具有分形结构的管壳式换热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种换热装置，特别是涉及一种具有分形结构的管壳式换热器。
【背景技术】
[0002]管壳式换热器通常由管箱、管板、壳体、换热管等组成。管壳式换热器一般都是在一个圆筒壳体内设置许多平行的管子，即平行管束，冷热两种流体通过换热管(平行管束)进行热量交换。传统的管壳式散热器一般装有与换热管束垂直的折流板式，虽然在一定程度上提高了传热性能，但是在传热性能提高的同时也导致了流动阻力的增加，即以消耗一定量的栗功来获取一定量的换热量。
[0003]管壳式换热器具有可靠性高、适应性强、结构坚固、制造简单等优点，广泛应用于石油化工、电力、环保等工业领域。随着工业节能减排的推进，对涉及能耗的各个环节采用积极有效的节能措施将具有重要工程价值和意义。对管壳式换热器进行优化设计，提高其换热效能，是节能减排的一个重要举措。
[0004]由CBI/ABB公司注册的螺旋折流板管壳式换热器技术采用与换热管束成非垂直角度的若干四分圆折流板在壳体内螺旋设置，引导壳程流体沿螺旋路径流过。这种设计显著提高了换热器的热有效性，增加了热传导以及减少了能耗和返混，同时显著减少流致振动。这种换热器已广泛用于石油化工领域。
[0005]Koch Heat Transfer公司的扭曲管束管壳式换热器采用螺旋扭曲扁管紧密排列成束管程的螺旋流动能大幅增加高粘性流体低速流动情况下的湍流强度，从而大大地提高了热传导，扁管外侧的空间作为壳程流动空间在提高换热面积的同时无需折(导)流板就可以产生一致的壳程螺旋流动同样很大程度上增加壳程流动的湍流度。以上两种壳式换热器技术相对成熟，在大部分工业情况下已得到了广泛的应用，但相关技术仍有进一步强化空间。
[0006]中国专利一种管壳式换热器专利(CN 101846467 B)提出了构型树状结构的换热管束4并取消了折流板，由于分形结构流道在增加换热表面积，减少压力降低方面效果显著使得其既能有效提高流动换热性能，同时也能有效降低栗功消耗的增加。但是，该专利的壳程流动并没有导流结构，其流动很不规则，可能存在流动死区。
[0007]由于分形结构在自然界中有很多体现，比如动物的肺，植物的根和冠以及河口三角洲等，这些存在于自然界的分形结构都在传质和传热方面产生了节能高效的有益效果，因此学术和工程界都认识到仿生分形结构的应用前景。本发明受分形结构以及仿生结构在换热器上可能体现的优势，提出一种能够兼顾管程和壳程流场温度场协同性的分形结构换热管束的管壳式换热器，以提高该类换热器的流动和换热性能。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种具有分形结构的管壳式换热器，用于解决现有技术中的管壳式换热器存在的流动和换热性能比较差的问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，所述具有分形结构的管壳式换热器包括:壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；
[0010]所述壳程流体进口及所述壳程流体出口均与所述壳体的内部相连通；
[0011]所述换热管束位于所述壳体内，且所述换热管束呈DNA式多螺旋结构。
[0012]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束包括:入流管道、若干个换热管束单元及若干个支连通管道；
[0013]所述入流管道自所述壳体的一端沿所述壳体的轴线通入所述壳体内并延伸至所述壳体内的另一端附近；
[0014]所述换热管束单元位于所述入流管道外围，且沿所述壳体的轴线呈立体螺旋式分布；
[0015]所述支连通管道位于所述入流管道与所述换热管束单元之间及相邻的所述换热管束单元之间，适于连接所述入流管道与所述换热管束单元及连接相邻的所述换热管束单
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[0016]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，连接所述入流管道与所述换热管束单元的所述支连通管道为直管，位于所述入流管道延伸至所述壳体内的一端，且沿所述入流管道轴向垂直分布；连接相邻所述换热管束单元的所述支连通管道为螺旋管。
[0017]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束单元包括两层Η型η级分形换热管及2"个异化连接管道，其中，η为大于1的奇数；
[0018]所述Η型η级分形换热管为平面分形结构管道；
[0019]所述异化连接管道为空间螺旋中空叶片，所述异化连接管道将两层所述Η型η级分形换热管在末级分支管道的两个末端相连接，且所述异形连接管道的两个平面端分别位于所连接的所述Η型η级分形换热管所在的平面内。
[0020]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述异化连接管道沿垂直于所述壳体轴线方向的截面形状为长方形，所述长方形的宽度与所述Η型η级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5?0.9，所述长方形的长度与所述Η型η级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5?0.9。
[0021]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述长方形的宽度与所述Η型η级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.7?0.8，所述长方形的长度与所述Η型η级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.65?0.75。
[0022]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述Η型η级分形换热管为平面多级分形结构，包括多级分支管道，其中，奇数级分支管道为极平面内周向圆弧管，偶数级分支管道为沿同一极平面内径向的直管；相邻两级所述分支管道中，上一级所述分支管道的末端与下一级所述分值管道的中间部位相连接。
[0023]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.5?0.9。
[0024]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.7?0.8。
[0025]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.5?0.9。
[0026]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.65?0.75。
[0027]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述支连通管道的水力直径与所述Η型η级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.2?1.5。
[0028]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述支连通管道的水力直径与所述Η型η级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.41。
[0029]作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述壳体及所述换热管束的材料为碳素钢、低合金钢、不锈钢、石墨、氟塑料、玻璃、铜、铜合金、铝、铝合金、镍或镍合金。
[0030]如上所述，本发明的具有分形结构的管壳式换热器，具有以下有益效果:
[0031]1.整个换热管束呈DNA分子螺旋结构，可以有效地引导壳程流体沿螺旋路径流动；在压降损失很少的情况下强化了壳程的场协同性(流场和温度场)，并且消除了壳程的流动死区。
[0032]2.将Η型分形结构拓扑到圆柱体内使得分型结构的最高层次段的结构可以填充满整个圆柱体；多级分形散热管使得换热管束的对流换热面大幅增加，同时多级的分支使得管内流动的湍流程度大幅提高，这两方面效果都使得换热管束的换热能力得到了有效的提升；管程从进入到流出大体经过了一个U型路径，这样使流体的换热能力得到了平均同时消除热应力的影响。
【附图说明】
[0033]图1显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的截面结构示意图。
[0034]图2显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的立体结构示意图。
[0035]图3显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束单元的立体结构示意图。
[0036]图4显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的侧视图。
[0037]图5显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的工作原理示意图。
[0038]元件标号说明
[0039]1壳体
[0040]2壳程流体进口
[0041]3壳程流体出口
[0042]4换热管