專利名稱：微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域的換熱器。
背景技術(shù)：
換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工、制冷、發(fā)電等諸多領(lǐng)域，其中管殼式換熱器所占的比例最大，被譽(yù)為工業(yè)過(guò)程的“傳熱之母”。管殼式換熱器的核心部件是傳熱管，其換熱能力的好壞直接決定了換熱器性能的優(yōu)劣。隨著強(qiáng)化換熱技術(shù)研究的不斷深入，人們開(kāi)發(fā)出很多強(qiáng)化換熱元件，波浪管便是其中之一。波浪管利用沿軸線方向正反變化的彎曲結(jié)構(gòu)使管內(nèi)流體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次流，從而起到強(qiáng)化換熱的作用，而其彎曲結(jié)構(gòu)對(duì)管外流體同樣會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)作用，尤其在管束密集排布時(shí)效果更為明顯。利用波浪管制作管殼式換熱器有兩方面問(wèn)題是值得認(rèn)真研究的1.波浪管的彎曲弧度。波浪管的彎曲弧度決定了管內(nèi)二次流的強(qiáng)度和流動(dòng)阻力的大小，弧度越大二次流越強(qiáng)烈，換熱性能越好，但阻力也越大；另外，較大的彎曲弧度不利于管束在殼程空間的排布，還會(huì)使換熱器的體積增大，因此在利用波浪管制作換熱器時(shí)，管子的彎曲弧度不易過(guò)大。2.波浪管的殼側(cè)支撐如果采用傳統(tǒng)的弓形折流板對(duì)管束進(jìn)行支撐，由于管束沿軸向方向存在彎曲弧度，不但會(huì)使管束和折流板的加工精度要求大幅提高，而且也會(huì)使折流板的安裝工藝變得非常復(fù)雜；另外，折流板的存在還會(huì)大幅削弱波浪管本身對(duì)殼程流體產(chǎn)生的擾動(dòng)。因此，波浪管管束的支撐問(wèn)題亟待解決。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)波浪管換熱器的研究尚未充分開(kāi)展，關(guān)于波浪管換熱器的相關(guān)專利也寥寥無(wú)幾?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，對(duì)波浪管的結(jié)構(gòu)、在殼體內(nèi)的具體布置方式和管子在管板上的排列等重要問(wèn)題都沒(méi)有提出明確的方案(專利申請(qǐng)?zhí)?4225614.X)，無(wú)法滿足換熱器實(shí)際生產(chǎn)和使用的技術(shù)要求。其他概念性設(shè)計(jì)也存在換熱管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難、難以承受高壓等突出的問(wèn)題，且殼側(cè)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足水-水換熱的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用場(chǎng)合僅限于汽車廢氣的冷卻系統(tǒng)(專利申請(qǐng)?zhí)?00610165381. 4)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供加工簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、管間支撐結(jié)構(gòu)可靠、具有很強(qiáng)的換熱能力的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側(cè)設(shè)置上封頭，下管板右側(cè)設(shè)置下封頭，上封頭連通管側(cè)進(jìn)口，下封頭連通管側(cè)出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設(shè)置殼側(cè)出口，下管板旁設(shè)置殼側(cè)進(jìn)口。本發(fā)明還可以包括1、所述的微波浪管由兩端的直線形管和中間的波浪形管組成，波浪形管由彎曲弧度相等的圓弧組成，圓弧的弧度不大于60度，一個(gè)正向彎曲的圓弧和一個(gè)反向彎曲的圓弧構(gòu)成一個(gè)圓弧周期。2、殼體內(nèi)微波浪管和直管以交替的方式排列，即除邊緣外，每根微波浪管的周圍均設(shè)置為直管，每根直管的周圍均設(shè)置為微波浪管，直管與微波浪管線接觸，形成互相支撐的結(jié)構(gòu)，直管的直徑不小于波浪管的直徑。3、在微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器本體的剖視圖上，相鄰的三個(gè)微波浪管和三個(gè)直管構(gòu)成等邊三角形，三個(gè)微波浪管為等邊三角形的三條邊，三個(gè)直管為等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)。4、在最外圍的直管或微波浪管外設(shè)置約束圈，約束圈的內(nèi)緣與最外圍的直管或微波浪管外緣沿軸向相切。5、每?jī)蓚€(gè)或三個(gè)圓弧周期設(shè)置一個(gè)約束圈。6、在約束圈外側(cè)固定安裝拉桿，拉桿的兩端分別固連上管板和下管板。7、在約束圈與殼體之間，還安裝有微波浪管或/和直管。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于1.微波浪管的波浪形結(jié)構(gòu)可使管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次流，從而顯著強(qiáng)化管內(nèi)換熱；而對(duì)于殼側(cè)而言，密集的波浪結(jié)構(gòu)可以對(duì)殼程流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪混作用，使換熱大大增強(qiáng)；此外，當(dāng)管束長(zhǎng)度相同時(shí)，微波浪管的實(shí)際長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于直管長(zhǎng)度，由此可帶來(lái)?yè)Q熱面積的大幅提升，從而起到附加的強(qiáng)化作用。2.微波浪管的加工方法簡(jiǎn)單，不破壞換熱管機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)其機(jī)械性能影響較小，可以滿足光滑直管所適用的工作環(huán)境；管子的波浪結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)男巫兾赵诠茏邮軣岵痪鶆驎r(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力；流體流經(jīng)波浪結(jié)構(gòu)時(shí)，流動(dòng)方向不斷改變，產(chǎn)生的沖刷作用可以抑制管道表面污垢的沉積，具有良好的自清潔能力。3.省去了折流板等管間支撐部件，簡(jiǎn)化了換熱器的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了材料，使安裝更加簡(jiǎn)單、可靠；另外，省去折流板還可顯著降低殼程壓降以及折流板存在時(shí)帶來(lái)的污垢沉積問(wèn)題和流體橫向沖刷管束時(shí)帶來(lái)的傳熱管振動(dòng)和疲勞破壞，提高了換熱器的換熱能力和使用壽命。4.正六邊形約束圈的存在可適當(dāng)放寬波浪管的加工精度和混合管束的配合精度，還可有效解決最外側(cè)的波浪管和光管得不到較好約束的問(wèn)題；另外，正六邊形約束圈還可以填補(bǔ)管束與換熱器殼體之間的空間，有效減少旁通流量。5.約束圈各邊外側(cè)根據(jù)實(shí)際情況焊接一定數(shù)量的拉桿，不僅實(shí)現(xiàn)了約束圈的軸向固定，而且可以進(jìn)一步減少殼程旁通流量，提高換熱效率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為微波浪形換熱管示意圖3為自支撐單元結(jié)構(gòu)3D示意圖；圖4為換熱器管束截面圖示意圖；圖5為管束部分裝配的3D示意圖(約束圈外全拉桿裝配)；圖6管束部分裝配的3D示意圖(約束圈外拉桿與微波浪換熱管混合裝配)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 6，本發(fā)明包括殼體1、微波浪管2、直管3、拉桿4、約束圈5、管板(6、7 )、上封頭8、下封頭9、管側(cè)進(jìn)口 10、管側(cè)出口 11、殼側(cè)進(jìn)口 12和殼側(cè)出口 13，殼體I上的殼側(cè)進(jìn)口管12和殼側(cè)出口管13采用側(cè)進(jìn)側(cè)出形式，安裝在殼側(cè)兩端靠近下封頭9和上封頭8的位置，沿與殼體垂直方向流入和流出殼側(cè)空間，殼側(cè)進(jìn)口管12和殼側(cè)出口管13之間的夾角依據(jù)安裝要求可以為任意角度，管側(cè)進(jìn)口管10和管側(cè)出口管11分別位于上封頭8和下封頭9的中心，換熱器的換熱管束由微波浪管2和直管3構(gòu)成，管束不需要折流板支撐，而是依靠自身的接觸而使微波浪管和直管起到相互支撐的作用，所述換熱器的殼程流體和管程流體采用逆流方式進(jìn)行換熱，在進(jìn)行熱交換時(shí)，殼程流體由殼側(cè)進(jìn)口管12流入，在外掠管束完成換熱后由殼側(cè)出口管13流出；管程流體由管側(cè)進(jìn)口 10流入上封頭8，經(jīng)管板6上的傳熱管接口流入管束，在管內(nèi)完成換熱后由管板7上的傳熱管接口流入下封頭9,最后由管側(cè)出口管11流出換熱器。結(jié)合附圖2所示的微波浪形換熱管示意圖，換熱器內(nèi)使用的微波浪管由兩端的直管段和中間的彎管段組成，其中直管段的長(zhǎng)度略大于管板的厚度，而彎管段由若干彎曲弧度相等的圓弧組成，彎曲弧度一般在60°以下。微波浪管的彎管段分為若干周期，每一周期內(nèi)包括一個(gè)正向彎曲的圓弧結(jié)構(gòu)和一個(gè)反向彎曲的圓弧結(jié)構(gòu)，且所有的圓弧結(jié)構(gòu)處于同一平面內(nèi)。微波浪管可通過(guò)彎管機(jī)械對(duì)光管進(jìn)行多次彎曲加工得到。結(jié)合附圖3所示的自支撐單元結(jié)構(gòu)3D示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，中心圓管周圍布置了 6根微波浪管，這些微波浪管的波形關(guān)于該光管軸對(duì)稱，光管與微波浪管的波峰或波谷直接接觸，互為支撐。結(jié)合附圖4所示的換熱器管束截面圖示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，管束在管板上的排列方式為等邊三角形排列(或正六邊形排列)。管板上最內(nèi)側(cè)正六邊形的邊長(zhǎng)為管中心距。在中心區(qū)外，按照波-直交替的方式依次布管，最終使得每根光管(邊緣除外)周圍均布6根波浪管，每根波浪管(邊緣除外)的波峰和波谷處均有光管支撐。布管完成后，在所布的最大正六邊形管束外需加套一個(gè)正六邊形約束圈，約束圈的內(nèi)緣與混合管束外緣沿軸向相切。結(jié)合附圖5、6所示的管束部分裝配的3D示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，沿管束軸向2個(gè)微波浪管的周期布置了一個(gè)約束圈，并在約束圈各邊外側(cè)裝有拉桿和附加的傳熱管，其中拉桿與約束圈焊接在一起，這樣不但可以對(duì)約束圈起到固定作用，而且填補(bǔ)了管束周圍的殼程空間，減少了旁通流量，是換熱器的換熱能力有了進(jìn)一步的提升。
權(quán)利要求
1.微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側(cè)設(shè)置上封頭，下管板右側(cè)設(shè)置下封頭，上封頭連通管側(cè)進(jìn)口，下封頭連通管側(cè)出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設(shè)置殼側(cè)出口，下管板旁設(shè)置殼側(cè)進(jìn)口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是所述的微波浪管由兩端的直線形管和中間的波浪形管組成，波浪形管由彎曲弧度相等的圓弧組成，圓弧的弧度不大于60度，一個(gè)正向彎曲的圓弧和一個(gè)反向彎曲的圓弧構(gòu)成一個(gè)圓弧周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是殼體內(nèi)微波浪管和直管以交替的方式排列，即除邊緣外，每根微波浪管的周圍均設(shè)置為直管，每根直管的周圍均設(shè)置為微波浪管，直管與微波浪管線接觸，形成互相支撐的結(jié)構(gòu)，直管的直徑不小于波浪管的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器本體的剖視圖上，相鄰的三個(gè)微波浪管和三個(gè)直管構(gòu)成等邊三角形，三個(gè)微波浪管為等邊三角形的三條邊，三個(gè)直管為等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在最外圍的直管或微波浪管外設(shè)置約束圈，約束圈的內(nèi)緣與最外圍的直管或微波浪管外緣沿軸向相切。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是每?jī)蓚€(gè)或三個(gè)圓弧周期設(shè)置一個(gè)約束圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在約束圈外側(cè)固定安裝拉桿，拉桿的兩端分別固連上管板和下管板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在約束圈與殼體之間，還安裝有微波浪管或/和直管。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側(cè)設(shè)置上封頭，下管板右側(cè)設(shè)置下封頭，上封頭連通管側(cè)進(jìn)口，下封頭連通管側(cè)出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設(shè)置殼側(cè)出口，下管板旁設(shè)置殼側(cè)進(jìn)口。本發(fā)明微波浪管的波浪形結(jié)構(gòu)可使管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次流，從而顯著強(qiáng)化管內(nèi)換熱；當(dāng)管束長(zhǎng)度相同時(shí)，微波浪管的實(shí)際長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于直管長(zhǎng)度，由此可帶來(lái)?yè)Q熱面積的大幅提升，從而起到附加的強(qiáng)化作用。
文檔編號(hào)F28D7/00GK103017570SQ20131001283
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者范廣銘, 孫中寧, 張東洋, 徐慧強(qiáng), 閻昌琪, 孫立成, 曹夏昕, 王建軍, 丁銘, 谷海峰 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)