本發(fā)明屬于換熱器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種雙殼程折流桿管殼式換熱器。

背景技術(shù)：
換熱器是石油、化工、能源、動(dòng)力、冶金等工業(yè)中一種重要的單元設(shè)備，其中管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，約占換熱器總量70％。管殼式換熱器殼側(cè)的折流裝置除了支撐換熱管束外，更重要的是改變殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)，從而強(qiáng)化傳熱。管殼式換熱器殼程流體的流動(dòng)形式主要有三種：1.橫向流動(dòng)，如傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器，使殼程流體對換熱管垂直沖刷形成橫向流動(dòng)；2.縱向流動(dòng)，如折流桿換熱器，使殼程流體平行于換熱管形成縱向流動(dòng)；3.螺旋流動(dòng)，如螺旋折流板換熱器，使殼程流體總體呈螺旋流動(dòng)，但這種螺旋流動(dòng)在本質(zhì)上仍是流體橫掠管束的橫向流動(dòng)。不同的殼程流動(dòng)形態(tài)，其換熱器性能有較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，縱流式換熱器相對于橫流式換熱器有以下優(yōu)點(diǎn)：殼側(cè)流體縱掠管束，防止了誘導(dǎo)振動(dòng)的產(chǎn)生，提高了換熱器的安全系數(shù)；大大減小了殼側(cè)流體的阻力，降低了泵功，節(jié)約能源；減少了橫掠管束時(shí)的流動(dòng)死區(qū)及漏流損失；減少了污垢的沉淀和腐蝕的產(chǎn)生，提高了換熱器的使用壽命；加工制造簡單，適用范圍廣。20世紀(jì)70年代，美國Philips石油公司研制開發(fā)了單殼程折流桿換熱器，作為縱流式換熱器的代表，折流桿換熱器是將折流桿通過一定的排列規(guī)律固定在折流圈內(nèi)，相鄰折流桿垂直排列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弓形折流板組成折流結(jié)構(gòu)，流體通過折流桿與換熱管之間的間隙形成縱向流動(dòng)，有效的實(shí)現(xiàn)了降低殼程阻力及強(qiáng)化傳熱的目的。研究表明，在相同管程布置、相同殼程流量的情況下，現(xiàn)有單殼程折流桿管殼式換熱器的最大特征是其流動(dòng)阻力比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器低，但同時(shí)單殼程折流桿管殼式換熱器殼程流速較低造成其換熱能力不足，當(dāng)殼程流體黏性較大、流速較低時(shí)，難以達(dá)到生產(chǎn)需求的換熱量。為了提高換熱量，只能通過減小單殼程折流桿管殼式換熱器的殼程直徑或增大其殼程長度來提高其殼程的流體流速以增強(qiáng)換熱，但這種方法不僅使換熱器結(jié)構(gòu)龐大，占地面積擴(kuò)大，而且換熱效果的增加也并不顯著。為了提高殼程的換熱效率，已有專利對此特征提出了改進(jìn)措施。中國實(shí)用新型專利公開說明書CN2901229Y中公開了一種波形折流桿換熱器，該實(shí)用新型提出一種波紋狀的折流桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直桿折流桿，適用于換熱管的三角形排列，這種形式減少了換熱管的振動(dòng)，同時(shí)流體經(jīng)波紋桿產(chǎn)生擾動(dòng)，提高總傳熱效率。中國實(shí)用新型專利公開說明書CN201748839U中公開了一種微擾流折流桿換熱器，這種換熱器在擾流桿的垂直方向間隔安裝具有加強(qiáng)擾流作用的微繞流件，這種結(jié)構(gòu)能充分利用換熱面積，徹底消滅流動(dòng)死區(qū)，提高換熱效率，延長使用壽命。這兩種換熱器形均是針對換熱器局部進(jìn)行了小調(diào)整，仍存在換熱性能提升不高的問題。盡管現(xiàn)有單殼程折流桿管殼式換熱器的殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)取得了一些效果，但也存在不足，其換熱性能提升幅度較小，或者換熱性能提升較大時(shí)造成過大的流體阻力損失，流體耗功增加等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種雙殼程折流桿管殼式換熱器，在提升換熱性能的同時(shí)可以提高換熱器的緊湊性，解決現(xiàn)有折流桿管殼式換熱器在殼程流速低時(shí)換熱性能較差的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙殼程折流桿管殼式換熱器，其特征在于，包括殼體及從左至右依次設(shè)置在殼體上的左封頭、左管板、環(huán)形隔板、右管板和右封頭，其中，所述左封頭和右封頭分別密封安裝在殼體的左右兩端；所述左管板和右管板均密封安裝在所述殼體兩端的內(nèi)壁上，所述左封頭、殼體和左管板共同構(gòu)成左通流腔，右封頭、殼體和右管板共同構(gòu)成右通流腔；所述殼體內(nèi)設(shè)置有多根換熱管，每根換熱管的左右兩端分別安裝在左管板和右管板上，所述左管板、右管板及所有換熱管共同構(gòu)成換熱管通流結(jié)構(gòu)，以使流體從所述左通流腔經(jīng)過換熱管后流入右通流腔；所述環(huán)形隔板密封安裝在所述殼體的內(nèi)壁上，其向右延伸有用于通流的第一套筒，從而在第一套筒的外壁與殼體的內(nèi)壁之間形成外殼程，在第一套筒內(nèi)腔形成內(nèi)殼程；所述第一套筒的右端與所述右管板之間存在間距；其中一些換熱管從所述第一套筒內(nèi)穿過，另一些換熱管貫穿所述環(huán)形隔板；所述環(huán)形隔板與右管板之間還設(shè)置有多個(gè)折流裝置且這些折流裝置左右并排設(shè)置，每個(gè)折流裝置均包括一個(gè)折流圈和多根相互平行的折流桿，其中，所述折流圈安裝在所述殼體的內(nèi)側(cè)，所述折流桿的兩端安裝在所述折流圈的上并位于所述折流圈內(nèi)，每根折流桿均從所述換熱管之間的間隙穿過，每個(gè)折流裝置中的一些折流桿貫穿所述第一套筒；所述左封頭上設(shè)置有第一管程進(jìn)出口，所述殼體上設(shè)置有第一殼程進(jìn)出口和第二殼程進(jìn)出口，所述第一管程進(jìn)出口、左管板、第一殼程進(jìn)出口和第二殼程進(jìn)出口按從左至右的順序依次設(shè)置；所述左封頭或右封頭上設(shè)置有第二管程進(jìn)出口。優(yōu)選地，離左管板距離最近的折流裝置為左折流裝置，所述環(huán)形隔板、第二殼程進(jìn)出口和左折流裝置按從左至右的順序依次設(shè)置，所述第二管程進(jìn)出口設(shè)置在所述右封頭上。優(yōu)選地，所述第二管程進(jìn)出口設(shè)置在所述左封頭上，并且所述左封頭內(nèi)密封設(shè)置有擋板，從而將所述左通流腔分隔成上通流腔和下通流腔，所述第一管程進(jìn)出口與所述上通流腔連通，所述第二管程進(jìn)出口與所述下通流腔連通。優(yōu)選地，所述第二管程進(jìn)出口設(shè)置在所述右封頭上；離右管板距離最近的折流裝置為右折流裝置，所述右折流裝置、第二殼程進(jìn)出口和右管板按從左至右的順序依次設(shè)置；所述右管板向左延伸有第二套筒，所述第二套筒的內(nèi)徑大于所述第一套筒的外徑，所述第二套筒的左端與所述環(huán)形隔板之間存在間距。優(yōu)選地，所有的折流裝置的折流圈通過多根支撐桿固定連接在一起，所有折流裝置與所有支撐桿共同組成折流結(jié)構(gòu)?？傮w而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：1)本發(fā)明可以大幅度提高換熱器殼程的流體流速從而提升換熱性能，同時(shí)有效控制阻力的增幅；2)本發(fā)明采用的雙殼程結(jié)構(gòu)，在提升換熱性能的同時(shí)可以提高換熱器的緊湊性；3)本發(fā)明的內(nèi)外殼程共用一組折流裝置，可以簡化加工和安裝工藝；4)本發(fā)明殼程為縱向流動(dòng)，能減少振動(dòng)，提高安全系數(shù)，延長使用壽命。附圖說明圖1為本發(fā)明的部分剖視示意圖；圖2為本發(fā)明中環(huán)形隔板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中第一套筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中折流裝置安裝在第一套筒上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施案例一的管程殼程流體流動(dòng)示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施案例二的管程殼程流體流動(dòng)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施案例三的管程殼程流體流動(dòng)示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施案例一不同質(zhì)量流量M下?lián)Q熱系數(shù)h的變化曲線圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施案例一的不同質(zhì)量流量M下進(jìn)出口壓降Δp的變化曲線圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施案例一的不同質(zhì)量流量M下效能評價(jià)系數(shù)EEC的變化曲線圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。實(shí)施例一如圖1～圖5所示，一種雙殼程折流桿管殼式換熱器，包括殼體9及從左至右依次設(shè)置在殼體9上的左封頭13、左管板12、環(huán)形隔板11、右管板8和右封頭16，其中，所述左封頭13和右封頭16分別密封安裝在殼體9的左右兩端；所述左管板12和右管板8均密封安裝在所述殼體9兩端的內(nèi)壁上，所述左封頭13、殼體9和左管板12共同構(gòu)成左通流腔32，右封頭16、殼體9和右管板8共同構(gòu)成右通流腔33；所述殼體內(nèi)設(shè)置有多根換熱管18，每根換熱管18的左右兩端分別固定安裝在左管板12和右管板8上，所述左管板12、右管板8及所有換熱管18共同構(gòu)成換熱管通流結(jié)構(gòu)，以使流體從所述左通流腔32經(jīng)過換熱管18后流入右通流腔33；所述環(huán)形隔板11密封安裝在所述殼體9的內(nèi)壁上，其向右延伸有用于通流的第一套筒7，從而在第一套筒7的外壁與殼體9的內(nèi)壁之間形成外殼程22，在第一套筒內(nèi)腔形成內(nèi)殼程21；所述第一套筒7的右端與所述右管板8之間存在間距；其中一些換熱管18從所述第一套筒7內(nèi)穿過，另一些換熱管18貫穿所述環(huán)形隔板11；所述環(huán)形隔板11與右管板8之間還設(shè)置有多個(gè)折流裝置且這些折流裝置左右并排設(shè)置，每個(gè)折流裝置均包括一個(gè)折流圈5和多根相互平行的折流桿20，其中，所述折流圈5安裝在所述殼體9的內(nèi)壁，所述折流桿20的兩端安裝在所述折流圈5的上并位于所述折流圈5內(nèi)，每根折流桿20均從所述換熱管18之間的間隙穿過，每個(gè)折流裝置中的一些折流桿20通過第一套筒7上的桿孔24貫穿所述第一套筒7；優(yōu)選地，所有折流裝置的折流圈5通過多根支撐桿19固定連接在一起，所有折流裝置與所有支撐桿19共同組成折流結(jié)構(gòu)。所述左封頭13上設(shè)置有第一管程進(jìn)出口14，所述殼體上設(shè)置有第一殼程進(jìn)出口1和第二殼程進(jìn)出口4，所述第一管程進(jìn)出口14、左管板12、第一殼程進(jìn)出口1和第二殼程進(jìn)出口4按從左至右的順序依次設(shè)置；所述左封頭13或右封頭16上設(shè)置有第二管程進(jìn)出口17。其中，離左管板12距離最近的折流裝置為左折流裝置30，所述環(huán)形隔板11、第二殼程進(jìn)出口4和左折流裝置30按從左至右的順序依次設(shè)置，所述第二管程進(jìn)出口17設(shè)置在所述右封頭16上。如圖2所示，實(shí)施案例一的環(huán)形隔板11是一個(gè)開有多個(gè)管孔23的圓環(huán)形板。如圖3所示，實(shí)施案例一的第一套筒7側(cè)壁上按照折流桿20的形狀及分布，優(yōu)選等間距地開有八組桿孔24，相鄰組的桿孔24方向垂直布置。如圖4所示，實(shí)施案例一的折流桿20穿過折流圈5和第一套筒7上的桿孔24并點(diǎn)焊固定，第一套筒7的左端與環(huán)形隔板11的內(nèi)環(huán)面焊接固定。如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施案例一的管程殼程流體流動(dòng)示意，殼程進(jìn)口流體3從第二殼程進(jìn)出口4流入外殼程22，外殼程流體6沿殼體9縱向向右流動(dòng)，流體流至右管板8處反向流入內(nèi)殼程21，內(nèi)殼程流體10沿第一套筒7縱向向左流動(dòng)，流至環(huán)形隔板11左側(cè)和左管板12右側(cè)區(qū)域后，殼程出口流體2從第一殼程進(jìn)出口1流出；換熱器管程采用單管程結(jié)構(gòu)，管程進(jìn)口流體15從第一管程進(jìn)出口14流入換熱器左封頭13內(nèi)的左通流腔32中，通過左管板12沿?fù)Q熱管18內(nèi)流動(dòng)至右封頭16內(nèi)的右通流腔33后，換熱器管程出口流體26沿?fù)Q熱器第二管程進(jìn)出口17流出。實(shí)施例二本發(fā)明實(shí)施例二與實(shí)施例一的不同之處在于第二管程進(jìn)出口17的安裝位置，及增加了擋板27。所述第二管程進(jìn)出口17設(shè)置在所述左封頭13上，并且所述左封頭13內(nèi)密封設(shè)置有擋板27，從而將所述左通流腔32分隔成上通流腔34和下通流腔35，所述第一管程進(jìn)出口14與所述上通流腔34連通，所述第二管程進(jìn)出口17與所述下通流腔35連通。如圖6所示，本發(fā)明實(shí)施案例二的管程殼程流體流動(dòng)示意圖，殼程進(jìn)口流體3從第一殼程進(jìn)出口1流入內(nèi)殼程21，內(nèi)殼程流體10沿第一套筒7縱向向右流動(dòng)，流體流至右管板8處反向流入外殼程22，外殼程流體6沿殼體9縱向向左流動(dòng)，流至環(huán)形隔板11右側(cè)處后，殼程出口流體2從第一殼程進(jìn)出口1流出；換熱器管程采用雙管程結(jié)構(gòu)，在左封頭13內(nèi)增設(shè)擋板27，換熱器第一管程進(jìn)出口14和第二管程進(jìn)出口17均設(shè)置在左封頭13上，管程進(jìn)口流體15從第一管程進(jìn)出口14流入換熱器左封頭13中擋板27上側(cè)的上通流腔34，通過左管板12沿位于殼程上半部的換熱管18內(nèi)流動(dòng)至右封頭16內(nèi)的右通流腔33中，管程流體在右封頭16內(nèi)反向，通過右管板8的下半部流入位于殼程下半部的換熱管18內(nèi)，沿?fù)Q熱管18向左流動(dòng)至左封頭13下側(cè)的下通流腔35后，管程出口流體26沿第二管程進(jìn)出口17流出換熱器管程。實(shí)施例三實(shí)施例三與實(shí)施例一的不同之處在于第二殼程進(jìn)出口4的安裝位置，及增加了第二套筒29。離右管板8距離最近的折流裝置為右折流裝置31，所述右折流裝置31、第二殼程進(jìn)出口4和右管板8按從左至右的順序依次設(shè)置；所述右管板向左延伸有第二套筒29，所述第二套筒29的內(nèi)徑大于所述第一套筒7的外徑，所述第二套筒29的左端與所述環(huán)形隔板11之間存在間距。如圖7所示，本發(fā)明實(shí)施案例三的管程殼程流體流動(dòng)示意圖，殼程設(shè)置兩個(gè)套筒，即第一套筒7和第二套筒29，兩個(gè)套筒將換熱器殼程分為外殼程22、中殼程28和內(nèi)殼程21三個(gè)殼程，殼程進(jìn)口流體3從第二殼程進(jìn)出口4流入外殼程22內(nèi)，外殼程流體6沿殼體9縱向向左流動(dòng)，流動(dòng)至環(huán)形隔板11右側(cè)處后，反向流入中殼程28內(nèi)，中殼程流體25沿第二套筒29縱向向右流動(dòng)至右管板8處后，再次反向流入內(nèi)殼程21內(nèi)，內(nèi)殼程流體10沿第一套筒7縱向向左流動(dòng)，流至環(huán)形隔板11與左管板12中間處后，殼程出口流體2從第一殼程進(jìn)出口1流出；換熱器管程采用單管程結(jié)構(gòu)，管程進(jìn)口流體15從第一管程進(jìn)出口14流入換熱器左封頭13內(nèi)的左通流腔32中，通過左管板12沿?fù)Q熱管18內(nèi)流動(dòng)至右封頭16內(nèi)的右通流腔33后，換熱器管程出口流體26沿?fù)Q熱器第二管程進(jìn)出口17流出。圖8～圖10為對實(shí)施案例一的殼程整體進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果，用于對比的傳統(tǒng)單殼程管殼式換熱器其殼體結(jié)構(gòu)尺寸、殼體進(jìn)出口管結(jié)構(gòu)尺寸、換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸及分布間距、折流桿和折流圈的結(jié)構(gòu)尺寸及分布間距均與實(shí)施案例一保持一致。數(shù)值模擬中以水作為殼程流體介質(zhì)，殼程入口流體的質(zhì)量流量范圍為2.5kg/s～10kg/s，對應(yīng)的單殼程折流桿換熱器的雷諾數(shù)為3554～14215，圖中黑色方點(diǎn)代表傳統(tǒng)的單殼程折流桿換熱器的模擬結(jié)果，黑色圓點(diǎn)代表本發(fā)明實(shí)施案例一的模擬結(jié)果。邊界條件為：給定均勻進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度293K；管壁溫度為313K，殼體壁面絕熱。換熱管壁面與流體間的對流換熱量Q定義如下：Q＝cpM(Tout-Tin)式中，cp為殼程流體比熱容，單位為J/(kg·K)；M為殼程流體質(zhì)量流量，單位為kg/s；Tout為流體出口溫度，單位為K；Tin為流體入口溫度，單位為K。對流換熱系數(shù)h定義如下：式中，A為換熱總面積，單位為m2；Tw為換熱管壁面溫度，單位為K；Tf為流體平均溫度，單位為K。效能評價(jià)系數(shù)(換熱器強(qiáng)化傳熱的收益增幅與流體消耗泵功的代價(jià)增幅之比)EEC定義如下：式中，Q為實(shí)施案例一中換熱器的換熱量，單位為W；Q0為單殼程折流桿換熱器的換熱量，單位為W；P為實(shí)施案例一中換熱器的功耗，單位為W；P0為單殼程折流桿換熱器的功耗，單位為W。圖8和圖9分別為在不同的質(zhì)量流量M下，流體流經(jīng)實(shí)施案例一和單殼程折流桿換熱器的換熱系數(shù)h和壓降Δp的變化。從圖中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的換熱器殼程的換熱系數(shù)h和進(jìn)出口壓降Δp變化趨勢相同，均隨著質(zhì)量流量M的增大而增大。實(shí)施案例一的換熱系數(shù)大于單殼程折流桿換熱器的換熱系數(shù)，增幅為40.32％～53.69％，在M＝10kg/s時(shí)兩者相差最大，此時(shí)實(shí)施案例一的換熱系數(shù)相對于單殼程折流桿換熱器的換熱系數(shù)增加了約53.69％，隨著質(zhì)量流量的增大，實(shí)施案例一相對于單殼程折流桿換熱器的換熱系數(shù)增幅逐漸加大。實(shí)施案例一的殼程進(jìn)出口壓降大于單殼程折流桿換熱器的進(jìn)出口壓降，增幅為42.23％～40.32％，在M＝2.5kg/s時(shí)兩者相差最大，此時(shí)實(shí)施案例一的殼程進(jìn)出口壓降相對于單殼程折流桿換熱器的進(jìn)出口壓降增加了約42.23％，隨著質(zhì)量流量的增大，實(shí)施案例一相對于單殼程折流桿換熱器的殼程進(jìn)出口壓降增幅逐漸減小。圖10為在不同的質(zhì)量流量M下，實(shí)施案例一與單殼程折流桿換熱器對比得到的效能評價(jià)系數(shù)EEC的值隨質(zhì)量流量M的變化規(guī)律，從圖中可以看出，EEC值保持在1左右，當(dāng)M≥6.5kg/s時(shí)，EEC值大于1，證明本發(fā)明的綜合性能優(yōu)于單殼程折流桿換熱器。從圖10可以得出，實(shí)施案例一的綜合性能優(yōu)于單殼程折流桿換熱器，這說明在換熱性能得到大幅度提升的同時(shí)(換熱系數(shù)h提升50％左右)，壓降的增加得到了有效的控制，這對于管殼式換熱器殼程的傳熱強(qiáng)化意義重大，因此，可將油類等高黏度低流速的工作流體置于換熱器的殼程。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。