[实用新型]壳管式换热器管间的传热强化与支撑

说明书

本实用新型属于壳管式换热器的管间支撑与传热强化结构。

美国Phillips石油公司于1971.1.11申请了折流栅换热器US3，708，142，它很好的解决了传热管振动问题，并且在高Re下有较好的强化传热之效果。但是，绝大多数壳管式换热器并非在那样高的Re下运行，因而传热管振动问题不是实际运行中的主要问题，而折流栅结构的传热强化效果不佳，并且制造与组装复杂，材料消耗多，工时费用高。

本实用新型的目的在于提供一种高效壳管式换热器可在管外雷诺数Re不太高工况下适用，并且又制造简便，消耗材料少、流体阻力低的传热强化与管间支撑结构。在这种新型结构中，没有传统的折流板，管外流体几乎消除了诱导传热管振动的横向流动而变为平行的纵向流动，另外圆柱弹簧本身给传热管以横向支撑约束与减振作用。运行时管外流体沿程受到圆柱弹簧的不断扰动，因而使近邻传热管外壁面区传热得到有效强化；由于圆柱弹簧丝径不大，对中心流体不构成阻力，因而这种结构的阻力相当低。

本实用新型采用普通的圆柱弹簧作为壳管式换热器管外传热强化与传热管管间支撑的结构元件。弹簧丝径d在（0.5～2.0）mm之间。弹簧的螺距H为传热管外径D₀的（0.2～0.8）倍。传热管正方形均布管间距t₁时，弹簧外径D为t₁－D₀－（0～1.2）mm，传热管三角形均布管间距为t₂时，弹簧外径D为（0.577t₂～0.5D₀）－（0～1.2）mm，使弹簧尽可能地与传热管外表接触或接近，并且方便实际组装。弹簧的长度接近传热管，弹簧的两头（至少有一头）有带弯钩的直柄段，以便拉伸成形与轴向定位，又有利于流体的均匀分布。在实际应用时，弹簧的结构参数（d，H，D）和传热管的排布方式（正方形或三角形）的选定，均取决于管内外的传热分系数之比值α₁／α₀与管外的Re及管外阻力降允许值［△P］。

图1为用圆柱弹簧作为管外传热强化与管间支撑结构元件的壳管式换热器的组装示意纵剖图。图中传热管（1），弹簧（2），弹簧直柄段（3）。

图2为图1所示换热器组装方式的横剖局部放大图，表示传热管（1）以管间距t₁作正方形排布时与弹簧（2）的组装方式。

图3为图1所示换热器组装方式的横剖局部放大图，表示传热管（1）以管间为t₂呈等边三角形排布时与弹簧（2）的组装方式。

图4为弹簧（2）的示意图，弹簧（2）至少一头带有拉伸成形组装与定位用的直柄段（3）。

图5表示三种不同结构换热器的综合性能（α／△P－Re）实验曲线。图中111＃，114＃表示本发明设计的换热器，211＃，214＃表示折流栅换热器，311＃，314＃表示折流板换热器，由图可见本发明比折流栅、折流板结构均好。另外，设计计算表明本发明的管间弹簧耗用材料只需折流栅、折流板的1／5以下，组装工时也只需折流栅的1／5以下。

发明人曾有如下实施例：传热管为外径D₀＝25mm的铜管，传热管有正方形排布，也有等边三角形排布，其管间距t₁＝t₂＝32mm，管内为空气被加热，管外为水蒸汽加热。传热管长1000mm，圆柱弹簧的钢丝直径d分别为0.6，0.8，1.0，1.2，1.5，2.0mm；弹簧的螺距H在（0.2～0.8）DO范围内变化；弹簧长度约800mm，弹簧的直柄段长约100mm，按图3与图4所示的方式组装。先后对十多种不同结构参数的装置进行传热试验，测量表明传热强化效果好，壳程阻力降低，其综合性能指标（α／△P）比传统的折流板结构要高（当Re＝9000时要高125％～170％），比折流杆结构也要高（当Re＝9000时要高50％～80％）。（注：对比的折流板换热器结构为37管φ25×2.5×2.5×2000，折流板板间距400mm；对比的折流杆换热器结构为37管φ25×2.5×2.5×2000，折流栅栅距为80mm。两者的传热试验均为水蒸汽→铜管→空气。这些数据引自《石油化工设备》1988，V17，n1，P8，图3，4，5，6和《化工炼油机械》1983，n2，p6，表3，图7）