CN1821700A - 一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体，位于壳体中心的一根中心管，壳体两端的两个管板，管板分别连接两个封头，管侧进、出口管，一束换热管束，壳侧进出口管，螺旋折流板分为外螺旋折流板和内螺旋折流板，外螺旋折流板与内螺旋折流板之间有一个内套管。由壳体、外螺旋折流板和内套管围成外螺旋壳程，由内套管、内螺旋折流板和中心管围成内螺旋壳程，形成两壳程的螺旋折流板管壳式换热器；内套管为一个或多个，形成两个螺旋壳程或多个螺旋壳程。本发明可以提高换热器的换热效率，使换热器结构更加紧凑，可大大减少换热器运行时的振动，提高安全性，不易结垢，增加了换热器的寿命。

Description

一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种在炼油、化工、环保、能源、电力等工业中使用的管壳式换热器，特别涉及一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器。

背景技术

换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等工业中一种重要的单元设备，管壳式换热器的应用最广泛。在管壳式换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在壳侧流动，并通过管壁进行热量交换。同时，壳侧布置有折流板，折流板为管子提供支撑，还使流体按特定的通道流动以改善其传热特性。

传统弓型折流板存在很多问题：①弓型折流板使流体垂直冲击壳体壁面，造成较大的沿程压降；②折流板与壳体壁面相接处产生流动滞止死区，降低了换热效率，且容易结垢；③折流板与壳体壁面之间及换热管与折流板之间存在漏流，使壳侧存在较大的旁路流动。旁流及漏流降低了有效横掠管束的质量流量，故减小了壳侧的换热效率；④高流速的流体横掠换热管束，会诱导换热管的振动，缩短了换热器的寿命。

20世纪60年代，已有学者提出了螺旋折流板换热器的思想。螺旋折流板换热器是将折流板布置成螺旋面，使换热器中的壳侧流体呈螺旋状流动，以实现有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的。现有的螺旋折流板换热器有两类，一类是采用两块或者多块扇形平板组成近似螺旋曲面的非连续螺旋折流板换热器，非连续螺旋折流板为连续搭接式(见专利99241930.1)或者交错螺旋式(见专利200320106763.1)，另一类是采用连续螺旋曲面的连续螺旋折流板换热器(见专利200510043033.5)。现有的螺旋折流板换热器仅能实现单壳程的形式，在相同管程布置、相同壳程流量的情况下，其阻力比传统的弓形折流板换热器的低，但同时换热能力也低，往往达不到用户的要求。也就是说，这种单壳程螺旋折流板换热器最大特征是相同壳程流体压降下的换热能力强，适用于壳程流体流量大的场合。但事实上壳程流体流量往往较低；或由于工艺要求需要将壳程流体布置为多壳程的型式。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器，它能使壳侧流体按照更加合理的形式流动，增加壳侧的程数，提高壳侧流体的平均流速，从而提高换热效率，使换热器结构更加紧凑，并提高换热器使用寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体，位于壳体中心的一根中心管，壳体两端的两个管板，两个管板分别连接第一封头和第二封头，其中，第一封头上设置有管侧进口管和管侧出口管，两个管板之间设置有换热管束以及螺旋折流板，螺旋折流板上设置有孔，换热管束穿过螺旋折流板上的孔平行固定于两个管板之间，在壳体上安装有第一壳侧进出口管和第二壳侧进出口管，所述的螺旋折流板分为外螺旋折流板和内螺旋折流板；外螺旋折流板与内螺旋折流板之间设置有内套管，外螺旋折流板和内螺旋折流板处于同一螺旋面上或者不同螺旋面上；由壳体、外螺旋折流板和内套管围成的外螺旋通道作为外螺旋壳程，由内套管、内螺旋折流板和中心管围成的内螺旋通道作为内螺旋壳程，内套管在第一壳侧进出口管的一端与管板之间有一段距离，这段距离应确保壳侧流体能通畅的流过第一壳侧进出口管，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近，内套管在第一壳侧进出口管的一端连接有挡板，挡板将壳侧出口流体与壳侧进口流体相隔离；内套管另一端与管板之间也有一段距离，作为外螺旋与内螺旋转接口，这段距离应确保壳侧流体能通畅的由外螺旋壳程流进内螺旋壳程，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近。

所述的内套管为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。

所述的内套管为奇数个时，实现壳侧流体的流程数为偶数个，此时第一壳侧进出口管和第二壳侧进出口管布置在壳体的同一端。内套管为偶数个时，实现壳侧流体的流程数为奇数个，此时第一壳侧进出口管和第二壳侧进出口管分别布置在壳体的两端。

所述的第一壳侧进出口管作为壳侧流体的出口或者壳侧流体的进口，第二壳侧进出口管相应地作为壳侧流体的进口或者壳侧流体的出口。

所述的螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式。

所述的螺旋折流板呈单螺旋或者多螺旋结构，其螺旋是左手螺旋或者右手螺旋。

本发明对单壳程螺旋折流板管壳式换热器的壳侧进行改进，以两壳程螺旋折流板管壳式换热器为例，将螺旋折流板分为外螺旋折流板和内螺旋折流板。外螺旋折流板与内螺旋折流板之间有一个内套管，外螺旋折流板和内螺旋折流板可以在同一螺旋面上或者不同螺旋面上，因此可使换热器安装更加简便，并且可根据需要，采用调整壳侧螺旋折流板的螺距的方法来调节壳侧流体流速。由壳体、外螺旋折流板和内套管围成外螺旋通道作为外螺旋壳程，由内套管、内螺旋折流板和中心管围成的内螺旋通道作为内螺旋壳程。壳侧进口流体由第二壳侧进出口管，首先流进外螺旋壳程作螺旋流动，当外螺旋壳程流体流完外螺旋壳程后，经过预留在内套管一端的外螺旋与内螺旋转接口，改变流动方向流进内螺旋壳程，作螺旋流动，当内螺旋壳程流体流完内螺旋壳程后，流进由管板、壳体和挡板围成的腔体，然后壳侧出口流体由第一壳侧进出口管流出壳体。挡板可将壳侧出口流体与壳侧进口流体相隔离。在相同管程数、相同流量下，两壳程的螺旋管壳式换热器的换热系数比单壳程结构的要高，从而达到提高换热效率的目的。

内套管为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。内套管直径的确定应保证各个螺旋壳程的流体流通面积相近。对于换热要求很高、采用管程较多的管壳式换热器时，可采用多壳程结构的螺旋管壳式换热器来提高换热效率，降低换热设备的成本。

本发明所述的内套管为奇数(1、3、5、7……)个时，实现壳侧流体的流程数为偶数(2、4、6、8……)个，此时第一壳侧进出口管和第二壳侧进出口管布置在壳体的同一端。内套管为偶数(2、4、6、8……)个时，实现壳侧流体的流程数为奇数(3、5、7、9……)个，此时第一壳侧进出口管和第二壳侧进出口管分别布置在壳体的两端。该结构可根据工艺需要，灵活地布置壳侧进出口管。

本发明所述的第一壳侧进出口管作为壳侧流体的出口或者壳侧流体的进口，第二壳侧进出口管相应地作为壳侧流体的进口或者壳侧流体的出口。当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差小时，可采用壳侧进口流体先流经外螺旋壳程，壳侧出口流体由内螺旋壳程流出的结构；当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差大时，可采用壳侧进口流体先流经内螺旋壳程，壳侧出口流体由外螺旋壳程流出的结构。该结构可根据工艺需要，灵活地选择流动型式，保证外螺旋壳程流体与环境的温差比内螺旋壳程流体与环境的温差小，这样可以节省保温材料，降低成本。

本发明所述的螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式。所述的螺旋折流板可根据过程、工艺设计的需要采用单螺旋或者多螺旋结构。多螺旋结构可适应大直径的进出口管。螺旋折流板在壳体内可根据安装设计的需要采用左手螺旋或者右手螺旋结构。

附图说明

图1为本发明换热器结构示意图。

图2(a)为本发明中内连续螺旋折流板示意图。

图2(b)为本发明中外连续螺旋折流板示意图。

图2(c)为本发明中连续螺旋折流板组装结构示意图。

图3(a)为本发明中内非连续螺旋折流板示意图。

图3(b)为本发明中外非连续螺旋折流板示意图。

图3(c)为本发明中非连续螺旋折流板组装结构示意图。

图4为本发明中外螺旋与内螺旋转接口示意图。

图5(a)为本发明双左螺旋折流板示意图。

图5(b)为本发明双右螺旋折流板示意图。

图6(a)为本发明的一种两壳程螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体流动示意图。

图6(b)为本发明的一种三壳程螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体流动示意图。

附图为本发明的具体实施例。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，以两壳程螺旋折流板管壳式换热器为例，该换热器包括一个壳体18，位于壳体18中心的一根中心管12，壳体18两端的两个管板6，两个管板6分别连接第一封头5和第二封头20，其中，第一封头5上设置有管侧进口管3和管侧出口管4，两个管板6之间设置有换热管束15以及螺旋折流板，螺旋折流板上设置有孔21，换热管束15穿过螺旋折流板上的孔21平行固定于两个管板6之间，在壳体18上安装有第一壳侧进出口管7和第二壳侧进出口管8，其特征在于，所述的螺旋折流板分为外螺旋折流板13和内螺旋折流板14；外螺旋折流板13与内螺旋折流板14之间设置有内套管17，外螺旋折流板13和内螺旋折流板14处于同一螺旋面上或者不同螺旋面上；由壳体18、外螺旋折流板13和内套管17围成的外螺旋通道作为外螺旋壳程，由内套管17、内螺旋折流板14和中心管12围成的内螺旋通道作为内螺旋壳程；内套管17在第一壳侧进出口管7的一端与管板6之间有一段距离，这段距离应确保壳侧流体能通畅的流过第一壳侧进出口管7，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近，内套管17在第一壳侧进出口管7的一端连接有挡板11，挡板11将壳侧出口流体9与壳侧进口流体10相隔离；内套管17另一端与管板6之间也有一段距离，作为外螺旋与内螺旋转接口19，这段距离应确保壳侧流体能通畅地由外螺旋壳程流进内螺旋壳程，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近。1为管程进口流体，2为管程出口流体。16为螺旋折流板搭接缝。

参照图2(a)所示，用一片金属材料或非金属材料制成圆或椭圆环片，钻出孔21，再沿径向裁开一条缝，然后采用拉制法拉制扭曲成连续螺旋板，形成内连续螺旋折流板14。

参照图2(b)所示，用一片金属材料或非金属材料制成圆或椭圆环片，钻出孔21，再沿径向裁开一条缝，然后采用拉制法拉制扭曲成连续螺旋板，形成外连续螺旋折流板13。

参照图2(c)所示，连续螺旋折流板分为外连续螺旋折流板13和内连续螺旋折流板14。外连续螺旋折流板13和内连续螺旋折流板14在同一螺旋面上或者不同螺旋面上。内套管17将壳侧分隔为外连续螺旋壳程和内连续螺旋壳程两个壳程。内套管17为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。21为螺旋折流板上的孔。

参照图3(a)所示，用一片金属材料或非金属材料制成圆或椭圆环片，钻出孔21，然后再沿径向裁成四块扇弧形的折流板，搭接形成内非连续螺旋折流板23。

参照图3(b)所示，用一片金属材料或非金属材料制成圆或椭圆环片，钻出孔21，然后再沿径向裁成四块扇弧形的折流板，搭接形成外非连续螺旋折流板22。

参照图3(c)所示，非连续螺旋折流板分为外非连续螺旋折流板22和内非连续螺旋折流板23。外非连续螺旋折流板22和内非连续螺旋折流板23在同一螺旋面上或者不同螺旋面上。内套管17将壳侧分隔为外非连续螺旋壳程和内非连续螺旋壳程两个壳程。内套管17为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。21为螺旋折流板上的孔。

参照图4所示，壳体18内的换热管束15穿过外螺旋折流板13和内螺旋折流板14的孔21固定于管板6上，管板6连接封头20，内套管17与管板6之间有一段距离，作为外螺旋与内螺旋转接口19，这段距离应确保壳侧流体能通畅地由外螺旋壳程流进内螺旋壳程，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近。该结构简单、易实施。

参照图5(a)所示，双左螺旋折流板由两组同轴的外螺旋折流板13与内螺旋折流板14组成，外螺旋折流板13与内螺旋折流板14之间有一个内套管17，且外螺旋折流板13与内螺旋折流板14呈左手螺旋结构。另外，可根据需要将三组或三组以上同轴的外螺旋折流板13与内螺旋折流板14组合形成多左螺旋折流板结构。内套管17为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式。21为螺旋折流板上的孔。

参照图5(b)所示，双右螺旋折流板由两组同轴的外螺旋折流板13与内螺旋折流板14组成，外螺旋折流板13与内螺旋折流板14之间有一个内套管17，且外螺旋折流板13与内螺旋折流板14呈右手螺旋结构。另外，可根据需要将三组或三组以上同轴的外螺旋折流板13与内螺旋折流板14组合形成多右螺旋折流板结构。内套管17为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式。21为螺旋折流板上的孔。

参照图6(a)所示，以两壳程螺旋折流板管壳式换热器为例，壳侧进口流体10由第二壳侧进出口管8，首先流进外螺旋壳程作螺旋流动，当外螺旋壳程流体24流完外螺旋壳程后，经过预留在内套管17一端的外螺旋与内螺旋转接口19，改变流动方向流进内螺旋壳程，作螺旋流动，当内螺旋壳程流体25流完内螺旋壳程后，流进由管板6、壳体18和挡板11围成的腔体，然后壳侧出口流体9由第一壳侧进出口管7流出壳体18。当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差小时，采用如图所示的流程布置，这样的流程布置保证外螺旋壳程流体与环境的温差比内螺旋壳程流体与环境的温差小，节省保温材料，降低成本。当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差大时，采用的流程布置为壳侧进口流体10由第一壳侧进出口管7，首先流进内螺旋壳程作螺旋流动，当内螺旋壳程流体25流完内螺旋壳程后，经过预留在内套管17一端的外螺旋与内螺旋转接口19，改变流动方向流进外螺旋壳程，作螺旋流动，当外螺旋壳程流体24流完外螺旋壳程后，壳侧出口流体9由第二壳侧进出口管8流出壳体18。内套管17为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。内套管17为奇数(1、3、5、7……)个时，实现壳侧流体的流程数为偶数(2、4、6、8……)个，此时第一壳侧进出口管7和第二壳侧进出口管8布置在壳体的同一端。螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式；螺旋折流板是单螺旋或者多螺旋结构；螺旋折流板是左手螺旋或者右手螺旋。

参照图6(b)所示，以三壳程螺旋折流板管壳式换热器为例，壳侧进口流体10由第一壳侧进出口管7，首先流进内螺旋壳程作螺旋流动，当内螺旋壳程流体25流完内螺旋壳程后，经过预留在内套管17一端的外螺旋与中螺旋转接口28，改变流动方向流进中螺旋壳程，作螺旋流动，当中螺旋壳程流体26流完中螺旋壳程后，经过预留在内套管17另一端的外螺旋与中螺旋转接口27，改变流动方向流进外螺旋壳程，作螺旋流动，当外螺旋壳程流体24流完外螺旋壳程后，壳侧出口流体9由第二壳侧进出口管8流出壳体18。当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差大时，采用如图所示的流程布置，这样的流程布置保证外螺旋壳程流体与环境的温差比内螺旋壳程流体与环境的温差小，节省保温材料，降低成本。当壳侧进口流体与环境的温差比壳侧出口流体与环境的温差小时，采用的流程布置为壳侧进口流体10由第二壳侧进出口管8，首先流进外螺旋壳程作螺旋流动，当外螺旋壳程流体24流完外螺旋壳程后，经过预留在内套管17一端的外螺旋与中螺旋转接口27，改变流动方向流进中螺旋壳程，作螺旋流动，当中螺旋壳程流体26流完中螺旋壳程后，经过预留在内套管17另一端的外螺旋与中螺旋转接口28，改变流动方向流进内螺旋壳程，作螺旋流动，当内螺旋壳程流体25流完内螺旋壳程后，流进由管板6、壳体18和挡板11围成的腔体，然后壳侧出口流体9由第一壳侧进出口管7流出壳体18。内套管17为一个或多个，形成两个螺旋壳程或多个螺旋壳程。内套管17为偶数(2、4、6、8……)个时，实现壳侧流体的流程数为奇数(3、5、7、9……)个，此时第一壳侧进出口管7和第二壳侧进出口管8分别布置在壳体的两端。螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式；螺旋折流板是单螺旋或者多螺旋结构；螺旋折流板是左手螺旋或者右手螺旋。

本发明具有以下优点：

1、本发明可以提高换热效率，使换热器结构更加紧凑；

2、本发明大大减少了换热器运行时的振动，安全性提高，不易结垢，增加了换热器的寿命；

3.可适用于各种直径壳体的螺旋折流板管壳式换热器。

Claims (6)

1、一种多壳程螺旋折流板管壳式换热器，包括一个壳体(18)，位于壳体(18)中心的一根中心管(12)，壳体(18)两端的两个管板(6)，两个管板(6)分别连接第一封头(5)和第二封头(20)，其中，第一封头(5)上设置有管侧进口管(3)和管侧出口管(4)，两个管板(6)之间设置有换热管束(15)以及螺旋折流板，螺旋折流板上设置有孔(21)，换热管束(15)穿过螺旋折流板上的孔(21)平行固定于两个管板(6)之间，在壳体(18)上安装有第一壳侧进出口管(7)和第二壳侧进出口管(8)，其特征在于，所述的螺旋折流板分为外螺旋折流板(13)和内螺旋折流板(14)；外螺旋折流板(13)与内螺旋折流板(14)之间设置有内套管(17)，外螺旋折流板(13)和内螺旋折流板(14)处于同一螺旋面上或者不同螺旋面上；由壳体(18)、外螺旋折流板(13)和内套管(17)围成的外螺旋通道作为外螺旋壳程，由内套管(17)、内螺旋折流板(14)和中心管(12)围成的内螺旋通道作为内螺旋壳程；内套管(17)在第一壳侧进出口管(7)的一端与管板(6)之间有一段距离，这段距离应确保壳侧流体能通畅的流过第一壳侧进出口管(7)，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近，内套管(17)在第一壳侧进出口管(7)的一端连接有挡板(11)，挡板(11)将壳侧出口流体(9)与壳侧进口流体(10)相隔离；内套管(17)另一端与管板(6)之间也有一段距离，作为外螺旋与内螺旋转接口(19)，这段距离应确保壳侧流体能通畅的由外螺旋壳程流进内螺旋壳程，并且此位置的流体流通面积应与其它螺旋壳程的流体流通面积相近。

2、根据权利要求1所述的多壳程螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的内套管(17)为一个或者多个，形成两个螺旋壳程或者多个螺旋壳程。

3、根据权利要求1或2所述的多壳程螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的内套管(17)为奇数个时，实现壳侧流体的流程数为偶数个，此时第一壳侧进出口管(7)和第二壳侧进出口管(8)布置在壳体的同一端。内套管(17)为偶数个时，实现壳侧流体的流程数为奇数个，此时第一壳侧进出口管(7)和第二壳侧进出口管(8)分别布置在壳体的两端。

4、根据权利要求1或2所述的多壳程螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的第一壳侧进出口管(7)作为壳侧流体的出口或者壳侧流体的进口，第二壳侧进出口管(8)相应地作为壳侧流体的进口或者壳侧流体的出口。

5、根据权利要求1或2所述的多壳程螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的螺旋折流板是连续螺旋折流板或者是非连续螺旋折流板，非连续螺旋折流板为连续搭接式或者交错螺旋式。

6、根据权利要求1或2所述的多壳程螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述的螺旋折流板是单螺旋或者多螺旋结构，其螺旋是左手螺旋或者右手螺旋。

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