CN101846469A - 带扭曲片的换热器 - Google Patents

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王国清
张利军
周先锋
张兆斌
杜志国
周丛
刘俊杰
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China Petroleum and Chemical Corp
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

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Abstract

本发明公开了一种带有扭曲片的换热器，为了克服管式换热器的传统性强化传热技术的局限性，本发明采用扭曲片管焊接在换热器的换热管中，可以提高换热器的传热效果，延长换热器的运行周期。

Description

带扭曲片的换热器
技术领域
本发明涉及一种换热器，更具体地说，本发明涉及一种强化传热的换热器。
背景技术
换热器是在两种或多种流体存在温度差异时内部热量传递的传热设备，大部分换热器内部的流体被传热面分开。换热器广泛应用于过程、能源、石油、运输、空调、制冷、低温、热量再生、替代燃料以及其它工业。换热器在人们日常生活中随处可见，例如汽车散热器、冷凝器、蒸发器、空气预热器和油冷器。
换热器的种类很多，按照结构的不同，换热器可以分为管式换热器、板式换热器、延伸表面换热器和再生器等。管式换热器有双套管式、管壳式和盘管式等类型；板式换热器有垫片板片式、螺旋板式和板壳式等类型；延伸表面换热器包括管翅式、板翅式等类型；再生器包括固定蓄热床式、旋转式等。
尽管换热器的种类很多，但是其结构大同小异。换热器的主要结构单元是换热元件和流体分配元件。换热元件是传热面积较大的芯或者管阵，流体分派元件主要是封头或者管箱、进出口管等移动部件。传热面与流体直接接触，从面热量以热传导的方式传递。传热面中将二种流体分开的那部分，增大传热面积、提高传热系数和提高温差都可以提高传热效率。
近年来，能源与材料费用的持续增长大大地推动了高效节能换热器的发展。因此，科研人员把研究重点集中在各式各样的强化传热技术上。换热器的强化传热技术可以减少换热所需的面积和传热温差，在热负荷和压降一定的情况下，可以减少换热器的重量，增加换热，减少泵功率。
通过强化传热技术可以提高换热器内换热管内流体的换热效率，管内流体的流动层分为层流层和湍流层，层流和湍流强化的主要机理就是利用增加二次传热表面和破坏原来未强化的流体的速度分布和温度分布场。管内湍流强化主要在靠近壁面流体速度近似为零的低速区，即层流底层，大部分的热阻集中在层流底层低速区，任何的强化技术都是用于破坏层流从而达到提高换热的目的。对于管内层流的强化传热，由于层流的传热膜系数通常较低，流体速度和湿度的变化分布在整个通道宽度上，强化传热效果不明显。
强化传热措施主要分为两种：主动措施和被动措施。主动技术需要借助外功，被动技术不需要借助外功。主动强化传热技术可以分为机械方法、表面振动、流体振动、电磁场、喷注和抽吸等方法，主动技术的强化设备投资与操作费用大，机理也较为复杂，商业价值不大。被动强化传热技术包含扩展表面(气体换热扩展表面、液体换热扩展表面、内表面)、表面涂层处理、管内***不同类型的强化元件等技术。
目前，管式换热器的强化传热技术主要是通过传热面的形状或者管内加入构件来增加流体湍流程度和扩展传热面积，来提高传热效率，实现节能的目的。下面就目前广泛使用的技术进行简单介绍，内凸肋结构管应用广泛，包括螺旋槽管和横纹管，管壁上的横纹能在有相变和无相变的传热中明显提高了管内外的传热系数；内翅片管是通过特使的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热，翅片的焊接和加工对于传热的影响都很大；管内***物在低雷诺数或者高粘度流体传热工况下，管内插件对于强化气体、低雷诺数流体或者高粘度流体的传热会起到很好的效果；缩放管是依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成，缩放管通过壁面缩放，使流体压力发生周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层，减薄边界层，增加传热系数。尽管管式换热器的强化传热技术种类很多，应用也很广泛，但是现有这些技术也面临一些困惑，主要加工制造难度大、费用成本高，同时，长周期运行也是一个瓶颈。
为了克服管式换热器的传统性强化传热技术的局限性，本发明采用扭曲片式热交换器焊接在换热器的换热管中，可以提高换热器的传热效果，延长换热器的运行周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种换热器，节能降耗，提高传热效率。
更具体地说，本发明的带扭曲片的换热器是在换热器的换热管中设置扭曲片，所述扭曲片沿换热管轴向的长度与沿换热管径向的宽度的比(下面简称扭曲比)为1～8，扭曲角度为90°～180°。
对所述换热器的形式没有特别的限定，举例为蛇管式换热器、套管式换热器或列管式换热器，但本发明不局限于所列举的换热器。对于所述的换热器的程数也没有特别的要求，可以为任意程数。
为了充分地改善换热器内外两种流体的换热效果，最大限度地减薄边界层，增加传热系数，所述扭曲片沿换热管轴向的边缘与换热管内壁之间没有缝隙。
为了便于和容易实现扭曲片的轴向边缘与换热管内壁之间没有缝隙，优选所述扭曲片与换热管整体铸造在一起或焊接在换热管内。
对换热管内设置扭曲片的数量没有特别的限制，可以根据加工的方便性和实际的工程需要选定扭曲片数量。从改善传热系数和便于加工的角度考虑，优选地，每根换热管内相邻两个扭曲片的距离L与换热管的直径D的关系为：D＜L＜100D。
本发明是把扭曲片设置在换热管中，扭曲片改变换热管中的流体流动形式，通过模拟计算分析扭曲片所影响的距离，决定将扭曲片在换热管中的排列位置和数量。
本发明改变了换热器的换热管内的流体流动形态，加剧了湍流的剧烈程度，减薄了传热的原有边界层，提高了传热效率。同时，本发明还可以降低在管壁形成污垢的速率，延长换热器的清洗周期。
本发明的带扭曲片的换热器可以任何换热器，例如用循环水冷却物料的冷却器、用热水加热物料的加热器、用蒸汽加热物料或汽化物料的加热器或再沸器等。
附图说明
图1是扭曲片管的示意图；
图2是列管式换热器的示意图；
图3是蛇管式换热器的示意图；
图4是套管式换热器的示意图。
符号说明：
1：扭曲片；2：管程；3：壳程；4：扭曲片管；5：挡板。
具体实施方式
下面结合附图进一步解释本发明。
图1是扭曲片管的示意图。换热器的管内流体换热的主要热阻集中在层流底层的低速区，在换热器的换热管中加入如图1的扭曲片管4后，管内流体的活塞流转变旋转流，提高了切向速度，破坏原来的层流层，减薄边界层，增加传热系数，强化了换热管的传热效果。
图2、图3和图4是图1所示的扭曲片管在各种换热器中的应用举例，分别是列管式换热器、蛇管式换热器和套管式换热器。在图2中，2为管程，3为壳程，4为图1所示的扭曲片管，5为挡板。
下面以实施例的方式进一步解释本发明的带扭曲片的换热器。实施例仅列举蛇管换热器和列管换热器，但本发明不局限于这些，由于套管换热器的使用范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中已经提出。下面对本实施例的换热管中加入和未加入本发明热交换器的工况传热效率进行计算对比。
实施例1
本实施例以列管式换热器为例，图2是列管式换热器的简化结构示意图。列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的传热设备，主要优点是单位体积所具有的传热面积较大，传热效果较好；另外，结构简单，制造的材料范围广，操作的弹性大等优势。
下面选择其中换热器的一段进行计算，其尺寸和参数见表1，工艺参数见表2。
表1列管式换热器的结构图
Figure B200910080846XD0000051
在列管式换热器的换热管内设置或不设置扭曲片，进行两种情况的换热计算，计算结果如表2：
表2列管式换热器的工艺参数
Figure B200910080846XD0000052
实施例2
本实施例是以蛇管式换热器为例，图3是蛇管式换热器的简单结构示意图。蛇管式换热器顾名思义是用金属管子弯制而成，类似蛇状，这种换热器的优点是结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能够承受高压。下面选择其中管程段的一部分做计算，其尺寸和参数见表3，工艺参数见表4。
表3蛇管式换热器的结构图
  项目   内容   备注
  管程长度(mm)   9128.4   钢材质
  管程内径(mm)   40
  管程壁厚(mm)   5
  热交换器位置个数   3
  热交换器的扭曲比   2.5
热交换器的扭曲角度 180°
在蛇管式换热器的换热管内设置或不设置扭曲片，进行两种情况的换热计算，计算结果如表4：
表4蛇管式换热器的工艺参数
Figure B200910080846XD0000061

Claims (5)

1.一种带扭曲片的换热器，其特征在于，在换热器的换热管中设置扭曲片，所述扭曲片沿换热管轴向的长度与沿换热管径向的宽度的比为1～8，扭曲角度为90°～180°。
2.如权利要求1所述的带扭曲片的换热器，其特征在于，所述换热器为蛇管式换热器、套管式换热器或列管式换热器。
3.如权利要求1所述的带扭曲片的换热器，其特征在于，所述扭曲片沿换热管轴向的边缘与换热管内壁之间没有缝隙。
4.如权利要求1所述的带扭曲片的换热器，其特征在于，所述扭曲片与换热管整体铸造在一起或焊接在换热管内。
5.如权利要求1所述的带扭曲片的换热器，其特征在于，每根换热管内相邻两个扭曲片的距离L与换热管的直径D的关系为：D＜L＜100D。
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PB01 Publication
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