CN2310975Y - 螺旋折流板换热器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋折流板换热器是一种在工业领域中普遍应用的管壳式换热器,其仅改变传统的弓形折流板的结构形式,螺旋折流板是采用呈部分椭圆形及三角形的平面板组合而成,可使壳侧流体实现连续、柱塞状螺旋流动,改变了流体流场分布,从而克服了存在的传热死区及来回折流动量损失。可获得有效地降低流动阻力及明显提高传热速率的效果,简化了螺旋形曲面板的加工难度,使其容易推广应用。

Description

螺旋折流板换热器

本实用新型涉及一种管壳式换热器。

在石油、化工、能源动力等工业领域中，管壳式换热器是实现流体热量交换的最普遍应用的一种结构形式。在管壳式换热器的壳侧流道中设置折流板的作用是强迫壳体改变流动方向及支承管子。为降低壳侧流体的阻力，提高传热速率，减少管子振动及防止流体结垢，已产生了许多种折流板的结构形式。目前，在工业中较普遍采用的是弓形或园缺形折流板的结构形式。由于在弓形折流板的园缺区中，流体呈平行于管轴方向流动，以及在折流板和壳体交汇处存在着流动滞止的死区，致使传热性能下降。由于流体在折流板之间呈曲折流动，多次改变流动方向，以及在折流板边缘处引起流体分离，致使产生过高的流动阻力。因此采用这种传统弓形折流板，若要获得较高的传热速率，就会产生相当高的压降，即要以增加泵功消耗为代价。为了节能及节材，迫切需要改变传统的折流板结构形式。

本实用新型的目的是使管壳式换热器中的壳侧流体实现连续的螺旋状流动，提出了一种新颖的螺旋折流板结构形式及其制造安装工艺，以实现有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种螺旋折流板管壳式换热器，其折流板为螺旋折流板，螺旋折流板的特征参数为螺旋角φ，直径D，一个螺距长度为Hs,Hs=πDtgφ，按圆心角将螺旋线投影的园周作2m等分，m为1、2、3……自然数，一个螺距的螺旋折流板由2m块呈部分椭园形平面板(4)和2m-1块三角形平面阻流板(5)相间连接成螺旋面组成，在换热器壳体(1)有效长度L内设有Z块部分椭园形板(4),Z≤2mL/Hs，取整数，和(Z-1)块阻流板(5)相间连接构成连续的螺旋面。

本实用新型的基本思想是彻底改变弓形折流板的流体流动方式及流场分布，在螺旋折流板之间，流体呈连续、柱塞状螺旋流动，流速较稳定，动量变化小，无折流板边缘产生流体分离，因此可有效地降低流动阻力。流体呈螺旋形流动，并不是一种以某倾斜角横掠管束的流动状态，而在其流道中，从园心至壳体半径方向上存在着较大的速度梯度，以及在螺旋形槽道中两次环流的影响下，能有效地在管子表面产生紊流，使边界层减薄及分离，以及在此折流板中不存在流动滞止死区，因此在尽可能小的的泵功消耗的情况下能产生较高的传热速率，这种新颖结构易于制造及安装，它的推广应用能产生明显的经济效益。

以下结合附图详细说明本实用新型的结构。

图1为有心轴的螺旋面示意图。

图2为有心轴螺旋面内、外周的导程示意图。

图3为在园周长度上螺距Hs和园心角α变化关系示意图。

图4为在直径为D的园柱上以园心角α将园周二等分的一个螺距螺旋折流板结构示意图。

图5为在直径为D的园柱中分面上，半椭园形板A、B和阻流板C的几何关系示意图。

图6为在直径为D的园柱上以园心角α将园周四等分的一个螺距螺旋折流板结构示意图。

图7为在直径为D的园柱中分面上，直角椭园形板  与阻流板的几何关系示意图。

图8为管板与椭园形板上管孔对应关系示意图。

图9为螺旋折流板换热器结构示意图。

螺旋形折流板的两个重要几何参数是折流板外周基园直径D及螺旋角φ。折流板安装于壳体1中，壳体内径为D_o，为便于安装的装配要求及尽可能的减少流体短路流动，折流板直径和壳体1内径的间隙为C₁，则D=D_o-2C₁,1mm≤C₁≤10mm。螺旋角φ为5°＜φ＜50°，螺旋角的大小决定了螺旋折流板的螺距Hs，且Hs=πDtgφ。D和Hs的大小将影响壳侧流道流动截面积(即流速的大小)，以及流体流动旋转流场的速度梯度，是直接影响流动阻力及传热性能的好坏的两个重要几何参数。

要实现上述目的，要设计加工一个等厚度的螺旋面作为折流板，并使螺旋面垂直于管轴，使流体严格实现螺旋流动，在技术上是难以实施。这是一项可想而不可及的事情。

在螺旋输送器中的螺杆，在传动系统中的丝杠等，其等厚度的螺旋面是设置在中心杆(或称心轴)上，见图1。螺旋面基园外周直径为D_o，心轴直径为D_o，当螺旋角φ_o一定后，螺旋面外周螺距为Hs_o=πD_otgφ_o，导程长为L_o=πD_o/cosφ_o。在心轴上螺旋面内周的螺距Hs_o应该和外周螺距Hs_o相等，因此，在心轴上螺旋面内周的螺旋角φ_o应为：tgφ_o=Hs_o/πD_o=(D_o/D_o)tgφ_o，其导程长L_o应为：L_o=πD_o/cosφ_o，其几何关系见图2，这样一个螺旋面的设计及加工是可以实现的，并已在工业中采用。但在管壳式换热器中并不存在中心杆(或心轴)，则螺旋面内周是在壳体中心线上，即D_o=0，要使螺旋面保持垂直于壳体中心线走出一个螺距Hs_o，则在中心线上是无法走出一个和Hs_o相等的螺距，这就是至今在螺旋折流板开发上所遇到的难题。若就是设置中心杆，这样一个螺旋面的加工及在螺旋面上的许多管孔的加工也是十分困难的。

本发明思想是从简化螺旋面的结构着手，在分析螺旋面的几何关系中寻求出一个用平面替代曲面，而能使壳侧流体实现连续螺旋形流动，这样一种新颖的折流板结构，称为螺旋形折流板。

当螺旋面的几何参数D和φ确定后，在以直径为D的园柱上，螺旋面的外周螺距为Hs，且Hs=πDtgφ。此螺距沿园柱投影园周长πD和园心角α的变化呈线性变化关系，见图3，园心角α从0°至180°，在园柱上螺旋面的轨迹上升了半个螺距Hs/2；从180°至360°，螺旋面又上升了半个螺距Hs/2。基于上述基本关系，在图4中示出园柱上一个螺距的螺旋面外周轨迹的变化规律。在一个直径为D的园柱上，其螺旋线的投影基园上从0₁至O₂，园心角α从0°至180°，在半个园周的园柱上，一个以螺旋角φ的螺旋面在半个园周的园柱上轨迹为从O₁A走到O₂A的螺旋线，此O₁A和O₂A的垂直高度差为Hs/2。点O₁A和O₂A连成直线，此直线和园柱上螺旋线外周的曲线组成一个平面A，此平面A为半椭园形平面。同样园心角α从180°至360°，螺旋线外周从O₂B至O₁B，其垂直高度差也是Hs/2,O₁B、O₂B连成直线和园柱上螺旋线组成的平面亦是半椭园形平面B。若采用园柱面以O₁O₂为中分面，在此中分面上，半椭园形平面A及B的投影为直线O₁AO₂A及O₁BO₂B，见图5，在图中可见，半椭园形平面A和B分别和水平线夹角θ，且存在着如下几何关系： $\mathrm{tg\θ}=\frac{\mathrm{Hs}/2}{D}=\frac{\mathrm{\πDtg\φ}}{2D}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)---\left(1\right)$

从上式可见，θ角是一个完全取决于螺旋角φ的特征角，半椭园形平面A、B是分别以向上及向下倾角为θ和园柱的切面。它是由一个椭园形平面以长轴为中分面切开为两块对称的半椭园形平面。此椭园形平面短半轴长度b=D/2，长半轴长度a,a的大小由下式计算而得， $a=\frac{1}{2}\sqrt{D^2+{(\mathrm{Hs}/2)}^2}=\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)}^2}----\left(2\right)$

a的大小完全取决于螺旋面的几何参数D和φ值。

由图4和图5可见，两块半椭园形平面的中心OA和OB和顶点O₂A(或O₂B)组成一个等腰三角形平面C，该等腰三角形平面称为阻流板C，其底边长度OAOB=Hs/2，高为D/2。此阻流板C将上、下两块半椭园形平面A及B连接，起着迫使流体呈螺旋状流动，防止流体短路，且起着将上、下两块半椭园形板定位的作用。

上述发明思想说明一个螺距的螺旋形折流板的结构是由两块半椭园形板A和B及阻流板C所组成。以此类推，在一个换热器有效长度L上，可由若干个螺距的螺旋折流板组合而成。

从上述发明思想所提供的螺旋形折流板可实现壳侧流体作螺旋状流动，但和严格的螺旋面相比，其壳侧螺旋流动的截面积并非均匀不变，且等于DHs/2，若采用上述的螺旋折流板，其壳侧流道的最小流动截面积为由点O₁A、OA、OB、O₁B所组成的梯形平面(见图5)，该梯形平面的截面积为3HsD/8和严格螺旋面流动截面积相比较，最小流动截面积缩小了25％，在流道中由于截面收缩及扩大会增加不必要的阻力损失。因此，在上述发明思想的基础上，提出了一个螺距的螺旋折流板，按园心角将360°分成四等分，由四块直角形椭园板和三块阻流板组成的结构形式。图6示出在直径为D的园柱上，从O₁出发，园心角α经过90°，螺旋线上升为Hs/4，但在园柱轴心线上，仅上升Hs/8(点OA₁位置)，在图7的O₁O₂中分面投影图上以点OA₁示出。当园心角α从90°至180°，图6中螺旋线至O₂A点，但园心轴线从OA₁升至OA₂，因此，在图6中直角形椭园板A₁及A₂，分别以短半轴为D/2，而长半轴为O₁AOA₁及OA₂O₂A的直线所组成的四分之一的椭园形平面，我们称它为直角形椭园面。从图7中几何关系，可计算出椭园面与水平面的倾角θ₁，及长半轴a₁的大小为： ${\mathrm{tg\θ}}_1=\frac{\mathrm{Hs}/8}{D/2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg\φ}$ ${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg\φ}\right)-----\left(3\right)$ $a_1=\sqrt{{\left(\frac{H8}{8}\right)}^2+{\left(\frac{D}{2}\right)}^2}=\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\π}}{8}\mathrm{Dtg\φ}\right)}^2+{\left(\frac{D}{2}\right)}^2}$ $=$ $\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg}\mathrm{\φ}\right)}^2}$ $---\left(4\right)$

此时阻流板C₁的结构尺寸为底边长为Hs/4，高仍为D/2的等腰三角形，以此类推，直角形椭园面B₁和B₉，及阻流板C₂、C₃，均与椭园形平面A₁、A₂及阻流板C₁相同。

一个螺距的螺旋折流板采用四块直角形椭园板及三块阻流板组合的结构，虽比上述两块半椭园板及一块阻流板组合的结构要复杂些，但我们从图6及图7的示意图中可见，此时壳侧流道的最小截面积是由点O₁A、OA₁、OB₁及O₁B所组成的梯形截面，其截面积为7HsD/16，和严格螺旋面流动截面积相比较，最小流动截面积仅缩小了12.5％，即流道中截面收缩及扩大的影响比采用半椭园折流板要小，更接近于螺旋曲面。以结构复杂及加工量增加为代价，可获取更优良的热工性能。严格地说，按此发明思想，可把一个螺距的螺旋折流板按园心角将一个园周360°分成2m等分，m=1、2、3……为自然数，则由2m块部分椭园形平面板4及(2m-1)块阻流板5相间连接成螺旋面，以实现更渐近于螺旋形曲面，但这存在着一个适度问题，即要对增加的投入和得到的回报作比较，是否值得。

从上面所述的发明思想可归结为实现换热器中壳侧流体作连续螺旋形柱塞流动，在采用螺旋形曲面难以实现及难以加工的情况下，提出了以平面形折流板新颖结构，即用部分椭园形板4和等腰三角形阻流板5组合的方式，我们称为螺旋折流板，它能使壳侧流体实现螺旋形流动的特征，它可简化加工的难度，在不改变管壳式换热器的制造工艺的条件下，方便地实施本实用新型。

1、本实用新型提出的螺旋折流板的结构及几何尺寸取决于螺旋折流板外径D及螺旋角φ两个重要几何参数，提高换热器的性能需合理地选取这两个几何参数值。

2、本实用新型提出的螺旋折流板的结构组成及选用原则。

一个螺距Hs(Hs=πDtgφ)的螺旋折流板可按园心角α从0°至360°，分成2m等分，m=1、2、3……为自然数。则有2m块以部分椭园形为特征的平面板4及有(2m-1)块等腰三角形平面阻流板5相间连接成螺旋面所组成。m数愈大，该螺旋折流板结构更渐近于严格的螺旋形曲面，性能的提高以增加结构的复杂性及加工量为代价。

当m=1时，一个螺距的螺旋折流板的结构是由两块半椭园形板及一块三角形阻流板组成。

当m=2时，一个螺距的螺旋折流板是四块直角形椭园形板及三块三角形阻流板所组成。

以此类推，合理地选取m值，需考虑设计性能的需要、结构实施的工艺性及合理性。

通常在管壳式换热器中，根据设计性能需要管程走双回程或四回程，在管板上需留有和分程隔板安装密封的宽度，在此宽度上可设置阻流板5。因此，为方便阻流板的安装及结构上合理性，一般选用的原则为：

当管程为二回程时，宜选用m=1，即两块半椭园形板及一块阻流板，且阻流板设置在隔板密封槽宽度内。

当管程为四回程时，宜选用m=2，即四块直角形椭园板及三块阻流板。

3、从换热器热工性能设计要求，为螺旋折流板结构设计可提供的已知条件：

1)传热管型式及材质，管子规格、长度及管子数，即给出了螺旋折流板上管孔d_o的尺寸，及在两管板之间安装折流板的有效长度L。

2)壳体结构及几何尺寸，给出了螺旋折流板的投影外周直径D,D=D_s-2C₁。式中D_s为壳体内径，C₁是折流板安装在壳体内，其外周和壳体之间的间隙。

3)管板上管孔布置图，即选定了管程数，管孔的排列(等边三角形或正方形等)。给出了折流板上管孔中心的间距及管孔的几何尺寸。

4)从设计性能要求，给定螺旋角φ。

5)选定螺旋折流板的结构，m=1，或2。折流板材质及板厚度。

4、螺旋折流板的结构设计及实施工艺。

下面将以一个螺距螺旋折流板由两块半椭园形板及一块等腰三角形阻流板的结构形式，对螺旋折流板换热器结构、工艺及组装作介绍，参见图8、9。

1)椭园形板4的结构，决定椭园形板形状的两个几何参数为短半轴b和长半轴a。其几何尺寸的关系为：

b=D/2 $a=\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)}^2}$

2)椭园形板4上管孔7的结构尺寸

根据管板2上管孔7的布置尺寸可决定椭园形板4上管孔7的结构尺寸，图8示出一个在管板2上管孔7的布置方式，若管程采用双回程，在管板2轴线上应设有放置隔板宽度的密封槽，因此在管板2轴线X上、下和管孔7中心距C₂应根据隔板宽度和管孔直径d_o来选取。在管板2上管孔7若以等边三角形排列，相邻管孔7中心的距离为t，在管板2的Y方向上，两排管孔中心线之间距离为y,y=t/cos30°。

两块半椭园板4是沿长轴对称剖开，分别以倾角θ倾斜，管板2上轴线X和椭园形板4的长轴相对应。在图8的椭园形板4上的管孔7布置对应于管板2上管孔7布置，其长轴轴线为X，短轴轴线为Y，则椭园形板4上Y方向的管孔7中心间距y和轴线间距C₂和管板2上布置的尺寸相等，所不同的是在X方向上，由于椭园板4存在着倾角θ，因此管孔7呈椭园形，相邻两椭园形管孔7中心线的间距x=t/cosθ，椭园形管孔7短轴长为d_o，而长轴长度为d_o/cosθ，其θ角的大小由下式给出。 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)$

根据上述几何关系，可确定椭园形板4上管孔7的位置及加工尺寸。若干块椭园形板4上管孔7可叠在一起加工，节省加工工作量。

3)半椭园板

一个螺距的两块半椭园形板A及B，是由上述加工好的椭园形板4沿长轴剖开而得。

4)阻流板结构

阻流板C是一块和折流板等厚的等腰三角形板片，其底边长为Hs/2，高为D/2。

5)螺旋折流板的组成

已知换热器有效长度为L，一块半椭园形板安装所占长度为Hs/2，因此该换热器螺旋折流板应有Z块半椭园形板4,Z=L/(Hs/2)取整数，以及有Z-1块等腰三角形阻流板5相间连接构成连续的螺旋面所组成。

6)螺旋折流板的安装及固定

在螺旋折流板组装时，可利用管板2上先穿入几根传热管3作定位杆，将第一块半椭园形板4以倾角θ穿入传热管3，然后将阻流板5和半椭园板4点焊上，再将下一块半椭园板4穿入传热管3，为确保椭园形板4安装尺寸，在半椭园形板4的边缘钻上对称的定位孔，穿上拉杆6，拉杆6既可固定折流板，并起着扦查椭园形板4间距，在阻流板5和上、下两块半椭园板4焊牢后，由于拉杆6的存在增加了折流板的强度和刚性，便于穿管，两个螺距的半椭园形板4之间连接三角形阻流板5，半椭园形板4与阻流板5相间连接构成连续的螺旋面。在图9中示出了螺旋折流板换热器中螺旋折流板组装的示意图。在确定所有折流板完全组装好后，管子和管板最后胀死或胀焊方式连接，以确保管子和管板的连接强度及气密性。这样组装好的管束可套入壳体1中，完成安装工作。

当采用m=2，一个螺距的螺旋折流板由四块直角形椭园板及三块等腰三角形组成时，可参照上述介绍的方法去实施，所不同的有如下几点：

1)直角形椭园面和水平面夹角θ，按公式3计算；

2)椭园形板的长半轴长度a₁按公式4计算；

3)等腰三角形阻流板底边长为Hs/4；

4)螺旋折流板应有Z块直角形椭园板片，Z=L/(Hs/4)(取整数)及(Z-1)块阻流板所组成。

本实用新型实施例：

油冷却器，采用管壳式换热器结构，管内走冷却水以冷却壳侧的润滑油。

传热管采用黄铜管轧制的横槽纹管，管外径d=19mm，管子数n=19。

壳体为无缝钢管，φ146×5.5mm，壳体内径D₅=135mm，折流板和壳体间隙C₁=2mm，折流板直径D=D_s-2C₁=131mm。

管板上管子为三角形排列，管孔直径d₁=19.4mm，管孔中心距t=25mm。

两管板之间传热管有效长度L=1460mm。

折流板厚度为3mm，折流板上管孔直径d_o=19.6mm。

壳侧采用折流板结构形式四种，第一种为传统弓形折流板，园缺25％，折流板间距为100mm；第二、三、四种采用螺旋折流板，其螺旋角φ分别为15°、25°及40°。

三种螺旋折流板的结构参数计算见下表：

试验是在相同的传热管束，并在相同试验条件下(即在相同水和油流量下)作比较。热工性能评价指标采用K/ΔP值。该指标可衡量换热器在相同壳侧阻力降(ΔP)条件下所获得的总传热系数值。ΔP大小反映流体泵功消耗(即运行费用)，K值反映传热性能强弱，K值越大，在完成相同热负荷下，具有较小的传热面积，即可减少设备投资费。试验结果证实，以弓形折流板作为比较基础，在螺旋角分别为15°、25°及40°时，(K/ΔP)值分别是弓形折流板的1.3～2.5倍，可见螺旋折流板比传统弓形折流板具有优良的热工性能。

螺旋折流板换热器尤其适用于在传热过程中壳侧的热阻比管侧热阻大得多的场合，它更能发挥强化传热的作用。

采用螺旋折流板的加工虽比弓形折流板复杂，但相对于能获得降低阻力及强化传热的效益相比，螺旋折流板换热器应具有潜在市场需求，是值得被工业界所接受及推广的新产品。

Claims (4)

1、一种螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：其折流板为螺旋折流板，螺旋折流板的特征参数为螺旋角φ，直径D，一个螺距长度为Hs,Hs=πDtgφ，按圆心角将螺旋线投影的园周作2m等分，m为1、2、3……自然数，一个螺距的螺旋折流板由2m块呈部分椭园形平面板(4)和2m-1块三角形平面阻流板(5)相间连接成螺旋面组成，在换热器壳体(1)有效长度L内设有Z块部分椭园形板(4),Z≤2mL/Hs，取整数，和(Z-1)块阻流板(5)相间连接构成连续的螺旋面。

2、如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的部分椭园形板(4)是由一块椭园形板等分成2m等分面得，其短半轴长b=D/2，长半轴长度a分别为：

m=1时，半椭园形平面， $a=\frac{D}{2}\sqrt{1+(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg}{\mathrm{\φ})}^2}$

m=2时，直角形椭园平面， $a_1=\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg\φ}\right)}^2}$

所述的等腰三角形阻流板(5)，其高度为D/2，底边长度分别为m=1时，底边长为Hs/2,m=2时，底边长为Hs/4。

3、如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的螺旋角φ为：5°＜φ＜50°，所述的直径D=D_s-2C₁,D_s为壳体内径，C₁为折流板外周与壳体间隙，1mm≤C₁≤10mm。

4、如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：螺旋折流板由阻流板(5)和拉杆(6)连接固定椭园形板(4)构成一体。

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