一种带旋流式花格板的换热器的制作方法

本发明涉及一种新型折流板管壳式换热器，具体的说是一种新型旋流式带花格板的管壳式换热器。

背景技术：

换热器是能量系统中使用最为广泛的单元设备之一，其中管壳式换热器具有结构简单，设计与制造成熟，安全可靠，适应性强等优点而被广泛的应用于化工、冶金、电力、食品、能源动力等工业领域中。管壳式换热器的支撑部件十分重要，因为它不但对管束起支撑作用，还可对流体进行扰流，起到强化传热的作用。根据换热器壳程流体的运动方向，管壳式换热器分为横向流、纵流和螺旋流换热器等等。采用不同的支撑部件，换热器的流动特性和换热性能差异巨大。

传统的单弓形折流板管壳式换热器制造简便、造价较低，但壳程压力损失较大、存在流动死区、容易结垢并且容易导致流体诱导震动。为了提高弓形折流板换热器的换热性能，要消耗较高的泵功。为了改善管壳式换热器的综合性能，国内外众多学者对各种不同的支撑部件进行了深入研究，如折流杆换热器、螺旋折流板换热器、花格板换热器、双弓形折流板换热器等；但是目前为止还未有对旋流式多块花格板换热器进行的研究。

技术实现要素：

为解决现有技术中的管壳式换热器存在的壳程压降大，存在流动死区等问题，本发明提供一种新型支撑结构的换热器，旋流式花格板换热器，此种结构的换热器可降低壳程压降，尽可能的保证支撑结构的扰流作用，同时加工制作方便。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种带旋流式花格板的换热器，包括筒体，左管箱和右管箱分别连接于筒体两端的左管板和右管板上，筒体上设置有壳程流体进口和壳程流体出口，筒体内设置有若干换热管，其两端固定连接于左管板和右管板上；筒体内还设置有若干平行的拉杆，拉杆的一端固定于一侧的管板上；定距管套于拉杆上，定距管上连接有若干组同轴折流板，每组折流板由5~8块互相平行设置的花格板组成，每块花格板为圆心角45~75度的扇形板，每块花格板与壳程横截面呈10~80度角。

本发明的上述换热器，折流板的花格板之间的扭转角度使叶片之间产生一定的流动空间，并且壳程流体流经花格板之间的空隙之后形成旋流，增强扰流作用。

在上述换热器中，作为优选，每组折流板的花格板为圆心角大小相同的扇形板。

在上述换热器中，作为优选，所述相邻两组折流板在轴向上不重叠，安装时，以换热器的中心轴为圆心，后一组折流板相对于前一组折流板顺时针或逆时针旋转5度~一块花格板的扇形圆心角度数，使两组相邻的折流板互相错开。相邻折流板间具有一定角度的交错设置，使得折流板的扰流作用增强，可以避免流动死区。

在上述换热器中，作为优选，所述相邻两组折流板之间的距离为为筒体直径的30%-60%。

在上述换热器中，作为优选，每组折流板具有5-7块花格板，更优选为6块。

在上述换热器中，作为优选，每块花格板与壳程横截面的角度为30~60度。

在上述换热器中，作为优选，折流板的半径与筒体的半径相当，即花格板从中心轴冲抵筒体壁。

在上述换热器中，本领域技术人员应该理解的是，所述花格板上设置有若干个孔，以使换热管、拉杆和定距管贯穿，并且花格板与定距管接触固定。本领域技术人员应当理解的是，一方面，定距管穿过花格板的孔位置应当进行密封焊接，以阻止水流，另一方面，花格板与筒体壁也应当是接触并经过密封处理的。

上述本发明的带旋流式花格板换热器的设计应用于管壳式换热器，包括浮头式、固定管板式和u形管式换热器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

与普通弓形折流板换热器相比，最大的优点是能够有效的降低壳程流体的压降，从而降低泵的能耗；同时减小了折流板背面的流动死区，优化了壳程流场分布；还能够减小折流板背面流动死区附近结垢的危害。本发明加工制造以及安装简便，费用低；是一种值得大规模推广的新技术。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1.本发明的带旋流式花格板的换热器示意图；

图2.折流板示意图；

其中，100.筒体，201.左管板，202.右管板，301.左管箱，302.右管箱，101.换热管，102.拉杆，103.定距管，104.折流板；

图3.传统弓形折流板换热器壳程中心对称截面温度场分布图；

图4.实施例1的带旋流式六分花格板换热器壳程中心对称截面温度场分布图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

一种带旋流式花格板的换热器，如图1所示，包括筒体100，左管箱301和右管箱302分别连接于筒体两端的左管板201和右管板202上，筒体上设置有壳程流体进口和壳程流体出口，筒体内设置有换热管101，其两端连接于左管板201和右管板202上；筒体内还设置有若干平行的拉杆102，拉杆102右端固定于右管板202上；定距管103套于拉杆102上，定距管103上连接有折流板104。

换热器基本结构尺寸按gb151-1999管壳式换热器确定，所用换热器为单管程单壳程，具体几何参数：筒体直径194mm，换热管长540mm，换热管直径16mm，换热管数量24，换热管间距20mm，折流板厚度3mm，折流板间距90mm，换热管排列方式为正方形布置。折流板有5组，每组折流板具有6个花格板，如图2所示，每块花格板均为一个圆心角为60度的扇形板，每块花格板与壳程横截面呈30度角，相邻花格板在轴向上完全重叠。

用于对比的弓形折流板换热器折流板间距、管子数量和布局均相同，折流板缺口高度54.5mm。

用fluent软件模拟，相同的入口条件，管子壁温相等条件下的对比（除了两种换热器结构不同，其它条件均相等条件下，验证六分花格板的性能）:

模型中壳程流体为水，属于不可压缩流体，使用分离求解器；模型中因为涉及传热计算，所以要打开能量方程；湍流模型选择标准的双方程模型；近壁面的处理采用标准壁面函数，其它保持默认设置；速度压力耦合方式采用基于交错网格的simple算法；假设入口速度均匀分布，壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界条件；忽略重力影响；计算残差采用fluent默认值，计算过程中监视残差变化直至收敛。

使用速度入口（velocity-inlet）边界，给出入口速度和温度283k，出流（outflow）边界条件，换热管表明定义为恒壁温边界，壁面温度373k。入口条件的设置采用湍流强度和水力直径，动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。）

实验结果显示：旋流式六分花格板换热器沿轴向压力变化较小，流体整体流动比弓形折流板均匀，壳程压降比弓形折流板换热器降低28.3%。如图3、图4所示，本发明的带旋流式六分花格板换热器壳程温度场分布更加均匀，有效的降低了折流板背面的流动及传热死区，提高了换热效果。旋流式六分花格板换热器单位压降换热系数比普通弓形折流板换热器提高43.7%。

实施例2

换热器的基本结构设置同实施例1，不同的是：每块花格板与壳程横截面呈45度角。

用于对比的弓形折流板换热器折流板间距、管子数量和布局均相同。

试验结果显示：旋流式六分花格板换热器壳程压降比弓形折流板换热器降低42.5%。旋流式六分花格板换热器单位压降换热系数比普通弓形折流板换热器提高62.1%。

实施例3

换热器的基本结构设置同实施例1，不同的是：每块花格板与壳程横截面呈60度角。

用于对比的弓形折流板换热器折流板间距、管子数量和布局均相同。

试验结果显示：旋流式六分花格板换热器壳程压降比弓形折流板换热器降低65.3%。旋流式六分花格板换热器单位压降换热系数比普通弓形折流板换热器提高32%。该旋流式六分花格板换热器折流板叶片与壳程横截面呈60°角比呈45°角的情况单位压降换热系数相比下降了，是因为随着角度的增加，虽然压降进一步下降但是折流板所起的扰流和制造旋流的能力下降，壳程流体对管子的横向冲刷能力减弱使得换热系数降低。因此旋流式六分花格板换热器折流板叶片与壳程横截面所呈角度存在一个最佳值，这个最佳值与折流板的间距、折流板安装角、管子布置方式有关系。

实施例4

换热器的基本结构设置同实施例1，不同的是：每块花格板与壳程横截面呈45度角，相邻两组折流板以换热器的中心轴为圆心依次顺时针旋转错开15度。

用于对比的弓形折流板换热器折流板间距、管子数量和布局均相同。试验结果显示：旋流式六分花格板换热器壳程压降比弓形折流板换热器降低45%。旋流式六分花格板换热器单位压降换热系数比普通弓形折流板换热器提高67.3%。

实施例5

换热器的基本结构设置同实施例1，不同的是：每块花格板与壳程横截面呈45度角，相邻花格板错开30度。

用于对比的弓形折流板换热器折流板间距、管子数量和布局均相同。试验结果显示：旋流式六分花格板换热器壳程压降比弓形折流板换热器降低47.4%。旋流式六分花格板换热器单位压降换热系数比普通弓形折流板换热器提高71.2%。