CN203869550U - 换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及热交换技术领域，公开了一种换热器，包括壳程筒体、安装于壳程筒体内部的管板、管束和折流格栅板，管束穿过折流格栅板且与其两端的管板固定连接，管束的管子的截面为多边形结构，多边形结构的管子边缘倒圆角；折流格栅板和管板上分别设有与管子形状相匹配的安装孔和固定孔；折流格栅板为沿管程方向平行设置的多块，且相邻的折流格栅板的弓形格栅交错分布。本实用新型的壳程内流体流经折流板的格栅时形成“卡曼漩涡”，流体在自旋流动阻力小，使得边界层流动速度提高，有效地强化了流体的对流传热，且管内壁面无卫生死角，易清洗。管束的管子之间的间隙为类矩形间隙，伴有“文丘里”效应，其换热效果得以进一步大幅度提高。

Description

换热器

技术领域

本实用新型涉及热交换技术领域，特别是涉及一种换热器。

背景技术

石油化工、制药等行业都在大力发展大容量、高性能传热设备，且对传热设备的尺寸和重量有着特殊的要求。尤其是在制药行业，需要管程清洗清洁方便、符合行业标准、体积小、单位体积传热面积大的小型化的换热器设备，以满足制药行业产品质量管理、洁净生产和环保要求。目前，适用于石油化工、制药等行业的换热器一般包括管壳换热器和板式换热器。

管壳换热器，又称管板式换热器，其结构简单、机械密封性好，可采用各种材料制造，可在耐高压高温下使用。换热器由壳程筒体、换热核心管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳程筒体内设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上。换热管束在管板上一般是按等边三角形或正方形进行排列的，圆形换热管的直径和管束间距决定了管板上单位面积的圆形换热管的排布数量，当换热管的直径和管束的间距一定时，只有增加换热圆管的数量和长度来提升换热面积，由于换热器的公称直径增大，从而导致设备体积尺寸庞大、重量大。通常的管壳换热器采用Φ19或Φ25圆形换热管，其圆管壁厚度较大(1～4mm)。因此，单位体积的换热器面积所用的金属材料消费较大，且换热效率低。

板式换热器，是由薄金属片叠装而成的一种新型高效换热器。以薄壁金属板片(0.2～0.8mm)为换热核心，薄壁金属板之间形成薄矩形通道。该板式换热器的冷热流体通道两侧的换热板面四边的密封边界较长，机械密封难度大，容易产生流体泄漏，换热板间有凸肋支撑，间隔较小，板间流道的平均间隙为3～5mm，流道曲折多变，流体流动阻力大，容易造成污垢堵塞，操作能耗高，流道不容易清洁清理，不能在耐压高温下使用。

针对以管程圆形管束为换热核心的管壳换热器，改变圆管截面形状、减小圆形管径和缩小管束间距是提升单元体积的换热器面积及减少材料消费的有效措施。

目前，有如中国专利CN2597933Y报道采用螺旋折流板支撑的异形管束管壳换热器，其异形管是以圆形管为基础，可以改进提升单根圆管的换热面积和交换效率。其具体措施是：采用内翘片管和外翘片管、螺旋槽纹、螺旋内肋片管、螺旋波纹管、横纹管、多孔表面换热管作为换热核心。如采用螺旋槽纹圆管(Φ8～Φ10)管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，管内流体通过螺旋纹槽的引导，使得靠近管内壁面的部分流体顺着纹槽旋流，有利于减薄边界层厚度，其热效率得到极大提高，以这类异形管为换热单元的换热器对冷热流体的洁净度要求很高，管程和壳程清洗清洁难度较大，且这种螺旋纹槽的制造工艺较复杂。

又如中国专利CN2462328Y也报道了采用异形管以提高的换热效率，具体措施是：异形管以沿着长度方向带有一定距离的圆形截面和非圆形截面的组合，通过管程内流体流通面发生急剧变化，导致流动状态湍流程度增加，因而达到高效的传热，这种异形管对大规模快速制备难以实现，管程存在死角，清洗清洁困难。

再如中国专利CN100498180C报道的，采用旋流片支撑的矩形管束的换热器及其强化传热方法，该矩形管束是以若干个宽度不一且相互平行的尺寸不同的矩形管组成的，矩形管束的间距为10～100mm，这种以矩形管束为换热单元核心，内充装旋流片，在改变流体流通状态同时，加大换热器的单元体积的换热器面积，提升了换热器的效率。这种矩形管束宽度不一，单个矩形管宽度与厚度不等，且内充旋流片，存在死角，清洗清洁困难，规模化制造安装复杂，不适耐压条件下使用。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何保证换热器易清洗的前提下，提高换热器的换热效率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种换热器，包括壳程筒体、安装于所述壳程筒体内部的管板、管束和折流格栅板，所述管束穿过所述折流格栅板且与其两端的管板固定连接，所述管束的管子的截面为多边形结构，所述多边形结构的管子边缘倒圆角；所述折流格栅板上设有与所述管子形状相匹配的安装孔，所述管板设有与所述管子形状相匹配的固定孔；

所述折流格栅板为沿管程方向平行设置的多块，且相邻的所述折流格栅板的格栅交错分布。

进一步地，所述格栅的宽度为1～100mm，且每个格栅的高度不等。

进一步地，所述管束的管子之间的间隙不相同。

进一步地，所述管子为柱形管或直径沿管程方向递减的锥形管。

进一步地，所述锥形管的两端的截面积之比为10:1～10。

进一步地，所述管子的壁厚为0.1～6.0mm。

进一步地，所述管束两端的管板之间连接有定距杆。

(三)有益效果

本实用新型提供的一种换热器，在管程方向上，平行设置多块折流格栅板，且相邻折流格栅板的格栅交错分布，使得壳程内流体流经折流格栅板时形成卡曼漩涡，流体在自旋流动阻力小，流体速度在整个壳程断面比较均匀，使得边界层流动速度提高，有效地强化了流体的对流传热，且以边缘倒圆角的多边形结构的管束作为换热核心，使得多边形管子相邻两边之间以平缓光滑的弧线过渡，管内壁面无卫生死角，管程易清洗清洁。

进一步地，在管程方向管束的管子为柱形管或直径递减的锥形管，且管子之间的间隙不同，使得管程内流体在流通时具有板式换热效果，伴有“文丘里”效应，其换热效果得予大幅度提高。本实用新型可用于制药石油化工等领域热交换，管程耐压耐温，适合于高温、低密度、体积巨大的流体热交换，换热面大，无死角，方便清洗清洁，可满足洁净生产和节能环保要求。

附图说明

图1是本实用新型换热器的结构示意图；

图2是本实用新型管束的管子截面图；

图3是本实用新型折流格栅板的截面图；

图4是本实用新型管板的截面图。

其中，1、管板；11、固定孔；2、定距杆，3、折流格栅板；31、安装孔；32、弓形挡板；33、格栅；4、管子；5、壳程筒体；6：管程出口；7：壳程入口；8：管程入口；9：壳程出口；10：封头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型的一种换热器，该换热器可以是固定管板式换热器、浮头式换热器、或并联、串联或混合联等不同的组合换热器。如图1所示，本实用新型的换热器包括壳程筒体5、安装于壳程筒体5内部的管板1、管束和折流格栅板3，管束穿过折流格栅板3且与其两端的管板1固定连接，管束左右两端的管板1的外侧分别设置管程入口8和管程出口6，管程出口6位于管程入口8的斜下方，壳程筒体5位于管程出口6的一侧为封口；管束的上下两端分别设有壳程出口9和壳程入口7；壳程入口7靠近管程出口6设置，壳程出口9靠近管程入口8设置。其中，如图2、图3和图4所示，管束的管子4的截面为多边形结构，该多边形结构的管子4的边缘倒圆角；折流格栅板3上设有与所述管子形状相匹配的安装孔31，管板1上设有与管子4形状相匹配的固定孔11，管子1穿过安装孔31，且其两端分别与管板1的固定孔11固定连接，以使得管子4与折流格栅板3连接紧密，折流格栅板3为沿管程方向平行设置的多块，且相邻的折流格栅板3的格栅33交错分布，该折流格栅板3的格栅33为条状。管束两端的管板1之间连接有定距杆2，该定距杆2可为一根或者多根，定距杆2用于固定管束两端的管板1的距离，该定距杆2上可设置刻度，以标识该距离。

本实用新型在管程方向上，平行设置多块折流格栅板，且相邻折流格栅板的格栅交错分布，消除产生流体诱导设备振动的根源，使得壳程内流体在横向流动和纵向流动之间进行反复交错转换，可形成“卡曼漩涡”，流体在自旋中流动阻力小，流体速度在整个壳程断面比较均匀，使得边界层流动速度提高，有效地强化了流体的对流传热，大大提高了换热器的换热效果，与传统的折流格栅板相比，压降减少75％，总的传热系数提高25％。且本实用新型采用边缘倒圆角的多边形结构的管子4作为换热核心，该圆角多边形管的截面面积比与其周长相等的圆形管的截面积要小近30％，且单位长度的换热面积相同，由此减少了材料用量；且管束的管子的边缘倒圆角，使得多边形管子相邻两边之间以平缓光滑的弧线过渡，管内壁面无卫生死角，管程易清洗清洁。

如图3所示，优选地，本实用新型的折流格栅板3为由多块间隔排列的弓形挡板32组成，相邻弓形挡板32之间的间隙形成可供冷热流体通流的格栅33。折流格栅板3整体上为圆形，组成整个折流格栅板3的弓形挡板32的长度和形状可不一样，由此弓形挡板32之间的格栅33长度不一且相互平行，弓形挡板32的宽度可为1-100mm，其大小取决于管板截面尺寸的大小，该弓形挡板32可以为无孔板或有孔板或二者的结合；而格栅33的宽度可为1～100mm，优选为5-20mm，最优的为10mm，该宽度值的大小取决于管束间隙的设计，且每个格栅33的高度不等，其高度指的是如图3中贯穿整个折流格栅板3表面的距离。折流格栅板3为沿着管束长度方向平行设置的多块。该多块折流格栅板3的格栅33交错分布，可从根本上改变壳体内流体的流动状况，该多块折流格栅板3可相互垂直交错分布。

进一步地，本实用新型的壳程内流体穿过折流格栅板3，折流格栅板3的外边缘与壳程筒体5的内边缘结构和尺寸相匹配，折流格栅板3的外边缘贴紧在壳程筒体5的内边缘上，这极大地限制了可能潜在的纵向流通旁路，有效强化流体的对流传热。

由于管束的多根管子4为边缘倒圆角的多边形，该对根管子4之间的间隙为类矩形间隙，该多根管子的间距大小不相同。

多根管子的间距应小于100mm，最佳间距小于30mm。管子4的长度小于20m，最佳长度小于5mm。管子4的当量直径小于25mm，最佳当量直径小于10mm，该当量直径：de＝4A/λ，其中，A为管子的截面积，λ是管子的湿周。管子4的壁厚为0.1～6.0mm，最佳壁厚为0.1-0.8mm。管子4的截面边长可以相等也可以不相等。

作为换热核心的管束的管子4可为柱形管或直径沿管程方向递减的锥形管，该锥形管形成文丘里管，管程内流体经该锥形管形成“文丘里”效应，且管子之间的间隙不同，使得管程内流体在流通时具有板式换热效果，其换热效果得予大幅度提高。

当管子为锥形管时，其两端的截面积之比为10:1～10；管束的管子间的间距，以尺寸较大的一端为基准，平行排列，大尺寸的一端位于靠近管程入口8的一侧，小尺寸的一端位于靠近管程出口6的一侧；管子4大尺寸的一端的间距小于100mm，小尺寸的一端的间距小于30mm。当管子4为柱形管时，该柱形管的间距应小于100mm，最佳间距小于30mm。

管束的管子4的截面可为三角形、梯形、正多边形、矩形等。如图2所示，本实用新型以截面为三角形为例：边缘倒圆角的三边形管子的截面的边长为4mm，管束的管子间隔可为3mm，通过优化设计在Φ159X4壳程内设置有圆角等三边形细管束370根，1.5米长的单根圆角等三边形管的热交换面积为0.018m2，总换热面积为6.2m2，而按照标准JB/T4715-92制作壳程直径Φ159管式换热器，管程Φ19，当换热管长度为1500mm时其换热面积只有1.3m2，在壳程Φ159X4内设置有的圆角等三边形管束后，换热面积增加近5倍，经综合对比测试，与按照标准JB/T4715-92制作的壳程直径Φ159、管程Φ19、换热管长度1500mm的换热器相比，流体在圆角等三边形细管束管程流通时换热效率提高4～5倍。

上述技术方案所提供的一种换热器，其强化换热方法为：管程内流体经管程入口8进入管束的管子4并从管程出口6流出，壳程内流体经壳程入口7进入管子4之间的间隙和折流格栅板3的格栅33并从壳程出口9流出，折流格栅板3为沿管程方向平行分布的多块，且相邻的折流格栅板3的格栅33交错分布，壳程内流体流经该多块折流格栅板3的格栅33可形成卡曼漩涡，流体在自旋流动阻力小，流体速度在整个壳程断面比较均匀，使得边界层流动速度提高，有效地强化了流体的对流传热；其中，管程内流体和壳程内流体为不同的冷热流体，由此，实现换热器的冷热源交换。此外，由于在管束的管子是沿管程方向递减的锥形管，管子之间的间隙为锥形间隙，其间距不同，由此，管程内流体流经管束的管子可形成“文丘里”效应，使得管程内流体在流通时具有板式换热效果，其换热效果得予大幅度提高。此外，另一种形成“文丘里”效应的方式为：沿管程方向，管束的管子为柱形管且管束的管子之间的间隙不相同，由此，壳程内流体流经管束间时形成“文丘里”效应。

本实用新型的换热器及强化换热方法，可用于制药石油化工等领域热交换，管程耐压耐温，适合于高温、低密度、体积巨大的流体热交换，换热面大，无死角，方便清洗清洁，可满足洁净生产和节能环保要求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种换热器，包括壳程筒体、安装于所述壳程筒体内部的管板、管束和折流格栅板，所述管束穿过所述折流格栅板且与其两端的管板固定连接，其特征在于，所述管束的管子的截面为多边形结构，所述多边形结构的管子边缘倒圆角；所述折流格栅板上设有与所述管子形状相匹配的安装孔，所述管板设有与所述管子形状相匹配的固定孔；

所述折流格栅板为沿管程方向平行设置的多块，且相邻的所述折流格栅板的格栅交错分布。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述格栅的宽度为1～100mm，且每个格栅的高度不等。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述管束的管子之间的间隙不相同。

4.如权利要求1-3任一项所述的换热器，其特征在于，所述管子为柱形管或直径沿管程方向递减的锥形管。

5.如权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述锥形管的两端的截面积之比为10:1～10。

6.如权利要求1-3任一项所述的换热器，其特征在于，所述管子的壁厚为0.1～6.0mm。

7.如权利要求1-3任一项所述的换热器，其特征在于，所述管束两端的管板之间连接有定距杆。