CN106440865A - 一种旋转折流板管壳式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换热器领域,更具体地,涉及一种旋转折流板管壳式换热器,其包括壳体、左封头、右封头、设置在壳体上的第一第二壳程进出口、设置在左右封头上的第一第二管程进出口,所述左右封头与壳体之间分别密封安装有左管板和右管板;所述壳体内轴向设置有多根平行的换热管,相邻两块折流板之间间隔有一定距离,且从第二块折流板开始,每块折流板均以相邻的前一块折流板为基准,绕壳体的轴线顺时针或逆时针旋转一定的角度β,从而所述壳体中所有的折流板均沿同一方向依次按照角度β错位排列。本发明的管壳式换热器能够大幅度降低换热器壳程流体的进出口压降,减小功耗,还能减少流体诱导振动,提高安全系数,还具有构造简单,易于加工的优点。
Description
技术领域
本发明属于换热器领域,更具体地,涉及一种旋转折流板管壳式换热器,其能够大幅度降低换热器壳程流体的进出口压降,减小功耗,还能减少流体诱导振动,提高安全系数。
背景技术
换热器是一种常见的能源利用设备,它应用于石油、化工、动力、能源、环保等各个工业领域,其中管壳式换热器因其加工制造简单、耐高温高压、适应性强等特点,是应用最广泛的换热器。管壳式换热器工作时分为管程和壳程两部分,换热管内为管程,换热管外为壳程,管壳式换热器的壳体设有折流装置,目的是支撑换热管束并扰动壳程流体从而强化壳程换热性能。
管壳式换热器壳程流体的流动形式大体上有横向流动、纵向流动以及螺旋流动三种。如最常见的弓形折流板换热器其壳程流体通过横向冲刷管束增强换热;折流杆管壳式换热器其壳程流体平行于管束形成纵向流动;螺旋折流板换热器中壳程流体沿折流板呈螺旋流动。
进一步的研究表明,传统的弓形折流板换热器,具有换热性能好、结构简单、加工方便等诸多优点,但同时其壳程压降较大,并易产生流体诱导管束振动造成断管。
基于弓形折流板换热器的不足,有学者提出了螺旋折流板换热器(见Lutcha J,Nemcansky J.Performance improvement of tubular heat exchangers by helicalbaffles[J].Chemical engineering research&design,1990,68(3):263-270.),这种换热器内设置有螺旋状的折流板使得壳程流体呈螺旋流动,现有的螺旋折流板结构包括连续螺旋折流板(参考申请号为200510043033.5的专利)和非连续螺旋折流板(如搭接式非连续螺旋折流板和交错螺旋式折流板,参考申请号为99241930.1和200320106763.1的专利)两种。螺旋折流板换热相对于传统弓形折流板换热器能降低壳程进出口压降并减少流体诱导振动,但因其螺旋折流板结构复杂,加工制造较为困难。
针对上述技术问题,目前还没有看到一种换热效果好、安全系数高、结构简单并且制造方便的管壳式换热器,如何解决上述技术难点,设计一种管壳式换热器,使其能大幅度降低换热器壳程流体的进出口压降,实现换热效果和安全系数的双向提升,同时满足结构简单、适合大规模制造的需求,是本发明要解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和改进需求,本发明提出了一种旋转折流板管壳式换热器,通过在壳体内设置折流板,并且使折流板均沿同一方向依次按照角度β错位排列,从而壳程流体在壳体内形成螺旋流动,可大幅度降低换热器壳程流体的进出口压降,从而减小功耗,且能减少流体诱导振动,提高安全系数,还具有构造简单,易于加工的优点。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种旋转折流板管壳式换热器,其特征在于,其包括壳体、分别设置在壳体的左右两端的左封头和右封头,
上述壳体上还设置有第一壳程进出口和第二壳程进出口,所述第一壳程进出口靠近左封头,所述第二壳程进出口靠近右封头,所述左封头和壳体之间密封安装有左管板,所述右封头和壳体之间密封安装有右管板,上述左封头上设置有第一管程进出口,上述右封头上设置有第二管程进出口;
所述壳体内轴向设置有多根平行的换热管,所述换热管穿过多块平行的折流板上的管孔并固定于左管板和右管板上,从而所述左封头和右封头通过换热管连通,所述的折流板为非圆形的平板,相邻两块折流板之间间隔有一定距离,且从壳体任意一侧的第二块折流板开始,每块折流板均以相邻的前一块折流板为基准,绕壳体的轴线顺时针或逆时针旋转一定的角度β,从而所述壳体中所有的折流板均沿同一方向依次按照角度β错位排列。
优选地,所述折流板的形状可为半圆形、长方形或劣弧弓形,或同时采用上述形状中的一种或几种。采用上述截面形状的折流板易于制造加工,安装方便,且易于调整角度使流体呈螺旋流动。
优选地,所述的相邻折流板间的旋转错位角度取值范围为10°<β<170°。相邻的折流板之间的角度控制在上述范围,能够使流体在壳体内形成稳定的螺旋流动,减少流体诱导振动。
优选地,相邻的两块折流板之间的旋转错位角度β可保持一致,也可不同。
具体地,本发明的旋转折流板管壳式换热器的换热原理为:管程入口流体从第二管程进出口流入右封头与右管板形成的空腔内,经过换热管向左流至左封头与左管板形成的空腔后,管程出口流体从第一管程进出口流出。壳程入口流体从第一壳程进出口流入换热器壳程,沿折流板间向右流动至右管板后,流体在壳体内流动的过程中与换热管完成热量交换,然后壳程出口流体沿第二壳程进出口流出换热器壳程。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下优点:
(1)本发明的管壳式换热器通过采用折流板结构,使折流板均沿同一方向按照角度β错位排列,从而壳程流体在壳体内呈螺旋流动,解决了现有弓形折流板换热器横向冲刷导致的压降较大、管束振动的问题,可大幅度降低换热器壳程流体的进出口压降,从而减小功耗,且能减少流体诱导振动,提高安全系数。
(2)本发明的折流板结构为特定形状的平板,如半圆形、长方形或劣弧弓形,或同时采用上述形状中的一种或几种,上述折流板结构简单,相对于传统的螺旋折流板换热器,具有加工制造简单,安装方便的优点。
(3)本发明的折流板采用特殊形状和角度设置,可以使壳程流体呈螺旋流动,能减少流体诱导振动,提高安全系数,延长换热器的使用寿命。
(4)本发明的旋转折流板管壳式换热器构造简单、设计精巧、易于加工和安装,适合大规模制造。
附图说明
图1为本发明旋转折流板管壳式换热器的整体结构示意图;
图2为本发明的折流板结构示意图;
图3为本发明实施例一的折流板排布示意图;
图4为本发明实施例一的壳程流体流动示意图;
图5为本发明实施例二的折流板排布示意图;
图6为本发明实施例二的壳程流体流动示意图;
图7为本发明实施例三的折流板排布示意图;
图8为本发明实施例三的壳程流体流动示意图;
图9为本发明实施例一的壳式换热器与传统弓形折流板换热器的换热系数h的对比图;
图10为本发明实施例一的壳式换热器与传统弓形折流板换热器的进出口压降Δp的对比图;
图11为本发明实施例一的壳式换热器效能评价系数EEC的变化曲线图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1左封头,2第一管程进出口,3管程出口流体,4第一壳程进出口,5壳程入口流体,6换热管,7折流板,8第二壳程进出口,9壳程出口流体,10右管板,11右封头,12第二管程进出口,13管程入口流体,14管孔,15壳体,16左管板,17壳程流体流动轨迹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明的旋转折流板管壳式换热器的整体结构示意图。如图1所示,其包括壳体15、分别设置在壳体15的左右两端的左封头1和右封头11,
上述壳体15上还设置有第一壳程进出口4和第二壳程进出口8,所述第一壳程进出口4靠近左封头1,所述第二壳程进出口8靠近右封头11,所述左封头1和壳体15之间密封安装有左管板16,所述右封头11和壳体15之间密封安装有右管板10,上述左封头1上设置有第一管程进出口2,上述右封头11上设置有第二管程进出口12;
所述壳体15内轴向设置有多根平行的换热管6,所述换热管6穿过多块平行的折流板7上的管孔14并固定于左管板16和右管板10上,从而所述左封头1和右封头11通过换热管6连通,所述的折流板7为非圆形的平板,相邻两块折流板7之间间隔有一定距离,且从壳体任意一侧的第二块折流板7开始,每块折流板7均以相邻的前一块折流板7为基准,绕壳体15的轴线顺时针或逆时针旋转一定的角度β,从而所述壳体15中所有的折流板7均沿同一方向依次按照角度β错位排列。
在本发明的一个具体实施例中,所述折流板7的形状可为半圆形、长方形或劣弧弓形,或同时采用上述形状中的一种或几种。
在本发明的一个具体实施例中,所述相邻两块折流板7间的旋转错位角度10°<β<170°。
在本发明的一个具体实施例中,相邻的两块折流板7之间的旋转错位角度β可保持一致,也可不同。
实施例一
如图1所示,一种旋转折流板管壳式换热器,从左至右包括左封头1、左管板16、壳体15、右管板10、右封头11,壳体15壁面上分别设置有第一壳程进出口4和第二壳程进出口8,左封头1和右封头11上设有第一管程进出口2和第二管程进出口12,左管板16和右管板10焊接固定于壳体15左右两端的内壁上,左封头1和右封头11分别密封安装在壳体15的左右两端,换热管6平行穿过折流板7上的管孔14,其两端通过胀接分别固定在左管板16和右管板10上,各折流板7等间距地排布并固定于壳体15内。壳程入口流体5从第一壳程进出口4流入换热器壳程,沿折流板7间向右流动至右管板10后,壳程出口流体9沿第二壳程进出口8流出换热器壳程。管程入口流体13从第二管程进出口12流入右封头11与右管板10形成的空腔内,经过换热管6向左流至左封头1与左管板16形成的空腔后,管程出口流体3从第一管程进出口2流出。其壳体15内径为140mm,壳体15长度为800mm,折流板7间距为80mm,折流板7数量为8,换热管6外径为12mm,换热管6间距为20.5mm,换热管6数量为36,第一壳程进出口4和第二壳程进出口8直径为50mm。
如图2所示,本发明的折流结构示意图,相邻的折流板7之间以一定的角度β旋转错位依次排开。
如图3所示,本发明实施例一的折流板7的横截面为半圆形,两个相邻的折流板之间的错位角为顺时针方向呈90°。
如图4所示,本发明实施例一的壳程流体流动示意图,流体流入壳程后绕折流板7流动,按照折流板7的排布规律形成了螺旋状的壳程流体流动轨迹17。
实施例二
本发明实施例二与实施例一的不同之处在于折流板7的形状以及旋转错位角β的大小。
如图5所示,本发明实施例二的折流板7的横截面为劣弧弓形,两个相邻的折流板7之间的错位角为顺时针方向呈120°,由于折流板7的横截面为劣弧弓形,所以在壳程中间形成了一个截面为三角形的未设有折流结构的中空区域18。
如图6所示,本发明实施例二的壳程流体流动示意图,流体流入壳程后绕折流板7流动,按照折流板7的排布规律主要流体形成了螺旋状的壳程流体流动轨迹17,部分流体在中空区域18形成了纵向流动19。
实施案三
本发明实施例三与实施例一的不同之处在于折流板7的形状。
如图7所示,本发明实施例三的折流板7的横截面近似为长方形,位于壳程的中央区域,两个相邻的折流板7间的错位角为沿顺时针方向呈90°。
如图8所示,本发明实施例三的壳程流体流动示意图,流体流入壳程后绕折流板7流动,按照折流板7的排布规律大体上形成了4股呈螺旋状的壳程流体流动轨迹17,其中相邻的两股流体在某一截面处短暂汇合,在经下一个折流板7后再次分离,流动过程中4股螺旋状的壳程流体流动轨迹17按照折流板7的旋转排布不断地汇合及分离。
图9-图11为对实施例一的壳程整体进行数值模拟的结果,模拟计算通过CFD软件Fluent进行,用于对比的传统弓形折流板换热器采用缺口率为31.4%的弓形折流板,其余参数包括壳体结构尺寸、壳体进出口结构尺寸、换热管的结构尺寸及排布、折流板的间距及个数等均与实施例一保持一致。数值模拟中以水作为壳程工作流体,壳程入口流体的质量流量取值范围为1kg/s~7kg/s,图中的黑色方点代表传统的弓形折流板换热器的模拟结果,星型点代表实施例一的模拟结果。壳程入口采用速度入口边界条件,入口温度为293K,管壁温度为353K,出口为自由出流边界,壳体及折流板壁面绝热。
换热管壁面与流体间的对流换热量Q定义如下:
Q=cpM(Tout-Tin)
式中,cp为壳程流体比热容,单位为J/(kg·K);M为壳程流体质量流量,单位为kg/s;Tout为流体出口温度,单位为K;Tin为流体入口温度,单位为K。
对流换热系数h定义如下:
式中,A为换热总面积,单位m2;Tw为换热管壁面温度,单位为K;Tf为流体平均温度,单位为K。
效能评价系数代表了换热器强化传热的收益增幅与流体消耗泵功的代价增幅之比,若EEC大于1则表明换热器强化传热的收益增幅是大于流体消耗泵工的代价增幅,则表明换热器的结构改进是有意义并值得的,EEC定义如下:
式中,Q为实施例一中换热器的换热量,单位为W;Q0为传统弓形折流板换热器的换热量,单位为W;P为实施例一中换热器的功耗,单位为W;P0为传统弓形折流板换热器的功耗,单位为W。
图9为在不同的质量流量M下实施例一和传统弓形折流板换热器的进出口压降Δp的变化。从图中可以看出,两种换热器壳程的进出口压降Δp的变化趋势相同,均随着质量流量M的增大而增大。实施例一的进出口压降小于传统弓形折流板换热器,降低了约59%,这说明在相同的质量流量下,相对于传统弓形折流板换热器,实施例一大幅度较少了壳程的功耗。
图10为在不同的质量流量M下实施例一和传统弓形折流板换热器的换热系数h的变化。从图中可以看出,两种换热器壳程的换热系数h的变化趋势相同,均随着质量流量M的增大而增大。实施例一的换热系数小于传统弓形折流板换热器,降低了约25.3%,这说明在相同的质量流量下,相对于传统弓形折流板换热器,实施例一的换热系数有所下降。
图11为实施例一与传统弓形折流板换热器对比得到的效能评价系数EEC的值随质量流量M的变化规律,从图中可以看出,EEC的平均值在1.85左右,其值大于1,证明本发明实施例一的综合性能优于传统弓形折流板换热器,这说明在进出口压降得到大幅度降低(压降降低约59%)的同时,换热系数的减小(仅减小25.3%)得到了有效的控制,这对于降低管壳式换热器的进出口压降减小壳程流体所需的泵功意义重大。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种旋转折流板管壳式换热器,其特征在于,包括壳体(15)、对应密封安装在壳体(15)的左右两端的左封头(1)和右封头(11),
上述壳体(15)上还设置有第一壳程进出口(4)和第二壳程进出口(8),所述第一壳程进出口(4)靠近左封头(1),所述第二壳程进出口(8)靠近右封头(11),所述左封头(1)和壳体(15)之间密封安装有左管板(16),所述右封头(11)和壳体(15)之间密封安装有右管板(10),上述左封头(1)上设置有第一管程进出口(2),上述右封头(11)上设置有第二管程进出口(12);
所述壳体(15)内轴向设置有多根平行的换热管(6),所述换热管(6)穿过多块平行的折流板(7)上的管孔(14)并固定于左管板(16)和右管板(10)上,从而所述左封头(1)和右封头(11)通过换热管(6)连通,所述的折流板(7)为非圆形的平板,相邻两块折流板(7)之间间隔有一定距离,且从壳体任意一侧的第二块折流板(7)开始,每块折流板(7)均以相邻的前一块折流板(7)为基准,绕壳体(15)的轴线顺时针或逆时针旋转一定的角度β,从而所述壳体(15)中所有的折流板(7)均沿同一方向依次按照角度β错位排列。
2.根据权利要求1所述的旋转折流板管壳式换热器,其特征在于,所述折流板(7)的形状可为半圆形、长方形或劣弧弓形,或同时采用上述形状中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的旋转折流板管壳式换热器,其特征在于,所述相邻两块折流板(7)间的旋转错位角度10°<β<170°。
4.根据权利要求1和3所述的旋转折流板管壳式换热器,其特征在于,相邻的两块折流板(7)之间的旋转错位角度β为相同或不同。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |