CN1920468A

CN1920468A - 纵向多螺旋混合流管壳式换热器及其强化传热方法

Info

Publication number: CN1920468A
Application number: CN 200610122089
Authority: CN
Inventors: 江楠; 杨传健; 甄亮
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: CN100494865C

Abstract

本发明提供纵向多螺旋流管壳式换热器，包括换热管管束、壳体、换热管、螺旋扭片，管板置于壳体内两端，换热管管束与管板固定连接，螺旋扭片均布设置在各换热管外壁，螺旋扭片为开孔螺旋扭片沿轴向等距开有若干小孔。本发明通过开孔螺旋扭片对管间流体产生纵向螺旋流和射流的协同作用，使流体在管隙间始终保持多股纵向自螺旋混合流状态，有效提高换热管束壁面的流体速度，实现不同壳体半径处流体的充分混合，从而较大幅度提高壳程传热膜系数。

Description

纵向多螺旋混合流管壳式换热器及其强化传热方法

技术领域

本发明涉及壳程螺旋流管壳式换热器，具体是指纵向多螺旋混合流管壳式换热器及其强化传热方法。

背景技术

管壳式换热器是应用最广泛的换热设备，由于制造工艺成熟，安全性高在换热设备占有的比例最大，尤其在高温、高压、有毒等苛刻的场合，管壳式换热器具有较大的优势，但目前使用的管壳式换热器还存在传热效率较低的问题。

人们对管壳式换热器管内传热强化进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果，相比之下，对壳程传热强化方面的研究远不如管程广泛和深入。目前，壳程强化传热的途径主要有2种：(1)改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热，以提高换热器的效率，如螺纹管、表面多孔管、钉头管、太阳棒管、外翅片管等；(2)改变壳程挡板或管子支承物的形式，以减少或消除壳程流动的滞留死区，使传热面积得到充分利用。管壳式换热器壳程挡板或管子支承物的发展表现为折流板形式的改变：由单弓形折流板→多弓形折流板(双弓形、三弓形)→整圆形折流板带→开小孔的整圆形折流板→异形孔折流板(矩形孔、梅花孔)→网状折流板→折流杆支承→空心环支承→管子自支承等。归纳起来可分为板式支承、杆式支承、空心环支承和管子自支承。这些壳程管间支承部件对壳程流体的扰动主要为横向扰动，所造成的横向涡流沿管隙间支承物下游方向会较快衰减，不能对下游换热管表面维持较长距离的强化传热促进作用，壳程管间支承部件对壳程流体的传热强化作用较弱。因此，出现了螺旋折流板换热器。螺旋折流板换热器采用多块扇形平板依次搭接，来近似螺旋流道。由于其引入螺旋流机制，使得流动比垂直弓形板更接近纵向塞流，有效的减少流动死区，减小了管子的振动，减少了流动压降，提高了换热效率，目前已广泛的应用在化工炼油等诸多场合。

通过对螺旋折流板换热器壳程传热与流动规律的实验研究及数值模拟发现，流体在螺旋折流板换热器通道内的流动为近螺旋线运动，在螺旋折流板交叉处附近存在回流三角区，使接近换热器壳体轴线区域存在短路现象。在接近壳体内表面位置由于与理想的螺旋运动有偏差，并没有出现人们期望的扇形速度分布，此处流速相应较低，存在“慢”区，故传热效果不理想，而此处的换热管根数更多，所占的换热面积比例更大，这是螺旋折流板换热器强化传热的关键部位。虽然流体在折流板迎风侧的流动较理想，但背风侧流动需要进一步改善，通道内的阻力分布也存在缺陷。类比定律分析也表明，螺旋折流板换热器的流动虽然比弓形折流板理想，但还远没有达到理想的协同状态。

不仅如此，当换热器直径扩大时，换热面积的有效利用率极大的降低，甚至出现了传热性能急剧下降，综合性能还不如普通弓形折流板的现象，这种现象在有相变传热的情况下尤为明显。说明螺旋折流板换热器在向大直径放大的过程中，应该强化流体近壳程内壁附近的流场流速或湍动程度以便进一步强化传热。

因此，总体分析来讲，为进一步强化传热，一是要减少壳程中心流体短路，使流体在整个换热器横截面内的速度分布尽可能均匀，二是最好使流体由中心区向壳体壁面处逐渐增加，要提高流体在壳体半径较大位置处的流体速度。在此基础之上，人们提出了连续螺旋折流板及双壳程螺旋折流板方法来进一步改善壳程的流动与传热。虽然这种做法在一定程度上减少了漏流短路，但流体高速区仍然在通道的中部，没有解决换热器内流动需要的关键问题，远没有出现人们早期预想的扇形速度分布，这意味着传热膜系数的下降，折流板背风侧的流动仍然没有改善，接近换热器壳体内径的大部分换热管的面积没有充分利用。双壳程通道远没有垂直弓板换热器容易实现纯逆流设置，甚至会出现逆向导热现象，还要在壳程内插入圆筒分程隔板，导致制造、装配工艺复杂，不利于产品的针对性设计及系列化。整体型螺旋折流板也存在加工、装配复杂等问题。

同时，在壳体中心位置，由于旋转半径很小，这里螺旋流实现非常困难。为进一步降低流动阻力及强化换热器内的传热，必须引入复杂流场，将纵向流和螺旋流有机的结合起来。2000年第29卷第6期的《石油化工设备》的《壳程螺旋扭片强化传热研究》一文中，刘吉普、文美纯提出将螺旋扭片夹装在横纹槽管组成的管壳式换热器的壳程中，使壳程的传热在低Re时得以充分地强化，同时，夹装的螺旋扭片对管束起着密排隔离支撑作用，相互间无干扰，流体沿壳程轴向前进，不存在折转流动，减缓了壳程流体流动对管束产生的诱导振动作用；但由于采用螺旋扭片在壳程中产生的非线性二次涡流消耗了流体的能量，其阻力随流速成正比变化，因而上述壳程螺旋扭片结构仅适用于中低Re下流动的流体；另外，现有技术中并没有设置固定构件来防旁漏流和固定支撑螺旋扭片，由于螺旋扭片的质量较轻，直接放置在管束间容易松动和旋转，导致扭片变形，影响流体流动和传热；且管束与筒体之间环隙较大，旁漏流严重。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的缺点与不足之处，提供一种纵向多螺旋混合流的管壳式换热器，其通过改进的螺旋扭片对管间流体产生纵向螺旋流作用，使流体在管隙间始终保持多股纵向自螺旋流状态，有效提高换热管束壁面的流体速度，实现不同壳体半径处流体的充分混合，从而较大幅度提高壳程传热膜系数。

本发明另一目的在于提供采用上述纵向多螺旋混合流管壳式换热器的强化传热方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：本纵向多螺旋流管壳式换热器，包括换热管管束、壳体、换热管、螺旋扭片，所述管板置于壳体内两端，所述换热管管束与管板固定连接，所述螺旋扭片均布设置在各换热管外壁，其特征在于：所述螺旋扭片为开孔螺旋扭片，其沿轴向等距开有若干小孔。

为更好地实现本发明，所述开孔螺旋扭片垂直于轴线的横截面呈矩形或近似矩形，所述矩形的长边b＝A·t·cosα-d，对于正方形布管，A＝2，α＝45°；对于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t为管间距，d为换热管外径。

所述开孔螺旋扭片上的小孔是圆孔或椭圆孔；所述小孔为圆孔时，其直径为(0.5～0.8)b，所述小孔为椭圆孔时，椭圆孔长短轴之比为1.5～3，其中长轴尺寸为(0.7～0.8)b；所述椭圆孔可为卧置或立置形式设置。

所述开孔螺旋扭片为等节距旋转90°或180°螺旋角的扭片，开孔螺旋扭片的扭曲度R即螺旋扭片节距L与螺旋扭片的长边b的比值L/b为5～10，所述开孔螺旋扭片设于壳体进出口接管之间，长度为两管板间换热管长度的5/6～4/5；所述开孔螺旋扭片的厚度根据支撑管束的强度需要而定，可以取0.8～2毫米。

所述换热管、开孔螺旋扭片外侧与壳体内侧之间还设有箍紧环，其可箍紧管束及开孔螺旋扭片，以避免换热管、开孔螺旋扭片振动，减缓壳程流体冲击避免螺旋扭片变形，同时起到减少管束与壳体之间的旁漏流作用。

所述箍紧环由两半或三瓣组成，通过螺栓连接，其内圆周、外圆周分别与管束外周、壳体内周紧贴，固紧管束及起到防旁漏流的作用。

采用上述纵向多螺旋混合流管壳式换热器的强化传热方法为：利用设置在换热管之间的开孔螺旋扭片对流经管隙间的流体进行不断地螺旋导流作用，使壳程管隙间的流体始终保持多股纵向自螺旋流状态；依靠箍紧环的防旁漏流作用，迫使壳程流体流向管束中，在螺旋流状态下部分流体通过开孔螺旋扭片上的小孔时产生射流，形成螺旋流与射流有机结合的复杂流场，壳程不存在流动死区，并增强了流体在换热器内整体混合的湍动程度，提高了管隙间流体的边缘流速，从而较大幅度地提高了壳程的传热膜系数，强化了壳程传热。

本发明相对现有技术具有如下优点与有益效果：

(1)壳程传热膜系数大大提高：由于本发明引入了多股螺旋流，有效地强化了壳体中心管束与壳体壁面附近流体的流速及宏观对流混合，改善了壳程流体的流动状态，使湍动程度提高，增大壳程传热膜系数。同时开孔螺旋扭片造成纵向螺旋流，避免了横向涡流沿轴向衰减过快的缺点，充分发挥螺旋扭片对流经管隙间的流体进行不断地螺旋导流作用，使壳程管隙间的流体始终保持多股纵向自旋流状态，传热强化效果良好。与现有的螺旋折流板相比，当采用相同的换热管，开孔螺旋扭片对壳程传热膜系数的提高可达20％以上。

(2)传热效果好，壳程流体阻力小：由于多螺旋流的引入，更有效地利用了纵向塞流的流路优势，由于流体的多螺旋流及射流混合存在，使得换热器内的速度、温度分布更接近纵向流特征，极大的发挥了纵向流的优势，减少了流体流动的阻塞现象；开孔螺旋扭片长度介于壳体进出口接管之间，即壳体进出口处不布置螺旋扭片。进口处不布置螺旋扭片，有利于流体均匀分布在管束中；出口处不布置开孔螺旋扭片，可利用流体的惯性维持纵向自旋流，又可使流体阻力进一步降低，更能满足节能降耗的时代要求。

(3)所述开孔螺旋扭片加工简单，置于管束中能起到支撑管子的作用，无需其他管束支承部件，制造及装配成本低，安装方便，投资少。

附图说明

图1是本发明纵向多螺旋混合流管壳式换热器的结构示意图；

图2是图1所示纵向多螺旋混合流管壳式换热器的截面示意图(正三角形布管)；

图3-1、3-2是图1所示开孔螺旋扭片结构示意图；

图4是本发明纵向多螺旋混合流管壳式换热器的另一种结构的截面示意图(正方形布管)；

图5-1、5-2是图4所示开孔螺旋扭片的另一种结构示意图；

图6-1、6-2是本发明纵向多螺旋混合流管壳式换热器的箍紧环的两种结构示意图；

图7-1、7-2是图6-1、6-2的局部放大及截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、2所示，本发明壳程纵向多螺旋混合流换热器的具体结构包括：左封头1、左管板2、箍紧环3、换热管4、壳体5、开孔螺旋扭片6、右管板7、右封头8。管板2、7设置于壳体两端，换热管4在壳体内两端穿过管板2、7，并与之焊接或胀接连接，开孔螺旋扭片6置于换热管4之间，且设于壳体进出口接管之间，用箍紧环3箍紧，左、右封头1和8分别与左、右管板2和7用螺栓连接。由左、右封头1和8及换热管4的内侧构成管程流道；由左、右管板和壳体内侧，以及换热管4外侧构成换热器的壳程流道。

如图3-1、3-2所示，开孔螺旋扭片垂直于轴线的横截面呈矩形或近似矩形，所述的矩形的长边b＝A·t·cosα-d，对于正方形布管，A＝2，α＝45°；对于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t为管间距，d为换热管外径。

开孔螺旋扭片上的小孔是直径为(0.5～0.8)b的圆孔，或者是长短轴之比为1.5～3的椭圆孔，其中长轴尺寸为(0.7～0.8)b；所述椭圆孔可为卧置或立置形式设置。

螺旋扭片为等节距旋转90°或180°螺旋角的扭片，其轴向形状为十字交叉形，螺旋扭片扭曲度R即螺旋扭片节距L与扭片长边b的比值L/b为5～10，长度为换热管的5/6～4/5；开孔螺旋扭片设于壳体进出口接管之间，长度为两管板间换热管长度的5/6～4/5；开孔螺旋扭片的厚度根据支撑管束的强度需要而定，可以取0.8～2毫米。

换热管、开孔螺旋扭片外侧与壳体内侧之间设有箍紧环，如图6-1、图7-1、图7-2所示，箍紧环两瓣3-1、3-6的端部分别两两设有固定板3-4、3-5，通过螺栓3-2、螺母3-3进行固定连接。

利用上述纵向多螺旋混合流管壳式换热器实现壳程强化传热的方法是：利用设置在换热管4之间的开孔螺旋扭片6对流经管隙间的流体进行不断地螺旋导流作用，使壳程流体始终保持多股纵向旋流状态，加上部分流体通过开孔螺旋扭片6上的小孔时产生的射流作用，增强了流体在换热器内整体混合湍动程度，提高了管隙间流体的边缘流速，从而有效地提高了换热管壁面附近的流体流速，较大幅度地提高壳程的传热膜系数，强化壳程传热。

实施例2

本实施例除以下技术特征外，其他同实施例1：所述开孔螺旋扭片6的形状结构如图5-1、5-2所示，置于如图4所示呈正四方形布置的换热管4之间，用箍紧环3箍紧。

实施例3

本实施例除以下技术特征外，其他同实施例1：如图6-2、图7-1、图7-2所示，箍紧环三瓣3-1、3-6、3-7的端部分别两两设有固定板3-4、3-5，通过螺栓3-2、螺母3-3进行固定连接。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种纵向多螺旋流管壳式换热器，包括换热管管束、壳体、换热管、螺旋扭片，所述管板置于壳体内两端，所述换热管管束与管板固定连接，所述螺旋扭片均布设置在各换热管外壁，其特征在于：所述螺旋扭片为开孔螺旋扭片，其沿轴向等距开有若干小孔。

2、根据权利要求1所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述开孔螺旋扭片垂直于轴线的横截面呈矩形或近似矩形，所述矩形的长边b＝A·t·cosα-d，对于正方形布管，A＝2，α＝45°；对于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t为管间距，d为换热管外径。

3、根据权利要求2所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述开孔螺旋扭片上的小孔是圆孔或椭圆孔。

4、根据权利要求3所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述小孔为圆孔时，其直径为(0.5～0.8)b，所述小孔为椭圆孔时，椭圆孔长短轴之比为1.5～3，其中长轴尺寸为(0.7～0.8)b。

5、根据权利要求3所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述椭圆孔为卧置或立置形式设置。

6、根据权利要求2所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述开孔螺旋扭片为等节距旋转90°或180°螺旋角的扭片，开孔螺旋扭片的扭曲度R即螺旋扭片节距L与螺旋扭片的长边b的比值L/b为5～10，所述开孔螺旋扭片设于壳体进出口接管之间，长度为两管板间换热管长度的5/6～4/5；所述开孔螺旋扭片的厚度为0.8～2毫米。

7、根据权利要求1所述的纵向多螺旋流管壳式换热器，其特征在于：所述换热管、开孔螺旋扭片外侧与壳体内侧之间设有箍紧环，所述箍紧环由两半或三瓣组成，通过螺栓连接，其内圆周、外圆周分别与管束外周、壳体内周紧贴。

8、一种利用权利要求1～7任一项所述纵向多螺旋流管壳式换热器实现的强化传热方法，其特征在于：利用设置在换热管之间的开孔螺旋扭片对流经管隙间的流体进行不断地螺旋导流，使壳程管隙间的流体始终保持多股纵向自螺旋流状态，并在螺旋流状态下部分流体通过开孔螺旋扭片上的小孔时产生射流，形成螺旋流与射流有机结合的复杂流场，增强流体在换热器内整体混合的湍动程度，提高管隙间流体的边缘流速，提高壳程的传热膜系数，强化壳程传热。

9、根据权利要求8所述的强化传热方法，其特征在于：通过箍紧环迫使壳程流体流向管束中，防止产生旁漏流，使壳程不存在流动死区。