CN112378275A - 一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器 - Google Patents

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Abstract

一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，属于传热学的工程应用技术领域，本发明为解决现有以光管为内管的套管式换热器，换热效率低、占地面积较大、金属消耗量大的问题。本发明包括换热管为外胀式螺旋波纹管；两个单体套管之间通过连通管连通；每个单体套管的两端均通过端盖进行密封；每个单体套管内布设有N个换热管，每个单体套管的轴线与其该单体套管内的所有换热管的轴线相互平行，且每个单体套管中的N个换热管的两端均贯穿其所对应的端盖；两个单体套管内的所有换热管的固定端均与管程流体连接管连通；每个单体套管内的所有换热管的自由端均与外界连通；每个单体套管上设有一个进/出口。本发明主要用于进行流体换热。

Description

一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器
技术领域
本发明属于传热学的工程应用技术领域。
背景技术
自换热器的发明出现已来，各种形式的换热器已在不同工业领域中被应用了两百余年，是许多工艺过程中必不可少的关键设备。套管式换热器采用将不同直径的换热管套合在一起的模型结构，使得参与换热的工质构成相反方向流动的管程与壳程，在换热过程中具有较大的平均传热温差，传热效率较高，且结构简单易设计，在高温、高压等很多环境下均具有较大的应用价值。
我国冶金、玻璃、水泥等工业工厂繁多，整体余热资源丰富，且主要以气体形式存在。相对于传统的以光管为内管的套管式结构换热器而言，传统的以光管为内管的套管式结构换热器，每个套管内只存在一个换热光管，该换热光管口径较粗、换热效率低，且为实现换热指标，需提高换热器长度来弥补换热效率低下的问题，该种情况下又造成换热器设备存在占地面积较大，金属消耗多的问题。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有以光管为内管的套管式换热器，换热效率低、占地面积较大、金属消耗量大的问题，提供了一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器。
一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，包括两个单体套管1、管程流体连接管2和2N个换热管3；换热管3为外胀式螺旋波纹管；
两个单体套管1之间通过连通管5连通；
每个单体套管1的两端分别为自由端和固定端；每个单体套管1的两端均通过端盖4进行密封；每个单体套管1内布设有N个换热管3，每个单体套管1的轴线与其该单体套管1内的所有换热管3的轴线相互平行，且每个单体套管1中的N个换热管3的两端均贯穿其所对应的端盖4；N为大于或等于3的整数；
每个换热管3的两端分别为自由端和固定端；
两个单体套管1内的所有换热管3的固定端均与管程流体连接管2连通；
每个单体套管1内的所有换热管3的自由端均与外界连通；
每个单体套管1上设有一个进/出口1-1；
一个单体套管1中的进/出口1-1作为第一流体入口，另一个单体套管1中的进/出口1-1作为第一流体出口；
一个单体套管1中所有换热管3的自由端均作为第二流体入口，另一个单体套管1中所有换热管3的自由端均作为第二流体出口；
第一流体入口通入的流体与第二流体入口通入的流体存在温度差。
优选的是，每个单体套管1中的N-1个换热管3以该单体套管1内剩余的一个换热管3为中心，周向均匀分布，且处于中心的一个换热管3与其所在的单体套管1同轴。
优选的是，每个单体套管1中的处于中心的一个换热管3与其周围的相邻两个换热管3，共3个换热管3在同一径向截面上，该3个换热管3轴心的连线所形成的图形为等边三角形。
优选的是，每个单体套管1中的N个换热管3以方阵的方式排布。
优选的是，每个单体套管1中除处于中心的一个换热管3外的N-1个换热管3的轴线距离其所在的单体套管1的轴线之间的垂直距离为26mm至34mm。
优选的是，单体套管1采用光管实现。
优选的是，管程流体连接管2采用光管弯折而成。
优选的是，每个换热管3的外径d为20mm、管壁厚度t为1mm至3mm、波结高度hl为1mm至3mm、波结间距wl为15mm至35mm、波结宽度pl为10mm至20mm。
优选的是，每个单体套管1中相邻的两个换热管3的波结错位排布。
本发明所述一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器具有结构简单，传热面积增减自如的优点，它由标准构件组合而成，是一种纯逆流型换热器，有着广泛的应用价值。在其每个单体套管1内加入的外胀式螺旋波纹管即：换热管通过对单体套管1和外胀式螺旋波纹管内流体物理边界产生影响，使得单体套管1和外胀式螺旋波纹管内流体产生螺旋流和脱涡流，破坏了外胀式螺旋波纹管管壁两侧流体边界层的充分发展，进而达到强化单体套管1和该单体套管1内外胀式螺旋波纹管换热效率的目的。
本发明带来的有益效果是：
一方面，每个单体套管1中设置多个换热管3，将现有技术中由一个粗口径换热管，改造成多根小口径换热管，由此来减少金属消耗、减少占地面积和提高换热效率，另一方面，又由于每个换热管3均为外胀式螺旋波纹管，进一步增加换热面积、换热效率；本发明所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器结构简单，可将本发明所述的套管式换热器作为一个基本单元，可实现多个套管式换热器的级联，以及增减换热管3的数量，实现对换热面积的灵活调节，使其适用于不同的应用场合。
作为一种有效的双侧强化换热手段，本发明使用多根外胀式螺旋波纹管作为核心换热元件使得管程(即：单体套管1)和壳程(即：换热管3)的流体流动产生扰动，有利于传热，提升了换热器换热性能，其表面上凸起的波结可以增加单位换热器体积内冷热流体的接触面积，增加结构紧凑性，提升换热效率，大程度地降低了换热器材料的消耗量。采用外胀式螺旋波纹管作为核心换热元件，这种设计使得套管式换热器在提升换热效率、增加换热面积的同时，增加了较小的流动阻力。
附图说明
图1是一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器的三维结构示意图；
图2是图1的纵向剖视图；
图3是外胀式螺旋波纹管的结构示意图；
图4是每个单体套管1内的所有换热管3的排布方式图；
图4a为对每个单体套管1内的所有换热管3进行简单圆周排布形式时的排布图；
图4b为对每个单体套管1内的所有换热管3进行方形排布形式时的排布图；
图4c为对每个单体套管1内的所有换热管3进行圆周三角形排布形式时的排布图；
图5是换热管3在三种不同布设方式下，所对应的本发明所述一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器的换热及阻力性能指标图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，包括两个单体套管1、管程流体连接管2和2N个换热管3；换热管3为外胀式螺旋波纹管；
两个单体套管1之间通过连通管5连通；
每个单体套管1的两端分别为自由端和固定端；每个单体套管1的两端均通过端盖4进行密封；每个单体套管1内布设有N个换热管3，每个单体套管1的轴线与其该单体套管1内的所有换热管3的轴线相互平行，且每个单体套管1中的N个换热管3的两端均贯穿其所对应的端盖4；N为大于或等于3的整数；
每个换热管3的两端分别为自由端和固定端；
两个单体套管1内的所有换热管3的固定端均与管程流体连接管2连通；
每个单体套管1内的所有换热管3的自由端均与外界连通；
每个单体套管1上设有一个进/出口1-1；
一个单体套管1中的进/出口1-1作为第一流体入口，另一个单体套管1中的进/出口1-1作为第一流体出口；
一个单体套管1中所有换热管3的自由端均作为第二流体入口，另一个单体套管1中所有换热管3的自由端均作为第二流体出口；
第一流体入口通入的流体与第二流体入口通入的流体存在温度差。
本实施方式中，一方面，每个单体套管1中设置多个换热管3，将现有技术中由一个粗口径换热管，改造成多根小口径换热管，由此来减少金属消耗、减少占地面积和提高换热效率，另一方面，又由于每个换热管3均为外胀式螺旋波纹管，进一步增加换热面积、换热效率；本实施方式所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器结构简单，可将本发明所述的套管式换热器作为一个基本单元，可实现多个套管式换热器的级联，以及通过增减换热管3的数量，实现对换热面积的灵活调节，使其适用于不同的应用场合。
本实施方式中，外胀式螺旋波纹管由光管和光管外表面上螺旋递进的带倒角的外凸波结结构组成，且外凸波结壁厚与其相邻的光管的壁厚相同。
进一步的，具体参见图4a，每个单体套管1中的N-1个换热管3以该单体套管1内剩余的一个换热管3为中心，周向均匀分布，且处于中心的一个换热管3与其所在的单体套管1同轴。
本优选实施方式中的每个单体套管1中的N-1个换热管3以该单体套管1内剩余的一个换热管3中心，周向均匀分布，且处于中心的一个换热管3与其所在的单体套管1同轴的这种排布方式，即为简单圆周排布形式，具体参见图4a。
更进一步的，具体参见图4c，每个单体套管1中的处于中心的一个换热管3与其周围的相邻两个换热管3，共3个换热管3在同一径向截面上，该3个换热管3轴心的连线所形成的图形为等边三角形。
本优选实施方式中，3个换热管3轴心的连线所形成的图形为等边三角形，即为圆周三角形排布形式，具体参见图4c。
更进一步的，每个单体套管1中除处于中心的一个换热管3外的N-1个换热管3的轴线距离其所在的单体套管1的轴线之间的垂直距离为26mm至34mm。
更进一步的，具体参见图4b，每个单体套管1中的N个换热管3以方阵的方式排布。
本优选实施方式中，每个单体套管1中的N个换热管3以方阵的方式排布，即为方形排布形式，具体参见图4b。
更进一步的，单体套管1采用光管实现。
更进一步的，管程流体连接管2采用光管弯折而成。
更进一步的，每个换热管3的外径d为20mm、管壁厚度t为1mm至3mm、波结高度hl为1mm至3mm、波结间距wl为15mm至35mm、波结宽度pl为10mm～20mm。
更进一步的，每个单体套管1中相邻的两个换热管3的波结错位排布。
验证试验：
第一种：每个单体套管1采用普通光管实现，其内径D为100mm，管壁厚度T为2mm。
外胀式螺旋波纹管采用不锈钢材质，通过挤压成型；如图3所示，其外径d为20mm，管壁厚度t为2mm，波结高度hl为2mm，波结间距pl为20mm，波结倒角R为2.5mm，波结宽度wl为10mm。
每个单体套管1内存在7根外胀式螺旋波纹管，其排列方式如图4c所示，其中一根布置在单体套管1轴线位置，其余六根围绕轴线位置呈发散形均匀布置，此外，六根外胀式螺旋波纹管轴线距离中心外胀式螺旋波纹管轴线距离L为30mm。
明确了单体套管1内径D为100mm时，换热器的综合换热性能较高，且管程(即：外胀式螺旋波纹管)流体与壳程(即：单体套管1)流体阻力提升较小。
相比于传统以光管为核心换热元件的套管式换热器，上述技术方案优点如下：
一、在相同耗材条件下，该配置的外胀式螺纹管套管式换热器的换热面积相比于普通光管可提升7.4％；
二、该配置的外胀式螺纹管套管式换热器的综合换热评价指标相比于普通光管可提升20％，从而大幅缩减套管式换热器的金属消耗和经济投资；
第二种：每个单体套管1采用普通光管实现，其内径D为100mm，管壁厚度T为2mm。
外胀式螺旋波纹管采用不锈钢材质，通过挤压成型；如图3所示，其外径d为20mm，管壁厚度t为2mm，波结高度hl为1mm，波结间距pl为30mm，波结倒角R为2.5mm，波结宽度wl为10mm。
每个单体套管1内存在7根外胀式螺旋波纹管，其排列方式为，其中一根布置在单体套管1轴线位置，其余六根围绕轴线位置呈发散形均匀布置，六根外胀式螺旋波纹管轴线距离中心外胀式螺旋波纹管轴线距离L为26mm。
相比于传统以光管为核心换热元件的套管式换热器，上述技术方案优点如下：
一、在相同耗材条件下，本发明的外胀式螺纹管套管式换热器的换单根热面积相比于普通光管可提升2.7％；
二、在Re≈10000～20000的流动速度下，相比于普通光管套管式换热器，该配置的外胀式螺纹管套管式换热器的换热性能可提升约35％。
具体应用时，参见附图5，相比于多根换热管围绕中心换热管呈方形排布形式或简单圆周排布形式，本发明采用的圆周三角形排布形式拥有获得更好的传热与阻力性能。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，包括两个单体套管(1)、管程流体连接管(2)和2N个换热管(3)；其特征在于，换热管(3)为外胀式螺旋波纹管；
两个单体套管(1)之间通过连通管(5)连通；
每个单体套管(1)的两端分别为自由端和固定端；每个单体套管(1)的两端均通过端盖(4)进行密封；每个单体套管(1)内布设有N个换热管(3)，每个单体套管(1)的轴线与其该单体套管(1)内的所有换热管(3)的轴线相互平行，且每个单体套管(1)中的N个换热管(3)的两端均贯穿其所对应的端盖(4)；N为大于或等于3的整数；
每个换热管(3)的两端分别为自由端和固定端；
两个单体套管(1)内的所有换热管(3)的固定端均与管程流体连接管(2)连通；
每个单体套管(1)内的所有换热管(3)的自由端均与外界连通；
每个单体套管(1)上设有一个进/出口(1-1)；
一个单体套管(1)中的进/出口(1-1)作为第一流体入口，另一个单体套管(1)中的进/出口(1-1)作为第一流体出口；
一个单体套管(1)中所有换热管(3)的自由端均作为第二流体入口，另一个单体套管(1)中所有换热管(3)的自由端均作为第二流体出口；
第一流体入口通入的流体与第二流体入口通入的流体存在温度差。
2.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个单体套管(1)中的N-1个换热管(3)以该单体套管(1)内剩余的一个换热管(3)为中心，周向均匀分布，且处于中心的一个换热管(3)与其所在的单体套管(1)同轴。
3.根据权利要求2所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个单体套管(1)中的处于中心的一个换热管(3)与其周围的相邻两个换热管(3)，共3个换热管(3)在同一径向截面上，该3个换热管(3)轴心的连线所形成的图形为等边三角形。
4.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个单体套管(1)中的N个换热管(3)以方阵的方式排布。
5.根据权利要求3所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个单体套管(1)中除处于中心的一个换热管(3)外的N-1个换热管(3)的轴线距离其所在的单体套管(1)的轴线之间的垂直距离为26mm至34mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，单体套管(1)采用光管实现。
7.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，管程流体连接管(2)采用光管弯折而成。
8.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个换热管(3)的外径d为20mm、管壁厚度t为1mm至3mm、波结高度hl为1mm至3mm、波结间距wl为15mm至35mm、波结宽度pl为10mm至20mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于外胀式螺纹管的套管式换热器，其特征在于，每个单体套管(1)中相邻的两个换热管(3)的波结错位排布。
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