專利名稱：采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及換熱器，特別涉及一種采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器及其強(qiáng)化
傳熱方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的換熱器技術(shù)有多種，有在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的各類管殼式換熱器，如傳統(tǒng)的 弓形折流板支撐普通光滑管束的管殼式換熱器，采用空心環(huán)網(wǎng)板及旋流網(wǎng)板支撐縮放管束 的強(qiáng)化傳熱管殼式換熱器(中國(guó)專利ZL200420015378. 0與ZL200420088741. 1)等，也有 多種板式換熱器，如平板板式換熱器與波紋板板式換熱器等，還有采用旋流片支撐的矩形 縮放管管束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法(中國(guó)專利ZL200710029118. 7)。
管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械密封性好，承壓能力高，管程與殼程冷熱兩側(cè)流道之 間的密封只有管束兩端管子與管板之間的焊接或脹接密封，因此可以應(yīng)用于許多高溫與 高壓的換熱場(chǎng)合，而且管程與殼程的傳熱管流道面積較大，不易被污垢堵塞，便于清理，流 體的流動(dòng)阻力較低，換熱器的操作能耗較少，但缺點(diǎn)是傳熱管的管壁厚度較大(1 4mm)， 在一定換熱面積的條件下?lián)Q熱器的金屬材料消費(fèi)較多，板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是單位換熱器 體積內(nèi)換熱面積較大，換熱器緊湊，可以采用薄壁金屬板(0.2 0.8mm)作為換熱元件， 在相同換熱面積的條件下金屬材料的消費(fèi)遠(yuǎn)低于管殼式換熱器，但缺點(diǎn)是換熱器的機(jī)械 密封難度大，冷熱兩側(cè)流道之間的密封長(zhǎng)度包括每塊換熱板面在冷熱兩側(cè)的四周邊，共計(jì) 8條邊界的密封，需要密封的邊界太長(zhǎng)，固容易產(chǎn)生流體泄漏，不宜用于高溫與高壓的換 熱場(chǎng)合，而且板式換熱器的板間距較小，流體流動(dòng)阻力較大，容易造成污垢堵塞，換熱器的 操作能耗較大，換熱器流道不容易清理，因此普通的板式換熱器不能適用于高溫，低密度， 巨大體積流量的煙氣與煙氣之間的換熱，針對(duì)上述管殼式換熱器與板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)， 發(fā)明人曾提出采用旋流片支撐的矩形縮放管管束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法(中國(guó)專利 ZL200710029118. 7)，可以較好克服上述換熱器存在的缺點(diǎn)和發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，但問(wèn)題是在管外 壓力較大時(shí)板面容易產(chǎn)生形變，為此，發(fā)明人進(jìn)一步提出一種采用自支撐的矩形縮放管管 束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法，以改善其板面支撐強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的換熱器技術(shù)對(duì)于管殼式換熱器金屬材料消費(fèi)較大，
而板式換熱器容易泄漏，且操作能耗較高的缺點(diǎn)，提供一種適用于高溫，低密度，且板面自
身具有自支撐能力，可以適合于巨大體積流量煙氣與煙氣之間換熱的采用自支撐的矩形縮
放管管束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法。 本發(fā)明的換熱器通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器，包括筒體5、置于筒體5內(nèi)且沿筒體軸向的 若干個(gè)寬度不一且相互平行的矩形縮放管管束4、置于矩形縮放管管束4兩端的管板2、與 兩端管板2相連的上下封頭1、9及換熱器管程與殼程的進(jìn)出接口 (10、 12、3、 11)，管程的進(jìn)出接口 (10、12)與上下封頭(1、9)連接，殼程的進(jìn)出接口 (3、11)與筒體5連接，在矩形縮 放管4的兩塊平行板面間沿橫向等距壓制有若干條兩板間對(duì)稱的軸向凹槽13，兩板間軸向 凹槽13的底端抵觸相接，可以抵御管外對(duì)板面的形變壓力，在矩形縮放管管束的管間沿軸 向在板面的凹槽13處均勻間隔分置旋流片8，作為管與管之間的管間支持物，旋流片8的中 心線與矩形縮放管4的軸心線方向一致，橫向相鄰的旋流片的旋向相反，軸向相鄰的旋流 片的旋向相同。 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的 有益的是，所述自支撐矩形縮放管4由兩塊兩側(cè)封閉的平行粗糙板面構(gòu)成，兩板
之間相隔一定的板間距，兩塊板面上沿橫向等距壓制有若干條兩板間對(duì)稱的軸向凹槽13，
兩板間軸向凹槽13的底端抵觸相接，可以抵御管外對(duì)板面的形變壓力。 有益的是，所述自支撐矩形縮放管4的粗糙縮放肋面為周期性波形起伏的粗糙肋
面，其波形可以是折線波或曲線波，波形起伏的方向沿矩形管的軸向，波高為矩形管板間距
的1. 5% 20%，波間距為矩形管板間距的10% 100%。 有益的是，所述自支撐矩形縮放管4的板面自支撐凹槽13可以是圓弧形或梯形凹 槽，凹槽的深度為矩形管板間距的50%，相鄰凹槽的橫向間距為矩形管板間距的1 10倍。
有益的是，所述旋流片8為在片狀短扭帶，旋流片8的扭角為180 360度，旋流 片8的扭率為1. 5 10。 有益的是，管間的旋流片8在矩形縮放管4的板面凹槽13處沿軸向間隔安置，旋 流片8與相鄰的矩形縮放管4的外壁相接觸。 有益的是，所述旋流片8在橫向之間用薄扁鋼7連接構(gòu)成一組組橫向旋流片組，在
同一軸向上的橫向旋流片組用若干根定位拉桿6固定。有益的是，所述矩形縮放管管束4的間距為10mm 100mm。 有益的是，所述旋流片8在橫向的間距為1 10倍矩形縮放管管束4的間距，在 軸向的間距為3 60倍矩形縮放管管束4的間距。 應(yīng)用本發(fā)明所述的采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的方法流 體在矩形縮放管管束4的管內(nèi)與管間兩側(cè)流動(dòng)，兩側(cè)流體均在粗糙縮放肋面的擾動(dòng)作用下 強(qiáng)化傳熱，同時(shí)，管間流體每經(jīng)過(guò)一組橫向旋流片組時(shí)，形成若干平行且相互獨(dú)立的螺旋 流，之后，螺旋流依靠流體自身的運(yùn)動(dòng)慣性在兩組橫向旋流片組的間距中保持自旋流并逐 漸衰減，流體經(jīng)過(guò)下一組橫向旋流片組時(shí)，又再形成螺旋流，流體沿流動(dòng)方向重復(fù)所述螺旋 流與自旋流的過(guò)程，流體螺旋流與自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動(dòng)速度與湍流度提 高，也有效地強(qiáng)化了流體的對(duì)流傳熱。 本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果可以采用薄壁的金屬板(厚度 0. 2 0. 8mm)制作矩形管，這樣能夠克服管殼式換熱器傳熱管管壁厚，金屬材料消費(fèi)多的 缺點(diǎn)，由于矩形縮放管管束只有一條軸向焊縫，矩形縮放管管束的兩端與管板連接，因此相 當(dāng)于每塊傳熱板面在冷熱兩側(cè)只有3條周邊需要密封，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于板式換熱器每塊傳熱板面 在冷熱兩側(cè)有8條周邊需要密封，從而可以大幅減少密封周邊的長(zhǎng)度，提高密封的可靠性。 此外，矩形縮放管管束的板間距可以相距較大，板間采用軸向凹槽作為自支撐，旋流片在矩 形縮放管管束的管間起到支撐作用，使矩形縮放管管束的管間可以定位，另一方面，矩形縮 放管管束的粗糙肋面可以擾動(dòng)兩側(cè)流體，旋流片可以使管間流體產(chǎn)生螺旋流與自旋流，強(qiáng)化矩形縮放管管間的流體對(duì)流傳熱，而且因?yàn)榱黧w在自旋流區(qū)域的流動(dòng)阻力很小，故只需 要付出較少阻力的代價(jià)，就可以獲得較大傳熱性能的提高，克服板式換熱器流體阻力大，操 作能耗高的缺點(diǎn)，而且矩形縮放管管束的板間距較大，通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不容易被污垢堵塞， 便于清理，這都優(yōu)于板式換熱器。因?yàn)榫邆湟陨系膬?yōu)點(diǎn)，采用自支撐的矩形縮放管管束換熱 器比現(xiàn)有的管殼式換熱器與板式換熱器更適合于高溫，低密度與巨大體積流量的煙氣換熱 場(chǎng)合。


圖1是本發(fā)明換熱器的俯視示意圖。
圖2是圖1沿AA線的剖視示意圖。
圖3是一組橫向旋流片組的正視圖。
圖4是一組橫向旋流片組的俯視圖。 圖5是自支撐矩形縮放管的粗糙板板面為周期性折線形的粗糙肋面時(shí)的側(cè)視示 意圖。 圖6是自支撐矩形縮放管的粗糙板板面為周期性波浪形的粗糙肋面時(shí)的側(cè)視示 意圖。 圖7是矩形縮放管的示意圖。 圖8是圖7所示矩形縮放管的俯視示意圖。 圖中示出1 :下封頭；2 :管板；3 :殼程入口接口 ；4 :矩形縮放管管束；5 :筒體；6 : 定位拉桿；7 :薄扁鋼；8 :旋流片；9 :上封頭；10 :管程入口接口 ；11 :殼程出口接口 ；12 :管 程出口接口 ；13 :凹槽。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施例不限與 此。 本發(fā)實(shí)施例的換熱器結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器， 包括筒體5、置于筒體5內(nèi)且沿筒體軸向的若干個(gè)寬度不一且相互平行的矩形縮放管管束 4、置于矩形縮放管管束4兩端的管板2、與兩端管板2相連的上下封頭(1、9)及換熱器管程 與殼程的進(jìn)出接口 (10、12、3、11)，管程的進(jìn)出接口 (10、12)與上下封頭(1、9)連接，殼程的 進(jìn)出接口 3、11與筒體5連接，如圖7、圖8，在矩形縮放管4的兩塊平行板面間沿橫向等距 壓制有若干條兩板間對(duì)稱的軸向凹槽13，兩板間軸向凹槽13的底端抵觸相接，可以抵御管 外對(duì)板面的形變壓力，在矩形縮放管管束的管間沿軸向在板面的凹槽13處均勻間隔分置 旋流片8，作為管與管之間的管間支持物，旋流片8的中心線與矩形縮放管4的軸心線方向 一致，橫向相鄰的旋流片的旋向相反，軸向相鄰的旋流片的旋向相同。 所述矩形縮放管管束4由兩塊兩側(cè)封閉的平行板面構(gòu)成，兩板之間相隔一定的板 間距；平行板面為縮放粗糙肋板面，粗糙板板面為周期性波形起伏的粗糙肋面，其波形是折 線波或曲線波(如圖5、圖6)。 所述換熱器管程的進(jìn)出接口 (10、12)的方向可以在0 360度水平方向與上下封 頭(1、9)連接，殼程的進(jìn)出接口 (3、11)在水平方向上與筒體連接。
管程的進(jìn)出接口 (10、12)與上下封頭(1、9)及矩形縮放管管束4的管內(nèi)流道共同 構(gòu)成換熱器的管程通道，殼程的進(jìn)出接口 (3、11)和筒體5與矩形縮放管管束4的管間流道 以及管板2共同構(gòu)成換熱器的殼程通道。 在本例中，筒體5，下封頭1與上封頭9的直徑均為1700mm，壁厚均為8mm，筒體5 長(zhǎng)4000mm，下封頭1與上封頭9的高度均為1100mm，管板2的直徑為1000mm，厚度為30mm， 矩形縮放管管束4的平板厚度為0. 5mm，平板間距為50mm，矩形縮放管管束4的管心距為 50mm，在筒體5內(nèi)沿橫向均布17根寬度不一的矩形縮放管管束4，矩形縮放管管束4的長(zhǎng) 度為4070mm，在矩形縮放管管束4沿橫向等距150mm壓制有軸向凹槽13，在管內(nèi)形成自支 撐，在管間均布旋流片8作為管間支持物，旋流片8的片條厚度為2mm，寬度為49. 5mm，扭 率為3，片條長(zhǎng)度為150mm，采用厚度為2mm，高度為15mm的薄扁鋼7將橫向均布的旋流片8 連接為一組橫向旋流片組(圖3和圖4分別是一組橫向旋流片組的正視圖和俯視圖)，沿 換熱器的管間軸向等距600mm安置7組橫向旋流片組，換熱器管程與殼程的接口直徑均為 800mm。本例換熱器的金屬材料消費(fèi)比管殼式換熱器可以較少40 % 50%，密封的可靠性 比板式換熱器可提高50%，流體阻力或操作能耗可比板式換熱器降低30% 40%，適合于 低密度，大體積流量的高溫氣體與氣體的換熱場(chǎng)合使用。
權(quán)利要求
采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器，包括筒體(5)、置于筒體(5)內(nèi)矩形縮放管管束(4)、置于矩形縮放管管束(4)兩端的管板(2)、與管板(2)相連的上封頭(1)和下封頭(9)及換熱器管程與殼程的進(jìn)出接口(10、12、3、11)，管程的進(jìn)出接口(10、12)與上下封頭(1、9)連接，殼程的進(jìn)出接口(3、11)與筒體(5)連接，其特征在于所述矩形縮放管管束(4)由多個(gè)相互平行且沿筒體(5)軸向排列的自支撐矩形縮放管組成；所述自支撐矩形縮放管由兩塊平行粗糙板兩側(cè)封閉構(gòu)成，兩塊平行粗糙板板面上均壓制有若干條沿橫向排列的軸向凹槽(13)，兩板面上的凹槽(13)底端朝向相反且相互接觸；沿筒體(5)軸向在相鄰兩自支撐矩形縮放管間的所述凹槽(13)處均勻間隔設(shè)置旋流片(8)，作為矩形縮放管管束(4)的管間支持物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的換熱器，其特征是旋流片(8)的中心線與自支撐矩形縮放管 的軸心線方向一致，在筒體(5)橫向上相鄰的旋流片(8)的旋向相反，軸向上相鄰的旋流片 (8)的旋向相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的換熱器，其特征是在筒體(5)橫向上且位于相鄰自支撐矩形 縮放管之間的所述旋流片(8)用薄扁鋼(7)連接構(gòu)成一組橫向旋流片組，相鄰自支撐矩形 縮放管之間的多組橫向旋流片組用定位拉桿(6)固定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述自支撐矩形縮放管的同一板面上的 相鄰兩凹槽(13)之間的間距相等。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的換熱器，其特征在于相鄰自支撐矩形縮放管之 間的旋流片(8)在所述板面上的凹槽(13)處沿軸向間隔安置，旋流片(8)與相鄰的自支撐 矩形縮放管的外壁相接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的換熱器，其特征在于所述自支撐矩形縮放管的粗糙板板面 為周期性波形起伏的粗糙肋面，其波形是折線波或曲線波，波形起伏的方向沿管的軸向，波 高為自支撐矩形縮放管管板間距的1. 5% 20%，波間距為自支撐矩形縮放管管板間距的 10% 100%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的換熱器，其特征在于所述自支撐矩形縮放管的板面上的凹槽 (13)是圓弧形或梯形凹槽，凹槽的深度為自支撐矩形縮放管管板間距的50%，相鄰凹槽的 橫向間距為自支撐矩形縮放管管板間距的1 10倍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的換熱器，其特征在于所述旋流片(8)為片狀短扭帶，所述旋 流片(8)的扭角為180 360度，旋流片(8)的扭率為1. 5 10。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的換熱器，其特征在于兩個(gè)相鄰自支撐矩形縮放管的間距為 10mm 100mm;在筒體橫向上和軸上兩相鄰旋流片(8)的間距分別為兩相鄰自支撐矩形縮 放管的間距的為1 10倍和3 60倍。
10. 應(yīng)用權(quán)利要求1所述的換熱器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的方法，其特征在于，流體在矩形縮 放管管束(4)的自支撐矩形縮放管內(nèi)與管間兩側(cè)流動(dòng)，兩側(cè)流體均在粗糙板面的擾動(dòng)作用 下強(qiáng)化傳熱，同時(shí)，管間流體每經(jīng)過(guò)一組橫向旋流片組時(shí)，形成若干平行且相互獨(dú)立的螺旋 流，之后，螺旋流依靠流體自身的運(yùn)動(dòng)慣性在兩組橫向旋流片組的間距中保持自旋流并逐 漸衰減，流體經(jīng)過(guò)下一組橫向旋流片組時(shí)，又再形成螺旋流，流體沿流動(dòng)方向重復(fù)所述螺旋 流與自旋流的過(guò)程，流體螺旋流與自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動(dòng)速度與湍流度提 高，進(jìn)一步強(qiáng)化了流體的對(duì)流傳熱。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了采用自支撐的矩形縮放管管束換熱器及其強(qiáng)化傳熱方法，換熱器包括筒體、置于筒體內(nèi)矩形縮放管管束、置于矩形縮放管管束兩端的管板、上封頭和下封頭及換熱器管程與殼程的進(jìn)出接口，管程的進(jìn)出接口與上下封頭連接，殼程的進(jìn)出接口與筒體連接，所述矩形縮放管管束由多個(gè)相互平行且沿筒體軸向排列的自支撐矩形縮放管組成；沿筒體軸向在相鄰兩自支撐矩形縮放管間的所述凹槽處均勻間隔設(shè)置旋流片，作為矩形縮放管管束的管間支持物。所述方法是依靠矩形縮放管的粗糙縮放肋面對(duì)流體的擾動(dòng)與旋流片產(chǎn)生的螺旋流和自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動(dòng)速度與湍流度提高，有效強(qiáng)化流體的對(duì)流傳熱。本發(fā)明的換熱器可在工業(yè)的氣體換熱中普遍推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)F28F9/007GK101762191SQ20091021597
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者何兆紅, 李自衛(wèi), 鄧先和 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)