專利名稱：一種管殼式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換熱裝置，具體涉及的是一種為提高換熱性能而設(shè)計(jì)的具有構(gòu)形 樹狀結(jié)構(gòu)特征換熱管束的管殼式換熱器。
背景技術(shù)：
管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于 石油化工、電力、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。隨著工業(yè)節(jié)能減排的推進(jìn)，對(duì)涉及能耗的各個(gè)環(huán)節(jié)采用 積極有效的節(jié)能措施將具有重要工程價(jià)值和意義。對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其 換熱效能，是節(jié)能減排的一個(gè)重要舉措。管殼式換熱器通常有管箱、管板、殼體、換熱管等組成。管殼式換熱器一般都是在 一個(gè)圓筒殼體內(nèi)設(shè)置許多平行的管子，即平行管束，冷熱兩種流體通過換熱管(平行管束) 進(jìn)行熱量交換。由場(chǎng)協(xié)同理論可知，對(duì)于流動(dòng)換熱而言，平行管束布置并不是最為優(yōu)化的空 間組合方式。并且，平行管束布置也不能充分利用殼體內(nèi)的空間。但現(xiàn)在對(duì)管殼式換熱器 的優(yōu)化設(shè)計(jì)卻大多基于此類結(jié)構(gòu)而開展。如采用折流板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然在一定程度上 提高了傳熱性能，但是在傳熱性能提高的同時(shí)也導(dǎo)致了流動(dòng)阻力的增加，即以消耗一定量 的泵功來獲取一定量的換熱量。為此，迫切需要開展管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其既能有效提高流動(dòng)換熱性能， 同時(shí)也能有效降低泵功消耗的增加，換言之，使得換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)得到 最大限度的提高。受構(gòu)形理論成功應(yīng)用于解決流傳遞結(jié)構(gòu)體內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的思想啟迪， 本發(fā)明將管殼式換熱器內(nèi)的換熱管布置成構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)特征，以提高該類換熱器的流動(dòng)和 換熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供了一種新型的具 有構(gòu)形樹狀特征換熱管束的管殼式換熱器，該換熱器能大大提高換熱器的熱有效性，達(dá)到 高效換熱和節(jié)能作用。技術(shù)方案為解決管殼式換熱器設(shè)計(jì)上存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種管殼式換熱器，包括殼體、換熱管束、管板以及封頭，所述的管板以及封頭設(shè) 置在殼體的兩端，所述的換熱管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板，其特征在于 所述的換熱管束為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)；它由主連通管道、分叉連接管道以及支連通管道構(gòu)成，所 述的主連通管道至少為2段，在相鄰兩段的相向兩端設(shè)置所述的分叉連接管道，在兩端的 分叉連接管道上連接所述的支連通管道。所述的構(gòu)形樹狀換熱管束沿所述的殼體軸向呈平行層狀排列，所述的構(gòu)形樹狀換 熱管束在每一層內(nèi)沿徑向布置，所述換熱管束經(jīng)主/支連通管道實(shí)現(xiàn)層與層之間連通。所述的分叉連接管道與所述的主連通管道垂直，所述的支連通管道與所述的主連通管道平行。所述的分叉連接管道至少為兩級(jí)且每級(jí)分叉至少含有2個(gè)分叉管道，所述的第一 級(jí)分叉連接管道與主連通管道連接，所述的最后一級(jí)分叉連接管道連接所述的支連通管 道，所述的上下級(jí)分叉連接管道的直徑之比為(N為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，N取大于等 于2的整數(shù)，直徑維數(shù)Δ = 3)，所述的上下級(jí)分叉連接管道的長(zhǎng)度之比為Ν_ιΑι(每級(jí)的分 叉管道數(shù)目N取大于等于2的整數(shù)，長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于等于2的實(shí)數(shù))。 所述的主連通管道和支連通管道，設(shè)置在構(gòu)形樹狀換熱管束的層與層之間，主連 通管道與換熱管束層的初級(jí)分支節(jié)點(diǎn)相連接，支連通管道與構(gòu)形樹狀換熱管束層的末級(jí)分 支端點(diǎn)相連接，用于將管程流體從一層樹狀換熱管束傳輸至下一層樹狀換熱管束。并且，位 于換熱管束兩側(cè)的連通管道不僅起到分流兩側(cè)管箱內(nèi)流體的作用，還起到與所述管板固定 連接的作用。所述管板不僅能分隔管箱內(nèi)的管程流體與殼體內(nèi)的殼程流體，還能均勻分配管箱 內(nèi)流體進(jìn)入連通管道，并起到密封的作用。本發(fā)明的技術(shù)方案在于基于構(gòu)形理論構(gòu)建了多層構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)的換熱管管束。 在每一層所述的換熱管束內(nèi)，換熱管通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，使得管程對(duì)流換熱面 積大幅增加；分叉還能有效擾動(dòng)換熱管束內(nèi)流體的流動(dòng)提高流體湍流度，這樣，換熱管內(nèi)的 對(duì)流換熱效果得到了大幅度增強(qiáng)。同時(shí)，樹狀換熱管束結(jié)構(gòu)類似于優(yōu)化了的流體分配器/ 集合器，能有效降低換熱管束內(nèi)的流體流動(dòng)壓降。并且，樹狀換熱管束沿徑向?qū)訝畈贾貌粌H 有效利用了殼程內(nèi)空間來布置更多的換熱管以提高管程和殼程之間的換熱面積，還實(shí)現(xiàn)了 殼程流體垂直沖刷樹狀換熱管束作用使得換熱管外側(cè)的流動(dòng)換熱性能得到了大幅度提高。 因此，多層構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)的換熱管管束的設(shè)計(jì)布置達(dá)到了高效換熱和節(jié)能的目的。所述的換熱管束(由主連通管道、分叉連接管道以及支連通管道構(gòu)成)在每一層 內(nèi)由中心點(diǎn)向外發(fā)散布置直至殼體，殼體截面形狀為圓形和橢圓形、扁形。主連通管道、分 叉連接管道以及支連通管道的截面形狀皆可為圓形、矩形、梯形、螺旋形、波紋形等任意形 狀。在對(duì)人體血管構(gòu)形特征的研究中發(fā)現(xiàn)，分支結(jié)構(gòu)中第η級(jí)管徑與下一級(jí)管徑之間的關(guān) 系為DnZlV1 = Ν-1/δ (N為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，取為大于等于2的整數(shù))，式中D為水力直 徑。大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Δ =3時(shí)，流體在構(gòu)形管內(nèi)的流動(dòng)阻力可以取到最小值，即第η級(jí)換 熱管與第η-1級(jí)換熱管的直徑比為DnZlV1 = N—1氣這樣，第η級(jí)換熱管與第0級(jí)換熱管直 徑(即最初級(jí)的換熱管)的關(guān)系為D1ZDtl = Ν_ηΛ。并且，在構(gòu)形樹狀通道網(wǎng)絡(luò)中，所有分支 節(jié)點(diǎn)都可以均勻分布在一系列同心圓簇上，根據(jù)構(gòu)形理論，不同循環(huán)層次的換熱管束長(zhǎng)度 也存在著類似于管徑分布的關(guān)系，即第η級(jí)換熱管束長(zhǎng)度與第η-1級(jí)換熱管束長(zhǎng)度的比為 LnZllri = N-1/d (N為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于等于2的實(shí)數(shù))，遞推 得LnZltl = N^d (L0為初級(jí)換熱管長(zhǎng))。需要指出的是，盡管在構(gòu)形通道分叉流動(dòng)可能會(huì)帶來 了一定的壓降損耗，但是，應(yīng)注意到構(gòu)形通道具有流體流量的分散作用，它實(shí)質(zhì)上類似一流 動(dòng)的優(yōu)化分散器，該結(jié)構(gòu)可使各單元流體分散流動(dòng)，流動(dòng)距離較之具有相同流固換熱面積、 集中流動(dòng)的蛇形結(jié)構(gòu)中流動(dòng)距離大為減小。換熱管束不同級(jí)的管徑和長(zhǎng)度這樣的構(gòu)形分布 特征，能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)泵功消耗的最優(yōu)化。與此同時(shí)，對(duì)于殼程內(nèi)流體流動(dòng)，相對(duì)于折流板 式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得流體流動(dòng)更為暢通，能有效減少泵功消耗。為此，構(gòu)形樹狀換熱管束布 置能有效提高流動(dòng)換熱性能，同時(shí)也能有效降低泵功消耗的增加，換言之，使得換熱器的熱有效性(換熱量/泵功)得到最大限度地提高。所述換熱管束、殼體、管板等根據(jù)工作條件、流體性質(zhì)等可以選擇不同的材料，可 選用碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)、石墨、氟塑料、玻璃等材 料。本發(fā)明提供的構(gòu)形樹狀換熱管束式的管殼式換熱器，其換熱管束內(nèi)和殼程內(nèi)的流 體可為水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有機(jī)物、制冷劑等任意流體工質(zhì)；其換熱管束內(nèi)的換熱方式 可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸騰/冷凝相變換熱方式，殼程的換熱方式也可為強(qiáng)迫對(duì)流換熱、沸 騰 /冷凝相變換熱方式。并且，該管殼式換熱器可以做成臥式和立式兩種類型，不管是哪種類 型，樹狀構(gòu)形結(jié)構(gòu)均不受重力的影響而能正常高效地工作。本發(fā)明提供一種新型高效換熱的構(gòu)形樹狀換熱管束式的管殼式換熱器。在該換熱 器使用中，管程流體從各個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)初級(jí)分支節(jié)點(diǎn)進(jìn)入換熱管束，迅速分流到達(dá)各換熱管 道分支，在這個(gè)層面內(nèi)與殼程流體充分換熱，然后流體從樹狀結(jié)構(gòu)末梢流出，進(jìn)入下一層換 熱管束。在這個(gè)層面內(nèi)，流體流動(dòng)方向與上一層換熱管束內(nèi)的流動(dòng)方向相反，從樹狀結(jié)構(gòu)末 梢向著節(jié)點(diǎn)匯合，直至匯合至樹狀結(jié)構(gòu)的初級(jí)節(jié)點(diǎn)，然后再從連通管道進(jìn)入到下一層換熱 管束，如此循環(huán)往復(fù)，最終從管程流體出口流出。由于構(gòu)形樹狀換熱管束的存在，與傳統(tǒng)的 平行排列的換熱管束相比，殼內(nèi)的有效對(duì)流換熱面積大大增加，并且，對(duì)流換熱效果也得到 了大幅度提升，能夠使高溫?zé)崃餮杆俚玫嚼鋮s，而且換熱均勻。另外，構(gòu)形樹狀換熱管束合 理布置在殼體空間內(nèi)，消除了殼程空間內(nèi)可能存在的流動(dòng)換熱死區(qū)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效換熱 是有益的。有益效果本發(fā)明涉及的一種新型的構(gòu)形樹狀管殼式換熱器，不僅增加了管程與殼程之間的 對(duì)流換熱面積，還有利于換熱管束內(nèi)流體湍流度的提高和熱邊界層的重新形成，并且，殼程 內(nèi)流體還可近似垂直地沖刷換熱管束。另外，構(gòu)形樹狀換熱管束的布置方式充分利用了殼 內(nèi)空間，免去了折流板這一部件，消除了殼程空間內(nèi)可能存在的流動(dòng)換熱死區(qū)。以上這些因 素，不僅使得整個(gè)換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理，還實(shí)現(xiàn)了管殼程之間流體熱量交換(由換熱 管束內(nèi)外流體流動(dòng)換熱來實(shí)現(xiàn))的場(chǎng)協(xié)同，進(jìn)而大大提高了套管式換熱器的熱有效性，達(dá) 到高效換熱和節(jié)能目的。


圖1構(gòu)形樹狀管殼式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明構(gòu)形樹狀換熱管束單層結(jié)構(gòu)示意圖。圖3本發(fā)明工作原理示意圖。圖中1.左封頭；2.左管板；3.支連通管道；4.主連通管道；5.殼體；6.構(gòu)形樹狀 換熱管束；7.右管板；8.右封頭；9.分叉節(jié)點(diǎn)；10.分叉連接管道；11.殼程流體
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說明圖1給出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，一種具有構(gòu)形樹狀特征換熱管束的管殼式換熱 器，由構(gòu)形樹狀換熱管束、殼體和管板等組成。具體結(jié)構(gòu)包括左封頭1、左管板2、支連通管道3、主連通管道4、分叉連接管道10、殼體5、構(gòu)形樹狀換熱管束6、右管板7和右封頭8等 主要部分組成。管板2、7設(shè)置于殼體兩端，構(gòu)形樹狀換熱管束6沿殼體軸向平行層狀排列， 位于構(gòu)形樹狀換熱管束兩側(cè)的主連通管道3在殼體內(nèi)兩端穿過管板2、7，并與之焊接或脹 接連接，位于換熱管束層與層之間的連通管道則與換熱管束的樹狀分叉初級(jí)節(jié)點(diǎn)和末梢焊 接連接。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及構(gòu) 形樹狀換熱管束6的內(nèi)側(cè)構(gòu)成管程流道；由左、右管板和殼體內(nèi)側(cè)，以及構(gòu)形樹狀換熱管束 6的外側(cè)構(gòu)成殼程流道。圖2給出了所述換熱管束的單層結(jié)構(gòu)示意圖，分叉節(jié)點(diǎn)9即為圖中箭頭所指位置。 從圖中還可以看到，換熱管束之間的空隙也由構(gòu)形樹狀管束來填充，這樣就能夠充分利用 殼內(nèi)空間，來獲得更大的換熱面積。 圖3給出了所述換熱管束的工作原理圖。支連通管道3用來連接換熱管束層與層 之間的樹狀結(jié)構(gòu)末梢，主連通管道4用于連接換熱管束層與層之間的樹狀結(jié)構(gòu)的初級(jí)分叉 節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，主連接管道4被分成了 3段，所以行形成了 4層樹狀結(jié)構(gòu)。需要說明的 是，主連接管道4可以被分成2 N段(N為大于2的整數(shù))，這樣就會(huì)形成(N-I) X 2層樹 狀結(jié)構(gòu)，為了提高換熱效率，樹狀層數(shù)越多，換熱效果越好。管程流體從主連通管道4進(jìn)入換熱管束到初級(jí)達(dá)分叉節(jié)點(diǎn)然后分流進(jìn)入換熱管 分支，在當(dāng)前層面內(nèi)不斷分流直至流到分支結(jié)構(gòu)的末梢，然后從支連通管道3流出該換熱 管束層面，到達(dá)下一層面之后，管程流體從各個(gè)換熱管分支向分支節(jié)點(diǎn)匯合，最終在初級(jí)分 支節(jié)點(diǎn)處合流，然后在從主連通管道4流出，離開當(dāng)前層面。在這一層，管內(nèi)的流體通過構(gòu) 形樹狀特征換熱管束與殼程流體11進(jìn)行熱量交換。如此循環(huán)往復(fù)，最終從主連通管道4流 出換熱器，完成換熱過程。本發(fā)明涉及的構(gòu)形樹狀換熱管束結(jié)構(gòu)能夠充分利用殼內(nèi)空間，增 大有效換熱面積，加大管程、殼程流體11流動(dòng)的湍流度，實(shí)現(xiàn)了管殼程之間流體熱量交換 (由換熱管束內(nèi)外流體流動(dòng)換熱來實(shí)現(xiàn))的場(chǎng)協(xié)同，提升了換熱器結(jié)構(gòu)的緊湊性，有效提高 了換熱器的流動(dòng)換熱效能。
權(quán)利要求
一種管殼式換熱器，包括殼體、換熱管束、管板以及封頭，所述的管板以及封頭設(shè)置在殼體的兩端，所述的換熱管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板，其特征在于所述的換熱管束為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)；它由主連通管道、分叉連接管道以及支連通管道構(gòu)成，所述的主連通管道至少為2段，在相鄰兩段的相向兩端設(shè)置所述的分叉連接管道，在兩端的分叉連接管道上連接所述的支連通管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管殼式換熱器，其特征在于所述的構(gòu)形樹狀換熱管束沿所 述的殼體軸向呈平行層狀排列，所述的構(gòu)形樹狀換熱管束在每一層內(nèi)沿徑向布置，所述換 熱管束經(jīng)主/支連通管道實(shí)現(xiàn)層與層之間連通，所述的分叉連接管道與所述的主連接管道 垂直，所述的支連通管道與所述的主連通管道平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管殼式換熱器，其特征在于所述的分叉連接管道至少 為兩級(jí)且每級(jí)分叉至少含有2個(gè)分叉管道，所述的第一級(jí)分叉連接管道與主連通管道連 接，所述的最后一級(jí)分叉連接管道連接所述的支連通管道，所述的上下級(jí)分叉連接管道的 直徑之比為Ν-1/Δ，所述的上下級(jí)分叉連接管道的長(zhǎng)度之比為曠、其中N為每級(jí)的分叉 管道數(shù)目，N取大于等于2的整數(shù)，直徑維數(shù)Δ = 3，長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于等于2的 實(shí)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管殼式換熱器，包括殼體、換熱管束、管板以及封頭，管板以及封頭設(shè)置在殼體的兩端，換熱管束的兩端固定在管板上，并穿過所述的管板，換熱管束為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)；它由主連通管道、分叉連接管道以及支連通管道構(gòu)成，主連通管道至少為2段，在相鄰兩段的相向兩端設(shè)置所述的分叉連接管道，在兩端的分叉連接管道上連接所述的支連通管道。構(gòu)形樹狀換熱管束的布置方式充分利用了殼內(nèi)空間，免去了折流板這一部件，消除了殼程空間內(nèi)可能存在的流動(dòng)換熱死區(qū)。以上這些因素，不僅使得整個(gè)換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理，還實(shí)現(xiàn)了管殼程之間流體熱量交換的場(chǎng)協(xié)同，進(jìn)而大大提高了套管式換熱器的熱有效性，達(dá)到高效換熱和節(jié)能目的。
文檔編號(hào)F28D7/00GK101846467SQ201010159128
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者姚峰, 張程賓, 施明恒, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)