一種管殼式換熱器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種傳熱技術(shù)，提供一種管殼式換熱器。該技術(shù)采用徑向拓?fù)浞椒▽?duì)換熱管進(jìn)行排布，配合交替設(shè)置的圓環(huán)形和圓盤形折流板，使殼程流體沿徑向均勻地流過所有換熱管，以提高換熱管的利用率。管殼式換熱器，主要包括筒體、管板、管箱、換熱管和折流板，折流板采用圓環(huán)形折流板和圓盤形折流板相間排布方式，折流板的總塊數(shù)為奇數(shù)。換熱管排布在以換熱器對(duì)稱軸為中心的不同直徑的同心圓上，且在圓周方向均勻分布。換熱管的間距非定值，且最小間距大于等于1.25倍的換熱管外徑。
【專利說明】一種管殼式換熱器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種傳熱技術(shù)，具體涉及一種管殼式換熱器。基于分形理論，采用徑向拓?fù)鋵?duì)換熱管進(jìn)行排布，配合交替設(shè)置的圓板形和圓環(huán)形折流板，使殼程流體流動(dòng)的均勻程度最大化，以提高換熱管的利用率。
【背景技術(shù)】:
[0002]換熱設(shè)備按功能可分為:冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器等，按換熱部件的特點(diǎn)可分為:管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器(包括板片式換熱器和板翅式換熱器)。
[0003]管殼式換熱器是目前過程工業(yè)應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流板等部件組成，可采用不銹鋼、普通碳鋼、紫銅或其它有色金屬作為材料。操作時(shí)，一種流體由一端封頭接管進(jìn)入，經(jīng)過換熱管，從另一端封頭的接管流出，稱之為管程；另一種流體由殼體的一個(gè)接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管流出，稱之為殼程。換熱管作為冷熱流體傳熱的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和型式不斷優(yōu)化。隨著新型高效換熱管的不斷出現(xiàn)，管殼式換熱器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前強(qiáng)化換熱管傳熱的措施有兩類，即(I)改變流體的流動(dòng)情況以增加流速；(2)改變換熱面形狀和大小。
[0004]管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果也較好。由于結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，而且可以選用的材料范圍也比較寬廣，故適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大。尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(如GB151-1999管殼式換熱器)中所涵蓋以及目前所常用的列管換熱器，最大的缺點(diǎn)就在于換熱面積沒有得到充分利用。
[0005]對(duì)于各種換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究，主要集中在對(duì)換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對(duì)各部件的參數(shù)優(yōu)化研究?jī)煞矫妫鴮?duì)換熱器部件參數(shù)的主要研究對(duì)象就是換熱管(板)排列方式(順排或叉排)、換熱管(板)排數(shù)、換熱管(板)間距大小、肋片布置間距、肋片形狀等。在換熱器的設(shè)計(jì)中，換熱管排數(shù)和布置方式、換熱管形狀、肋片外型以及間距等對(duì)換熱器性能的影響不可忽視。為了提高管殼式換熱器殼程流體的流速，增加傳熱效率，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相垂直的折流板，這樣即可提高流體流速，同時(shí)也迫使殼程流體按照規(guī)定的路程，多次與管束形成錯(cuò)流過，有利于管外傳熱系數(shù)的增大。擋板形式有圓缺型(弓型)，圓盤形和圓環(huán)。折流板有圓環(huán)形、弓形、螺旋形等多種，這些折流板都使殼程流體在折流擋板的上下部分區(qū)域形成死區(qū)和滯流區(qū)，而真正起換熱作用的強(qiáng)制湍流區(qū)域是有限的。
[0006]目前常用的換熱管排布方式有正三角形、轉(zhuǎn)正三角形、正方形、轉(zhuǎn)正方形等幾種。為了便于工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中給了這些排布方式的固定尺寸。從流體力學(xué)的角度而言，換熱管固定的間隔尺寸對(duì)殼程流體流動(dòng)的均勻化是十分不利的。另一方面，由于無法準(zhǔn)確判斷殼程流體在換熱管間隙中的流動(dòng)狀態(tài)，如其流速和壓力分布，故對(duì)殼程流動(dòng)的優(yōu)化面臨極大的困難。
[0007]借助于計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)給定的換熱器進(jìn)行整場(chǎng)流動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。在換熱器的數(shù)值分析方面，國(guó)內(nèi)有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，如采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法，對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器使用時(shí)回路的最佳長(zhǎng)度的模擬；采用分布參數(shù)法對(duì)波紋型多通道單流程板式蒸發(fā)器在小換熱溫差時(shí)的換熱性能的模擬；對(duì)濕工況下冷卻空氣型干式蒸發(fā)器盤管進(jìn)行的模擬；對(duì)船舶冷庫(kù)蒸發(fā)器和房間空調(diào)蒸發(fā)器的模擬；對(duì)管翅式換熱器傳熱過程的模擬等。
[0008]換熱管傳熱特性數(shù)值分析的關(guān)鍵在于計(jì)算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介質(zhì)模型、實(shí)體模型和周期性單元流道模型。采用多孔介質(zhì)模型過于簡(jiǎn)化了換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映局部區(qū)域的真實(shí)流動(dòng)和傳熱狀況等詳細(xì)信息，而且部分重要模擬參數(shù)與換熱器的結(jié)構(gòu)型式、幾何尺寸和操作介質(zhì)有關(guān)，故具有一定的局限性。在進(jìn)行新型殼程支撐結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)局部細(xì)節(jié)的流態(tài)分布和強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究時(shí)，不宜采用多孔介質(zhì)模型。
[0009]采用實(shí)體模型對(duì)換熱器的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，可獲得流換熱器的傳熱與流動(dòng)特性的定性分析結(jié)果，但對(duì)于大型管殼式換熱器，由于換熱管數(shù)龐大，模型的網(wǎng)格數(shù)和計(jì)算量異常增加，現(xiàn)有的軟件和硬件尚不能滿足要求。為此，研究人員提出周期性單元流道模型簡(jiǎn)化計(jì)算方法，忽略了筒體壁面附近布管區(qū)流體流動(dòng)和傳熱的特殊性對(duì)殼程流動(dòng)和傳熱總體性能的影響。若換熱管布管方式為正方形時(shí)，可取4根換熱管所包圍的流體流動(dòng)空間為一個(gè)“單元流道”計(jì)算模型，這樣可有效降低縱流殼程換熱器的數(shù)值模擬難度。然而，單元流道模型適用于換熱管束和管束支撐結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱分布的某些縱流殼程換熱器，對(duì)于不具備上述結(jié)構(gòu)特征的管殼式換熱器，如折流板換熱器、螺旋板換熱器等，則無法這樣簡(jiǎn)化。對(duì)于殼體直徑較小的管殼式換熱器，即使符合單元流道對(duì)稱性的簡(jiǎn)化要求，由于筒體壁面附近布管區(qū)的流體對(duì)殼程流動(dòng)和傳熱總體性能的影響較大而不可忽略，單元流道模型模擬結(jié)果與實(shí)際工況有較大偏差。
[0010]諸多研究表明，按照傳統(tǒng)換熱管的布局(正三角形、轉(zhuǎn)正三角形、正方形、轉(zhuǎn)正方形)配合弓形、半圓形折流板，很難形成殼程流體的均勻流動(dòng)，亦即并不是所有換熱管周圍都用均勻的殼程流體流過，有的區(qū)域速度大，有的區(qū)域速度小，有的區(qū)域甚至是死區(qū)(流體不流動(dòng))，這樣這部分換熱管實(shí)際不起作用。可見，優(yōu)化換熱管的排布方式，對(duì)于此類換熱器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用具有重要的工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0011]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有管殼式換熱器中換熱管空間分布，不利于殼程流體均勻流動(dòng)的缺點(diǎn)，基于分形理論，提出一種管殼式換熱器，采用由中心向半徑增大方向逐層排布的方法排布換熱管，換熱管在圓周方向均勻分布，并采用間隔排列的圓環(huán)形和圓盤形折流板，以實(shí)現(xiàn)殼程流體的均勻流動(dòng)。
[0012]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0013]一種管殼式換熱器，主要包括筒體、管板、管箱、換熱管和折流板，所述筒體兩側(cè)連接左、右管箱，筒體與左管箱連接處設(shè)有左管板，筒體與右管箱連接處設(shè)有右管板，筒體兩側(cè)設(shè)有進(jìn)口和出口，筒體內(nèi)等間距設(shè)有多塊折流板，折流板平行于左、右管板設(shè)置，且折流板采用圓環(huán)形折流板和圓盤形折流板相間排布方式，折流板的總塊數(shù)為奇數(shù)，與左、右管板相鄰的均為圓環(huán)形折流板；各折流板及左、右管板上均設(shè)有板孔，各板孔直徑相當(dāng)；
[0014]所述筒體內(nèi)布有多根換熱管,各換熱管沿筒體軸向平行設(shè)置,各換熱管穿套過各折流板及兩端的左、右管板上的板孔與左、右管箱相通，左、右管箱上分別設(shè)有管程進(jìn)口和管程出口 ；
[0015]所述圓環(huán)形折流板外徑與筒體相當(dāng)，中部為空心圓環(huán)；所述圓盤形折流板外徑與筒體之間留有圓環(huán)形空缺。
[0016]在所述圓環(huán)形和圓盤形折流板的作用下，殼程流體沿徑向流動(dòng)，從中心向四周擴(kuò)散或從四周向中心匯聚。
[0017]筒體的進(jìn)口連接有進(jìn)口接管，筒體的出口連接有出口接管。
[0018]管程進(jìn)口處連接有進(jìn)口接管，管程出口處連接有出口接管。
[0019]所述圓環(huán)形折流板的空心圓環(huán)的面積與圓盤形折流板的空缺面積相等。
[0020]圓環(huán)形折流板內(nèi)圓半徑A為
[0021 ]
【權(quán)利要求】
1.一種管殼式換熱器，其特征是:主要包括筒體、管板、管箱、換熱管和折流板，所述筒體兩側(cè)連接左、右管箱，筒體與左管箱連接處設(shè)有左管板，筒體與右管箱連接處設(shè)有右管板，筒體兩側(cè)設(shè)有進(jìn)口和出口，筒體內(nèi)等間距設(shè)有多塊折流板，折流板平行于左、右管板設(shè)置，且折流板采用圓環(huán)形折流板和圓盤形折流板相間排布方式，折流板的總塊數(shù)為奇數(shù)，與左、右管板相鄰的均為圓環(huán)形折流板；各折流板及左、右管板上均設(shè)有板孔，各板孔直徑相當(dāng)； 所述筒體內(nèi)布有多根換熱管，各換熱管沿筒體軸向平行設(shè)置，各換熱管穿套過各折流板及兩端的左、右管板上的板孔與左、右管箱相通，左、右管箱上分別設(shè)有管程進(jìn)口和管程出口 ； 所述圓環(huán)形折流板外徑與筒體相當(dāng)，中部為空心圓環(huán)；所述圓盤形折流板外徑與筒體之間留有圓環(huán)形空缺。 在所述圓環(huán)形和圓盤形折流板的作用下，殼程流體沿徑向流動(dòng)，從中心向四周擴(kuò)散或從四周向中心匯聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管殼式換熱器，其特征是:筒體的進(jìn)口連接有進(jìn)口接管，筒體的出口連接有出口接管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管殼式換熱器，其特征是:管程進(jìn)口處連接有進(jìn)口接管，管程出口處連接有出口接管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管殼式換熱器，其特征是:所述圓環(huán)形折流板的空心圓環(huán)的面積與圓盤形折流板的空缺面積相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管殼式換熱器，其特征是:圓環(huán)形折流板內(nèi)圓半徑^為
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管殼式換熱器，其特征是:圓盤形折流板的半徑r。為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管殼式換熱器，其特征是:所述圓環(huán)形折流板、圓盤形折流板和左、右管板上板孔位置對(duì)應(yīng)，相鄰板孔的間距> 1.25d。
【文檔編號(hào)】F28F9/24GK203824384SQ201420256381
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】周劍鋒, 吳士偉, 陳瑤, 邵春雷, 顧伯勤 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)