CN112146477A - 一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法，包括一个壳体及设置在壳体上的壳侧进口管和壳侧出口管，紧靠壳体两侧的管板一和管板二、左封头和右封头，左封头上设置管侧进口管，右封头上设置管侧出口管，壳体内有一根中心管、多根换热管并固定于左右两个管板上，开有射流孔的连续螺旋折流板固定于中心管上，并与换热管相互配合组成使流体纵向流动的射流孔，壳侧流体的流动为绕折流板的螺旋流与通过射流孔的纵向流而组成的交叉流。本发明可以显著提升管壳式换热器壳侧的综合换热性能，减少换热器壳侧污垢沉积，使换热器更加高效、紧凑。

Description

一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法
技术领域
本发明涉及管式换热器技术领域，特别是涉及一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法。
背景技术
管壳式换热器作为实现工艺流程的一种重要设备，广泛应用于石油冶炼、能源、化工等各种不同的工业领域，通常占设备总投资的35～40％。管壳式换热器是一种间壁式换热器，冷、热两种流体分别位于换热管束壁面两侧，热量由热流体通过管束壁面传输给冷流体。壳侧布置有折流板，折流板为管束提供支撑，同时使壳侧流体按照特定通道流动来改善壳侧流体的传热特性。这种换热器结构简单、造价低、易于清洗水垢，能在高温、高压下使用。
传统弓形折流板管壳式换热器由于其固有缺点：壳侧流动反复缩、放，并且多次以90°转折性改变流动方向，导致高压损和高泵功，同时在壳体附近的折流板后方存在流动死区，易结垢，导致局部换热系数降低。所以传统弓形折流板管壳式换热器不能满足现代工业对高效、低阻、可控的要求。
近年来，已有学者提出螺旋折流板管壳式换热器，有效解决了弓形折流板管壳式换热器流动死区、壳侧结垢等问题。但是壳侧流体螺旋流动的湍流强度小于“Z”字型流动的湍流强度，使得管壳式换热器的综合换热性能无法充分发挥。同时，现有对壳侧流体换热性能提升的技术均集中于壳侧单一流动的方式，而我们通过实验发现，壳侧流体，特别是连续螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体的交叉流动对换热器的综合换热性能有很大提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法，以解决上述现有技术存在的问题，其为一种结构设计精巧、换热效果好、安全性能高的高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法。连续螺旋折流板上开有射流孔，从而将壳侧流体分为纵向流和螺旋流，两股流体相互掺混，提高了壳侧流体的湍流强度，使得换热器的换热效率得到很大提高。同时，一部分流体通过射流孔纵向冲刷管束，进一步降低了壳侧的流动阻力，使所得到换热器的综合换热性能优于一般的管壳式换热器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高效螺旋折流板管壳式换热器，包括壳体，设置于所述壳体两端的管板一和管板二，密封安装于所述管板一外侧的左封头和密封安装于所述管板二外侧的右封头，所述壳体的两侧分别安装有壳侧进口管和壳侧出口管，所述左封头上安装有管侧进口管，所述右封头上安装有管侧出口管，所述壳体中心安装开有射流孔的连续螺旋折流板，所述射流孔周向分布于所述连续螺旋折流板的螺旋板上，各个螺旋板上的射流孔一一相对且同轴心，所述壳体的中心设置有中心管，所述中心管用于固定所述连续螺旋折流板，并固定于所述管板一和所述管板二之间，所述壳体内还轴向设置有多根平行的换热管，所述换热管平行穿过所述连续螺旋折流板的射流孔，并固定于所述管板一和所述管板二上，所述连续螺旋折流板与换热管相互配合形成供流体纵向流动的射流孔。
优选地，所述连续螺旋折流板上的射流孔的孔形为折栅形或三角形或方形或多边形或花瓣形。
优选地，所述射流孔孔形的内切圆直径D0、外切圆直径D1与射流孔节距Pt之间的关系为：D0<D1<Pt。
优选地，所述射流孔的内切圆与所述换热管同轴。
优选地，所述换热管除受所述管板一和所述管板二支撑外，还受所述射流孔的内缘凸起支撑。
基于上述高效螺旋折流板管壳式换热器，本发明还提供了一种高效螺旋折流板管壳式换热器的换热方法，包括以下步骤：
1)、管侧流体由管侧进口管流入，经换热管与壳侧流体进行热量交换，最后由管侧出口管流出；
2)、流体由壳侧进口管流入壳体，一部分流体沿螺旋折流板以螺旋流动的方式冲刷管束，一部分流体通过开有射流孔的连续螺旋折流板上的射流孔纵向冲刷换热管束，壳侧流体总的流动形式为纵向流与螺旋流组合形成的交叉流，在与管侧流体进行热量交换后由壳侧出口管流出。
优选地，由于射流孔开于连续螺旋折流板上，所以射流孔的内缘也为螺旋状，所述一部分流体的纵向流为螺旋纵向流。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
(1)本发明的管壳式换热器相对于一般的管壳式换热器，完全没有流动死区，大大减小了壳侧污垢沉积的概率，从而延长了换热器的使用寿命。
(2)本发明的管壳式换热器壳侧流体流动为纵向流与螺旋流组成的交叉流，进一步降低了流体横向冲刷管束的概率，相对于一般的连续螺旋折流板管壳式换热器，进一步降低了管束的振动，换热器的结构稳定性更好。
(3)本发明的管壳式换热器壳侧流体流动为纵向流与螺旋流组成的交叉流，换热器的综合换热性能提高，使得能源、化工行业大规模使用的管壳式换热器更加高效、紧凑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中高效螺旋折流板管壳式换热器的整体结构示意图；
图2为本发明中高效螺旋折流板管壳式换热器内部的结构示意图；
图3为本发明中高效螺旋折流板管壳式换热器的折流板的侧视图；
图4(a)为本发明高效螺旋折流板管壳式换热器的折流板的一种结构示意图；
图4(b)为本发明高效螺旋折流板管壳式换热器的折流板的另一种结构示意图；
图5为当壳侧入口质量流量为0.5kg/s时，传统连续螺旋折流板管壳式换热器的流线图；
图6为当壳侧入口质量流量为0.5kg/s时，本发明中的高效螺旋折流板管壳式换热器的流线图；
图7为换热器综合性能参数h/Δp随壳侧入口质量流量的变化关系图；
图8为换热器的效能系数EEC随入口质量流量的变化关系图，对比换热器为传统连续螺旋折流板管壳式换热器；
图中：1、管侧进口管；2、左封头；3、管板一；4、壳侧进口管；5、壳体；6、换热管；7、连续螺旋折流板；8、壳侧出口管；9、管板二；10、右封头；11、管侧出口管；12、中心管；13、射流孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的高效螺旋折流板管壳式换热器，如图1-8所示，包括壳体5，设置于壳体5两端的管板一3和管板二9，管板一3和管板二9用于固定换热管6和中心管12，密封安装于管板一3外侧的左封头2和密封安装于管板二9外侧的右封头10，壳体5的两侧分别安装有壳侧进口管4和壳侧出口管8，左封头2上安装有管侧进口管1，右封头10上安装有管侧出口管11。
如图2所示，壳体5中心安装开有射流孔13的连续螺旋折流板7，射流孔13周向分布于连续螺旋折流板7的螺旋板上，各个螺旋板上的射流孔13一一相对且同轴心，壳体5的中心设置有中心管12，中心管12用于固定连续螺旋折流板7，并固定于管板一3和管板二9之间，壳体5内还轴向设置有多根平行的换热管6，换热管6平行穿过连续螺旋折流板7的射流孔13，并固定于管板一3和管板二9上，连续螺旋折流板7与换热管6相互配合形成供流体纵向流动的射流孔13，沿换热管6轴向方向看，每根换热管6与其所穿过的一***流孔13同轴心。
如图3所示，连续螺旋折流板7上的射流孔13的孔形为折栅形或三角形或方形或多边形或花瓣形；射流孔13的内切圆与换热管6同轴；为了便于换热管6选型与布置，射流孔13孔形的内切圆直径D0、外切圆直径D1与射流孔节距Pt之间的关系为：D0<D1<Pt，这样既保证了换热器的稳定性，又便于换热管6的选型与安装。
如图4所示，为本发明具体实施例的开有射流孔的连续螺旋折流板7，折流板螺旋角为15.8°，周期数为6，图4(a)射流孔的内缘凸起数为5，图4(b)射流孔的内缘凸起数为3。所述换热管除受管板一、管板二的支撑外，还受射流孔的内缘凸起支撑。
基于上述高效螺旋折流板管壳式换热器，本实施例还提供一种高效螺旋折流板管壳式换热器的换热方法，具体过程如下：
管侧流体从管侧进口管1进入换热器左封头2，流体在左封头2内被平均分配为多股流体进入换热管6，在换热管6内通过管壁与壳侧流体进行热量交换后，汇入右封头10并经管侧出口管11流出。壳侧流体由壳侧进口管4进入换热器壳侧，其中一部分流体沿螺旋折流板以螺旋流的方式冲刷管束，一部分流体通过折流板与换热管6之间的射流孔13纵向冲刷管束，壳侧流体总体以螺旋流和纵向流组成的交叉流方式与换热管6内的流体进行热量交换，加强了壳侧流体的湍流度，同时一部分流体以纵向流的流动方式可以降低以纯螺旋流流动方式的压降，从而使壳侧流体的综合换热性能提高，换热完成后，壳侧流体由壳侧出口管8流出换热器。
对管壳式换热器进行数值研究是一种依托于计算机的实验研究。目前各研究者依托成熟的商业化软件ANSYS开展了大量的数值实验研究，采用该方法研究管壳式换热器的流动传热特性已经相当成熟。通过数值研究本发明，即一种高效螺旋折流板管壳式换热器，对比对象为传统的连续螺旋折流板管壳式换热器。在研究中采用控制变量的方法，两种换热器保持相同的壳体结构尺寸、壳侧进、出口管结构尺寸、换热管的结构尺寸、换热管的布置方式以及相同的折流板螺旋角、螺旋周期数、安装方式等。本实施例的高效螺旋折流板管壳式换热器的射流孔内缘凸起数为3，即折流板的结构如图4(b)所示。数值实验中以水作为壳程的换热介质，在保持换热器进口温度和换热管壁温度不变的条件下，模拟了换热器入口流量为0.5～1.5kg/s时两种换热器壳侧的流动换热特性。模型入口为速度入口，入口温度为300K。出口为压力出口，并抑制回流。壳体为保温良好的绝热壁面。折流板设定为耦合壁面，参与流体与折流板的对流传热和固体内部的导热。
如图4、图5所示，分别是当入口质量流量为0.5kg/s时传统连续螺旋折流板管壳式换热器与本实施例高效螺旋折流板管壳式换热器的流线图。从两图中可以明显地看出，传统连续螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体的流动呈纯螺旋流的状态，高效螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体的流动为螺旋流与纵向流组成的交叉流，纵向流纵向冲刷管束，破坏了管束表面的边界层，增强了壳侧流体的湍流强度，同时纵向流的流动方式降低了压降，以纵向流与螺旋流组成的交叉流增强了壳体侧的综合换热性能。
壳侧流体与换热管壁面的换热量Q定义为：
Q＝M·cp(Tin-Tout)
式中，cp为壳侧流体的比热容，单位为J/(kg·K)，M为壳侧流体的质量流量，单位为kg/s，Tin、Tout分别为壳侧流体的入口温度和出口温度，单位为K。
壳侧流体对流传热系数h定义为：
Figure BDA0002668639040000061
式中，A为传热总面积，ΔTm为管壁和流体之间的对数平均温差，它们被定义为：
A＝Nt·π·d·L
Figure BDA0002668639040000062
式中，Nt为换热管数目，d为换热管外径，L为换热管束的长度，、ΔTmax、ΔTmin分别为管壁与流体之间的最大温差和最小温差。
换热器壳侧的压降定义为：
Δp＝pin-pout
效能系数EEC用以评价换热器强化换热后的收益增幅与消耗的泵功增幅的比值，若该值大于1，则表明改进后的换热器是有效的，EEC的定义如下：
Figure BDA0002668639040000071
式中，Q为本实施例中高效螺旋折流板管壳式换热器的换热量，Q0为传统连续螺旋折流板管壳式换热器的换热量，P为本实施例高效螺旋折流板管壳式换热器的功耗，P0为传统连续螺旋折流板管壳式换热器的功耗。
如图6所示，为本实施例的高效螺旋折流板管壳式换热器和传统连续螺旋折流板管壳式换热器的h/ΔP。h/ΔP即单位压降下的换热系数，用以表征换热器的综合换热性能。从图6可以看出，两种换热器的h/ΔP随入口质量流量的增加而减小，同时，在相同的入口质量流量条件下，高效螺旋折流板管壳式换热器的h/ΔP高于传统连续螺旋折流板管壳式换热器，在0.5～1.5kg/s的流量范围内，高效螺旋折流板管壳式换热器的平均h/ΔP比传统连续螺旋折流板管壳式换热器高12.78％，从而表明，本实施例的高效螺旋折流板管壳式换热器更加高效、紧凑。
如图7所示，为本实施例高效螺旋折流板管壳式换热器与传统连续螺旋折流板管壳式换热器对比得到的效能系数随入口质量流量的变化关系，从图中可以看出，效能系数大于1，说明本发明高效螺旋折流板管壳式换热器相对于传统连续螺旋折流板管壳式换热器是更加高效的。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种高效螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：包括壳体，设置于所述壳体两端的管板一和管板二，密封安装于所述管板一外侧的左封头和密封安装于所述管板二外侧的右封头，所述壳体的两侧分别安装有壳侧进口管和壳侧出口管，所述左封头上安装有管侧进口管，所述右封头上安装有管侧出口管，所述壳体中心安装开有射流孔的连续螺旋折流板，所述射流孔周向分布于所述连续螺旋折流板的螺旋板上，各个螺旋板上的射流孔一一相对且同轴心，所述壳体的中心设置有中心管，所述中心管用于固定所述连续螺旋折流板，并固定于所述管板一和所述管板二之间，所述壳体内还轴向设置有多根平行的换热管，所述换热管平行穿过所述连续螺旋折流板的射流孔，并固定于所述管板一和所述管板二上，所述连续螺旋折流板与换热管相互配合形成供流体纵向流动的射流孔。
2.根据权利要求1所述的高效螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：所述连续螺旋折流板上的射流孔的孔形为折栅形或三角形或方形或多边形或花瓣形。
3.根据权利要求1所述的高效螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：所述射流孔孔形的内切圆直径D0、外切圆直径D1与射流孔节距Pt之间的关系为：D0<D1<Pt。
4.根据权利要求1所述的高效螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：所述射流孔的内切圆与所述换热管同轴。
5.根据权利要求1所述的高效螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：所述换热管除受所述管板一和所述管板二支撑外，还受所述射流孔的内缘凸起支撑。
6.一种针对权利要求1-5任一项所述的高效螺旋折流板管壳式换热器的换热方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、管侧流体由管侧进口管流入，经换热管与壳侧流体进行热量交换，最后由管侧出口管流出；
2)、流体由壳侧进口管流入壳体，一部分流体沿螺旋折流板以螺旋流动的方式冲刷管束，一部分流体通过开有射流孔的连续螺旋折流板上的射流孔纵向冲刷换热管束，壳侧流体总的流动形式为纵向流与螺旋流组合形成的交叉流，在与管侧流体进行热量交换后由壳侧出口管流出。
7.根据权利要求6所述的高效螺旋折流板管壳式换热器的换热方法，其特征在于：由于射流孔开于连续螺旋折流板上，所以射流孔的内缘也为螺旋状，所述一部分流体的纵向流为螺旋纵向流。
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