專利名稱：采用旋流片支撐的矩形管束換熱器及其強化傳熱方法
技術領域：
本發(fā)明涉及換熱器，特別涉及一種采用旋流片支撐的矩形管束換熱器。本發(fā)明還涉及所述換熱器實現(xiàn)強化傳熱的方法。
背景技術：
現(xiàn)有在工業(yè)中廣泛應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)網板及旋流網板支撐縮放管束的強化傳熱管殼式換熱器(中國專利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。
管殼式換熱器的優(yōu)點是機械密封性好，承壓能力高，管程與殼程冷熱兩側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，因此可以應用于許多高溫與高壓的換熱場合，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，流體的流動阻力較低，換熱器的操作能耗較少，但缺點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較多，板式換熱器的優(yōu)點是單位換熱器體積內換熱面積較大，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遠低于管殼式換熱器，但缺點是換熱器的機械密封難度大，冷熱兩側流道之間的密封長度包括每塊換熱板面在冷熱兩側的四周邊，共計8條邊界的密封，需要密封的邊界太長，固容易產生流體泄漏，不宜用于高溫與高壓的換熱場合，而且板式換熱器的板間需要依靠板的凸肋支撐，板間距較小，流體流動阻力較大，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。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的換熱器技術對于管殼式換熱器金屬材料消費較大，而板式換熱器容易泄漏，且操作能耗較高的缺點，提供一種適用于高溫，低密度，巨大體積流量煙氣與煙氣之間換熱的采用旋流片支撐的矩形管束換熱器。
本發(fā)明的目的還在于提供所述換熱器實現(xiàn)強化傳熱的方法。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明的采用旋流片支撐的矩形管束換熱器，包括筒體5、置于筒體5內且沿筒體軸向的若干個寬度不一且相互平行的矩形管束4、置于矩形管束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出接口10、12、3、11，管程的進出接口10、12與上下封頭1、9連接，殼程的進出接口3、11與筒體5連接，在矩形管束4的管內沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片8，旋流片8的中心線與矩形管束4的中心線方向一致，相鄰的旋流片8的旋向相反，在矩形管束4的管與管之間也沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片8。優(yōu)選方案所述旋流片8為在片狀短扭帶，扭角優(yōu)選180～360度，扭率(扭率旋流片旋轉180度時片條長度與片條寬度之比)為1.5～10。
管內的旋流片8與矩形管束4的兩內壁相接觸，管與管之間的旋流片8與相鄰的矩形管束4的外壁相接觸。
所述旋流片8在橫向之間用薄扁鋼7連接構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。
所述矩形管束4由兩塊兩側封閉的平行板面構成，兩板之間相隔一定的板間距；平行板面為光滑板面或帶周期性凹凸粗糙肋面的板面，所述凹凸粗糙肋面為縮放形的折線肋面或波浪形的曲線肋面，肋面的粗糙高度為矩形管板間距的1％～20％，如圖5、圖6所示。
所述矩形管束4的間距優(yōu)選10mm～100mm，所述旋流片8在橫向的間距為1.2～12倍矩形管束4的間距，在軸向的間距為3～60倍矩形管束4的間距。
所述換熱器管程的進出接口10、12的方向可以在0～360度水平方向與上下封頭1、9連接，殼程的進出接口3、11在水平方向上與筒體連接。
應用本發(fā)明所述的采用旋流片支撐的矩形管束換熱器實現(xiàn)強化傳熱的方法流體在矩形管束4的管內與管間每經過一組橫向旋流片組時，形成若干平行且相互獨立的螺旋流，之后，螺旋流依靠流體自身的運動慣性在兩組橫向旋流片的間距中保持自旋流并逐漸衰減，流體經過下一組橫向旋流片時，又再形成螺旋流，流體沿流動方向重復所述螺旋流與自旋流的過程，流體螺旋流與自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動速度提高，可以有效強化流體的對流傳熱，因為流體在自旋流區(qū)域的流動阻力很小，故只需要付出較少阻力的代價，就可以獲得較大傳熱性能的提高。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下的優(yōu)點和效果可以采用薄壁的金屬板(厚度0.2～0.8mm)制作矩形管束4，這樣能夠克服管殼式換熱器傳熱管管壁厚，金屬材料消費多的缺點，由于矩形管束4只有一條軸向焊縫，矩形管束4的兩端與管板2連接，因此相當于每塊傳熱板面在冷熱兩側只有3條周邊需要密封，遠遠少于板式換熱器每塊傳熱板面在冷熱兩側有8條周邊需要密封，從而可以大幅減少密封周邊的長度，提高密封的可靠性。此外，矩形管束4的板間距可以相距較大，板間采用旋流片8作為支撐，旋流片8在矩形管束4的管內與管間一方面可以起到支撐作用，避免矩形管束4在內外兩側流體壓力不等時受壓變形，另一方面可以使流體產生螺旋流與自旋流，強化矩形管束管內與管間的流體對流傳熱，而且因為流體在自旋流區(qū)域的流動阻力很小，故只需要付出較少阻力的代價，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，同時矩形管束4的板間距較大，通道結構簡單，不容易被污垢堵塞，便于清理，這都優(yōu)于板式換熱器。因為具備以上的優(yōu)點，采用旋流片支撐的矩形管束換熱器比現(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是縮放形粗糙平板構成矩形管束的側視示意圖；圖6是波浪形粗糙平板構成矩形管束的側視示意圖；圖7是管板示意圖。
圖中示出1下封頭；2管板；3殼程入口接口；4矩形管束；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。
具體實施例方式
實施例1圖1，2示出了本發(fā)明采用旋流片支撐的矩形管束換熱器一種結構形式。如圖1，2所示，采用旋流片支撐的矩形管束換熱器，包括筒體5、置于筒體5內且沿筒體軸向的若干個寬度不一且相互平行的矩形管束4、置于矩形管束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出接口10、12、3、11，管程的進出接口10、12與上下封頭1、9連接，殼程的進出接口3、11與筒體5連接，在矩形管束4的管內沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片8，旋流片8的中心線與矩形管束4的中心線方向一致，相鄰的旋流片8的旋向相反，在矩形管束4的管與管之間也沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片8。所述旋流片8為在片狀短扭帶，扭角為180度。管內的旋流片8與矩形管束4的兩內壁相接觸，管與管之間的旋流片8與相鄰的矩形管束4的外壁相接觸。所述旋流片8在橫向之間用薄扁鋼7連接構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。
所述矩形管束4由兩塊兩側封閉的平行板面構成，兩板之間相隔一定的板間距；平行板面為光滑板面。
所述換熱器管程的進出接口10、12的方向可以在0～360度水平方向與上下封頭1、9連接，殼程的進出接口3、11在水平方向上與筒體連接。
管程的進出接口10、12與上下封頭1、9及矩形管束4的管內流道共同構成換熱器的管程通道，殼程的進出接口3、11和筒體5與矩形管束4的管間流道以及管板2共同構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，矩形管束4的平板厚度為0.5mm，平板間距為50mm，矩形管束4的管心距為50mm，在筒體5內沿橫向均布17根寬度不一的矩形管束4，矩形管束4的長度為4070mm，在矩形管束4管內與管間沿橫向等距150mm均布旋流片8，旋流片8的片條厚度為2mm，寬度為49.5mm，扭率為3，片條長度為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，沿換熱器的軸向等距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合使用。
權利要求
1.采用旋流片支撐的矩形管束換熱器，包括筒體(5)、置于筒體(5)內且沿筒體軸向的若干個寬度不一且相互平行的矩形管束(4)、置于矩形管束(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出接口(10、12、3、11)，管程的進出接口(10、12)與上下封頭(1、9)連接，殼程的進出接口(3、11)與筒體(5)連接，其特征在于在矩形管束(4)的管內沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片(8)，旋流片(8)的中心線與矩形管束(4)的中心線方向一致，相鄰的旋流片(8)的旋向相反，在矩形管束(4)的管與管之間也沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述的換熱器，其特征在于所述旋流片(8)為在片狀短扭帶。
3.根據(jù)權利要求2所述的換熱器，其特征在于所述旋流片(8)的扭角為180～360度，旋流片(8)的扭率為1.5～10。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的換熱器，其特征在于管內的旋流片(8)與矩形管束(4)的兩內壁相接觸，管與管之間的旋流片(8)與相鄰的矩形管束(4)的外壁相接觸。
5.根據(jù)權利要求1所述的換熱器，其特征在于所述旋流片(8)在橫向之間用薄扁鋼(7)連接構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。
6.根據(jù)權利要求1所述的換熱器，其特征在于所述矩形管束(4)由兩塊兩側封閉的平行板面構成，兩板之間相隔一定的板間距；平行板面為光滑板面或帶周期性凹凸粗糙肋面的板面，所述凹凸粗糙肋面為縮放形的折線肋面或波浪形的曲線肋面，肋面的粗糙高度為矩形管板間距的1％～20％。
7.根據(jù)權利要求1所述的換熱器，其特征在于所述矩形管束(4)的間距為10mm～100mm。
8.根據(jù)權利要求7所述的換熱器，其特征在于，所述旋流片(8)在橫向的間距為1.2～12倍矩形管束(4)的間距，在軸向的間距為3～60倍矩形管束(4)的間距。
9.權利要求1-8之一所述換熱器實現(xiàn)強化傳熱的方法，其特征在于，流體在矩形管束(4)的管內或管間每經過一組橫向旋流片組時，形成若干平行且相互獨立的螺旋流，之后，螺旋流依靠流體自身的運動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，流體經過下一組橫向旋流片組時，又再形成螺旋流，流體沿流動方向重復所述螺旋流與自旋流的過程，流體螺旋流與自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動速度提高，有效地強化了流體的對流傳熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用旋流片支撐的矩形管束換熱器及其強化傳熱方法，本發(fā)明的換熱器包括筒體、若干個矩形管束、管板、上下封頭及換熱器管程與殼程的進出接口，在矩形管束的管內沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片，旋流片的中心線與矩形管束的中心線方向一致，相鄰的旋流片的旋向相反，在矩形管束的管與管之間也沿軸向與橫向大致均勻間隔分置旋流片。強化傳熱方法是依靠螺旋流和自旋流使得流體在傳熱邊界層的流動速度提高，有效強化流體的對流傳熱。換熱器的旋流片既可以對矩形管束起到板間有效的支撐與固定作用，又可以強化矩形管束的傳熱。本發(fā)明的換熱器可在工業(yè)的氣體換熱中普遍推廣應用。
文檔編號F28F9/00GK101086427SQ200710029118
公開日2007年12月12日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權日2007年7月11日
發(fā)明者鄧先和, 何兆紅, 周亮 申請人:華南理工大學