CN118293717A - 一种k形折流板换热器及其工作方法 - Google Patents

一种k形折流板换热器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种K形折流板换热器及其工作方法，包括壳体内的呈正三角形排布的换热管束；换热管束套设了若干个K形折流板；K形折流板由竖直圆形板和倾斜板组成，且竖直圆形板的中间开设了用于流体通过的缺口，两个倾斜板对称连接在竖直圆形板的缺口处，对缺口形成部分遮挡，倾斜板与竖直圆形板倾斜设置，三者组成侧视投影为K形的阻挡结构；换热时，冷流体通入换热管束，热流体通入壳体，进入壳体中的部分热流体被K形折流板的倾斜板阻挡后绕开流动，其余热流体直接通过K形折流板的竖直圆形板中间的缺口；所有流体直至通过最后一个K形折流板后流出换热器，完成热流体与冷流体之间的换热；在传热速率，总传热系数，以及压降三方面均有优化。

Description

一种K形折流板换热器及其工作方法
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种管壳式换热器，尤其涉及一种K形折流板换热器及其工作方法。
背景技术
换热器是实现工质间热量传热的工业设备，在石油、电力等多种行业应用普遍。提高工作效率、提高能源利用率、减小尺寸以及提高使用寿命等优化设计可以更好的满足换热器在工业发展中的需要。换热器根据适用工况、流动介质的不同可以分为多种类别，其中管壳式换热器应用最为广泛。
管壳式换热器以其独特的结构和工作原理，在热交换领域发挥着重要的作用，是工业生产中不可或缺的重要设备之一。管壳式换热器的壳体一般为圆柱形空心筒，换热管束置于壳体内，由管板固定在两端，为提高换热效率壳体中还会安置折流板或折流杆。在换热管束内流动的流体称之为管程流体，在壳体、换热管束和折流板的缝隙中流动的流体称之为壳程流体。换热管的排列方式常见的可以分为四种，正三角形排列、转三角形排列、正方形排列、转正方形排列。其中三角形排列可以使得壳程流体易于形成湍流状态，而正方形排列使得壳程易于清洗。
折流板是管壳式换热器内部的关键部件之一，除起到支撑换热管的作用外，折流板还可以将壳程分隔开，使得壳程流体改变流向，增加其湍流程度，多次冲刷换热管束，减小流动死区，从而提高换热器的换热效率。虽然可以通过增加折流板数量来提高换热器换热效率，但是，换热器中折流板过多会导致壳程压降过大，导致换热管束震动损坏，换热器寿命急剧降低。因此，对折流板进行优化设计可以有效地提高换热器的换热效率，增长换热器的使用寿命，提高能源利用率。现有技术中，常见的改善折流板的方法为螺旋式折流板，但是螺旋式折流板不易制造，设计方法未实现标注化，且在换热器中不易安装及更换，在工业应用的过程中存在着诸多困难。如图7所示，当前常用的管壳式换热器为单弓形折流板换热器，由于单弓形折流板换热器的结构特点，会存在以下不足：壳程流体纵向冲刷管束的频率较大、壳程流体速度分布不均，并且对壳程流体扰流较小，导致压降大且总传热系数较低，同时也影响了换热管束工作寿命。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种K形折流板换热器及其工作方法，采用本装置和方法，能够解决现有单弓形折流板换热器压降大且总传热系数较低的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：
一种K形折流板换热器，包括壳体；
所述壳体内设置有呈正三角形排布的换热管束；
所述换热管束轴向上套设有若干个K形折流板；
所述K形折流板包括竖直圆形板和倾斜板；
所述竖直圆形板的中间开设有缺口；
两个所述倾斜板对称连接于所述竖直圆形板的缺口处，并与所述竖直圆形板呈倾斜设置，三者共同组成侧视投影为K形的阻挡结构。
进一步地，所述换热管束轴向上套设有挡板；所述挡板的数量与所述K形折流板相对应，且相邻两个所述挡板由所述K形折流板分隔。
进一步地，以所述壳体的圆柱中心轴作为旋转轴，以所述竖直圆形板的圆心作为中心点，相邻两个所述K形折流板之间形成有旋转角度。
进一步地，每相邻两个所述K形折流板之间的旋转角度为60°。
进一步地，所述倾斜板与所述竖直圆形板的倾斜角度为30°～60°。
进一步地，所述K形折流板的缺口被两个所述倾斜板等分为三部分，其中每部分高度H的计算公式如下：
H＝(N×Pt×sin60°)/5
其中，N为换热管束的排数；Pt为换热管束中相邻两个换热管之间的圆心距。
进一步地，所述倾斜板的长度L的计算公式如下：
L＝H/cosα
其中，α为倾斜板与竖直圆形板的倾斜角度。
进一步地，所述换热器还包括设置于壳体上的管程流体进口接管、管程流体出口接管、壳程流体出口接管和壳程流体进口接管；
所述壳体的一端设有与所述管程流体进口接管相连的进口管箱，另一端设有与所述管程流体出口接管相连的出口管箱；
所述进口管箱和所述出口管箱之间通过所述换热管束连通，用于通入冷流体；
所述壳程流体出口接管和所述壳程流体进口接管设置于所述进口管箱和所述出口管箱之间的所述壳体上，所述壳程流体出口接管、所述壳体内腔以及所述壳程流体进口接管用于通入热流体。
进一步地，所述换热管束的两端分别通过管板与所述进口管箱和所述出口管箱连通。
一种K形折流板换热器的工作方法，基于上述K形折流板换热器，包括：
冷流体通入换热管束，热流体通入壳体；进入壳体中的部分热流体被K形折流板的倾斜板阻挡后绕开流动，其余热流体直接通过K形折流板的竖直圆形板中间的缺口；所有流体直至通过最后一个K形折流板后流出换热器，完成热流体与冷流体之间的换热。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种K形折流板换热器，本换热器包括壳体内设置的呈正三角形排布的换热管束；换热管束套设了若干个K形折流板；K形折流板由竖直圆形板和倾斜板组成，且竖直圆形板的中间开设了用于流体通过的缺口，两个倾斜板对称连接在竖直圆形板的缺口处，对缺口形成部分遮挡，倾斜板与竖直圆形板倾斜设置，三者组成侧视投影为K形的阻挡结构；需要换热时，冷流体通入换热管束，热流体通入壳体，进入壳体中的部分热流体被K形折流板的倾斜板阻挡后绕开流动，其余热流体直接通过K形折流板的竖直圆形板中间的缺口；所有流体直至通过最后一个K形折流板后流出换热器，完成热流体与冷流体之间的换热；在传热速率，总传热系数，以及压降三方面均有优化，使得换热器的设计参数效率评价标准EEC有明显提高；结构简单，容易实现，可以在实际工程中得到应用。
第一，K形折流板由于结构优化，减少了壳程流体纵向冲刷管束的频率，可以提高换热管束工作寿命。
第二，相比于弓形折流板换热器，K形折流板由于结构优化，壳程流体速度分布更加均匀，最大速度降低，使得壳程压降大大减小。
第三，K形折流板由于结构优化，由于倾斜板的阻挡以及竖直圆形板中间缺口的存在，使得壳程流体扰流增大，增强换热效率。
优选地，本发明中，换热管束的轴向上还套设了挡板，挡板的设置能够使得壳程流体扰流进一步增大，从而更加增强了换热效率。
优选地，本发明中，以壳体的圆柱中心轴作为旋转轴，以竖直圆形板的圆心作为中心点，相邻两个K形折流板之间形成了旋转角度，也就是将距离壳体进口接管最近的K形折流板为竖直布置，接下来每布置一个K形折流板就将其旋转一定角度，优选为60°，直到最后一个；采用上述结构设计，能够使得壳程流体速度分布更加均匀，保证了最大速度降得更低，使得壳程压降极大减小。
本发明还提供了一种K形折流板换热器的工作方法，基于上述K形折流板换热器，本方法通过K形折流板的竖直圆形板和倾斜板的配合，对进入壳体中的部分热流体进行阻挡，完成热流体与冷流体之间的换热；采用本方法能够解决现有换流器压降大且总传热系数较低的问题；本方法操作简单且便于实施，换热效果好，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明中实施例1提供的K形折流板换热器的剖面示意图；
图2为本发明中实施例1提供的K形折流板换热器的立体结构示意图；
图3为本发明中实施例1提供的K形折流板的示意图；其中，(a)为立体结构示意图；(b)为正视图；(c)为右视图；
图4为本发明中实施例1提供的中间挡板的示意图；其中，(a)为立体结构示意图；(b)为右视图；
图5为本发明中实施例2提供的另一种K形折流板换热器的立体结构示意图；
图6为本发明中实施例2提供的K形折流板旋转方式的示意图；其中，(a)为立体示意图；(b)为正视图；(c)为右视图；
图7为本发明提供的常用弓形折流板换热器的立体结构示意图；
图8为本发明提供的含挡板的K形折流板换热器壳程流体截面速度云图；
图9为本发明提供的含挡板的K形折流板换热器壳程流体截面压力云图；
图10为本发明提供的含挡板的K形折流板换热器壳程流体截面温度云图；
图11为本发明提供的旋转排列K形折流板换热器壳程流体截面速度云图；
图12为本发明提供的旋转排列K形折流板换热器壳程流体截面压力云图；
图13为本发明提供的旋转排列K形折流板换热器壳程流体截面温度云图；
图14为本发明提供的现有技术中常用弓形折流板换热器壳程流体截面速度云图；
图15为本发明提供的现有技术中常用弓形折流板换热器壳程流体截面压力云图；
图16为本发明提供的现有技术中常用弓形折流板换热器壳程流体截面温度云图。
附图标记：
1-管程流体进口接管，2-管程流体出口接管，3-管壳程流体出口接，4-壳程流体进口接管，5-进口管箱，6-出口管箱，7-K形折流板，7.1-竖直圆形板，7.2-倾斜板，8-挡板，9-壳体，10-换热管束，11-管板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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。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发明中的具体含义。
实施例1
结合背景技术中提到的，现有技术中，常见的改善折流板的方法为螺旋式折流板，但是螺旋式折流板不易制造，设计方法未实现标注化，且在换热器中不易安装及更换，在工业应用的过程中存在着诸多困难。如图7所示，当前常用的管壳式换热器为单弓形折流板换热器，由于单弓形折流板换热器的结构特点，会存在以下不足：壳程流体纵向冲刷管束的频率较大、壳程流体速度分布不均，并且对壳程流体扰流较小，导致压降大且总传热系数较低，同时也影响了换热管束工作寿命。
为了解决上述问题，本发明提供了一种K形折流板换热器及其工作方法，采用本换热器和方法，能够降低压降、提高总传热系数，提高了换热管束的工作寿命。
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种K形折流板换热器，即含挡板的K形折流板换热器，包括进口管箱5、出口管箱6、管板11、壳体9，换热管束10，K形折流板7，以及挡板8。上述壳体9上设有壳程流体的壳程流体进口接管4及壳程流体出口接管3，进口管箱5、出口管箱6分别与管板11和壳体9两端连接成一体，换热管束10的两端分别与进口管箱5、出口管箱6相接的管板11焊接在一起，换热管束10的管程流体进口接管1及管程流体出口接管2分别与进口管箱5及出口管箱6相通。
本实施例中，壳体9内设有若干个K形折流板7和挡板8，K形折流板7包括竖直圆形板7.1和两个对称的倾斜板7.2，K形折流板的倾斜板7.2与竖直圆形板7.1形成一定倾斜角度，K形折流板右视图投影形似字母K，因此，竖直圆形板7.1和两个对称的倾斜板7.2组成了K形阻挡结构。每两个K形折流板7中安置一个挡板8，距离壳程流体出口接管3最近的K形折圆形流板7外安置一个挡板8。
如图3所示，具体如图3中的图(a)、图(b)和图(c)所示，K形折流板7的竖直圆形板7.1和倾斜板7.2，倾斜板7.2通过焊接的方式固定在竖直圆形板7.1上。竖直圆形板7.1中间位置开设一个缺口，被两个倾斜板7.2分为三个部分，每个部分高度均为H，换热管束10为三角形排列，共有N排，H＝(N×Pt×sin60°)/5；Pt为相邻两个换热管之间的圆心距；倾斜板7.2与竖直圆形板7.1形成一个夹角α，且α在30°～60°之间，倾斜板7.2长度为L，L＝H/cosα。如图4所示，具体如图4中的图(a)和图(b)所示，K形折流板7之中的挡板8高度HD在缺口高度H的1.5～2.5倍之间。
如图1至图4所示，本实施例提供的一种K形折流板换热器，壳程流体与管程流体在换热器内进行换热时，可增加壳程流体的湍流程度从而增大换热效率与总传热系数，具体工作原理如下：
采用本实施例提供的K形折流板换热器在进行两换热流体之间的换热时，进口管箱5通入冷流体，冷流体经过进口管箱5通入换热管束10最后通过出口管箱6流出，而热流体通入壳体9上的壳程流体进口接管4，进入壳体9中被K形折流板7所阻挡，部分流体通过K形折流板7的竖直圆形板7.1中间的缺口，被挡板8阻挡后绕开流动，其余部分流体通过K形折流板7竖直圆形板7.1上被倾斜板7.2所遮的缺口，被K形折流板7的倾斜板7.2阻挡后绕开流动，接着流体进入到下一组的K形折流板7和挡板8，直至通过壳体9上的出口接管流出换热器，在此过程中壳程流体与换热管束10进行换热，换热管束10再与冷流体进行换热，达到加热冷流体的目的。
实施例2
如图5所示，本实施例提供了另一种K形折流板换热器，即旋转布置K形折流板换热器，本实施例的基本结构与实施例1相同，区别在于：由于换热管束10为正三角形排布，将每个K形折流板旋转布置，具体如图6中的图(a)、图(b)和图(c)所示，即以壳体9圆柱的中心轴为旋转轴，K形折流板7的竖直圆形板7.1的圆心为中心点，距离壳程流体进口接管4最近的K形折流板7为竖直布置，接下来每布置一个K形折流板7就将其旋转60°，直到最后一个。
本实施例提供的一种K形折流板换热器，具体工作原理如下：
采用旋转布置K形折流板换热器在进行两换热流体之间的换热时，进口管箱5通入冷流体，冷流体经过进口管箱5通入换热管束10最后通过出口管箱6流出，而热流体通入壳体9上的管程流体进口接管1，进入壳体9中被K形折流板7所阻挡，部分流体通过K形折流板7的竖直圆形板7.1上被倾斜板7.2所遮的缺口，被K形折流板7的倾斜板7.2阻挡后绕开流动，其余部分流体直接通过K形折流板7的竖直圆形板7.1中间的缺口，接着所有流体被下一个转置K形折流板7所阻挡，直至通过壳体9上的管程流体出口接管2流出换热器，在此过程中壳程流体与换热管束10进行换热，换热管束10再与冷流体进行换热，达到加热冷流体的目的。
图8到图16为经过计算流体力学的仿真软件所实施例1、实施例2及现有技术中常用的弓形折流板热器在同种工况下的模拟结果云图。表1为倾斜板7.2与竖直圆形板7.1夹角α不同时对应的实施例1、实施例2及弓形折流板热器的数据结果对比。
表1中：
Q＝wcCp(tout-tin)，P＝VΔp。
其中，wc为质量流量，Cp为比热容，A为换热面积，T为冷流体温度，t为热流体温度，ΔTm为平均温差，P为功率消耗，V为体积流量，Δp为壳程压降。
对比图8、图11和图14，可以明显看出，K形折流板换热器中壳程流体流速分布更加均匀，使得换热器壳程流体的压降大大降低，可以从图9、图12和图15以及表1中得到印证。
对比图10、图13和图16，可以明显看出，弓形折流板换热器的壳程流体温度在进入壳体入口后很快降温，而K形折流板换热器壳程流体温度在进入壳体入口后一段距离才明显降温，这使得换热效率提高，能耗降低，可以从表1中得到印证。
对比现有技术中常用的弓形折流板热器，实施例1提及的K形折流板换热器与实施例2提及的K形折流板换热器在换热性能与压降方面均有显著优化，实施例1对比实施例2可以更好的提高总传热系数，但是改善压降方面略差于实施例2。所以在实际应用中可以将实施例1提及的K形折流板换热器应用于压降要求较低，传热要求高的工程中，实施例2提及的K形折流板换热器应用于对压降有要求的工程中。
综上，本发明提供了一种K形折流板换热器，相比现有弓形折流板换热器，具有如下优势：
(A)K形折流板由于结构优化，减少了壳程流体纵向冲刷管束的频率，可以提高换热管束工作寿命。
(B)对比于弓形折流板换热器，K形折流板由于结构优化，壳程流体速度分布更加均匀，最大速度降低，使得壳程压降大大减小，能降降低。
(C)K形折流板由于结构优化，由于有倾斜板的阻挡以及竖直圆形板中间开口的存在，使得壳程流体扰流增大，增强换热效率。
(D)K形折流板由于结构优化，在传热速率，总传热系数，以及压降三方面均有优化，使得换热器的设计参数效率评价标准EEC有明显提高。
(E)K形折流板发明合理，结构简单，容易实现，可以在实际工程中得到应用。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种K形折流板换热器，其特征在于，包括壳体(9)；
所述壳体(9)内设置有呈正三角形排布的换热管束(10)；
所述换热管束(10)轴向上套设有若干个K形折流板(7)；
所述K形折流板(7)包括竖直圆形板(7.1)和倾斜板(7.2)；
所述竖直圆形板(7.1)的中间开设有缺口；
两个所述倾斜板(7.2)对称连接于所述竖直圆形板(7.1)的缺口处，并与所述竖直圆形板(7.1)呈倾斜设置，三者共同组成侧视投影为K形的阻挡结构。
2.根据权利要求1所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述换热管束(10)轴向上套设有挡板(8)；所述挡板(8)的数量与所述K形折流板(7)相对应，且相邻两个所述挡板(8)由所述K形折流板(7)分隔。
3.根据权利要求1所述一种K形折流板换热器，其特征在于，以所述壳体(9)的圆柱中心轴作为旋转轴，以所述竖直圆形板(7.1)的圆心作为中心点，相邻两个所述K形折流板(7)之间形成有旋转角度。
4.根据权利要求3所述一种K形折流板换热器，其特征在于，每相邻两个所述K形折流板(7)之间的旋转角度为60°。
5.根据权利要求1所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述倾斜板(7.2)与所述竖直圆形板(7.1)的倾斜角度为30°～60°。
6.根据权利要求1所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述K形折流板(7)的缺口被两个所述倾斜板(7.2)等分为三部分，其中每部分高度H的计算公式如下：
H＝(N×Pt×sin60°)/5
其中，N为换热管束的排数；Pt为换热管束中相邻两个换热管之间的圆心距。
7.根据权利要求6所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述倾斜板(7.2)的长度L的计算公式如下：
L＝H/cosα
其中，α为倾斜板与竖直圆形板的倾斜角度。
8.根据权利要求1所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述换热器还包括设置于壳体(9)上的管程流体进口接管(1)、管程流体出口接管(2)、壳程流体出口接管(3)和壳程流体进口接管(4)；
所述壳体(9)的一端设有与所述管程流体进口接管(1)相连的进口管箱(5)，另一端设有与所述管程流体出口接管(2)相连的出口管箱(6)；
所述进口管箱(5)和所述出口管箱(6)之间通过所述换热管束(10)连通，用于通入冷流体；
所述壳程流体出口接管(3)和所述壳程流体进口接管(4)设置于所述进口管箱(5)和所述出口管箱(6)之间的所述壳体(9)上，所述壳程流体出口接管(3)、所述壳体(9)内腔以及所述壳程流体进口接管(4)用于通入热流体。
9.根据权利要求8所述一种K形折流板换热器，其特征在于，所述换热管束(10)的两端分别通过管板(11)与所述进口管箱(5)和所述出口管箱(6)连通。
10.一种K形折流板换热器的工作方法，基于权利要求1-9任一项所述K形折流板换热器，其特征在于，包括：
冷流体通入换热管束(10)，热流体通入壳体(9)；进入壳体(9)中的部分热流体被K形折流板(7)的倾斜板(7.2)阻挡后绕开流动，其余热流体直接通过K形折流板(7)的竖直圆形板(7.1)中间的缺口；所有流体直至通过最后一个K形折流板(7)后流出换热器，完成热流体与冷流体之间的换热。
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