CN202692806U - 一种管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种管壳式换热器，属于管壳程换热器节能技术领域。该换热器包括壳体以及安装在壳体内的至少一组错开窗式折流板结构，每组所述错开窗式折流板结构包括至少两块折流板；每块所述折流板均为圆平板形，在其上开有穿管孔；在每块所述折流板的布管区内开有至少一个窗口；所有折流板平行设置且均与壳体的轴线垂直，所有折流板的圆心均位于壳体的轴线上；相邻两块折流板上的窗口是相互错开的。本实用新型的折流板的加工方便、结构简单，并且使换热器壳程在不增加阻力降的前提下，提高壳程的传热效率6％以上。

Description

一种管壳式换热器

技术领域

本实用新型属于管壳程换热器节能技术领域，具体涉及一种管壳式换热器，应用于石油化工、轻工等行业。 

背景技术

当今世界，由于经济和工业的快速发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源受到了世界各国的普遍关注。由于换热器在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率、强化传热、研究强化传热的新技术成为人们日益关注的焦点。目前，为了强化传热效果，对传统的换热器设备研究主要集中采用强化措施，改变管型，如螺纹管、异型管、内插物等新型传热技术，使管程有了较大突破。但从间壁传热原理上讲，控制一台换热设备传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧往往是壳程。于是研究开发出了折流杆式、搭接螺旋折流板式、交错搭接螺旋折流板式换热设备，每种折流板都有其适用的场合，目前还是以弓形折流板(图1-1至图1-3给出的就是该种折流板的3中形式)最为常用。但是这些折流板也各自有一些缺陷，具体如下： 

(1)传统的弓形折流板换热器的传热效率低、壳程阻力较大且加工难度大，因为需使用剪床切掉弓形区；另外，使用弓形折流板，流体是流到了尽头(即弓形缺口处)才转向，因此流体需要近180度转向，这种流到了尽头才转向既对换热无益(因为远离了布管区)，又白白浪费了动能(因为需要近180度转向)。 

(2)螺旋折流板由于其离心力作用会造成中心与外围流体不均，故只适合于直径较小的换热器；而且螺旋折流板还需有特殊的模具，且四个象限的折流板组成一个圆形，比较零碎，组装困难。 

(3)折流杆换热器在全液无相变介质传热中没有优势。 

(4)专利CN101706227公开了一种无缺口折流板管壳式换热器，这个专利的折流板开孔后被称为花板，流经圆孔的流体几乎没有了转向，仍呈轴向流动，因此基本没有被折流。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种管壳式换热器，在该换热器内流体冲刷布管区换热管后立即90度转向(即窗口折流)，其加工方便、结构简单，并使换热器壳程在不增加阻力降的前提下，提高换热效率。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的： 

一种管壳式换热器，包括壳体5以及安装在壳体5内的至少一组错开窗式折流板结构，每组所述错开窗式折流板结构包括至少两块折流板2； 

每块所述折流板均为圆平板形，在其上开有穿管孔；在每块所述折流板的布管区内开有至少一个窗口； 

所有错开窗式折流板结构中的折流板2平行设置在壳体5内，且均与壳体5的轴线垂直，所有折流板2的圆心均位于壳体5的轴线上； 

相邻两块折流板2上的窗口是相互错开的。 

相邻两块折流板2是在不同的区域开有数量不同的窗口，或者是在不同的区域开有数量相同的窗口，或者是在相同的区域开有数量不同的且错开的窗口。 

相邻两块折流板2上的窗口的形状相同或不相同；相邻两块折流板2上的窗口的总数相同或不相同。 

一块所述折流板2上的窗口的形状为圆形或多边形。 

一块所述折流板2上的各个窗口的形状相同或不相同。 

如果一块折流板2上的窗口的数量为1个，则该窗口的面积等于所需的流通面积A；如果一块折流板2上的窗口的数量多于1个，则该块折流板上所有窗 口的面积之和等于所需的流通面积A；所需的流通面积A是用公式A＝Q/ν计算出来的，其中Q是介质流量、ν是流速。 

各组所述错开窗式折流板结构通过拉杆和定距管3固定在所述壳体5内； 

所述管壳式换热器进一步包括管板1和换热管4；所述换热管4安装在所述壳体5内，并与壳体5的轴线平行，且穿过每块折流板2； 

所述管板1、换热管4、折流板2和拉杆和定距管3组成管束。 

必要时，可在每块所述折流板2的窗口处设置至少一个支撑杆6，所述支撑杆6横跨窗口，其两端焊接固定在折流板2的板面上，所述支撑杆6插入所述换热管4之间，防止窗口区域内的换热管的振动。 

所述支撑杆6采用的是金属棒。 

另外，为了防止了短路，在所述折流板2的窗口处没有布置换热管的地方，设置有防短路挡管。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型可以使流体呈轴向(Z向)冲刷布管区换热管后，然后在窗口处转向(转X向)折流后，继续轴向流动，因此窗口位置的设计，使流体冲刷布管区换热管后立即90度转向(即窗口折流)。另外，本实用新型的折流板加工方便、结构简单，本实用新型为新型换热设备和现有换热设备技术改造提供了新思路和新技术，在不增加阻力降的前提下，提高壳程传热效率6％以上。 

附图说明

图1-1是现有技术的普通弓形折流板的第一种形式的结构图。 

图1-2是现有技术的普通弓形折流板的第二种形式的结构图。 

图1-3是现有技术的普通弓形折流板的第三种形式的结构图。 

图2是本实用新型管壳式换热器的结构示意图。图中，1为管板，2为折流板，3为拉杆和定距管，4为换热管，5为壳体。 

图3-1-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第一个 实施例的A折流板，图中粗线条框表示的是窗口边缘。 

图3-1-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第一个实施例的B折流板。 

图3-1-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第一个实施例的C折流板。 

图3-2-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第二个实施例的A折流板。 

图3-2-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第二个实施例的B折流板。 

图3-2-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第二个实施例的C折流板。 

图3-3-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第三个实施例的A折流板。 

图3-3-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第三个实施例的B折流板。 

图3-3-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第三个实施例的C折流板。 

图3-4-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第四个实施例的A折流板。 

图3-4-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第四个实施例的B折流板。 

图3-4-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第四个实施例的C折流板。 

图3-5-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第五个实施例的A折流板。 

图3-5-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第五个 实施例的B折流板。 

图3-5-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第五个实施例的C折流板。 

图3-6-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第六个实施例的A折流板。 

图3-6-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第六个实施例的B折流板。 

图3-6-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第六个实施例的C折流板。 

图3-7-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第七个实施例的A折流板。 

图3-7-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第七个实施例的B折流板。 

图3-7-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第七个实施例的C折流板。 

图3-8-a是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第八个实施例的A折流板。 

图3-8-b是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第八个实施例的B折流板。 

图3-8-c是本实用新型管壳式换热器中的错开窗式折流板结构的第八个实施例的C折流板。 

图4-1是本实用新型管壳式换热器中折流板上窗口区域换热管的支撑杆6的主视图。 

图4-2是本实用新型管壳式换热器中折流板上窗口区域换热管的支撑杆6的左视图。 

图5-1是传统的单弓形折流板换热器壳程流场的俯视图。 

图5-2是本实用新型管壳式换热器的壳程流场的俯视图。 

图6是单弓形折流板换热器与本实用新型管壳式换热器的壳程换热系数与流量关系图。 

图7-1是单弓形折流板换热器管子之间边界层详图。 

图7-2是本实用新型管壳式换热器内的管子之间边界层详图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述： 

一种管壳式换热器，包括壳体5以及安装在壳体5内的至少一组错开窗式折流板结构，每组所述错开窗式折流板结构包括至少两块折流板2；所述折流板2为圆平板形，在其上开有穿管孔；在其布管区(除周边无法布置换热管外，每块折流板上的中间部分都是布管区，即图3-1-a至图3-8-c上的网格区)内开有至少一个窗口，所述窗口为任意几何形状。 

应用时，是在所述管壳式换热器的壳体5内安装有多组沿壳体5的轴向均布的所述错开窗式折流板结构，各个所述折流板2平行设置，且与壳体5的轴线垂直；相邻两块流板2上的窗口相互错开。 

具体来说，在换热器的壳体5内，折流板2的排列顺序为：两相邻折流板上的窗口错开，形成一个错开窗式折流板结构，后一块折流板上开设窗口的区域和/或窗口数量与前一块不同，即相邻两块折流板是在不同的区域开有数量不同的窗口(如图3-6-a至图3-6-c所示)，或者是在不同的区域开有数量相同的窗口(如图3-1-a至图3-5-c、图3-8-a至图3-8-c所示)，或者是在相同的区域开有数量不同的且错开的窗口(如图3-7-a至图3-7-c所示)。举例说明如下：①窗口的区域和窗口数量与前一块不同，具体表现在图3-5-a至图3-5-c中的第1象限。②窗口的区域或窗口数量与前一块不同；具体表现在图3-3-a和图3-3-b的上半圆区域，由1个圆窗变为2个圆窗。这里说的区域可以是折流板的半圆区域，也可以是折流板上的某一象限区域。在同一块折流板上也可以有不 同形状的窗口。 

以图3-1-a至图3-1-c为例解释如下：A折流板在中心线以上开有两个矩形窗口，而B折流板在中心线以下开有两个矩形窗口，A折流板和B折流板可相邻放置在图2中的壳体5内，A和B形成一个错开窗式折流板结构，每个错开窗式折流板结构为一个循环，在一个壳体内有多个所述错开窗式折流板结构循环布置，使壳程流体呈部分横向和部分纵向的连续流动状态。 

具体来说，如图3-1-a至图3-8-c所示，图3-1-a至图3-8-c中给出了本实用新型管壳式换热器内的错开窗式折流板结构的8个实施例，每个实施例里面有3个折流板，每个实施例中的3个折流板表示：如果A与C相同则表示两块折流板构成一个错开窗式折流板结构，即为一循环，如果A、B、C都不同则表示三块折流板构成一个错开窗式折流板结构，即为一循环。以图3-1-a至图3-8-c中的第一个实施例(图3-1-a至图3-1-c)为例解释如下：因为C折流板与A折流板完全相同，故A折流板与B折流板为一个循环，一个循环即一个错开窗式折流板结构，每组再循环排布。一台换热器内仅采用其中一种实施例的开窗形式，同一台中可含有该种实施例所示的错开窗式折流板结构的N个循环。图3-1-a至图3-8-c中布管区边缘的小孔是其中一个换热管的示意，其实每个网格中心都有换热管圆孔，都应画小孔，但如果布管区每个网格中心点都画上圆，将会影响本实用新型窗口的示意。 

使用时，如果需要流体上下折流，则选用第一种或第六种实施例，如图3-1-a至图3-1-c和图3-6-a至图3-6-c所示，如需要流体左右折流，则选用第八种实施例，如图3-8-a至图3-8-c所示，其它介于这两种之间的折流则可选用图3-2-a至图3-2-c、3-3-a至3-3-c、3-4-a至3-4-c、3-5a至3-5c和图3-7-a至图3-7-c所示的实施例。 

具体应用时，先根据介质流量Q、流速ν计算出流通面积A＝Q/ν，再根据流体性质(气-液、液-液、液-固)、换热器的直径和管程确定每块折流板2上的开窗区域和每个窗口的面积，各窗口面积之和等于所需的流通面积A；然后可 根据布管区域的(图3-1-a至图3-8-c中的网格部分)不同设计开窗形状，如矩形、圆形、三角形、多边形等。实际上图3-1-a至图3-8-c中各个实施例的折流板上的布管区并非都是一样的，因为本实用新型强调的是窗口，所以未在图上表示出布管区域的不同。相邻折流板上开设窗口的区域不同、窗口数量可以相同也可以不同，前后折流板上的窗口交错排列，使壳程流体呈现为横向流动与纵向流动不断变换的流动状态。 

多组所述错开窗式折流板结构是通过拉杆和定距管3固定在壳体5内的。在管壳式换热器的壳体5内安装有多根换热管4，所有所述换热管4与壳体5的轴线平行，且穿过每块折流板2。具体实施时，是通过拉杆和定距管3将若干块折流板2沿壳体轴线穿好，再将所有换热管4穿过每块折流板2后组成管束，各折流板2依靠拉杆和定距管3固定在一起，然后再全部装入由管板1和壳体5组成的壳程中，如图2所示。 

在折流板窗口区的换热管外可设置支撑，也可以无支撑。设置支撑时，是在所述折流板2的窗口处设置至少一个支撑杆6(如图4-1和4-2所示)，所述支撑杆6横跨窗口，其两端焊接固定在折流板2的板面上，所述支撑杆6插入所述换热管4之间，防止窗口区域内的换热管的振动。所述支撑杆6采用金属棒制成。 

另外，为了防止了短路，在开窗区域没有布置换热管的地方，设置防短路挡管。在折流板2之间采用拉杆定和定距管3连接，相邻两块折流板2之间的距离可根据流体流速、传热、压力降等进行调整，用定距管的长短来调整折流板间距，定距管长，折流板间距就大。 

本实用新型所用的折流板是将传统的管壳式换热器中的弓形折流板改为开有窗口的折流板，其它结构均采用管壳式换热器的常规零部件。本实用新型所用的折流板的外圆采用车床加工，所开窗口通过切割、冲压的方式加工而成即可。 

随折流板上所开窗口位置的变化，壳程流体沿纵向流动的同时部分改变为 横向流动方向，使壳程流体呈现为横向流动与纵向流动不断变换的流动状态，强化了壳程流体的湍流程度。 

将本实用新型中的折流板与弓形折流板对比，本实用新型中的折流板迫使壳程流体呈部分纵向冲刷换热管束的流动状态，因此在增加湍流程度的同时，提高了换热系数，如图6所示。从图5-1和5-2中可以看出，流体流经单弓形折流板的所经过的路程比流经本实用新型所用折流板的路程长，导致压力损失增大。图7-1和7-2为两种折流板换热器中换热管之间流场边界层，图7-1和7-2中单弓形折流板换热器换热管之间的边界层要厚于本实用新型管壳式换热器换热管之间的边界层，导致流体的湍流度降低，所以单弓形折流板换热器壳程流体的传热系数要低于本实用新型管壳式换热器壳程的传热系数。具体来说，在本实用新型管壳式换热器中，壳程流体在流经折流板时，所有流体都从换热管之间流过，射出的流体速度会很高，直接冲刷管壁，如图7-2所示，这种现象减薄了管壁上的流体边界面，使传热系数升高，且可以有效阻止流体产生的污垢附着在管壁上。而单弓形折流板换热器中的流体流经折流板时，如图7-1所示，流体边界层也比使用本实用新型折流板结构的换热器中换热管间的边界层厚，使参与传热的有效流动被削弱，因而其整体传热性能下降，如图6所示。 

图5-1为传统的单弓形折流板换热器壳程流场的俯视图，图5-2是本实用新型管壳式换热器壳程流场的俯视图，比较两图可以看出，图5-1中的流线密集区更加靠近边缘，而图5-2中的流线密集区离边缘有一段距离，而边缘是没有换热管的，也就是说边缘区域不参与换热。另外，密集流线流经的距离越长、路径越长，沿程阻力越大。从竖着的标尺上看：图5-1中最大流速为1.846e+001，而图5-2中最大流速为1.72e+001。同一种流体流速越大阻力也就越大。对比两图可以看出与弓形折流板对比，使用本实用新型折流板结构的换热器的换热效率高，且流动阻力小。 

将本实用新型与折流杆结构对比，在全液相无相变传热过程中，本实用新型可使流体呈部分横向流动的流动状态，在降低壳程压力降的同时，提高了流 体传热系数。 

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。 

Claims (10)

1.一种管壳式换热器，其特征在于：所述管壳式换热器包括壳体(5)以及安装在壳体(5)内的至少一组错开窗式折流板结构，每组所述错开窗式折流板结构包括至少两块折流板(2)；

每块所述折流板均为圆平板形，在其上开有穿管孔；在每块所述折流板的布管区内开有至少一个窗口；

所有错开窗式折流板结构中的折流板(2)平行设置在壳体(5)内，且均与壳体(5)的轴线垂直，所有折流板(2)的圆心均位于壳体(5)的轴线上；

相邻两块折流板(2)上的窗口是相互错开的。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于：相邻两块折流板(2)是在不同的区域开有数量不同的窗口，或者是在不同的区域开有数量相同的窗口，或者是在相同的区域开有数量不同的且错开的窗口。

3.根据权利要求2所述的管壳式换热器，其特征在于：相邻两块折流板(2)上的窗口的形状相同或不相同；相邻两块折流板(2)上的窗口的总数相同或不相同。

4.根据权利要求3所述的管壳式换热器，其特征在于：一块所述折流板(2)上的窗口的形状为圆形或多边形。

5.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于：一块所述折流板(2)上的各个窗口的形状相同或不相同。

6.根据权利要求1至5任一所述的管壳式换热器，其特征在于：如果一块折流板(2)上的窗口的数量为1个，则该窗口的面积等于所需的流通面积A；如果一块折流板(2)上的窗口的数量多于1个，则该块折流板上所有窗口的面积之和等于所需的流通面积A；所需的流通面积A是用公式A＝Q/v计算出来的，其中Q是介质流量、v是流速。

7.根据权利要求6所述的管壳式换热器，其特征在于：各组所述错开窗式折流板结构通过拉杆和定距管(3)固定在所述壳体(5)内；

所述管壳式换热器进一步包括管板(1)和换热管(4)；所述换热管(4)安装在所述壳体(5)内，并与壳体(5)的轴线平行，且穿过每块折流板(2)；

所述管板(1)、换热管(4)、折流板(2)和拉杆和定距管(3)组成管束。

8.根据权利要求7所述的管壳式换热器，其特征在于：在每块所述折流板(2)的窗口处设置至少一个支撑杆(6)，所述支撑杆(6)横跨窗口，其两端焊接固定在折流板(2)的板面上；所述支撑杆(6)插入所述换热管(4)之间。

9.根据权利要求8所述的管壳式换热器，其特征在于：所述支撑杆(6)采用的是金属棒。

10.根据权利要求9所述的管壳式换热器，其特征在于：在折流板(2)的窗口处没有布置换热管的地方，设置有防短路挡管。

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