CN103968688A - 一种管壳式换热器及其板孔的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传热技术，提供一种管壳式换热器及其板孔的加工方法。该技术采用径向拓扑方法对换热管进行排布，配合交替设置的圆环形和圆盘形折流板，使壳程流体沿径向均匀地流过所有换热管，以提高换热管的利用率。管壳式换热器，主要包括筒体、管板、管箱、换热管和折流板，折流板采用圆环形折流板和圆盘形折流板相间排布方式，折流板的总块数为奇数。换热管排布在以换热器对称轴为中心的不同直径的同心圆上，且在圆周方向均匀分布。换热管的间距非定值，且最小间距大于等于1.25倍的换热管外径。

Description

一种管壳式换热器及其板孔的加工方法

技术领域：

本发明涉及一种传热技术，具体涉及一种管壳式换热器。基于分形理论，采用径向拓扑对换热管进行排布，配合交替设置的圆板形和圆环形折流板，使壳程流体流动的均匀程度最大化，以提高换热管的利用率。

背景技术：

换热设备按功能可分为：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器(包括板片式换热器和板翅式换热器)。

管壳式换热器是目前过程工业应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流板等部件组成，可采用不锈钢、普通碳钢、紫铜或其它有色金属作为材料。操作时，一种流体由一端封头接管进入，经过换热管，从另一端封头的接管流出，称之为管程；另一种流体由壳体的一个接管进入，从壳体上的另一接管流出，称之为壳程。换热管作为冷热流体传热的关键部件，其结构和型式不断优化。随着新型高效换热管的不断出现，管壳式换热器的应用范围不断扩大。目前强化换热管传热的措施有两类，即(1)改变流体的流动情况以增加流速；(2)改变换热面形状和大小。

管壳式换热器的优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的材料范围也比较宽广，故适应性强，操作弹性大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。但传统设计标准(如GB151-1999管壳式换热器)中所涵盖以及目前所常用的列管换热器，最大的缺点就在于换热面积没有得到充分利用。

对于各种换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管(板)排列方式(顺排或叉排)、换热管(板)排数、换热管(板)间距大小、肋片布置间距、肋片形状等。在换热器的设计中，换热管排数和布置方式、换热管形状、肋片外型以及间距等对换热器性能的影响不可忽视。为了提高管壳式换热器壳程流体的流速，增加传热效率，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流板，这样即可提高流体流速，同时也迫使壳程流体按照规定的路程，多次与管束形成错流过，有利于管外传热系数的增大。挡板形式有圆缺型(弓型)，圆盘形和圆环。折流板有圆环形、弓形、螺旋形等多种，这些折流板都使壳程流体在折流挡板的上下部分区域形成死区和滞流区，而真正起换热作用的强制湍流区域是有限的。

目前常用的换热管排布方式有正三角形、转正三角形、正方形、转正方形等几种。为了便于工程应用，设计标准中给了这些排布方式的固定尺寸。从流体力学的角度而言，换热管固定的间隔尺寸对壳程流体流动的均匀化是十分不利的。另一方面，由于无法准确判断壳程流体在换热管间隙中的流动状态，如其流速和压力分布，故对壳程流动的优化面临极大的困难。

借助于计算机模拟的优势，可对给定的换热器进行整场流动分析和结构强度计算。在换热器的数值分析方面，国内有大量的文献报道，如采用稳态分布参数法，对冷凝器和蒸发器使用时回路的最佳长度的模拟；采用分布参数法对波纹型多通道单流程板式蒸发器在小换热温差时的换热性能的模拟；对湿工况下冷却空气型干式蒸发器盘管进行的模拟；对船舶冷库蒸发器和房间空调蒸发器的模拟；对管翅式换热器传热过程的模拟等。

换热管传热特性数值分析的关键在于计算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介质模型、实体模型和周期性单元流道模型。采用多孔介质模型过于简化了换热器的内部结构，模拟结果并不能准确反映局部区域的真实流动和传热状况等详细信息，而且部分重要模拟参数与换热器的结构型式、几何尺寸和操作介质有关，故具有一定的局限性。在进行新型壳程支撑结构的流场局部细节的流态分布和强化传热机理研究时，不宜采用多孔介质模型。

采用实体模型对换热器的流动和传热特性进行数值模拟,可获得流换热器的传热与流动特性的定性分析结果，但对于大型管壳式换热器，由于换热管数庞大，模型的网格数和计算量异常增加，现有的软件和硬件尚不能满足要求。为此，研究人员提出周期性单元流道模型简化计算方法，忽略了筒体壁面附近布管区流体流动和传热的特殊性对壳程流动和传热总体性能的影响。若换热管布管方式为正方形时，可取4根换热管所包围的流体流动空间为一个“单元流道”计算模型，这样可有效降低纵流壳程换热器的数值模拟难度。然而，单元流道模型适用于换热管束和管束支撑结构呈对称分布的某些纵流壳程换热器，对于不具备上述结构特征的管壳式换热器，如折流板换热器、螺旋板换热器等，则无法这样简化。对于壳体直径较小的管壳式换热器，即使符合单元流道对称性的简化要求，由于筒体壁面附近布管区的流体对壳程流动和传热总体性能的影响较大而不可忽略，单元流道模型模拟结果与实际工况有较大偏差。

诸多研究表明，按照传统换热管的布局(正三角形、转正三角形、正方形、转正方形)配合弓形、半圆形折流板，很难形成壳程流体的均匀流动，亦即并不是所有换热管周围都用均匀的壳程流体流过，有的区域速度大，有的区域速度小，有的区域甚至是死区(流体不流动)，这样这部分换热管实际不起作用。可见，优化换热管的排布方式，对于此类换热器的设计、应用具有重要的工程意义。

发明内容：

本发明针对现有管壳式换热器中换热管空间分布，不利于壳程流体均匀流动的缺点，基于分形理论，提出一种管壳式换热器，采用由中心向半径增大方向逐层排布的方法排布换热管，换热管在圆周方向均匀分布，并采用间隔排列的圆环形和圆盘形折流板，以实现壳程流体的均匀流动。

本发明另一目的是提供上述管壳式换热器板孔的加工方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种管壳式换热器，主要包括筒体、管板、管箱、换热管和折流板，所述筒体两侧连接左、右管箱，筒体与左管箱连接处设有左管板，筒体与右管箱连接处设有右管板，筒体两侧设有进口和出口，筒体内等间距设有多块折流板，折流板平行于左、右管板设置，且折流板采用圆环形折流板和圆盘形折流板相间排布方式，折流板的总块数为奇数，与左、右管板相邻的均为圆环形折流板；各折流板及左、右管板上均设有板孔，各板孔直径相当；

所述筒体内布有多根换热管，各换热管沿筒体轴向平行设置，各换热管穿套过各折流板及两端的左、右管板上的板孔与左、右管箱相通，左、右管箱上分别设有管程进口和管程出口；

所述圆环形折流板外径与筒体相当，中部为空心圆环；所述圆盘形折流板外径与筒体之间留有圆环形空缺。

在所述圆环形和圆盘形折流板的作用下，壳程流体沿径向流动，从中心向四周扩散或从四周向中心汇聚。

筒体的进口连接有进口接管，筒体的出口连接有出口接管。

管程进口处连接有进口接管，管程出口处连接有出口接管。

所述圆环形折流板的空心圆环的面积与圆盘形折流板的空缺面积相等。

圆环形折流板内圆半径r_i为

$r_i=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}[R^2\arccos \left(\frac{R-h}{R}\right)-(R-h)\sqrt{(2\mathrm{Rh}-h^2)}]}---\left(1\right)$

式中：R为筒体内半径，按照GB151-1999标准提供的方法确定，h＝0.2～0.45R。

圆盘形折流板的半径r_o为

$r_o=\sqrt{R^2-\frac{1}{\mathrm{\π}}[R^2\arccos \left(\frac{R-h}{R}\right)-(R-h)\sqrt{(2\mathrm{Rh}-h^2)}]}---\left(2\right)$

式中：R为筒体内半径，h＝0.2～0.45R。

所述圆环形折流板、圆盘形折流板和左、右管板上板孔位置对应，相邻板孔的间距≥1.25d。

一种管壳式换热器板孔的加工方法，其中，左、右管板上板孔的排布方法具有如下：

排布板孔时应先确定相邻板孔最小间距的d_s，相邻板孔中心间距d_s应大于等于1.25d；(d_s≥1.25d)；所述相邻板孔包括同一层上的相邻板孔以及相邻、不同相邻层间的相邻板孔；板孔中心位于以管板中心为圆心、不同直径的同心圆上，且各同心圆上的板孔在圆周方向上均匀分布；

(1)在左、右管板中心设置第1个板孔作为基准板孔；以第1个板孔的中心为原点、d_s为半径作圆，在该圆周上均匀设置6个板孔，即为第1层板孔；然后按照从内向外的顺序继续逐层排布各层板孔，外层板孔的位置以内层的板孔为基准，且外层板孔中心位于内层两相邻板孔中心连线的中心线上；

(2)按步骤1排布板孔时，当某一层上的同层板孔间距大于等于2d_s(两倍的最小间距)时，则将其内层的板孔沿径向移动到该层位置，并在相邻板孔之间增加一个板孔，使该层板孔数量为其内层板孔数量的2倍，该层即为一个分形层；

按照上述方法排布板孔，从第2层板孔开始，确定第n层板孔所在同心圆的半径的方法如下：

①在第n-1层板孔中选取任意相邻两个板孔，以这两个板孔的中心点i、j为基准，确定中心点i、j连线的中垂线l；

②在中垂线l上确定一个点k，该点位于第n-1层板孔的外侧，且与第n-1层两个板孔的中心点i、j的距离均为d_s；

③判断点k与第n-2层板孔中最近的板孔的距离是否大于等于d_s，如果是，则点k至管板中心的距离即为第n层板孔所在同心圆的半径；如果小于d_s，则将点k沿所述中垂线l向外移动至点k’，使点k’至第n-2层板孔中最近板孔的距离等于d_s，则点k’至管板中心的距离即为第n层板孔所在同心圆的半径。

其中，圆环形折流板、圆盘形折流板上板孔加工方法与左、右管板相同，且各板孔位置相对应，换热管穿过管板和折流板上的板孔后，构成在圆周方向具有周期性特征的壳程空间。

换热管穿过按照所述方法排布的板孔后构成的壳程流场空间具有周向等流阻的特征，在所述间隔排列的圆环形和圆盘形折流板的作用下，壳程流体沿径向(由中心向四周分流或由四周向中心汇流)流经每一根换热管，可保证换热管的利用率为100％。同时，在已知壳程流体总流量的前提下，可估算壳程流体的流经换热管的平均速度(平均速度＝总流量/间隙的截面积)，从而估算换热管的传热系数。

根据所述原则，排布的换热管的平均间距大于1.25d，故可排布的换热管数量要小于(相邻换热管间距均等于1.25d)得到的换热管数量。当d_s取不同值时，得到的板孔中心点的点阵具有几何相似的特征。d_s越小，板孔越密集。

根据所述原则，可利用绘图软件，采用作图法由管板中心向半径增大方向逐一确定各层板孔的位置。

本发明相比现有技术具有如下优点：

(1)目前常用的管壳式换热器的换热管束，壳程流体的流动规律不易确定，因而也就不能保证换热管的利用率，故设计时需增大传热面积以保证换热效果。而本发明的换热管束在圆周方向均匀排布，壳程流体在交替排列的圆环形折流板和圆盘形折流板的作用下，均匀地向径向扩散流动或向中心汇合流动，每根换热管周围均有流体通过，整个流场不存在死区，换热管的利用率为100％，可显著减小换热面积的设计余量。

(2)本发明的换热管排列具有圆周方向的周期性特征，使得壳程流场具有周期性特征，故壳程流体的流动方向具有可预测性。可根据壳程流体的总流量和间隙尺寸估算壳程流体的平均速度及换热管的传热系数。此外，可根据壳程流场的周期性特征，建立换热器的单周期数值分析模型，较之于建立换热器的整体模型，大大降低了建模难度并减少了计算量，有助于准确预测换热器的传热性能和应力分布。

(3)本发明的换热管排布时采用分形方法使一股壳程流体在分形位置处均匀地分为两股(壳程流体向半径增大方向流动，反之亦然)，处于分形位置上的换热管具有“整流”的作用，促进了壳程流体的均匀流动。此外，由于分形拓扑级次可以达到无穷大，因此，本发明不受换热器外径的限制，特别适用于大型管壳式压力容器，如大型EO反应器(直径8m，换热管根数近2万)的设计。

附图说明:

图1为管壳式换热器的结构示意图。

图2为板孔的逐层排布示意图。

图3为圆环形折流板的结构示意图。

图4为圆盘形折流板的结构示意图。

图5为左、右管板的结构示意图。

图中，1-管程出口接管；2-左管箱；3-左管板；4-壳程进口接管；5-筒体；6-壳程出口接管；7-右管板；8-右管箱；9-管程进口接管；10-右支座；11-圆环折流板1；12-圆盘折流板1；13-圆环折流板2；14-圆盘折流板2；15-圆环折流板3；16-左支座；17-换热管。

具体实施方式：

实施例一：

设计一台换热器，主要由壳体、管板、换热管、管箱、折流板等部件组成，材料不限，如图1所示。管程流体由右管箱8上的管程进口接管9进入，从左向右经流换热管束17后在左管箱2汇集，并由管程出口接管1排出；壳程流体从圆柱形的筒体5的壳程进口接管4进入，在折流板的作用下，在壳程作径向流动，与管程流体形成错流，最后经由筒体5的壳程进口接管7排出。

换热管束被与筒体5焊接连接的左管板3和右管板7固定，并穿过各折流板。管板与折流板(圆环形与圆板形)上均开有与换热管外径一致的板孔。圆环形与圆板形折流板的结构分别如图3、4所示，左、右管板的结构如图5所示，上面开有相对应的板孔。圆环形折流板的空心圆环与圆盘形折流板的空缺部分不必设板孔。

换热器的主要参数，如壳体直径、长度、换热管直径和折流板数量由工艺设计确定。其中换热管根数与折流板数量根据本发明的设计方法可能需要修正。

折流板的数目必须为奇数，且靠近两个管板的折流板必须为圆环形折流板，如此才能形成均匀的壳程流体流动。当壳程的进出口接管采用如图1所示的方案时，壳程进口和出口所在的区域不能形成均匀流动，可采用圆周方向均匀布置多个接管的方法来提高这两个区域流动的均匀度。

管板的厚度按GB151-1999标准的要求进行设计，所有板孔的尺寸及公差均按标准要求确定。

按照本发明的换热管排布方式，换热管的平均间隙应大于1.25倍的换热管外径，故可排列的换热管总数应小于按GB151-1999标准设计的换热管根数；又由于径向拓扑排列方式提高了换热管的利用率，换热管束的效率提高，可弥补管数减少的不足。若传热计算结果表明需增大换热面积，可增大壳体直径，以增加换热管根数。

实施例二：

按照本发明的板孔排布原则，采用以下步骤确定板孔的位置。

①如附图2所示，建立极坐标系，坐标系原点置于管板的中心，径向坐标为r，圆周方向坐标为。在管板中心设置第1个板孔。

②确定板孔的最小间距d_s。以(r＝0)为圆心、d_s为半径作第1个同心圆，按照原则(3)在该同心圆上均匀设置6个板孔，且其中1个板孔中心位于上。这6个板孔的间距满足d_s≥1.25d的要求。

③根据所述的同心圆半径的确定方法，计算得到第2个同心圆的半径为2d_s，在该圆上均匀设置6个板孔。这6个板孔的间距为2d_s，根据步骤(2)的要求，将该层板孔的数目加倍(即第2层板孔数为12)，此处为第1分形位置。考察第2层板孔与第1层板孔的间距，满足d_s≥1.25d的要求。

④根据所述的同心圆半径的确定方法，计算得到第3个同心圆的半径为在该圆上均匀设置12个板孔。这些板孔相对于第2层板孔的位置满足d_s≥1.25d的要求。

⑤根据所述的同心圆半径的确定方法，采用作图法确定第4层板孔所在同心圆的半径，即以点为圆心(该点为附图2上第4层板孔中加粗标记的板孔的中心)、d_s为半径作圆，该圆与有两个交点，其中远离管板中心的那个交点的矢径作为第4层板孔所在同心圆的半径。按照原则(2)在该同心圆上均匀排布12个板孔。

参照以上步骤，可逐一确定各层板孔的位置。图2所示的管板上共排布了23层板孔，经历了4次分形，分形位置依次在第2、5、10、23层板孔处。

应用实例一：

某反应器的混合气体经与进料物流换热后，需用循环冷却水将其从110℃冷却至60℃之后，进入吸收塔吸。已知混合气体的流量为2.4×10⁵kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，采用本发明的换热器设计方法设计一台管壳式换热器，满足工况要求。

考虑到水在低流速下易结垢，而水在管程中的速度较大，故管程介质为循环水，壳程介质为混合气体。循环水在85℃((110+60)/2＝85)时的物性参数为：密度为994.3kg/m³，定压比热容为4.174kJ/(kg·K)，导热系数为为0.624W/(m·K)，粘度为0.742×10^-3Pa·s；混合气体在34℃((29+39)/2＝34)时的物性参数为：密度为90kg/m³，定压比热容为3.297kJ/(kg·K)，导热系数为为0.0279W/(m·K)，粘度为1.5×10^-5Pa·s。

按照《GB151-1999管壳式换热器》及有关设计手册进行了设计计算，得到的换热器的基本参数包括：

壳体内径：1450mm 换热管尺寸：Φ25×2.5mm

换热管间距：44mm 换热管长度：7000mm

换热管根数：980 折流板数：14

折流板间距：450mm 折流板圆缺高度：360mm

壳程接管内径：310mm 管程接管内径：370mm

采用本发明的换热管排布方法，设计得到的圆环形折流板、圆盘形折流板与管板上板孔排布分别如图3、4、5所示。圆环形折流板的内圆半径r_i为330mm；圆盘形折流板的外圆半径r_o为650mm。

共经过3次分形，排布了787根换热管。换热管根数为正三角形排列的80％，以壳程和管程介质的进口温度和质量流量为边界条件，采用计算流体动力学软件FLUENT建立了壳程、管程和换热管的单周期数值模型，计算得到管程(冷却水)的出口温度为38.3℃，壳程(混合气体)的出口温度为57.2℃，满足设计要求。

可见，采用本发明的管壳式换热器在满足设计要求的前提下，换热效率较传统的设计显著提高，从而减少了换热管的数量。

Claims (9)

1.一种管壳式换热器，其特征是：主要包括筒体、管板、管箱、换热管和折流板，所述筒体两侧连接左、右管箱，筒体与左管箱连接处设有左管板，筒体与右管箱连接处设有右管板，筒体两侧设有进口和出口，筒体内等间距设有多块折流板，折流板平行于左、右管板设置，且折流板采用圆环形折流板和圆盘形折流板相间排布方式，折流板的总块数为奇数，与左、右管板相邻的均为圆环形折流板；各折流板及左、右管板上均设有板孔，各板孔直径相当；

所述筒体内布有多根换热管，各换热管沿筒体轴向平行设置，各换热管穿套过各折流板及两端的左、右管板上的板孔与左、右管箱相通，左、右管箱上分别设有管程进口和管程出口；

所述圆环形折流板外径与筒体相当，中部为空心圆环；所述圆盘形折流板外径与筒体之间留有圆环形空缺。

在所述圆环形和圆盘形折流板的作用下，壳程流体沿径向流动，从中心向四周扩散或从四周向中心汇聚。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征是：筒体的进口连接有进口接管，筒体的出口连接有出口接管。

3.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征是：管程进口处连接有进口接管，管程出口处连接有出口接管。

4.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征是：所述圆环形折流板的空心圆环的面积与圆盘形折流板的空缺面积相等。

5.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征是：圆环形折流板内圆半径r_i为

$r_i=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}[R^2\arccos \left(\frac{R-h}{R}\right)-(R-h)\sqrt{(2\mathrm{Rh}-h^2)}]}---\left(1\right)$

式中：R为筒体内半径，h＝0.2～0.45R。

6.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征是：圆盘形折流板的半径r_o为

$r_o=\sqrt{R^2-\frac{1}{\mathrm{\π}}[R^2\arccos \left(\frac{R-h}{R}\right)-(R-h)\sqrt{(2\mathrm{Rh}-h^2)}]}---\left(2\right)$

式中：R为筒体内半径，h＝0.2～0.45R。

7.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征是：所述圆环形折流板、圆盘形折流板和左、右管板上板孔位置对应，相邻板孔的间距≥1.25d。

8.权利要求1-7任一所述管壳式换热器板孔的加工方法，其中，左、右管板上板孔的排布方法具有如下特征：

排布板孔时应先确定相邻板孔最小间距的d_s，相邻板孔中心间距d_s应大于等于1.25d；(d_s≥1.25d)；所述相邻板孔包括同一层上的相邻板孔以及相邻、不同相邻层间的相邻板孔；板孔中心位于以管板中心为圆心、不同直径的同心圆上，且各同心圆上的板孔在圆周方向上均匀分布；

(1)在左、右管板中心设置第1个板孔作为基准板孔；以第1个板孔的中心为原点、d_s为半径作圆，在该圆周上均匀设置6个板孔，即为第1层板孔；然后按照从内向外的顺序继续逐层排布各层板孔，外层板孔的位置以内层的板孔为基准，且外层板孔中心位于内层两相邻板孔中心连线的中心线上；

(2)按步骤1排布板孔时，当某一层上的同层板孔间距大于等于2d_s(两倍的最小间距)时，则将其内层的板孔沿径向移动到该层位置，并在相邻板孔之间增加一个板孔，使该层板孔数量为其内层板孔数量的2倍，该层即为一个分形层；

按照上述方法排布板孔，从第2层板孔开始，确定第n层板孔所在同心圆的半径的方法如下：

①在第n-1层板孔中选取任意相邻两个板孔，以这两个板孔的中心点i、j为基准，确定中心点i、j连线的中垂线l；

②在中垂线l上确定一个点k，该点位于第n-1层板孔的外侧，且与第n-1层两个板孔的中心点i、j的距离均为d_s；

③判断点k与第n-2层板孔中最近的板孔的距离是否大于等于d_s，如果是，则点k至管板中心的距离即为第n层板孔所在同心圆的半径；如果小于d_s，则将点k沿所述中垂线l向外移动至点k’，使点k’至第n-2层板孔中最近板孔的距离等于d_s，则点k’至管板中心的距离即为第n层板孔所在同心圆的半径。

9.根据权利要求8所述管壳式换热器板孔的加工方法，其中，圆环形折流板、圆盘形折流板上板孔加工方法与左、右管板相同，且各板孔位置相对应，换热管穿过管板和折流板上的板孔后，构成在圆周方向具有周期性特征的壳程空间。