专利名称：复杂流场螺旋折流板换热器及其减阻强化传热方法
技术领域：
本发明涉及管壳式换热器，特别涉及一种复杂流场螺旋折流板管壳式换热器及其减阻强化传热方法。
背景技术：
管壳式换热器是应用最广泛的换热设备，由于制造工艺成熟，安全性高在换热设备占有的比例最大，尤其在高温、高压、有毒等苛刻的场合，列管换热设备具有较大的优势，但目前使用的管壳式换热器还存在传热效率较低的问题。
虽然出现强化管技术能够在一定程度上强化传热，但这类换热器的壳程由于采用垂直弓形折流板结构，流体流动过程中出现死区，导致流体的停留时间分布很宽，换热管的有效面积也没有得到充分的利用，传热有待于进一步强化。
为此，又出现了三弓板、四弓板等多种强化壳程换热的方法，但由于定距管的数量增多，传热面损失较大，换热面积没有得到充分利用，本质上也没有改变流体的“之”字型流路，导致流动阻力很大。
如果在壳引入纵向塞流，不但将有效降低流动阻力，减小管子结垢，那么在相同的换热器传热效率的情况下，传热单元数将减小很多，存在较大的流路优势，这意味着即使传热系数不变甚至降低一些，一样可以有效降低换热所需的面积。因此，出现了“纵向流”换热器和螺旋折流板换热器。其中，螺旋折流板换热器采用多块扇形平板依次搭接，来近似螺旋流道。由于其引入螺旋流机制，使得流动比垂直弓板更接近纵向塞流，有效的减少流动死区，减小了管子的振动，减少了流动压降，提高了换热效率，目前已广泛的应用在化工炼油等诸多场合。通过对螺旋折流板换热器壳程传热与流动规律的实验研究及数值模拟发现，流体在螺旋折流板换热器通道内的流动为近螺旋线运动，在螺旋折流板交叉处附近存在回流，流线存在彼此缠绕交叉，在折流板附近几乎没有死角。但由于存在三角区，接近换热器壳体轴线区域仍存在短路现象，造成螺旋“之”字流。从壳程的速度矢量分布来看，流场中仍存在漩涡，接近换热器轴线位置、贴近折流板表面迎风面及折流板彼此相交过渡处速度较大。
进一步来讲，接近壳体内表面位置由于与理想的螺旋运动有偏差，并没有出现人们期望的扇形速度分布，此处流速相应较低，存在“慢”区，故传热效果不理想，而此处的传热管根数更多，所占的换热面积比例更大，这是螺旋折流板换热器强化传热的关键部位。
而且，流体虽在折流板迎风侧的流动较理想，但背风侧流动需要进一步改善，通道内的阻力分布也存在缺陷。类比定律分析也表明，螺旋折流板换热器的流动虽然比弓形折流板理想，但还远没有达到理想的协同状态。
不仅如此，当换热器直径扩大时，换热面积的有效利用率极大的降低，甚至出现了传热性能急剧下降，综合性能还不如普通弓形折流板的现象，这种现象在有相变传热的情况下尤为明显。说明螺旋折流板换热器在向大直径放大的过程中，应该强化流体近壳程内壁附近的流场流速或湍动程度以便进一步强化传热。
因此，总体来讲，为进一步强化传热，一是要减少壳程中心流体短路，使流体在整个换热器恒截面内的速度分布尽可能均匀，二是最好使由中心区向壳体壁面处逐渐增加，要提高流体在壳体半径较大位置处的流体速度。在此基础之上，人们提出了连续螺旋折流板及双壳程螺旋折流板方法来进一步改善壳程的流动与传热。虽然这种做法在一定程度上减少了漏流短路，但流体高速区仍然在通道的中部，没有解决换热器内流动需要的关键问题，远没有出现人们早期预想的扇形速度分布，这意味着传热膜数的下降，折流板背风侧的流动仍然没有改善，接近换热器壳体内径的大部分换热管的面积没有充分利用。双壳程通道远没有垂直弓板换热器容易实现纯逆流设置，甚至会出现逆向导热现象，还要在壳程内插入圆筒分程隔板，导致制造、装配工艺复杂，不利于产品的针对性设计及系列化。整体型螺旋折流板也存在加工、装配复杂等问题。
从阻力分布来讲，现有的螺旋折流板换热器，由于流路分布不合理，对宏观流场的引导措施不够，流体流动过程中存在阻塞现象，有很大的流动空间没有很好的利用，必然导致流动阻力的增加，这意味着有可能通过改变宏观流场的方法进一步降低阻力。
总之，过去人们一味追求螺旋流，但必须看到，在壳体中心位置由于旋转半径很小，这里螺线流实现非常困难，而且无论对于传热、阻力和“之字流”相比并无优势，这也说明整体型的螺旋折流板换热器在理论上不是最优的。为进一步降低流动阻力及强化换热器内的传热，必须引入复杂流场，将之字流和螺旋流有机的结合起来。因此，现有的螺旋折流板换热器还需要进一步强化传热、改善流动状态余地，降低流动阻力，并进一步提高换热管的有效利用率。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用内、外螺旋折流板导流作用，减小壳体中心区短路，提高接近壳体内壁的流体速度，实现不同壳体半径处流体的充分混合，改善折流板背风侧的流动状态，引入复杂流场，提高换热管传热膜系数，充分利用换热管面积，进而强化传热并进一步降低力动阻力的管壳式换热器。
本发明另一目的在于提供一种利用上述换热器改善流体在包括折流板背风侧、接近壳体内壁位置在内换热器内流路，强化管壳式换热器壳程换热系数、提高换热管面积的有效利用率及进一步降低流动阻力的方法。
实现上述减阻强化传热方法的换热器装置包括管板、壳体、换热管、定距管，带有进口和出口的壳体与管板构成换热器密封壳程，所述换热器还包括内螺旋折流板和至少一圈外螺旋折流板，所述内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；所述的外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围；外螺旋的螺距大于内螺旋的螺距；所述换热管和定距管穿过内螺旋折流板或外螺旋折流板与管板连接。
所述构成内螺旋折流板或外螺旋折流板与换热器中心轴线倾斜角度可调。所述外螺旋折流板环在壳体径向位置的数量为2或3个。所述内螺旋折流板或外螺旋折流板一条螺旋线的一个螺距的拼板数量为4个或6个或8个，倾角和板间搭接交错位置可调。所述的外螺旋折流板环在壳体径向位置的数量可以为1圈、2圈或3圈，根据壳体直径的大小来确定，螺旋角随径向增大依次增大。
本发明的改善流体流动、强化传热方法通过下述技术方案来实现由壳体入口进入的流体，一部分在外螺旋折流板组成的螺旋通道内作螺旋运动，内外螺旋外折流板迎风侧的流体冲入内折流板背风侧，在内外螺旋折流板交错位置及外折流板内缘的流体，其部分进入壳体中心内螺旋区域作螺旋运动；另一部分流体进入内螺旋区域，在内螺旋折流板的作用下，在内螺旋区域作之字流和螺旋运动，内螺旋迎风面的流体直接冲刷外螺旋折流板背风侧，并且在内折流板外缘的流体被外螺旋流携带进入外螺旋流道；两部份流体通过交互混合，形成复杂流动，最后从壳体的出口流出。
改善流体流动、强化传热方法是流体由换热器壳程进口进入换热器内，在静压力和折流板的导流作用共同作用下，沿着折流板组成的换热管管间通道，形成更接近纵向塞流的多螺旋流动向出口方向运动，经过多次反复循环后到达出口流出实现换热作用。实现流体在换热器壳程中心区的速度低于中心区以外的速度，尤其是接近壳体内壁时，流体速度加快，同时折流板间相互作用改善了折流板背风侧流动，流体出现多次分流混合作用，壳体中心区与近壳体内壁区存在着宏观对流混合，相对现有技术，热通量及管子的换热面积有效利用率均得到大幅提高。另一方面，由于不同折流板的引导作用，使得流体流经换热器的通道更宽，速度分布更合理，进而流动阻力将进一步降低。
本发明利用内外螺旋折流板改善流路、减阻强化传热。流体由进口进入换热器内，由于内、外螺旋折流板的螺距等结构不同，在折流板的导流作用下，向换热器出口作多螺旋流运动，而不是传统的简单螺旋运动。流体在前行过程中在不同壳程半径处的速度与湍动程度不同，在内螺旋折流板与壳体壁之间的流速极大提高，而且壳体中心处的流体与外螺旋折流板间的流体能够实现宏观对流混合，使得流动更接近理想的塞流。内外螺旋折流板交错位置的存在能够有效的改善折流板背风侧的流动状态。多螺旋流的引入，有效的改善流体在换热器内的流动，强化了大致径处换热管的膜传热系数，提高了换热面积的有效利用率，因而有效地强化传热。流路的分布更加合理，尤其有效的改善了折流板背风侧的流动，通道内的阻力将进一步降低。
本发明相对现有技术的优点与效果是(1)传热膜系数极大提高；由于本发明引入了多螺旋流，有效地强化壳体中心与壳体壁面附近流体的宏观对流混合，提高了壳体内大致径处的流体流速，使得流动更接近理想的扇形速度分布，改善了流体的流动状态，湍动程度提高，极大的提高了管子的传热膜系数。(2)换热管面积得到充分利用；消除了传统螺旋折流板短路及在大直径处的“慢”区存在，使得大直径处换热管的更能发挥传热优势，有效利用率提高。(3)进一步实现换热器壳程流体流动减阻。由于多螺旋的引入，改善了换热器内的流体流路，尤其是折流板背风侧的流动，减少了流体流动的阻塞现象，通道阻力将进一步降低，更能满足节能降耗的时代要求。(4)更有效地利用了纵向塞流的流路优势，由于流体的多螺旋及径向宏观强混合存在，使得换热器内的速度、温度分布更接近纵向流特征，极大的发挥了纵向流的优势。(5)能满足操作要求高的工况条件，由于提高了流体在近壳体内壁处的流速，解决了传统螺旋折流板换热器的缺陷，对于更大的换热量来说，换热器壳体直径可以更大，并能保持在高效率下运行；(6)装备制造成本低，可靠性强；相对于多壳程螺旋折流板换热器以及整体螺旋折流板换热器，本换热器零部件加工相对简易，制造、装配成本低，清洗容易，不易结垢，有望成为新一代换热设备，具有较好的市场前景。
图1是本发明内外螺旋折流板换热器的结构示意图。
图2是本发明内外螺旋折流板换热器沿A-A向的剖视图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1如图1所示，本发明内外螺旋折流板管壳式换热器包括左管板1、壳程进口2、壳体3、右管板4、壳程出口5、外螺旋折流板6、内螺旋折流板7、换热管8、定距管9。所述管板1、3设置于壳体内两端，在壳体内两端管板之间设置有定距管9，定距管9主要起固定内、外折流板7、6的作用；所述传热管8有多根(图1只画出代表性的一根)，传热管8穿过内、外螺旋折流板7、6与管板1、3相连接，传热管8内外的流体通过管壁间壁换热，并由内外螺旋折流板7、6支撑。内螺旋折流板7由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋状，位于壳体中心，如图2所示，每一螺距由4块拼板组成；外螺旋折流板6为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围，如图2所示，每一螺距由4块拼板组成；由外螺旋折流板6构成的外螺旋的螺距大于由内螺旋折流板7构成的内螺旋的螺距。
使用本螺旋折流板管壳式换热器时，由壳体入口2进入的流体，一部分直接贯穿到壳体底部，然后在外螺旋折流板6组成的通道内实现螺旋运动，其中，在内外螺旋折流板6、7交错位置及在外折流板内缘处的流体又有一部分重新回到壳体中心。由于外螺旋折流板的螺距大于内螺旋折流板的螺距，使外螺旋的螺旋角大于内螺旋的螺旋角，外折流板6迎风侧的流体冲入内折流板7背风侧空间，改善了内折流板背风侧的流动状态。与此同时，另一部分流体在内折流板7的作用下，实现中心区域的“之”字流及外围的螺旋流动。其中，位于内螺旋外缘的流体被外螺旋流携带进入外螺旋流道。同样，由于内螺旋折流板7的螺旋角小于外折流板6的螺旋角，内螺旋折流板7迎风面的流体直接冲刷外螺旋折流板6的背风侧，有效改善折流板背风侧流动。正是由于折流板的有效引导作用，实现流体复杂流动，有效地改善了壳体中心区及外围区域的宏观混合，使得流体流经换热器的通道更为宽广，不像传统的螺旋折流板通道那样存在许多急转弯及加减速区域，流场的分布更为合理，换热器内整体湍动程度及换热管的有效利用面积增加，强化传热同时，压力降还能进一步降低，从而实现减阻流动。
实施例2与实施例1不同的是，本实施例的内外螺旋折流板6、7均为双头螺旋结构。构成内螺旋折流板7的两个螺纹头，从截面的圆周位置看，其椭圆扇形板的拼接角度相差45°，以便进一步优化流路，并进一步消除三角区漏流。外螺旋的双螺旋结构拼板的拼接方法与内螺旋相同。
实施例3与实施例1不同的是，本实施例的外螺旋为2圈，从管壳式换热器径向看，其螺旋结构分别为内螺旋折流板7组成的内螺旋、外螺旋折流板6组成两圈外螺旋。2圈由外螺旋折流板6构成的螺旋结构，靠近内螺旋的第一层外螺旋为双螺旋结构，第二层为三螺旋结构。构成第一层外螺旋折流板6的两个螺纹头，从截面的圆周位置看，其椭圆环扇形板拼接角度相差45°，以便进一步优化流路，并进一步消除三角区漏流。对第二层外螺旋的三螺旋结构三个螺纹头来讲，从截面的圆周位置看，拼板的拼接方法也依次相差45°，以便进一步优化流路，并进一步消除三角区漏流。
权利要求
1.复杂流场螺旋折流板管壳式换热器，包括管板、壳体、换热管、定距管，带有进口和出口的壳体与管板构成换热器密封壳程，其特征在于，所述换热器还包括内螺旋折流板和至少一圈外螺旋折流板，所述内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；所述的外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围；外螺旋的螺距大于内螺旋的螺距；所述换热管和定距管穿过内螺旋折流板或外螺旋折流板与管板连接。
2.根据权利要求1所述复杂流场螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述构成内螺旋折流板或外螺旋折流板与换热器中心轴线倾斜角度可调。
3.根据权利要求1所述复杂流场螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述外螺旋折流板环在壳体径向位置的数量为2或3个。
4.根据权利要求1所述复杂流场螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于，所述内螺旋折流板或外螺旋折流板一条螺旋线的一个螺距的拼板数量为4个或6个或8个。
5.一种应用权利要求1所述复杂流场螺旋折流板管壳式换热器的减阻强化传热方法，其特征在于，由壳体入口进入的流体，一部分在外螺旋折流板组成的螺旋通道内作螺旋运动，内外螺旋外折流板迎风侧的流体冲入内折流板背风侧，在内外螺旋折流板交错位置及外折流板内缘的流体，其部分进入壳体中心内螺旋区域作螺旋运动；另一部分流体进入内螺旋区域，在内螺旋折流板的作用下，在内螺旋区域作之字流和螺旋运动，内螺旋迎风面的流体直接冲刷外螺旋折流板背风侧，并且在内折流板外缘的流体被外螺旋流携带进入外螺旋流道；两部份流体通过交互混合，形成复杂流动，最后从壳体的出口流出。
全文摘要
本发明涉及复杂流场螺旋折流板管壳式换热器及其减阻强化传热方法。换热器内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围。该换热器利用内外螺旋折流板不同结构的导流作用，引入复杂流场，改善流体在壳体内壁附近及折流板背风侧的流动状态，强化壳体中心处与中心外围区域的混和，提高流体在换热器内整体湍动程度，较大幅度地提高壳程的传热膜系数，提高换热管的有效利用面积，强化壳程传热。换热器结构加工、装配、维护方便，制造成本低，突破了限制螺旋折流板向大流量操作的瓶颈，节能降耗，市场前景好。
文档编号F28F13/00GK1804528SQ20061003307
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者徐百平, 江楠 申请人:华南理工大学