專利名稱：帶扭曲片的換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換熱器，更具體地說，本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化傳熱的換熱器。
背景技術(shù)：
換熱器是在兩種或多種流體存在溫度差異時(shí)內(nèi)部熱量傳遞的傳熱設(shè)備，大部分換 熱器內(nèi)部的流體被傳熱面分開。換熱器廣泛應(yīng)用于過程、能源、石油、運(yùn)輸、空調(diào)、制冷、低 溫、熱量再生、替代燃料以及其它工業(yè)。換熱器在人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，例如汽車散熱 器、冷凝器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器和油冷器。換熱器的種類很多，按照結(jié)構(gòu)的不同，換熱器可以分為管式換熱器、板式換熱器、 延伸表面換熱器和再生器等。管式換熱器有雙套管式、管殼式和盤管式等類型；板式換熱器 有墊片板片式、螺旋板式和板殼式等類型；延伸表面換熱器包括管翅式、板翅式等類型；再 生器包括固定蓄熱床式、旋轉(zhuǎn)式等。盡管換熱器的種類很多，但是其結(jié)構(gòu)大同小異。換熱器的主要結(jié)構(gòu)單元是換熱元 件和流體分配元件。換熱元件是傳熱面積較大的芯或者管陣，流體分派元件主要是封頭或 者管箱、進(jìn)出口管等移動(dòng)部件。傳熱面與流體直接接觸，從面熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞。傳 熱面中將二種流體分開的那部分，增大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)和提高溫差都可以提高傳 熱效率。近年來，能源與材料費(fèi)用的持續(xù)增長(zhǎng)大大地推動(dòng)了高效節(jié)能換熱器的發(fā)展。因此， 科研人員把研究重點(diǎn)集中在各式各樣的強(qiáng)化傳熱技術(shù)上。換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以減少 換熱所需的面積和傳熱溫差，在熱負(fù)荷和壓降一定的情況下，可以減少換熱器的重量，增加 換熱，減少泵功率。通過強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以提高換熱器內(nèi)換熱管內(nèi)流體的換熱效率，管內(nèi)流體的流動(dòng) 層分為層流層和湍流層，層流和湍流強(qiáng)化的主要機(jī)理就是利用增加二次傳熱表面和破壞原 來未強(qiáng)化的流體的速度分布和溫度分布場(chǎng)。管內(nèi)湍流強(qiáng)化主要在靠近壁面流體速度近似為 零的低速區(qū)，即層流底層，大部分的熱阻集中在層流底層低速區(qū)，任何的強(qiáng)化技術(shù)都是用于 破壞層流從而達(dá)到提高換熱的目的。對(duì)于管內(nèi)層流的強(qiáng)化傳熱，由于層流的傳熱膜系數(shù)通 常較低，流體速度和濕度的變化分布在整個(gè)通道寬度上，強(qiáng)化傳熱效果不明顯。強(qiáng)化傳熱措施主要分為兩種主動(dòng)措施和被動(dòng)措施。主動(dòng)技術(shù)需要借助外功，被動(dòng) 技術(shù)不需要借助外功。主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以分為機(jī)械方法、表面振動(dòng)、流體振動(dòng)、電磁場(chǎng)、 噴注和抽吸等方法，主動(dòng)技術(shù)的強(qiáng)化設(shè)備投資與操作費(fèi)用大，機(jī)理也較為復(fù)雜，商業(yè)價(jià)值不 大。被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)包含擴(kuò)展表面(氣體換熱擴(kuò)展表面、液體換熱擴(kuò)展表面、內(nèi)表面)、表 面涂層處理、管內(nèi)插入不同類型的強(qiáng)化元件等技術(shù)。目前，管式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要是通過傳熱面的形狀或者管內(nèi)加入構(gòu)件來 增加流體湍流程度和擴(kuò)展傳熱面積，來提高傳熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。下面就目前廣泛使 用的技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管應(yīng)用廣泛，包括螺旋槽管和橫紋管，管壁上的橫紋能 在有相變和無相變的傳熱中明顯提高了管內(nèi)外的傳熱系數(shù)；內(nèi)翅片管是通過特使的焊接工藝和設(shè)備加工而成，流體在管內(nèi)的換熱過程為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，翅片的焊接和加工對(duì)于 傳熱的影響都很大；管內(nèi)插入物在低雷諾數(shù)或者高粘度流體傳熱工況下，管內(nèi)插件對(duì)于強(qiáng) 化氣體、低雷諾數(shù)流體或者高粘度流體的傳熱會(huì)起到很好的效果；縮放管是依次交替的多 節(jié)漸縮段和漸擴(kuò)段構(gòu)成，縮放管通過壁面縮放，使流體壓力發(fā)生周期性的變化產(chǎn)生劇烈的 漩渦沖刷流體邊界層，減薄邊界層，增加傳熱系數(shù)。盡管管式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)種類很 多，應(yīng)用也很廣泛，但是現(xiàn)有這些技術(shù)也面臨一些困惑，主要加工制造難度大、費(fèi)用成本高， 同時(shí)，長(zhǎng)周期運(yùn)行也是一個(gè)瓶頸。為了克服管式換熱器的傳統(tǒng)性強(qiáng)化傳熱技術(shù)的局限性，本發(fā)明采用扭曲片式熱交 換器焊接在換熱器的換熱管中，可以提高換熱器的傳熱效果，延長(zhǎng)換熱器的運(yùn)行周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種換熱器，節(jié)能降耗，提高傳熱效率。更具體地說，本發(fā)明的帶扭曲片的換熱器是在換熱器的換熱管中設(shè)置扭曲片，所 述扭曲片沿?fù)Q熱管軸向的長(zhǎng)度與沿?fù)Q熱管徑向的寬度的比(下面簡(jiǎn)稱扭曲比)為1 8，扭 曲角度為90° 180°。對(duì)所述換熱器的形式?jīng)]有特別的限定，舉例為蛇管式換熱器、套管式換熱器或列 管式換熱器，但本發(fā)明不局限于所列舉的換熱器。對(duì)于所述的換熱器的程數(shù)也沒有特別的 要求，可以為任意程數(shù)。為了充分地改善換熱器內(nèi)外兩種流體的換熱效果，最大限度地減薄邊界層，增加 傳熱系數(shù)，所述扭曲片沿?fù)Q熱管軸向的邊緣與換熱管內(nèi)壁之間沒有縫隙。為了便于和容易實(shí)現(xiàn)扭曲片的軸向邊緣與換熱管內(nèi)壁之間沒有縫隙，優(yōu)選所述扭 曲片與換熱管整體鑄造在一起或焊接在換熱管內(nèi)。對(duì)換熱管內(nèi)設(shè)置扭曲片的數(shù)量沒有特別的限制，可以根據(jù)加工的方便性和實(shí)際的 工程需要選定扭曲片數(shù)量。從改善傳熱系數(shù)和便于加工的角度考慮，優(yōu)選地，每根換熱管內(nèi) 相鄰兩個(gè)扭曲片的距離L與換熱管的直徑D的關(guān)系為D < L < 100D。本發(fā)明是把扭曲片設(shè)置在換熱管中，扭曲片改變換熱管中的流體流動(dòng)形式，通過 模擬計(jì)算分析扭曲片所影響的距離，決定將扭曲片在換熱管中的排列位置和數(shù)量。本發(fā)明改變了換熱器的換熱管內(nèi)的流體流動(dòng)形態(tài)，加劇了湍流的劇烈程度，減薄 了傳熱的原有邊界層，提高了傳熱效率。同時(shí)，本發(fā)明還可以降低在管壁形成污垢的速率， 延長(zhǎng)換熱器的清洗周期。本發(fā)明的帶扭曲片的換熱器可以任何換熱器，例如用循環(huán)水冷卻物料的冷卻器、 用熱水加熱物料的加熱器、用蒸汽加熱物料或汽化物料的加熱器或再沸器等。


圖1是扭曲片管的示意圖；圖2是列管式換熱器的示意圖；圖3是蛇管式換熱器的示意圖；圖4是套管式換熱器的 示意圖。符號(hào)說明
1 扭曲片；2 管程；3 殼程；4 扭曲片管；5 擋板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步解釋本發(fā)明。圖1是扭曲片管的示意圖。換熱器的管內(nèi)流體換熱的主要熱阻集中在層流底層的 低速區(qū)，在換熱器的換熱管中加入如圖1的扭曲片管4后，管內(nèi)流體的活塞流轉(zhuǎn)變旋轉(zhuǎn)流， 提高了切向速度，破壞原來的層流層，減薄邊界層，增加傳熱系數(shù)，強(qiáng)化了換熱管的傳熱效果。圖2、圖3和圖4是圖1所示的扭曲片管在各種換熱器中的應(yīng)用舉例，分別是列管 式換熱器、蛇管式換熱器和套管式換熱器。在圖2中，2為管程，3為殼程，4為圖1所示的扭 曲片管，5為擋板。下面以實(shí)施例的方式進(jìn)一步解釋本發(fā)明的帶扭曲片的換熱器。實(shí)施例僅列舉蛇管 換熱器和列管換熱器，但本發(fā)明不局限于這些，由于套管換熱器的使用范圍不受這些實(shí)施 例的限制，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中已經(jīng)提出。下面對(duì)本實(shí)施例的換熱管中加入和未 加入本發(fā)明熱交換器的工況傳熱效率進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。實(shí)施例1本實(shí)施例以列管式換熱器為例，圖2是列管式換熱器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。列管式 換熱器是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備，主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積 較大，傳熱效果較好；另外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造的材料范圍廣，操作的彈性大等優(yōu)勢(shì)。下面選擇其中換熱器的一段進(jìn)行計(jì)算，其尺寸和參數(shù)見表1，工藝參數(shù)見表2。表1列管式換熱器的結(jié)構(gòu)圖 在列管式換熱器的換熱管內(nèi)設(shè)置或不設(shè)置扭曲片，進(jìn)行兩種情況的換熱計(jì)算，計(jì) 算結(jié)果如表2 表2列管式換熱器的工藝參數(shù) 實(shí)施例2本實(shí)施例是以蛇管式換熱器為例，圖3是蛇管式換熱器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖。蛇管 式換熱器顧名思義是用金屬管子彎制而成，類似蛇狀，這種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格 低廉，便于防腐蝕，能夠承受高壓。下面選擇其中管程段的一部分做計(jì)算，其尺寸和參數(shù)見 表3，工藝參數(shù)見表4。表3蛇管式換熱器的結(jié)構(gòu)圖 在蛇管式換熱器的換熱管內(nèi)設(shè)置或不設(shè)置扭曲片，進(jìn)行兩種情況的換熱計(jì)算，計(jì) 算結(jié)果如表4:表4蛇管式換熱器的工藝參數(shù)
權(quán)利要求
一種帶扭曲片的換熱器，其特征在于，在換熱器的換熱管中設(shè)置扭曲片，所述扭曲片沿?fù)Q熱管軸向的長(zhǎng)度與沿?fù)Q熱管徑向的寬度的比為1～8，扭曲角度為90°～180°。
2.如權(quán)利要求1所述的帶扭曲片的換熱器，其特征在于，所述換熱器為蛇管式換熱器、 套管式換熱器或列管式換熱器。
3.如權(quán)利要求1所述的帶扭曲片的換熱器，其特征在于，所述扭曲片沿?fù)Q熱管軸向的 邊緣與換熱管內(nèi)壁之間沒有縫隙。
4.如權(quán)利要求1所述的帶扭曲片的換熱器，其特征在于，所述扭曲片與換熱管整體鑄 造在一起或焊接在換熱管內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的帶扭曲片的換熱器，其特征在于，每根換熱管內(nèi)相鄰兩個(gè)扭曲 片的距離L與換熱管的直徑D的關(guān)系為D < L < 100D。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有扭曲片的換熱器，為了克服管式換熱器的傳統(tǒng)性強(qiáng)化傳熱技術(shù)的局限性，本發(fā)明采用扭曲片管焊接在換熱器的換熱管中，可以提高換熱器的傳熱效果，延長(zhǎng)換熱器的運(yùn)行周期。
文檔編號(hào)F28D7/10GK101846469SQ20091008084
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者劉俊杰, 周叢, 周先鋒, 張兆斌, 張利軍, 杜志國, 王國清 申請(qǐng)人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司北京化工研究院