专利名称：螺旋折流板换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种管壳式换热器。
在石油、化工、能源动力等工业领域中，管壳式换热器是实现流体热量交换的最普遍应用的一种结构形式。在管壳式换热器的壳侧流道中设置折流板的作用是强迫流体改变流动方向及支承管子。为降低壳侧流体的阻力，提高传热速率，减少管子振动及防止流体结垢，已产生了许多种折流板的结构形式。本发明人已获得中国实用新型专利ZL972420363《螺旋折流板换热器》，螺旋折流板是由呈部分椭圆形平面板和三角形的平面阻流板相间连接成螺旋面组合而成，可使壳侧流体实现连续、柱塞状螺旋流动。提出了两块半椭圆形平面板或四块直角形椭圆平面极或称扇形板和三角形阻流板构成螺旋折流板的两种基本元件，用平面板代替曲面板。对于螺旋折流板当螺旋角较大时，且换热器长度L和壳径D的比值在6～10的范围内，采用螺旋折流板周边连续结构，由于流道截面积较大而导致壳侧阻力降极小，传热性能上并未取得较好的效果。因此产生搭接及双螺旋组合方式，其目的是减小跨距HP减小流动截面积，以提高其流速。满足工艺设计时，可以选用较高流速，在满足允许压降的条件下，改善传热速率，充分发挥螺旋折流板的放热系数和阻力降的比值明显高于弓形折流板的优点。本发明人还申请了实用新型专利982327072《螺旋折流板换热器》，该专利中对螺旋折流板的结构型式，即折流板的组合方式上有了创新，提出了相邻两块折流板基本元件的周边在轴线上方向上交叉形成搭接，搭接高度为HD，且0≤HD≤HS/2，在壳体内的传热管在相邻两块折流板之间得到支撑的距离为跨距HP，且0≤HP≤HS。由此产生了相邻的折流板周边呈连续、搭接、双螺旋的结构方式。
本实用新型的目的是在管壳式换热器的壳侧采用一种新型螺旋折流板特殊结构，组成壳侧单程或多程的流动方式，满足不同工艺设计的需要，从而可实现在允许压降的条件下，追求更高的传热速率。可有效地提高放热系数和阻力降的比值，降低设备投资费用，防止壳侧结垢，减少管束振动、减少维修费用和延长维修周期。
本实用新型的目的是以下述方式实现的一种螺旋折流板换热器，螺旋折流板(6)的特征参数为螺旋角φ和直径D，一个螺距长度为HS且HS＝πDtgφ，一个螺距由两块半椭圆形平面板或四块扇形平面板组成的螺旋折流板的基本元件沿螺旋线方向设置在壳体内构成，由基本元件可在换热器中组合成相邻折流板周边连续、搭接及双螺旋三种结构方式，由半椭圆形折流板构成双螺旋结构，其搭接高度HD和折流板间支撑传热管的跨距HP均为HS/2，在上下两组半椭圆形板所构成的中分面上是一个呈平行四边形的界面，在此界面设有平行四边形的阻流板(7)，在换热器入口处及出口处设有挡板(8)或中向隔板(9)。
所述的阻流板(7)为平行四边形的平面板，平行四边形几何参数为对角线长度分别为D和HS/2。
壳侧流体进、出接管(2、5)安装在壳体(3)的两端，其前后挡板(8)为等腰三角形平面板，其几何参数为底边长为D，高为HS/4。
壳侧流体进、出接管(2、5)安装在壳体(3)的一端，壳体端部将进、出口管分隔为两个独立空间的挡板(9)为一块由等腰三角形和长方形两部分组成，其等腰三角形的几何参数为底边长为D，高为HS/4，其长方形两边的几何参数分别为D和H0，H0的尺寸选用管板(2)和壳体中相邻近折流板周边端点的长度，壳体另一侧挡板(8)为等腰三角形板。
所述的螺旋角φ为5°＜φ＜50°。
本实用新型对螺旋折流板结构型式的创新是提出了壳体中流体的流动分为单程和双程两种方式。单程流动方式是以由半椭圆形板组成双螺旋组合方式中，两组双螺旋折流板在壳体中分面上交叉形成一个平行四边形的截面，在此截面上设置一块平行四边形的阻流板，将相邻四块半椭圆形半长轴相连接，在阻流板两侧形成两个独立的螺旋形通道，并在进口及出端两交叉半椭圆形折流板间加装三角形挡板，实现壳侧流体从壳体一端接管进口及在另一端接管出口的单程流动方式。双程流动方式的是在上述结构的基础上，将入口挡板改变为一块由三角形和长方形两部分组成的楔形板，把壳体一端流体进口处分隔为两个独立空间，并在挡板及阻流板两侧形成两个独立的螺旋形通道，壳侧流体只能在其中一个通道中作螺旋流动，直止在壳体另一端的自由空间中折返到另一个通道中作螺旋流动，返回到出口处的另一个空间，由接管排出。因此，壳体上进、出口接管均装在壳体一侧，实现壳侧流体双程流动方式。
以下结合附图详细说明本实用新型实施例
图1为本实用新型单程流动方式结构示意图。
图2为本实用新型双程流动方式结构示意图。
图3为在直径D的圆柱上由两块半椭圆形折流板组成周边连续的折流板结构示意图。
图4为图3的中分面上折流板和阻流板几何关系示意图。
图5为在直径D的圆柱上由两块半椭圆形折流板组成周边搭接的结构示意图。
图6为图5的中分面上折流板和阻流板几何关系示意图。
图7为在直径D的圆柱上由半椭圆形折流板组成双螺旋的结构示意图。
图8为图7的中分面上折流板和阻流板的几何关系示意图。
图9为平行四边形阻流板的几何参数示意图。
图10为壳侧单程流动方式前后挡板的几何参数示意图。
图11为壳侧双程流动方式前中向隔板的几何参数示意图。
本实用新型结构示意
图1和图2中示出了换热器壳侧的组成，其中前后管板1、4和壳体3组成了壳侧空间。在壳体上装有接管2、5和进、出换热器壳侧流体的管道连接，实现壳侧流体连续流动。示意图中为显示折流板及阻流板在壳体中的结构，故未画出传热管。传热管应穿过前后管板及折流板，并和前后管板上管孔密封，构成管侧流体在传热管中流动，并实现和管外壳侧流体进行换热。一种螺旋折流板换热器，螺旋折流板(6)的特征参数为螺旋角φ和直径D，一个螺距长度为HS且HS＝πDtgφ，一个螺距由两块半椭圆形平面板或四块扇形平面板组成的螺旋折流板的基本元件沿螺旋线方向设置在壳体内构成，由基本元件可在换热器中组合成相邻折流板周边连续、搭接及双螺旋三种结构方式，由半椭圆形折流板构成双螺旋结构，其搭接高度HD和折流板间支撑传热管的跨距HP均为HS/2，在上下两组半椭圆形板所构成的中分面上是一个呈平行四边形的界面，在此界面设有平行四边形的阻流板(7)，在换热器入口处及出口处设有挡板(8)。平行四边形阻流板(7)几何参数为对角线长度分别为D和HS/2，挡板(8)为等腰三角形平面板，其几何参数为底边长为D，高为HS/4，构成了壳侧流体从壳体一端接管进到另一端接管出口的单程流动方式。图2和
图1中的结构相比较，前挡板采用了如
图11所示的中向隔板(9)，中向隔板(9)为一块由等腰三角形和长方形两部分组成的楔形板，其等腰三角形的几何参数为底边长为D，高为HS/4，其长方形两边的几何参数分别为D和H0，H0的尺寸选用管板(2)和壳体中相邻近折流板周边端点的长度，中向隔板与管板和壳体之间的密封结构可选用管壳式换热器中的已有的可拆或不可拆的结构，如焊接、螺钉连接方式，壳体另一侧挡板(8)为等腰三角形板。中向隔板(9)将上下两个接管分隔成两个独立空间，若从进口接管2进入壳侧流体，它在中向隔板9上部进入，在双螺旋折流板交叉的三角形流道中流进左侧第一块阻流板下方的螺旋形通道，然后折返到第二块阻流板上方螺旋形通道，再进入第三块阻流板的下方螺旋通道，绕过三角形的后挡板(8)返回到第三块阻流板的上方，依此在前挡板(9)的下方从出口接管(5)流出，构成壳侧流体双程流动方式。
在图3至图4中示出的半椭圆形折流板组成周边连续的结构示意图及中分面上半椭圆板A、B和三角形阻流板C的几何关系示意图。其结构的特点是搭接高度HD＝0。相邻上下两块折流板支撑传热管的跨距HP＝HS。在图5和图6中示出由相邻半椭圆形折流板周边构成搭接组合方式结构示意图及有中分面上示出折流板的几何关系。其结构特点为一般取搭接高度HD＝HS/4，则折流板之间跨距HP＝3HS/4。图7和图8示出由半椭圆形折流板组合成双螺旋的结构方式，其结构特点是搭接高度HD＝HS/2，且跨距HP＝HS/2。从上述三种结构组合方式中看出，搭接高度HD的变化范围为0＜HD＜HS/2，跨距HP的变化范围为HS＞HP＞HS/2。并存在着当搭接高度HD的增大时，造成跨距HP缩小的变化关系。
从换热器工艺设计需要，要满足在允许压降下，尽可能提高传热速率，以实现减少传热面积。换热器中传热和阻力特性很大程度上取决于设计流速的大小(这里不计物性等其他影响因素)。
在单弓形折流板换热器中，当壳体直径一定，相邻两块圆缺形折流板之间的间距B是影响流体绪流流动截面积的大小。若管子外径为d，相邻管子中心间距为t，则在壳体中分面上，流体流动的截面积f，且f＝B·D·φ，式中φ＝1-d/t。当流体的体积流量为V时，则计算平均流速U为U＝V/f＝V/B·D·φ (1)在螺旋形折流板中，上下两块折流板之间轴向高度为跨距HP，计算流体流动的截面积时，应采用垂直于折流板之间的距离应为HP·cosφ。对于壳侧单程流动方式，流动截面积f＝Hp·D·cosφ·φ。速度的计算式US应为Us＝V/f＝V/Hp·D·cosφ·φ (2)若采用壳侧双程流动方式，在阻流板上下分隔为两个螺旋形通道，每一程流体在其中一个通道中流动，在中分面上其流动截面积应为
速度的计算式UD应为UD=V-/f=V-/HP·(D2)·cosφ·φ----(3)]]>从上述说明中可以看出，对于螺旋折流板当螺旋角较大时，且换热器长度L和壳径D的比值在6～10的范围内，采用螺旋折流板周边连续结构，由于流道截面积较大而导致壳侧阻力降极小，传热性能上并未取得较好的效果。因此产生搭接及双螺旋组合方式，其目的是减小跨距HP减小流动截面积，以提高其流速。满足工艺设计时，可以选用较高流速，在满足允许压降的条件下，改善传热速率，充分发挥螺旋折流板的放热系数和阻力降的比值明显高于弓形折流板的优点。
在由半椭圆形折流板组成双螺旋的结构中，从图8看出，上、下两组双螺旋折流板在中分面上形成一个平行四边形的截面OAO2AO′AO2′A。从理论上讲在该界面上流体相互不混合，事实上在此界面上易造成流体旁通。为了改善传热性能，在此界面上设置一块平行四边形的阻流板，此阻流板和相邻四块半椭圆形折流板长轴一半长度相连接，这样就构成了在阻流板两侧为两个独立的互不连通的螺旋形通道，避免流体在此中分面上发生旁通流动。
平行四边形阻流板的结构如图9所示，其几何关系为其对角线长边为直径D，短边为HS/2。在
图1中示出的前后挡板为平行四边形的一半，即以
图10中示出其等腰三角形底边为直径D，三角形高为HS/4。
在半椭圆折流板所组成的双螺旋结构方式中，加装了平行四边形的阻流板及前后加装三角形的挡板后，热工性能试验证实比不装阻流板及挡板有明显改善。
壳侧双程流动方式的采用了与一块特殊结构的挡板，在图2中示出中向隔板(9)与折流板和管板连接，在上下接管之间形成两个互不相混的空间。这块中向隔板的几何关系示于
图11中，它是由长方形和等腰三角形两部分组成，长方形的一边为D，另一边长为第一块螺旋形折流板周边到管板的距离为H0。H0的大小根据结构设计选定，应大于壳体上接管外侧离管板的距离。
实现螺旋折流板换热器壳侧双程流动方式的目的是在相同体积流量下，可提高壳侧流体的流速及在有限换热器长度下，增加流体螺旋流动的次数，即增加了沿程流动的长度。从式(2)和式(3)比较可知，在相同体积流量时，双程流动的流速UD比单程流速US提高了一倍，且在流动沿程上螺旋圈数也增大了一倍。这种新型结构可满足在工艺设计中有可能选用两个细长换热器实现壳侧双程流动的场合，而可采用这种结构的一个换热器来替代，减少了换热器的数量，可相应地减少壳体金属耗量，配管、安装及维修增加的工作量。尤其在对原来为弓形折流板的换热器实施采用螺旋折流板进行改造，即可利用原换热器壳体及已安装这种新型双程流动方式也许是容易被选用的一种设计方案。
本实用新型提出的两种结构，为设计人员提供了可灵活根据不同使用场合，为满足不同工艺设计的要求，增加了采用螺旋折流板满足改善换热器传热性能的可能性。为其开拓更广阔的市场，提高更明显的经济效益发挥更大的作用。
权利要求1.一种螺旋折流板换热器，螺旋折流板(6)的特征参数为螺旋角φ和直径D，一个螺距长度为HS且HS＝πDtgφ，一个螺距由两块半椭圆形平面板或四块扇形平面板组成的螺旋折流板的基本元件沿螺旋线方向设置在壳体内构成，由基本元件可在换热器中组合成相邻折流板周边连续、搭接及双螺旋三种结构方式，由半椭圆形折流板构成双螺旋结构，其搭接高度HD和折流板间支撑传热管的跨距HP均为HS/2，其特征在于在上下两组半椭圆形板所构成的中分面上是一个呈平行四边形的界面，在此界面设有平行四边形的阻流板(7)，在换热器入口处及出口处设有挡板(8)或中向隔板(9)。
2.如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于所述的阻流板(7)为平行四边形的平面板，平行四边形几何参数为对角线长度分别为D和HS/2。
3.如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于壳侧流体进、出接管(2、5)安装在壳体(3)的两端，其前后挡板(8)为等腰三角形平面板，其几何参数为底边长为D，高为HS/4。
4.如权利要求1所述的螺旋折流板换热器，其特征在于壳侧流体进、出接管(2、5)安装在壳体(3)的一端，壳体端部将进、出口管分隔为两个独立空间的挡板(9)为一块由等腰三角形和长方形两部分组成的楔形板，其等腰三角形的几何参数为底边长为D，高为HS/4，其长方形两边的几何参数分别为D和H0，H0的尺寸选用管板(2)和壳体中相邻近折流板周边端点的长度，壳体另一侧挡板(8)为等腰三角形板。
5.如权利要求1、3、4所述的螺旋折流板换热器，其特征在于所述的螺旋角φ为5°＜φ＜50°。
专利摘要一种螺旋折流板换热器,一个螺距由两块半椭圆形平面板构成双螺旋结构,在上下两组半椭圆形板所构成的中分面上设有平行四边形的阻流板,此阻流板使壳测流体呈两股互不相混的连续螺旋形流动,在入口处及出口处设有挡板或中向隔板。本实用新型提出了壳体中流体的流动分为单程和双程两种方式。从而可实现在允许压降的条件下,追求更高的传热速率。可有效地提高放热系数和阻力降的比值,降低设备投资费用,减少维修费用和延长期维修周期。
文档编号F28D7/02GK2364422SQ9923449
公开日2000年2月16日 申请日期1999年3月31日 优先权日1999年3月31日
发明者杨杰辉 申请人:杨杰辉