專利名稱：一種整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管殼式換熱器，特別是一種整體熱浸鋅防腐的采用扭曲管作為傳熱管的自支撐管殼式換熱器，屬于換熱器材料和制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，為降低換熱設(shè)備的重量，減少換熱設(shè)備體積，節(jié)能降耗，強化傳熱過程，已研制出多種高效換熱器。如折流桿換熱器(換熱管有光滑管、螺紋管、螺旋槽管等)一般只是用于大流量的場合，殼程物流流速對殼程傳熱系數(shù)有很大的影響，不適宜殼程為中小流量使用；波紋管、波節(jié)管換熱器一般采用薄壁換熱元件，由于震動碰撞等原因，換熱管易于破裂，降低了使用安全性，且由于薄壁承壓較低，也不適用于高溫高壓場合下使用；管內(nèi)插 彈簧或扭曲帶換熱器易于堵塞、造成壓カ降過大；目前所開發(fā)的幾類高效換熱器應用場合受到一定的限制，不易推廣，因此使用最為廣泛的還是傳統(tǒng)的管殼式換熱器。目前大量使用的管殼式換熱器為傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器，換熱管長期運行出現(xiàn)腐蝕破損的問題越來越嚴重。以石化行業(yè)常用的換熱器為例長期以來，毎年都要發(fā)生多起換熱管腐蝕破損失效的事件，不得不通過加襯管或堵管進行補救，并嚴重影響換熱器的傳熱效果。傳統(tǒng)的弓型折流板換熱器中，弓型折流板的作用是使殼側(cè)流動成為彎曲的之字形流動，流體可以垂直沖刷管束，強化換熱。但是，這種折流板的布置形式同時也帶來了很多問題。(I)弓型折流板使流體垂直沖擊殼體壁面，造成較大的沿程壓降；(2)折流板與殼體壁面相接處產(chǎn)生流動滯止死區(qū)，降低了換熱效率；(3)由于制造公差的存在及安裝要求，管束與殼體存在一定的縫隙，使殼側(cè)存在較大的旁路流動，即売體壁面附近的切向流動。折流板與殼體壁面之間及換熱管與折流板之間存在漏流，旁流及漏流降低了有效的橫掠管束的質(zhì)量流速，故減小了殼側(cè)的換熱效率；(4)高的質(zhì)量流速橫掠換熱管束，會誘導換熱管的振動，縮短換熱器的壽命?，F(xiàn)代エ業(yè)設(shè)備對熱負荷的要求越來越大，這就要求安裝更大面積的換熱器。可是，在現(xiàn)有エ藝流程上増加換熱器的數(shù)量，必然引起總沿程壓降的増加，即需要增大泵功消耗。在某些情況下，這種做法是不可行的。例如，對現(xiàn)有設(shè)備進行改進，由于空間限制，無法安裝更多的換熱器；或者泵的能力已在初始安裝時確定，沒有預留足夠的余量。隨著工業(yè)的發(fā)展，節(jié)能越來越重要，對換熱器的要求也越來越嚴格。希望達到要求的換熱量，同時消耗較小的泵功。而對于傳統(tǒng)的弓型折流板換熱器，要產(chǎn)生所要求的換熱量，必然帶來相當高的沿程壓降。因此，重新考慮對折流板的安排是必要的。綜上所述，傳統(tǒng)弓型折流板換熱器中，弓型折流板使流體橫向沖刷管束.提高了殼側(cè)流體的換熱能力，但是，由于流體在接近殼體壁面處的突然轉(zhuǎn)向使能量損耗迅速増大，造成殼側(cè)的沿程壓カ降増大，另外，由于折流板與殼體之間的旁流和換熱管與折流板之間漏流及死區(qū)的存在，使其殼側(cè)流動特性的缺點十分明顯。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，尤其是針對弓型折流板換熱器的腐蝕問題以及殼側(cè)流動的缺點，本發(fā)明為克服傳統(tǒng)折流板管殼式換熱器存在的不足，提出一種整體熱浸鋅防腐的采用扭曲管的自支撐管殼式換熱器。本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的傳統(tǒng)折流板換熱器因在整個管長區(qū)間周期性的布有折流板，在換熱器投入使用后，由于震動，使折流板的管孔與管束存在很大的摩擦，若此類換熱器在采用熱浸鋅處理，則處在折流板管孔與管束之間的熱浸鋅層0. 01-0. Imm極易被摩損掉，導致局部腐蝕，是熱浸鋅失去價值。相比之下，本發(fā)明的扭曲管換熱器就可以很好的實現(xiàn)整體熱浸鋅的エ藝，因為扭曲管換熱器可以實現(xiàn)自支撐，沒有折流板，因此沒有與管束的磨損，保證了熱浸鋅表面的整體性和完整性。可以顯著提高殼程和管程的抗腐蝕能力，同時可以替代耐腐蝕性材料換熱器，減少制造成本。同時傳熱扭曲管的換熱器中，流體在殼側(cè)的流動方向是連續(xù)變化 的。不存在突然轉(zhuǎn)向的流動，極大的降低了流動阻力。流體與換熱管有一螺旋傾角，流體螺旋狀的繞過換熱管束，不僅流動阻カ小，而且不存在滯流死區(qū)，殼程流動特性的優(yōu)點是顯而易見的。本發(fā)明的換熱器與弓形折流板換熱器的根本區(qū)別在于折流板在殼體中結(jié)構(gòu)形式的變化。弓形折流板在殼體內(nèi)垂直于換熱管束，使殼側(cè)形成若干個并列折返通道，介質(zhì)急劇改變流向必然產(chǎn)生嚴重的壓カ損耗。這是此類換熱器能耗大的主要原因。同時在兩個折流通道變向過渡區(qū)域，流體取最短路程斜向前進，就形成ー個介質(zhì)相對靜止的三角形區(qū)域。這部分靜止流體降低了管子表面的換熱能力，相當于減少了換熱面積，這也說明了弓形折流板換熱器無法大幅度提高換熱效率的主要原因之一。采用傳熱扭曲管的換熱器在結(jié)構(gòu)上采用螺旋扭曲管束自支撐，使介質(zhì)自殼體進ロ向出ロ呈螺旋狀推迸。避免了大斜度折返帶來的嚴重壓カ損失，因而具有低壓カ降特點。介質(zhì)的高傳熱系數(shù)來源于高Re數(shù)，而高的流速又是提高Re數(shù)的重要條件。傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器由于死區(qū)較大，速度受到極大的影響。扭曲管換熱器依靠螺旋線或變徑部分的點接觸來支撐管束，同時又形成了殼程的抗流元件，在保持低壓カ降的前提下，増大了流體自身的湍流度，大大提高了介質(zhì)的流速，這樣通過Re數(shù)來達到提高膜換熱系數(shù)的目的。究其原因主要是這種螺旋結(jié)構(gòu)使介質(zhì)形成旋渦，從圓心到半徑方向產(chǎn)生較大的速度梯度，使管子表面的流體形成湍流，從而減薄邊界層，有利于提高換熱系數(shù)，使殼程強化傳熱進一歩增強。另外，連續(xù)的螺旋線和變徑部分的支撐減小了管子間的跨距，使得管子的固有頻率避開了流體的激振頻率，避免了因共振引起的破損。從而延長了設(shè)備的壽命，降低了維修費用。由于流體的有效沖刷，也減少了污垢的沉積，使換熱器長期運行在高效狀態(tài)，達到了節(jié)能的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的ー種采用扭曲傳熱管的自支撐管殼式換熱器，包括管箱I、管板2和管板5、殼體3和封頭6，其特征在于，所述的換熱器以傳熱扭曲管4作為傳熱管，所述的傳熱扭曲管4的兩端為圓形直管9，其余部分是橫截面為橢圓形或扁圓形的螺旋扭曲管10，每根傳熱扭曲管4沿管箱I的軸向平行設(shè)置，通過兩端的圓形直管9分別與管板2和管板5固定連接組成管束芯體7，每三根相鄰的傳熱扭曲管4在管板上成正三角形排列；每根螺旋扭曲管10具有相同的扭距S，為螺旋扭曲管任ー橫截面繞扭曲管軸線旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過的長度，在與傳熱扭曲管4軸線垂直的任一平面上，螺旋扭曲管10橫截面的長軸互相平行，管束芯體7中傳熱扭曲管4的間距為螺旋扭曲管10橫截面的長軸長A ;每相隔至少1/6倍扭矩S，相鄰的螺旋扭曲管10橫截面的長軸部位相接觸形成支撐和阻擋，短軸部位相對應形成間隙，在所述管束芯體7中形成網(wǎng)狀流道；其中，所述的傳熱扭曲管4的材質(zhì)為碳鋼，管束芯體7在與殼體、封頭和管箱進行裝配前，進行整體熱浸鋅處理。在上述技術(shù)方案中，所述的螺旋扭曲管10橫截面的短軸B與長軸A之比優(yōu)選為B/A = (0. 6 0. 7) I。在上述技術(shù)方案中，每相隔至少1/6倍扭距，傳熱扭曲管4的管束整體捆扎。在上述技術(shù)方案中，所述的管板2和管板5為固定管板或浮頭管板。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有換熱器相比，有以下優(yōu)勢I、防腐蝕性，換熱管管束芯體和管板的整體熱浸鋅來替代防腐蝕材料管束，可以達到很好的抗腐蝕能力，同時又能大大的降低制造成本。2、使用壽命長，此高效換熱器的殼程流道基本為縱向流或純逆流，避免了流體對管束芯體的橫向沖刷以及流動死區(qū)的形成，再加上對管束芯體的整體捆扎，更能有效提高換熱器殼程抗誘導振動以及抗結(jié)垢的能力，從而延長換熱器的使用壽命。3、此高效扭曲管換熱器殼程因采用無折流板(支撐板)結(jié)構(gòu)，簡化了管束支撐，提高了換熱器的緊湊度，扭曲管依靠螺旋線或變徑部分的接觸來支撐管子，同時又組成殼程的擾流元件，増大了流體自身的湍流度，破壞了管壁上的流體邊界層，從而使殼程傳熱進ー步增強；無折流板(支撐板)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全程縱向流或純逆流，使得殼程壓降大大降低，傳熱面積得到充分利用；同時由于分布均勻，沒有流動死區(qū)的形成。4、管束外側(cè)易于清洗，管殼式換熱器設(shè)計時在一定條件下可廣泛采用三角形排 列，提高換熱設(shè)備単位體積/重量的換熱量。此高效換熱器采用了螺旋扭曲管作為傳熱管，使管束中管排間形成周期性的局部較大空隙，便于管束外側(cè)的清洗，因而對于殼側(cè)需要走不清潔介質(zhì)或傳熱阻カ大的氣體介質(zhì)，宜采用此高效扭曲管換熱器。5、從換熱效果的角度上來講，此高效扭曲管換熱器的換熱管束采用螺旋扭曲管，管程流體從管程入口進入螺旋扭曲管內(nèi)，在管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動，產(chǎn)生復雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的物流分離與混合為主要特點的強擾動。殼程具有一體化以及網(wǎng)格化的特點，流體在通道內(nèi)由于離心力的作用而周期性地改變速度和方向，強化了殼程流體的縱向混合。使殼程縱向流很快達到湍流狀態(tài)，有效傳熱面積顯著増加。這些結(jié)構(gòu)特點，大大提高了換熱器的傳熱系數(shù)，起到強化傳熱的效果。6、從節(jié)能節(jié)材的角度來講，此高效扭曲管換熱器由于其具有高效傳熱管的強化傳熱作用，在同等換熱量的要求下，可減少管束芯體中管子的數(shù)量，進而減少碳鋼管和鍍鋅的重量，從而達到節(jié)能節(jié)材的效果。7、結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣。本發(fā)明采用橫截面為橢圓形或扁圓形的螺旋扭曲管，其余均采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，適合于各種壓カ級別和不同溫度條件的管殼式換熱器的全部結(jié)構(gòu)形式，包括GB151《鋼制管殼式換熱器》中所述的幾種結(jié)構(gòu)形式，如浮頭式、U型管式和固定管板式等結(jié)構(gòu)形式的管殼式換熱器，而且此高效管殼式換熱器的管束與常規(guī)管殼式換熱器的管束具有互換性，因而可廣泛應用或替代傳統(tǒng)換熱器，易于推廣，成本較低，特別是在石化行業(yè)的改造過程中具有廣闊的應用前景。


圖I為以浮頭式為例的本發(fā)明示意圖其中1-管箱，2，5-管板，3-殼體，4-傳熱扭曲管，6-封頭，7-管束芯體，8-殼體內(nèi)徑，9-圓形直管，10-螺旋扭曲管。圖2為浮頭式管束芯體與殼體內(nèi)徑尺寸示意圖其中7_管束芯體，8-殼體內(nèi)徑，I-扭曲管直管段與管板連接的局部圖，II-扭曲管管束整體捆扎局部圖，in-扭距S局部示意圖。圖3為傳熱扭曲管直管段與管板連接的局部放大圖
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圖4、圖5、圖6為管束芯體沿軸向60°、120°、90°不同截面的局部剖視圖。其中圖4 中Z AOB = 60。，圖 5 中 Z AOB = 120。，圖 6 中Z AOB = 90。。圖7為扭曲管管束整體捆扎示意圖其中Iト捆扎帶。圖8為扭距S的示意圖其中S-扭矩。圖9為螺旋扭曲管截面的長短軸示意圖其中A_長軸長度，B-短軸長度。
具體實施例方式為進一歩理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步描述，需要說明的是，具體實施方式
并不對本發(fā)明要求保護的范圍構(gòu)成限制。以浮頭式正三角形布管的整體熱浸鋅防腐的高效節(jié)能節(jié)材自支撐管殼式換熱器為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，包括管箱I、管板2和管板5、殼體3、傳熱扭曲管4和封頭6。傳熱扭曲管4是橫截面為橢圓形或扁圓形的螺旋扭曲管，傳熱扭曲管4左邊與管板2連接，右邊與管板5連接組成管束芯體7，為方便傳熱扭曲管4與管板2與管板5的連接，傳熱扭曲管兩端仍為圓形直管，直管段厚度大于管板厚度2倍以上，局部視3為管板2與傳熱扭曲管4連接的局部放大圖。在與換熱管軸線垂直的任一平面上，管束芯體換熱管的橢圓形橫截面長軸互相平行，相同的扭距和平行的橢圓形橫截面長軸實現(xiàn)了管束芯體7的自支撐結(jié)構(gòu)，圖4、圖5、圖6為管束芯體沿軸向60°、120°、90°不同截面的局部剖視圖，螺旋扭曲管依序排列，每相隔至少1/6倍扭矩，傳熱扭曲管相互接觸實現(xiàn)自支撐,并通過整體捆扎提高其穩(wěn)定性，如圖7所示，局部放大圖8表示了單個扭距S的長度。相鄰螺旋扭曲管長軸相互接觸形成支撐和阻擋，短軸部位相對應形成間隙，最終在所述管束中形成網(wǎng)狀流道，此結(jié)構(gòu)使得殼程流道網(wǎng)格化，管束芯體成為整體，能顯著提高殼程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本發(fā)明所述整體熱浸鋅防腐的高效節(jié)能節(jié)材自支撐管殼式換熱器管束芯體7無需傳統(tǒng)換熱器的折流板(支撐板)，圖2所示為浮頭式管殼式換熱器的管束芯體7與殼體內(nèi)徑8的尺寸示意圖，利用管束芯體7與殼體內(nèi)徑尺寸8尺寸上的差別，管束芯體7在整體熱浸鋅處理后，可實現(xiàn)與管箱I、殼體3、封頭6的合理裝配，顯著提高其殼程與管程抗腐蝕和抗誘導振動性能。實施例依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案制成傳熱扭曲管換熱器，對比換熱器為單弓型折流板換熱
器，兩種換熱器的基本結(jié)構(gòu)相同，具體參數(shù)見下表
權(quán)利要求
1.一種整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器，包括管箱I、管板2和管板5、殼體3和封頭6，其特征在于，所述的換熱器以傳熱扭曲管4作為傳熱管，所述的傳熱扭曲管4的兩端為圓形直管9，其余部分是橫截面為橢圓形或扁圓形的螺旋扭曲管10，每根傳熱扭曲管4沿管箱I的軸向平行設(shè)置，通過兩端的圓形直管9分別與管板2和管板5固定連接組成管束芯體7，每三根相鄰的傳熱扭曲管4在管板上成正三角形排列；每根螺旋扭曲管10具有相同的扭距S，為螺旋扭曲管任ー橫截面繞扭曲管軸線旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過的長度，在與傳熱扭曲管4軸線垂直的任一平面上，螺旋扭曲管10橫截面的長軸互相平行，管束芯體7中傳熱扭曲管4的間距為螺旋扭曲管10橫截面的長軸長A ;每相隔至少1/6倍扭矩S，相鄰的螺旋扭曲管10橫截面的長軸部位相接觸形成支撐和阻擋，短軸部位相對應形成間隙，在所述管束芯體7中形成網(wǎng)狀流道； 其中，所述的傳熱扭曲管4的材質(zhì)為碳鋼，管束芯體7在與殼體、封頭和管箱進行裝配前，進行整體熱浸鋅處理。
2.如權(quán)利要求I所述的整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器，其特征在干，所述的螺旋扭曲管10橫截面的短軸B與長軸A之比為B/A = (0. 6 0. 7) I。
3.如權(quán)利要求I所述的整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器，其特征在干，每相隔至少1/6倍扭距，所述的傳熱扭曲管4的管束整體捆扎。
4.如權(quán)利要求I所述的整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器，其特征在干，所述的管板2和管板5為固定管板或浮頭管板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種整體熱浸鋅防腐的扭曲管自支撐管殼式換熱器，其特征為換熱器傳熱扭曲管是兩端為圓形直管、中間是橫截面為橢圓形或扁圓形的螺旋扭曲管，傳熱扭曲管沿管箱軸向平行設(shè)置，兩端與管板連接組成管束芯體，螺旋扭曲管扭距相同，每相隔至少1/6倍扭矩，相鄰的螺旋扭曲管橫截面的長軸部位相接觸形成支撐和阻擋，短軸部位相對應形成間隙，形成網(wǎng)狀流道。本發(fā)明的換熱器沒有支撐板(折流板)，沒有管板與管束表面的摩損，保證了熱浸鋅表面的整體性和完整性，顯著提高了殼程、管程的抗腐蝕能力，替代了耐腐蝕性材料的換熱器，減少了制造成本。
文檔編號F28D7/02GK102767975SQ201110114949
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者孫赫, 曾力丁, 朱冬生, 涂善東 申請人:華東理工大學