CN114963802A - 管壳式换热器用曲面折流板组件和管壳式换热器 - Google Patents

管壳式换热器用曲面折流板组件和管壳式换热器 Download PDF

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Abstract

本发明的管壳式换热器用曲面折流板组件，包括呈曲面状正六边形结构的第一曲面折流板和呈曲面状圆盘形结构的第二曲面折流板；所述第一曲面折流板的曲面内凹侧与第二曲面折流板的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板上设有供换热管穿过的管孔，其中部设有供壳程流体流过的流通缺口；所述第一曲面折流板的面积较第二曲面折流板的面积小。本申请的曲面折流板组件通过弧度相反的两个曲面折流板的相互配合，可以改善壳程流体的流速分布，增大壳程流体的有效流通面积，增加壳程流体流动的时间，提高传热效率；同时可以减小壳程流体对折流板的冲击力，降低壳程压降。对应的，本申请还提供了装配有该曲面折流板组件的管壳式换热器。

Description

管壳式换热器用曲面折流板组件和管壳式换热器
技术领域
本发明涉及管壳式换热器技术领域，具体涉及管壳式换热器用曲面折流板组件和管壳式换热器。
背景技术
管壳式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器；其用于将两种流体进行热量转换，一般适用于炼油、化工和电力等行业。管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成；其中，折流板是管壳式换热器的关键部件，折流板既可以起到支撑传热管束的作用，还可以分隔壳程空间，引导流体走向，迫使流体在壳程内按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度，提高壳程流体速度，从而提高传热系数。
现有的管壳式换热器折流板的类型有弓形、圆环形、螺旋形和类梯形等。当前应用较多的为单弓形和螺旋形。单弓形折流板通常为平板式，即将圆形的平板截成缺口弓形，沿着传热管束的轴线方向间隔布置，并且相邻两个折流板的缺口相互错开，使壳程流体在壳体内沿轴线形成迂回流动。但是，这种单弓形折流板引起的压力损失较大，且存在流动死区，传热效率低。螺旋形折流板是将多块折流板沿壳体轴线布置成近似螺旋面，使管壳式换热器的壳程流体呈螺旋状连续流动。虽然与单弓形折流板相比，螺旋折流板的流动阻力较小、流通面积较大，但是其安装困难，加工成本高，产品精度难以保证，不利于工业化生产。
发明内容
本申请的目的在于提供一种管壳式换热器用曲面折流板组件，用以克服现有技术中存在的上述问题。本申请的管壳式换热器用曲面折流板组件通过弧度相反的两个曲面折流板的相互配合，可以改善壳程流体的流速分布，增大壳程流体的有效流通面积，增加壳程流体流动的时间，提高传热效率；而且其将折流板设计成曲面结构，减小了壳程流体对折流板的冲击力，降低了壳程压降。对应的，本申请还提供了采用本申请的曲面折流板组件的管壳式换热器。
对于折流板组件而言，本申请的技术方案为：
管壳式换热器用曲面折流板组件，包括配合使用的第一曲面折流板和第二曲面折流板；所述第一曲面折流板为曲面状正六边形结构，所述第二曲面折流板为曲面状圆环形结构；所述第一曲面折流板的曲面内凹侧与所述第二曲面折流板的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板上设有供换热管穿过的管孔；所述第二曲面折流板的中部设有供壳程流体流过的流通缺口；所述第一曲面折流板的面积较所述第二曲面折流板的面积小。
与现有技术相比，本申请的管壳式换热器用曲面折流板组件包括两个弧度相反的曲面折流板，当壳程流体经过第一曲面折流板时，在弧度的作用下，壳程流体会向四周扩散，并流向第二曲面折流板，由于第二曲面折流板的弧度与第一曲面折流板的弧度相反，壳程流体会顺着第二曲面折流板的板面向中间挤压，然后从中部的流通缺口流出，从而改变了壳程流体的流动方向，以此来促进换热；此外，将第一曲面折流板设计成六边形，使得阻挡壳程流体的面积较大。将多组本申请的曲面折流板组件间隔安装于管壳式换热器内部后，当壳程流体流过时，通过第一、第二曲面折流板的相互配合，使得壳程流体先扩张流动，再收缩流动，以此循环，从而改善了壳程流体的流速分布，增大了壳程流体的有效流通面积，增加了壳程流体流动的时间，提高了传热效率；而且折流板组件呈曲面结构，且折弯方向相反，还能够减小壳程流体对折流板的冲击力，降低壳程压降，同时提高传热系数。
作为优化，前述的管壳式换热器用曲面折流板组件中，所述流通缺口呈正六边形，并与第一曲面折流板相对设置；所述第一曲面折流板的面积与所述流通缺口的面积相同。由此，在制造第一曲面折流板和第二曲面折流板时，可以将整块曲面状圆盘形板的中间部分挖出一个正六边形，作为第一曲面折流板，剩下的部分作为第二曲面折流板，从而大大节约了材料成本，而且加工制造简单，便于批量生产。
进一步的，所述第一曲面折流板的面积可以为第二曲面折流板面积的1/4。
作为优化，前述的管壳式换热器用曲面折流板组件中，所述第一曲面折流板和第二曲面折流板的曲率可以为1.4D～1.6D，D为换热器壳体的内径。折流板的弧度过大或者过小，都会影响其传热系数和压力降，从而影响管壳式换热器的换热性能；经过发明人不断的仿真计算后发现，当折流板的曲率设计为1.4D～1.6D时，将其应用到管壳式换热器上后，换热器的综合性能较好。
作为优化，前述的管壳式换热器用曲面折流板组件中，所述第一曲面折流板上设有用于与管壳式换热器的壳体相固定的连接件。由此，在安装第一曲面折流板时，只需要将连接件焊接到管壳式换热器的壳体上即可，不需要再配备其他的零件，安装更加容易。
对于管壳式换热器而言，本申请的技术方案为：
管壳式换热器，包括壳体；所述壳体的两端分别固定有一管板；所述壳体的内部设有多根换热管；所述换热管的两端分别与管板相连；所述壳体的侧面分别开设有壳程流体进口和壳程流体出口；所述换热管上沿轴线方向间隔设有多组曲面折流板组件，所述曲面折流板组件包括第一曲面折流板和第二曲面折流板；所述第一曲面折流板为曲面状正六边形结构，所述第二曲面折流板为曲面状圆环形结构；所述第一曲面折流板的曲面内凹侧与第二曲面折流板的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板的中部设有供壳程流体流过的流通缺口；所述第一曲面折流板的面积较所述第二曲面折流板的面积小；所述换热管穿过第二曲面折流板上的管孔；所述第一曲面折流板通过连接件与壳体的内壁固定；所述第二曲面折流板的圆周边沿与壳体的内壁固定。
与现有技术相比，本申请的管壳式换热器通过在换热管上设置多组曲面折流板组件，当壳程流体流过时，通过第一、第二曲面折流板的相互配合，使得壳程流体先扩张流动，再收缩流动，以此循环，从而改善了壳程流体的流速分布，增大了壳程流体的有效流通面积，增加了壳程流体流动的时间，提高了传热效率；而且折流板呈曲面结构，还能够减小壳程流体对折流板的冲击力，降低壳程压降。经过数值模拟计算，本申请的管壳式换热器的壳程压降降低了10％左右，综合传热性能提高了7％-13％。
作为优化，前述的管壳式换热器中，所述流通缺口呈正六边形，并与第一曲面折流板相对设置；所述第一曲面折流板的面积与所述流通缺口的面积相同；所述第一曲面折流板的面积可以为第二曲面折流板面积的1/4。
作为优化，前述的管壳式换热器中，所述第一曲面折流板和第二曲面折流板的曲率可以为1.4D～1.6D，D为换热器壳体的内径。经过发明人不断的仿真计算后发现，当折流板的曲率设计为1.4D～1.6D后，管壳式换热器的综合性能较好。
进一步的，所述第一曲面折流板和第二曲面折流板之间的间距可以为壳体内径的50％-100％。
作为优化，前述的管壳式换热器中，所述连接件为片钢，所述第一曲面折流板的两端分别设有两块片钢，两端的片钢对称设置。由此，当第一曲面折流板受到壳程流体的冲击时，其受力均匀，从而保证了第一曲面折流板在使用过程中的稳定性。
进一步的，所述片钢与壳体的内壁通过焊接连接，所述第二曲面折流板的圆周边沿与壳体的内壁通过焊接连接。由此，可以保证第一曲面折流板和第二曲面折流板与壳体的连接牢固度，而且加工简单。
附图说明
图1是本申请实施例中的管壳式换热器的轴向剖视图；
图2是本申请实施例中的管壳式换热器用曲面折流板组件的示意图。
附图中的标记为：1-第一曲面折流板；2-第二曲面折流板，201-管孔，202-流通缺口；3-连接件；4-壳体；5-管板；6-换热管；7-壳程流体进口；8-壳程流体出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的说明，但并不作为对本申请限制的依据。
参见图2，本申请的管壳式换热器用曲面折流板组件，包括配合使用的第一曲面折流板1和第二曲面折流板2；所述第一曲面折流板1为曲面状正六边形结构，所述第二曲面折流板2为曲面状圆盘形结构；所述第一曲面折流板1的曲面内凹侧与所述第二曲面折流板2的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板2上设有供换热管6穿过的管孔201；所述第二曲面折流板2的中部设有供壳程流体流过的流通缺口202；所述第一曲面折流板1的面积较所述第二曲面折流板2的面积小。
实施例：
本实施例中，所述流通缺口202呈正六边形，并与第一曲面折流板1相对设置；所述第一曲面折流板1的面积与所述流通缺口202的面积相同。由此，在制造第一曲面折流板1和第二曲面折流板2时，可以将一整块曲面状圆盘形板的中间部分挖出一个正六边形，作为第一曲面折流板1，剩下的部分作为第二曲面折流板2，从而大大节约了材料成本，而且加工制造简单，便于批量生产。
进一步的，所述第一曲面折流板1的面积为8500mm2，所述第二曲面折流板2的面积为34255mm2。
本实施例中，所述第一曲面折流板1和第二曲面折流板2的曲率为1.5D，D为换热器壳体4的内径。按照1.1D，1.2D，1.3D(D为换热器壳体4的内径)的等差数列递增建立不同曲率下的曲面折流板模型，再通过流体仿真，得到不同模型的压力降与传热系数，通过比较，曲率在1.5D时的压力降低，传热系数高，综合性能好。
本实施例中，所述第一曲面折流板1上设有用于与管壳式换热器的壳体4相固定的连接件3。由此，在安装第一曲面折流板1时，只需要将连接件3焊接到管壳式换热器的壳体4上即可，就不需要再使用另外的零件了，安装更加方便。
作为本申请的管壳式换热器用曲面折流板组件的一个具体应用：
参见图1和图2，管壳式换热器，包括壳体4；所述壳体4的两端分别固定有一管板5；所述壳体4的内部设有多根换热管6(多根换热管6相互平行设置)；所述换热管6的两端分别与管板5相连；所述壳体4的侧面分别开设有壳程流体进口7和壳程流体出口8；所述换热管6上沿轴线方向间隔设有多组曲面折流板组件(所述第一曲面折流板1与第二曲面折流板2同轴设置，垂直于换热管6的轴线，并且沿换热管6的轴线方向平行均匀分布)；所述曲面折流板组件为前述的本申请中的管壳式换热器用曲面折流板组件；所述换热管6穿过第二曲面折流板2上的管孔201；所述第一曲面折流板1通过固定组件3与壳体4的内壁固定；所述第二曲面折流板2的圆周边沿与壳体4的内壁固定(第二曲面折流板2的外径与壳体4的内径一致)。所述第一曲面折流板1的曲面外凸侧朝向壳程流体进口7的一端，所述第二曲面折流板2的曲面内凹侧朝向壳程流体进口7的一端。
作为管壳式换热器的一个具体实施例：
本实施例中，所述第一曲面折流板1和第二曲面折流板2之间的间距为壳体4内径的60％。具体的折流板之间的间距根据实际工况选取，选取标准与单弓形折流板换热器的板间距的选择标准相同。
本实施例中，相邻两个第二曲面折流板2之间的间距为1.2D，其中，D为换热器壳体4的内径。两个第一曲面折流板1之间的间距也为1.2D。
本实施例中，所述连接件3为片钢，所述第一曲面折流板1的两端分别设有两块片钢。由此，当第一曲面折流板1受到壳程流体的冲击时，其受力均匀，从而保证了第一曲面折流板1在使用过程中的稳定性。进一步的，所述片钢与壳体4的内壁通过焊接连接，所述第二曲面折流板2的圆周边沿与壳体4的内壁通过焊接连接。由此，可以保证第一曲面折流板1和第二曲面折流板2与壳体4的连接牢固度，而且加工简单。
本申请的管壳式换热器使用时，壳程流体从壳程流体进口7进入壳体4的内部，并对换热管6内的冷流体进行加热，最后通过壳程流体出口8排出。当壳程流体经过第一曲面折流板1时，中间部位的壳程流体被第一曲面折流板1挡住，只能从第一曲面折流板1的四周扩散流过，形成扩张流；当壳程流体经过第二曲面折流板2时，外围的流体被第二曲面折流板2挡住，壳程流体只能顺着第二曲面折流板2的板面向中间挤压，从中间部位的流通缺口202流过，形成收缩流；第一曲面折流板1和第二曲面折流板2呈间隔交错布置，使得壳程流体形成周期性的收缩和扩张流动，改善了壳程流体的流速分布。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。

Claims (10)

1.管壳式换热器用曲面折流板组件，其特征在于：包括配合使用的第一曲面折流板(1)和第二曲面折流板(2)；所述第一曲面折流板(1)为曲面状正六边形结构，所述第二曲面折流板(2)为曲面状圆环形结构；所述第一曲面折流板(1)的曲面内凹侧与所述第二曲面折流板(2)的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板(2)上设有供换热管(6)穿过的管孔(201)；所述第二曲面折流板(2)的中部设有供壳程流体流过的流通缺口(202)；所述第一曲面折流板(1)的面积较所述第二曲面折流板(2)的面积小。
2.根据权利要求1所述的管壳式换热器用曲面折流板组件，其特征在于：所述流通缺口(202)呈正六边形，并与第一曲面折流板(1)相对设置；所述第一曲面折流板(1)的面积与所述流通缺口(202)的面积相同。
3.根据权利要求1所述的管壳式换热器用曲面折流板组件，其特征在于：所述第一曲面折流板(1)和第二曲面折流板(2)的曲率为1.5D，D为换热器壳体(4)的内径。
4.根据权利要求1所述的管壳式换热器用曲面折流板组件，其特征在于：所述第一曲面折流板(1)上设有用于与管壳式换热器的壳体(4)相固定的连接件(3)。
5.管壳式换热器，包括壳体(4)；所述壳体(4)的两端分别固定有一管板(5)；所述壳体(4)的内部设有多根换热管(6)；所述换热管(6)的两端分别与管板(5)相连；所述壳体(4)的侧面分别开设有壳程流体进口(7)和壳程流体出口(8)；其特征在于：所述换热管(6)上沿轴线方向间隔设有多组曲面折流板组件，所述曲面折流板组件包括第一曲面折流板(1)和第二曲面折流板(2)；所述第一曲面折流板(1)为曲面状正六边形结构，所述第二曲面折流板(2)为曲面状圆环形结构；所述第一曲面折流板(1)的曲面内凹侧与所述第二曲面折流板(2)的曲面内凹侧相对设置；所述第二曲面折流板(2)的中部设有供壳程流体流过的流通缺口(202)；所述第一曲面折流板(1)的面积较所述第二曲面折流板(2)的面积小；所述换热管(6)穿过第二曲面折流板(2)上的管孔(201)；所述第一曲面折流板(1)通过连接件(3)与壳体(4)的内壁固定；所述第二曲面折流板(2)的圆周边沿与壳体(4)的内壁固定。
6.根据权利要求5所述的管壳式换热器，其特征在于：所述流通缺口(202)呈正六边形，并与第一曲面折流板(1)相对设置；所述第一曲面折流板(1)的面积与所述流通缺口(202)的面积相同。
7.根据权利要求6所述的管壳式换热器，其特征在于：所述第一曲面折流板(1)和第二曲面折流板(2)的曲率为1.5D，D为所述壳体(4)的内径。
8.根据权利要求7所述的管壳式换热器，其特征在于：所述第一曲面折流板(1)和第二曲面折流板(2)之间的间距为壳体(4)内径的50％-100％。
9.根据权利要求5所述的管壳式换热器，其特征在于：所述连接件(3)为片钢，所述第一曲面折流板(1)的两端分别设有两块片钢，两端的片钢对称设置。
10.根据权利要求9所述的管壳式换热器，其特征在于：所述片钢与壳体(4)的内壁通过焊接连接，所述第二曲面折流板(2)的圆周边沿与壳体(4)的内壁通过焊接连接。
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