CN2380887Y - 旋流高效换热器 - Google Patents

Abstract

旋流高效换热器,是在利用传统管壳式换热器的基本结构基础上,采用螺旋扭曲椭形截面管作为换热管,采用几种特殊结构的档流支承组件支承和固定换热管束。其优点是管程物流和壳程物流均产生以旋转为主要特征的复杂的流动,获得较强的旋转扰动,强化传热效果好,传热系数高,并且换热介质流动通畅,流阻较小,管束振动小,安全可靠性好,使用寿命长,结构简单,易于推广应用。

Description

旋流高效换热器

本实用新型涉及一种管壳式换热装置。

目前，管壳式换热器广泛应用于炼油、化工、动力等需要换热的过程工业领域，尤其在炼油和化工系统装置中占有较大比重，约占石化行业工艺设备总重的30％-40％。为了降低换热设备的重量，减少换热设备的体积，节能降耗，应力求强化传热过程。近年来已研制出多种高效换热器，如折流杆换热器、波纹管、波节管换热器等，但它们均不同程度存在某些不足，如折流杆换热器(换热管有光滑管、螺纹管、螺旋槽管等)一般只适用于大流量的场合，壳程物流流速对壳程给热系数有较大影响，不适宜于壳程为中少流量场合下使用；波纹管、波节管换热器一般采用薄壁换热元件，由于振动碰撞等原因，使换热管易于破裂，降低了使用安全性，且由于薄壁承压较低，也不适宜于高温高压场合下使用；管内插弹簧或扭曲带换热器易于堵塞，压力降过大等，目前所开发的几类高效换热器应用场合受到一定的限制，不易推广，因此使用最为广泛的还是传统的管壳式换热器。

本实用新型的目的是提供使管内外换热物流均产生旋转流动的一种新型结构的换热器，它具有强化传热效果好、流阻小、管束振动小、使用寿命长和安全性好等特点。

本实用新型的目的是这样实现的：在利用传统管壳式换热器的基本结构基础上，采用螺旋扭曲椭形截面换热管(中国实用新型专利97221659.6)作为换热管，采用用几种特殊结构的档流支承组件支承和固定换热管。旋流高效换热器是由螺旋扭曲椭形截面换热管和档流支承组件以及管板、壳体等其它常规管壳式换热器零部件组成，其特征在于使用螺旋扭曲椭形截面管作为换热管，其换热管的椭形截面的长轴径小于或等于管束中换热管排列的管中心距；使用圈型、圆孔型、板条栅格型、杆栅格型和连通孔型等结构形式的档流支承组件，支承和固定管束中的椭形截面换热管以及防止壳程物流短路。旋流高效换热器使用的螺旋扭曲椭形截面换热管可以为螺旋扭曲椭形光滑截面管、螺纹管和螺旋槽管，以及具有凹凸管壁面或/和涂层的螺旋扭曲椭形截面管；换热管椭形截面的长轴径小于或等于管束中换热管排列的管中心距，且优先选用等节距S和相同椭形截面参数长轴径A和短轴径B；管束中的螺旋扭曲椭形截面换热管可以是左旋或右旋单一旋向的换热管，也可以是左旋和右旋两种旋向换热管错排或混排。档流支承组件以能够支承和固定管束中的椭形截面换热管以及防止壳程物流在管束与壳体之间的空隙处短路为主要特点，壳程物流在档流支承组件的作用下在管束中主要作纵向流动，而其折流的作用较小；档流支承组件有圈型、圆孔型、板条栅格型、杆栅格型和连通孔型等结构形式，优先选用圈型和圆孔型档流支承组件。本实用新型的主要特征是：壳程物流通道横截面沿管束纵向周期性地发生改变，使壳程物流在沿螺旋扭曲的换热管外壁纵向流动的同时，产生复杂的以旋转和周期性的物流分离与混合为主要特点的强扰动；螺旋扭曲椭形截面换热管内的螺旋扭曲椭形通道使管程物流产生以纵向旋转和二次旋流为主要特点的强扰动。这种结构使管程物流和壳程物流均产生以旋转为主要特征的复杂的流动，获得较强的旋转扰动，从而较大程度地强化了传热过程。

本实用新型与现有技术相比，主要有以下优点：

(1)强化传热效果好，流阻较小。由于旋流高效换热器使管程物流和壳程物流均产生以旋转为主要特征的复杂流动，获得了较强的旋转扰动，从而较大程度地强化了传热过程，特别是对于一些难于传热的粘性介质、易于结焦(除螺旋扭曲椭形截面螺纹管外)结垢的介质和不洁净介质的传热具有明显的强化传热效果，而且在实际运行过程中始终能保持较好的强化传热效果，对于中小流量的物流传热可显著提高给热系数。换热器旋流的作用，也使换热介质流动通畅，流阻较小。旋流高效换热器的总传热系数一般可提高30％以上。

(2)结构简单，易于推广应用。本实用新型采用螺旋扭曲椭形截面换热管和几种档流支承组件，其余均采用传统的管壳式换热器的基本结构形式，结构简单易于实现，适合于各种压力级别和不同温度条件的管壳式换热器的全部结构形式，包括GB151《钢制管壳式换热器》中所述的几种结构形式，如浮头式、U型管式和固定管板式等结构形式的管壳式换热器，而且旋流高效换热器的管束与常规管壳式换热器的管束具有互换性，因而可广泛应用或替代传统换热器，易于推广，成本较低，特别是在石化装置的改扩建中更具有广阔的前景。

(3)使用寿命长。由于旋流高效换热器壳程物流基本上为纵向流动，明显地减少了管束的振动，大大降低了由于管束的振动而造成换热管破裂等失效的可能性；同时也有效地消除了壳程物流横向流动的“死区”，降低了积垢速率，从而延长了换热器的使用寿命。

(4)管束外侧易于清洗，管束中换热管在一定条件下可广泛采用正三角形排列，提高换热设备单位体积/重量的换热量。由于采用了螺旋扭曲椭形截面换热管，使管束中管排间形成周期性的局部较大空隙，便于管束外侧的清洗，因而对于一些管束外侧需要定期清洗的换热器，其管束中的换热管可广泛采用正三角形排列替代正方形排列，在相同壳程直径条件下可提高传热面积20％左右，从而可提高换热设备单位体积/重量的换热量。由于旋流高效换热器的强化传热效果及上述原因，对于相同壳程直径一般可提高单位传热温差的传热量50％左右。

本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

图1是一种浮头式旋流高效换热器结构实施图例，包括螺旋扭曲椭形截面换热管(1)和圈型档流支承组件(2)以及壳体、管板等其它常规换热器零部件。图2是该实施图例的U剖面视图；图3是该实施图例的N剖面视图；图4是该实施图例中的一种档流支承组件(2)的实施图例，即圈型档流支承组件。

在该实施图例中，换热管选用相同椭形截面参数公称长轴径A和短轴径B的左旋和右旋螺旋扭曲椭形截面换热管按正方形错排，且紧凑型排列，即在档流支承位置管束的螺旋扭曲椭形截面换热管在椭形截面的长轴径处相互接触。而档流支承组件则通过其内圈周边与螺旋扭曲椭形截面换热管在椭形截面的长轴径处相互接触，起到支承换热管和限制换热管的自由度的作用。图1的实施例为浮头式基本结构形式，也可实现U型管式、固定管板式基本结构形式。图1的实施例为两管程单壳程结构，也可实现多管程多壳程结构。该实施例为换热管按正方形排列，也可实现换热管按正三角形排列。该实施例为不同旋向的螺旋扭曲椭形截面换热管，也可实现同一旋向的螺旋扭曲椭形截面换热管。该实施例为换热管紧凑型排列，也可实现换热管非紧凑型排列。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距。

图5、图6、图7、图8和图9是几种典型档流支承组件的结构实施图例。

图5为圈型档流支承组件的结构实施图例。圈型档流支承组件适合于管束中换热管按正方形和正三角形紧凑型排列，即换热管椭形截面的公称长轴径A与管束中换热管排列的公称管孔中心距a相等。由于旋流高效换热器的壳程物流主要为纵向流动，故在结构合理的前提条件下，管束中换热管的正方形和正三角形排列存在任意转角形式。圈型档流支承组件由档流支承圈形板(3)和筒形圈形板(4)等组成，其筒形圈形板的作用是防止档流支承圈形板在管束抽装过程中变形和在壳程物流冲刷下变形或振动、以及捆扎换热管束，在某些场合下可以不设置筒形圈形板。档流支承圈形板(3)可通过其内圈周边与螺旋扭曲椭形截面换热管在椭形截面的长轴径处相互接触，起到支承换热管和限制换热管的自由度的作用。在筒形圈形板(4)起捆扎换热管束的作用时，档流支承圈形板(3)可为圆圈形或其它结构，起支承换热管束和档流作用。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距，R为档流支承圈形板内圈小圆弧公称半径。

图6为圆孔型档流支承组件的结构实施图例。圆孔型档流支承组件适合于管束中换热管正方形和正三角形非紧凑型排列。圆孔型档流支承组件由档流支承板(5)和加强圈(6)等组成。档流支承板上的穿插换热管的圆孔(管孔)公称直径为螺旋扭曲椭形截面换热管的椭形截面公称长轴径。其加强圈的作用是防止档流支承板在管束抽装过程中变形和在壳程物流冲刷下变形或振动、以及捆扎换热管束，在某些场合下可以不设置加强圈。当壳程物流的流量较大时，为了增加壳程物流的流通面积，档流支承板可在管孔间设置部分小孔，或设置如传统折流板换热器的折流板形的小缺口(此时壳程物流存在少量的横向流动)，以减少壳程物流压力降。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距，R为档流支承板上的穿插换热管的圆孔(管孔)公称半径，φ为档流支承板上的小孔直径。

图7为板条栅格型档流支承组件的结构实施图例。板条栅格型档流支承组件主要适合于管束中换热管正方形排列。板条栅格型档流支承组件由档流支承圈形板(7)、加强圈(8)、板条(9)、加强杆(10)和拉杆套(11)等组成，可根据不同的需要进行取舍。板条栅格型档流支承组件是限制管束在该截面处换热管椭形截面长轴径方向的自由度，即螺旋扭曲椭形截面换热管在其椭形截面长轴径处与档流支承组件的栅型板条相接触，起到支承换热管和限制换热管的自由度的作用，其板条的公称厚度为相邻两排换热管的最小公称间隙的大小。档流支承圈形板(7)可以是圆圈形，也可以是圈形档流支承组件中的档流支承圈形板形。其加强圈的作用是防止档流支承板在管束抽装过程中变形和在壳程物流冲刷下变形或振动、以及捆扎换热管束等。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距，δ为板条公称厚度。

图8为杆栅格型档流支承组件的结构实施图例。杆栅格型档流支承组件适合于管束中换热管正方形排列和正三角形排列。杆栅格型档流支承组件由档流支承圈形板(12)、直杆(13)和拉杆套(14)等组成，可根据不同的需要进行取舍。档流支承的栅型杆的限位公称尺寸δ(直径或宽度)为相邻两排换热管的最大公称间隙的大小。杆栅格型档流支承组件对管束的换热管的支承原理与已公开的折流杆换热器的折流杆的支承原理相类似。但由于螺旋扭曲椭形截面换热管不能穿过杆栅格型档流支承组件，故由杆栅格型档流支承组件组成的换热器管束在制造过程中必须先穿管后组焊档流支承组件。其加强圈的作用是防止档流支承板在管束抽装过程中变形和在壳程物流冲刷下变形或振动、以及捆扎换热管束等。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距，δ为栅型杆的限位公称尺寸。

图9为连通孔型档流支承组件的结构实施图例。连通孔型档流支承组件适合于管束中换热管正方形排列和正三角形排列。连通孔型档流支承组件由档流支承板(15)和加强圈(16)等组成，可根据不同的需要进行取舍。连通孔型档流支承组件是将圆孔型档流支承组件的档流支承板管孔部分连通，以增大壳程物流的流通面积。其加强圈的作用是防止档流支承板在管束抽装过程中变形和在壳程物流冲刷下变形或振动、以及捆扎换热管束等。图中A和B分别为换热管椭形截面的公称长轴径和短径，a为管束中换热管排列的公称管孔中心距，R为档流支承板上的穿插换热管的圆孔(管孔)公称半径。

以上的实施例及其附图说明，本实用新型由螺旋扭曲椭形截面换热管和几种特殊结构的档流支承组件以及其它常规管壳式换热器零部件(如：管箱、管板、壳体等)组成。壳程物流通道横截面沿管束纵向周期性地发生改变，使壳程物流在沿螺旋扭曲的换热管外壁纵向流动的同时，产生复杂的以旋转和周期性的物流分离与混合为主要特点的强扰动。螺旋扭曲椭形截面换热管内的螺旋扭曲椭形通道使管程物流产生以纵向旋转和二次旋流为主要特点的强扰动。这种结构使管程物流和壳程物流均产生以旋转为主要特征的复杂的流动，获得较强的旋转扰动，从而较大程度地强化了传热过程。

旋流高效换热器使用的螺旋扭曲椭形截面换热管可以为螺旋扭曲椭形光滑截面管、螺纹管和螺旋槽管，以及具有凹凸管壁面或/和涂层的螺旋扭曲椭形截面管。管束中的螺旋扭曲椭形截面换热管可以是左旋或右旋单一旋向的换热管，也可以是左旋和右旋两种旋向换热管换热管错排或混排。换热管的椭形截面的公称长轴径A小于或等于管束换热管排列的管孔公称中心距a，换热管推荐选用等节距S和相同椭形截面参数长轴径A和短轴径B，这样有利于简化换热器的制造。与管板连接的换热管的端头圆形光滑直段长度应大于管板厚度的两倍以上，一般选用200-400mm，这样既有利于换热器制造过程中的穿管，同时也有利于壳程物流在出入口处流向的改变。

档流支承组件以能够支承和固定管束中的椭形截面换热管以及防止壳程物流在管束与壳体之间的空隙处短路为主要特点，壳程物流在档流支承组件的作用下在管束中主要作纵向流动，而其折流的作用较小。在设置档流支承组件位置，档流支承组件与换热管在换热管椭形截面的长轴径或短轴径处相互接触，或档流支承组件与换热管及换热管与换热管在换热管椭形截面的长轴径或短轴径处相互接触，管束中档流支承组件的间距的设置应使相邻两档流支承组件限制管束中换热管的不同方向的自由度，起到支承和固定管束中的换热管的作用。档流支承组件有圈型、圆孔型、板条栅格型、杆栅格型和连通孔型等结构形式，皆适合于管束中换热管正方形和正三角形排列。由于旋流高效换热器的壳程物流主要为纵向流动，故在结构合理的前提条件下，管束中换热管的正方形和正三角形排列存在任意转角形式。就制造方便经济而言，应首选圈型和圆孔型档流支承组件。圈型档流支承组件主要适用于换热管紧凑排列形式，即换热管椭形截面的公称长轴径A与管束中换热管排列的管公称中心距a相等，而其它类型的档流支承组件则适合于换热管椭形截面的公称长轴径小于管束中换热管排列的管公称中心距的场合。

管束中档流支承组件的间距的设置应使相邻两档流支承组件限制管束中换热管的不同方向的自由度，起到支承和固定管束中的换热管的作用。若椭形截面换热管选用等节距S和相同椭形截面参数公称长轴径A和短轴径B，则当管束中的换热管按正方形排列时，档流支承组件的间距C≈(2n+1)S/4为优先选用值，当管束中的换热管按正三角形排列时，档流支承组件的间距C≈(3n±1)S/6为优先选用值，其中n为整数。

管束中的换热管可以是管束中同一横截面椭形截面的有序排列，也可以是管束中同一横截面椭形截面的无序排列，推荐选用有序排列方式。

旋流高效换热器采用传统管壳式换热器的基本结构，简化了换热器的结构设计及设备制造，有利于替代传统管壳式折流板换热器。旋流高效换热器适合于各种压力级别和不同温度条件的管壳式换热器的全部结构形式，包括GB151《钢制管壳式换热器》中所述的几种结构形式，如浮头式、U型管式和固定管板式等，以及不同结构形式的各种管程数和壳程数。

Claims (3)

1、旋流高效换热器，由螺旋扭曲椭形截面换热管(1)和档流支承组件(2)以及管板、壳体等其它常规管壳式换热器零部件组成，其特征在于使用螺旋扭曲椭形截面管作为换热管，其换热管的椭形截面的长轴径小于或等于管束中换热管排列的管中心距；使用圈型、圆孔型、板条栅格型、杆栅格型和连通孔型等结构形式的档流支承组件，支承和固定管束中的椭形截面换热管。

2、根据权利要求1所述旋流高效换热器，其特征在于旋流高效换热器使用的螺旋扭曲椭形截面换热管可以为螺旋扭曲椭形光滑截面管、螺纹管和螺旋槽管，以及具有凹凸管壁面或/和涂层的螺旋扭曲椭形截面管；换热管椭形截面的长轴径小于或等于管束中换热管排列的管中心距，且优先选用等节距S和相同椭形截面参数长轴径A和短轴径B；管束中的螺旋扭曲椭形截面换热管可以是左旋或右旋单一旋向的换热管，也可以是左旋和右旋两种旋向换热管错排或混排。

3、根据权利要求1所述旋流高效换热器，其特征在于档流支承组件以能够支承和固定管束中的椭形截面换热管；档流支承组件有圈型、圆孔型、板条栅格型、杆栅格型和连通孔型等结构形式，优先选用圈型和圆孔型档流支承组件。

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