CN119713964B - 一种扇形折流板组管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扇形折流板组管壳式冷却器，折流板组包括上下方向布置的上下折流板和左右方向布置的左右折流板，上下折流板和左右折流板间隔一定距离；上下折流板包括沿着管壳中心线上下对称设置的两块扇形折流板，左右折流板包括沿着管壳中心线左右对称设置的扇形折流板；沿着壳程内流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是先是逐渐增加，然后到了一定位置后逐渐减小。本发明根据位置不同，强化不同位置的换热，进一步达到了强化传热的目的。

Description

一种扇形折流板组管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，尤其是涉及一种扇形折流板组管壳式冷却器。

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。

管壳式换热器因其结构简单，承受压力高的特点依然是热交换设备的主流型式。常用的弓形折流板形式虽然加工制造简单，但存在流动死区，流动阻力较大，以及在缺口处管束支撑跨距较大，容易诱导振动破坏等缺点，因而催生许多新的管束支撑方案，螺旋折流板就是其中之一。理论上的螺旋折流板是曲面，难以制作，目前已有1/4椭圆/扇形螺旋折流板改进方案，每层折流板由4片1/4椭圆/扇形折流板组成，头尾相接可组成壳侧螺旋通道。由于管壳式换热器中大量使用的是最为紧凑的正三角形布置的管束，而这就给在1/4椭圆/扇形折流板上进行倾斜管孔的划线定位造成较大的困难，影响了这种类型折流板的普及应用。

传统的壳体通道是由扇形折流板组成，每块扇形折流板和壳体的轴线呈一定角度，从壳体前到壳体后依次对接排列，两块相邻象限的扇形折流板间形成一个“Z”型空间，且折流板与壳体间有一定的间隙(2～3mm)，此种结构的折流板往往会导致流动介质在壳体内壁与折流板边界形成短路分流现象，短路分流减少了螺旋通道介质的流量，弱化了换热，而且还使得壳程流体会对折流板的局部冲刷厉害，长久以来造成金属折流板生锈而影响水质，此外，这种结构的折流板会导致壳程流体在局部位置产生涡流，严重影响换热器的换热效果。

但传统折流板换热器也存在一些不足之处，如流动阻力较大、存在大量流动死区、传热效率低等。因此，在新的节能减排形势下，其发展受到了很大的限制。因此，针对这些不足之处，研发一种结构简单，工艺成熟的折流板和管壳式换热器，使其换热面积和换热效率均能得到有效提高，对工业生产和节能减排都有非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种新式布局的折流板的管壳式换热器，可提高换热器壳程的对流换热系数，从而有效提高传热效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种扇形折流板组管壳式冷却器，所述管壳式换热器包括管壳、换热管、壳程入口接管和壳程出口接管；所述壳程入口接管和壳程出口接管分别位于换热器的两端；所述换热管设置在管壳中，换热管固定连接在管板上；其特征在于，管壳内设置多个扇形折流板组，折流板组包括上下方向布置的上下折流板和左右方向布置的左右折流板，上下折流板和左右折流板间隔一定距离；上下折流板包括沿着管壳中心线上下对称设置的两块扇形折流板，左右折流板包括沿着管壳中心线左右对称设置的扇形折流板；沿着壳程内流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是先是逐渐增加，然后到了一定位置后逐渐减小。

作为改进，所述一定位置是管壳的中间位置。

作为改进，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是逐渐增加的幅度越来越大。

作为改进，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例逐渐减小的幅度越来越小。

作为改进，折流板组扇形夹角是170-190°。

作为改进，折流板组扇形夹角是170-190°。

作为改进，上下折流板的面积与左右折流板的面积比是0.9-1.2。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)本发明沿着流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例变化。使得壳程内的流体在中部逐渐越来越多的向左右方向，也就是上下方向的中间位置靠拢，使得越到管壳长度方向的中间位置，左右位置在的换热管加强换热，遇到管壳的两端，上下位置的换热管加强换热，根据位置不同，强化不同位置的换热，改变了过去单一的换热方式，强化了不同位置的换热效率，使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

2)通过折流板间距变化，使得折流板中的管程流体与壳程流体的换热面积也发生变化，因此通过面积变化补偿换热量的不均匀，从而达到进一步提高换热效率。

附图说明

图1是本发明设置的折流板组的管壳式换热器的换热管结构示意图。

图2是本发明的折流板组的俯视示意图；

图3是本发明上下折流板示意图；

图4是本发明左右折流板示意图；

图5是本发明控制结构示意图。

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。

一种管壳式换热器(冷却器)，如图1所示，所述管壳式换热器水平方向布置,包括有管壳1、换热管8、壳程入口接管2和壳程出口接管3；所述壳程入口接管2和壳程出口接管3分别位于管壳1的上端的左侧和下端的右侧；所述换热管8设置在管壳1中，换热管固定连接在左管板、右管板上；所述左管板的前端与左集箱4连接，右管板的后端连接右集箱5；所述的管程出口管10设置在左集箱4上；所述的管程入口管9设置在右集箱5上；所述的壳程入口接管2和壳程出口接管3均设置在管壳1上；气体从壳程入口接管2进入，经过换热管进行换热，从壳程出口接管3出去。

作为改进，所述换热器是注射用水冷却装置，管程内是注射用水，壳程内是冷水，通过冷水来冷却注射用水。

如图2所示，管壳内设置多个扇形折流板组6，扇形折流板组包括上下方向布置的上下折流板61和左右方向布置的左右折流板62，上下折流板61和左右折流板62间隔一定距离；上下折流板包括沿着管壳中心线上下对称设置的两块扇形折流板61，左右折流板包括沿着管壳中心线左右对称设置的扇形折流板62；沿着壳程内流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是先是逐渐增加，然后到了一定位置后逐渐减小。

在研究过程中，发现传统的换热器的折流板在流动方向上横截面上换热不均匀，存在入口和出口左右两侧换热效果好，在中间上下位置换热效果好。本发明沿着流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是先是逐渐增加，然后逐渐减小，使得壳程内的流体在中部逐渐越来越多的向左右两侧靠拢，使得流体中心在壳体的左右两侧的换热管加强换热，然后前后两端壳体进出口的上下位置的换热管加强换热，根据位置不同，强化不同位置的换热，改变了过去单一的换热方式，强化了不同位置的换热效率，使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

上述面积是投影到壳体横截面上的面积，或者投影到竖直面的面积。

作为优选，在壳体内流体流动方向的中心位置，上下折流板的面积与左右折流板的面积比例达到最大。

作为改进，上下折流板61和左右折流板62间隔的距离是管壳管径的0.6-0.9倍，优选0.8倍。

作为改进，所述一定位置是管壳的中间位置。

作为改进，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是逐渐增加的幅度越来越大。通过上述幅度的变化，可以进一步使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

作为改进，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例逐渐减小的幅度越来越小。通过上述幅度的变化，可以进一步使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

作为改进，折流板组扇形夹角的和是170-190°。即图2中四块扇形折流板的夹角之和是170-190°。

作为改进，折流板组扇形夹角之和是180°。

作为改进，上下折流板的面积与左右折流板的面积比是0.9-1.2。

通过上述参数的优化设计，能够使得换热效率达到最优效果。

作为改进，壳程和管程是逆流流动，沿着管程内流体的流动方向，从管程入口到管程中间位置，折流板组的间距不断增加。然后从管程中间位置到管程出口，折流板组的间距不断减小。因为逆流过程中，沿着流体的流动过程单位长度上的壳程和管程的换热量相对均匀，从而使得整体换热效果最好。但是在实验和模拟中发现，中部的换热量明显大于管程进口和出口的换热量，因此通过折流板间距变化，使得折流板中的管程流体与壳程流体的换热面积也发生变化，因此通过面积变化补偿换热量的不均匀，从而达到进一步提高换热效率。

作为改进，沿着管程内流体的流动方向，从管程入口到管程中间位置，折流板组的间距不断增加的幅度不断增加。然后从管程中间位置到管程出口，折流板组的间距不断减小的幅度不断减小。上述幅度的变化能够使得整个流体运动的单位长度上的换热量更加均匀，进一步提高换热效率。

作为改进，所述换热器还包括控制系统，所述控制系统根据管程的出口温度控制进入换热器壳程中热源的流速。

作为改进，所述控制系统包括：温度传感器13、流量控制器14和中央控制器12，流量控制器控制进入换热器的热源的流速；所述温度传感器用于测量管程冷源的出口温度，当冷源温度低于第一温度时，流量控制器全部打开，当冷源出口温度达到第一温度时，中央控制器控制流量控制器达到第一流速，第一流速要低于全部打开的流速，当冷源出口温度达到高于第一温度的第二温度时，中央控制器控制流速达到低于第一流速控制器的第二流速，当冷源出口温度达到高于第二温度的第三温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第二流速的第三流速，当冷源出口温度达到高于第三温度的第四温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第三流速的第四流速；当冷源出口温度达到高于第四温度的第五温度时，中央控制器将流量控制器关闭，阻止水进入换热器。

第五温度就是超出预定数据上限的温度，第一温度就是低于预定数据下限温度。通过上述的设置，可以根据温度控制换热器的换热量，达到节约热源的效果。

作为改进，所述控制系统可以是一个单片机，可以设置控制面板，控制面板设置在换热器的上部或者下部，也可以设置在进入换热器的管道上。

作为改进，上下折流板与左右折流板的顶点(圆心)位于管壳的中心线上，即横截面中心点组成的线。

正常情况下折流板是竖直方向布置。作为改进，上下折流板与左右折流板绕着各自的折流板中心线旋转一定角度，即折流板与竖直面倾斜一定角度。所述折流板中心线就是扇形的顶点(圆心)与扇形的弧线中点的连线。通过旋转一定角度，能够使得流体形成类似螺旋折流效果，提高换热系数。

作为改进，对称设置的上折流板和下折流板的旋转角度相反，对称设置的左折流板和右折流板旋转角度相反。例如从上方看，上折流板顺时针方向旋转，则下折流板逆时针方向旋转。或者从水平方向看，左折流板顺时针方向旋转，则右折流板逆时针方向旋转。

作为改进，沿着流体的流动方向，上下折流板绕着各自的折流板中心线旋转的角度先是越来越小，然后是越来越大，左右折流板绕着各自的折流板中心线旋转的角度先是越来越大，然后是越来越小。通过上述设置，使得流体中心在壳体的左右两侧的换热管加强换热，然后前后两端壳体进出口的上下位置的换热管加强换热，根据位置不同，强化不同位置的换热，改变了过去单一的换热方式，强化了不同位置的换热效率，使得整体上换热均匀，进一步达到了强化传热的目的。

作为改进，在管壳长度方向的中间位置，上下折流板的旋转角度最小，左右折流板的旋转角度最大。在管壳的长度方向的两端，上下折流板的旋转角度最大，左右折流板的旋转角度最小。

作为改进，在管壳长度方向的中间位置，上下折流板的旋转角度为0，即不旋转，保持竖直设置。左右折流板的旋转角度为20-35°。在管壳的长度方向的两端，上下折流板的旋转角度为20-35°，左右折流板的旋转角度为0，即不旋转，保持竖直设置。

通过上述设置，能够使得换热量达到最佳，进一步提高换热系数。

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 (6)

1.一种扇形折流板组管壳式换热器，所述管壳式换热器包括管壳、换热管、壳程入口接管和壳程出口接管；所述壳程入口接管和壳程出口接管分别位于换热器的两端；所述换热管设置在管壳中，换热管固定连接在管板上；其特征在于，管壳内设置多个扇形折流板组，折流板组包括上下方向布置的上下折流板和左右方向布置的左右折流板，上下折流板和左右折流板间隔一定距离；上下折流板包括沿着管壳中心线上下对称设置的两块扇形折流板，左右折流板包括沿着管壳中心线左右对称设置的扇形折流板；沿着壳程内流体的流动方向，所述折流板组中的上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是先是逐渐增加，然后到了一定位置后逐渐减小；所述一定位置是管壳的中间位置。

2.如权利要求1所述的扇形折流板组管壳式换热器，其特征在于，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例是逐渐增加的幅度越来越大。

3.如权利要求1所述的扇形折流板组管壳式换热器，其特征在于，沿着壳程内流体的流动方向，所述上下折流板的面积与左右折流板的面积比例逐渐减小的幅度越来越小。

4.如权利要求1所述的扇形折流板组管壳式换热器，其特征在于，折流板组扇形夹角是170-190°。

5.如权利要求1所述的扇形折流板组管壳式换热器，其特征在于，折流板组扇形夹角是180°。

6.如权利要求1所述的扇形折流板组管壳式换热器，其特征在于，上下折流板的面积与左右折流板的面积比是0.9-1.2。