一种管径变化换热器均衡流量设计方法与流程

本发明是申请日2018年07月20日、申请号2018108092067、发明名称“分隔装置不均匀设置的管壳式换热器”的分案申请。

本发明涉及换热器，尤其是涉及一种管壳式换热器。

背景技术：

汽液两相流换热广泛地存在于各种换热装置中，汽液两相流在换热过程中因为汽相的存在，会导致换热效率低，恶化换热，流体流动过程不稳定，而且会导致水锤现象的发生。当两相工质的汽液相没有均匀混合且不连续流动时，大尺寸的液团会高速地占据气团空间，导致两相流动不稳定，从而剧烈地冲击设备与管道，产生强烈震动和噪声，严重地威胁设备运行安全。

本发明人在前面申请中也设计了多种解决上述问题的换热器装置，例如多管式，但是此种装置在运行中发现，因为管子之间是紧密结合在一起，因此三根管子之间形成的空间a相对较小，因为空间a是三根管子的凸弧形成，因此空间a的大部分区域狭窄，会造成流体难于进入通过，造成流体短路，从而影响了流体的换热，无法起到很好的稳流作用。同时因为上述结构的多根管子组合在一起，制造困难。再例如2017102671998结构，虽然该结构解决了流体短路现象，但是却存在流通面积大大缩小的问题，导致流动阻力的增加。再例如2017103224953的环形分隔装置，环形结构中分隔装置采用环形结构，导致整体上分隔装置环空在周向上分隔不均匀，而且因为存在环形结构，使得环空的四个夹角的位置出现了小于90度的锐角，这会导致在小于90度的锐角部分存在流体流动短路的问题。

正常的换热器设计中，换热管外部翅片高度基本相同，没有考虑具体换热情况变化导致的翅片的变化。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的产生蒸汽的换热器，从而解决换热管换热的情况下的存在的稳流不均匀的换热问题。使得汽体和液体充分进行混合，提高了换热效果。

技术实现要素：

本发明提供了一种新的换热管换热器，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种产生蒸汽的管壳式换热器，所述换热器包括上下集管以及设置在上下集管之间的换热管；所述换热器包括进口管和出口管，所述进口管设置在下集管上，出口管设置在上集管上，所述换热器包括热源进口和热源出口，热源从热源进口进入，与换热管内的流体进行换热，然后从热源出口流出，换热管内的流体加热成蒸汽，从出口管流出，在换热管的管壁的外部设置翅片，所述翅片设置在横向上，所述翅片为直板状，翅片的平面方向沿着热源的流动方向，沿着换热管内流体的流动方向，翅片高度不断的增加。

作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，翅片高度增加的幅度越来越大。

一种产生蒸汽的管壳式换热器，所述换热器包括上下集管以及设置在上下集管之间的换热管；所述换热器包括进口管和出口管，所述进口管设置在下集管上，出口管设置在上集管上，所述换热器包括热源进口和热源出口，热源从热源进口进入，与换热管内的流体进行换热，然后从热源出口流出，换热管内的流体加热成蒸汽，从出口管流出，所述换热管内设置分隔装置，所述分隔装置是片状结构，所述片状结构在换热管的横截面上设置；所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边。

作为优选，换热管是正方形管。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，相邻分隔装置之间的距离为s1，正方形通孔的边长为l1，换热管的边长为l2，满足如下要求：

s1/l2=a*(l1/l2)²+b*(l1/l2)-c

其中a,b,c是参数，其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21，0.43<c<0.44；

9<l2<58mm；

1．9<l1<3.4mm；

15<s1<31mm。

进一步优选，a=39.87,b=9.20.c=0.432

不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长越大。

作为优选，随着距离进口管的距离越远，所述的正方形通孔的边长变大的幅度越来越高。

作为优选，距离进口管最远处的换热管内的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的扁平换热管内的正方形通孔的边长的1.1-1.2倍。

作为优选，距离进口管最远处的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的正方形通孔的边长的1.15倍。

作为优选，所述分隔装置包括下面两种类型中的至少一种，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形通孔位于换热管的中心，第二种类型是正八边形中心分隔装置，正八边形通孔位于换热管的中心。

作为优选，相邻设置的分隔装置类型不同。

作为优选，a=42.54,b=6.383，c=0.2438。

与现有技术相比较，本发明的扁平换热管具有如下的优点：

1）本发明提供一种新式管壳式蒸汽换热器，因为随着流动的流动，内外温差相差越来越小，吸热能力越来越差，通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积，以增加吸热量，使得整体上的吸热量达到均匀化。

2）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置产生蒸汽的管壳式换热器，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔装置将两相流体分离成液相和汽相，将液相分割成小液团，将汽相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

3）本发明通过设置正方形通孔的边长随着距离进口管的变化，使得流体向流动阻力小的距离进口管远的换热管内流动，从而使得流体在换热管内分配均匀，提高了换热效率，提高了使用寿命。

4）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

5）本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

6）本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

7）本发明通过在换热管内流体流动方向上设置相邻分隔装置之间的距离、分隔装置的孔的边长、换热管的管径、管间距等参数大小的规律变化，研究了上述参数的最佳的关系尺寸，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

8）本发明通过对环形分隔装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。

附图说明

图1是本发明换热器的结构示意图。

图2本发明分隔装置结构示意图。

图3是本发明分隔装置另一结构示意图。

图4是本发明分隔装置在换热管内布置的示意图。

图5是本发明分隔装置在换热管内布置横截面示意图。

图6-1、图6-2是本发明翅片在换热管外布置横截面示意图。

附图标记如下：

1换热管，2翅片，3进口管，4出口管，5，分隔装置，正方形通孔51，正八边形通孔52，边53，6热源进口，7热源出口，8上集管，9下集管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种产生蒸汽的管壳式换热器，如图1所示，所述换热器包括上集管8和下集管9以及设置在上下集管8,9之间的换热管1。所述换热器包括进口管3和出口管4，所述进口管3设置在下集管上，出口管设置在上集管上，所述换热器包括热源进口6和热源出口7，热源从热源进口6进入，与换热管1内的流体进行换热，然后从热源出口7流出，换热管1内的流体加热成蒸汽，从出口管4流出。作为优选，所述换热管之间设置翅片2。因为换热管内的流体在换热管内加热产生蒸汽，这样导致在换热管1内形成汽液两相流。

如图2-3所示，在换热管1内设置环形分隔装置5。所述环形分隔装置5的结构见图2-3。所述分隔装置5是片状结构，所述片状结构在换热管6的横截面上设置；所述分隔装置5为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔51和正八边形通孔52。如图3所述正方形通孔51的边长等于正八边形通孔52的边长，所述正方形通孔的四个边53分别是四个不同的正八边形通孔的边53，正八变形通孔的四个互相间隔的边53分别是四个不同的正方形通孔的边53。

本发明采用新式结构的分隔装置，具有如下优点：

1）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的分隔装置将两相流体分离成液相和汽相，将液相分割成小液团，将汽相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3）本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4）本发明通过设置分隔装置为片状结构，使得分隔装置结构简单，成本降低。

本发明通过设置环形分隔装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将汽液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现汽液界面以及汽相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，所述分隔装置包括两种类型，如图2,3所示，第一种类型是正方形中心分隔装置，正方形位于换热管或者冷凝管的中心，如图3所示。第二种是正八边形中心分隔装置，正八边形位于换热管或者冷凝管的中心，如图2所示。作为一个优选，上述两种类型的分隔装置相邻设置，即相邻设置的分隔装置类型不同。即与正方形中心分隔装置相邻的是正八边形中心分隔装置，与正八边形中心分隔装置相邻的是正方形中心分隔装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化，使得通过大孔的流体接下来通过小孔，通过小孔的流体接下来通过大孔，进一步进行分隔，促进汽液的混合，使得分隔和换热效果更好。

作为优选，所述换热管1的横截面是正方形。

作为优选，在换热管1的管壁的外部设置翅片2。作为优选，所述翅片设置在横向上。沿着热源的流动方向上延伸。

作为优选，翅片设置在非迎着热源和背着热源的两侧。即设置在热源流动方向的侧面管壁上，而不是设置在热源流动方向的正面和背面的管壁上。

作为优选，所述翅片为直板状，翅片的横向延伸方向沿着热源的流动方向。

作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，外部翅片2高度不断的增加，高度增加的幅度越来越大。因为随着流动的流动，内外温差相差越来越小，吸热能力越来越差，通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积，以增加吸热量，使得整体上的吸热量达到均匀化。实验发现，通过如此设置，与翅片高度完全相同相比，可以提高大约5%的换热效率。

作为优选，沿着换热管1横截面的中间向两侧，所述翅片2的高度不断减少。其中，位于换热管1的中间位置，翅片的高度最高。

因为通过试验发现，换热管在中部散热最多，从中部向两侧，散热逐渐变小，因此通过设置换热管的外部翅片高度变化，这样使得换热管的散热面积在中部最大，在两侧最小，使得中部散热能力最大，这样符合换热管热量的散热规律，使得整体上换热管散热均匀，避免换热管局部温度过热，造成散热效果过差，造成换热管寿命的缩短。

作为优选，所述换热器包括进口管3和出口管4，所述进口管3设置在下集管9的中间位置，出口管4设置在上集管8的中间位置。设置在中间位置保证流量分配均匀。主要是因为换热管流动的是蒸汽，因此将进口管3设置在下部。

作为优选，不同的换热管内的正方形通孔的边长不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的正方形通孔的边长越大。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为边长小导致的流通面积越小，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，例如图1中的从进口管3向左右两侧的换热管方向，所述的换热管内的正方形通孔的边长的增长幅度越来越高。通过实验发现，通过换热管内的正方形通孔的边长的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。即管a正方形通孔的边长<管b正方形通孔的边长<管c正方形通孔的边长<管d正方形通孔的边长……，依此类推。

作为优选，距离进口管最远处的换热管内的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的扁平换热管内的正方形通孔的边长的1.1-1.2倍。

作为优选，距离进口管最远处的正方形通孔的边长是距离进口管最近处的正方形通孔的边长的1.15倍。

作为优选，每根换热管内的分隔装置的数量相同。

作为优选，不同的换热管内的分隔装置5的分布数量不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的分隔装置的分布数量越来越少。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为分隔装置的分布数量多，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管内的分隔装置分布数量变少的幅度越来越高。通过实验发现，通过数量变大的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。

距离进口管3最远处的换热管内的分隔装置分布数量是距离进口管3最近处的换热管内的连通孔6的分布数量的0.8-0.9倍，优选为0.85倍。

作为优选，不同的换热管的管径不同，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管管径越大。通过如此设置，使得距离进口管3越近，则因为换热管管径小，则造成流体流动的阻力变大，从而使得流体向流动阻力小的换热管内流动，使得流体向着距离进口管3的距离越远位置的换热管内流动，从而使得流体分配均匀。

作为优选，随着距离进口管3的距离越远，所述的换热管管径越大的幅度越来越高。通过实验发现，通过管径变大的幅度的增加，能够使得流体分配更加均匀。

距离进口管3最远处的换热管内的管径是距离进口管3最近处的换热管管径的的0.85-0.9倍，优选为0.88倍。

作为优选，所述换热管1的横截面是正方形。

作为优选，沿着换热管1内流体流动的方向，换热管1的管径不断的增加。主要原因如下：1）通过增加换热管的管径，可以减少流动的阻力，使得换热管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进环路热管的循环流动。2）因为随着流体的不断的流动，液体在换热管内不断的蒸发，从而使得汽体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。3）通过换热管的管径的增加，可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。

作为优选，沿着流体流动的方向，换热管1的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀，减少冲击现象。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，从换热管1的入口到换热管1的出口，分隔装置之间的间距越小。设距离换热管入口的距离为h，相邻分隔装置之间的间距为s，s=f1(h)，即s是以高度h为变量的函数，s’是s的一次导数，满足如下要求：

s’<0;

主要原因是因为换热管内的汽体在上升过程中会携带者液体，在上升过程中，换热管不断的受热，导致汽液两相流中的汽体越来越多，因为汽液两相流中的汽相越来越多，换热管内的换热能力会随着汽相增多而相对减弱，震动及其噪音也会随着汽相增加而不断的增加。因此需要设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短。

此外，从换热管出口到上集管或者冷凝集管这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相（汽团）从换热管位置进入冷凝集管，由于气（汽）液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气（汽）液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔汽相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以提高换热效果。

进一步优选，从换热管1的入口到换热管1的出口，相邻分隔装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即s”是s的二次导数，满足如下要求：

s”>0;

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低7％左右的震动和噪音，同时提高8％左右的换热效果。

作为优选，换热管内设置多个分隔装置，从换热管1的入口到换热管1的出口，正方形的边长越来越小。距离换热管入口的距离为h，正方形的边长为c，c=f2(h)，c’是c的一次导数，满足如下要求：

c’<0;

进一步优选,换热管1的入口到换热管1的出口，正方形的边长越来越小的幅度不断的增加。c”是c的二次导数，满足如下要求：

c”>0。

具体理由参见前面分隔装置间距变化。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离保持不变。

作为优选，所述换热管内壁设置缝隙，所述分隔装置的外端设置在缝隙内。

作为优选，换热管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分隔装置。

通过分析以及实验得知，分隔装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，正方形的边长也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5pa/m）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离为s1，正方形通孔的边长为l1，换热管为正方形截面，换热管正方形截面的边长为l2，满足如下要求：

s1/l2=a*(l1/l2)²+b*(l1/l2)-c

其中a,b,c是参数，其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21，0.43<c<0.44；

9<l2<58mm；

1．9<l1<3.4mm；

15<s1<31mm。

进一步优选，a=39.87,b=9.20.c=0.432

进一步优选，随着l1/l2的增加，a,b越来越大，c越来越小。

作为优选，正方形通孔的边长l1是正方形通孔内边长和外边长的平均值，换热管正方形截面的边长l2是换热管内边长和外边长的平均值。

作为优选，正方形通孔的外边长等于换热管正方形截面的内边长。

作为优选，随着l2的增加，l1也不断增加。但是随着l2的增加，l1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着l2的增加，s1不断减小。但是随着l2的增加，s1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

通过分析以及实验得知，换热管的间距也要满足一定要求，例如不能过大或者过小，无论过大或者过小都会导致换热效果不好，而且因为本申请换热管内设置了分隔装置，因此分隔装置也对换热管间距有一定要求。因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5mpa以下，或者单根换热管的沿程阻力小于等于5pa/m）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

相邻分隔装置之间的距离为s1，正方形的边长为l1，换热管为正方形截面，换热管的边长为l2，相邻换热管中心之间的间距为s2满足如下要求：

s2/l2=d*(s1/l2)²+e-f*(s1/l2)³-h*(s1/l2)；

其中d,e,f,h是参数，

0.280<d<0.285,1.342<e<1.350,0.060<f<0.065,0.169<h<0.171；

9<l2<58mm；

1.9<l1<3.4mm；

15<s1<31mm。

16<s2<76mm。

相邻换热管中心之间的间距为s2是指换热管中心线之间的距离。

进一步优选，d=0.282,e=1.347,f=0.062，h=0.170；

作为优选，随着s1/l2的增加，d，e越来越大，f，h越来越小。

作为优选，随着l2的增加，s2不断增加，但是随着l2的增加，s2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果。

作为优选，换热管长度l为2000－2500mm之间。进一步优选，2200－2300mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

作为优选，换热管内流体是水。

作为优选，热源是烟气。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。