專利名稱：縱向擾流管殼式換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于管殼式換熱器，特別涉及一種縱向擾流管殼式換熱器。
背景技術：
管殼式換熱器廣泛用于電力、化工、煉油等行業(yè)，約占換熱器總量
的70%。折流部件在管殼式換熱器中起著十分重要的作用， 一方面，對 管束起支撐和固定作用，另一方面，又對殼程流體起擾流作用。對于管 殼式換熱器，按殼程流體的流動方向，可分為橫向流、縱向流和螺旋流 三種。對于不同的殼程流動形態(tài)，管殼式換熱器的性能呈現(xiàn)較大差異。 而殼程流體的換熱系數(shù)對換熱器總傳熱系數(shù)的影響很大，研究殼程的流 動與換熱機理，對于減少換熱器能耗、降低傳熱溫差，提高換熱器性能， 具有重要意義。
表面與流體間的傳熱強化方式可以歸納為(1)減薄流體熱邊界層 厚度；(2)增加流體對壁面的擾動；(3)擴展傳熱表面；(4)改變換熱 表面的物理性質等。由于這些方法均基于邊界附近流體或換熱表面，因 而可以稱為邊界流傳熱強化或表面?zhèn)鳠釓娀?br> 對于管殼式換熱器的傳熱強化，可從改進傳熱管與管束擾流體兩個 方面考慮。改進傳熱管一般有波紋管、波紋螺旋管、螺旋槽紋管、縮放 管等。雖然大多數(shù)改進傳熱管對管程和殼程的換熱強化都有一定的作用， 但主要還是用于強化管程，對殼程的作用不是很大。折流板是管殼式換 熱器殼程的一種典型擾流結構，但由于流體橫向沖刷管束的傳熱效率較 低，流動阻力較大，而且常發(fā)生流體誘導振動，因而，國內外研究者在 折流板的基礎上，發(fā)展了一些新的管束擾流結構，如折流桿、螺旋折流 板等，使換熱器殼程流體的流動方向和流動狀態(tài)發(fā)生改變，進而強化換熱；見(1) R. Mukherjee， Use double-segmental baffles in the shell畫and-tube heat exchangers, Chem. Eng. Progress, 88: 47-52， 1992; (2)H. Li， V. Kottkeb, Analysis of local shell side heat and mass transfer in the shell國and-tube heat exchanger with disc-and畫doughnut， Int. J. of Heat and Mass Transfer, 42:3509-3521， 1999; (3) H. Li and V. Kottke， Effect of baffle spacing on pressure drop and local heat transfer in shell國and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement, Int. J. Heat Mass Transfer, 41(10):1303-1311， 1998; (4) Q.W. Dong, Y.Q. Wang, M.S. Liu， Numerical and experimental investigation of shell side characteristics for ROD baffle heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 28:651-660, 2008; (5) B. Peng， et al" An Experimental Study of Shell-and-Tube Heat Exchangers with Continuous Helical Baffles, J. of Heat Transfer, 129:1425-1431， 2007; (6) A丄.H. Costa， E.M. Queiroz, Design optimization of shell-and-tube heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 2008 (on line); (7) G.N. Xie et al., Heat transfer analysis for shell-and-tube heat exchangers with experimental data by artificial neural networks approach, Applied Thermal Engineering, 27:1096-1104, 2007。但在受限空間內采取諸如擴展肋、渦發(fā)生器、槽紋 以及其它強化傳熱措施后，流體的流動阻力也會明顯增加，其原因是 由于邊界附近流體的速度梯度、粘性擴散以及動量耗散的增大，使得流 體與表面間的剪切力、摩擦力以及流體的耗散功有不同程度的增加。若 流動阻力成為矛盾的主要方面，甚至可能會弱化換熱。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種縱向擾流管殼式換熱器，解決現(xiàn)有管殼式換熱器傳 熱強化和流體與表面間的剪切力、摩擦力以及流體的耗散功增加的問題， 改變換熱器管束內的支撐和擾流方式，提高換熱器的總體傳熱性能。本發(fā)明的一種縱向擾流管殼式換熱器，殼體上具有殼程進口和殼程 出口，殼體兩端由右封頭和左封頭封閉，并分別具有管程進口和管程出 口，殼體內設有左管板、右管板，左、右管板之間具有至少一個支撐框 架，多根傳熱管通過左、右管板和支撐框架固定，其特征在于
所述支撐框架由縱支撐桿、橫支撐桿和支撐環(huán)在外框內固定成網格 構成；
所述傳熱管通過支撐框架，四周由支撐框架上分布的支撐環(huán)限定位
置；
所述支撐框架上分布的每個支撐環(huán)內固定有擾流元件；所述擾流元
件由連接桿上軸向對稱至少安裝2組旋流葉片構成，每組旋流葉片為2 6片，沿連接桿周向均勻分布，每個旋流葉片在連接桿軸向上的安裝角度 相同；連接桿正中部分位于支撐環(huán)圓心并與支撐環(huán)固定。
所述的縱向擾流管殼式換熱器，其特征在于
所述擾流元件的連接桿上安裝的各組旋流葉片之間，旋流葉片的相 位角不相同。
所述的縱向擾流管殼式換熱器，其特征在于
所述旋流葉片形狀為端緣寬于底緣的等厚度扭曲曲面，端緣和底緣
以中心線為軸，相對順時針或逆時針扭曲40 65度；
旋流葉片的高度與連接桿的半徑之和小于支撐環(huán)的半徑。
本發(fā)明擾流元件的旋流葉片安置于支撐框架前后，對傳熱管管束間 流體流動起到很好的組織作用，當傳熱管管束間流體經過擾流元件時， 形成一種衰減的旋流，使流體混合均勻，當旋流衰減到一定程度之后， 再經過一個擾流元件，使得旋流又得到恢復，傳熱管管束間流體的混合作用又得到增強，這樣在傳熱管壁面形成一個等效的熱邊界層，因而傳 熱得到強化。
擾流元件不與傳熱管相接觸，位于傳熱管管束間的較小區(qū)域，只對 傳熱管管束間較小區(qū)域的流體有擾動混合作用，對傳熱管壁面流體的影 響較小，因而流動阻力增加不大，對于湍流時，優(yōu)勢更明顯。
各個擾流元件在傳熱管管束間沿軸向分布式安置，在能形成有效旋 流的前提下，擾流元件間的距離以及各組旋流葉片間距應盡可能大，這 樣，傳熱強化的同時，連續(xù)表面增加不多，因而阻力也增加不多。
本發(fā)明傳熱管管束間流體的流動和傳熱具有以下特征(1)核心流 區(qū)域溫度均勻；(2)對邊界層流體的流動狀態(tài)影響較?。?3)不增加流 場的速度梯度；(4)減少連續(xù)擴展面。因而不會造成較大的流動阻力， 同時可以改變溫度分布，使傳熱管管束間核心流區(qū)域的溫度分布均勻， 而在邊界區(qū)域形成了較大的溫度梯度，從而改變了傳熱特性，使換熱器 的綜合性能大為改善。


圖1為本發(fā)明的一種實施例的結構示意圖2為擾流元件和支撐框架的立體示意圖3為擾流元件的左視圖4為支撐框架示意圖5為旋流葉片的正視圖6為圖5的右視圖7為不同Re數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)h的變化曲線圖8為不同Re數(shù)下壓降AP的變化曲線圖9為不同Re數(shù)下努謝爾數(shù)Nu的變化曲線圖10為不同Re數(shù)下阻力系數(shù)f的變化曲線圖；圖11為不同Re數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)和壓降比值h/AP的變化曲線圖； 圖12為不同Re數(shù)下性能評價指標PEC的變化曲線圖； 圖13為不同APRe值下?lián)Q熱系數(shù)的變化曲線圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的一種具體的結構形式，殼體12上具有殼程進 口 3和殼程出口 11，殼體兩端由右封頭9和左封頭1封閉，并分別具有 管程進口8和管程出口 13，殼體12內設有左管板2、右管板IO，左、右 管板之間具有至少一個支撐框架6，多根傳熱管7通過左、右管板和支撐 框架6固定；支撐框架上固定有擾流元件4。
如圖2所示，擾流元件由連接桿5上軸向對稱至少安裝2組旋流葉 片構成，每組旋流葉片為4片，沿連接桿周向均勻分布，每個旋流葉片 18在連接桿軸向上的安裝角度相同；連接桿5正中部分位于支撐框架6 的支撐環(huán)15圓心并與支撐環(huán)固定。
如圖3所示，四個旋流葉片18沿周向均勻安裝在連接桿5上構成擾 流元件4，每個旋流葉片的安裝角相等，均為0度，且相鄰旋流葉片間的 夾角a為90度。本實施例中，連接桿5兩端旋流葉片的相位角為45度。
如圖4所示，支撐框架6由縱支撐桿16、橫支撐桿17和支撐環(huán)15 在外框14內固定成網格構成；傳熱管7通過支撐框架6，四周由支撐框 架上分布的支撐環(huán)15限定位置；擾流元件的連接桿5正中部分位于支撐 框架6的支撐環(huán)15圓心并與支撐環(huán)固定。
如圖5、圖6所示，本實施例中，旋流葉片形狀為端緣寬于底緣的等 厚度扭曲曲面，端緣和底緣以中心線為軸，相對逆時針扭曲50度；葉片 厚度為0.5mm，葉片底緣寬度2mm，端緣寬5mm，距中心高8mm，支 撐葉片的連接桿5直徑為2mm，擾流元件4徑向最大寬度18mm。
如圖4所示，傳熱管7外徑25mm，擾流元件4與傳熱管7壁面的間足巨力2mm。
這樣當殼程流體從殼程進口 3進入換熱器殼程之后，經過擾流元件 之后，形成旋流，流經一段距離之后，旋流逐漸減弱，此后，再經過下 一個擾流元件，旋流又重新組織起來，流體經過混合之后，傳熱管管束 間核心區(qū)域的溫度趨于均勻，而對邊界附近的流體流動影響不大，因而 與傳統(tǒng)的連續(xù)內插物強化傳熱元件相比，傳熱得到了強化，流動阻力增 加不大，因而綜合傳熱能力大為提高。
圖7~12為在傳熱管外徑為25mm，傳熱管長為960mm的管束核心
區(qū)域，均勻布置數(shù)個軸向擾流元件進行數(shù)值模擬的結果，計算流體為水， 雷諾數(shù)Re范圍為6000-21000，邊界條件為給定均勻進口速度和進口 溫度；給定出口壓力；管壁溫度為350K，旋流葉片表面絕熱。
流體在流經擾流元件時會產生旋流擾動，由于擾流元件布置在管束 的中心位置，因而旋流擾動主要發(fā)生在流道的中心區(qū)域，因而中心區(qū)域 流體的溫度更為均勻，從而使得管壁附近流體的溫度梯度顯著提高，流 體的換熱得以強化。此外，由于擾流葉片按分布式布置，擾流面積也比 較小，這樣，也就大大降低了表面對流體的粘性阻力。
圖7和圖8分別為在不同雷諾數(shù)Re下，流體流經折流桿換熱器管束、 本發(fā)明的換熱系數(shù)h和壓降AP的變化。從圖中可以看出，兩種結構換熱
器殼程的換熱系數(shù)變化趨勢相同，本發(fā)明的換熱系數(shù)略微小于折流桿換 熱器，但本發(fā)明的管束的壓降始終小于折流桿換熱器管束，而且，隨著
雷諾數(shù)Re的增加，二者的壓降差別越來越大。
圖9和圖IO分別為折流桿換熱器、本發(fā)明的努塞爾數(shù)Nu和阻力系 數(shù)f隨Re數(shù)的變化，其中，努塞爾數(shù)Nu的變化和圖8中換熱系數(shù)的變 化規(guī)律相同，隨著Re數(shù)的增加，由于流體的擾動加強，因而努塞爾數(shù) Nu增加。從圖10可見，隨著Re數(shù)的增加，阻力系數(shù)f逐漸減小。
圖11為在不同Re數(shù)下，折流桿換熱器和本發(fā)明換熱系數(shù)和壓降比值h/AP的變化關系，從圖中可以看出，在相同的Re數(shù)下，本發(fā)明的比 值始終大于折流桿換熱器。
圖12為本發(fā)明傳熱性能與折流桿相比得到的性能評價指標PEC值隨 Re數(shù)的變化規(guī)律，從圖中可以看出，在雷諾數(shù)1^=6000~21000之間，本 發(fā)明的換熱器綜合性能PEC值均大于l.l，這說明，根據(jù)PEC值的意義， 這說明，在相同的雷諾數(shù)Re下，本發(fā)明與折流桿相比，提高幅度大于10。/。。
圖13為相同的泵功下，折流桿換熱器和本發(fā)明的換熱系數(shù)的變化關 系，圖中橫坐標為壓降與雷諾數(shù)的乘積A^Re，表示功耗，可以看出，在 相同的功耗下，本發(fā)明的換熱系數(shù)比折流桿提高10%。
權利要求
1. 一種縱向擾流管殼式換熱器，殼體上具有殼程進口和殼程出口，殼體兩端由右封頭和左封頭封閉，并分別具有管程進口和管程出口，殼體內設有左管板、右管板，左、右管板之間具有至少一個支撐框架，多根傳熱管通過左、右管板和支撐框架固定，其特征在于所述支撐框架由縱支撐桿、橫支撐桿和支撐環(huán)在外框內固定成網格構成；所述傳熱管通過支撐框架，四周由支撐框架上分布的支撐環(huán)限定位置；所述支撐框架上分布的每個支撐環(huán)內固定有擾流元件；所述擾流元件由連接桿上軸向對稱至少安裝2組旋流葉片構成，每組旋流葉片為2～6片，沿連接桿周向均勻分布，每個旋流葉片在連接桿軸向上的安裝角度相同；連接桿正中部分位于支撐環(huán)圓心并與支撐環(huán)固定。
2. 如權利要求1所述的縱向擾流管殼式換熱器，其特征在于 所述擾流元件的連接桿上安裝的各組旋流葉片之間，旋流葉片的相位角不相同。
3. 如權利要求1或2所述的縱向擾流管殼式換熱器，其特征在于所述旋流葉片形狀為端緣寬于底緣的等厚度扭曲曲面，端緣和底緣以中心線為軸，相對順時針或逆時針扭曲40 65度；旋流葉片的高度與連接桿的半徑之和小于支撐環(huán)的半徑。
全文摘要
縱向擾流管殼式換熱器，屬于管殼式換熱器，解決現(xiàn)有管殼式換熱器傳熱強化和流體與表面間的剪切力、摩擦力以及流體的耗散功增加的問題。本發(fā)明殼體上具有殼程進、出口，兩端由右、左封頭封閉，并具有管程進、出口，殼體內左、右管板之間具有支撐框架，多根傳熱管通過左、右管板和支撐框架固定；支撐框架的每個支撐環(huán)內固定有擾流元件；擾流元件由連接桿上軸向對稱至少安裝2組旋流葉片構成，每組旋流葉片為2～6片，沿連接桿周向均勻分布，每個旋流葉片在連接桿軸向上的安裝角度相同；連接桿正中部分位于支撐環(huán)圓心并與支撐環(huán)固定。本發(fā)明流動阻力大幅度減少；同時由于擾流元件的擾流作用，傳熱得到了強化，提高換熱器的總體傳熱性能。
文檔編號F28D7/10GK101435670SQ20081023671
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權日2008年12月9日
發(fā)明者偉 劉, 劉志春, 昆 楊, 楊金國, 王英雙 申請人:華中科技大學