CN116007410A - 同步扭曲式一体化套管换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于换热器技术领域，具体涉及一种同步扭曲式一体化套管换热器及其制造方法，换热器包括外管、内管、扰流带；内管穿设于外管内，内管的外径小于外管的内径，外管和内管之间的间隙为用于流通流质的第一流道，内管的管腔为用于流通另一流质的第二流道；扰流带设于第一流道和第二流道内，扰流带用于对流质进行扰动。解决现有技术中存在的现有套管式换热器由于流体参与换热程度较低而造成的换热性能受限的技术问题。

Description

同步扭曲式一体化套管换热器及其制造方法

技术领域

本申请涉及换热器技术领域，更具体地说，是涉及一种同步扭曲式一体化套管换热器及其制造方法。

背景技术

换热器可实现冷热流体之间的热量交换，在石油、化工、能源动力以及航空航天等领域有重要的应用。常见的换热器类型包括：套管式换热器、管壳式换热器以及板式换热器。其中，套管式换热器是结构最为简单、应用较为广泛的换热器类型。

套管式换热器是将两种不同管径的圆管套在一起，形成同心套管，内管通道称为管程，内外管之间的环形间隙称为壳程。冷流体和热流体两种介质分别在管程或壳程内同时流动，从而达到换热的效果。在套管式换热器中，管道一般为光管，管道中心流体或远离热交换面的流体几乎不参与换热，性能受到较大的限制。

发明内容

本申请的目的在于提供一种同步扭曲式一体化套管换热器及其制造方法，解决现有技术中存在的现有套管式换热器由于流体参与换热程度较低而造成的换热性能受限的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

第一方面，提供了一种同步扭曲式一体化套管换热器，包括：

外管；

内管，所述内管穿设于所述外管内，所述内管的外径小于外管的内径，所述外管和内管之间的间隙为用于流通流质的第一流道，所述内管的管腔为用于流通另一流质的第二流道；以及

扰流带，所述扰流带设于所述第一流道和第二流道内，所述扰流带用于对流质进行扰动。

在第一方面的其中一个实施例中，所述扰流带包括设于所述内管中的内扭带，所述内扭带沿着所述内管的长度方向延伸，所述内扭带自身在内管圆周方向上扭曲设置。

在第一方面的其中一个实施例中，所述内扭带在垂直于长度方向的截面为单杆形或多杆形，所述单杆形为一字形，所述多杆形为多条杆同端相连，多条杆沿径向发散且任意两相邻杆之间的夹角相等，所述多杆形的杆数大于两条，所述多条杆的杆长相等。

在第一方面的其中一个实施例中，所述扰流带还包括设于所述第一流道内的条形的外扭带，所述外扭带沿所述内管的长度方向绕内管呈螺旋形式扭曲延伸。

在第一方面的其中一个实施例中，若所述内扭带的所述截面为单杆形，则所述外扭带为两条，两个所述外扭带分别与所述内扭带的两侧扭片在径向方向上对正且同步扭曲；

若所述内扭带的所述截面为多杆形，则所述外扭带的数量与所述内扭带截面的杆数相同，多个所述外扭带分别与所述内扭带的多个扭片在径向方向上一一对正且同步扭曲。

在第一方面的其中一个实施例中，所述内扭带和外扭带的扭曲率相等，所述扭曲率为扭带扭过180度后在轴向上的长度与内管直径的比值。

在第一方面的其中一个实施例中，所述同步扭曲式一体化套管换热器还包括连通第一流道的第一入口段、连通第二流道的第二入口段、连通第一流道另一侧的第一出口段、连通第二流道另一侧的第二出口段，所述第一流道和第二流道内的流质流动方向相反。

在第一方面的其中一个实施例中，

所述第一入口段与第一流道之间、所述第一出口段与第一流道之间均设有第一过渡段；

所述第二入口段与第二流道之间、所述第二出口段与第二流道之间均设有第二过渡段。

第二方面，本申请还提供了一种同步扭曲式一体化套管换热器的制造方法，包括以下步骤：

对换热器进行结构的设计；

确定加工工艺参数，选择金属增材制造技术进行制造，所述金属增材制造技术为激光粉末床熔融技术、电子束粉末床熔融技术、激光沉积制造技术中的一种，所述加工工艺参数包括打印材料、打印方向；

打印完成后进行收尾处理。

在第二方面的其中一个实施例中，对所述换热器的设计为：

设计内管，包括内管的直径、壁厚及长度；

设计内扭带，包括扭带形状、扭曲率；

设计外管，包括外管的直径、壁厚及长度，外管长度与内管长度相等；

设计外扭带，包括扭带形状、扭曲率，外扭带与内扭带的扭曲率相同；

设计第一过渡段和第二过渡段，并将第一过渡段和第二过渡段连接在对应流道处；

设计第一入口段、第一出口段、第二入口段、第二出口段，并连接在对应的过渡段处；

所述打印材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金中的一种或多种；

所述打印方向为所述换热器的轴向；

所述收尾处理包括去除换热器内的粉末、将打印完成的换热器切割取下、螺纹加工。

本申请提供的同步扭曲式一体化套管换热器与现有技术相比，在内管的管腔内即第二流道内和外管与内管之间的间隙内即第一流道内均设有扰流带，这样在流质流经第一流道和第二流道内的时候，会在扰流带的作用下发生扰动，造成剧烈的湍流，从而更多的流质参与热交换，有效地增强热交换效果，提高了换热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的内扭带截面为一字形时的同步扭曲式一体化套管换热器的结构示意图；

图2为图1沿轴向的剖视结构示意图；

图3为图1中外管和内管的内部结构示意图；

图4为图3中C处的放大结构示意图；

图5本申请另一实施例提供的内扭带为三边形时外管和内管的内部结构示意图；

图6为图5中A处的放大结构示意图；

图7本申请又一实施例提供的内扭带为十字形时外管和内管的内部结构示意图；

图8为图7中B处的放大结构示意图；

图9为本申请实施例提供的同步扭曲式一体化套管换热器的制造方法流程图。

图中，1、外管；2、内管；3、外扭带；4、内扭带；5、第一入口段；6、第二入口段；7、第一出口段；8、第二出口段；9、第一过渡段；10、第二过渡段。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1和图2，本申请提供了一种同步扭曲式一体化套管换热器的具体实施例，本实施例的换热器包括外管1、内管2、扰流带。

本实施例中的外管1位于外部，内管2穿设在外管1内。

内管2的外径小于外管1的内径，外管1和内管2之间的间隙为用于流通流质的第一流道，内管2的管腔为用于流通另一流质的第二流道。

具体地，两个流道内的流质为具有温差的流质，第一流道可为热流质，第二流道可为冷流质，在两者流动的过程中，通过内管2的管壁进行热交换，实现换热的效果。两种流质的流动方向相反，加强换热效果。

本实施例中的扰流带设于第一流道和第二流道内，扰流带用于对流质进行扰动。

具体地，当流质在流道内流动的时候，碰撞在扰流带上，会发生扰动，从而使流质都能够接触到内管2的管壁，增强换热的效果。

本实施例提供的换热器相对于现有技术来说，在内管2的管腔内即第二流道内和外管1与内管2之间的间隙内即第一流道内均设有扰流带，这样在流质流经第一流道和第二流道内的时候，会在扰流带的作用下发生扰动，造成剧烈的湍流，从而更多的流质参与热交换，有效地增强热交换效果，提高了换热性能。

如图2和图3，在本实施例中，扰流带至少包括设置在内管2中的内扭带4，用于对内管2中的流质进行扰动，内扭带4沿着所述内管2的长度方向延伸，所述内扭带4自身在内管2圆周方向上扭曲设置。

内扭带4的结构具体是这样的，内扭带4呈条形，长度可与内管2长度相等，内扭带4自身旋转扭曲，形成扭曲状设于内管2中，内扭带4旋转的外侧边缘可抵接内管2的内壁，形成扭曲状态的内扭带4在内管2中流质流动的时候，可以对流质产生一定的扰动，不仅轴向流动，还会产生径向流动和涡流，造成剧烈的湍流，从而有效增强导热。

本申请提供的内扭带4的具体结构可以是这样的，内扭带4呈长条形，内扭带4在垂直于长度方向的截面为单杆形或多杆形，单杆形为一字形，多杆形为多条杆同端相连，多条杆在同一平面内沿径向发散且任意两相邻杆之间的夹角相等，多杆形的杆数大于两条，多条杆的杆长相等。

如图3和图4，本实施例中，内扭带4的截面可以为单杆形，即一字形，内扭带4舒展时为长条状的矩形形状。

内扭带4的截面还可以为多杆形，也就是具有多条杆，多条杆的排布形式为，多条杆在同一平面上，多条杆的一端相连在一起，另一端沿径向发散，并且在圆周方向间隔均匀分布，也就是任意两相邻杆之间的夹角相等。

需要说明的是，单杆形其实也可以理解为具有两条杆，两条杆同端相连，另一端发散，两条杆之间的夹角为180度。

具体地，多杆形的杆体数量大于两条。

如图5和图6，在另一实施例中，杆体数量可以为三条，形成三边形。

如图7和图8，在又一实施例中杆体数量还可以为四条，形成十字形。

所以本申请提供的内扭带4可以为一字形、三边形或者十字形，杆体数量还可以多于四条，形成多边形。

截面为多杆形的时候，每条杆相当于对应为一个扭片，一字形的内扭带4相当于具有两个扭片。

这样当内扭带4绕自身进行转动扭曲的时候，每个扭片对应进行扭曲，形成螺旋状分布延伸，流质则在两个扭片之间进行流动，沿螺旋轨迹流动，相当于既有轴向流动又有径向流动，能够发生较好的扰动作用，加强了导热效果。

而内扭带4的扭片数量越多，则流质越分散，被分割的越多，换热效果也就越好。

如图3和图4，进一步地，本实施例除了包括内扭带4之外，还包括外扭带3，外扭带3是设置在第一流道内的，扰流带还包括设于所述第一流道内的条形的外扭带3，所述外扭带3沿所述内管2的长度方向绕内管2呈螺旋形式延伸。

具体地，外扭带3的截面可以为一字形，外扭带3是这样设置的，外扭带3缠绕在内管2外壁上，呈螺旋形式缠绕，且沿着内管2的长度方向延伸，外扭带3的两侧可分别抵接内管2的外壁和外管1的内壁。

本实施方式提供了外扭带3，外扭带3对处于第一流道内的流动进行了扰动，从而实现了第一流道内的流质交替接触内管2外壁，具有更优异的换热效果。

需要说明的是内管2、外管1、内扭带4、外扭带3为一体式结构，无需焊接或其它连接，密封性好，工作可靠性更高。

本申请还采用外扭带3和内扭带4同步扭曲的形式，能够进一步地加强换热效果，为了实现同步扭曲，本申请中的外扭带3和内扭带4是这样对应设置的：

在本实施例中，如图3和图4，内扭带4的截面为单杆形，则外扭带3为两条，两个外扭带3分别与内扭带4的两侧扭片在径向方向上对正且同步扭曲。

在另两个实施例中，如图5和图6为三边形，如图7和图8为十字形，内扭带4的截面为多杆形，则外扭带3的数量与内扭带4截面的杆数相同，多个外扭带3分别与内扭带4的多个扭片在径向方向上一一对正且同步扭曲。

具体地，如图3和图4，当内扭带4的截面为单杆形的时候，当其扭曲的时候，则内扭带4的两侧分别扭曲，此时相当于形成了两个扭片，所以对应的外扭带3设置两条，分别于两个扭片相对应，外扭带3与扭片在径向方向上相对正，且同步延伸扭曲。

如图5和图6，如图7和图8，当内扭带4的截面为多杆形的时候，则内扭带4具有多个扭片，多个扭片同时扭曲，而此时则设置外扭带3的数量与扭片的数量相同，且与扭片一一对应设置，也就是与扭片在径向方向上一一对正，且同步扭曲延伸。

这样设置的效果在于，内管2中的流质在两个扭片之间流动，外管1与内管2间隙内的流质在两个外扭带3之间流动，流质与流质之间相当于在径向方向上相互对正，且流动轨迹相同，实现了充分接触，且在沿着螺旋轨迹运动过程中，能够实现扰动，造成湍流，增强换热效果。

进一步地，所述内扭带4和外扭带3的扭曲率相等，所述扭曲率为扭带扭过180度后在轴向上的长度与内管2直径的比值。

扭曲率相等，则实现了两个扭带的同步扭曲，内外流质之间同步流动，充分接触换热。

如图1和图2，本实施例的换热器除了包括内扭带4、外扭带3、内管2和外管1之外，还包括连通第一流道的第一入口段5、连通第二流道的第二入口段6、连通第一流道另一侧的第一出口段7、连通第二流道另一侧的第二出口段8，第一流道和第二流道内的流质流动方向相反。

具体地，第一流道的第一入口段5位于第一流道的一端，第一流道的第一出口段7位于第一流道的另一端，第二流道的第二入口段6位于第二流道的一端，第二流道的第二出口段8位于第二流道的另一端。且第一入口段5和第二入口段6分别位于不同的两端，第一出口段7和第二出口段8分别位于不同的两端，这样实现了流质的对向流动，不断的变换换热的流质，增加换热效率。

本实施例还提供了，第一入口段5与第一流道之间、所述第一出口段7与第一流道之间均设有第一过渡段9；

第二入口段6与第二流道之间、所述第二出口段8与第二流道之间均设有第二过渡段10。

具体地，入口段和出口段分别通过过渡段连接在流道上，易于入口段和出口段的设置，也有利于对入口段和出口段开口方向的把控，通过过渡段进行转向，避免位于同侧的入口段和出口段发生干扰，因为两个流道是同轴设置的。

具体地可以这样设置，以第一入口段5和第二出口段8为例，第一入口段5连接第一过渡段9，第一过渡段9连接外管1一端，第二过渡段10连接内管2一端且穿过第一过渡段9之后连接第二出口段8，这样实现了两个流道以及出入口的相对独立，彼此不连通，且过渡段能够进行偏转，使得第一入口段5和第二出口段8能够并排设置且不发生干扰。

本申请提供的换热器的效果，通过计算流体力学进行了验证，换热器的换热量定义为:

Q＝C_ρq_m(T_out-T_in)

其中C_ρ是流体比热容，q_m是流体的质量流流速，T_out、T_in分别为流体的出口温度和入口温度。

换热器的总体换热系数定义为：

h＝Q/AΔt_m；

其中A为流体的换热面积，Δt_m为平均温差。

给定冷流体的入口温度为25℃，热流体的入口温度为80℃，冷、热流体的质量流速均为1200ml/min。

下表1给出了在上述的几何结构和流动条件下，同步扭曲式换热器的换热强化计算结果

可见，在流体入口温度相同和量流速相同的情况下，同步扭曲式换热器的换热量和换热系数均大于光管套管式换热器。

本申请还提供了一种同步扭曲式一体化套管换热器的制造方法的具体实施例，包括以下步骤：

对换热器的进行结构的设计；

确定加工工艺参数，选择金属增材制造技术进行制造，所述金属增材制造技术为激光粉末床熔融技术、电子束粉末床熔融技术、激光沉积制造技术中的一种，所述加工工艺参数包括打印材料、打印方向；

打印完成后进行收尾处理。

本实施例中可通过计算机辅助建模软件作为设计工具对换热器的各部分结构进行设计。

本实施例所提出的换热器为一体化结构，使用金属增材制造技术将内管2、外管1、内扭带4、外扭带3、过渡段和出入口段一次性整体制造出来，无需任何焊接或其它连接，密封性好、工作可靠性更高。

如图9，在本实施例中，对所述换热器的设计具体包括：

设计内管2，包括内管2的直径、壁厚及长度，根据需求确定上述参数；

设计内扭带4，包括扭带形状、扭曲率，具体可为上述的一字形、三边形、十字形或者多边形；

设计外管1，包括外管1的直径、壁厚及长度，外管1长度与内管2长度相等；

设计外扭带3，包括扭带形状、扭曲率，外扭带3与内扭带4的扭曲率相同；

设计第一过渡段9和第二过渡段10，并将第一过渡段9和第二过渡段10连接在对应流道处；

设计第一入口段5、第一出口段7、第二入口段6、第二出口段8，并连接在对应的过渡段处，完成同步扭曲式式一体化套管换热器的设计。

如图9，完成设计之后然后对换热器进行制造，可以采用金属增材制造技术，具体可以为激光粉末床熔融技术、电子束粉末床熔融技术、激光沉积制造技术中的一种。

本实施例中，打印材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金中的一种或多种；打印方向为所述换热器的轴向。

打印后处理，即收尾处理，包括去除换热器内的粉末、将打印完成的换热器切割取下、或者为螺纹加工，具体为加工入口段和出口段内壁处的内螺纹，以便和流质提供设备连接。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，包括：

外管；

内管，所述内管穿设于所述外管内，所述内管的外径小于外管的内径，所述外管和内管之间的间隙为用于流通流质的第一流道，所述内管的管腔为用于流通另一流质的第二流道；以及

扰流带，所述扰流带设于所述第一流道和第二流道内，所述扰流带用于对流质进行扰动。

2.如权利要求1所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，所述扰流带包括设于所述内管中的内扭带，所述内扭带沿着所述内管的长度方向延伸，所述内扭带自身在内管圆周方向上扭曲设置。

3.如权利要求2所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，所述内扭带在垂直于长度方向的截面为单杆形或多杆形，所述单杆形为一字形，所述多杆形为多条杆同端相连，多条杆沿径向发散且任意两相邻杆之间的夹角相等，所述多杆形的杆数大于两条，所述多条杆的杆长相等。

4.如权利要求3所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，所述扰流带还包括设于所述第一流道内的条形的外扭带，所述外扭带沿所述内管的长度方向绕内管呈螺旋形式延伸。

5.如权利要求4所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，

若所述内扭带的所述截面为单杆形，则所述外扭带为两条，两个所述外扭带分别与所述内扭带的两侧扭片在径向方向上对正且同步扭曲；

若所述内扭带的所述截面为多杆形，则所述外扭带的数量与所述内扭带截面的杆数相同，多个所述外扭带分别与所述内扭带的多个扭片在径向方向上一一对正且同步扭曲。

6.如权利要求1-4任一项所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，所述内扭带和外扭带的扭曲率相等，所述扭曲率为扭带扭过180度后在轴向上的长度与内管直径的比值。

7.如权利要求1-4任一项所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，所述同步扭曲式一体化套管换热器还包括连通第一流道的第一入口段、连通第二流道的第二入口段、连通第一流道另一侧的第一出口段、连通第二流道另一侧的第二出口段，所述第一流道和第二流道内的流质流动方向相反。

8.如权利要求7所述的同步扭曲式一体化套管换热器，其特征在于，

所述第一入口段与第一流道之间、所述第一出口段与第一流道之间均设有第一过渡段；

所述第二入口段与第二流道之间、所述第二出口段与第二流道之间均设有第二过渡段。

9.一种同步扭曲式一体化套管换热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

对换热器进行结构的设计；

确定加工工艺参数，选择金属增材制造技术进行制造，所述金属增材制造技术为激光粉末床熔融技术、电子束粉末床熔融技术、激光沉积制造技术中的一种，所述加工工艺参数包括打印材料、打印方向；

打印完成后进行收尾处理。

10.如权利要求9所述的同步扭曲式一体化套管换热器的制造方法，其特征在于，对所述换热器的设计为：

设计内管，包括内管的直径、壁厚及长度；

设计内扭带，包括扭带形状、扭曲率；

设计外管，包括外管的直径、壁厚及长度，外管长度与内管长度相等；

设计外扭带，包括扭带形状、扭曲率，外扭带与内扭带的扭曲率相同；

设计第一过渡段和第二过渡段，并将第一过渡段和第二过渡段连接在对应流道处；

设计第一入口段、第一出口段、第二入口段、第二出口段，并连接在对应的过渡段处；

所述打印材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金中的一种或多种；

所述打印方向为所述换热器的轴向；

所述收尾处理包括去除换热器内的粉末、将打印完成的换热器切割取下、螺纹加工。

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