CN104482783A - 一种管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管壳式换热器，涉及换热技术领域，能够解决固体介质在换热器内容易发生沉积的技术问题。该换热器的壳体内设有第一螺旋通道，壳程流体自壳程入口流入到第一螺旋通道内，第一螺旋通道内的壳程流体由壳程出口流出；第一螺旋通道由整体曲面形状的折流板形成；或者，第一螺旋通道由至少两个第一折流板顺次倾斜搭接形成。该换热器能够减小壳程的死体积，降低固体沉积而造成壳程堵塞的风险。

Description

一种管壳式换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种管壳式换热器。

背景技术

随着经济和工业的快速发展，世界各国面临着能源短缺的问题，所以如何高效利用已有能源是各国人们日益关注的焦点。其中，换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，将温度较高的流体的热量传递给温度较低的流体，是提高能源利用率的主要设备之一。目前，应用较广泛的换热器为管壳式换热器，以封闭在壳体内管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

管壳式换热器一般由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，管束置于壳体内部，且管束两端固定在管板上。折流板置于壳体内，用来提高管外流体的传热分系数，提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体紊流程度。其中，进行换热的流体有两种，一种是在换热管内流动，称为壳程流体；另一种是在换热管外流动，称为壳程流体。流体每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。而传统的管壳式换热器中，当进入换热器内介质中的流体固含量较高时，换热器长时间运行容易使得固体介质在换热器中形成局部沉积，流体压降增加，从而造成换热效率下降。当固体介质沉积严重时能够堵塞换热器，导致整个设备报废，从而失去换热能力。

发明内容

本发明的实施例提供一种管壳式换热器，能够解决固体介质在换热器内容易发生沉积的技术问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种管壳式换热器，所述换热器的壳体内设有第一螺旋通道，壳程流体自壳程入口流入到所述第一螺旋通道内，所述第一螺旋通道内的壳程流体由壳程出口流出；所述第一螺旋通道由整体曲面形状的折流板形成；或者，所述第一螺旋通道由至少两个第一折流板顺次倾斜搭接形成。

进一步的，所述第一折流板为扇形结构。

进一步的，所述第一折流板的倾角范围为5～45°。

进一步的，沿所述壳程流体流动方向，所述第一折流板末端处的半径边缘向前或向后延伸有隔板。

进一步的，所述隔板为矩形、梯形或三角形结构。

进一步的，由流体流过的所述隔板的边缘处设为光滑平面、波浪形曲面或锯齿形曲面结构。

进一步的，所述隔板上设有通孔。

进一步的，所述隔板与所述第一折流板的夹角范围为90～150°。

进一步的，所述隔板的内堰高与所述第一折流板半径的比值范围为0.05～0.25，所述隔板的外堰高与所述内堰高的比值范围为0～1。

进一步的，所述壳程入口或/和壳程出口处的所述壳体内设有导流筒，所述导流筒内设有第二螺旋通道，所述第二螺旋通道由数个第二折流板顺次倾斜搭接形成。

进一步的，所述第二折流板的倾角范围为15～40°。

进一步的，所述第二折流板的倾角大于所述第一折流板的倾角。

进一步的，所述第二螺旋通道的螺距与所述导流筒内径的比值范围为0.2～0.5。

进一步的，所述壳体的外壁设有超声波换能器，所述超声波换能器的工作频率为8～40kHz，振幅为10～80μm。

本发明实施例提供的管壳式换热器设有螺旋通道，即由整体曲面形状的折流板或至少两个第一折流板生成第一螺旋通道。壳程流体通过壳程入口流入到第一螺旋通道内，然后壳程流体将在该第一螺旋通道内流动，并呈螺旋式向前流动，最终经壳程出口流出壳体。壳程流体在该第一螺旋通道内流动时，依靠螺旋流动的离心作用，能够减小壳程的死体积，降低因固体沉积而造成的壳程堵塞的风险，从而保证换热器的换热效率。

附图说明

图1为本发明实施例所述的管壳式换热器的立体结构示意图；

图2为图1中设有隔板的第一折流板的立体结构示意图；

图3为图2中隔板与第一折流板的纵剖面连接结构示意图；

图4为图1中设有超声波换能器的管壳式换热器的结构示意图。

附图标记：

1、壳体，2、第一折流板，3、管板，4、壳程入口，5、壳程出口，

6、换热管安装孔，7、隔板，8、导流筒，9、第二折流板，

10超声波换能器，11、防撞孔。

R—第一折流板的半径；

a—隔板的内堰高；

b—隔板的外堰高；

θ—第一折流板与隔板之间的夹角；

F—壳程流体的流动方向。

具体实施方式

本发明实施例中，注释说明如下所述。

第一折流板的倾斜角度：指第一折流板沿其半径旋转后，其平面与壳体轴线之间的夹角。

第二折流板的倾斜角度：指第二折流板沿其半径旋转后，其平面与壳体轴线之间的夹角。

内堰高：指靠近换热器壳体轴线处的隔板边缘高度。

外堰高：指靠近换热器壳体处的隔板边缘高度。

下面结合附图对本发明实施例所述的管壳式换热器进行详细描述。

本实施例是一种管壳式换热器，该换热器的壳体1内固设有第一螺旋通道，壳程流体自壳程入口4流入到该第一螺旋通道内，该第一螺旋通道内的壳程流体由壳程出口5流出；其中，第一螺旋通道由整体曲面形状的折流板形成；或者，第一螺旋通道由至少两个第一折流板2顺次倾斜搭接形成。

本发明实施例中，可以由整体曲面形状的折流板或由至少两个第一折流板生成第一螺旋通道。壳程流体通过壳程入口4流入到第一螺旋通道内，壳程流体将在该第一螺旋通道内流动，并呈螺旋式向前流动，最终经壳程出口5流出壳体1。壳程流体在该第一螺旋通道内流动时，依靠螺旋流动的离心作用，能够减小壳程的死体积，降低因固体沉积而造成的壳程堵塞的风险，从而保证换热器的换热效率。

本实施例中，第一螺旋通道的形成方式可以是：一个第一折流板2形成第一螺旋通道的至少一个螺距；或者至少两个第一折流板2形成第一螺旋通道的一个螺距，如图1所示，例如：第一螺旋通道(或单个螺距)可以由2个、3个、4个、5个、6个等第一折流板2倾斜顺次搭接而成。

其中，当第一螺旋通道由至少两个第一折流板2搭接而成时，则第一折流板2可以是平面扇形结构或立体扇形结构，当第一折流板2采用平面扇形结构时，其设计、加工、组装、拆检等过程的难度会大大下降，易于工业化推广。此外，第一折流板2还可以采用其他形状的折流板。

为了形成不利于固体沉积的螺旋通道，第一折流板在搭接过程中的倾角的范围为5～45°。

壳体1内沿壳程流体流动方向，第一折流板2末端处的半径边缘向前或向后延伸有隔板7，即第一折流板2末端处的半径边缘处设有隔板7，且隔板7向前或向后凸出于该第一折流板2，如图2和图3所示。具体的，隔板7可以为矩形、梯形或三角形结构，当然，也可以采用其他非规则形状结构。其中，当隔板7的形状为梯形时，可以以内、外堰高所在的两个边作为梯形的上底和下底，以第一折流板2的半径边缘作为梯形的腰长。隔板7的设置可以减小甚至消除相邻第一折流板2之间搭接间隙，从而降低含固流体在壳体1内出现沉积的发生率。

当隔板7向前凸出于其所在的第一折流板2时，在壳程流体的流动过程中，当壳程流体流经隔板7时，壳程流体需要有个轻度上升的过程，绕过该隔板7后才能流到下一块第一折流板2，在这一上一下的过程中，可以使部分或全部的壳程流体刚好跨过相邻第一折流板2的间隙，从而减少该间隙处漏流现象的发生率，进而减少由于漏流而引起的固体介质沉积现象的发生率。此外，壳程流体在受到隔板7的阻挡向上运动过程中，增强了流体的紊流程度，必然减小固体沉积的发生率。

当隔板7向后凸出于其所在的第一折流板2时，在壳程流体的流动过程中，当壳程流体流经隔板7时，壳程流体可以沿着该隔板7直接向前流向下一块第一折流板2，该隔板7具有引流的作用，尤其当该隔板7与其前方第一折流板2正好相接时，可实现整个螺旋通道的无缝化，使整个换热通道内的流体避免漏流现象的发生，从而也就避免了由于漏流而产生的固体沉积现象的发生。

本实施例中，可以在流体流过的隔板7边缘处设置成光滑平面、波浪形曲面或锯齿形曲面结构，也可以为其他非规则形状结构。尤其，当此边缘处为锯齿形曲面结构时，可以使流体不会出现漏流而引起固体沉积，当流经隔板7前方的第一折流板2时，能够与该第一折流板2上的换热管充分接触，进行充分的热交换；且锯齿状结构还能破坏流体的表面张力，减小局部阻力，减小壳程压降，使流体的流动形态更加趋于规则、稳定，更有利于流体流动和换热，如图2和图3所示。

当壳程流体流经隔板7时会对该隔板7施加一定的冲击力，流速越大该冲击力越大，使整个壳程的压降增大，容易使换热器在工作过程中产生振动现象，故为了减小该冲击力，避免换热器产生振动，本实施例中，在隔板7上设有数个(至少一个)贯穿其前后端面的通孔，即防撞孔11，如图2和图3所示，当壳程流体流经隔板7时，有部分流体通过防撞孔11向前流动，从而减小该冲击力。

具体的，隔板7上的防撞孔11可以为圆孔、方形孔或其它形状通孔。防撞孔11为多个时，防撞孔11可以设在隔板7高度的中间或中间偏上位置处呈规则排布，也可以呈上下交错设置或其他不规则形式排布。

为了降低含固流体流经第一折流板2出现沉积的风险，同时提高换热过程的热量交换，并减小***压降，将隔板7与第一折流板2之间的夹角θ选择为90～150°，优选为90～120°。

将隔板7的内堰高a与第一折流板2半径R的比值范围选择为0.05～0.25，优选为0.1～0.2；隔板7的外堰高b与内堰高a的比值范围选择为0～1，优选为0.2～0.8。当b/a＝0时，表示外堰高b＝0，即隔板7的形状为三角形。

工业实际应用工程中，换热器的设置需要遵循国家有关规范，壳程入口4及壳程出口5距离管板3有一定的距离，尤其当该换热器处于高温高压条件时，此种结构设置是必须的，但是，这种结构容易造成壳程入口4及壳程出口5分别到相应相邻管板3之间的区域形成死体积，从而使得该区域的换热管起不到换热的作用。为了避免该区域死体积现象的发生，在与壳程入口4处的壳体1内设有导流筒8，导流筒8内设有第二螺旋通道，第二螺旋通道由至少两个第二折流板9顺次倾斜搭接形成，该处的第二折流板9可以选择扇形折流板或其他结构的折流板，如图4所示。

同样，还可以在与壳程出口5处的壳体1内设有导流筒8，导流筒8内设有第二螺旋通道，第二螺旋通道由至少两个第二折流板9顺次倾斜搭接形成，该处的第二折流板9可以选择扇形折流板或其他结构的折流板，如图4所示。此时，壳程流体首先由壳程入口4流经此处的导流筒8与壳体1之间的间隙，然后依次通过壳程入口4处的导流筒8内的第二螺旋通道、两导流筒8之间的第一螺旋通道、壳程出口5处的导流筒8内的第二螺旋通道，最后流经壳程出口5处的导流筒8与壳体1之间的间隙，由壳程出口5流出壳体1。

壳程流体在换热器内的流动过程中，为了进一步有效降低换热器的***压降及堵塞风险，换热器还可由水平放置改为竖直放置。壳程流体可以从下往上流动或从上往下流动。其中，壳程流体从上往下流动时可以借助固体颗粒重力的作用，更有利于流体流动，降低或避免壳体内固体沉积的发生率。

具体的，第二折流板9的倾角范围选择为15～40°。其中，第一折流板2与第二折流板9两者的倾角可以相同，也可以不同设置，但是，通常情况下，将第二折流板9的倾角设置成大于第一折流板2的倾角，以保证流体流经导流筒8时压降会更小，从而保证流体顺利通过导流筒8。此外，第二折流板9所述生成的第二螺旋通道的螺距与导流筒8内径的比值范围为0.2～0.5。

为了提高换热器壳体1内以及换热管内流体的扰动程度，强化流体的紊流程度，进一步降低固体颗粒的沉积风险，可以在换热器的壳体1的外壁设有超声波换能器10，如图4所示。该超声波换能器10可以安装在壳体1外壁的底部、顶部或侧面等，可以垂直安装或倾斜一定的角度。这是利用了超声波本身的特性，超声波是一种高频率(通常情况下，高于20kHz)的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。本实施例中，该超声波换能器10就是采用了这种高频率、低振幅超声波，其工作频率为8～40kHz，振幅为10～80μm。

由于超声波的传递深度可以传递到流体介质内部，并沿径向和轴向方向由外向内传播，产生超声扰动的不仅仅作用在与超声波换能器10直接接触的壳体1内壁，还会传递到壳体1内部的换热管管束内，因此，超声波不仅可以有效防止壳体1内壁不易沉积固体颗粒，换热器内部的换热管内流体(即管程流体)同样因为超声波的扰动作用在径向方向发生振动，并随着壳程流体流动方向的动量而沿着轴向方向移动，对管程流体同样也可起到超声振动的作用，并能够强化过程传热，尤其适用于管内流体为含固流体的情况，此时有益效果更明显，如图4所示。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种管壳式换热器，其特征在于，所述换热器的壳体内设有第一螺旋通道，壳程流体自壳程入口流入到所述第一螺旋通道内，所述第一螺旋通道内的所述壳程流体由壳程出口流出；所述第一螺旋通道由整体曲面形状的折流板形成；或者，所述第一螺旋通道由至少两个第一折流板顺次倾斜搭接形成。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，所述第一折流板为扇形结构。

3.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，所述第一折流板的倾角范围为5～45°。

4.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，沿所述壳程流体流动方向，所述第一折流板末端处的半径边缘向前或向后延伸有隔板。

5.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，所述隔板为矩形、梯形或三角形结构。

6.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，由壳程流体流过的所述隔板的边缘处设为光滑平面、波浪形曲面或锯齿形曲面结构。

7.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，所述隔板上设有通孔。

8.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，所述隔板与所述第一折流板的夹角范围为90～150°。

9.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，所述隔板的内堰高与所述第一折流板半径的比值范围为0.05～0.25，所述隔板的外堰高与所述内堰高的比值范围为0～1。

10.根据权利要求1-9任一项所述的管壳式换热器，其特征在于，所述壳程入口或/和壳程出口处的所述壳体内设有导流筒，所述导流筒内设有第二螺旋通道，所述第二螺旋通道由至少两个第二折流板顺次倾斜搭接形成。

11.根据权利要求10所述的管壳式换热器，其特征在于，所述第二折流板的倾角范围为15～40°。

12.根据权利要求10所述的管壳式换热器，其特征在于，所述第二折流板的倾角大于所述第一折流板的倾角。

13.根据权利要求10所述的管壳式换热器，其特征在于，所述第二螺旋通道的螺距与所述导流筒内径的比值范围为0.2～0.5。

14.根据权利要求1-9任一项所述的管壳式换热器，其特征在于，所述壳体的外壁设有超声波换能器，所述超声波换能器的工作频率为8～40kHz，振幅为10～80μm。