一种优化传热效率的换热结构及测控方法与流程

本发明涉及换热装置的技术领域，具体是涉及一种优化传热效率的换热结构及测控方法。

背景技术：

使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，其广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品加工、动力以及原子能工业部门中。缠绕管式换热器是大型天然气液化工厂、浮式液化天然气生产储卸装置(lng-fpso)中通过冷却剂将天然气冷却液化到-162℃的核心设备，其综合性能直接影响着整个lng液化工艺过程和装置的操作成本。由壳程入口处进入换热装置的冷却剂一般为以液为主的气液两相或纯液相，其是否能均匀地喷洒于缠绕管上并与管程热负荷相匹配将显著影响换热器的传热性能。而现有技术中，壳程流体未能与管程流体充分换热，导致换热效率不高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种优化传热效率的换热结构及测控方法。

为了实现本发明的目的，本发明的目的之一是提供一种优化传热效率的换热结构，包括设于壳体内部用于管程流体流过的换热管与用于分布壳程流体的喷淋装置；分别接于换热管两端的管程入口和管程出口设于壳体上；分别接于喷淋装置两端的壳程入口与壳程出口设于壳体上，所述喷淋装置包括喷淋部件；所述喷淋部件的底部开设有喷淋孔；所述喷淋孔的喷淋区域与换热管的排布区域相适配，靠近喷淋部件入液端的喷淋孔的孔直径较小，远离喷淋部件入液端的喷淋孔的孔直径较大。

进一步的，所述换热管为缠绕管；所述缠绕管为圆柱螺旋状；所述缠绕管至少设为一束，与某一缠绕管对应设置的喷淋孔的孔口朝向该缠绕管的管顶。

进一步的，对应设置的所述管程入口、管程出口以及连接于两者之间的缠绕管组成一个管程单元；所述管程单元设有至少2个。

进一步的，单个所述管程单元包括至少2束缠绕管；共所述管程单元的缠绕管相邻排布，或是不同管程单元的缠绕管按顺序交替排布。

进一步的，所述壳程入口与喷淋部件之间设有壳程流体预分布机构；所述壳程流体预分布机构包括与壳程入口相连的导流连接件，导流连接件的下侧设有圆弧板状的分布盘，分布盘的下侧设有集液盘，集液盘的下侧设有通向喷淋部件的集液管。

进一步的，所述壳体中部设有中心筒；所述中心筒顶端与喷淋部件的底部相连接；所述中心筒为圆柱状，缠绕管绕设于中心筒外侧。

进一步的，所述缠绕管在靠近管程出口处还设有弯折段；所述弯折段设于喷淋部件的避让处；所述避让处设有的个数等于管程单元的个数。

进一步的，所述缠绕管的束数大于设定值时，最内侧缠绕管与最外侧缠绕管间设有第二中心筒。

装载有换热结构的换热器常直接系泊于海洋气田上方进行作业，受风、海浪等因素影响，运行中的缠绕管式换热器常处于晃荡工况。为应对海上多种工况，本发明的另一个目的是提供一种优化传热效率的换热结构的测控方法，其测试在四种状态下换热结构的影响因素以及因素的影响结果，具体包括以下步骤：在壳程入口处与管程入口处分别设置入口流量计fi、入口温度传感器t和入口压力传感器p；在壳程出口处与管程出口处分别设置出口温度传感器t和出口压力传感器p；控制进入壳程入口的壳程流体和进入管程入口的管程流体的流量、温度、压力均为限定值；

1)、安装换热结构的实验平台水平静止，当缠绕管的束数小于等于设定值时，分别以喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式；

2)、安装换热结构的实验平台水平静止，当缠绕管的束数大于设定值时，分别以喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式以及第二中心筒的安装位置为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式以及第二中心筒的安装位置；

3)、调节安装换热结构的实验平台的倾斜角度和/或晃动频率，当缠绕管的束数小于等于设定值时，分别以喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式；

4)、调节安装换热结构的实验平台的倾斜角度和/或晃动频率，当缠绕管的束数大于设定值时，以喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式以及第二中心筒的安装位置为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布以及第二中心筒的安装位置。

本发明的有益效果在于：本发明提供的优化传热效率的换热结构，喷淋部件底部开设的喷淋孔为成圈状布置，靠近喷淋部件入液端的喷淋孔的孔直径较小，远离喷淋部件入液端的喷淋孔的孔直径较大。壳程流体预分布机构起预分布作用，一方面对于含少量气体的液体，可以做到气液分离，保证从喷淋部件的喷淋孔流出来的液体不含气泡；另一方面可减少壳程流体的动能，有利于均匀分布。另外，缠绕管为圆柱螺旋状，以俯视角度看其为圆形。喷淋孔的喷淋区域喷淋量与换热管的排布区域热负荷相适配。本发明的同一管程单元的缠绕管相邻排布或是不同管程单元的缠绕管的流束交替排布，可按实际情况调整缠绕管的排布方式。

浮式液化天然气生产储卸装置作为浮动的lng生产接收终端，直接系泊于海洋气田上方进行作业，受风、海浪等因素影响，运行中的缠绕管式换热器常处于晃荡工况。晃荡、倾斜必然会影响流体分布的均匀性，也必然会影响换热器的换热效率。然而现有技术并没有多种状况下提高换热器传热效率的相关研究。本发明提供一种应对如水平静止、倾斜静止、晃荡使用环境的优化传热效率的换热结构的测控方法，在各种状态下，按具体值验证以喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布方式以及第二中心筒的安装位置为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔的排布方式、缠绕管的流束排布以及第二中心筒的位置。用于对现实多变的安装环境进行指导。

本发明可克服现有技术中壳程流体流过距中心集液管较远的喷淋孔时其阻力加大、管程不同流束的热负荷存在差异、不同实验工况下换热器部件单一不可调的缺陷，以上缺陷均会影响换热器的换热效率。本申请的换热结构具有便于拆换，传热效果好，壳程流体易于分布的优点，可以应对不同实验工况，得到最佳传热效果，并可以对其后应对不同安装环境的一体式换热器设计具有指导作用。

附图说明

图1为带有本发明优化传热效率的换热结构换热器的结构示意图；

图2为本发明中喷淋部件开设喷淋孔的示意图；

图3为实施例缠绕管的流束排布示意图；

图4为实施例喷淋部件与缠绕管对应位置偏移的示意图。

1-壳体；2-缠绕管；201-管程入口；202-管程出口；21-弯折段；3-喷淋装置；301-壳程入口；302-壳程出口；31-喷淋部件；311-喷淋孔；312-避让处；32-分布盘；33-集液盘；34-集液管；35-导流连接件；4-中心筒；5-第二中心筒。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，一种带有优化传热效率换热结构的换热器，包括设于壳体1内部用于管程流体流过的换热管与用于分布壳程流体的喷淋装置3；所述壳体1包括位于底部并套设于换热管外侧的壳身、位于顶部的封头筒身、密闭连接壳身与封头筒身的锥壳体；所述壳身的内径小于封头筒身的内径；所述封头筒身的顶部设有用于壳程流体流入的壳程入口301，壳身底部设有用于壳程流体流出的壳程出口302。所述喷淋装置3顶部与壳程入口301连接；管程出口202设在锥壳体上。喷淋装置3包括喷淋部件31；所述喷淋部件31的底部开设有喷淋孔311；所述喷淋孔311的喷淋区域喷淋量与换热管的排布区域热负荷相适配，喷淋孔311的孔径随着其距离喷淋部件31入液端的距离增大而增大。当其入液端位于喷淋部件31的中部时，其喷淋孔311的孔径由中部向外侧逐渐增大；当其喷淋孔311的入液端位于喷淋部件31外侧边缘部时，位于中部的喷淋孔311的孔径大于位于边缘部的孔径，孔径的选择，孔径的间距可根据实际需要做调整。

所述壳程入口301与喷淋部件31之间设有壳程流体预分布机构；所述壳程流体预分布机构包括与壳程入口301相连的导流连接件35，导流连接件35的下侧设有圆弧板状的分布盘32，分布盘32的下侧设有集液盘33，集液盘33的下侧设有通向喷淋部件31的集液管34。分布盘32为倒设的圆盘状，集液盘33则为正设的圆盘状；所述分布盘32与集液盘33间留有间隙，所述集液盘33还设有用于防止流体外溅的围堰。壳程流体预分布机构起预分布作用，对于含少量气体的液体，可以做到气液分离，保证从喷淋部件31的喷淋孔311流出来的全为不含气泡的液体；也可减少壳程入口液体的动能，有利于均匀分布；从而避免因壳程流体不均匀造成的各管程换热不均匀。

其壳体1为可拆卸式的，壳身与封头筒身、封头筒身与锥壳体之间都为可拆卸式连接。喷淋部件31的底部与中心筒4通过法兰连接，中心筒4底部也是通过连接部件与壳身内壁连接，可以方便围绕中心筒4缠绕的缠绕管2的更换，以及方便喷淋部件31的更换。

所述缠绕管2在靠近管程出口202处还设有弯折段21；所述弯折段21为弯折状；所述弯折段21设于喷淋部件31的避让处312；所述避让处312设有的个数等于管程单元的个数。如图2所示，2-a、2-b、2-c均为喷淋部件31的底部喷淋孔311的布置图，其喷淋部件31均设有用于弯折段21通过的避让处312，其喷淋部件31底部均设有共圆周的喷淋孔311，2-a与2-b均为四束缠绕管2对应的喷淋部件31，现有技术2-a中的喷淋部件31设有的喷淋孔311为均匀大小的，且为等间距布置的；2-b的喷淋孔311的孔径由中部向外侧逐渐增大；2-c为六束缠绕管2所对应的喷淋部件31，其喷淋孔311的孔径也是由中部向外侧逐渐增大。

所述缠绕管2的束数大于设定值时，最内侧缠绕管2与最外侧缠绕管2间设有第二中心筒5，所述的设定值为根据实际需要设定，或者直接人为设定。所述换热管为缠绕管2，其缠绕管2为由管程入口处盘旋而上的圆柱螺旋状；所述缠绕管2至少设为一束，其喷淋孔311的与缠绕管2相对应设置的，具体有喷淋孔311的孔口朝向与缠绕管2的管顶对应设置。对应设置在壳体1上的所述管程入口201、管程出口202以及连接于两者之间的缠绕管2组成一个管程单元；所述管程单元设有至少两个。单个所述管程单元包括至少两束缠绕管2；共所述管程单元的缠绕管2相邻排布，或是不同管程单元的缠绕管2按顺序交替排布，不同管程单元管束数可以不同。每个管程单元包括的管束数根据实际情况确定，如图3所示的，3-a、3-b均为两个管程单元，其每个管程单元包括两束缠绕管2，3-c为两个管程单元，其每个管程单元包括0.5n束缠绕管2(n为偶数)，其于0.5n至(0.5n+1)束缠绕管2间设有第二中心筒5。3-a中的两个管程单元的缠绕管2是以交替顺序排布的；3-b中的同一个管程单元的两束缠绕管2为相邻的；3-c中同一管程单元的多束缠绕管2为相邻排布，第二中心筒5位于管束中间位置。

如图4所示的，4-a、4-b均为本申请的对应着四束缠绕管2的喷淋部件31，其每个管程单元所对应着两束缠绕管2，每个管程单元的两束缠绕管2为相邻的；l1-l4为喷淋部件31上开设的喷淋孔311所对应的圆周，q1-q4为每个流束的换热的能量，4-b相对于4-a的区别在于其喷淋部件31所在的轴线有所偏移，其是为了用于换热器在倾斜或是晃动的情况下增大其换热效率，其偏移的位移根据实际需要进行调整。

本发明为可提高换热器的换热效率的换热结构，具有便于拆换，传热效果好，壳程流体易于分布的优点。

浮式液化天然气生产储卸装置作为浮动的lng生产接收终端，直接系泊于海洋气田上方进行作业，受风、海浪等因素影响，运行中的缠绕管式换热器常处于晃荡工况。晃荡、倾斜必然会影响流体分布的均匀性，也必然会影响换热器的换热效率。然而现有技术并没有多种状况下提高换热器传热效率的相关研究。本发明提供的一种优化传热效率的换热结构的测控方法，包括以下步骤：在壳程入口301处与管程入口201处分别设置入口流量计fi、入口温度传感器t和入口压力传感器p；在壳程出口302处与管程出口202处分别设置出口温度传感器t和出口压力传感器p；控制进入壳程入口301的壳程流体和进入管程入口201的管程流体的流量、温度、压力均为限定值；

1)、安装换热结构的实验平台水平静止，当缠绕管2的束数小于等于设定值时，分别以喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式；

2)、安装换热结构的实验平台水平静止，当缠绕管2的束数大于设定值时，分别以喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式以及第二中心筒5的安装位置为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式以及第二中心筒5的安装位置；

3)、调节安装换热结构的实验平台的倾斜角度和/或晃动频率，当缠绕管2的束数小于等于设定值时，分别以喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式；

4)、调节安装换热结构的实验平台的倾斜角度和/或晃动频率，当缠绕管2的束数大于设定值时，以喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布方式以及第二中心筒5的安装位置为变量，得到各变量对传热效率的影响规律、最大传热效率以及最大效率时对应的喷淋孔311的排布方式、缠绕管2的流束排布以及第二中心筒5的安装位置。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。