专利名称：换热器管内梯形插入物的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热交换领域，更具体地说是涉及一种换热器管内防垢、强化传热的元件。
在动力工业燃油锅炉和重油(渣油)制管道煤气行业中，燃油粘度普遍较高，油品从喷嘴喷射燃烧前要加热减粘，但由于燃油预热器传热性能差，往往难以达到设计要求。此外高粘性流体传热还广泛出现在聚合物生产及加工、食品、化工等工业生产过程中。由于采用一般的光管换热器其传热性能达不到工艺要求，往往需要采取强化传热措施。管内插入物则是用于提高传热性能的技术手段之一，目前主要有扭带状插入物、螺旋线形插入物、Kenics静态混合器和交义锯齿形扰流子。
扭带状插入物是一种典型的旋流器，它可以使流体流动路径增加，在加热情况下形成巨大的离心力增强了对流，并具有一定的翅片效应，使传热膜系数得到提高。但在冷却情况下，离心力则是不利因素，而且在很粘流体的低雷诺数Re下，难于产生二次循环流，因而不适宜高粘性流体的冷却。
螺旋线形插入物也是旋流器中的一种，它主要通过形成离心力和促进湍流，达到强化传热的目的，但仅适合于较低的普朗特数Pr、低粘度和较高雷诺数Re的情况。
Kenics静态混合器对高粘性流体的强化传热效果尚好，它主要通过对流进行切割转换来产生强化传热作用，但其阻力增加的倍数太大，达七～十倍，其中部分阻力损失被切割流体混合所消耗，而且仅适宜传质，不利于传热。交叉锯齿形扰流子插入物是中国实用新型专利CN86203375.6公开的一种管内插入物，属于扰动型的插入物，其原理是对流体产生二次流，达到扰动流体强化传热的效果。这种插入物局限在Pr＝135，300＜Re＜3000范围内应用，对于特别低的Re数和特别高的Pr数情况，则难以产生二次流。
综上所述，现有的强化传热管内插入物多数是以切割边界层和旋流型为主，难于适应高粘和超高粘性流体的强化传热，特别是流动阻力、传热性能和加工制造方面的综合经济价值不大，从而影响到其工业应用。
本实用新型的目的正是根据工业生产过程中，主要是高粘性流体在低Re数的传热特性，设计一种适用面广、参数配置好、结构简单、易于加工成型的置换型、防垢、强化流体传热效果特别是强化高粘性流体传热效果的管内插入物，用于换热器的管内强化传热和防垢。
本实用新型的管内插入物是梯形插入物，由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为60～90°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成。
设管内径为d，则梯形片带宽为d/2-d/10，梯形单元的平行边长为d/10-3d，梯形单元两条斜边端点之间的距离为3d-7d时，流体的防垢传热效果更佳。
图1是构成本实用新型管内插入物的一条梯形片带的结构示意图，如图所示，梯形插入物在换热器管内主要是通过梯形斜面置换物料和梯形平行边对管边界进行扰动达到防垢和强化传热效果的，其工作过程是在换热管1内，借助梯形斜边2将管内物料从管壁边缘向中部置换，又将中部物料置换到管壁；梯形平行边3则将返壁面的物料充分扰动以使物料和壁面产生热交换，同时因弹性作用对壁面有一定的摩擦防垢作用；另一梯形斜边4将换热好的物料置向中部，又将中部物料移向另一边，通过连续的梯形单元和一条以上的梯形插入物的配合，对所需换热的物料，进行连续充分的置换和壁面的扰动更新换热，从而使物料与壁面的传热膜系数大大增强。
已有的研究和发明人的实验均表明，高粘性流体在光滑管内传热的同一截面上，流速相差很大，中心部位流速大，停留时间短；壁面附近流速小，停留时间长。近壁面附近流体过热，中心部位温度过低，这种流场对于某些热敏性物料(如聚合物)是不利的。而本实用新型的梯形插入物能对传热壁面进行充分扰动、置换更新，对中心部位过大流速进行置换转向，将边壁上流体移置到中部，减少管内流体本身温差，使之均匀。同时由于梯形平行边的作用也减少了物料停滞在传热壁面的机会，防止流体过热结焦或污垢生成。斜面的置换和边界的扰流，可以使管内传热膜系数增加至光管的二至六倍，而传热阻力仅略微增加一至七倍。
构成本实用新型梯形插入物的梯形单元平行边除了可以是直线形外，还可以呈锯齿形或波浪形，这种形式的平行边可进一步促进表面更新和成薄边界层来达到强化传热的目的。
本实用新型与现有技术相比，具有如下区别和优点(1)本实用新型的梯形插入物和交叉锯齿形扰流子虽然都是采用片条制作，但由于扰流子主要是以片条对流体的扰动产生二次流来强化传热，故限制了锯齿形扰流子的应用范围。当流体特别是高聚物流体粘度非常大，流速特别小时，锯齿形扰流子则无法产生二次流。当片条若维持原有设计参数则难以产生强化传热的效果，或者说效果不明显，当片条加宽时，又因锯齿带交叉相互作用且连续产生作用，使流体没有缓冲余地而难于实施。本实用新型梯形插入物则克服了扰流子的缺点，既可以用于粘度和超高粘度的聚合物传热工艺，也可以应用在很低流速的低Re数范围。
(2)本实用新型梯形插入物是借助梯形斜边产生不连续的置换，通过梯形平行边产生局部扰流，通过两者交替作用达到强化传热和防垢目的，使之具有适用面广、防垢和强化传热效果好、阻力小的优点。也可以说梯形插入物是综合了置换形插入物和局部扰流子两者的优势，并通过科学实验参数的配置，优化组合而发明的新一代管内插入物。
(3)本实用新型的梯形插入物的传热与阻力特性较以往元件为优，已成功实施于(重油、渣油)预热换热器和树脂(高分子材料)加热工艺，在Pr＝100-1200，0.01＜Re＜3000范围内，梯形插入物元件与扭率为2.5的扭带状插入物相比，可节省传热面积(投资)30％，或节省泵功耗(节能)62％，与一般的静态混合器相比，如kenics型，则在相同的面积和阻力下，减少传热温差，提高热负荷达80％。和光管相比，效果则更加明显，可以完成一般光管无法完成的工艺加热。
(4)本实用新型制造工艺简炼，可在小型冲床上连续生产，加工好的梯形片带通过电阻焊固定为两条或多条。
(5)本实用新型经济效益显著，在现有换热设备，如重油预热器的技术改造时，采用本实用新型的梯形插入物直接安装于列管式换热器管程内部，(原设备无须改装变动，油泵须有一定余量)，可使原换热器操作弹性增加，热负荷提高200％-300％，加热出口油温大大提高。当管内流体为高粘性物料时，粘度高达8000-10000厘泊时，由于光管内流物料本身温度梯度大，难于实现蒸汽加热，但采用本实用新型的梯形插入物元件，则可使物料从22℃(室温)升至104℃(外部蒸汽110℃)。而使用其它插入物，以往实验证实均无法达到工艺要求，因此本实用新型具有独特的置换型防垢、强化传热特征，适合于技改节能或特殊工艺应用要求。
(6)本实用新型梯形插入物的材质为金属弹性片材，可在现有设备上安装固定，也可在新设备制造厂直接安装，方便折除检修。
(7)由于本实用新型梯形插入物由片带状弹性金属材料制作，因而具有一定的弹性余量，在流体的冲击下产生一定的振动，特别是呈锯齿形或波浪形的梯形平行边与管壁的接触是靠弹性力压在壁面上的，因而具有一定的活动余地，随流体的冲击有一定的波动性能，因而可产生一定的防垢效果，同时由于流体在梯形片带不连续作用下，亦产生一定的脉动而防垢。
图2是本实用新型梯形插入物的结构示意图；图3是本实用新形的梯形单元平行边呈波浪形的结构示意图；图4是本实用新形的梯形单元平行边呈锯齿形的结构示意图。
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步叙述实施例一管外是1.2Kg/cm2(表压)饱和蒸汽，采用套管换热器，管内径d＝20mm，用梯形插入物，加热树脂从室温升至104℃，Pr＝14000，Re＝0.015，该梯形插入物的结构如图2所示，由两条梯形片带垂直交叉组装而成，梯形片带宽为5.7mm，平行边长为2.5mm，梯形单元两条斜边端点之间的距离为70mm，管内传热系数为光管的3-4倍，传热阻力为光管的2-3倍，出口温度为104℃，比光管提高了50℃，比采用扭带状插入物、Kenecis静态混合器提高了30℃。即采用扭带状插入物、Kenecis静态混合器为强化传热手段，换热器的出口温度只有80℃左右，无法加热至树脂要求的温度104℃，难以实现工艺要求。
实施例二重油预热器技术改造。对于重油在Pr＝5000，Re＝80～120，d＝25mm条件下，采用梯形插入物直接安装在管程内，梯形插入物由两条梯形片带成90°交叉组装成，梯形片带宽为4.8mm，如图3所示，其梯形平行边3呈波浪形，其长为4.5mm，梯形单元两条斜边端点之间的距离为100mm。管外为蒸汽加热，管内传热系数提高80～180％，管程压降增加1-2倍，换热器负荷提高50-100％，操作弹性也大大增强。
实施例三轻油冷却器，d＝30mm，Pr＝10，Re＝3000，采用梯形插入物强化传热，梯形插入物由三条梯形片带成60°交叉组装成，梯形片带宽为3mm，如图3所示，其梯形平行边呈锯齿形，其长为30mm，梯形单元两条斜边端点之间的距离为150mm。和光管比，管内传热膜系数提高3-5倍，管内阻力增加4-7倍。若管外用低肋管和水进行换热，则可节省设备投资30-42％。
权利要求1.一种换热器管内梯形插入物，其特征在于由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为60～90°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成。
2.按照权利要求1的梯形插入物，其特征在于设管内径为d，则梯形片带宽为d/2-d/10，梯形单元的平行边长为d/10-3d，梯形单元两条斜边端点之间的距离为3d-7d。
3.按照权利要求1或2的梯形插入物，其特征在于梯形单元平行边是直线形。
4.按照权利要求1或2的梯形插入物，其特征在于梯形单元平行边呈锯齿形。
5.按照权利要求1或2的梯形插入物，其特征在于梯形单元平行边呈波浪形。
专利摘要一种换热器管内梯形插入物，由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为60～90°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成，设管内径为d，则梯形片带宽为d/2-d/10，梯形单元的平行边长为d/10-3d，梯形单元两条斜边端点之间的距离为3d-7d，这种结构的管内插入物适用面广、结构简单，易于加工成型，具有优良的防垢、强化流体传热效果特别是强化高粘性流体传热效果。
文档编号F28F13/00GK2222898SQ9521033
公开日1996年3月20日 申请日期1995年4月29日 优先权日1995年4月29日
发明者朱冬生, 谭盈科 申请人:华南理工大学