[发明专利]一种Dean Vortice效应的高效蛇形换热设备

说明书

本发明涉及一种Dean Vortice效应的高效蛇形换热设备。蛇形换热设备包括壳体、冷却介质进口、冷却介质出口、工艺介质进口、工艺介质出口、支座等。流体介质在蛇形换热管中流动时会形成具有对称涡核分布的Dean Vortice，对于流体换热具有明显的促进作用。所述的高效蛇形换热设备通过对Dean Vortice强度与换热效率进行分析评价，选取最优换热效率所对应的Dean Vortice强度指数，优化设计蛇形换热管的结构参数和高效换热设备壳体的尺寸参数，使得流体介质在管程流动过程中在较小阻力与沿程损失的条件下达到充分湍流状态，有效降低管壁附近流动边界层和温度边界层厚度，加强介质流动过程中的主动对流换热过程，提高设备整体换热效率。本换热设备可广泛应用于炼油、化工、轻工、污水处理等领域中，应用范围广，换热效率高，性能优良，实用性高。

技术领域

本发明涉及流体流动过程主动增强换热技术领域，更具体地涉及一种基于DeanVortice二次流主动增强换热效应的高效蛇形换热设备，该换热设备可广泛应用于石油、化工、轻工、污水处理等领域中的流体换热过程。

背景技术

换热设备是进行热交换的通用工艺单元，广泛应用于化工、炼油、动力、轻工、冶金、核能、造船、航空、建筑等工业部门，其金属消耗、动力消耗及建设投资在整个工程中占有相当大的份额。因此，换热设备的运行性能和工作效率直接影响整个装置甚至企业的安稳运行和经济效益。随着世界能源危机的日益加剧，资源匮乏和能源短缺给工业生产和经济发展带来了严峻挑战。有效提高能源利用率，增强设备换热效率成为各相关部门亟待解决的重要问题。

由传热速率方程Q＝K·A·ΔT可知，通过提高传热系数、增大换热面积以及提高换热温差，可以有效提高换热设备的运行效率。对于管壳式换热设备，提高管程介质流速可消除流场中的湍流滞留区，增加流体扰动和混合效果，一定程度上提高设备的换热效率。但单纯的提高介质流速会导致流动阻力增加，设备能耗急剧升高。增大换热面积是强化管壳式换热设备性能的重要途径之一，通过采用小管径换热管和扩展表面传热面来增大传热面积，但该方法往往导致设备体积、技术设施与投资等随之增加，制约了其在场地固定的化工系统中的广泛应用。增大平均传热温差也是强化换热设备换热性能的一种有效方法，主要利用不同换热面布置来改变平均传热温差，或扩大冷、热流体进出口温差的方法增大平均传热温差，但该方法在实施过程中通常受到生产过程及经济条件等限制，效果有限。此外，工业应用中常利用管内插入旋流片、螺旋纽带等元件，使其充分发展为湍流，同时配合各类壳程强化技术，如折流板/杆、异形孔板、空心环等措施，均可一定程度上强化换热设备运行效率，但通常导致较高的流动阻力以及运行成本。

发明内容

本发明提供了一种Dean Vortice效应的高效蛇形换热设备及设计方法。通过对管程内介质流动过程产生的Dean Vortice强度进行分析和优化，设计和构建蛇形换热器结构尺寸与运行参数以及高效换热设备壳体的尺寸参数，使流体介质在较低流速条件下达到充分湍流状态，降低温度边界层和流动边界层厚度，有效提高换热设备运行效率，实现设备高效、节能、经济、安全长周期运行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种Dean Vortice效应的高效蛇形换热设备，该高效蛇形换热设备依次包括壳体、冷却介质进口、冷却介质出口、工艺介质进口、工艺介质出口、蛇形换热管和支座。所述冷却介质进口焊接于壳体右侧，所述冷却介质出口焊接于壳体左侧。工艺介质进口焊接于壳体右侧下部，工艺介质出口焊接于壳体左侧下部。蛇形换热管位于壳体内；冷却介质由进口进入壳体，与蛇形换热管发生热量交换后经出口流出壳体。工艺介质由进口进入蛇形换热管内，经出口流出蛇形换热管。工艺介质流经各弯头部位时，在离心力作用下产生二次流Dean Voritce，显著提高了管内的换热效率。

进一步地，所述蛇形换热管的弯头为180°，曲率半径R满足：

其中，Q为设备工艺介质的体积流量；υ为工艺介质运动粘度；r为蛇形换热管内半径。