[发明专利]一种纵向流动管壳式换热器

说明书

技术领域

本发明属于管壳式换热器，具体涉及一种纵向流动管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器以其结构简单、造价低廉等优点在石油、化工、冶金、电力等行业得到广泛应用，约占换热器总量的70％。管壳式换热器的壳侧折流结构一方面起到整体扰流作用，另一方面对管束起支撑和固定作用。按壳程流体的流动方向，管壳式换热器可分为三种类型：1.横向流动，如传统的弓形折流板，使壳程流体对传热管垂直冲刷形成横向流动；2.纵向流动，如折流杆式换热器，使壳程流体平行于传热管纵向流动；3.螺旋流动，如螺旋折流板，使壳程流体总体呈螺旋流动。不同的壳程流动形态，管壳式换热器的性能呈现较大差异。近几年研究发现，壳程流体流动由横向流动变为纵向流动时有以下诸多优点：流阻降低，流动压降减小，传热面积得到充分利用，壳程的综合传热性能明显提高；抗振性能和抗结垢性能显著提高，使设备的使用寿命延长，维护费用降低；支撑物简单使制造更方便，并节约了材料和设备投资；见吴金星等，“纵流式换热器的结构研究进展”一文，(《化工进展》，21：306-310，2002)。因此研究新的纵流管壳式换热器对于提高换热器性能和节约能源具有重要意义。

对于纵流式换热器的传热强化，一般从管程和壳程两个方面考虑。管程传热强化主要有横纹(槽)管、螺旋槽管、缩放管、螺纹管、自支撑管等高效传热管强化技术，壳程传热强化主要有整圆形折流板、折流杆、空心环、管子自支撑等强化技术；见(1)R.Mukherjee，Use double-segmental baffles in the shell-and-tube heat exchangers，Chem.Eng.Progress，88：47-52，1992；(2)R.Mukherjee，Don’t let baffling baffle you，Chemical Engineering Progress，92：72-79，1996；(3)H.Li and V.Kottke，Effect of baffle spacing on pressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement，Int.J.Heat Mass Transfer，41：1303-1311，1998；(4)H.Li，V. Kottkeb，Analysis of local shell side heat and mass transfer in the shell-and-tube heat exchanger with disc-and-doughnut，Int.J.of Heat and Mass Transfer，42：3509-3521，1999；(5)G.N.Xie et al.，Heat transfer analysis for shell-and-tube heat exchangers with experimental data by artificial neural networks approach，Applied Thermal Engineering，27：1096-1104，2007；(6)A.L.H.Costa，E.M.Queiroz，Design optimization of shell-and-tube heat exchangers，Applied Thermal Engineering，2008(on line)；(7)Q.W.Dong，Y.Q.Wang，M.S.Liu，Numerical and experimental investigation of shell side characteristics for ROD baffle heat exchanger，Applied Thermal Engineering，28：651-660，2008。虽然大多数高效强化管对管程和壳程的换热强化都有一定的作用，但主要还是用于强化管程，对壳程的作用不是很大。上述壳程传热强化技术虽然相比弓形板换热器具有一定的优势，但都存在着一定的不足之处，例如加工或安装困难、流体阻力过大、投资费用较高、适用范围窄等缺点。从总体而言，壳程强化传热技术仍向低流阻、坚固、结构简单、制造方便和省材等方面不断发展，趋势是去掉折流板，用异性管之间的点接触来互相支撑，并形成壳程流道。这样既省材，又能综合考虑管子结构和壳程结构的相互关系，以达到管程和壳程传热的同步强化；见江楠等，“管壳式换热器壳程强化传热研究进展”一文，(《化肥工业》，25(6)：27-32，1998)。