本發(fā)明涉及一種管殼式換熱器，尤其是涉及一種含有不凝氣體的兩相流動換熱器。

背景技術(shù)：

含有不凝氣體的兩相流換熱廣泛地存在于換熱裝置中，例如在換熱過程中混入了不凝氣體，或者在流體運輸過程中因為設備老化產(chǎn)生的不凝氣體，還有例如天然氣液化(主要成分為沸點-162℃甲烷、沸點-88℃乙烷、沸點-42℃丙烷等)過程中的不同沸點混合介質(zhì)的冷凝、空氣分離、混合冷劑制冷、石油或廢塑料裂解、生物質(zhì)氣生產(chǎn)等行業(yè)的主要工藝過程。

含有不凝氣體的流體在換熱過程中因為氣相的存在，會導致?lián)Q熱效率低，惡化換熱，流體流動過程不穩(wěn)定，而且會導致水錘現(xiàn)象的發(fā)生。當兩相工質(zhì)的汽液相沒有均勻混合且不連續(xù)流動時，大尺寸的液團會高速地占據(jù)氣團空間，導致兩相流動不穩(wěn)定，從而劇烈地沖擊設備與管道，產(chǎn)生強烈震動和噪聲，嚴重地威脅設備運行安全。

針對氣液兩相流的換熱惡化問題，已經(jīng)有人提出了新的解決方式來解決上述問題，例如公開號為cn105258535a專利申請，通過設置突刺破壞層流底層，通過“刺”和“孔”可以分別在不同高度上擾動流體，從而進行強化傳熱。但是上述技術(shù)并沒有解決氣液兩相流換熱器中的震動和噪音問題，而且上述的解決方式結(jié)構(gòu)復雜，而且因為突刺的尺寸問題，無法保證換熱管中部的整個橫截面上的擾動，無法實現(xiàn)整體上的氣相液相的均勻，噪音和震動問題依然嚴重。針對上述問題，本發(fā)明提供了一種新式結(jié)構(gòu)的分割裝置的換熱器，從而解決上述的問題。

本申請人在前面申請中也設計了一種多管式分割裝置，參見圖7所示。但是此種裝置在運行中發(fā)現(xiàn)，因為管子之間是緊密結(jié)合在一起，因此三根管子之間形成的空間a相對較小，因為空間a是三根管子的凸弧形成，因此空間a的大部分區(qū)域空間狹窄，會造成流體無法進入通過，造成流體短路，從而影響了了流體的換熱，無法起到很好的穩(wěn)流作用。同時因為上述結(jié)構(gòu)的多根管子組合在一起，制造困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新式結(jié)構(gòu)的分割裝置的換熱器，在管道內(nèi)存在氣液兩相流動時，減弱氣液兩相流換熱管內(nèi)的振動，降低噪聲水平，同時強化傳熱。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種氣液兩相流多管式管殼式換熱器，包括殼體，所述殼體兩端分別設置封頭，所述封頭和殼體的連接位置設置管板，換熱管連接兩端的管板，汽液兩相流中的氣相是不溶或者難溶性氣體，即換熱過程中，氣體不會溶于液體，所述換熱管內(nèi)設置用于減震降噪的分割裝置，同一根換熱管內(nèi)設置多個分割裝置，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，所述分割裝置的長度先逐漸的減小到某一位置，然后從某一位置開始分割裝置的長度又逐漸的增加。

作為優(yōu)選，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，所述分割裝置的長度逐漸的減小的幅度越來越大。

作為優(yōu)選，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，分割裝置的長度逐漸的增加的幅度越來越大。

作為優(yōu)選，換熱管的長度為l，所述某一位置為換熱管長度的中間位置。

作為優(yōu)選，所述分隔裝置包括芯體和外殼，所述芯體設置在外殼中，所述外殼與換熱管內(nèi)壁連接固定，所述芯體包括多個同心管和肋片，所述肋片連接相鄰的同心管。

作為優(yōu)選，所述同心管和肋片上設置連通孔。

作為優(yōu)選，所述肋片的延長線穿過同心管的圓心。

作為優(yōu)選，換熱管為多段結(jié)構(gòu)焊接而成，多段結(jié)構(gòu)的連接處設置分割裝置。

作為優(yōu)選，相鄰分隔裝置之間的距離為s，分隔裝置的長度為c，換熱管的外徑為w，相鄰同心管的半徑分別為r2和r1，其中r2>r1，相鄰的肋片之間的圓弧的弧度為h，滿足如下要求：

s/c＝a-b*ln(w/e)；

e＝((h*r2²-h*r1²)/2)^1/2；

其中l(wèi)n是對數(shù)函數(shù)，a,b是參數(shù)，其中16.1<a<17.2,7.9<b<8.8；

其中分隔裝置的間距是以相鄰分隔裝置相對的兩端之間的距離；

34<w<58mm；

7<e<12；

14<c<23mm；

50<s<70mm。

作為優(yōu)選，a＝16.5,b＝8.4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的具有如下的優(yōu)點：

1)本發(fā)明根據(jù)換熱管內(nèi)的氣相液相的流動規(guī)律，使得所述分割裝置的長度先減小后增加，最大程度減弱管道的振動，降低噪聲水平，同時降低流動阻力。

2)本發(fā)明提供了一種新式結(jié)構(gòu)的分割裝置，相對于通過分割裝置將兩相流體分離成液相和氣相，將液相分割成小液團，將氣相分割成小氣泡，抑制液相的回流，促使氣相順暢流動，起到穩(wěn)定流量的作用，具有減振降噪的效果。相對于多管式分割裝置，進一步提高穩(wěn)流效果，強化傳熱，而且制造簡單。

3)本發(fā)明通過設置分割裝置，相當于在換熱管內(nèi)增加了內(nèi)換熱面積，強化了換熱，提高了換熱效果。

4)本發(fā)明因為將氣液兩相在換熱管的整個橫截面位置上進行了分割，避免了現(xiàn)有技術(shù)中僅僅換熱管內(nèi)壁面進行分割，從而在整個換熱管截面上實現(xiàn)擴大氣液界面以及氣相邊界層與冷卻壁面的接觸面積并增強擾動，降低了噪音和震動，強化了傳熱。

5)本發(fā)明通過在換熱管長度方向上設置相鄰分割裝置之間的距離、分割裝置的長度、貫通孔的外徑等參數(shù)大小的規(guī)律變化，從而進一步達到穩(wěn)流效果，降低噪音，提高換熱效果。

6)本發(fā)明通過對環(huán)形分割裝置各個參數(shù)的變化導致的換熱規(guī)律進行了廣泛的研究，在滿足流動阻力情況下，實現(xiàn)減振降噪的效果的最佳關(guān)系式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的兩相流管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的兩相流管殼式換熱器的換熱管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明分隔裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明分隔裝置在換熱管內(nèi)布置示意圖；

圖5是是本發(fā)明分隔裝置在換熱管內(nèi)布置的另一個示意圖。

圖6是是本發(fā)明分隔裝置在換熱管內(nèi)布置橫截面示意圖。

圖7是是本發(fā)明分隔裝置的尺寸示意圖。

圖8是背景技術(shù)中的兩相流管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記如下：前封頭1，封頭法蘭2，前管板3，殼體4，分隔裝置5，換熱管6、后管板7，封頭法蘭8，后封頭9，支座10，支座11，管程入口管12，管程出口管13，殼程入口管14，殼程出口管15，分隔裝置外殼51，環(huán)孔52，肋片53，同心管54

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

需要說明的是，如果沒有特殊說明，本發(fā)明提到的兩相流是氣液兩相流，此處的氣體是不溶或者難溶性氣體，即在換熱過程中，氣體不會溶于液體。

如圖1所示的一種管殼式換熱器，所述管殼式換熱器包括有殼體4、換熱管6、管程入口管12、管程出口管13、殼程入口接管14和殼程出口接管15；多個平行設置的換熱管6組成的換熱管束連接在前管板3、后管板7上；所述前管板3的前端與前封頭1連接，后管板7的后端連接后封頭9；所述的管程入口管12設置在后封頭9上；所述的管程出口管13設置在前封頭1上；所述的殼程入口接管14和殼程出口接管15均設置在殼體4上；兩相流的流體從管程入口管12進入，經(jīng)過換熱管進行換熱，從管程出口管13出去。

所述換熱管6內(nèi)設置用于減震降噪的分割裝置5，同一根換熱管6內(nèi)設置多個分割裝置5，如圖4所示，沿著換熱管6內(nèi)流體的流動方向(即從換熱管的入口到換熱管的出口)，所述分割裝置5的長度先逐漸的減小到某一位置，然后從某一位置開始分割裝置的長度又逐漸的增加。

主要原因是因為流體中含有不凝氣體，因此沿著流體的流動方向，不凝氣體依然存在，不會因為換熱管內(nèi)流體放熱而冷凝。從換熱管6入口到換熱管6中部，因為流體從前封頭1進入換熱管內(nèi)，在換熱管6的前部流動中，流體的震動和噪音相對少，因此此時可以將分割裝置之間的距離設置的大一些，既可以實現(xiàn)減震和降低噪音，同時還能夠降低阻力。但是從換熱管的中部往后，因為存在從換熱管6到后封頭9這一段的空間從小到大的變化，這一段的變化會導致氣體的快速向上流出和聚集，液體也會快速的項下部流出和聚集，因此空間變化會導致聚集的氣相(氣團)從管板位置進入封頭，由于氣(汽)液密度差，氣團離開接管位置將迅速向上運動，而氣團原空間位置被氣團推離壁面的液體同時也將迅速回彈并撞擊壁面，形成水錘現(xiàn)象。氣(汽)液相越不連續(xù)，氣團聚集越大，水錘能量越大。水錘現(xiàn)象會造成較大的噪聲震動和機械沖擊，對設備造成破壞。因此為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，此時設置的分割裝置長度不斷增加，從而不斷的增加在流體輸送過程中分隔氣相和液相的能力，從而最大程度上減少震動和噪音。

作為優(yōu)選，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，所述分割裝置5的長度逐漸的減小的幅度越來越大。

作為優(yōu)選，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，分割裝置5的長度逐漸的增加的幅度越來越大。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，通過如此設置，能夠進一步降低10％左右的震動和噪音，同時降低流動5％左右的阻力。

作為優(yōu)選，換熱管的長度為l，所述某一位置為換熱管長度l的中間位置。

如圖4-5所示，在換熱管6內(nèi)設置環(huán)形分隔裝置5。所述環(huán)形分隔裝置5的結(jié)構(gòu)見圖3。如圖3所示，所述分隔裝置5包括芯體和外殼51，所述芯體設置在外殼51中，所述外殼與換熱管內(nèi)壁連接固定，所述芯體包括多個同心管54和肋片53，所述肋片53連接相鄰的同心管54。相鄰的肋片53及其肋片53連接的同心管54之間限定形成環(huán)孔52。

本發(fā)明在換熱管內(nèi)設置環(huán)形分隔裝置，通過多管式分隔裝置將兩相流體中的液相和氣相進行分離，將液相分割成小液團，將氣相分割成小氣泡，抑制液相的回流，促使氣相順暢流動，起到穩(wěn)定流量的作用，具有減振降噪的效果。相對于多管式分隔裝置，進一步提高穩(wěn)流效果，強化傳熱，而且制造簡單。

本發(fā)明通過設置環(huán)形分隔裝置，相當于在換熱管內(nèi)增加了內(nèi)換熱面積，強化了換熱，提高了換熱效果。

本發(fā)明因為將氣液兩相在所有換熱管的所有橫截面位置進行了分割，從而在整個換熱管截面上實現(xiàn)氣液界面以及氣相邊界層的分割與冷卻壁面的接觸面積并增強擾動，大大的降低了噪音和震動，強化了傳熱。

作為優(yōu)選，作為優(yōu)選，所述同心管54和/或肋片53上設置連通孔。

相鄰環(huán)孔之間設置連通孔，通過連通孔實現(xiàn)環(huán)孔52之間的連通。

通過設置連通孔，可以保證相鄰的環(huán)孔之間互相連通，能夠均勻環(huán)孔之間的壓力，使得高壓流道的流體流向低壓，同時也可以在流體流動的同時進一步分隔液相和氣相，有利于進一步穩(wěn)定兩相流動。

作為優(yōu)選，所述肋片的延長線穿過同心管的圓心。

作為優(yōu)選，沿著換熱管內(nèi)流體的流動方向，換熱管內(nèi)設置多個分隔裝置，從換熱管的入口到換熱管的中部，相鄰分隔裝置之間的距離越來越長，從換熱管的中部到換熱管的出口，相鄰的分隔裝置之間的距離越來越短。即換熱管的長度為l，距離換熱管入口的距離為x，相鄰分隔裝置之間的距離為s，s＝f1(x)，s’是s的一次導數(shù)，滿足如下要求：

s’>0,0<＝x<l/2；

s’<0,l/2<＝x<＝l；

主要原因是因為流體中含有不凝氣體，因此沿著流體的流動方向，不凝氣體依然存在，不會因為換熱管內(nèi)流體放熱而冷凝。從換熱管6入口到換熱管6中部，因為流體從前封頭1進入換熱管內(nèi)，在換熱管6的前部流動中，流體的震動和噪音相對少，因此此時可以將分隔裝置之間的距離設置的大一些，既可以實現(xiàn)減震和降低噪音，同時還能夠降低阻力。但是從換熱管的中部往后，因為存在從換熱管6到后封頭9這一段的空間從小到大的變化，這一段的變化會導致氣體的快速向上流出和聚集，液體也會快速的項下部流出和聚集，因此空間變化會導致聚集的氣相(氣團)從管板位置進入封頭，由于氣(汽)液密度差，氣團離開接管位置將迅速向上運動，而氣團原空間位置被氣團推離壁面的液體同時也將迅速回彈并撞擊壁面，形成水錘現(xiàn)象。氣(汽)液相越不連續(xù)，氣團聚集越大，水錘能量越大。水錘現(xiàn)象會造成較大的噪聲震動和機械沖擊，對設備造成破壞。因此為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，此時設置的相鄰分隔裝置之間的距離越來越短，從而不斷的在流體輸送過程中分隔氣相和液相，從而最大程度上減少震動和噪音。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，通過上述的設置，既可以最大程度上減少震動和噪音，同時可以保證降低流體的流動阻力。

進一步優(yōu)選，從換熱管的入口到換熱管的中部，相鄰分隔裝置之間的距離越來越長的幅度不斷增加，從換熱管的中部到換熱管的出口，相鄰的分隔裝置之間的距離越來越短的幅度不斷增加。即s”是s的二次導數(shù)，滿足如下要求：

s”>0,0<＝x<l/2；

s”>0,l/2<＝x<＝l；

通過實驗發(fā)現(xiàn)，通過如此設置，能夠進一步降低10％左右的震動和噪音，同時降低流動5％左右的阻力。

作為優(yōu)選，每個分隔裝置的長度保持不變。

作為優(yōu)選，除了相鄰的分隔裝置之間的距離外，分隔裝置其它的參數(shù)(例如長度、管徑等)保持不變。

作為優(yōu)選，沿著換熱管6內(nèi)流體的流動方向，換熱管6內(nèi)設置多個分隔裝置5，從換熱管6的入口到換熱管6的中部，分隔裝置5的長度越來越短，從換熱管6的中部到換熱管6的出口，分隔裝置5的長度越來越長。即分隔裝置的長度為c，c＝f2(x)，c’是c的一次導數(shù)，滿足如下要求：

c’<0,0<＝x<l/2；

c’>0,l/2<＝x<＝l；

進一步優(yōu)選，從換熱管的入口到換熱管的中部，分隔裝置的長度越來越短的幅度不斷增加，從換熱管的中部到換熱管的出口，分隔裝置的長度越來越長的幅度不斷增加。即c”是c的二次導數(shù)，滿足如下要求：

c”>0,0<＝x<l/2；

c”>0,l/2<＝x<＝l；

具體理由如相鄰分隔裝置之間的距離的變化相同。

作為優(yōu)選，相鄰分隔裝置之間的距離保持不變。

作為優(yōu)選，除了分隔裝置的長度外，分隔裝置其它的參數(shù)(例如相鄰的間距、管徑等)保持不變。

作為優(yōu)選，沿著換熱管6內(nèi)流體的流動方向，換熱管6內(nèi)設置多個分隔裝置，從換熱管6的入口到換熱管6的中部，不同分隔裝置5內(nèi)的環(huán)孔52的水力直徑越來越大，從換熱管的中部到換熱管的出口，不同分隔裝置5內(nèi)的環(huán)孔52的水力直徑越來越小。即分隔裝置的環(huán)孔的水力直徑為d，d＝f3(x)，d’是d的一次導數(shù)，滿足如下要求：

d’>0,0<＝x<l/2；

d’<0,l/2<＝x<＝l；

作為優(yōu)選，從換熱管的入口到換熱管的中部，分隔裝置的環(huán)孔水力直徑越來越大的幅度不斷增加，從換熱管的中部到換熱管的出口，分隔裝置的環(huán)孔水力直徑越來越小的幅度不斷增加。即

d”是d的二次導數(shù)，滿足如下要求：

d”>0,0<＝x<l/2；

d”>0,l/2<＝x<＝l。

具體理由如相鄰分隔裝置之間的距離的變化相同。

作為優(yōu)選，分隔裝置的長度和相鄰分隔裝置的距離保持不變。

作為優(yōu)選，除了分隔裝置的環(huán)孔水力直徑外，分隔裝置其它的參數(shù)(例如長度、相鄰分隔裝置之間的距離等)保持不變。

進一步優(yōu)選，如圖4所示，所述換熱管6內(nèi)部設置凹槽，所述分隔裝置5的外殼51設置在凹槽內(nèi)。

作為優(yōu)選，外殼51的內(nèi)壁與換熱管6的內(nèi)壁對齊。通過對齊，使得換熱管內(nèi)壁面表面上達到在同一個平面上，保證表面的光滑。

作為優(yōu)選，外殼51的厚度小于凹槽的深度，這樣可以使得換熱管內(nèi)壁面形成凹槽，從而進行強化傳熱。

進一步有選，如圖5所示，換熱管6為多段結(jié)構(gòu)焊接而成，多段結(jié)構(gòu)的連接處設置分隔裝置5。這種方式使得設置分隔裝置的換熱管的制造簡單，成本降低。

通過分析以及實驗得知，分隔裝置之間的間距不能過大，過大的話導致減震降噪的效果不好，同時也不能過小，過小的話導致阻力過大，同理，環(huán)孔的直徑也不能過大或者過小，也會導致減震降噪的效果不好或者阻力過大，因此本發(fā)明通過大量的實驗，在優(yōu)先滿足正常的流動阻力(總承壓為10mpa以下，或者單根換熱管的沿程阻力小于等于50pa/m)的情況下，使得減震降噪達到最優(yōu)化，整理了各個參數(shù)最佳的關(guān)系。

相鄰分隔裝置之間的距離為s，分隔裝置的長度為c，換熱管的外徑為w，相鄰同心管(例如圖6中的3個同心管中任意相鄰的2個)半徑分別為r2和r1，其中r2>r1，和/或者外殼51與相鄰的同心管的半徑分別為r2和r1，(例如圖6中的外殼51的半徑為r2，與外殼相連的同心管的半徑為r1)，相鄰的肋片之間的圓弧的弧度為h，滿足如下要求：

s/c＝a-b*ln(w/e)；

e＝((h*r2²-h*r1²)/2)^1/2；

其中l(wèi)n是對數(shù)函數(shù)，a,b是參數(shù)，其中16.1<a<17.2,7.9<b<8.8；

34<w<58mm；

7<e<12；

14<c<23mm；

50<s<70mm。

作為優(yōu)選，16.3<a<16.6,8.2<b<8.5。

其中分隔裝置的間距s是以相鄰分隔裝置相對的兩端之間的距離；即前面分隔裝置的尾端與后面分隔裝置的前端之間的距離。具體參見圖4的標識。

上面的公式中實際上將外殼51視為最外層的同心管來一起參與計算。

弧度h是以肋片53的中間線限定的弧度，參見圖7；同心管的半徑分別為r2和r1是以同心管的內(nèi)徑和外徑的平均值來計算的。

進一步優(yōu)選，a＝16.5,b＝8.4。

作為優(yōu)選，換熱管長度l為3000－7500mm之間。進一步優(yōu)選，4500－6000mm之間。

進一步優(yōu)選，40mm<w<50mm；

18mm<c<20mm；

55mm<s<60mm。

通過上述公式的最佳的幾何尺度的優(yōu)選，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足正常的流動阻力條件下，減震降噪達到最佳效果。

作為優(yōu)選，同心管為2－3個。

進一步優(yōu)選，隨著w/e的增加，a不斷增加，b不斷的減小。

對于其他的參數(shù)，例如管壁、殼體壁厚等參數(shù)按照正常的標準設置即可。

作為優(yōu)選，殼程內(nèi)流體是水。

作為優(yōu)選，管程內(nèi)流體流速3-5m/s。

作為優(yōu)選，換熱管的長度l與換熱器的殼體直徑比為6－10。

作為優(yōu)選，同心管和肋片在分隔裝置5的整個長度方向延伸。即同心管和肋片以及同心管和肋片之間形成的環(huán)孔52的長度等于分隔裝置5的長度。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。