专利名称：螺旋壳列管式换热器的制作方法
螺旋壳列管式换热器的发明指的是一种用于流体间间壁传热的具有独特结构形式的换热设备。这种独特结构称为螺旋壳列管结构，这种结构的换热器称为螺旋壳列管式换热器。
螺旋壳列管结构由中心管(或称内筒)、螺旋板、外筒共同围成了一个沿换热器轴线方向上的螺旋通道(螺旋壳)，且列管采用环状同心圆排列沿轴线方向穿过了这个通道。见图2。螺旋板不仅起到支承列管的作用，同时也充当了螺旋通道的两个壁。中心管既可从一侧管板穿透并穿过管箱引出作壳程的一个进出口，也可封闭(留两个小孔)作介质的滞流区。壳程流体进出口接管亦可采用切向连接形式以配合螺旋流道效应。
换热器的传热膜系数和压力降依赖于流体的线速度，且通常压力降随线速度增加的增值要比膜系数随线速度增加的增值快的多(比值为指数关系)。因此研究和评价这两项的数学模型和数值一直是衡量一种换热器好坏的主要指标。与传统结构的列管式换热器比较，螺旋壳列管式换热器一是充分利用了螺旋流道产生的离心力对层流内层或界面进行的扰动及列管截面形成的椭圆形流线对流体形体曳力或尾流效应造成的抑制，从而既增大传热膜系数，又减小流动阻力。二是从力学上、几何上和制造上充分论证了它的合理性和可能性。
螺旋流道的截面是一等矩形截面，其中冷热流体间的换热基本属错流换热。我们知道间壁传热的总传热系数(k)一般主要取决于两侧的传热膜系数，即k＝f(αi，αo)。通常管内侧的传热膜系数(αi)比管外侧的传热膜系数(αo)容易得到强化，如采用分程，在管内放麻花铁或异型物等。所以最大限度地提高管外侧的传热膜系数(αo)，进而匹配适当的管内侧的传热膜系数(αi)是提高总传热系数(k)的根本。螺旋壳结构恰好提供了这样的功能1)螺旋线形的流动加速了对换热界面的扰动，提高了传热效率；2)列管与流体错流呈椭圆形断面，减少了流动阻力；3)等截面流道，提供了一个连续稳定的传递过程；4)螺旋板支承列管增强了管束刚性；5)内筒外筒共同支撑管板，改善了管板受力。
这种螺旋壳结构除适用于一般换热器结构外，立置时也可用于蒸发器或冷凝器的壳程。参见图3，流体的切向速度为Vx，轴向速度为Vy。Vx会对冷凝液产生剥离作用，Vy会加速冷凝液下落，而螺旋支承板又从当了收集和导液作用，大大提高了换热效率。所以也可以把它作为一种功能性结构来认识。
流体在管程的传热膜系数(αi)和流动压力降(Δpi)可根据流体在圆形直管内的传热膜系数计算公式和压力降计算公式计算，它们已经很成熟。
流体在螺旋壳内(壳程)的传热膜系数(αo)和流动压力降(Δpo)可按流体横穿列管管间的模型和下列式子计算1)传热膜系数αo(Kcal/m2h℃)Nu＝εcFαRe0.65Pr0.4(1)αo=λdϵcFαRe0.65Pr0.4----(2)]]>式中ε，c——与列管排列有关的系数；Fα——与螺旋角和螺旋中心圆直径有关的系数；Re——雷诺准数；Pr——普兰德准数；Nu——努塞尔准数；λ——换热管材料的热传导系数；d——流道的当量直径。
2)流动压力降Δpo(Pa)Δpo＝NsNTξrξcγu2/2g (3)式中 Ns——螺旋的圈数；NT——每圈的管排数；ξr——与螺旋角和螺旋中心圆直径有关的系数；ξc——与列管排列有关的系数；γ——流体的质量；u——流体的线速度；g——重力加速度。
图1是一普通列管式换热器的简图。在普通列管式换热器的壳程，由于流体在折流板间的流动和传热不是处于一个连续稳定状态，即在各个点上的动量传递和热量传递相差幅度较大，以至于整个换热器的能力没有得到发挥。图2是一螺旋壳列管式换热器的简图。对图1和图2两者壳程的简单计算比较见表1。
表1基本参数及计算结果
从表1可以看出，两者在操作参数和结构参数相当的情况下，螺旋壳列管式换热器的传热膜系数比普通列管式换热器的传热膜系数提高了91％，压力降减小了21％，而设备净重和制造成本略有减少或基本持平。可实际上这就相当于上述的一台螺旋壳列管换热器处理了两台普通列管式换热器的负荷。
螺旋壳列管式换热器的加工和制造诀窍主要集中在螺旋板的设计和制造上。螺旋板厚度不能象传统的支承板取那么厚，既要考虑到支承列管的刚度，又要考虑到制作过程中的拉伸弹性。特别是用于穿列管的椭圆孔的镗孔，角度和精度需配有专用机床和工具。
权利要求
1.螺旋壳列管式换热器指的是由中心管(或称内筒)、螺旋板、外筒和列管共同构成的螺旋壳列管结构的创意。其特征在于这种创意的结构改善了换热器壳程的传热膜系数和流动压力降。
2.权利要求书1中的这种螺旋壳列管结构的创意还应当包括列管在螺旋板上的同心圆排列及椭圆孔的设置加工。
3.权利要求书1中的这种螺旋壳列管结构的创意还应当包括换热器壳程的传热膜系数计算式子αo=λdϵcFαRe0.65Pr0.4]]>和流动压力降计算式子Δpo＝NsNTξrξcγu2/2g其中Fα和ξr是上述两式独有的带有含义的系数。
4.权利要求书1中的这种螺旋壳列管结构的创意还应当包括立置时用于蒸发器或冷凝器壳程，作为剥离、收集和输导冷凝液的功能性结构的认识。
全文摘要
螺旋壳列管式换热器是一种用于流体间间壁传热的新结构形式的换热设备。螺旋壳列管结构是由中心管(或称内筒)、螺旋板、外筒共同围成的一个沿设备轴线方向上的螺旋形通道(螺旋壳)，且列管采用同心圆排列沿轴向穿过这个通道的一种结构形式。其特征在于螺旋流道产生的离心力对层流内层或界面进行了扰动，列管截面形成的椭圆形流线对流体形体曳力或尾流效应造成了抑制，从而既增大传热膜系数，又减小流动阻力。
文档编号F28D7/08GK1399116SQ0112344
公开日2003年2月26日 申请日期2001年7月25日 优先权日2001年7月25日
发明者乔海星, 于军, 陈幼子, 程建斌 申请人:化学工业第二设计院