拆卸式翅片管换热器及其密封方式，它具有承压能力好、密封性能好，拆卸方便、维修清洗不影响零部件的使用寿命，适用于低品味余热回收。在芯组周围设置密封条，解决了方形芯组与圆形壳体之间的密封问题；芯组采用组合式强化传热翅片，综合提高换热器的换热性能，适用于高温烟气、压缩空气等余热气体资源的余热回收。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可拆卸式翅片管换热器，包括进出水盖(1)、进出水室(2)、壳体(4)、芯组(3)、支座(6)，所述芯组(3)主要由固定管板(13)、翅片(14)、换热管(15)、上封板(12)、下封板(18)、活动管板(11)、回程水盖(9)、回程水室(10)和均气板(16)组成；所述进出水盖(1)采用双进双出的型式，保证管侧介质进出流动均匀；所述壳体(4)对称开有气体进出口，所述均气板(16)安装在芯组(3)靠近进气口的一侧。所述壳体(4)尾部结构可以采用盲法兰(5)、封头(21)或平盖(24)，盲法兰(5)与壳体(4)螺栓连接实现固定密封，封头(21)以及平盖(24)则与壳体(4)焊接；所述芯组(3)可以利用滚轮(20)支撑安放在壳体内滑道(8)上；或加长活动管板(11)底部直至壳体(4)内表面使芯组(3)得到支撑，同时方便翅片管拆卸；所述固定管板(13)与壳体(4)法兰通过螺栓连接固定密封；所述芯组上封板(12)与下封板(18)通过螺钉将其固定在固定管板(13)与活动管板(11)上，所述上封板(12)与下封板(18)安装具有弹性的H形或Y形密封条(17)，展开紧贴壳体内的L形挡风板(7)与滑道(8)或壳体(4)上下内表面，保证芯组上下气侧区域的密封；所述回程水盖(9)上安装有H形或Y形密封条(17)，展开紧贴壳体尾部处盲法兰(5)、封头(21)内T型挡板(22)或平盖(24)，保证壳体尾部气侧区域的密封；所述换热管(15)、管板以及翅片(14)采用胀接的方式组合安装；所述换热管(15)可采用光管、螺旋槽管或内翅片管高效强化传热管；所述翅片(14)在其套装换热管的圆孔周围冲压若干圆弧型开缝或圆形凹槽；所述翅片(14)在已有开缝或凹槽结构的基础上，在圆孔之间冲压出矩形或梯形开缝或纵向涡流发生器，冲压在圆管尾流区域。
优选的，第一种翅片a，4个圆弧形开缝均匀分布在换热管孔四周，在纵向与横向上孔之间增设矩形开缝；第二种翅片b，4个圆形凹槽均匀分布在换热管孔四周，在纵向与横向上孔之间增设矩形开缝；第三种翅片c，4个圆弧形开缝均匀分布在换热管孔四周，在纵向与横向上孔之间增设矩形小翼。
优选的，所述进出水室(2)与回程水室(10)通过焊接隔条(23)形成多个小水室或直接在加厚的进出水盖(2)和回程水盖(9)上进行铣床加工出多个小水室；为保证管侧流体同侧进同侧出，所述进出水室(2)水室数量要比回程水室(10)水室数量多1个。
优选的，所述进出水盖(1)、进出水室(2)和固定管板(13)三者之间需要垫片密封，垫片截面形状与进出水室(2)截面形状相同，材质为硅橡胶，回程水盖(9)、回程水室(10)和活动管板(11)三者之间同样需要垫片密封，垫片截面形状与回程水室(10)截面形状相同。
优选的，所述密封条为Y形时，所述密封条(17)由两块折弯成L形的钢板夹住并用螺栓连接固定其上，所以上封板(12)、下封板(18)以及回程水盖(9)处的挡板由两块L形钢板组成，回程水盖(9)处的封板通过螺钉将其固定在回程水盖(9)上。
优选的，所述密封条为H形时，所述密封条(17)嵌套在两块焊接成T形的钢板上并用螺栓连接固定其上，所以上封板(12)与下封板(18)是焊接而成的T形钢板，上封板(12)与下封板(18)通过螺钉将其固定在固定管板(13)与活动管板(11)上；而回程水盖(9)处，钢板直接焊接在回程水盖(9)上，所述密封条(17)直接螺栓固定在钢板上。
优选的，所述密封条(17)在芯组(3)安装进壳体(4)里时，会展开贴合在L形挡风板(7)与滑道(8)表面或壳体(4)上下内表面；在芯组安装完成后，所述密封条(17)长度要比固定管板(13)内表面到T形挡板(22)的密封面或盲法兰(5)或平盖(24)的内表面的距离长4-6mm，保证有效密封。
优选的，所述芯组(3)通过滑轮(8)安装进壳体(4)内时，所述下封板(18)焊有支撑角钢(19)，所述支撑角钢(19)上装有滚轮(20)，方便芯组(3)安装拆卸；所述滑道(8)首尾两端焊接钢板密封；所述滑道(8)靠近出气口一侧需要开窗且在所述壳体(4)底部设置排尽口，保证析出水顺利排出。
优选的，所述芯组(3)通过加长活动管板(11)底部安装进壳体(4)内时，活动管板(11)底部与壳体(4)之间增加垫板，防止壳体(4)内表面被损坏。
本发明公开了一种可拆卸式翅片管换热器及其密封方式，主要包括进出水盖、进出水室、壳体、芯组、支座，所述芯组主要由固定管板、翅片、换热管、上封板、下封板、活动管板、回程水室、回程水盖和均气板组成。所述进出水盖采用双进双出的型式，保证管侧介质进出流动均匀；接管通过开孔焊接在进出水盖上。所述壳体对称开有气体进出口，所述均气板安装在芯组靠近进气口的一侧。所述壳体尾部结构可以采用盲法兰、封头以及平盖，盲法兰与壳体螺栓连接实现固定密封，封头以及平盖则与壳体焊接。所述芯组可以利用滚轮支撑安放在壳体内滑道上；也可以加长活动管板底部直至壳体内表面使芯组得到支撑，同时方便翅片管拆卸。
所述进出水盖、进出水室和固定管板三者之间需要垫片密封，垫片截面形状与进出水室截面形状相同，材质为硅橡胶，回程水盖、回程水室和活动管板之间的密封方式与之同理。
所述芯组固定管板与壳体法兰通过螺栓连接固定密封，为保证壳侧气体密封，所述芯组上封板与下封板安装具有弹性的H形或Y形密封条，展开紧贴壳体内的L形挡风板与滑道或壳体上下内表面。所述回程水盖安装有H形或Y形密封条，展开紧贴壳体尾部处盲法兰、封头内T型挡板或平盖，保证壳体尾部气侧区域的密封。
所述密封条为Y形时，所述密封条由两块折弯成L形的钢板夹住并用螺栓连接固定其上，所以上封板、下封板以及回程水盖处的封板由两块L形钢板组成，上封板与下封板通过螺钉将其固定在固定管板与活动管板上，回程水盖处的封板通过螺钉将其固定在回程水盖上。
所述密封条为H形时，所述密封条嵌套在两块焊接成T形的钢板上并用螺栓连接固定其上，所以上封板与下封板是焊接而成的T形钢板，上封板与下封板通过螺钉将其固定在固定管板与活动管板上；而回程水盖处，钢板直接焊接在回程水盖上，所述密封条直接螺栓固定在钢板上。
所述密封条在芯组安装进壳体里时，会展开贴合在L形挡风板与滑道表面或壳体上下内表面；在芯组安装完成后，所述密封条长度要比固定管板内表面到T形挡板的密封面或盲法兰或平盖的内表面的距离长4-6mm，保证有效密封。
所述芯组通过滑轮安装进壳体内时，所述下封板焊有支撑角钢，所述支撑角钢上装有滚轮，方便芯组安装拆卸；所述滑道首尾两端焊接钢板密封；所述滑道靠近出气口一侧需要开窗，保证析出水顺利排出。
所述芯组通过加长活动管板底部安装进壳体内时，活动管板底部与壳体之间增加垫板，防止壳体内表面被损坏；析出水排出口设置在所述壳体最低处偏向气侧出口的方向50-60mm。
所述换热管、管板以及翅片采用胀接的方式组合安装；所述翅片采用有开缝、凹槽或纵向涡流发生器的组合式强化翅片；所述换热管可采用螺旋槽管、内翅片管等高效强化传热管。
所述翅片在其套装换热管的圆孔周围冲压若干圆弧型开缝或圆形凹槽，减薄圆管周围流体的边界层，破环翅片表面流体的边界层，增加二次流，有利于强化传热。在已有开缝或凹槽结构的基础上，在圆孔之间冲压出矩形或梯形开缝或纵向涡流发生器，尤其冲压在圆管尾流区域，有利于加强尾流区域冷热流体的混合，增强换热。
所述翅片材质可以为不锈钢、铝、铜及其合金；所述换热管材质可以为碳钢、不锈钢、铜及其合金等。
本发明与现有技术相比有以下有优点：
1、相较于方形翅片管换热器，承压能力强，密封性能好；
2、可拆卸芯组结构，方便换洗维护，不影响零部件的使用寿命；
3、管束采用组合式强化传热翅片的结构，在翅片表面冲压开缝、凹槽或涡流发生器，大大增加管外的换热面积，有效增加对管外流体的扰动能力：
4、适用于低品位余热气体资源的余热回收应用场合。
综上，本发明采用可拆卸芯组结构，方便芯组换洗和维护；在芯组周围设置密封条，解决了方形芯组与圆形壳体之间的密封问题；芯组采用组合式强化传热翅片，综合提高换热器的换热性能，适用于高温烟气、压缩空气等余热气体资源的余热回收。
附图说明
图1为本发明的装配结构示意图(含盲法兰)
图2为本发明的装配结构示意图(含封头)
图3为本发明的装配结构示意图(含平盖)
图4为本发明进出水室与回程水室结构示意图
图5为本发明的芯组结构示意图(滚轮支撑)
图6为本发明的芯组结构示意图(加长活动管板支撑)
图7为本发明两种上封板结构示意图(含密封条)
图8为本发明芯组上、下两侧壳侧密封局部细节图(有滑道)
图9为本发明芯组上、下两侧壳侧密封局部细节图(无滑道)
图10为本发明回程芯组尾部密封局部细节图
图11为本发明回程水盖结构示意图
图12为本发明芯组翅片管局部结构示意图
图13为本发明三种强化传热翅片结构示意图
图14为三种翅片相较于平直翅片等泵功下PEC与雷诺数Re的关系
图15为三种翅片相较于平直翅片等压降下PEC与雷诺数Re的关系
图16为三种翅片相较于平直翅片等流量下PEC与雷诺数Re的关系
图中：
1——进出水盖 2——进出水室 3——芯组
4——壳体 5——盲法兰 6——支座
7——挡风板 8——滑道 9——回程水盖
10——回程水室 11——活动管板 12——上封板
13——固定管板 14——翅片 15——换热管
16——均气板 17——密封条 18——下封板
19——支撑角钢 20——滚轮 21——封头
22——T形挡板 23——隔条 24——平盖
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案进行更详细的描述。
参考图1-图3、图5、图6，本实施例公开的一种可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：包括进出水盖1、进出水室2、壳体4、芯组3、支座6，所述芯组3主要由固定管板13、翅片14、换热管15、上封板12、下封板18、活动管板11、回程水盖9、回程水室10和均气板16组成。所述进出水盖1采用双进双出的型式，保证管侧介质进出流动均匀。所述壳体4对称开有气体进出口，所述均气板16安装在芯组3靠近进气口的一侧。所述壳体4尾部结构可以采用盲法兰5、封头21或平盖24，盲法兰5与壳体4螺栓连接实现固定密封，封头21以及平盖24则与壳体4焊接。所述上封板12与下封板18通过螺钉将其固定在固定管板13与活动管板11上；回程水盖9处的封板通过焊接或螺钉将其固定在回程水盖9上。在本实施案例中，壳体4尾部结构采用盲法兰5。
参考图4，所述进出水室2与回程水室10通过焊接隔条23形成多个小水室或直接在加厚的进出水盖2和回程水盖9上进行铣床加工出多个小水室；为保证管侧流体同侧进同侧出，所述进出水室2水室数量要比回程水室10水室数量多1个，所述隔条23厚度依据管间距合理选定，该实施案例中横向节距20mm，纵向节距15.5mm，隔条23厚度取5mm。
所述进出水盖1、进出水室2和固定管板13三者之间需要垫片密封，垫片截面形状与进出水室2截面形状相同，回程水盖9、回程水室10和活动管板11三者之间同样需要垫片密封，垫片截面形状与回程水室10截面形状相同。在本实施案例垫片材质选用硅橡胶，硅橡胶相较于石棉垫回弹性较好，密封性能较高。
参考图7(a)，所述密封条为H形时，所述密封条17嵌套在两块焊接成T形的钢板上并用螺栓连接固定其上，所以上封板12与下封板18是焊接而成的T形钢板，所述下封板18同理。参考图7(b)，所述密封条17为Y形时，所述密封条17由两块折弯成L形的钢板夹住并用螺栓连接固定其上，所以上封板12两块L形钢板组成，所述下封板18同理。本实施案例中采用Y形密封垫，相应的上下封板(12、18)由两块折弯成L形的钢板组成。
参考图8，所述芯组3可以利用滚轮20支撑安放在壳体内滑道8上；所述壳体4为圆形筒体，筒体内焊有L形挡风板7和滑道8；所述下封板18焊有支撑角钢19；所述支撑角钢19上装有滚轮20，方便芯组3安装拆卸；所述壳体滑道8两端焊接钢板密封，防止壳侧气体流进滑道内侧。
参考图9，所述芯组3可以加长活动管板11底部直至壳体4内表面使芯组3得到支撑，同时方便翅片管拆卸；所述活动管板11底部与所述壳体4内表面之间设置垫板，防止壳体4内表面被破坏。本实施方案中采用此可拆卸方式。
参考图10，为了保证壳侧气体不经过芯组回程水盖处区域，回程水盖9需要设置密封条17，展开紧贴壳体尾部处盲法兰5；参考图11(a)，所用密封条为H形，封板直接焊接在回程水盖9上，所述密封条17直接螺栓固定在封条上；参考图11(b)，所用密封条为Y形，封板由两块折弯成L形的钢板组成并用螺钉固定在回程水盖9上，所述密封条17直接螺栓固定在封板上。本实施案例中选用Y形密封条17，回程水盖9采用如图11(b)的结构。
参考图12、13，所述换热管15与翅片14采用胀接的方式组合安装；所述翅片14采用有开缝、凹槽或纵向涡流发生器的组合式强化翅片；所述换热管15可采用螺旋槽管、内翅片管等高效强化传热管。所述翅片14提供三种高效强化传热翅片结构。第一种翅片a，4个圆弧形开缝均匀分布在换热管孔四周，在纵向与横向上孔之间增设矩形开缝；第二种翅片b，相较于第一种，将圆弧形开缝改为圆形凹槽；第三种翅片c，相较于第一种，将矩形开缝改为矩形小翼。在本实施方式中，换热管15采用光管，光管与翅片胀接后光管外径与翅片圆孔直径相同，壁厚为0.7mm，其横向管间距为20mm，纵向管间距为15.5mm；三种翅片的圆孔直径10mm，翅片厚度为0.15mm，翅片间距为1.2mm。翅片a在翅片圆孔周围冲压4个圆弧型开缝，均匀分布在管孔四周，开缝宽度为2mm，开缝对应圆弧角度为30°，开缝高度为0.6mm，在圆孔之间的冲压出矩形开缝，开缝宽度为6mm，开缝长度为2mm，开缝高度为0.6mm；翅片b将圆弧形开缝改为圆形凹槽，凹槽直径3mm，槽深0.6mm，距圆孔中心7.5mm；翅片c将矩形开缝改为矩形小翼，小翼宽度为6mm，长度为2mm，翼高为0.6mm。
参考图14、15、16，通过数值计算，利用性能比较指标比较三种翅片与平直翅片管束的综合强化传热效果，性能比较指标的定义式为PEC＝(Nu/Nu0)/(f/f0)a，其中Nu0与f0分别是平直翅片的努塞尔数与阻力系数，a的取值为1/3、1/2、1，分别对应等泵功、等压降、等流量三种性能比较方式。雷诺数的定义式为Re＝Gmax·de/μ，其中Gmax为最窄截面质量流量，de为翅片管当量直径。从图中看出，在雷诺数Re在6000～14000范围内三种翅片相较于平直翅片综合传热效果更好，其中翅片c综合强化传热效果最优。
综上，本发明采用可拆卸芯组结构，方便芯组换洗和维护；在芯组周围设置Y形密封条，解决了方形芯组与圆形壳体之间的密封问题；芯组采用组合式强化传热翅片，有效地减少换热器体积，结构紧凑，换热能力强，减少气侧流动阻力。本发明具有具有承压能力好、密封性能好，拆卸方便、维修清洗不影响零部件的使用寿命等优点，适用于余热回收。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：包括进出水盖（1）、进出水室（2）、壳体（4）、芯组（3）、支座（6），所述芯组（3）主要由固定管板（13）、翅片（14）、换热管（15）、上封板（12）、下封板（18）、活动管板（11）、回程水盖（9）、回程水室（10）和均气板（16）组成；所述进出水盖（1）采用双进双出的型式，保证管侧介质进出流动均匀；所述壳体（4）对称开有气体进出口，所述均气板（16）安装在芯组（3）靠近进气口的一侧，所述壳体（4）尾部结构 采用盲法兰（5）、封头（21）或平盖（24），盲法兰（5）与壳体（4）螺栓连接实现固定密封，封头（21）以及平盖（24）则与壳体（4）焊接；所述芯组（3） 利用滚轮（20）支撑安放在壳体内滑道（8）上，或加长活动管板（11）底部直至壳体（4）内表面使芯组（3）得到支撑，同时方便翅片管拆卸；所述固定管板（13）与壳体（4）法兰通过螺栓连接固定密封;所述芯组上封板（12）与下封板（18）通过螺钉将其固定在固定管板（13）与活动管板（11）上，所述上封板（12）与下封板（18）安装具有弹性的H形或Y形密封条（17），展开紧贴壳体内的L形挡风板（7）与滑道（8）或壳体（4）上下内表面，保证芯组上下气侧区域的密封;所述回程水盖（9）上安装有H形或Y形密封条（17），展开紧贴壳体尾部处盲法兰（5）、封头（21）内T形挡板（22）或平盖（24），保证壳体尾部气侧区域的密封;所述换热管（15）、管板以及翅片（14）采用胀接的方式组合安装；换热管（15）采用光管，光管与翅片胀接后光管外径与翅片圆孔直径相同，壁厚为0.7mm，其横向管间距为20mm，纵向管间距为15.5mm；所述翅片的4个圆弧形开缝均匀分布在换热管孔四周，在纵向与横向上孔之间增设矩形小翼，翅片的圆孔直径10mm，翅片厚度为0.15mm，翅片间距为1.2mm，翅片矩形小翼的宽度为6mm，长度为2mm，翼高为0.6mm。
2.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述进出水室（2）与回程水室（10）通过焊接隔条（23）形成多个小水室或直接在加厚的进出水盖（1）和回程水盖（9）上进行铣床加工出多个小水室；为保证管侧流体同侧进同侧出，所述进出水室（2）水室数量要比回程水室（10）水室数量多1个。
3.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述进出水盖（1）、进出水室（2）和固定管板（13）三者之间需要垫片密封，垫片截面形状与进出水室（2）截面形状相同，材质为硅橡胶，回程水盖（9）、回程水室（10）和活动管板（11）三者之间同样需要垫片密封，垫片截面形状与回程水室（10）截面形状相同。
4.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述密封条为Y形时，所述密封条（17）由两块折弯成L形的钢板夹住并用螺栓连接固定其上，所以上封板（12）、下封板（18）以及回程水盖（9）处的挡板由两块L形钢板组成，回程水盖（9）处的封板通过螺钉将其固定在回程水盖（9）上。
5.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述密封条为H形时，所述密封条（17）嵌套在两块焊接成T形的钢板上并用螺栓连接固定其上，所以上封板（12）与下封板（18）是焊接而成的T形钢板，上封板（12）与下封板（18）通过螺钉将其固定在固定管板（13）与活动管板（11）上；而回程水盖（9）处，钢板直接焊接在回程水盖（9）上，所述密封条（17）直接用螺栓固定在钢板上。
6.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述密封条（17）在芯组（3）安装进壳体（4）里时，会展开贴合在L形挡风板（7）与滑道（8）表面或壳体（4）上下内表面；在芯组安装完成后，所述密封条（17）长度要比固定管板（13）内表面到T形挡板（22）的密封面或盲法兰（5）或平盖（24）的内表面的距离长4-6mm，保证有效密封。
7.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述芯组（3）通过滑道（8）安装进壳体（4）内时，所述下封板（18）焊有支撑角钢（19），所述支撑角钢（19）上装有滚轮（20），方便芯组（3）安装拆卸；所述滑道（8）首尾两端焊接钢板密封；所述滑道（8）靠近出气口一侧需要开窗且在所述壳体（4）底部设置排尽口，保证析出水顺利排出。
8.根据权利要求1所述的可拆卸式翅片管换热器，其特征在于：所述芯组（3）通过加长活动管板（11）底部安装进壳体（4）内时，活动管板（11）底部与壳体（4）之间增加垫板，防止壳体（4）内表面被损坏。
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