專利名稱：交叉橢形截面管換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高效管殼式換熱器。
近年來各種新型高效換熱器的開發(fā)和應(yīng)用得到廣泛的重視和發(fā)展，如螺旋槽折流桿換熱器和波紋管換熱器等已逐漸在工程應(yīng)用中占有一定的市場(chǎng)份額，但它們均不同程度存在某些不足，難以廣泛地推廣。如折流桿換熱器一般只適用于大流量的場(chǎng)合，殼程物流流速對(duì)殼程給熱系數(shù)有較大影響，不適宜于殼程物流為中小流量場(chǎng)合下使用；波紋管、波節(jié)管換熱器一般采用薄壁換熱元件，由于振動(dòng)碰撞等原因，使換熱管易于破裂，降低了使用安全性，其承壓也較低，目前只應(yīng)用于低溫低壓的水-水和水-汽的換熱；管內(nèi)插彈簧或扭曲帶換熱器易于堵塞，壓力降過大等。因此使用最為廣泛的還是傳統(tǒng)的管殼式換熱器。
本實(shí)用新型的目的是提供一種利用“入口段效應(yīng)”和渦流強(qiáng)化傳熱的一種新型結(jié)構(gòu)的縱流高效換熱器，它具有強(qiáng)化傳熱效果好、流阻小、承壓高、管束振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)、安全性好和互換性強(qiáng)等特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在利用傳統(tǒng)管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用“交叉橢形截面換熱管”(ZL00136122.8)作為換熱元件，采用幾種特殊結(jié)構(gòu)的檔流支承組件支承和固定換熱管。交叉橢形截面管換熱器是由交叉橢形截面換熱管和檔流支承組件以及管板、殼體等其它常規(guī)管殼式換熱器零部件組成，其特征在于使用交叉橢形截面管作為換熱管，其換熱管的橢形截面的長(zhǎng)軸徑小于或等于管束中換熱管排列的公稱管中心距；使用圈型、柵格折流桿型、網(wǎng)格折流桿型和異型孔板型等結(jié)構(gòu)形式的檔流支承組件，支承和固定管束中的橢形截面換熱管以及防止殼程物流短路，殼程物流在檔流支承組件的作用下在管束中主要作縱向流動(dòng)。由于交叉橢形截面換熱管是由多個(gè)軸線相互交叉的橢形截面管段和兩端圓形截面管段及其過渡段組成，其管壁在過渡段處沿管軸線方向出現(xiàn)周期性的過渡臺(tái)階，使管內(nèi)流體在從一橢形截面管段進(jìn)入另一交叉的橢形截面管段時(shí)，在橢形截面的大曲率半徑壁面處出現(xiàn)進(jìn)口段效應(yīng)(流體流速接近主流速度)，而在橢形截面的小曲率半徑壁面處出現(xiàn)渦流，從而使其管內(nèi)強(qiáng)化傳熱作用十分顯著。由于各交叉橢形截面管段的管內(nèi)截面面積幾乎相等，且過渡段的流通截面積與換熱主體——橢形截面管段的流通截面積相差不大，因而其流阻較小。對(duì)于殼程流體(縱流)，主要是交叉的橢形截面管段的分段所產(chǎn)生的相當(dāng)于管內(nèi)流的“入口段效應(yīng)”和管壁的接觸或接近處所產(chǎn)生的尾流(產(chǎn)生渦流)以及檔流支承組件的共同作用，物流周期性地分離與混合使管外流體與壁面的換熱得以較好地強(qiáng)化而流阻相對(duì)增加不大。這種結(jié)構(gòu)使管程物流和殼程物流均產(chǎn)生以“入口段效應(yīng)”和渦流為主要特征的復(fù)雜的流動(dòng)，從而較大程度地強(qiáng)化了傳熱過程。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)強(qiáng)化傳熱效果好，流阻較小。交叉橢形截面管換熱器與普通管殼式換熱器相比，對(duì)于層流流動(dòng)一般可提高傳熱系數(shù)2倍甚至更多，對(duì)于湍流流動(dòng)一般可提高傳熱系數(shù)30％以上，其相應(yīng)流阻的增加率與換熱增強(qiáng)率相當(dāng)，從而具有十分重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。本實(shí)用新型采用交叉橢形截面換熱管和幾種檔流支承組件，其余均采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，適合于各種壓力級(jí)別和不同溫度條件的管殼式換熱器的全部結(jié)構(gòu)形式，包括GB151《鋼制管殼式換熱器》中所述的幾種結(jié)構(gòu)形式，如浮頭式、U型管式和固定管板式等結(jié)構(gòu)形式的管殼式換熱器，而且交叉橢形截面管換熱器的管束與常規(guī)管殼式換熱器的管束具有互換性，因而可廣泛應(yīng)用或替代傳統(tǒng)換熱器，易于推廣，成本較低，特別是在石化裝置的改擴(kuò)建中更具有廣闊的前景。
(3)使用壽命長(zhǎng)。由于交叉橢形截面管換熱器殼程物流基本上為縱向流動(dòng)，明顯地減少了管束的振動(dòng)，大大降低了由于管束的振動(dòng)而造成換熱管破裂等失效的可能性；同時(shí)也有效地消除了殼程物流橫向流動(dòng)的“死區(qū)”，降低了積垢速率，從而延長(zhǎng)了換熱器的使用壽命。
(4)管束外側(cè)易于清洗，管束中換熱管在一定條件下可廣泛采用正三角形排列，提高換熱設(shè)備單位體積/重量的換熱量。由于采用了交叉橢形截面換熱管，使管束中管排間形成周期性的局部較大空隙，便于管束外側(cè)的清洗，因而對(duì)于一些管束外側(cè)需要定期清洗的換熱器，其管束中的換熱管可廣泛采用正三角形排列替代正方形排列，在相同殼程直徑條件下可提高傳熱面積20％左右，從而可進(jìn)一步提高換熱設(shè)備單位體積/重量的換熱量。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施例及其附圖給出。
圖1是一種浮頭式交叉橢形截面管換熱器結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例，包括交叉橢形截面換熱管(1)和圈型檔流支承組件(2)以及殼體、管板等其它常規(guī)換熱器零部件。圖2是該實(shí)施圖例的M剖面視圖；圖3是該實(shí)施圖例的N剖面視圖。圖中A和B分別為換熱管橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑和短徑，a為管束中換熱管排列的公稱管孔中心距。
在該實(shí)施圖例中，換熱管選用相同橢形截面參數(shù)公稱長(zhǎng)軸徑A和短軸徑B的十字交叉橢形截面換熱管按正方形緊湊型排列，即管束的換熱管在各橢形截面管段的長(zhǎng)軸徑處相互接觸。而檔流支承組件則通過其內(nèi)圈周邊與換熱管在橢形截面的長(zhǎng)軸徑處相互接觸，起到支承換熱管和限制換熱管的自由度的作用。相鄰兩檔流支承組件應(yīng)限制管束中換熱管的不同方向的自由度。圖1的實(shí)施例為浮頭式基本結(jié)構(gòu)形式，也可實(shí)現(xiàn)U型管式、固定管板式基本結(jié)構(gòu)形式。圖1的實(shí)施例為兩管程單殼程結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)多管程多殼程結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例為換熱管按正方形排列，也可實(shí)現(xiàn)換熱管按三角形排列。該實(shí)施例為十字交叉橢形截面換熱管，也可實(shí)現(xiàn)60°交叉橢形截面換熱管或其它交叉角的橢形截面換熱管，推薦在換熱管按正方形排列時(shí)選用公稱交叉角為90°的交叉橢形截面換熱管及在換熱管按正三角形排列時(shí)選用公稱交叉角為60°的交叉橢形截面換熱管。該實(shí)施例為換熱管緊湊型排列，也可實(shí)現(xiàn)換熱管非緊湊型排列。在非緊湊型排列時(shí)，當(dāng)管間間隙大于一定數(shù)值時(shí)應(yīng)采取在管外間隔一定距離纏繞金屬絲、套短管或?qū)Q熱管局部壓扁等措施使換熱管相互支撐。
圖4、圖5、圖6和圖7是幾種典型檔流支承組件的結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例。
圖4為圈型檔流支承組件的結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例。圈型檔流支承組件由檔流支承圈形板(3)和筒形圈形板(4)等組成，其筒形圈形板的作用是防止檔流支承圈形板在管束抽裝過程中變形和在殼程物流沖刷下變形或振動(dòng)、以及捆扎換熱管束，在某些場(chǎng)合下可以不設(shè)置筒形圈形板。圈型檔流支承組件適合于管束中換熱管按正方形和正三角形排列。檔流支承圈形板(3)可通過其內(nèi)圈周邊與交叉橢形截面換熱管在橢形截面的長(zhǎng)軸徑處相互接觸，起到支承換熱管和限制換熱管的自由度的作用。在筒形圈形板(4)起捆扎換熱管束的作用時(shí)，檔流支承圈形板(3)可為圓圈形或其它結(jié)構(gòu)，起支承換熱管束和檔流作用。圖中A和B分別為換熱管橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑和短徑，a為管束中換熱管排列的公稱管孔中心距。由于換熱管存在彎曲及管板管孔中心距存在制造誤差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使A＜a即管間存在一定間隙。當(dāng)管間間隙大于一定數(shù)值時(shí)應(yīng)采取在管外間隔一定距離纏繞金屬絲、套短管或?qū)Q熱管局部壓扁等措施使換熱管相互支撐。
圖5為柵格折流桿型檔流支承組件的結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例。柵格折流桿型檔流支承組件由檔流支承圈形板(5)、折流桿/板條(6)和拉桿套(7)等組成，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行取舍。柵格折流桿型檔流支承組件適合于管束中換熱管正方形排列和正三角形排列。折流桿/板條的直徑或厚度δ≤a-B。柵格折流桿型檔流支承組件對(duì)管束的換熱管的支承原理與已公開的折流桿換熱器的折流桿的支承原理相類似。加強(qiáng)圈的作用是防止檔流支承板在管束抽裝過程中變形和在殼程物流沖刷下變形或振動(dòng)、以及捆扎換熱管束等。圖中A和B分別為換熱管橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑和短徑，a為管束中換熱管排列的公稱管孔中心距，δ為折流桿/板條的直徑或厚度。實(shí)施圖例中為連續(xù)布折流桿/板條，也可實(shí)現(xiàn)間隔布折流桿/板條。
圖6為網(wǎng)格折流桿型檔流支承組件的結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例。網(wǎng)格折流桿型檔流支承組件由檔流支承圈形板(8)、折流桿/板條(9)和拉桿套(10)等組成，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行取舍。網(wǎng)格折流桿型檔流支承組件適合于管束中換熱管正方形排列。折流桿/板條的直徑或厚度的選擇應(yīng)確保換熱管能穿過檔流支承組件的網(wǎng)格孔，一般δ≤0.8(a-D)，D為換熱管軋制基管的外徑。加強(qiáng)圈的作用是防止檔流支承板在管束抽裝過程中變形和在殼程物流沖刷下變形或振動(dòng)、以及捆扎換熱管束等。圖中A和B分別為換熱管橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑和短徑，a為管束中換熱管排列的公稱管孔中心距，δ為折流桿/板條的直徑或厚度。
圖7為異型孔板型檔流支承組件的結(jié)構(gòu)實(shí)施圖例。異型孔板型檔流支承組件管孔的形狀為非圓形，如方形、矩形等，其大小應(yīng)確保換熱管能穿過。圖中A和B分別為換熱管橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑和短徑，a為管束中換熱管排列的公稱管孔中心距。
以上的實(shí)施例及其
，本實(shí)用新型由交叉橢形截面換熱管和幾種特殊結(jié)構(gòu)的檔流支承組件以及其它常規(guī)管殼式換熱器零部件(如管箱、管板、殼體等)組成。
交叉橢形截面管換熱器使用的交叉橢形截面換熱管可以為光滑壁面、螺紋和螺旋槽等低肋壁面，以及凹凸管壁面或/和涂層壁面。換熱管的橢形截面的公稱長(zhǎng)軸徑A小于或等于管束換熱管排列的管孔公稱中心距a。換熱管推薦選用等節(jié)距和相同橢形截面參數(shù)長(zhǎng)軸徑A和短軸徑B，這樣有利于簡(jiǎn)化換熱器的制造。與管板連接的換熱管的端部圓形光滑直段長(zhǎng)度應(yīng)大于管板厚度的兩倍以上，這樣既有利于換熱器制造過程中的穿管，同時(shí)也有利于殼程物流在出入口處流向的改變。
檔流支承組件以能夠支承和固定管束中的橢形截面換熱管以及防止殼程物流在管束與殼體之間的空隙處短路為主要特點(diǎn)，殼程物流在檔流支承組件的作用下在管束中主要作縱向流動(dòng)。檔流支承組件還具有調(diào)節(jié)殼程物流流速和改變殼程物流流場(chǎng)的作用，檔流支承組件的選擇應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際和管束中物流流速要求確定。管束中檔流支承組件的間距的設(shè)置應(yīng)使相鄰兩檔流支承組件限制管束中換熱管的不同方向的自由度，起到支承和固定管束中的換熱管的作用。檔流支承組件有圈型、柵格折流桿型、網(wǎng)格折流桿型和異型孔板型等結(jié)構(gòu)形式。就制造方便經(jīng)濟(jì)而言，應(yīng)首選圈型、柵格折流桿型和網(wǎng)格折流桿型檔流支承組件。
管束中的換熱管可以是管束中同一橫截面橢形截面的有序排列，也可以是無序排列，推薦選用有序排列方式。
交叉橢形截面管換熱器采用傳統(tǒng)管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備制造，有利于替代傳統(tǒng)管殼式折流板換熱器。交叉橢形截面管換熱器適合于各種壓力級(jí)別和不同溫度條件的管殼式換熱器的全部結(jié)構(gòu)形式，包括GB151《鋼制管殼式換熱器》中所述的幾種結(jié)構(gòu)形式，如浮頭式、U型管式和固定管板式等，以及不同結(jié)構(gòu)形式的各種管程數(shù)和殼程數(shù)。
權(quán)利要求1.交叉橢形截面管換熱器，由交叉橢形截面換熱管(1)和檔流支承組件(2)以及管板、殼體等其它常規(guī)管殼式換熱器零部件組成，其特征在于使用交叉橢形截面管作為換熱元件，且換熱管的橢形截面的長(zhǎng)軸徑小于或等于管束中換熱管排列的公稱管中心距；使用圈型、柵格折流桿型、網(wǎng)格折流桿型和異型孔板型等結(jié)構(gòu)形式的檔流支承組件，支承和固定管束中的交叉橢形截面換熱管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述交叉橢形截面管換熱器，其特征在于交叉橢形截面管換熱器使用的交叉橢形截面換熱管可以為光滑管壁面、螺紋和螺旋槽等低肋管壁面，以及凹凸管壁面或/和涂層管壁面；換熱管橢形截面的長(zhǎng)軸徑小于或等于管束中換熱管排列的公稱管中心距，且優(yōu)先選用等節(jié)距和相同橢形截面參數(shù)長(zhǎng)軸徑A和短軸徑B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述交叉橢形截面管換熱器，其特征在于檔流支承組件有圈型、柵格折流桿型、網(wǎng)格折流桿型和異型孔板型等結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)先選用圈型、柵格折流桿型和網(wǎng)格折流桿型檔流支承組件。
專利摘要交叉橢形截面管換熱器,由交叉橢形截面換熱管(1)和檔流支承組件(2)以及管板、殼體等其它常規(guī)管殼式換熱器零部件組成,是一種利用“入口段效應(yīng)”和渦流強(qiáng)化傳熱的新型結(jié)構(gòu)的縱流高效換熱器。其優(yōu)點(diǎn)強(qiáng)化傳熱效果好,流阻小,承壓高,管束振動(dòng)小,使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)F28F13/00GK2458587SQ00268640
公開日2001年11月7日 申請(qǐng)日期2000年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月31日
發(fā)明者孟繼安 申請(qǐng)人:孟繼安