CN2339964Y - 螺旋折流板换热器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋折流板换热器是管壳式换热器的壳体中的一种特殊折流板结构形式。本实用新型螺旋折流板基本元件采用呈半椭圆形或扇形平面板替代难以实现及加工的螺旋形曲面,螺旋折流板在结构方式上可排列出各相邻折流板周边呈连续螺旋线,各相邻折流板交叉搭接及各相邻折流板呈双螺旋的结构方式。可更灵活适应及满足不同应用场合及对设计性能的要求。螺旋折流板可实现壳侧流体呈连续柱塞状螺旋流动,克服垂直弓形折流板存在的传热死区,可获得有效地强化传热及降低阻力的效果。

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流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垂直弓形又称圆缺形折流板的结构形式。由于在弓形折流板的圆缺区中，流体是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是曲折流动，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。有些发明者受管内加装扰流子使流体呈螺旋状流动能强化传热的启发，提出了类似螺旋板式或称旋流式换热器，但其折流板的结构特征均为曲面。要设计加工一个螺旋曲面作为折流板及在换热器中不设中心固定管，并且在曲面上加工出许多管孔是十分困难的。

本实用新型的目的是使管壳式换热器中的壳侧流体能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，以实现有效地降低壳侧流体的流动阻力及强化传热，适应各种不同使用场合及满足设计性能的要求，达到节能、节材、提高抗结垢性能的目的。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种螺旋折流板换热器，其壳体内的折流板为螺旋折流板，螺旋折流板的特征参数为螺旋角φ和直径D，一个螺距长度为Hs,Hs=πDtgφ，按圆心角将折流板和壳体相切的螺旋线投影的圆周作2m等分，m为1、2、3……自然数，当m=1时，螺旋折流板的基本元件由二块半椭圆形平面板沿螺旋线方向以倾角θ1设置在壳体内构成，其中

相邻两块折流板的周边在轴线方向上交叉形成搭接，搭接高度HD，且0≤HD≤Hs/2，当m=2时，螺旋折流板的基本元件由四块扇形平面板沿螺旋线方向以倾角θ2设置在壳体内构成，其中

相邻两块折流板的周边在轴线方向上交叉形成搭接，搭接高度HD，且0≤HD≤Hs/2，壳体内的传热管在相邻两块折流板之间得到支撑的距离为跨距HP，且0＜HP≤Hs。

本实用新型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一个用平面板替代曲面板，能使壳侧流体实现连续螺旋状流动，这样就能大大简化螺旋折流板的加工难度，使其容易推广应用，具有批量、经济生产的价值。本实用新型彻底改变垂直弓形折流板的流体流动方式及流场分布，流体在螺旋折流板之间呈连续、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，从圆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，因此采用螺旋折流板替代传统垂直弓形折流板，在壳侧相同压降的条件下，可使传热系数获得明显提高。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。人们担心折流板上管孔的加工难度，可失去它的推广应用的生命力，本实用新型可实现采用普通钻床加工出折流板上的管孔，可实现批量及经齐加工，支持了这种新型折流板结构在工业中实施应用及推广的价值。本实用新型螺旋折流板的结构形式具有多样性，适应不同工艺要求，满足设计及使用的需要，即可从加工工艺性及经济性，使用场合及设计性能的要求，满足安装、维修空间的约束，满足追求流体流动阻力降最小，以节省泵功动力消耗费用及追求传热性能最高，以节省换热器设备传热面积最小，投资费用最小的要求。对于一个具体的工艺应用，可通过选择螺旋折流板的不同几何参数及结构形式，可获得一个最优的满意的结果。

以下结合附图详细说明本实用新型实施例：

图1为本实用新型一种实施例结构示意图。

图2为本实用新型另一种实施例结构示意图。

图3为在直径为D的圆柱上将圆周作两等分一个螺距螺旋折流板的结构示意图。

图4为在圆柱中分面上，半椭圆形板和阻流板的几何关系示意图。

图5为在直径为D的圆柱上将圆周作四等分，一个螺距的螺旋折流板的结构示意图。

图6为在圆柱中分面上，四块扇形板和阻流板的几何关系示意图。

图7为m=1时螺旋折流板搭接结构示意图。

图8为图7结构中分面投影图。

图9为m=2时螺旋折流板搭接结构示意图。

图10为图9的中分面投影图。

图11为m=1时双螺旋折流板结构示意图。

图12为图11的中分面投影图。

图13为m=2时双螺旋折流板结构示意图

图14为图13的中分面投影图。

本实用新型结构示意图1和图2中示出了换热器壳侧的组成，其中管板1和壳体2组成壳侧空间，传热管3采用胀或焊固定在两端的管板1上，螺旋折流板5设置在壳侧流道中，迫使流体改变流动方向及支承管子，螺旋折流板5之间由拉杆4及搭接板6或和阻流板7固定并形成一个刚性体。壳侧流体由管子流入及流出换热器。本实用新型螺旋折流板的特征参数为螺旋角φ和直径D，直径D为D=Ds-2C1,Ds为壳体内径，C1为折流板外周与壳体的间隙，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。螺旋折流板的组成可按圆心角将螺旋线投影的圆周作2m等分，m为1、2、3……自然数。若m=1，按圆心角将圆周作两等分，则一个螺距的螺旋折流板的基本元件由两块半椭圆平面板组成，在图3中示出了这种结构的示意图，图4中示出中分面O1O2切开的投影图，半椭圆形螺旋折流板A和B是一个椭圆形板沿长轴切开成两块半椭圆形板。半椭圆形平面A和B的长轴分别和水平面的夹角为θ1，由图3和图4所示的几何关系，可得出椭圆形平面板的短半轴b，长半轴a及θ1角的计算式为： $b=\frac{D}{2}$ $a=\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)}^2}$ $\mathrm{\θ}1=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{tg\φ}\right)$

由图3和图4中可见，在轴的中分面上，半椭圆形板A和B之间形成一个等腰三角形OAOBO2A，该流道面积造成流体旁通，这部分流体呈纵向流动，不利于传热，因此设置阻流板C，该阻流板的底边长度OAOB=Hs/2，高为D/2，此阻流板C将相邻两块螺旋折流板连接，起着防止流体短路及将折流板定位的作用。

若m=2，按圆心角将圆周作四等分，则一个螺距的螺旋折流板的基本元件由四块扇形平面板组成，在图5中示出了这种结构的示意图，且在图6中示出了中分面上，四块扇形板和阻流板的几何关系扇形平面板A1、A2、B1、和B2，每一块占据四分之一的圆周。为说明扇形平面的几何关系，以其中A1扇形板为例，在直径为D的圆柱面上，圆心角α转过90°，扇形板顶点OA1在轴心线上上升了Hs/8，扇形板直边O1AOA1和水平线的夹角为θ2，且该直边的长度为a2，则θ2和a2大小为 $\mathrm{\θ}2=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg\φ}\right)$ $a2=\frac{D}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{tg\φ}\right)}^2}$ 扇形板的另一条直边OA1S1，其端点S1在螺旋线上，它和水平面上升高度为Hs/4，直边OA1S1和水平线夹角也为θ2，长度也为a2。扇形面的弧线 是圆柱上一个切圆的一部分，就不难确定其几何尺寸。为防止流体旁流短路，设置阻流板C1、C2和C3，阻流板是一个以底边长为Hs/4，高为D/2的等腰三角形。

以上阐明了一个螺距的螺旋折流板的组成及基本元件的结构尺寸，且分别以m=1和m=2，作了说明，随着m数增大，用平面形板组成的螺旋折流板更渐近于严格的螺旋形曲面板，同时也存在着增加平面板的加工的工作量及费用。且可以得出螺旋折流板的几何结构及尺寸完全取决于螺旋角φ和直径D这两个重要的结构参数。

为适应不同工艺使用要求，满足在给定设计约束条件下，寻求最佳的设计效果，即所得优化的设计策略。以下将螺旋折流板换热器从基本元件出发，可组成如下三种不同结构形式作为实例，分别说明如下：

为了方便说明及比较，在此引入两个几何参数：搭接高度HD及折流板支撑传热管的跨距HP。

所谓折流板搭接高度HD定义为相邻两块折流板的周边在轴线方向上形成交叉搭接的距离。在图7中示出m=1时，两块半椭圆形板周边形成交叉搭接的示意图，其搭接高度HD=Hs/4的结构形式。

所谓跨距HP定义为相邻两折流板之间支撑传热管的距离，它是影响流体流动诱发传热管振动的一个重要尺度。在图7中示出m=1时，采用搭接结构，HD=Hs/4，则HP=Hs/2。

以下按折流板间搭接高度不同分别说明如下三种结构形式的差异及特点：

第一种结构形式，取搭接高度HD=0，即相邻螺旋折流板的周边可连接成连续的螺旋线。

这种结构形式已在图3、图4中及图5、图6中分别示出m=1时及m=2时螺旋折流板的组成及结构。此结构特点为HD=0,HP=Hs。采用此结构形式时，若螺旋角较大，易造成L/D过大(L为传热管长度)。若φ=40°时，Hs/D=πtgφ=2.636，一般管壳式换热器L/D=6～10，则在L/D合适的范围内只能选取2～3个螺距折流板。由于Hs较大，造成流道流通截面积也较大，导致流速较小。由于HP=Hs，跨距较大也不利于防止管子振动。在具体工艺设计中就此一种结构形式就有可能难以满足设计要求。

另分别m=1及m=2的两种结构作如下比较：当螺旋角φ=40°时，若m=1，半椭圆形平面板和水平面倾角θ1=52.8°，长半轴a=0.733D，若m=2，扇形平面板的倾角θ2=33.4°，直边长度a2=0.6D。

第二种结构形式，取搭接高度为0＜HD＜Hs/2的任意值，此结构形式简称为搭接结构。在图7和图8中分别示出当m=1时，螺旋折流板搭接结构示意图及此结构在中分面上投影图。图中示出HD=Hs/4的实例，则HP=Hs/2，在φ和D相同的情况下，和第一种结构形式相比较，可看出该结构的特点为：相邻两折流板之间流道高度，亦即流动截面积比第一种结构减少一半，流道可提高一倍。HP减小一半，有利于防止传热管的振动。在两折流板交叉区中形成旁道短路的两个三角形截面积也比第一种阻流板的面积减小一半，因此在工艺设计中可选用加装两块三角形阻流板来固定折流板，或选用在相邻两折流板周边采用搭接板D来固定折流板。

当m=2时的搭接结构形式示于图9和图10中，四块扇形板之间，相邻两块周边的搭接高度HD=Hs/8(如图中所示)，则HP=Hs/2。若φ和D相同，采用第一种结构形式中的四块扇形平面板，按搭接结构形式组装，其结构特点和m=1时相同，即折流板之间流道截面积及跨距均减少一半，有利于传热及防止传热管的振动，相邻折流板周边采用搭接板D固定为可取。

将螺旋折流板的基本元件，采用不同搭接高度HD组成的搭接结构的形式，可便于设计人员对流动截面积的大小(即流速的大小)作适当调整，以适应在允许压降范围内追求提高传热速率的设计要求。

第三种结构形式为双螺旋折流板结构，可看作是某种搭接高度形成的结构形式，主要用于调整传热管跨距。图11及图12中示出了当m=1时双螺旋折流板结构示意图及中分面投影图所谓双螺旋折流板即在一个螺距内可对称安置两组基本元件，即由两组两块半椭圆形平面板组成。其结构特点为HD=Hs/2,HP=Hs/2。它和第一种结构形式相比较，即在原有A、B两块半椭圆板相对称的位置又安置了A′和B′两块半椭圆板，因此使支撑传热管的跨距减少一半。此结构在A和A′折流板之间垂直中分面上形成二个三角形，即ΔO1AOAO2A′及ΔO1A′OAO2A，若流体从这二个三角形截面中流过，易造成轴向旁通流，因此要迫使流体在流道中产生螺旋状连续流动，应在对称位置上加装一块三角形阻流板，在图12中示出的阻流板为ΔO1AOAO2A′及ΔO2AOA′O1B′。由此形成的螺旋形流道截面积比第一种结构形式可减小一半，有利于提高流速及提高传热性能。

当m=2时的双螺旋折流板的结构示意图及中分面上的投影图示于图13及图14中，在一个螺距内可对称安置两组四块扇形板，在图13中由于在一个螺距中对称画两组四块扇形板的轴测图看不清楚，因此和A1、A2板对称的A1′和A2′板转了180°，但几何关系是清楚的。这种结构特点可看作是HD=Hs/2和HP=Hs/2的特殊情况。若在对称的流体进入截面处不加阻流板，则流体流道截面积和第一种结构形式相同，仅使跨距减小一半。

以上所述的由螺旋折流板基本元件所构成的不同结构形式，每一种结构形式均有其特点，伴随着有不同的传热及阻力特性，设计人员在掌握了设计性能及制造加工的工艺性后，通过综合经济性指标的比较及评价对结构形式作出合理地选用。

Claims (7)

1、一种螺旋折流板换热器，其特征在于：其折流板为螺旋折流板(5)，螺旋折流板(5)的特征参数为螺旋角φ和直径D，一个螺距长度为Hs,Hs=πDtgφ，按圆心角将折流板(5)和壳体(2)相切的螺旋线投影的圆周作2m等分，m为1、2、3……自然数，当m=1时，螺旋折流板(5)的基本元件由二块半椭圆形平面板沿螺旋线方向以倾角θ1设置在壳体(2)内构成，其中 相邻两块折流板(5)的周边在轴线方向上交叉形成搭接，搭接高度HD，且0≤HD≤Hs/2，当m=2时，螺旋折流板(5)的基本元件由四块扇形平面板沿螺旋线方向以倾角θ2设置在壳体(2)内构成，其中 相邻两块折流板(5)的周边在轴线方向上交叉形成搭接，搭接高度HD，且0≤HD≤Hs/2，壳体(2)内的传热管(3)在相邻两块折流板(5)之间得到支撑的距离为跨距HP，且0＜HP≤Hs。

2、如权利要求所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的相邻折流板(5)之间轴向设有阻流板(7)。

3、如权利要求1或2所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的相邻折流板(5)之间径向设有搭接板(6)。

4、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°。

5、如权利要求1或2所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的壳体(2)内设有拉杆(4)，螺旋折流板(5)通过拉杆(4)或和阻流板(7)连接构成刚性体设置在壳体(2)内。

6、如权利要求3所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：所述的壳体(2)内设有拉杆(4)，螺旋折流板(5)通过搭接板(6)或和阻流板(7)与拉杆(4)连接构成刚性体设置在壳体(2)内。

7、如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于：壳体(2)内设有1～4组螺旋折流板(5)构成多头螺旋折流板。

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