CN102564168A - 一种纵向流动管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

一种纵向流动管壳式换热器，属于管壳式换热器，解决现有管壳式换热器传热强化同时流体耗散功增加的问题。本发明包括壳体、左右管板、左右封头，壳体侧壁具有壳程进、出口，壳体内分别设有左、右管板，多根传热管通过左、右管板固定，壳体两端分别由左、右封头封闭，左、右封头上分别具有管程进出口，传热管为螺旋状传热管，在垂直于壳程流体流动方向上，接触壳体内壁的传热管通过相邻传热管的接触点和壳体内壁接触点支撑，其他传热管均通过相邻传热管的接触点相互支撑并固定。本发明结构紧凑，体积小，换热面积大，节省了投资费用；传热管管束间的接触点增大了流体在壳程流动的湍流度，流体混合均匀，壳程压降大大降低，提高了综合换热性能。

Description

一种纵向流动管壳式换热器

技术领域

本发明属于管壳式换热器，具体涉及一种纵向流动管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器以其结构简单、造价低廉等优点在石油、化工、冶金、电力等行业得到广泛应用，约占换热器总量的70％。管壳式换热器的壳侧折流结构一方面起到整体扰流作用，另一方面对管束起支撑和固定作用。按壳程流体的流动方向，管壳式换热器可分为三种类型：1.横向流动，如传统的弓形折流板，使壳程流体对传热管垂直冲刷形成横向流动；2.纵向流动，如折流杆式换热器，使壳程流体平行于传热管纵向流动；3.螺旋流动，如螺旋折流板，使壳程流体总体呈螺旋流动。不同的壳程流动形态，管壳式换热器的性能呈现较大差异。近几年研究发现，壳程流体流动由横向流动变为纵向流动时有以下诸多优点：流阻降低，流动压降减小，传热面积得到充分利用，壳程的综合传热性能明显提高；抗振性能和抗结垢性能显著提高，使设备的使用寿命延长，维护费用降低；支撑物简单使制造更方便，并节约了材料和设备投资；见吴金星等，“纵流式换热器的结构研究进展”一文，(《化工进展》，21：306-310，2002)。因此研究新的纵流管壳式换热器对于提高换热器性能和节约能源具有重要意义。

对于纵流式换热器的传热强化，一般从管程和壳程两个方面考虑。管程传热强化主要有横纹(槽)管、螺旋槽管、缩放管、螺纹管、自支撑管等高效传热管强化技术，壳程传热强化主要有整圆形折流板、折流杆、空心环、管子自支撑等强化技术；见(1)R.Mukherjee，Use double-segmental baffles in theshell-and-tube heat exchangers，Chem.Eng.Progress，88：47-52，1992；(2)R.Mukherjee，Don’t let baffling baffle you，Chemical Engineering Progress，92：72-79，1996；(3)H.Li and V.Kottke，Effect of baffle spacing on pressure drop and localheat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement，Int.J.Heat Mass Transfer，41：1303-1311，1998；(4)H.Li，V. Kottkeb，Analysis of localshell side heat and mass transfer in the shell-and-tube heat exchanger withdisc-and-doughnut，Int.J.of Heat and Mass Transfer，42：3509-3521，1999；(5)G.N.Xie et al.，Heat transfer analysis for shell-and-tube heat exchangers withexperimental data by artificial neural networks approach，Applied ThermalEngineering，27：1096-1104，2007；(6)A.L.H.Costa，E.M.Queiroz，Designoptimization of shell-and-tube heat exchangers，Applied Thermal Engineering，2008(on line)；(7)Q.W.Dong，Y.Q.Wang，M.S.Liu，Numerical and experimentalinvestigation of shell side characteristics for ROD baffle heat exchanger，AppliedThermal Engineering，28：651-660，2008。虽然大多数高效强化管对管程和壳程的换热强化都有一定的作用，但主要还是用于强化管程，对壳程的作用不是很大。上述壳程传热强化技术虽然相比弓形板换热器具有一定的优势，但都存在着一定的不足之处，例如加工或安装困难、流体阻力过大、投资费用较高、适用范围窄等缺点。从总体而言，壳程强化传热技术仍向低流阻、坚固、结构简单、制造方便和省材等方面不断发展，趋势是去掉折流板，用异性管之间的点接触来互相支撑，并形成壳程流道。这样既省材，又能综合考虑管子结构和壳程结构的相互关系，以达到管程和壳程传热的同步强化；见江楠等，“管壳式换热器壳程强化传热研究进展”一文，(《化肥工业》，25(6)：27-32，1998)。

发明内容

本发明提供一种纵向流动管壳式换热器，解决现有管壳式换热器传热强化同时流体与管束表面的剪切力、摩擦力以及流体的耗散功大大增加的问题。

本发明的一种纵向流动管壳式换热器，包括壳体、左管板、右管板、左封头和右封头，壳体侧壁具有壳程进口和壳程出口，壳体内分别设有左管板和右管板，多根传热管通过左、右管板并由左、右管板固定，壳体两端分别由左封头和右封头封闭，左、右封头上分别具有管程进口和管程出口，管程进、出口和壳程进、出口逆向设置，其特征在于：

所述传热管为螺旋状传热管，在垂直于壳程流体流动方向上，接触壳体内壁的螺旋状传热管通过相邻螺旋状传热管的接触点和壳体内壁接触点支撑，其他螺旋状传热管均通过相邻螺旋状传热管的接触点相互支撑并固定；

所述螺旋状传热管，其任一横截面形状均为相等半径的圆形，螺旋状传热管内径D为1.4～140mm，壁厚d为0.2～20mm；螺旋状传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，在笛卡尔坐标系中满足下述条件：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴中心轴线的坐标，z为100～20000mm，变量θ为角度，螺旋半径a为0.25～25mm，节距S为4～400mm。

所述的一种纵向流动管壳式换热器，其特征在于：

所述壳体厚度为1～100mm。

本发明传热管采用螺旋状传热管，依靠传热管管束间的接触点来支撑管子，省略了壳侧折流板、折流杆等支撑部件，使得换热器结构紧凑，体积比一般换热器小，而换热面积比一般换热器大，节省了投资费用；改变了传热管管束间扰流方式，传热管管束间的接触点作为壳程的扰流元件，壳程流体在传热管螺旋面的作用下总体沿传热管轴向流动，即纵向流动，同时伴有横向螺旋运动。这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍动程度。同时，流体流经相邻管子的接触点后形成脱离管壁的尾流，增大了流体自身的湍流度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，从而实现强化传热。根据核心流强化传热理论，由于没有多余的扰流和支撑元件，故其迎风面积大大降低从而降低了粘性耗散，另外，由于壳程流体总体为纵向流动，其阻力主要是由流体外掠传热管而产生的粘性力，因此功耗小，综合换热性能高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为去除左右管板和左右封头的壳体部分立体示意图；

图3为螺旋状传热管的立体示意图；

图4为螺旋状传热管中心轴的示意图；

图5为实施例一不同雷诺数Re下换热量Q的变化曲线；

图6为实施例一不同雷诺数Re下压降ΔP的变化曲线；

图7为实施例一不同雷诺数Re下综合特性比值h/ΔP的变化曲线；

图8为实施例一不同雷诺数Re下效能评价系数EEC的变化曲线；

图9为实施例一不同功耗U·ΔP数下换热量Q的变化曲线；

图10为实施例一不同功耗U·ΔP数下效能评价系数EEC的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例一，包括壳体9、左管板2、右管板10、左封头1和右封头7，壳体侧壁具有壳程进口3和壳程出口6，壳体9内分别设有左管板2和右管板10，21根传热管5通过左、右管板并由左、右管板固定，壳体两端分别由左封头1和右封头7封闭，左、右封头上分别具有管程进口11和管程出口8，管程进、出口和壳程进、出口逆向设置。

如图2所示，实施例一去除左右管板和左右封头的壳体部分，图中只展现壳程进口3、壳程出口6、传热管5和壳体9；壳体内径为144mm，壳体壁厚12mm；传热管5为螺旋状传热管，在垂直于壳程流体流动方向上，接触壳体内壁的螺旋状传热管通过相邻螺旋状传热管的接触点4和壳体内壁接触点支撑，其他螺旋状传热管均通过相邻螺旋状传热管的接触点4相互支撑并固定。

如图3所示，螺旋状传热管任一横截面形状均为相等半径的圆形，螺旋状传热管内径D为16mm，壁厚d为1mm；

如图4所示，螺旋状传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，在笛卡尔坐标系中满足下述条件：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

z为1000mm，螺旋半径a为2.5mm，节距S为40mm。

实施例二，结构形式与实施例一相同，12根传热管通过左、右管板并由左、右管板固定，壳体内径为9.5mm，壳体壁厚1mm；

螺旋状传热管任一横截面形状均为相等半径的圆形，螺旋状传热管内径D为1.4mm，壁厚d为0.2mm；螺旋状传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，在笛卡尔坐标系中满足下述条件：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴中心轴线的坐标，z为100mm，变量θ为角度，螺旋半径a为0.25mm，节距S为4mm。

实施例三，结构形式与实施例一相同，480根传热管通过左、右管板并由左、右管板固定，壳体内径为4180mm，壳体壁厚100mm；

螺旋状传热管任一横截面形状均为相等半径的圆形，螺旋状传热管内径D为140mm，壁厚d为20mm；螺旋状传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，在笛卡尔坐标系中满足下述条件：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴中心轴线的坐标，z为20000mm，变量θ为角度，螺旋半径a为25mm，节距S为400mm。

图5～图10为对实施例一的整体换热器进行数值模拟的结果，数值模拟中的流体采用水，雷诺数Re范围为6000～18000，图中黑色方点表示折流杆换热器的数据，黑色圆点代表实施例一的数据。边界条件为：给定均匀进口速度和进口温度300K；管壁温度为330K，壳体壁面表面绝热。

雷诺数Re定义如下：

Re＝u×d/υ，

式中u为流体速度，d为传热管内径，υ为流体运动黏度。

传热管壁面与流体间的对流换热量Q定义如下：

$Q=\frac{c_p\mathrm{\ρu\π}{d}^2(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}})}{4},$

式中c_p为流体比热容，ρ为流体密度，u为流体速度，T_out为流体出口温度，T_in为流体入口温度。

对流换热系数h定义如下：

$h=\frac{Q}{\mathrm{\πdL}(T_w-T_f)},$

式中L为传热管长度，T_w为传热管外壁温度，T_f为流体平均温度。

效能评价系数EEC定义如下：

$\mathrm{EEC}=\frac{Q/Q_0}{\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\Δ}{P}_0},$

式中Q为实施例一的换热量，Q₀为折流杆换热器的换热量，ΔP为实施例一的进出口压降，ΔP₀为折流杆换热器的进出口压降。

图5和图6分别为在不同雷诺数Re下，流体流经实施例一和折流杆换热器的换热量Q和压降ΔP的变化。从图中可以看出，两种结构换热器壳程的换热量Q和压降ΔP变化趋势相同，都随着雷诺数Re的增大而增大。实施例一的换热量小于折流杆，两者相差最大时实施例一的换热量为折流杆换热器换热量的67.9％。但实施例一的压降始终远小于折流杆，而且随着雷诺数Re的增加，二者的压降差别越来越大，两者相差最大时实施例一的压降为折流杆换热器压降的13.8％。

图7为在不同雷诺数Re下，实施例一和折流杆换热器换热系数与压降比值h/ΔP的变化。从图中可以看出，在相同雷诺数Re下，实施例一的比值h/ΔP始终大于远折流杆换热器，两者相差最大时实施例一的比值为折流杆换热器的3.8倍。

图8为实施例一与折流杆换热器进行对比得到的效能评价系数EEC值随雷诺数Re的变化规律，从图中可以看出，在雷诺数Re＝6000～18000之间，实施例一的换热器综合效能EEC值均大于4，这说明，实施例一与折流杆换热器相比，在相同的雷诺数Re下综合性能提高了4倍。

图9为在不同功耗U·ΔP下，流体流经实施例一和折流杆换热器的换热量Q变化。两种结构换热器壳程的换热量都随着功耗U·ΔP的增大而增大。实施例一的换热量始始终大于折流杆换热器，其中，U为壳程流速。

图10为实施例一与折流杆换热器进行对比得到的效能评价系数EEC值随功耗U·ΔP的变化曲线，从图中可以看出，在雷诺数Re＝6000～18000之间，实施例一的换热器综合性能EEC值在1.12～1.24之间，这说明实施例一与折流杆换热器相比在同样功耗下，换热性能最高可以提高24％，节能效果显著。

Claims (2)

1.一种纵向流动管壳式换热器，包括壳体、左管板、右管板、左封头和右封头，壳体侧壁具有壳程进口和壳程出口，壳体内分别设有左管板和右管板，多根传热管通过左、右管板并由左、右管板固定，壳体两端分别由左封头和右封头封闭，左、右封头上分别具有管程进口和管程出口，管程进、出口和壳程进、出口逆向设置，其特征在于：

所述传热管为螺旋状传热管，在垂直于壳程流体流动方向上，接触壳体内壁的螺旋状传热管通过相邻螺旋状传热管的接触点和壳体内壁接触点支撑，其他螺旋状传热管均通过相邻螺旋状传热管的接触点相互支撑并固定；

所述螺旋状传热管，其任一横截面形状均为相等半径的圆形，螺旋状传热管内径D为1.4～140mm，壁厚d为0.2～20mm；螺旋状传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，在笛卡尔坐标系中满足下述条件：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴中心轴线的坐标，z为100～20000mm，变量θ为角度，螺旋半径a为0.25～25mm，节距S为4～400mm。

2.如权利要求1所述的一种纵向流动管壳式换热器，其特征在于：

所述壳体厚度为1～100mm。

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