专利名称：螺旋环管翅片管热交换器及其强化传热方法
技术领域：
本发明专利是关于螺旋环管翅片管热交换器及其强化传热方法，属于机械装备工 程中热交换专用设备的高效换热节能设备。具体可用于石油炼制与化工、煤化工、化肥、空 调、空冷、电力设施装备等等的热交换要求上，包括给介质加热或冷却等应用方式。
背景技术：
翅片管加热炉和翅片管空冷器是应用广泛的热交换器，其制造工艺成熟，安全性 高，加热炉操作相对复杂，在换热设备中是关键的节能设备。长期以来，人们利用直的翅片 管强化换热取得了很好的效果，但是螺旋环管翅片管在换热设备中的应用基本还是一片空 白。(1)传统螺旋翅片管热交换器的结构功能目前，国内石油化工等装置热交换用螺 旋翅片管都是直管，翅片管的翅片既有在基管上轧制的，也有通过高频电阻焊把钢片带缠 绕焊到基管上的，数量不等的多根翅片管排在一起，端部通过180°弯头焊接连通，组成一 组蛇形的盘管作为工业热交换器的主要部件。蛇形的盘管沿轴向由若干块管板支持，两侧 由耐磨隔热墙围起，两断由弯头箱盖住，形成一个长方体形的模块，多个模块上下叠在一起 就构成一个热交换器的对流段。介质在管内前后左右来回流动，烟气或空气在炉管之间从下往上流过，管内介质 与管外烟气或空气通过管壁发生热交换。如果管内是冷介质，管外是强制对流的烟气，则组 成一个加热炉，翅片起强化换热作用。如果管内是热介质，管外是强制对流的空气，则组成 冷却器而不是加热炉，但翅片仍起强化换热作用。(2)传统螺旋翅片管热交换器存在的问题由于翅片管端部通过180°弯头焊接连通，一组盘管的焊缝就特别多，而焊缝是设 备的薄弱环节。由于翅片管是直管，盘管构成的加热炉就是长方体形的，炉管受热膨胀时只能沿 长度方向延伸，相连两炉管的热膨胀差所引起的热应力主要由两端的弯头变形来缓和。由于长方体形的箱形结构，炉体内的气体流动存在相对静止的死角区，有明显的 空间结构损耗。也由于翅片管两端的弯头支持在端管板的外端，不直接与炉内的烟气热交 换，换热管有明显的空间结构损耗。流体在管内流动经过两端的弯头时需180°逆转，有明显的动能损耗。由此可见，结合存在问题进行改进，延长翅片管及其设备的寿命以提高经济效益， 具有很强的工程意义。
发明内容
本发明是关于一种螺旋环管翅片管热交换器及其强化传热方法，目的在于克服现 有技术的缺点与不足。换热管由基管和翅片组合而成，在表面光滑但管轴中心线成螺旋形、 圆环形或弯曲管形的钢管表面组合上螺旋缠绕翅片的管件。一方面，利用环管表面的翅片表面增大了换热管外表面的换热面积，强化壳程传热；另一方面，利用环管表面的翅片对流经其间的气流进行不断的挠动，使换热管间的气流始终保持紊流复杂状态，增强气流在热 交换器内整体混合的湍动程度，提高换热管隙间气流的边缘流速，提高壳程的传热膜系数， 强化壳程传热。与传统的直的螺旋翅片管相比，去掉了 180°弯头及其带来的组对焊缝，用 来构造加热炉则炉体可以是圆筒形结构，与方体炉相比其占地面积，抗风载能力强。整段螺 旋环管翅片管均可置于圆筒炉墙内而提高了结构有效利用率；螺旋圆等弯管自身的结构柔 性可改善热膨胀应力的受力状况；管内流体顺畅流动而损耗较少的动能，并且更耐磨损和 防冲蚀，从而延长螺旋环管翅片管及其设备产品的寿命。直的翅片管已在各种炼油、化工、化肥、空冷等热交换器中广泛长久地应用，并且 产生了巨大的经济效益。近几年来，随着原油劣质化及能源危机，国家加强对节能减排的管 理，企业在挖潜增效中对高效换热新技术及其应用非常重视，这为该项专利技术的应用提 供了很好的条件。
图1是U形管箱式炉，是石油炼制及其他化工装置中常见的炉型(在行业标准SH/ T 3036-2003《一般炼油装置用火焰加热炉》中图1典型的加热炉炉型示意图中排在第一 位)，图中的序号1标记即指该炉的炉管中有一段采用了图5所示的弯管形式；图2是螺旋管圆筒炉，也是石油炼制及其他化工装置中常见的炉型(在行业标准 SH/T3036-2003《一般炼油装置用火焰加热炉》中图1典型的加热炉炉型示意图中排在第二 位)，图中的序号1标记即指该炉的炉管采用了图3所示的盘管形式；图3是由钢管基管弯卷成形的一组盘管；图4是绕制的一段螺旋翅片；图5是一段螺旋翅片与一段盘管的组合结构，是本发明专利的精神实质的实物体 现之一种。图6是一段传统的直的螺旋翅片管，以方便图5的比较。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明专利作进一步的说明，但是本发明专利的实施 方式不限于此。实施例1如图3所示，把一条直的钢管在专用工装设备上卷制成盘管作为基管，卷制过程 要控制卷制弯曲后的盘管其横截面的椭圆度不大于2 %，卷制后按设计要求对盘管进行耐 压试验，如有气孔、砂眼或其他泄漏的缺陷，应修补合格。在一根外径与基管相同的圆钢或 钢管上缠绕卷制螺旋翅片，卷后取下螺旋翅片，如图4所示；如图5所示，把一段盘管套进一 卷螺旋翅片中，通过稍为反螺旋使翅片卷的内径增大，可以轻易地套上盘管，当套进去后， 通过顺着螺旋方向用力旋紧可使翅片卷的内径收缩，紧密地箍在盘管上，此时要把翅片卷 的两端与盘管点焊牢，即可利用电阻焊把翅片卷与盘管之间的接触面逐段焊牢，形成组合 一体的螺旋环管翅片管结构。把螺旋环管翅片管装到热交换器(加热炉、空冷器或)，即构 建成新型高效的热交换设备。
实施例2本实施例除以下技术特征外，其他同实施例1 当翅片卷两端与盘管点焊牢之后，在两者之间的接触间隙铺上焊料，利用钎焊技术代体电阻焊把翅片卷与盘管之间的接触面焊牢。实施例3把一根直的翅片管直接通过火焰局部加热，在弯模上煨弯，加热部位是翅片管在 弯曲中需要拉伸变形的外侧。该方法适用于基管管径较小、翅片较密且翅片高较矮的翅片管。上述实施例为本发明专利较佳的实施方式，但本发明专利的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本发明专利的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明专利的保护范围之内。
权利要求
关于一种螺旋环管翅片管热交换器及其强化换热方法，其关键零部件换热管由基管和翅片组合而成，在表面光滑但管轴中心线成螺旋形、圆环形或弯曲管形的钢管表面组合上螺旋缠绕翅片的管件，与传统的直的螺旋翅片管相比，可改善热应力受力状况，管内流体顺畅流动而更耐磨损和防冲蚀，从而延长螺旋环管翅片管及其设备产品的寿命。其特征在于换热管中心线是螺旋形、圆环形或弯曲的翅片管。
2.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管由基管 和翅片组合而成，两者的金属材料可以是相同的，也可以是不同的，既可以是黑色金属，也 可以是有色金属或各种合金。
3.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管管轴中 心线不是直的，而是螺旋形、圆环形、弯曲管形或其他非直的基管结构。
4.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管由基管 和翅片组合而成，翅片是连续的螺旋缠绕翅片。
5.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管由基管 和翅片组合而成，翅片的顶部可以是平滑的，也可以是齿状的或U形决口状的。
6.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管的基管 和翅片两者之间的连接可以是外力通过翅片旋紧的方式，也可以是高频电阻焊接的方式， 或者是填料钎焊的方式。
7.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管可由直 的翅片管弯制而成，只要翅片在弯管前套上基管，无论弯管前翅片是否与基管完成连接。
8.根据权利要求1所述一种螺旋环管翅片管热交换器，其特征是环管翅片管由弯制 后的基管套进螺旋翅片，再完成两者的连接。
9.一种利用权力要求1 8任一项所述螺旋环管翅片管热交换器实现的强化换热方 法，其特征在于利用环管表面的翅片表面增大了换热管外表面的换热面积，强化壳程传 热。
10.一种利用权力要求1 8任一项所述螺旋环管翅片管热交换器实现的强化换热方 法，其特征在于利用环管表面的翅片对流经其间的气流进行不断的挠动，使换热管间的气 流始终保持紊流复杂状态，增强气流在热交换器内整体混合的湍动程度，提高换热管隙间 气流的边缘流速，提高壳程的传热膜系数，强化壳程传热。
全文摘要
本发明是关于一种螺旋环管翅片管热交换器及其强化传热方法，在表面光滑但管轴中心线成螺旋形、圆环形或弯曲管形的钢管表面组合上螺旋缠绕翅片的管件、并通过焊接使两者紧密连接。利用翅片表面增大了换热管外表面的换热面积，利用翅片形状对流经其间的气流进行不断的挠动，提高气流的边缘流速，由这种翅片管建造的热交换器强化壳程传热。比传统直的翅片管炉可去掉连接弯头及其焊缝，构造圆筒形结构加热炉，整段螺旋环管翅片管均可置于圆筒炉墙内而提高了空间利用率；螺旋圆等弯管的柔性可改善热膨胀的受力状况；管内流体顺畅流动而损耗较少的动能，更耐磨损和防冲蚀，延长设备寿命。
文档编号F28D7/02GK101813428SQ20091000276
公开日2010年8月25日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者陈孙艺 申请人:茂名重力石化机械制造有限公司