CN102865755A - 一种换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换热器，所述换热器包括两端分别设有管箱和管板、内设换热管和折流板的管状壳体；设于所述管状壳体上且与所述管状壳体轴向垂直的壳程进口和壳程出口；限位嵌体；和设于所述管箱上的管程进口和管程出口；所述壳程进口和管程进口处均设有螺旋导流环。本发明实现了全壳程非线性、三维度、多流道的螺旋流道结构设计，使其具有换热效率高、结构紧凑、加工容易、维护成本低、振动小、寿命长等特点，在石化、冶炼、电力、造船、食品、供暖、节能环保领域具有广泛的应用价值。特别是两相混合介质的情况下，有均质能力强和换热效率高的特点。

Description

一种换热器

技术领域

本发明属于热能工程及换热器技术领域，具体涉及一种基于轴向支承板的非线性螺旋折流板换热器。 

背景技术

当前国内普遍使用的垂直弓形折流板列管式换热器存在流动滞止区、压降高、管束易出现振动损伤、污垢容易沉积等棘手难题，近年发展起来的螺旋折流板换热器正逐步将其取代。 

20世纪60年代诞生了螺旋折流板换热器的设计思想，80年代其工业原型机非连续型螺旋折流板换热器诞生，其特点是壳程流体运动呈螺旋方式，折流板多为四分之一扇形，每块折流板与壳体轴线形成一定的夹角，与壳体内壁及传热管外壁形成了半封闭的近似螺旋流道，这种半封闭的螺旋流道结构使壳程介质呈现螺旋运动，起到了提高换热效率的目的，降低了管束振动损伤，延长了换热器的使用寿命，数千台同类广泛应用于石化、核电、冶炼等领域。实践证明，螺旋隔板换热器的传热系数最大为弓形隔板换热器的1.39倍，随着螺旋角的不同压降最大可降60%。但是，由于其内部结构中，相邻的两块扇形折流板之间存在三角形缺口，无法解决壳程流体漏流短路问题。此外，定距管套在传热管外，损失了部分换热面积，也增加了组装难度。 

为了解决上述课题，近20年来，陆续出现了多种全封闭连续型螺旋折流板换热器，其中两种较有代表性，一种是带中心孔结构的连续型螺旋折流板换热器，另一种是与本发明有关的有轴向支撑板结构的连续型螺旋折流板换热器。 

带中心孔的连续型螺旋折流板换热器，利用中心轴向假管来支撑折流板，并封闭流道，有效解决了非连续螺旋折流板换热器的漏流问题，使壳程压降损失减小，换热效率提高显著。但是，假管降低了管状壳体空间的利用率，换热器紧凑性下降，制造难度加大，给产品的进一步大型化和推广应用带来困难。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于轴向支承板的非线性螺旋折流板换热器，实现了全壳程螺旋封闭多流道的非线性、三维可变的流道结构、丰富了多流道截面的种类和形状，为改变流道底层层流特性，强化其湍流水平，提高Re（雷诺准数）和传热效率提供新的手段。 

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案： 

一种换热器，所述换热器包括两端分别设有管箱和管板、内设换热管和折流板的管状壳体；设于所述管状壳体上且与所述管状壳体轴向垂直的壳程进口和壳程出口；和设于所述管箱上的管程进口和管程出口；所述管箱与所述管板固定连接，所述管板位于所述管箱和折流板之间，支撑件位于管状壳体内部，其包括支撑板，所述支撑板相互呈α角且呈辐射状均匀分布，其一边相互重合成为支撑件的中心轴线，所述支撑板设于中心轴线与管状壳体内壁之间，相邻支撑件以轴向首尾相连并依次以相同的螺旋方式旋转β角，且β角小于α角，所述折流板螺旋方式固定连接相邻支撑件上相邻支撑板并封闭β角，所述换热管依次穿过折流板、限位嵌体和管板，与管板垂直固定，且通过螺栓与管箱连接，所述壳程进口和管程进口处均设有螺旋导流环。 

所述支撑件和折流板之间形成的螺旋流道的数量与支撑板的数量相等，所述螺旋流道的螺旋方式为左手螺旋或右手螺旋，所述螺旋流道的螺距通过所述支撑件的中心轴的长度进行调整。 

所述支撑板表面设有引伸凸起，所述换热管的表面经过喷砂打毛处理。 

所述支撑件包括单个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成单流道，所述支撑板的形状为3～7边形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板为三角形时，折流板的形状为扇形，支撑板的形状为4～7边形时，其为扇形和三角形组合折流板。 

所述支撑件包括两个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成双流道，所述支撑件的形状为菱形、凸鹞形、凹鹞形或平行四边形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板为扇形。 

所述支撑件包括两个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成双流道，所述支撑板的形状为梯形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一边紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板的形状为扇形。 

所述支撑件为4～7边形支撑板构筑的支撑件，通过扇形和三角形组合的折流板连接两个相邻支撑件上的相邻支撑板并封闭β角。 

所述限位嵌体设有两个或两个以上，设置在管板、管状壳体、折流板端部和换热管所构成的空间内，所述限位嵌体为圆心角为β角的圆柱三角形嵌体结构，所述斜面为扇形或扇形与三角形组合形。 

所述换热器为管板式换热器、浮头式换热器或U型管式换热器。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 

1.本发明实现了全壳程全封闭螺旋流道的非线性、三维度流道设计，提高了能量散逸性，有效提高了壳程介质的湍流强度，强化了传热效率； 

2.本发明的多流道设计，降低了壳程介质底层压力，降低底层层流厚度，优化传热能力； 

3.本发明所述的非线性螺旋流道结构，有强化两相混合介质的均质的作用，冲刷力强自洁效果好； 

4.本发明中的支撑板与折流板相互铰接固定成为一个整体，再加上有两端的限位嵌体和管板的固定，有效控制了其径向和轴向运动，折流板对换热管的支撑更有效，换热器的整体运行振动小； 

5.本发明用轴向支撑件替代定距管、定距轴或中心支撑筒，一步实现了将定距、支撑、强化结构和封闭溢流区的四个功能，全面简化的制造过程，使折流板、支撑板或折流支撑板组可以使用统一的工装夹具组装生产，工业过程易于标准化和模块化； 

6.本发明中的折流板与支撑板的连接，如果采用折弯工艺累计焊接应力很小，即便采用焊接工艺，折流板与轴向支撑件上的支撑板焊接后，经过支撑板的限位，各块折流板的通孔径向累计位移很小，传热管的穿孔作业容易，因此，更易于实现螺旋折流板换热器结构的大型化和紧凑化； 

7.本发明的支撑板为梯形时，其对折流板的外沿支撑强度大幅提高，有效抑制折流板和换热管的振动损伤； 

8.本发明中的支撑板通过冲压引伸工艺增加若干表面凸起或凹陷，扰动壳程底层的层流特性，强化湍流水平； 

9.本发明全面优化了***各个环节的湍流水平，提高了综合换热效率，与传统的弓形板换热器比较，传热效率可以提高20～80%。 

附图说明

图1是换热器整体结构示意图； 

图2是换热器整体结构A-A向剖面图； 

图3是换热器轴向四边形支撑板结构示意图； 

图4是换热器中双流道菱形支撑件组合结构示意图； 

图5是换热器中双流道菱形支撑件在换热器中的放置位置示意图； 

图6是换热器同一支撑件中只有一块支撑板的夹角α及相邻支撑件旋转角度β示意图； 

图7是换热器同一支撑件中含有两块支撑板的夹角α及相邻支撑件旋转角度β示意图； 

图8是换热器同一支撑件中含有三块支撑板的夹角α及相邻支撑件旋转角度β示意图； 

图9为换热器中限位嵌体的侧视图； 

图10为换热器中限位嵌体的俯视图； 

图11是换热器中螺旋导流环基本结构示意图； 

图中：1、支撑板；2、支撑件；3、折流板；4、换热管；5、管状壳体；6、管箱；7、管板；8壳程进口；9、壳程出口；10、管程进口；11、管程出口；12、限位嵌体；13、螺旋导流环。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 

一种换热器，包括折流板3、换热管4、管状壳体5、管箱6、管板7、管壳程进口8、壳程出口9、管程进口10和管程出口11，所述换热器包括两端分别设有管箱6和管板7、内设换热管4和折流板3的管状壳体5；设于所述管状壳体5上且与所述管状壳体5轴向垂直的壳程进口8和壳程出口9；和设于所述管箱6上的管程进口10和管程出口11；所述管箱6与所述管板7固定连接，所述管板7位于所述管箱6和折流板3之间，支撑件2位于管状壳体5内部，其包括支撑板1，所述支撑板1相互呈α角且呈辐射状均匀分布，其一边相互重合成为支撑件2的中心轴线，所述支撑板1设于中心轴线与管状壳体5内壁之间，相邻支撑件2以轴向首尾相连并依次以相同的螺旋方式旋转β角，且β角小于α角，所述折流板3螺旋方式固定连接相邻支撑件2上相邻支撑板1并封闭β角，所述换热管4依次穿过折流板3、限位嵌体12和管板7，与管板7垂直固定，且通过螺栓与管箱6连接。 

所述壳程进口8和管程进口10处均设有螺旋导流环13，螺旋导流环13强化了介质在进口处得湍流强度，提高了初始换热效率；固定在壳程进口8处得螺旋导流环13还起到减轻壳程介质对折流板3的冲击的作用；管程进口10的螺旋导流环13可以放置固定在管程进口10处、管程进口10与换热管4之间的箱体内，也可以放置固定在换热管4的进口处，数量及位置需要根据工况条件决定。 

所述支撑件2和折流板3之间形成的螺旋流道的数量与支撑板1的数量相等，所述螺旋流道的螺旋方式为左手螺旋或右手螺旋，所述螺旋流道的螺距通过所述支撑件2的中心轴的长度进行调整。 

所述支撑板1表面设有引伸凸起，所述换热管4的表面经过喷砂打毛处理。 

所述支撑件2包括单个支撑板1，所述支撑件2和折流板3之间形成单流道，所述支撑板1的形状为3～7边形，其一边相互重合成为支撑件2的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体5内壁，所述折流板3为三角形时，折流板3的形状为扇形，支撑板1的形状为4～7边形时，其为扇形和三角形组合折流板3。 

所述支撑件2包括两个支撑板1，所述支撑件2和折流板3之间形成双流道，所述支撑件2的形状为菱形、凸鹞形、凹鹞形或平行四边形，其一边相互重合成为支撑件2的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体5内壁，所述折流板3为扇形。 

所述支撑件2包括两个支撑板1，所述支撑件2和折流板3之间形成双流道，所述支撑板1的形状为梯形，其一边相互重合成为支撑件2的中心轴，其另一边紧贴所述管状壳体5内壁，所述折流板3的形状为扇形。 

所述支撑件2为4～7边形支撑板1构筑的支撑件2，通过扇形和三角形组合的折流板3连接两个相邻支撑件2上的相邻支撑板1并封闭β角。 

所述限位嵌体12设有两个或两个以上，设置在管板7、管状壳体5、折流板3端部和换热管4所构成的空间内，所述限位嵌体12为圆心角为β角的圆柱三角形嵌体结构，所述斜面为扇形或扇形与三角形组合形。 

所述换热器为管板式换热器、浮头式换热器或U型管式换热器。 

实施例1 

如图1和图2，一个有轴向支撑板结构的全封闭流道连续型螺旋折流板换热器中的双流道换热器整体结构示意图包括：一个管状壳体5，内装十二支撑件2，支撑件2由两个支撑板将同轴的一边在一个平面上旋转α=180°固定连接形成了一个菱形结构的支撑件2，其中两端的支撑件2为各为二分之一，全部支撑件首尾相接再按照右手螺旋方式依次将相邻的支撑件2旋转β=90°角，再将24块折流板3按照右手螺旋方式将相邻的两个支撑件的两边用折流板3将β角封闭固定连接，将若干换热管穿过折流板上的通孔，再穿过两端的限位嵌体12和管板7垂直固定连接，最后将两个管箱固定连接，其后再将壳程进口8和管程进口10处放入并固定螺旋导流环13后完成组装。其中支撑件2为菱形，折流板3为四分之一椭圆形状的扇形，折流板3上两个边分别与菱形支撑件2上对应的两个边等长，折流板3上的通孔通过带有倾斜角度的夹具定位打孔，打孔的方式可以用激光切割或钻孔，折流板和支撑板连接时用定位夹具固定，确保折弯或焊接精度，控制各通孔的累计形位公差偏移，确保换热管4可以轻松准确的实施穿孔工作。 

如图3，轴向支撑板1基本结构由多边形简化为四边形结构时的图例，四边形支撑板1 位于壳体轴线和管状壳体5内壁之间，且与管状壳体5轴线平行，一边与轴线重合，另一端点或一边紧贴壳体5内壁，且呈滑动配合。 

双流道四边形支撑件2结构中的四种式样，分别为菱形、凹鹞形、对中矩形和对角线矩形，各自将对流道内流体的重心、管状壳体5内壁溢流压力、折流板3的支撑强度、流道错位以及流道截面形状产生重大影响。 

如附图4所示，双流道菱形支撑件2组合结构为相邻支撑板2按照右手螺旋或左手螺旋方式旋转β=90°时，相邻支撑件2的相互位置关系。 

如附图5所示，双流道菱形支撑件2在换热器中的放置位置，菱形支撑件2中心线与管状壳体5轴线重合。 

如附图6-8所示，同一支撑件相邻支撑板夹角α，支撑件由一块支撑板1构成时夹角α=360°，由两块支撑板1组成时夹角α=180°，由三块支撑板1组成时夹角α=120°，于此对应，相邻支撑件旋转角度β分别为180°、90°和60°，支撑板越多α、β角越小，流道越多。 

如附图9和图10所示，限位嵌体12基本结构为上面有用于通过换热管4的通孔，为圆心角为β的圆柱三角形嵌体，数量可根据需要增加，但全部数量拼接起来以不超过一个圆周为限，主要用于控制死区空间，抑制换热管4和折流板3的振动。 

如附图11所示螺旋导流环13基本结构如同小一号的无通孔的折流板3和支撑板1固定连接而成，并与进口固定连接，管程进口10的螺旋导流环13安装位置也可以根据需要安装在管箱内或换热管进口处固定连接，螺旋导流环13为螺距渐小的螺旋折流板结构，放入壳程进口8和管程进口10后焊接牢固即可。螺旋导流环13主要起到导流作用减少介质对折流板3的冲击，并破坏介质初始层流状态，提高初始换热效率。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种换热器，所述换热器包括两端分别设有管箱和管板、内设换热管和折流板的管状壳体；设于所述管状壳体上且与所述管状壳体轴向垂直的壳程进口和壳程出口；和设于所述管箱上的管程进口和管程出口；所述管箱与所述管板固定连接，所述管板位于所述管箱和折流板之间，其特征在于：支撑件位于管状壳体内部，其包括支撑板，所述支撑板相互呈α角且呈辐射状均匀分布，其一边相互重合成为支撑件的中心轴线，所述支撑板设于中心轴线与管状壳体内壁之间，相邻支撑件以轴向首尾相连并依次以相同的螺旋方式旋转β角，且β角小于α角，所述折流板螺旋方式固定连接相邻支撑件上相邻支撑板并封闭β角，所述换热管依次穿过折流板、限位嵌体和管板，与管板垂直固定，且通过螺栓与管箱连接，所述壳程进口和管程进口处均设有螺旋导流环。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述支撑件和折流板之间形成的螺旋流道的数量与支撑板的数量相等，所述螺旋流道的螺旋方式为左手螺旋或右手螺旋，所述螺旋流道的螺距通过所述支撑件的中心轴的长度进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于：所述支撑板表面设有引伸凸起，所述换热管的表面经过喷砂打毛处理。

4.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于：所述支撑件包括单个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成单流道，所述支撑板的形状为3～7边形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板为三角形时，折流板的形状为扇形，支撑板的形状为4～7边形时，其为扇形和三角形组合折流板。

5.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于：所述支撑件包括两个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成双流道，所述支撑件的形状为菱形、凸鹞形、凹鹞形或平行四边形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一端紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板为扇形。

6.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于：所述支撑件包括两个支撑板，所述支撑件和折流板之间形成双流道，所述支撑板的形状为梯形，其一边相互重合成为支撑件的中心轴，其另一边紧贴所述管状壳体内壁，所述折流板的形状为扇形。

7.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述支撑件为4～7边形支撑板构筑的支撑件，通过扇形和三角形组合的折流板连接两个相邻支撑件上的相邻支撑板并封闭β角。

8.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述限位嵌体设有两个或两个以上，设置在管板、管状壳体、折流板端部和换热管所构成的空间内，所述限位嵌体为圆心角为β角的圆柱三角形嵌体结构，所述斜面为扇形或扇形与三角形组合形。

9.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述换热器为管板式换热器、浮头式换热器或U型管式换热器。

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