[实用新型]交叉椭形截面管换热器

说明书

本实用新型涉及一种高效管壳式换热器。

近年来各种新型高效换热器的开发和应用得到广泛的重视和发展，如螺旋槽折流杆换热器和波纹管换热器等已逐渐在工程应用中占有一定的市场份额，但它们均不同程度存在某些不足，难以广泛地推广。如折流杆换热器一般只适用于大流量的场合，壳程物流流速对壳程给热系数有较大影响，不适宜于壳程物流为中小流量场合下使用；波纹管、波节管换热器一般采用薄壁换热元件，由于振动碰撞等原因，使换热管易于破裂，降低了使用安全性，其承压也较低，目前只应用于低温低压的水-水和水-汽的换热；管内插弹簧或扭曲带换热器易于堵塞，压力降过大等。因此使用最为广泛的还是传统的管壳式换热器。

本实用新型的目的是提供一种利用“入口段效应”和涡流强化传热的一种新型结构的纵流高效换热器，它具有强化传热效果好、流阻小、承压高、管束振动小、使用寿命长、安全性好和互换性强等特点。

本实用新型的目的是这样实现的：在利用传统管壳式换热器的基本结构基础上，采用“交叉椭形截面换热管”(ZL00136122.8)作为换热元件，采用几种特殊结构的档流支承组件支承和固定换热管。交叉椭形截面管换热器是由交叉椭形截面换热管和档流支承组件以及管板、壳体等其它常规管壳式换热器零部件组成，其特征在于使用交叉椭形截面管作为换热管，其换热管的椭形截面的长轴径小于或等于管束中换热管排列的公称管中心距；使用圈型、栅格折流杆型、网格折流杆型和异型孔板型等结构形式的档流支承组件，支承和固定管束中的椭形截面换热管以及防止壳程物流短路，壳程物流在档流支承组件的作用下在管束中主要作纵向流动。由于交叉椭形截面换热管是由多个轴线相互交叉的椭形截面管段和两端圆形截面管段及其过渡段组成，其管壁在过渡段处沿管轴线方向出现周期性的过渡台阶，使管内流体在从一椭形截面管段进入另一交叉的椭形截面管段时，在椭形截面的大曲率半径壁面处出现进口段效应(流体流速接近主流速度)，而在椭形截面的小曲率半径壁面处出现涡流，从而使其管内强化传热作用十分显著。由于各交叉椭形截面管段的管内截面面积几乎相等，且过渡段的流通截面积与换热主体——椭形截面管段的流通截面积相差不大，因而其流阻较小。对于壳程流体(纵流)，主要是交叉的椭形截面管段的分段所产生的相当于管内流的“入口段效应”和管壁的接触或接近处所产生的尾流(产生涡流)以及档流支承组件的共同作用，物流周期性地分离与混合使管外流体与壁面的换热得以较好地强化而流阻相对增加不大。这种结构使管程物流和壳程物流均产生以“入口段效应”和涡流为主要特征的复杂的流动，从而较大程度地强化了传热过程。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)强化传热效果好，流阻较小。交叉椭形截面管换热器与普通管壳式换热器相比，对于层流流动一般可提高传热系数2倍甚至更多，对于湍流流动一般可提高传热系数30％以上，其相应流阻的增加率与换热增强率相当，从而具有十分重要的工程实际应用价值。

(2)结构简单，易于推广应用。本实用新型采用交叉椭形截面换热管和几种档流支承组件，其余均采用传统的管壳式换热器的基本结构形式，结构简单易于实现，适合于各种压力级别和不同温度条件的管壳式换热器的全部结构形式，包括GB151《钢制管壳式换热器》中所述的几种结构形式，如浮头式、U型管式和固定管板式等结构形式的管壳式换热器，而且交叉椭形截面管换热器的管束与常规管壳式换热器的管束具有互换性，因而可广泛应用或替代传统换热器，易于推广，成本较低，特别是在石化装置的改扩建中更具有广阔的前景。

(3)使用寿命长。由于交叉椭形截面管换热器壳程物流基本上为纵向流动，明显地减少了管束的振动，大大降低了由于管束的振动而造成换热管破裂等失效的可能性；同时也有效地消除了壳程物流横向流动的“死区”，降低了积垢速率，从而延长了换热器的使用寿命。

(4)管束外侧易于清洗，管束中换热管在一定条件下可广泛采用正三角形排列，提高换热设备单位体积/重量的换热量。由于采用了交叉椭形截面换热管，使管束中管排间形成周期性的局部较大空隙，便于管束外侧的清洗，因而对于一些管束外侧需要定期清洗的换热器，其管束中的换热管可广泛采用正三角形排列替代正方形排列，在相同壳程直径条件下可提高传热面积20％左右，从而可进一步提高换热设备单位体积/重量的换热量。

本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图给出。