專利名稱：縱向多螺旋混合流管殼式換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及殼程螺旋流管殼式換熱器，具體是指縱向多螺旋混合流管殼式換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法。
背景技術(shù)：
管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，由于制造工藝成熟，安全性高在換熱設(shè)備占有的比例最大，尤其在高溫、高壓、有毒等苛刻的場(chǎng)合，管殼式換熱器具有較大的優(yōu)勢(shì)，但目前使用的管殼式換熱器還存在傳熱效率較低的問題。
人們對(duì)管殼式換熱器管內(nèi)傳熱強(qiáng)化進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果，相比之下，對(duì)殼程傳熱強(qiáng)化方面的研究遠(yuǎn)不如管程廣泛和深入。目前，殼程強(qiáng)化傳熱的途徑主要有2種(1)改變管子外形或在管外加翅片，即通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強(qiáng)化傳熱，以提高換熱器的效率，如螺紋管、表面多孔管、釘頭管、太陽棒管、外翅片管等；(2)改變殼程擋板或管子支承物的形式，以減少或消除殼程流動(dòng)的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用。管殼式換熱器殼程擋板或管子支承物的發(fā)展表現(xiàn)為折流板形式的改變由單弓形折流板→多弓形折流板(雙弓形、三弓形)→整圓形折流板帶→開小孔的整圓形折流板→異形孔折流板(矩形孔、梅花孔)→網(wǎng)狀折流板→折流桿支承→空心環(huán)支承→管子自支承等。歸納起來可分為板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承和管子自支承。這些殼程管間支承部件對(duì)殼程流體的擾動(dòng)主要為橫向擾動(dòng)，所造成的橫向渦流沿管隙間支承物下游方向會(huì)較快衰減，不能對(duì)下游換熱管表面維持較長(zhǎng)距離的強(qiáng)化傳熱促進(jìn)作用，殼程管間支承部件對(duì)殼程流體的傳熱強(qiáng)化作用較弱。因此，出現(xiàn)了螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器采用多塊扇形平板依次搭接，來近似螺旋流道。由于其引入螺旋流機(jī)制，使得流動(dòng)比垂直弓形板更接近縱向塞流，有效的減少流動(dòng)死區(qū)，減小了管子的振動(dòng)，減少了流動(dòng)壓降，提高了換熱效率，目前已廣泛的應(yīng)用在化工煉油等諸多場(chǎng)合。
通過對(duì)螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，流體在螺旋折流板換熱器通道內(nèi)的流動(dòng)為近螺旋線運(yùn)動(dòng)，在螺旋折流板交叉處附近存在回流三角區(qū)，使接近換熱器殼體軸線區(qū)域存在短路現(xiàn)象。在接近殼體內(nèi)表面位置由于與理想的螺旋運(yùn)動(dòng)有偏差，并沒有出現(xiàn)人們期望的扇形速度分布，此處流速相應(yīng)較低，存在“慢”區(qū)，故傳熱效果不理想，而此處的換熱管根數(shù)更多，所占的換熱面積比例更大，這是螺旋折流板換熱器強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵部位。雖然流體在折流板迎風(fēng)側(cè)的流動(dòng)較理想，但背風(fēng)側(cè)流動(dòng)需要進(jìn)一步改善，通道內(nèi)的阻力分布也存在缺陷。類比定律分析也表明，螺旋折流板換熱器的流動(dòng)雖然比弓形折流板理想，但還遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的協(xié)同狀態(tài)。
不僅如此，當(dāng)換熱器直徑擴(kuò)大時(shí)，換熱面積的有效利用率極大的降低，甚至出現(xiàn)了傳熱性能急劇下降，綜合性能還不如普通弓形折流板的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在有相變傳熱的情況下尤為明顯。說明螺旋折流板換熱器在向大直徑放大的過程中，應(yīng)該強(qiáng)化流體近殼程內(nèi)壁附近的流場(chǎng)流速或湍動(dòng)程度以便進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱。
因此，總體分析來講，為進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，一是要減少殼程中心流體短路，使流體在整個(gè)換熱器橫截面內(nèi)的速度分布盡可能均勻，二是最好使流體由中心區(qū)向殼體壁面處逐漸增加，要提高流體在殼體半徑較大位置處的流體速度。在此基礎(chǔ)之上，人們提出了連續(xù)螺旋折流板及雙殼程螺旋折流板方法來進(jìn)一步改善殼程的流動(dòng)與傳熱。雖然這種做法在一定程度上減少了漏流短路，但流體高速區(qū)仍然在通道的中部，沒有解決換熱器內(nèi)流動(dòng)需要的關(guān)鍵問題，遠(yuǎn)沒有出現(xiàn)人們?cè)缙陬A(yù)想的扇形速度分布，這意味著傳熱膜系數(shù)的下降，折流板背風(fēng)側(cè)的流動(dòng)仍然沒有改善，接近換熱器殼體內(nèi)徑的大部分換熱管的面積沒有充分利用。雙殼程通道遠(yuǎn)沒有垂直弓板換熱器容易實(shí)現(xiàn)純逆流設(shè)置，甚至?xí)霈F(xiàn)逆向?qū)岈F(xiàn)象，還要在殼程內(nèi)插入圓筒分程隔板，導(dǎo)致制造、裝配工藝復(fù)雜，不利于產(chǎn)品的針對(duì)性設(shè)計(jì)及系列化。整體型螺旋折流板也存在加工、裝配復(fù)雜等問題。
同時(shí)，在殼體中心位置，由于旋轉(zhuǎn)半徑很小，這里螺旋流實(shí)現(xiàn)非常困難。為進(jìn)一步降低流動(dòng)阻力及強(qiáng)化換熱器內(nèi)的傳熱，必須引入復(fù)雜流場(chǎng)，將縱向流和螺旋流有機(jī)的結(jié)合起來。2000年第29卷第6期的《石油化工設(shè)備》的《殼程螺旋扭片強(qiáng)化傳熱研究》一文中，劉吉普、文美純提出將螺旋扭片夾裝在橫紋槽管組成的管殼式換熱器的殼程中，使殼程的傳熱在低Re時(shí)得以充分地強(qiáng)化，同時(shí)，夾裝的螺旋扭片對(duì)管束起著密排隔離支撐作用，相互間無干擾，流體沿殼程軸向前進(jìn)，不存在折轉(zhuǎn)流動(dòng)，減緩了殼程流體流動(dòng)對(duì)管束產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動(dòng)作用；但由于采用螺旋扭片在殼程中產(chǎn)生的非線性二次渦流消耗了流體的能量，其阻力隨流速成正比變化，因而上述殼程螺旋扭片結(jié)構(gòu)僅適用于中低Re下流動(dòng)的流體；另外，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有設(shè)置固定構(gòu)件來防旁漏流和固定支撐螺旋扭片，由于螺旋扭片的質(zhì)量較輕，直接放置在管束間容易松動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致扭片變形，影響流體流動(dòng)和傳熱；且管束與筒體之間環(huán)隙較大，旁漏流嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足之處，提供一種縱向多螺旋混合流的管殼式換熱器，其通過改進(jìn)的螺旋扭片對(duì)管間流體產(chǎn)生縱向螺旋流作用，使流體在管隙間始終保持多股縱向自螺旋流狀態(tài)，有效提高換熱管束壁面的流體速度，實(shí)現(xiàn)不同殼體半徑處流體的充分混合，從而較大幅度提高殼程傳熱膜系數(shù)。
本發(fā)明另一目的在于提供采用上述縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)本縱向多螺旋流管殼式換熱器，包括換熱管管束、殼體、換熱管、螺旋扭片，所述管板置于殼體內(nèi)兩端，所述換熱管管束與管板固定連接，所述螺旋扭片均布設(shè)置在各換熱管外壁，其特征在于所述螺旋扭片為開孔螺旋扭片，其沿軸向等距開有若干小孔。
為更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述開孔螺旋扭片垂直于軸線的橫截面呈矩形或近似矩形，所述矩形的長(zhǎng)邊b＝A·t·cosα-d，對(duì)于正方形布管，A＝2，α＝45°；對(duì)于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t為管間距，d為換熱管外徑。
所述開孔螺旋扭片上的小孔是圓孔或橢圓孔；所述小孔為圓孔時(shí)，其直徑為(0.5～0.8)b，所述小孔為橢圓孔時(shí)，橢圓孔長(zhǎng)短軸之比為1.5～3，其中長(zhǎng)軸尺寸為(0.7～0.8)b；所述橢圓孔可為臥置或立置形式設(shè)置。
所述開孔螺旋扭片為等節(jié)距旋轉(zhuǎn)90°或180°螺旋角的扭片，開孔螺旋扭片的扭曲度R即螺旋扭片節(jié)距L與螺旋扭片的長(zhǎng)邊b的比值L/b為5～10，所述開孔螺旋扭片設(shè)于殼體進(jìn)出口接管之間，長(zhǎng)度為兩管板間換熱管長(zhǎng)度的5/6～4/5；所述開孔螺旋扭片的厚度根據(jù)支撐管束的強(qiáng)度需要而定，可以取0.8～2毫米。
所述換熱管、開孔螺旋扭片外側(cè)與殼體內(nèi)側(cè)之間還設(shè)有箍緊環(huán)，其可箍緊管束及開孔螺旋扭片，以避免換熱管、開孔螺旋扭片振動(dòng)，減緩殼程流體沖擊避免螺旋扭片變形，同時(shí)起到減少管束與殼體之間的旁漏流作用。
所述箍緊環(huán)由兩半或三瓣組成，通過螺栓連接，其內(nèi)圓周、外圓周分別與管束外周、殼體內(nèi)周緊貼，固緊管束及起到防旁漏流的作用。
采用上述縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱方法為利用設(shè)置在換熱管之間的開孔螺旋扭片對(duì)流經(jīng)管隙間的流體進(jìn)行不斷地螺旋導(dǎo)流作用，使殼程管隙間的流體始終保持多股縱向自螺旋流狀態(tài)；依靠箍緊環(huán)的防旁漏流作用，迫使殼程流體流向管束中，在螺旋流狀態(tài)下部分流體通過開孔螺旋扭片上的小孔時(shí)產(chǎn)生射流，形成螺旋流與射流有機(jī)結(jié)合的復(fù)雜流場(chǎng)，殼程不存在流動(dòng)死區(qū)，并增強(qiáng)了流體在換熱器內(nèi)整體混合的湍動(dòng)程度，提高了管隙間流體的邊緣流速，從而較大幅度地提高了殼程的傳熱膜系數(shù)，強(qiáng)化了殼程傳熱。
本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果(1)殼程傳熱膜系數(shù)大大提高由于本發(fā)明引入了多股螺旋流，有效地強(qiáng)化了殼體中心管束與殼體壁面附近流體的流速及宏觀對(duì)流混合，改善了殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)，使湍動(dòng)程度提高，增大殼程傳熱膜系數(shù)。同時(shí)開孔螺旋扭片造成縱向螺旋流，避免了橫向渦流沿軸向衰減過快的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮螺旋扭片對(duì)流經(jīng)管隙間的流體進(jìn)行不斷地螺旋導(dǎo)流作用，使殼程管隙間的流體始終保持多股縱向自旋流狀態(tài)，傳熱強(qiáng)化效果良好。與現(xiàn)有的螺旋折流板相比，當(dāng)采用相同的換熱管，開孔螺旋扭片對(duì)殼程傳熱膜系數(shù)的提高可達(dá)20％以上。
(2)傳熱效果好，殼程流體阻力小由于多螺旋流的引入，更有效地利用了縱向塞流的流路優(yōu)勢(shì)，由于流體的多螺旋流及射流混合存在，使得換熱器內(nèi)的速度、溫度分布更接近縱向流特征，極大的發(fā)揮了縱向流的優(yōu)勢(shì)，減少了流體流動(dòng)的阻塞現(xiàn)象；開孔螺旋扭片長(zhǎng)度介于殼體進(jìn)出口接管之間，即殼體進(jìn)出口處不布置螺旋扭片。進(jìn)口處不布置螺旋扭片，有利于流體均勻分布在管束中；出口處不布置開孔螺旋扭片，可利用流體的慣性維持縱向自旋流，又可使流體阻力進(jìn)一步降低，更能滿足節(jié)能降耗的時(shí)代要求。
(3)所述開孔螺旋扭片加工簡(jiǎn)單，置于管束中能起到支撐管子的作用，無需其他管束支承部件，制造及裝配成本低，安裝方便，投資少。


圖1是本發(fā)明縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的截面示意圖(正三角形布管)；圖3-1、3-2是圖1所示開孔螺旋扭片結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的另一種結(jié)構(gòu)的截面示意圖(正方形布管)；圖5-1、5-2是圖4所示開孔螺旋扭片的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖6-1、6-2是本發(fā)明縱向多螺旋混合流管殼式換熱器的箍緊環(huán)的兩種結(jié)構(gòu)示意圖；圖7-1、7-2是圖6-1、6-2的局部放大及截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1如圖1、2所示，本發(fā)明殼程縱向多螺旋混合流換熱器的具體結(jié)構(gòu)包括左封頭1、左管板2、箍緊環(huán)3、換熱管4、殼體5、開孔螺旋扭片6、右管板7、右封頭8。管板2、7設(shè)置于殼體兩端，換熱管4在殼體內(nèi)兩端穿過管板2、7，并與之焊接或脹接連接，開孔螺旋扭片6置于換熱管4之間，且設(shè)于殼體進(jìn)出口接管之間，用箍緊環(huán)3箍緊，左、右封頭1和8分別與左、右管板2和7用螺栓連接。由左、右封頭1和8及換熱管4的內(nèi)側(cè)構(gòu)成管程流道；由左、右管板和殼體內(nèi)側(cè)，以及換熱管4外側(cè)構(gòu)成換熱器的殼程流道。
如圖3-1、3-2所示，開孔螺旋扭片垂直于軸線的橫截面呈矩形或近似矩形，所述的矩形的長(zhǎng)邊b＝A·t·cosα-d，對(duì)于正方形布管，A＝2，α＝45°；對(duì)于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t為管間距，d為換熱管外徑。
開孔螺旋扭片上的小孔是直徑為(0.5～0.8)b的圓孔，或者是長(zhǎng)短軸之比為1.5～3的橢圓孔，其中長(zhǎng)軸尺寸為(0.7～0.8)b；所述橢圓孔可為臥置或立置形式設(shè)置。
螺旋扭片為等節(jié)距旋轉(zhuǎn)90°或180°螺旋角的扭片，其軸向形狀為十字交叉形，螺旋扭片扭曲度R即螺旋扭片節(jié)距L與扭片長(zhǎng)邊b的比值L/b為5～10，長(zhǎng)度為換熱管的5/6～4/5；開孔螺旋扭片設(shè)于殼體進(jìn)出口接管之間，長(zhǎng)度為兩管板間換熱管長(zhǎng)度的5/6～4/5；開孔螺旋扭片的厚度根據(jù)支撐管束的強(qiáng)度需要而定，可以取0.8～2毫米。
換熱管、開孔螺旋扭片外側(cè)與殼體內(nèi)側(cè)之間設(shè)有箍緊環(huán)，如圖6-1、圖7-1、圖7-2所示，箍緊環(huán)兩瓣3-1、3-6的端部分別兩兩設(shè)有固定板3-4、3-5，通過螺栓3-2、螺母3-3進(jìn)行固定連接。
利用上述縱向多螺旋混合流管殼式換熱器實(shí)現(xiàn)殼程強(qiáng)化傳熱的方法是利用設(shè)置在換熱管4之間的開孔螺旋扭片6對(duì)流經(jīng)管隙間的流體進(jìn)行不斷地螺旋導(dǎo)流作用，使殼程流體始終保持多股縱向旋流狀態(tài)，加上部分流體通過開孔螺旋扭片6上的小孔時(shí)產(chǎn)生的射流作用，增強(qiáng)了流體在換熱器內(nèi)整體混合湍動(dòng)程度，提高了管隙間流體的邊緣流速，從而有效地提高了換熱管壁面附近的流體流速，較大幅度地提高殼程的傳熱膜系數(shù)，強(qiáng)化殼程傳熱。
實(shí)施例2本實(shí)施例除以下技術(shù)特征外，其他同實(shí)施例1所述開孔螺旋扭片6的形狀結(jié)構(gòu)如圖5-1、5-2所示，置于如圖4所示呈正四方形布置的換熱管4之間，用箍緊環(huán)3箍緊。
實(shí)施例3本實(shí)施例除以下技術(shù)特征外，其他同實(shí)施例1如圖6-2、圖7-1、圖7-2所示，箍緊環(huán)三瓣3-1、3-6、3-7的端部分別兩兩設(shè)有固定板3-4、3-5，通過螺栓3-2、螺母3-3進(jìn)行固定連接。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種縱向多螺旋流管殼式換熱器，包括換熱管管束、殼體、換熱管、螺旋扭片，所述管板置于殼體內(nèi)兩端，所述換熱管管束與管板固定連接，所述螺旋扭片均布設(shè)置在各換熱管外壁，其特征在于所述螺旋扭片為開孔螺旋扭片，其沿軸向等距開有若干小孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述開孔螺旋扭片垂直于軸線的橫截面呈矩形或近似矩形，所述矩形的長(zhǎng)邊b＝A·t·cosα-d，對(duì)于正方形布管，A＝2，α＝45°；對(duì)于正三角形布管，A＝4/3，α＝30°；其中，t為管間距，d為換熱管外徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述開孔螺旋扭片上的小孔是圓孔或橢圓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述小孔為圓孔時(shí)，其直徑為(0.5～0.8)b，所述小孔為橢圓孔時(shí)，橢圓孔長(zhǎng)短軸之比為1.5～3，其中長(zhǎng)軸尺寸為(0.7～0.8)b。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述橢圓孔為臥置或立置形式設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述開孔螺旋扭片為等節(jié)距旋轉(zhuǎn)90°或180°螺旋角的扭片，開孔螺旋扭片的扭曲度R即螺旋扭片節(jié)距L與螺旋扭片的長(zhǎng)邊b的比值L/b為5～10，所述開孔螺旋扭片設(shè)于殼體進(jìn)出口接管之間，長(zhǎng)度為兩管板間換熱管長(zhǎng)度的5/6～4/5；所述開孔螺旋扭片的厚度為0.8～2毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向多螺旋流管殼式換熱器，其特征在于所述換熱管、開孔螺旋扭片外側(cè)與殼體內(nèi)側(cè)之間設(shè)有箍緊環(huán)，所述箍緊環(huán)由兩半或三瓣組成，通過螺栓連接，其內(nèi)圓周、外圓周分別與管束外周、殼體內(nèi)周緊貼。
8.一種利用權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述縱向多螺旋流管殼式換熱器實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)化傳熱方法，其特征在于利用設(shè)置在換熱管之間的開孔螺旋扭片對(duì)流經(jīng)管隙間的流體進(jìn)行不斷地螺旋導(dǎo)流，使殼程管隙間的流體始終保持多股縱向自螺旋流狀態(tài)，并在螺旋流狀態(tài)下部分流體通過開孔螺旋扭片上的小孔時(shí)產(chǎn)生射流，形成螺旋流與射流有機(jī)結(jié)合的復(fù)雜流場(chǎng)，增強(qiáng)流體在換熱器內(nèi)整體混合的湍動(dòng)程度，提高管隙間流體的邊緣流速，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，強(qiáng)化殼程傳熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的強(qiáng)化傳熱方法，其特征在于通過箍緊環(huán)迫使殼程流體流向管束中，防止產(chǎn)生旁漏流，使殼程不存在流動(dòng)死區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供縱向多螺旋流管殼式換熱器，包括換熱管管束、殼體、換熱管、螺旋扭片，管板置于殼體內(nèi)兩端，換熱管管束與管板固定連接，螺旋扭片均布設(shè)置在各換熱管外壁，螺旋扭片為開孔螺旋扭片沿軸向等距開有若干小孔。本發(fā)明通過開孔螺旋扭片對(duì)管間流體產(chǎn)生縱向螺旋流和射流的協(xié)同作用，使流體在管隙間始終保持多股縱向自螺旋混合流狀態(tài)，有效提高換熱管束壁面的流體速度，實(shí)現(xiàn)不同殼體半徑處流體的充分混合，從而較大幅度提高殼程傳熱膜系數(shù)。
文檔編號(hào)F28F13/06GK1920468SQ200610122089
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者江楠, 楊傳健, 甄亮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)