一种三维折流板及管壳式换热器的制作方法

本发明涉及换热器技术领域，特别是涉及一种三维折流板及管壳式换热器。

背景技术：

管壳式换热器又称为列管式换热器或者列管式冷凝器，其适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业中的“液——液”、“汽——汽”、“汽——液”热交换的对流传热，以及蒸汽冷凝和液体蒸发等换热冷凝流程，是应用最为广泛的热交换器。

管壳式换热器一般由管束、壳体、管箱、外头盖等主要构件构成，管束是列管式换热器的核心，管束通常由换热管、折流板（或者称为支持板）和管板组成，成排的换热管通过折流板支持，其两端穿进管板的管孔中与管板相连接，在保证换热管与管板的接头的密封性和强度的情况下，即可成为一台管束，管束再与壳体、管箱组成完整的换热器。其中，换热管作为导热元件，与折流板一起决定列管式换热器的传热性能，管箱与壳体则决定列管式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。这种管壳式换热器的制造工艺成熟，安全性能高，是在换热设备中关键的能耗设备。

传统技术中，普通使用在管束的折流板的结构一般为弓形折流板，或者在弓形折流板的基础上进行改进的圆缺阻液形折流板、环盘形折流板、孔式折流板、折流杆等，这些折流板结构或多或少都存在如下不足之处：(1)由于壳程流体多次改变流动方向，容易在折流板边缘处产生流体分离，从而增大流动阻力；(2)弓形折流板与壳体间之间存在着流动滞止死区，不仅导致传热效率降低，而且滞止死区的流体容易在壳侧结垢；(3)对于圆缺阻液形折流板，由于圆缺区中流体呈平行于换热管的管轴方向流动，致使传热性能下降；(4)对于环盘形折流板，壳程流体经折流板的多次折流会产生叉流流动，进而将减少传热的平均温差；(5)当壳程的进、出口管距管板较远时，流动停止区会变大，需增设导流筒，还得增加换热管的有效长度；(6)对于折流杆换热器，其在高粘度的介质中很难形成有效的卡门旋涡，进而达不到高传热效率的要求。

针对传统的折流板存在的问题，人们采取的对策是彻底抛弃弓形折流板，采用螺旋扁管自我支持换热管，或采用缠绕管自我支持换热管，或把二维折流板拼成螺旋折流板支持换热管等，这些改进结构的折流板在解决上述部分问题的同时，也带来了使用条件的局限性、结构的复杂性、不易清洗和维修、成本高等新的问题。另外，随着石油化工装置的规模化发展和节能技术指标的完善，壳管式换热器适用的公称直径从2600mm扩大到4000mm，结构尺寸的放大设计并不会天然地带来线性比例增大的工艺效果，反而会放大原有的缺点，例如，在大公称直径的壳管式换热器中，现有的折流板结构（包括传统的折流板和改进后的已有的折流板），其中一部分本身不适用于大公称直径的壳管式换热器，其中另一部分使得本身存在的上述问题更加突出和严重。因此，针对上述诸多问题和缺陷，研发一种具结构简单、设计技术可靠、制造工艺成熟、结构成本低的折流板和壳管式换热器，其能够提高有效换热面积和换热效率，对稳定生产和经济效益具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的之一是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种能够消除流动滞止死区、避免壳侧流体结垢、加速热交换的三维折流板。

本发明的目的之二是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种能够有效提高有效换热面积和换热效率的壳管式换热器。

为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：

提供一种三维折流板，其安装于圆筒形的壳体内，三维折流板包括折流板主体和折边辅体，所述折边辅体的一侧与所述折流板主体连接，所述折边辅体的另一侧为流通缺口面，所述流通缺口面与所述壳体的内壁围成供流体流过的流通缺口，所述折流板主体与所述折边辅体之间的夹角为a，90°＜a＜180°,所述折流板主体连接于所述壳体的内壁。

其中，所述折边辅体与所述折流板主体的连接处为圆弧过渡。

其中，所述折边辅体与所述折流板主体为一体成型。

其中，所述折边辅体与所述折流板主体的连接处为尖角过渡。

其中，所述折流板主体与所述壳体的内壁之间的夹角为b，90°≤b≤135°。

其中，所述折边辅体包括第一折边和第二折边，所述第一折边的一侧与所述折流板主体固接，所述第一折边的另一侧与所述第二折边的一侧固接，所述第二折边的另一侧为所述流通缺口面，所述第一折边与所述第二折边之间的夹角为c,135°≤c＜180°。

其中，所述流通缺口面为平面或者为圆弧面。

其中，所述流通缺口面为具有开口凹槽的齿形面，所述齿形面的每个齿顶沿垂直于所述齿形面的方向延伸有加长条。

其中，所述加长条固接有与其垂直的折流杆。

为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：

提供一种管壳式换热器，包括圆筒形的壳体和安装于所述壳体内的折流板，其特征是：所述折流板为上述的一种三维折流板。

本发明的有益效果：

本发明的三维折流板，其结构包括折流板主体和折边辅体，折流板主体与折边辅体之间的夹角为a，90°＜a＜180°，这样流体在折边辅体的导流下不仅能够充分冲刷到流板主体与壳体之间的拐角处，避免出现低效或者无效的流体滞止死区，改善局部微观流态，而且能够使壳程流道形成流通面积反复缩放循环的宏观流态，例如在折流板主体处流通面积扩大，在折边辅体处流通面积缩小，这样通过流通面积反复缩不仅放能够不断改变流动速度，进而形成紊流，从而在紊流的干扰下可以使热交换加速，提高换热效率，而且动态的缩放流可以冲刷垢层和杂质，减少壳体的金属壁的热阻。

本发明的管壳式换热器，其通过采用上述的三维折流板，能够使得流体形成紊流以加速热交换，并且能够冲刷垢层和杂质以减少壳体的金属壁的热阻，还能够消除流体滞止死区，进而达到提换热器的有效换热面积和换热效率的目的。

附图说明

图1为实施例1的一种三维折流板的结构示意图。

图2为实施例2的一种三维折流板的结构示意图。

图3为实施例3的一种三维折流板的结构示意图。

图4为实施例4的一种三维折流板的结构示意图。

图5为实施例5的一种三维折流板的结构示意图。

图6为实施例6的一种三维折流板的结构示意图。

图7为实施例7的一种三维折流板的结构示意图。

图8为三维折流板垂直安装于壳体内的结构示意图。

图9为三维折流板倾斜安装于壳体内的结构示意图。

图10为具有两个折边的三维折流板安装于壳体内的结构示意图。

图1至图10中的附图标记：

1-壳体、11-壳程进口管、12-壳程出口管；

2-折流板主体；

3-折边辅体、31-第一折边、32-第二折边、33-流通缺口面、34-齿牙、35-加长条、36-折流杆；

4-管孔；

5-折痕。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

实施例1

实施例1的一种三维折流板，如图1和图8所示，其安装于圆筒形的壳体1内，三维折流板包括折流板主体2和折边辅体3，折边辅体3的一侧与折流板主体2连接，折边辅体3的另一侧为流通缺口面33，流通缺口面33与壳体1的内壁围成供流体流过的流通缺口，折流板主体2与折边辅体3之间的夹角为a，90°＜a＜180°,优选的，a=135°，这样流体在折边辅体3的导流下不仅能够充分冲刷到流板主体与壳体1之间的拐角处（图8中的a处和b处），可以避免出现低效或者无效的流体滞止死区，进而改善局部微观流态，而且还能够使壳程流道形成流通面积反复缩放循环的宏观流态，例如图8中在折流板主体2处流通面积扩大，在折边辅体3处流通面积缩小，这样通过流通面积反复缩不仅放能够不断改变流动速度，进而形成紊流，从而在紊流的干扰下可以使热交换加速，提高换热效率，而且动态的缩放流可以冲刷垢层和杂质，减少壳体1的金属壁的热阻。

进一步的，折边辅体3与折流板主体2的材料及厚度可以相同也可以不同。折边辅体3可利用传统的弓形折流板为形成流通缺口而剪切掉的板料来制造，这样可大大节省材料成本。

如图1所示，折边辅体3与折流板主体2的连接处为尖角过渡，这使得连接处为一条明显的折痕5。折边辅体3与折流板主体2可以通过角接、对接或者搭接的方式连接，当然，折边辅体3与折流板主体2还可通过其他部件实现间隙连接。本实施例中，折边辅体3与折流板主体2通过焊接固接，焊接可以是点焊、间断焊、连续焊，单面焊或双面焊之中的任何一种焊接方法。

如图8和图9所示，折流板主体2与壳体1的内壁之间的夹角为b，90°≤b≤135°，在相邻两个三维折流板之间的间距较小时，折流板主体2垂直安装于壳体1的内壁，b=90°，这样流体在折边辅体3的导流下，流体可以充分冲刷到图8中a处和b处飞拐角，进而可避免出现低效或者无效的流动死区，但是流体对没有折边辅体3导流的图8中c处和d处的拐角冲刷力有限，为此，将折流板主体2倾斜安装于壳体1的内壁，如图9所示，b=135°，其适用于在相邻两个三维折流板之间的间距较大时，这样流体在折边辅体3的导流下，流体可以充分冲刷到图9中a处和b处拐角，还可以冲刷的图9中c处，但去却不能充分冲刷图9中d处的拐角。

如图10所示，为使流体能够充分冲刷到折流板主体2与壳体1所形成的所有拐角处，将折边辅体3设计成包括第一折边31和第二折边332，第一折边31的一侧与折流板主体2固接，第一折边31的另一侧与第二折边332的一侧固接，第二折边332的另一侧为流通缺口面33，第一折边31与第二折边332之间的夹角为c,135°≤c＜180°，优选的，c=135°，这样流体在折边辅体3的导流下，流体可以充分冲刷到图10中a处和b处拐角，还可以冲刷的图10中c处和d处的拐角，进而在壳体1内可以形成周期性收缩流通面积的流道，提高冲向拐角的流速，提高换热效率，还可避免出现低效或者无效的流动死区。当然，具有双折边的折边辅体3既可包括在同一个折弯方向的两次折边，也包括两个折边朝向相反的方向，即正折边和反折边。当然，一折边的三维折流板和二折边的三维折流板可以同时安装于有个壳体1内，二折边的三维折流板多用于靠近壳体1的两端部。

本实施例中，折流板主体2和折边辅体3的管孔4都可为椭圆孔或圆孔，以便于换热管安装于三维折流板，并且管孔4均匀排布于折流板主体2和折边辅体3上。

本实施例中，如图1所示，折流板主体2和折边辅体3都为平面板，流通缺口面33为平面。

如图8-10所示，本实施例的三维折流板不仅可以应用于管壳式换热器，也可应用于浮头式换热器或者固定管板式换热器，还可应用于壳程流体是液体或气体的换热器，且特别适用于大直径、低流速或两者兼具的管壳式换热器。当壳体1的侧部的壳程进口管11和壳程出口管12都距管板较远时，采用上述的三维折流板，就不再需要增设导流筒，即可通过折流辅体引导流体到达管板的背面，进而简化了换热器结构。另外，对于传统的换热器，只需更换其中的管束（管束包括换热管、折流板和管板），即可达到增强了换热器的传热效果，进而提高换热效率，这样使得换热器的技术升级操作简便易行，并且成本投入少切节能效果显著。

实施例2

本发明的一种三维折流板具体实施方式之二，如图2所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，折边辅体3与折流板主体2的连接处为圆弧过渡，这样折边辅体3与折流板主体2的连接处没有明显的折痕5，并且折边辅体3与折流板主体2为一体成型，这样可省去焊接工艺，并且使得整个三维折流板的结构强度增强。

实施例3

本发明的一种三维折流板具体实施方式之三，如图3所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，折流板主体2和折边辅体3的管孔4呈三角形均匀排布，流通缺口面33为具有开口凹槽的齿形面，换热管内置于开口凹槽内。由于齿形面是把管孔4剖成两部分而形成，齿形面的齿牙34形成换热管之间的管桥，这样可有效对改善原来流动死区的流态，强化换热效果，但是齿牙34存在尖锐的切边，当换热管振动时容易被齿牙34切边磨损穿孔，因此需对尖锐的切边修磨圆滑，以保护换热管。

实施例4

本发明的一种三维折流板具体实施方式之四，如图4所示，本实施例的主要技术方案与实施例3相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例3的区别在于，对于流通缺口面33要为齿形面的三维折流板，为了避免齿形尖锐的切边磨损换热管，可以把齿牙34之间的尺寸适当加大，使换热管不接触齿牙34的尖锐切边，以防止换热管振动时被齿牙34切边磨损穿孔。

实施例5

本发明的一种三维折流板具体实施方式之四，如图5所示，本实施例的主要技术方案与实施例4相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例4中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例4的区别在于，为进一步优化流通缺口面33要为齿形面的三维折流板，防止换热管振动时被齿形切边磨损穿孔，在齿形面的每个齿顶沿垂直于齿形面的方向延伸有加长条35，这些加长条35不仅可以避免齿形尖锐的切边磨损换热管，还可进一步强化三维折流板的导流功能。

实施例6

本发明的一种三维折流板具体实施方式之四，如图6所示，本实施例的主要技术方案与实施例5相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例5中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例5的区别在于，在加长条35上固接有与其垂直的折流杆36，折流杆36有两个，且两个折流杆36上下平行排布，这样折边辅体3采用折流杆36形结构与折流板主体2组合，充分利用各种两种结构的优点，既强化换热效果，又提高了抗振效果。

实施例7

本发明的一种三维折流板具体实施方式之四，如图7所示，本实施例的主要技术方案与实施例3相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例3的区别在于，流通缺口面33为圆弧面，这样圆弧面与圆筒形的壳体1的弧形内壁之间形成宽度基本一致或符合某种尺寸的流道缺口，这样可以均衡流通缺口的导流功能，使流态均匀化。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。