CN209940915U - 一种整体翅片式相变等温加热炉管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种整体翅片式相变等温加热炉管，内管和外管上沿着轴向设置有多个均匀分布的整体翅片，整体翅片通过内管和外管从内至外依次分割为内翅片、中间翅片和外翅片；外翅片的边棱与内管的中心轴线之间呈现第二夹角布设；内翅片在内管内部的顶部伸入量大于底部伸入量，外翅片在外管外部的顶部伸出量小于底部伸出量；被整体翅片分割的内管和外管之间填充有多孔金属纤维，多孔金属纤维内封装有相变传热介质。本实用新型的加热炉管在有效提高传热效率的同时，能够有效地展平加热炉管的轴向温度分布，并优化管内外传热过程。

Description

一种整体翅片式相变等温加热炉管

技术领域

本实用新型属于炼油、化工工业中的加热裂解设备领域，涉及加热炉管，具体涉及一种整体翅片式相变等温加热炉管。

背景技术

烃类热解是石油化工生产的重要过程，其特点是高温(750℃以上)强吸热，对裂解设备的要求是温度分布均匀，物料在炉内停留时间要短，烃的分压要低。传统的大型裂解炉都是热源(燃烧油或气)加热外管壁，裂解物料在管内受热裂解。由于管外燃烧的温度场沿炉体轴向的不均匀性是无法克服的，因而在管内被裂解的工艺流体由于管壁温度的不均匀，局部过热而产生裂解副反应，甚至流体结焦化也是不可避免的。工业上的裂解炉有多种形式，使用最多的是管式炉，传统的管式炉的优点是结构简单，操作容易，能够连续生产。然而其缺点也较明显：管壁面受热不均匀，传热效率低；裂解反应在非等温条件下进行；裂解管内流体阻力大，影响了烃的分压，对提高其产品收率不利。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种整体翅片式相变等温加热炉管，以解决现有的加热炉管传热效率低、裂解反应在非等温条件下进行的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种整体翅片式相变等温加热炉管，包括同中心轴设置的内管和外管，所述的内管和外管上沿着轴向设置有多个均匀分布的整体翅片，所述的整体翅片通过内管和外管从内至外依次分割为内翅片、中间翅片和外翅片；所述的内翅片伸入至内管的内侧，所述的中间翅片位于内管和外管之间，所述的外翅片伸出至外管外侧，

所述的内翅片的边棱与内管的中心轴线之间呈现第一夹角布设，所述的外翅片的边棱与内管的中心轴线之间呈现第二夹角布设；所述的内翅片在内管内部的顶部伸入量大于底部伸入量，所述的外翅片在外管外部的顶部伸出量小于底部伸出量；

被整体翅片分割的内管和外管之间填充有多孔金属纤维，多孔金属纤维内封装有相变传热介质。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的伸入至内管内部的整体翅片上开设有多个沿着轴向均匀排布的翅片开孔。

所述的多个整体翅片以内管的中心轴线为对称中心，沿着径向呈辐射状均匀分布。

所述的整体翅片的个数为8的倍数个。

所述的第一夹角的角度范围为0～30°，所述的第二夹角的角度范围为0～30°。

所述的第一夹角等于第二夹角。

所述的整体翅片为波纹型翅片、锯齿型型翅片和/或梯形翅片。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本实用新型的加热炉管在有效提高传热效率的同时，能够有效地展平加热炉管的轴向温度分布，并优化管内外传热过程。

(Ⅱ)管内外采用轴向分布翅片，通过一种整体插入式纵向翅片同时实现内外管壁传热面积的增加，同时能够有效破坏管内流动边界层，强化管内的对流传热，对管内外壁面轴向温度分布具有一定的展平作用。

(Ⅲ)整体翅片与管中心轴线呈现一定的倾斜角，从而对传热管内外的流体实现螺旋式导流作用，实现传热管内外流体实现轴向螺旋式流动，从而优化传热管内外流体的流动与传热过程；

(Ⅳ)整体翅片为波纹型、锯齿型或梯形，能够增强对流扰动，强化传热，管内开孔波纹翅片不但能够增加传热面积，而且能够诱导管内流体边界层的脱离，产多个局部的二次涡流，增强流体的混合能力及传热过程。

(Ⅴ)同心内外管之间的多孔金属纤维具有较大的导热系数，增加了内外管壁的轴向导热作用，促进轴向管壁温度的均匀性。

(Ⅵ)同心内外管之间的多孔金属纤维既能实现高效热传导，又为液固两相流动提供较大的流动通道，起到导流作用。

(Ⅶ)相变材料由于内外壁温差及多孔金属纤维的导流作用下实现液固两相的高效循环流动与传热，从而将加热炉内管壁的轴向温度分布展平，使得内管壁近似形成等温面，并通过相变材料的选择管内壁温度的可控性能。

(Ⅷ)本实用新型不仅结构简单，加工制作简便，而且使用操作方便。

附图说明

图1是本实用新型的横截面结构示意图。

图2为本实用新型整体翅片的装配整体结构示意图。

图3是本实用新型的整体翅片装配剖视结构示意图。

图4是波纹型翅片的结构示意图。

图5是锯齿型型翅片的结构示意图。

图6是梯形翅片的结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-内管，2-外管，3-整体翅片，301-内翅片，302-中间翅片，303-外翅片，4-多孔金属纤维，5-相变传热介质，6-翅片开孔。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种整体翅片式相变等温加热炉管，如图1至图6所示，包括同中心轴设置的内管1和外管2，内管1和外管2上沿着轴向设置有多个均匀分布的整体翅片3，整体翅片3通过内管1和外管2从内至外依次分割为内翅片301、中间翅片302和外翅片303；内翅片301伸入至内管1的内侧，中间翅片302位于内管1和外管2之间，外翅片303伸出至外管2外侧，

内翅片301的边棱与内管1的中心轴线之间呈现第一夹角布设，外翅片303的边棱与内管1的中心轴线之间呈现第二夹角布设；内翅片301在内管1内部的顶部伸入量大于底部伸入量，外翅片303在外管2外部的顶部伸出量小于底部伸出量；

被整体翅片3分割的内管1和外管2之间填充有多孔金属纤维4，多孔金属纤维4内封装有相变传热介质5。

本实施例中，整体翅片3通过锲入铸造、焊接的形式实现与内管1和外管2的连接。内翅片301在内管1内部的顶部最大伸入量为内管1外壁和外管2内壁之间的径向距离的0.5～1倍；外翅片303在外管2外部的底部的最大伸出量为内管1外壁和外管2内壁之间的径向距离的3～5倍。

作为本实施例的一种优选方案，多个整体翅片3以内管1的中心轴线为对称中心，沿着径向呈辐射状均匀分布。整体翅片3的个数为8的倍数个。

作为本实施例的一种优选方案，第一夹角的角度范围为0～30°，第二夹角的角度范围为0～30°。第一夹角等于第二夹角。内翅片301在内管1内部的顶部伸入量大于底部伸入量，外翅片303在外管2外部的顶部伸出量小于底部伸出量；

作为本实施例的一种优选方案，整体翅片3的翅片厚度为内管1内径的1/10～1/5倍；整体翅片3采用波纹型翅片、锯齿型型翅片和/或梯形翅片。这三种整体翅片3的翅片高度H为翅片厚度的3～5倍，翅片周期长度L为翅片厚度的5～10倍。

作为本实施例的一种优选方案，内翅片301上开设有多个沿着轴向均匀排布的翅片开孔6。翅片开孔直径为翅片厚度的1～2倍。

作为本实施例的一种优选方案，多孔金属纤维4为轴向布置填充。多孔金属纤维与外管和内管之间采用烧结方式进行连接。多孔金属纤维的当量直径为内管内径的1/20～1/10倍，材料可为铜、不锈钢及铝，金属纤维的孔隙率为ε，其中0.4≤ε≤0.8。多孔金属纤维材料具有相对密度小,比表面积大、流体混合能力强、热导率高、力学性能好等优点，在紧凑式换热器中可作为一种理想的传热表面。其在强化换热领域的应用可以追溯到20世纪70年代,大量研究者将金属纤维烧结于热管内侧,既解决了接触热阻的问题,又应用了金属纤维毡的高强度、高热导率、低毛细半径等特点。已有的研究表明金属纤维对相变传热的强化效果。随着烧结技术的日趋成熟,烧结金属纤维多孔表面将成为最高效的多孔表面之一。

作为本实施例的一种优选方案，相变传热介质5采用石蜡。相变材料及相变传热由于其体积变化范围小，相变潜热较大及相变过程近似恒温等优点而被应用于传热强化及储能工程中。利用相变材料的以上优点，能够设计出热流密度大、结构紧凑、实现温度展平的换热元件及换热设备。此外纵向翅片技术广泛应用于传热管的传热强化过程，翅片技术既能增加传热面积，又能够诱导流动边界层脱离，强化对流传热过程。

综合以上分析，发现将相变材料独特的传热优势、多孔金属纤维材料传热特征及传热管内外整体插入式纵向翅片的有机结合，通过传热强化技术设计，则能够设计出一种具有高效传热能力及轴向温度展平能力的整体翅片式相变等温加热炉管，通过相变材料的选择管内壁温度的可控性能，从而提高烃类裂解炉的整体效率。

本实施例中，多孔金属纤维4的内部填充固体的相变传热介质5；外管2和内管1为传热管。外翅片303及外管2与高温热源接触，内管1及内翅片301加热管内介质，外管2与内管1的两端通过加工焊接实现无缝连接，实现外管2、内管1与整体翅片3之间形成多个局部区域的封闭。

本实施例中，外翅片303能有效增加外管2与热源的之间的传热面积，强化外管的传热过程。内翅片301不但能够增加传热面积，而且能够诱导管内流体边界层的脱离，产多个局部的二次涡流，强化管内对流传热。即内外轴向翅片技术能够同时强化管内外的传热过程；此外，整体翅片3与管中心轴线呈现一定的倾斜角，实现传热管内外流体实现轴向螺旋式流动，结合翅片的局部波纹与开孔设计，能够从整体上优化传热管内外流体的流动与传热过程；内管1和外管2间的多孔金属纤维4的结构及固体的相变传热介质5的作用，能够高效均匀地将管外的热量通过液固两相循环流动传递到管内，从而将加热炉内管壁轴向温度分布展平，内管1壁将形成等温壁面，并通过相变材料的选择管内壁温度的可控性能。

Claims (9)

1.一种整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，包括同中心轴设置的内管(1)和外管(2)，所述的内管(1)和外管(2)上沿着轴向设置有多个均匀分布的整体翅片(3)，所述的整体翅片(3)通过内管(1)和外管(2)从内至外依次分割为内翅片(301)、中间翅片(302)和外翅片(303)；所述的内翅片(301)伸入至内管(1)的内侧，所述的中间翅片(302)位于内管(1)和外管(2)之间，所述的外翅片(303)伸出至外管(2)外侧，

所述的内翅片(301)的边棱与内管(1)的中心轴线之间呈现第一夹角布设，所述的外翅片(303)的边棱与内管(1)的中心轴线之间呈现第二夹角布设；所述的内翅片(301)在内管(1)内部的顶部伸入量大于底部伸入量，所述的外翅片(303)在外管(2)外部的顶部伸出量小于底部伸出量；

被整体翅片(3)分割的内管(1)和外管(2)之间填充有多孔金属纤维(4)，多孔金属纤维(4)内封装有相变传热介质(5)。

2.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的内翅片(301)上开设有多个沿着轴向均匀排布的翅片开孔(6)。

3.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的多个整体翅片(3)以内管(1)的中心轴线为对称中心，沿着径向呈辐射状均匀分布。

4.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的整体翅片(3)的个数为8的倍数个。

5.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的第一夹角的角度范围为0～30°，所述的第二夹角的角度范围为0～30°。

6.如权利要求5所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的第一夹角等于第二夹角。

7.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的整体翅片(3)采用波纹型翅片、锯齿型型翅片和/或梯形翅片。

8.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的多孔金属纤维(4)为轴向布置填充。

9.如权利要求1所述的整体翅片式相变等温加热炉管，其特征在于，所述的相变传热介质(5)采用石蜡。

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