專利名稱：蜂巢型管殼式熱交換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及石油化工設備領域中一種具有蜂巢型管束的管殼式熱交換器，適用于煉油、化工、電力、冶金、采暖等行業(yè)各種類型管殼式熱交換器。
在傳統(tǒng)的普通管殼式熱交換器中，普遍地采用折流板以支撐管子和改變殼程流體的流動方向和流速，而園缺型折流板又是其中應用最為廣泛的一種折流板型式。〖1〗殼程流體在這種傳統(tǒng)折流板的作用和引導下，形成以流向垂直于換熱管的錯流流路為主的流動方式。換熱效率主要是通過減小折流板間距，提高殼程流體流速來得到的。在參數相同的情況下，流體壓力降與流道長度成正比，與流體流速的平方成正比?！?〗從而導致傳統(tǒng)管殼式熱交換器為了提高換熱效率，不得不以提高流速，犧牲壓降為代價。同時，錯流流路容易引發(fā)管束的橫向振動，造成對換熱管的傷害，使熱交換器大型化設計受到限制。傳統(tǒng)折流板也導致殼程流體存在換熱死區(qū)，既影響了管殼式熱交換器的結構緊湊性，也導致結垢及難于清洗的問題的產生。本實用新型通過采用具有蜂巢型框架結構的蜂巢型管束，使殼程流體從以錯流流路為主轉變成為以徑向混合流路為主的流態(tài)。通過徑向混合作用達到強制換熱界面更新，提高換熱效率的目的。蜂巢型框架結構對殼程流體的剪切、約束，使流體的湍動不再受流速的束縛，流體自身能量的大部分被用于增強流體的湍動效果上。徑向混合作用也解決了流體分配不均勻帶來的問題，使流體的沿程摩擦阻力和局部阻力降到很低的水平，從而能夠在較高的換熱效率下保持較低的壓降。同時，徑向混合作用也消除了換熱死區(qū)，減少了引發(fā)橫向振動的誘因，為熱交換器的在線清洗提供了方便。
針對目前傳統(tǒng)管殼式換熱器普遍存在的換熱效率低、壓降高、金屬耗量大、易結垢、難清洗及換熱管振動等問題，本實用新型從改變殼程流體基本流態(tài)著手，解決了傳統(tǒng)管殼式熱交換器存在的以上諸多問題。特別是對于傳統(tǒng)換熱器及折流桿換熱器不能很好解決的高粘度，易結垢流體的換熱，本實用新型具有十分良好的使用效果。
本實用新型的特征在于具有蜂巢型結構的蜂巢型管束[3]，結合附圖，可以看到蜂巢型管束是由傾斜交錯排列的折流板[11][12]、換熱管[14]、定距器[10]組成。在蜂巢型管束中，傳統(tǒng)折流板被替換成具有一定傾斜角度的、彼此交錯排列的條狀傾斜折流板[11][12](見附圖3)，傾斜折流板的角度及間距由定距器[10]保證，根據不同的工藝需要，可做適當調整；換熱管[14]穿過傾斜折流板上的管孔，固定于管板[8]上，構成蜂巢型管束[3]。蜂巢型管束[3]與殼體[2]組成完整地呈立體蜂巢結構的殼程流通空間。進一步地，分以下幾個方面，來說明以上結構是如何實現本實用新型的目的的1．傳熱性能流體流經具有蜂巢型管束的殼程時，受到傾斜折流板[11][12]的剪切，在蜂巢型流道空間內被分割成數量眾多的小股流體，由于流道空間的約束及延伸作用，被強制改變流動方向，在進入下一個蜂巢單元時，這種作用被進一步地強化，使流體不斷地發(fā)生分流、旋轉、合流等作用。在連續(xù)地被分割、剪切及延伸合流的過程中，流體換熱界面被一而再，再而三的強制更新。結果是徹底消除了環(huán)隙間平行流，熱量和溫度在徑向上得到均勻地分配，這時殼程流體的湍動效果要比傳統(tǒng)管殼式熱交換器劇烈的多，殼程膜傳熱系數被大大提高了。同時，由于這種徑向混合作用，整個殼程空間的傳熱十分均勻，消除了傳統(tǒng)管殼式熱交換器存在的返混及換熱死區(qū)的問題；徑向混合作用也造成殼程流體流向的非單一性，延長了污垢的生成時間，降低了結垢熱阻，進一步地提高了熱交換器的總傳熱系數。2．壓降分析傳統(tǒng)管殼式熱交換器的殼程壓降，可以發(fā)現殼程流體在每快折流板處要做180度折流，這種流向的突變造成流體壓力的損失，這部分壓降占殼程流體總壓降的很大一部分。蜂巢型管殼式熱交換器殼程流體的改變是漸進的、均勻的，同時也是多向性的，從而使上述的由于流體折流引發(fā)的壓力損失降到最小。另一方面，傳統(tǒng)管殼式熱交換器的殼程流體通道是不均勻的，流通面積的改變引發(fā)流速的變化也造成殼程流體的壓力損失，蜂巢型結構均勻的流體通道可以完全消除由此引發(fā)的壓力損失。以上是對殼程流體局部阻力的分析，下面就流體沿程摩擦阻力作進一步分析。在相同的條件下，流體沿程摩擦阻力的決定因素是流體的流速，流速又是由流體的流通面積決定的。在不考慮換熱管所占面積的情況下，傳統(tǒng)管殼式熱交換器的殼程流體流通面積一定是遠遠小于殼體截面積，否則將失去折流的意義，而蜂巢型管殼式熱交換器的殼程流通流通面積可近似地看作等于殼體截面積(蜂巢結構在殼程空間的空隙率為97％-99％)，也就是說，蜂巢型管殼式熱交換器的殼程流體流速要遠遠小于傳統(tǒng)管殼式熱交換器，流體的壓降與流速的平方成正比，流速的任何微小的下降，都將導致壓降的大幅度地降低。蜂巢結構將流體自身能量的大部分用于增加流體湍動這一過程中，壓力損失主要是由于湍動引發(fā)的分子碰撞引起的，而將沿程摩擦阻力和局部阻力大幅度地降低，避免了無謂的能量消耗。3．結垢及清洗在傳統(tǒng)換熱器中，結垢的生成及成長速度，主要決定于壁溫和流速，在低流速時，尤其是用水蒸汽加熱過敏性粘稠物料時，流速低，膜系數小，壁溫接近水蒸汽溫度，結垢增長很快。結果是傳熱系數急劇下降，壓力降激增。蜂巢型熱交換器流體的徑向分配混合的特點，使流體在殼程內均勻分配混合，在同一截面上，流體在點上的溫度可以近似地看做是相同的，即使是在壁溫很高的情況下，由于換熱界面不斷地被強制更新，使得污垢來不及聚結便被轉移到新的界面上了，同時，由于流向的非單一性，流體自身保持了一定的去垢作用，也降低了污垢的生成及成長速度。使操作周期成倍的增加。在管殼式熱交換器的清洗方面，蜂巢型熱交換器的分配混合作用，為換熱器清洗帶來了前所未有的便利，特別對換熱設備在線清洗時，使清洗劑可以輕易地均勻分配混合到換熱器的整個殼程空間，節(jié)約了清洗劑用量和清洗時間，對于酸性清洗劑，避免了由于分配不均造成的局部腐蝕過量。4．振動及噪音由于殼程流體在蜂巢型結構作用下流向的非單一性，蜂巢型管殼式熱交換器不存在因錯流流路引發(fā)的換熱管橫向共振，同時，因殼程流體流通面積增大，流體流速下降，進一步減少了引發(fā)振動的誘因。對于高速氣體或氣液兩相同時存在的殼程流體，蜂巢型結構的徑向混合效果可起到消音的作用。5．經濟效益由于傳熱系數的提高，蜂巢型熱交換器殼徑比傳統(tǒng)換熱器可減小5％～15％，當采用螺紋管或管內插混合元件以強化傳熱時，殼徑減小量會更大。重量比普通輕20％～30％，對于中高壓及大直徑換熱器，鋼材節(jié)約量是非?？捎^的。殼徑減小引發(fā)的設備基礎投資的下降等，都是蜂巢型熱交換器在價格競爭上的十分有利的因素。蜂巢型熱交換器傳熱效率的提高并不是以增加壓降為代價。壓降比普通熱交換器小50％以上，由于壓降減小而帶來的對管道泵揚程壓力等級的降低。殼程流體是在一個模擬于混合器的容器內流動，流體組分在同一截面上分配十分均勻，不存在流動死區(qū)，因而結垢現象也大大降低。同時在檢修清洗時，由于清洗劑可以快速得到分配，使得在線清洗效果大為提高，減少了設備的維護運行成本。不易結垢延長了設備的使用周期，都是蜂巢型熱交換器在競爭上的十分有利的因素。
綜上所述，本實用新型提供了一種工藝可行，結構合理，性能優(yōu)良的熱交換器。顯然本實用新型為一種新穎、進步并具有實用性的新設計。以上所述乃是本新型的具體實施例及運用的技術原理，在不偏離本使用新型的原理所作的等效改變，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本實用新型的范圍內，特此說明。
對附圖的說明


圖1為本實用新型總體結構示意圖。蜂巢型管殼式熱交換器由管箱[1]，殼體[2]，蜂巢型管束[3]，浮動管板[4]，浮頭蓋[5]，外頭蓋[6]，支座[7]等組成。
圖2為本實用新型的蜂巢型管束示意圖。蜂巢型管束[3]由新結構折流板組成，其中包括管板[8]，定距器[10]，導流筒[13]，右傾斜折流板[11]，左傾斜折流板[12]，換熱管[14]，支撐板[9]，管板[4]等組成。
圖3為左傾斜折流板[12]、右傾斜折流板[11]示意圖。
以上就本實用新型的原理做定性的分析，下面將根據實例對本實用新型及傳統(tǒng)管殼式熱交換器進行比較例一．設計條件
對數平均溫差ΔTΔT=(T1-t2)-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1*Fr]]>ΔT=3.63℃2．熱負荷QQ=m*-m**cP*(T1-T2)3600----Q=2636723(W)]]>3．普蘭特準數PrPr=μ*cPλ----Pr=4.31]]>4．殼程流體體積流量V*=0.114 m3/s二．殼程流體工藝計算1．殼程流體有效流速Veff當殼程流體在層流狀態(tài)時Veff=V*So*ϵ=0.311(m/s)]]>當殼程流體在湍流狀態(tài)時Veff=V**CbSo*ϵ=0.44(m/s)]]>式中ε殼程傾斜折流板空隙率，％So殼程流體流通面積，m2Cb傾斜折流板流速系數本例中，由后面的計算可以看到，殼程流體屬湍流狀態(tài)，故Veff=0.44m/s2．殼程流體雷諾數Re-sRe_s=ρ*Veff*dhμ=13716]]>式中dh殼程水力直徑，m3．流體流態(tài)的判定Re-s＜2300流體在層流范圍；Re-s＞2300流體在湍流范圍本例中殼程流體雷諾數Res＞2300，屬湍流范圍。4．努塞爾特準數Nu當殼程流體在層流狀態(tài)時Nu=1.08*(Re_s*Pr)13*μ'0.14]]>當殼程流體在湍流狀態(tài)時Nu=0.235*Re_s0.667*Pr0.36*μ′0.25式中μ’殼程流體管壁溫度下的黏度校正系數，μ′=(μμw)]]>μw殼程流體管壁溫度下的黏度本例中殼程流體雷諾數Res＞2300，屬湍流范圍。故Nu=42.065．殼程膜傳熱系數aa 6.K值的確定K當殼程流體在層流狀態(tài)時K=1(laa+sλw+lai+fi)]]>當殼程流體在湍流狀態(tài)時K=1(laa+dhai*di+dh2*λw+ln(dhdi+fi)]]>式中ai管程膜傳熱系數，w/m2℃；di殼體內直徑，mλω換熱管導熱系數，w/m2℃；s換熱管壁厚，mfi殼程流體結垢熱阻，m2℃/w本例殼程流體屬湍流范圍。故K=1081.64(w/m2C)7．換熱面積AA=QK*ΔT=670.76(m2)]]>8．殼程流體壓降ΔP當殼程流體在層流狀態(tài)時ΔP=13.6*(1-ϵ)*m**μ*L*Zn3600*ρ*di*dh2*ϵ5100000]]>當殼程流體在湍流狀態(tài)時ΔP=3.2*ρ*Veff*2*L*ZnRe_s0.2*4]]>式中L換熱管長度，m；Zn傾斜折流板壓降校正系數本例殼程流體屬湍流范圍。故ΔP=0.12Bar以下管程流體工藝計算與傳統(tǒng)管殼式熱交換器相同，不再羅列，僅將傳統(tǒng)管殼式熱交換器按以上工藝條件計算得到的換熱面積及殼程壓降與本實用新型比較如下
索引[1]換熱器，烴加工出版社，1991年10月，P33[2]冷換工藝設備計算，石油工業(yè)出版社，1979年8月，P權利要求1．一種用于冷熱介質換熱的蜂巢型管殼式熱交換器，該熱交換器由蜂巢型管束[3]、殼體[2]、管箱[1]組成，其特征在于在蜂巢型管束[3]中折流板是傾鈄彼此交錯排列的傾斜折流板[11][12]，并通過定距器[10]保證傾斜折流板[11][12]的傾斜角度及間距，可根據不同工藝要求調整間距和角度，換熱管[14]穿過傾斜折流板[11][12]上的管孔，固定在兩端的管板上，構成一個有蜂巢型管束[3]與殼體[2]、管箱[1]組成的完整呈立體蜂巢型結構殼程流程的管殼式熱交換器。
專利摘要蜂巢型熱交換器主要通過采用具有蜂巢型框架結構的蜂巢型管束[3]提高熱交換器的換熱效率。蜂巢型管束[3]由傾斜折流板[11][12]、管板[8]、換熱管[14]、定距器[10]組成。蜂巢型管束[3]使殼程流體在呈立體狀的蜂巢型的通道內中流動,受到傾斜折流板[11][12]分割及約束,流體不斷地發(fā)生分流、旋轉、合流,使換熱界面不斷更新,達到強化傳熱效果,同時,也很好地解決了普通管殼式熱交換器所面對的結垢、換熱死區(qū)及管束振動等問題。
文檔編號F28D7/08GK2456124SQ00200799
公開日2001年10月24日 申請日期2000年1月26日 優(yōu)先權日2000年1月26日
發(fā)明者姚學其, 姚寧海 申請人:陸淑敏