專利名稱：：內外翅片扁管換熱器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種換熱器，尤其是涉及一種內外翅片扁管換熱器。
背景技術：
：換熱器是煉油、化工、環(huán)保、能源、電力等工業(yè)中的一種重要單元設備，通常在化工廠的建設中，換熱器約占總投資的10-20%,目前，國內外常用的換熱器大體上可以分為管式和板式兩大類。對于有氣體換熱的情況，一般釆用增加翅片的方式來強化氣側換熱。通常而言，板翅式換熱器廣泛應用于氣-氣換熱，管翅式換熱器較多的應用于氣-液換熱。對于板翅式換熱器，因其在釬接過程中局部沒有釬牢而形成薄弱環(huán)節(jié)，從而決定了板翅式換熱器不能承受較高的絕對壓力或者故障狀態(tài)下較高的相對壓力，因此在極限工況下很可能會發(fā)生脹裂，以致帶來較大的經濟損失和安全隱患。此外，板翅式換熱器不可拆，清洗困難，制造工藝復雜，成本高，因而限制了板翅式換熱器的使用場合。由于受到扁管管殼式換熱器結構設計的影響，開發(fā)出了扁管管翅式換熱器，即以扁管管東代替圓管管束，從而能夠使得換熱面積得到有效地提高，使其接近板殼式換熱器的熱效率，同時其能夠承受較大的壓力，制造工業(yè)簡單。但對于單純的扁管換熱器而言，在石油化工中，高黏度流體在換熱器光管中加熱，常出現(xiàn)管壁附近流體溫度過髙，而在管子中心部位流體加熱不足，即流體加熱不均勻、不充分現(xiàn)象，從而影響設備的換熱效率。因此，很有必要針對光管管內的流動傳熱進行強化。此外，對于管翅式換熱器，一般僅在換熱管外側增加翅片，管側方面的圓管能夠承受較高的絕對壓力，適用于具有高壓流體運作的場合，且操作壓力的應用范圍較寬，如冷凝器、蒸發(fā)器和空冷器等，但其單位體積內的換熱面積相對于板翅式換熱器較低，換熱能力低于板翅式換熱器的換熱能力。
發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種內外翅片扁管換熱器，其通過在傳統(tǒng)扁管內增加縱向內翅片板，從而能夠充分加熱換熱管內的高粘度流體，使其傳熱結構及換熱性能方面與板翅式換熱器相當，同時也使其承壓能力得到有效提高。為解決上述技術問題，本發(fā)明釆用的技術方案是一種內外翅片扁管換熱器，包括殼體、設置在殼體上下兩端的管程進口和管程出口、分別位于殼體內部兩端的兩個管板、平行固定于兩個管板之間的多個換熱管、設置在殼體內部的起固定換熱管和導流作用的多個擋板以及分別位于殼體側壁上的殼程進口和殼程出口，所述換熱管與管程進口和管程出口連通組成管內流通通道，所述多個擋板與殼程進口和殼程出口連通組成一個弓型折流板式殼側流通通道，所述換熱管外設置有多個外翅片，其特征在于所述換熱管由扁管以及設置在扁管內部的縱向波紋內翅片，所述扁管與其內部縱向波紋內翅片之間形成多個縱向流通通道。所述擋板的數(shù)量為奇數(shù)個，所述殼程進口和殼程出口位于殼體側壁的所述縱向波紋內翅片的波紋形狀為連續(xù)周期函數(shù)。所述縱向波紋內翅片的波紋為鋸齒形、矩形或正弦波形。所述縱向波紋內翅片上連續(xù)開有多個孔或多條縫。所述外翅片為平板式連續(xù)板翅或波紋式連續(xù)板翅。所述平板式連續(xù)板翅或波紋式連續(xù)板翅上開有多個孔或縫。所述平板式連續(xù)板翅或波紋式連續(xù)板翅上安裝縱向渦發(fā)生器或百葉窗。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點，，1、結構合理、使用操作方便；2、換熱管釆用扁管，能夠有效地增加管內傳熱面積，提高其傳熱效率；而在扁管內加內翅片則能夠有效地增加管內傳熱面積，同時增加了流動地擾動，從而使得管內流體得以充分加熱，因此，在扁管內增加縱向內翅片板對于扁管內的傳熱強化具有顯著效果，從而能夠充分加熱管內的高粘度液體，使其在傳熱結構及換熱性能方面與板翅式換熱器相當，同時其承壓能力也能夠有效地得到提高；3、在換熱管外側增加不同形式的外翅片，使換熱管外側的換熱能力也同時得到了強化，這樣使所得到換熱器單位體積內的換熱面積遠遠大于一般的管翅式換熱器，與板翅式換熱器單位體積內的換熱面積相當，因而，本發(fā)明增加了換熱管內外兩側的換熱面積，從而強化了換熱管內外兩側的對流換熱，使所得到換熱器的換熱密度遠大于一般的管翅式換熱器；4、能夠承受較高的絕對壓力或者故障狀態(tài)下較高的相對壓力，能有效防止換熱器發(fā)生脹裂。綜上，本發(fā)明能夠有效增加換熱管內外換熱面積、強化管內外對流換熱及管內傳熱，使其換熱能力可以達到板翅式換熱器的同等水平，同時在承受高壓方面與板翅式相比具有明顯優(yōu)勢；其通過在傳統(tǒng)扁管內增加縱向內翅片板，從而能夠充分加熱換熱管內的高粘度流體，使其傳熱結構及換熱性能方面與板翅式換熱器相當，同時也使其承壓能力得到有效提高，具有制造簡單、維修和清洗方便等優(yōu)點。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。圖1為本發(fā)明的裝配結構示意圖。圖2為本發(fā)明的內部結構示意圖。圖3為本發(fā)明換熱管的結構示意圖。圖4為本發(fā)明縱向波紋內翅片的結構示意圖。圖5為本發(fā)明換熱管和帶有百葉窗的平板式連續(xù)板翅連接的立體示意圖。圖6為本發(fā)明換熱管和開孔的平板式連續(xù)板翅連接的立體示意圖。圖7為本發(fā)明換熱管和波紋式連續(xù)板翅連接的立體示意圖。圖8為本發(fā)明換熱管和開縫的平板式連續(xù)板翅連接的立體示意圖。圖9為本發(fā)明換熱管和帶有縱向渦發(fā)生器的平板式連續(xù)板翅連接的立體示意圖。附圖標記說明l一管板；4一平板式連續(xù)板翅；7—縱向波紋內翅片；10-2—管程出口；12—孔；15—百葉窗；2—換熱管；5—殼體；9一波紋式連續(xù)板翅;11-1—殼程進口；13—縫；17—通孔。3—擋板；6—扁管；10-1—管程進口；11-2—殼程出口；14一縱向渦發(fā)生器;具體實施例方式實施例1如圖l、圖2所示，本發(fā)明包括殼體5、設置在殼體5上下兩端的管程進口10-1和管程出口10-2、分別位于殼體5內部兩端的兩個管板1、平行固定于兩個管板1之間的多個換熱管2、設置在殼體5內部的起固定換熱管2和導流作用的多個擋板3以及分別位于殼體5惻壁上的殼程進口11-1和殼程出口11-2,其管板1上對應開有多個用于安裝換熱管2的通孔17。其中，所述換熱管2與管程進口10-l和管程出口10-2連通組成管內流通通道，所述多個擋板3與殼程進口ll-l和殼程出口11-2連通組成一個弓型折流板式的殼惻流通通道，并且換熱管2外設置有多個外翅片。另外，所述擋板3的數(shù)量為奇數(shù)個，所述殼程進口ll-l和殼程出口11-2位于殼體5側壁的同側。本實施例中，擋板3的數(shù)量為7個且交錯安裝在殼體5內壁上的水平板，并且7個擋板3組成一個折流板式流通通道。實際使用過程中，所述擋板3的數(shù)量也可以為偶數(shù)個，所述殼程進口ll-l和殼程出口11-2分別位于殼體5側壁的兩側。結合圖3、圖4，所述換熱管2由扁管6以及設置在扁管6內部的縱向波紋內翅片7，所述扁管6與其內部縱向波紋內翅片7之間形成多個縱向流通通道。另外，所述波紋的波紋形狀為連續(xù)周期函數(shù)。在實際應用過程中，縱向波紋內翅片7中所流通的介質黏性越大，其波紋越稀疏且所述波紋的波長入越大，縱向流通通道的數(shù)量越少。本實施例中，縱向波紋內翅片7的波紋形狀為正弦波形，實踐中，也可以將其波紋加工制作為鋸齒形或矩形等其他波紋形狀。實際使用過程中，管側的換熱流體從管程進口10-1進入后，穿過固定在管板1上的多個換熱管2,具體是從分布在換熱管2內部的多個縱向翅片流通通道流過，最后再由管程出口10-2流出。由于在換熱管2內設置有縱向波紋內翅片板7，因而極大增加了換熱管2內的傳熱面積，強化了換熱管2內側的流體換熱。而在換熱管2外安裝有平板式連續(xù)板翅4以及多個擋板3,平板式連續(xù)板翅4用來增大殼側的換熱面積，以增強殼側的換熱能力。實際使用過程中，其殼側的換熱流體從殼程進口11-1進入后，在擋板3的引導下橫向沖刷換熱管2，完成換熱過程后從殼程出口11-2流出。綜上，由于換熱管2內外兩側都加有翅片，因而能夠有效增大換熱面積，并有效強化兩側換熱流體的換熱能力；此外，因為釆用扁管6作為換熱管2內外兩側翅片的載體，因而能夠使得換熱面積得到有效地提高，使其接近板殼式換熱器的熱效率。也就是說，本發(fā)明通過在傳統(tǒng)扁管6內增加縱向內翅片板，從而能夠充分加熱換熱管2內的高粘度流體，使其傳熱結構及換熱性能方面與板翅式換熱器相當，同時也使其承壓能力得到有效提高。實施例2本實施例與實施例1的不同之處在于，換熱管2外安裝的平板式連續(xù)板翅4上開有多個孔12，如圖6所示；或者平板式連續(xù)板翅4上開有多個縫13,如圖8所示；或者平板式連續(xù)板翅4上安裝有多個百葉窗15,如圖5所示；或者平板式連續(xù)板翅4上安裝有多個縱向渦發(fā)生器14，如圖9所示。在實際應用過程中，當殼側的換熱流體流經開有孔12或縫13,或者安裝有縱向渦發(fā)生器14或百葉窗15的平板式連續(xù)板翅4時，流體流動的擾動進一步增大，因而其流動和換熱邊界層得到了有效地破壞和減薄，因而提高了殼側的換熱能力，使換熱器的換熱性能進一步提高。實際加工制作時，也可以在平板式連續(xù)板翅4的上下兩側均開有孔12或縫13,或者在其上下兩側均安裝有縱向渦發(fā)生器14或百葉窗15。實施例3如圖7所示，本實施例與實施例1的不同之處在于，換熱管2外安裝的外翅片為波紋式連續(xù)板翅9,其余部分的結構和功能均與實施例l相同。由于換熱管2外安裝有波紋式連續(xù)板翅9，因而殼側換熱流體在波紋式連續(xù)板翅9之間所形成的狹小空間內流動，從而更進一步增大了流體流動的擾動，使得殼側的換熱能力有所提高。這樣，在換熱管2內外均安裝有波紋式翅片，在提高換熱面積和增加擾動、更進一步強化換熱能力的同時，也進一步提高換熱器整體的承壓能力。另外，同實施例2，也可以在波紋式連續(xù)板翅9上開有多個孔12或縫13,或者安裝有多個縱向渦發(fā)生器14或百葉窗15。建立物理模型對內翅片扁管內的傳熱特性進行計算并分析，具體是釆用有限體積法對一定幾何尺寸的扁管光管和本發(fā)明中的內翅片扁管兩種傳熱管的流動與傳熱性能進行全場數(shù)值模擬，以此分析對比兩者在相同邊界條件下的傳熱性能。具體分析如下以縱向長度為400mm的扁管光管和內翅片扁管為例，并且本發(fā)明的內翅片扁管中，扁管14的縱向長度為400mm且設置在扁管14內部的縱向波紋內翅片15的厚度為0.4mm,波紋周期個數(shù)為3，同時，縱向波紋內翅片15的材料為銅且其形狀為鋸齒形。另外，計算邊界條件給定如下兩種傳熱管進口和出口均釆用壓力邊界條件，流體工質為水，并且進口溫度為T=300K;而內翅片扁管和普通扁管的外壁釆用定溫邊界條件為T=400K。釆用流固耦合算法對兩種傳熱管在高流速下的傳熱特性進行計算，湍流模型選用可實現(xiàn)^S兩方程模型。釆用有限容積法對計算區(qū)域進行離散，以內翅片扁管為例，其網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)為487312,網(wǎng)格類型為六面體結構化網(wǎng)格。釆用SIMPLEC算法處理速度和壓力的耦合問題，對流項的離散格式為QUICK。通過驗證，釆用上述數(shù)值分析方法所得出的數(shù)值計算結果與《扁管管內流動與傳熱的三維數(shù)值模擬》一文中所得出的分析結果相對偏差在6%以內，因而釆用數(shù)值計算模型的可靠性較高。同時，為了便于分析問題，將兩種傳熱管即扁管光管與內翅片扁管，在相同的進出口壓力及相同的進口流速條件下，對比分析其出口溫度、進口流速、總傳熱量、平均傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)，以此來分析內翅片扁管傳熱性能的優(yōu)劣性。具體分析如下首先，在相同的進出口壓力條件下，對比分析兩種換熱管的傳熱性能，其計算數(shù)據(jù)見表1。表1相同進出口壓力條件下對比數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l說明在相同的進出口壓力邊界條件下，相對扁管光管，內翅片扁管內水工質的出口溫度提高了2.91%(即9.2°C);在流速小于扁管光管的情況下(流速降低了28.3%),總傳熱量反而提高了13.2%;平均傳熱系數(shù)則降低了17.2%,這主要由兩方面的原因造成，其一為進口流速的降低，對內翅片扁管內的傳熱起到了一定的消弱作用；其二為內翅片扁管總傳熱量大于扁管光管，其傳熱面積也大于扁管光管，將總傳熱量進行平攤，其平均傳熱系數(shù)則可能小于扁管光管，但總的來說，即使在進口流速小于扁管光管的情況下，內翅片扁管的整體傳熱性能要好于扁管光管。為了更加全面分析內翅片扁管的傳熱性能，在相同進口流速條件下，進一步對比分析內翅片扁管與扁管光管的傳熱特性。具體是在相同的進口流速條件(V=5.Om/s)下對比分析兩種換熱管的傳熱性能，其計算數(shù)據(jù)見表2。表2相同進口流速條件下對比數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由表2可知，在相同的進口流速條件下，相對于扁管光管，內翅片扁管內水工質的出口溫度提高了2.61%(即8.3°C);總傳熱量提高了46.5%;平均傳熱系數(shù)提高了8.26%,即全體的傳熱指標都得到了有效地提高。因此，相對于扁管光管，內翅片扁管使得管內傳熱特性得到了很大地改善,有利于提高換熱器整體的緊湊性。綜上所述，適當?shù)卦黾釉O置在扁管14內的縱向波紋內翅片15的厚度及個數(shù)，選擇具有高導熱性能及良好材料性能的內翅片材料，對于進一步改善和提高內外翅片扁管換熱器的整體傳熱效率及緊湊性具有一定的積極作用。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。權利要求1.一種內外翅片扁管換熱器，包括殼體(5)、設置在殼體(5)上下兩端的管程進口(10-1)和管程出口(10-2)、分別位于殼體(5)內部兩端的兩個管板(1)、平行固定于兩個管板(1)之間的多個換熱管(2)、設置在殼體(5)內部的起固定換熱管(2)和導流作用的多個擋板(3)以及分別位于殼體(5)側壁上的殼程進口(11-1)和殼程出口(11-2)，所述換熱管(2)與管程進口(10-1)和管程出口(10-2)連通組成管內流通通道，所述多個擋板(3)與殼程進口(11-1)和殼程出口(11-2)連通組成一個弓型折流板式殼側流通通道，所述換熱管(2)外設置有多個外翅片，其特征在于所述換熱管(2)由扁管(6)以及設置在扁管(6)內部的縱向波紋內翅片(7)，所述扁管(6)與其內部縱向波紋內翅片(7)之間形成多個縱向流通通道。2.按照權利要求l所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述擋板(3)的數(shù)量為奇數(shù)個，所述殼程進口(11-1)和殼程出口(11-2)位于殼體(5)側壁的同側。3.按照權利要求l或2所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述縱向波紋內翅片(7)的波紋形狀為連續(xù)周期函數(shù)。4.按照權利要求1或2所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述縱向波紋內翅片(7)的波紋為鋸齒形、矩形或正弦波形。5.按照權利要求1或2所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述縱向波紋內翅片(7)上連續(xù)開有多個孔或多條縫。6.按照權利要求l或2所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述外翅片為平板式連續(xù)板翅(4)或波紋式連續(xù)板翅(9)。7.按照權利要求6所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述平板式連續(xù)板翅(4)或波紋式連續(xù)板翅(9)上開有多個孔(12)或縫(13)。8.按照權利要求6所述的內外翅片扁管換熱器，其特征在于所述平板式連續(xù)板翅(4)或波紋式連續(xù)板翅(9)上安裝縱向渦發(fā)生器(14)或百葉窗(15)。全文摘要本發(fā)明公開了一種內外翅片扁管換熱器，包括殼體、殼體兩端的管程進口和管程出口、殼體內兩端的兩個管板、平行固定于兩管板間的換熱管、多個擋板以及殼體側壁上的殼程進口和殼程出口；換熱管與管程進口和管程出口組成管內流通通道，擋板與殼程進口和殼程出口組成殼側流通通道，換熱管外設置有多個外翅片；所述換熱管由扁管以及設置在扁管內部的縱向波紋內翅片，所述扁管與其內部縱向波紋內翅片之間形成多個縱向流通通道。本發(fā)明通過在傳統(tǒng)扁管內增加縱向內翅片板，從而能夠充分加熱換熱管內的高粘度流體，使其在傳熱結構及換熱性能方面與板翅式換熱器相當，同時也使其承壓能力得到有效提高。文檔編號F28D7/10GK101435668SQ200810232349公開日2009年5月20日申請日期2008年11月20日優(yōu)先權日2008年11月20日發(fā)明者峰吳申請人:西安石油大學