[发明专利]一种管壳式换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的具有构形树状结构特征换热管束的管壳式换热器。

背景技术

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。

管壳式换热器通常有管箱、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。由场协同理论可知，对于流动换热而言，平行管束布置并不是最为优化的空间组合方式。并且，平行管束布置也不能充分利用壳体内的空间。但现在对管壳式换热器的优化设计却大多基于此类结构而开展。如采用折流板式的结构设计，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，即以消耗一定量的泵功来获取一定量的换热量。

为此，迫切需要开展管壳式换热器优化设计，使得其既能有效提高流动换热性能，同时也能有效降低泵功消耗的增加，换言之，使得换热器的热有效性(换热量/泵功)得到最大限度的提高。受构形理论成功应用于解决流传递结构体内优化设计问题的思想启迪，本发明将管壳式换热器内的换热管布置成构形树状结构特征，以提高该类换热器的流动和换热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的具有构形树状特征换热管束的管壳式换热器，该换热器能大大提高换热器的热有效性，达到高效换热和节能作用。

技术方案

为解决管壳式换热器设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种管壳式换热器，包括壳体、换热管束、管板以及封头，所述的管板以及封头设置在壳体的两端，所述的换热管束的两端固定在管板上，并穿过所述的管板，其特征在于：所述的换热管束为构形树状结构；它由主连通管道、分叉连接管道以及支连通管道构成，所述的主连通管道至少为2段，在相邻两段的相向两端设置所述的分叉连接管道，在两端的分叉连接管道上连接所述的支连通管道。

所述的构形树状换热管束沿所述的壳体轴向呈平行层状排列，所述的构形树状换热管束在每一层内沿径向布置，所述换热管束经主/支连通管道实现层与层之间连通。

所述的分叉连接管道与所述的主连通管道垂直，所述的支连通管道与所述的主连通管道平行。

所述的分叉连接管道至少为两级且每级分叉至少含有2个分叉管道，所述的第一级分叉连接管道与主连通管道连接，所述的最后一级分叉连接管道连接所述的支连通管道，所述的上下级分叉连接管道的直径之比为N^-1/Δ(N为每级的分叉管道数目，N取大于等于2的整数，直径维数Δ＝3)，所述的上下级分叉连接管道的长度之比为N^-1/d(每级的分叉管道数目N取大于等于2的整数，长度维数d取大于1且小于等于2的实数)。

所述的主连通管道和支连通管道，设置在构形树状换热管束的层与层之间，主连通管道与换热管束层的初级分支节点相连接，支连通管道与构形树状换热管束层的末级分支端点相连接，用于将管程流体从一层树状换热管束传输至下一层树状换热管束。并且，位于换热管束两侧的连通管道不仅起到分流两侧管箱内流体的作用，还起到与所述管板固定连接的作用。

所述管板不仅能分隔管箱内的管程流体与壳体内的壳程流体，还能均匀分配管箱内流体进入连通管道，并起到密封的作用。

本发明的技术方案在于：基于构形理论构建了多层构形树状结构的换热管管束。在每一层所述的换热管束内，换热管通过分叉产生越来越多的分支，使得管程对流换热面积大幅增加；分叉还能有效扰动换热管束内流体的流动提高流体湍流度，这样，换热管内的对流换热效果得到了大幅度增强。同时，树状换热管束结构类似于优化了的流体分配器/集合器，能有效降低换热管束内的流体流动压降。并且，树状换热管束沿径向层状布置不仅有效利用了壳程内空间来布置更多的换热管以提高管程和壳程之间的换热面积，还实现了壳程流体垂直冲刷树状换热管束作用使得换热管外侧的流动换热性能得到了大幅度提高。因此，多层构形树状结构的换热管管束的设计布置达到了高效换热和节能的目的。