CN103017570A - 微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，包括壳体、上管板、下管板、微波浪管、直管，壳体、上管板、下管板组成密闭空间，微波浪管和直管安装在密闭空间里，上管板左侧设置上封头，下管板右侧设置下封头，上封头连通管侧进口，下封头连通管侧出口，微波浪管和直管均分别连通上封头和下封头，在壳体上，上管板旁设置壳侧出口，下管板旁设置壳侧进口。本发明微波浪管的波浪形结构可使管内流体流动时产生强烈的二次流，从而显著强化管内换热；当管束长度相同时，微波浪管的实际长度要远大于直管长度，由此可带来换热面积的大幅提升，从而起到附加的强化作用。

Description

微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器

技术领域

本发明涉及的是一种强化换热技术领域的换热器。

背景技术

换热器广泛应用于石油、化工、制冷、发电等诸多领域，其中管壳式换热器所占的比例最大，被誉为工业过程的“传热之母”。

管壳式换热器的核心部件是传热管，其换热能力的好坏直接决定了换热器性能的优劣。随着强化换热技术研究的不断深入，人们开发出很多强化换热元件，波浪管便是其中之一。波浪管利用沿轴线方向正反变化的弯曲结构使管内流体在流动时产生强烈的二次流，从而起到强化换热的作用，而其弯曲结构对管外流体同样会产生扰动作用，尤其在管束密集排布时效果更为明显。

利用波浪管制作管壳式换热器有两方面问题是值得认真研究的：

1.波浪管的弯曲弧度。

波浪管的弯曲弧度决定了管内二次流的强度和流动阻力的大小，弧度越大二次流越强烈，换热性能越好，但阻力也越大；另外，较大的弯曲弧度不利于管束在壳程空间的排布，还会使换热器的体积增大，因此在利用波浪管制作换热器时，管子的弯曲弧度不易过大。

2.波浪管的壳侧支撑

如果采用传统的弓形折流板对管束进行支撑，由于管束沿轴向方向存在弯曲弧度，不但会使管束和折流板的加工精度要求大幅提高，而且也会使折流板的安装工艺变得非常复杂；另外，折流板的存在还会大幅削弱波浪管本身对壳程流体产生的扰动。因此，波浪管管束的支撑问题亟待解决。

目前国内外对波浪管换热器的研究尚未充分开展，关于波浪管换热器的相关专利也寥寥无几。现有的结构设计非常简单，对波浪管的结构、在壳体内的具体布置方式和管子在管板上的排列等重要问题都没有提出明确的方案（专利申请号：94225614.X），无法满足换热器实际生产和使用的技术要求。其他概念性设计也存在换热管结构复杂、加工制造困难、难以承受高压等突出的问题，且壳侧结构无法满足水-水换热的设计要求，应用场合仅限于汽车废气的冷却系统（专利申请号：200610165381.4）。

发明内容

本发明的目的在于提供加工简单、结构紧凑、管间支撑结构可靠、具有很强的换热能力的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：包括壳体、上管板、下管板、微波浪管、直管，壳体、上管板、下管板组成密闭空间，微波浪管和直管安装在密闭空间里，上管板左侧设置上封头，下管板右侧设置下封头，上封头连通管侧进口，下封头连通管侧出口，微波浪管和直管均分别连通上封头和下封头，在壳体上，上管板旁设置壳侧出口，下管板旁设置壳侧进口。

本发明还可以包括：

1、所述的微波浪管由两端的直线形管和中间的波浪形管组成，波浪形管由弯曲弧度相等的圆弧组成，圆弧的弧度不大于60度，一个正向弯曲的圆弧和一个反向弯曲的圆弧构成一个圆弧周期。

2、壳体内微波浪管和直管以交替的方式排列，即除边缘外，每根微波浪管的周围均设置为直管，每根直管的周围均设置为微波浪管，直管与微波浪管线接触，形成互相支撑的结构，直管的直径不小于波浪管的直径。

3、在微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器本体的剖视图上，相邻的三个微波浪管和三个直管构成等边三角形，三个微波浪管为等边三角形的三条边，三个直管为等边三角形的三个顶点。

4、在最外围的直管或微波浪管外设置约束圈，约束圈的内缘与最外围的直管或微波浪管外缘沿轴向相切。

5、每两个或三个圆弧周期设置一个约束圈。

6、在约束圈外侧固定安装拉杆，拉杆的两端分别固连上管板和下管板。

7、在约束圈与壳体之间，还安装有微波浪管或/和直管。

本发明的优势在于：

1.微波浪管的波浪形结构可使管内流体流动时产生强烈的二次流，从而显著强化管内换热；而对于壳侧而言，密集的波浪结构可以对壳程流体产生强烈的搅混作用，使换热大大增强；此外，当管束长度相同时，微波浪管的实际长度要远大于直管长度，由此可带来换热面积的大幅提升，从而起到附加的强化作用。

2.微波浪管的加工方法简单，不破坏换热管机械结构，对其机械性能影响较小，可以满足光滑直管所适用的工作环境；管子的波浪结构，可以通过适当的形变吸收在管子受热不均匀时产生的热应力；流体流经波浪结构时，流动方向不断改变，产生的冲刷作用可以抑制管道表面污垢的沉积，具有良好的自清洁能力。

3.省去了折流板等管间支撑部件，简化了换热器的结构，节省了材料，使安装更加简单、可靠；另外，省去折流板还可显著降低壳程压降以及折流板存在时带来的污垢沉积问题和流体横向冲刷管束时带来的传热管振动和疲劳破坏，提高了换热器的换热能力和使用寿命。

4.正六边形约束圈的存在可适当放宽波浪管的加工精度和混合管束的配合精度，还可有效解决最外侧的波浪管和光管得不到较好约束的问题；另外，正六边形约束圈还可以填补管束与换热器壳体之间的空间，有效减少旁通流量。

5.约束圈各边外侧根据实际情况焊接一定数量的拉杆，不仅实现了约束圈的轴向固定，而且可以进一步减少壳程旁通流量，提高换热效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为微波浪形换热管示意图；

图3为自支撑单元结构3D示意图；

图4为换热器管束截面图示意图；

图5为管束部分装配的3D示意图（约束圈外全拉杆装配）；

图6管束部分装配的3D示意图（约束圈外拉杆与微波浪换热管混合装配）。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明包括壳体1、微波浪管2、直管3、拉杆4、约束圈5、管板（6、7）、上封头8、下封头9、管侧进口10、管侧出口11、壳侧进口12和壳侧出口13，壳体1上的壳侧进口管12和壳侧出口管13采用侧进侧出形式，安装在壳侧两端靠近下封头9和上封头8的位置，沿与壳体垂直方向流入和流出壳侧空间，壳侧进口管12和壳侧出口管13之间的夹角依据安装要求可以为任意角度，管侧进口管10和管侧出口管11分别位于上封头8和下封头9的中心，换热器的换热管束由微波浪管2和直管3构成，管束不需要折流板支撑，而是依靠自身的接触而使微波浪管和直管起到相互支撑的作用，所述换热器的壳程流体和管程流体采用逆流方式进行换热,在进行热交换时，壳程流体由壳侧进口管12流入，在外掠管束完成换热后由壳侧出口管13流出；管程流体由管侧进口10流入上封头8，经管板6上的传热管接口流入管束，在管内完成换热后由管板7上的传热管接口流入下封头9，最后由管侧出口管11流出换热器。

结合附图2所示的微波浪形换热管示意图，换热器内使用的微波浪管由两端的直管段和中间的弯管段组成，其中直管段的长度略大于管板的厚度，而弯管段由若干弯曲弧度相等的圆弧组成，弯曲弧度一般在60°以下。微波浪管的弯管段分为若干周期，每一周期内包括一个正向弯曲的圆弧结构和一个反向弯曲的圆弧结构，且所有的圆弧结构处于同一平面内。微波浪管可通过弯管机械对光管进行多次弯曲加工得到。

结合附图3所示的自支撑单元结构3D示意图，以中心圆管直径和微波浪管直径相等的情况为例,中心圆管周围布置了6根微波浪管，这些微波浪管的波形关于该光管轴对称，光管与微波浪管的波峰或波谷直接接触，互为支撑。

结合附图4所示的换热器管束截面图示意图，以中心圆管直径和微波浪管直径相等的情况为例,管束在管板上的排列方式为等边三角形排列（或正六边形排列）。管板上最内侧正六边形的边长为管中心距。在中心区外，按照波-直交替的方式依次布管，最终使得每根光管（边缘除外）周围均布6根波浪管，每根波浪管（边缘除外）的波峰和波谷处均有光管支撑。布管完成后，在所布的最大正六边形管束外需加套一个正六边形约束圈，约束圈的内缘与混合管束外缘沿轴向相切。

结合附图5、6所示的管束部分装配的3D示意图，以中心圆管直径和微波浪管直径相等的情况为例,沿管束轴向2个微波浪管的周期布置了一个约束圈，并在约束圈各边外侧装有拉杆和附加的传热管，其中拉杆与约束圈焊接在一起，这样不但可以对约束圈起到固定作用，而且填补了管束周围的壳程空间，减少了旁通流量，是换热器的换热能力有了进一步的提升。

Claims (8)

1.微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：包括壳体、上管板、下管板、微波浪管、直管，壳体、上管板、下管板组成密闭空间，微波浪管和直管安装在密闭空间里，上管板左侧设置上封头，下管板右侧设置下封头，上封头连通管侧进口，下封头连通管侧出口，微波浪管和直管均分别连通上封头和下封头，在壳体上，上管板旁设置壳侧出口，下管板旁设置壳侧进口。

2.根据权利要求1所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：所述的微波浪管由两端的直线形管和中间的波浪形管组成，波浪形管由弯曲弧度相等的圆弧组成，圆弧的弧度不大于60度，一个正向弯曲的圆弧和一个反向弯曲的圆弧构成一个圆弧周期。

3.根据权利要求2所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：壳体内微波浪管和直管以交替的方式排列，即除边缘外，每根微波浪管的周围均设置为直管，每根直管的周围均设置为微波浪管，直管与微波浪管线接触，形成互相支撑的结构，直管的直径不小于波浪管的直径。

4.根据权利要求3所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：在微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器本体的剖视图上，相邻的三个微波浪管和三个直管构成等边三角形，三个微波浪管为等边三角形的三条边，三个直管为等边三角形的三个顶点。

5.根据权利要求4所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：在最外围的直管或微波浪管外设置约束圈，约束圈的内缘与最外围的直管或微波浪管外缘沿轴向相切。

6.根据权利要求5所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：每两个或三个圆弧周期设置一个约束圈。

7.根据权利要求6所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：在约束圈外侧固定安装拉杆，拉杆的两端分别固连上管板和下管板。

8.根据权利要求7所述的微波浪管与直管混合排列自支撑式换热器，其特征是：在约束圈与壳体之间，还安装有微波浪管或/和直管。

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