CN101598509B - 热交换器 - Google Patents

Abstract

一种沿纵轴线延伸的壳-管式热交换器，包括第一列扇形体挡板和第二列扇形体挡板，它们形成双螺旋式布置，使第二流体传送管束横穿并且与纵轴线成一个角度设置来引导第一流体以充分均匀的速率成螺旋形流动，其中，每个扇形体挡板都具有一个椭圆形的外缘和两个侧翼，所述侧翼从所述椭圆形的外缘朝向彼此会聚以形成一个顶端，第一部分扇形体挡板的每一个的顶端设有倾斜钻孔，与所述第一部分扇形体挡板沿直径相对的第二部分扇形体挡板的每一个的顶端设有一个以不等于90°的角度成型的凹口，从而在把第一列和第二列扇形体挡板相对固定之前，使每个扇形体挡板相对于纵轴线以理想的连续方式进行角定位。

Description

热交换器

本申请是申请日为2003年11月21日，申请号为200310119681.5，发明名称为“热交换器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种热交换器，更特别地但不排他地涉及一种构造为提供流体沿螺旋状通道的匀速流动和最大限度传热的壳-管热交换器。

背景技术

为了通过热交换和/或发热装置实现最大产出而长期努力的主要目标是要达到下列各项：

更高的传热效率；

更低的压力下降；

增强的性能；

有效的防振保护；以及

减少的安装与维修费用。

无论是海上开采、精炼、电力、石化还是造纸和食品工业，热交换器通常都是以上列举各项的核心部分。多种热交换器构造为人所公知并且投入到各种应用中。广泛使用的热交换器构造之一——图1中的壳-管热交换器包括覆盖着一束平行导管12的圆柱形外壳10，该平行导管12在两个端面板14之间伸展从而使第一流体16通过导管12。其间，第二流体18流入并穿过两个端面板之间的空间以致与导管接触。为了提供两种流体间的改进的热交换，第二流体18的流动由形成各个通道的中间挡板20限定，该中间挡板设置为使第二流体在穿过一个通道到下一通道时改变其方向。呈环形及圆盘形的挡板20垂直于外壳10的纵轴22安置来提供第二流体18的之字形流动24。

不利地，第二流体不得不沿外壳长度多次急剧地改变其流向。这导致第二流体动压力的降低及其流速的不均匀，两者相结合会对热交换器的性能产生不利影响。

科学界早已意识到挡板相对于外壳纵轴的垂直位置是造成相对低的传热率/压力下降率的主要原因。相互平行伸展并与外壳的纵轴成直角的相邻挡板确定了具有由相邻通道间的多个急转弯的特征的交叉流动路线。热交换器的效率可以通过减少挡板之间的间隔或窗口来提高。但是，减少窗口会导致沿着与外壳并列的挡板外缘的高流速，以及接近外壳中心的低流速。在由相邻挡板界定的各段内的不均匀流动分布造成大量漩涡、滞流区以及导管展宽的扩大/收缩，这会减少对流热交换率。促成传热率下降的另一因素是通过第一流体的导管必须在距外壳一定的径向距离处设置。因此，在外围设置的导管周围的交叉流动比在中心设置的导管周围更快。

这样，如上所述的传统挡板装置导致通过挡板-外壳及导管-挡板间隙的旁路流动。旁路流动使交叉流动传热减少而由显著的速率变化所导致的流动分布不均增加了回流和死区内的漩涡，由此在外壳侧面上发生更高的堵塞率。这种流动分布不均导致外围导管的高温及腐蚀使得它们很快地损坏并因而减少了在热交换过程中的作用。由于热交换器的设计基于整个管束的每个导管在热交换过程中的均匀分布，所以这些损坏的导管不能满足此要求而应加以更换。与此更换相关的高费用使热交换器的维修费用昂贵。

此外，由于通常长达24英尺的长管由为解决与不匀速相关的问题而被分别隔开一个很大距离的一连串挡板所支撑，因此传统装置可能会引起高的流动感生振动损失。由高的热梯度及不均匀的交叉流动振动所带来的危害是重大的。

因此，有必要来构建可以达到以下目的的挡板装置：

使对流热交换率提高的通过外壳的均匀交叉流动；

多个挡板相对于由挡板装置或保持架所支撑的多个导管的实际定位的稳定性和正确性；以及

挡板装置的简易化安装。

发明内容

这些目的通过用一连串分隔开的扇形体挡板来取代传统的弓形挡板加以实现，所述每一个扇形体挡板都倾斜于外壳的纵轴设置以在外壳侧部上形成一个假拟螺旋形流动通道。本发明的构造的优点之一是倾斜设置的挡板起到了交叉流动的导向叶片的作用，该交叉流动沿着每个挡板的对边具有十分均匀的速率因而避免了回流和漩涡。

因此，一连串倾斜挡板引导第二流体沿着螺旋状的更为自然的流动通道流动，该流动通道提供十分均匀的流率和最小限度的泄流，而不是如上所述的传统设计那样压制交叉流动。由于流速在每个挡板两边都十分均匀，所以穿过后者的压力梯度是微小的。因此，没有不合需要的泄流穿过或通过挡板，并且如理想设计的那样，流动主要沿着朝向外壳内壁并形成螺旋通道的最高点的挡板表面发生。因此，当第二流体横穿外壳的整体长度时的快慢取决于挡板相对于外壳纵轴的法线的角度时，流速保持不变。

此外，由于在流动传输件的膨胀和收缩中所消耗的流动能量是最小的，所以压力损失仅是在传统挡板的热交换器中所测损失的一小部分。因此，螺旋式挡板结构提供了更高的可用压力下降到热传导的转换。

本发明提供了一种沿纵轴线延伸的壳-管式热交换器，包括第一列扇形体挡板和第二列扇形体挡板，它们形成双螺旋式布置，使第二流体传送管束横穿并且与纵轴线成一个角度设置来引导第一流体以充分均匀的速率成螺旋形流动，其中，每个扇形体挡板都具有一个椭圆形的外缘和两个侧翼，所述两个侧翼从所述椭圆形的外缘朝向彼此会聚以形成一个顶端，第一部分扇形体挡板的每一个的顶端设有倾斜钻孔，与所述第一部分扇形体挡板沿直径相对的第二部分扇形体挡板的每一个的顶端设有一个倾斜凹口，从而在把第一列和第二列扇形体挡板相对固定之前，使每个扇形体挡板相对于纵轴线以理想的连续方式进行角定位。

这种构造特别地有利于增加导管的长度，而并不影响流动的均匀速度。

依照本发明的一个方面，螺旋式挡板的扇形体为椭圆板的扇形部分。与外壳内壁并列的椭圆形外表面的构造提供了在它们之间的紧密的间隙，从而当具有螺旋式挡板的管束插入外壳时能够最小限度的泄流。

为了确保多个挡板的相对位置及其相对于随后通过这些挡板安装的导管束的理想布置，本发明提供了连接一连串挡板的各种配置的加固件。依照一个实施例，纵向密封条定位焊接于相邻挡板的挡板边缘。作为选择，间隔条可以桥接起构造为固定间隔的挡板的连接杆。最后，每个挡板的径向相对的侧翼可以具有一个设置有圆孔的倾斜伸展的凸缘，这些导管横穿所述圆孔，另外这些导管由形成在相邻挡板的对边的半圆孔而固定。

本发明的构造对于现有设备和基础应用是同样有利的。对于前者，本发明的构造的优点是有助于增加生产量而降低维修费用。当然，由于腐蚀和机械故障而需要更换的导管的百分率因漩涡或反混的消除而相当大地减小。对于基础应用，本发明的构造有助于减少划分间隔、能量消耗及投入。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的壳-管热交换器内的拦板装置，构造为使不均匀的交叉流速最小化并使热交换率最大化；

本发明的另一目的是提供一种扇形体挡板，成型为使外壳内侧的挡板装置之间的间隙减少到最小限度；

本发明还有一个目的是提供一连串具有加固装置的扇形体挡板，该加固装置构造为便于插入并确保导管在扇形体挡板内的理想位置；

本发明的另一目的是提供一种扇形体挡板的双螺旋式装置，构造为提高防止流动引起的振动的集束性；

此外，本发明还有一个目的是构建能够使双螺旋式装置的安装有效的扇形体挡板。

附图说明

结合附图从以下描述中可以更容易地明了上述及其它目的、特征和优点，在图中：

图1是传统壳-管热交换器中流动分布的概略图；

图2是本发明的热交换器的概略透视图；

图3是挡板保持架的透视图；

图4是四扇形挡板装置的立面等矩图；

图5是依照本发明所构建的单块挡板的视图；

图6是显示图2的本发明的热交换器的纵向密封条的立面侧视图；

图7是显示本发明的热交换器的加固条的立面图；

图8是依照本发明的另一实施例所构建的本发明的扇形体挡板的立面图；

图9是本发明的螺旋式扇形挡板装置的双螺旋构造的示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的螺旋挡板式热交换器30由多个扇形体挡板32构成，每一个挡板都相对于外壳34的纵轴A-A的法线N-N成角度λ放置。从而，扇形体挡板32(以下称为挡板)引导外壳侧面的交叉流动36成螺旋型式并处于挡板间减小的无支承管距中。这导致了具有可用压力下降到热传导的有效转换的外壳侧面上的真实的交叉流动并且由于另一种流体穿过导管40的振动被最大限度地降低而减少了损害。这就使堵塞交叉流动36的死点不复存在，并且充分地排除了漩涡或反混的耗散能量。虽然如附图中所示的挡板32是平直的，但是每个挡板的对边都可以弯曲来引导沿着螺旋型式的交叉流动36。

如图3和4中所示，挡板保持架26是以角度λ放置并由多个连接杆28互接在一起的连续挡板或扇形体挡板32组合成的，该挡板保持架26用来支撑多个导管40并用作交叉流动36的螺旋式导向。优选地，保持架具有支承每个挡板于相应的理想角位的中央管38(见图4)，该理想角位的特征为在连续挡板32的孔50之间成直线对准，这是在外壳内有效地安置多个导管40所必需的。为了确保挡板32的正确角位并从而保证保持架26结构的精确性，可以把每个挡板的顶端钻成独特的倾斜凹口42从而在沿中央管38放置挡板32时使其保持角度λ。

根据本发明的另一实施例，如图3和6中所示在挡板32之间安装纵向密封条44进一步提高了保持架26的精确性。挡板32的形状成形为具有彼此相对的挡板32的外周边缘46的圆角端48。如果挡板保持无支承形式，那么最小的结构不规则和流动负荷也会造成连续挡板的管孔50对准不好。用每一个都连接着相应一行平行挡板的密封条44对这些无支承的端部区48进行架接，改善了管孔50之间直线对准，并且在挡板理想位置的固定之外还虑及了导管40的有效安装。

密封条44提供了简单、有效和低成本的结构，以确保相邻挡板的正确位置以及共通于这些挡板的导管的可靠稳固。有利地，密封条44设置于挡板的外缘46(见图4、5)和外壳内侧之间的间隙内以避免阻碍交叉流动并且它可以具有不同形状包括多边形或环形。每个密封条44都沿整个保持架26的长度连续延伸并点焊或定位焊接于圆角端48。

根据图7中所示的实施例，可以通过横跨连接杆28设置间隔条或加固板56，每个连接杆28都连接于相应的相邻挡板32来获得相邻挡板之间的理想间隙，如图3中更好地显示出。这个加固装置部分地具有与上面刚公布的实施例同样的合理性并且允许挡板32的管孔50之间的理想对准。安装加固板56所产生的另一优点是虑及了共通于相邻挡板32的导管80(图3和9)的可靠接合。沿相邻挡板的侧翼54形成的半圆形凹口52(图4、5)从两边啮合共用管80。由板56加固以后，挡板32被倾斜地彼此相对绷紧从而形成于相邻挡板上的凹口52稳固地啮合其间的导管80。

根据本发明的加固件的另外一个可供选择的实施例，相邻挡板32的端部区49可以由一个共通排管或多个排管来支持，如图8中所示。特别地，挡板32的端部区49成型为具有至少一个孔60的外伸或扩展部件58。相邻挡板的重叠部分58设置为孔60相对彼此对准并使管50穿过。由于不需要用另外的加固件来对准相邻挡板，因此该实施例是特别有利的，如果像图6和7所示使用另外的加固件，就会增加生产、安装和维修费用。

依照这种壳-管构型的热交换器的构造特征，每个挡板32都终止于距离外壳34的内壁62(图2)的一个径向距离。按照惯例，挡板具有一个符合外壳圆拱的外周边缘。如果挡板的外周边缘附加成型于内壁62的话，以角度λ设置圆形挡板必然会在外壳的圆形内壁62与挡板的外周边缘之间产生不均匀的间隙。因此，穿过不均匀间隙的交叉流动的速率也将是不均匀的。为了弥补这一缺点，本发明的挡板32，如图4和5所示，每个都具有成型为椭圆表面的弓形部分的外周边缘46，当以角度λ布置挡板32时它被均匀地从外壳的内壁62隔开。

图9显示依照本发明所构建的双螺旋式挡板装置90。增加了挡板32的数量，导管40的无支承跨距(图3)减小了一半，但是并不影响交叉流动的速率，它仍保持充分的均匀。

增加挡板32的数量会由于间隔不足而使相邻挡板在保持架26中的布置产生问题。如图4和9中所示，第一螺旋96和第二螺旋98的挡板94和94′，每一个都分别具有以理想角度λ所钻的孔100并且孔的尺寸适合为围绕并沿中央管38(图4)滑动。因此，围绕中央管38转动这些挡板要虑及它们的理想角位，并且当位置确定后，每个都具有一个带凹口顶端42(图4)的沿直径相对的挡板92′和92，可以容易地沿着中央管38移动以避免阻碍挡板94和94′的顶端。

应该明白，对在此公布的实施例可以进行各种修改。因此，不应该把以上描述认作限制，而是仅作为优选实施例的例证。本领域技术人员可以在附加于此的权利要求的范围和本质内构想其它的变更。

Claims (1)

1.一种沿纵轴线延伸的壳-管式热交换器，包括第一列扇形体挡板和第二列扇形体挡板，它们形成双螺旋式布置，使第二流体传送管束横穿并且与纵轴线成一个角度设置来引导第一流体以充分均匀的速率成螺旋形流动，

其中，每个扇形体挡板都具有一个椭圆形的外缘和两个侧翼，所述两个侧翼从所述椭圆形的外缘朝向彼此会聚以形成一个顶端，第一部分扇形体挡板的每一个的顶端设有倾斜钻孔，与所述第一部分扇形体挡板沿直径相对的第二部分扇形体挡板的每一个的顶端设有一个倾斜凹口，从而在把第一列和第二列扇形体挡板相对固定之前，使每个扇形体挡板相对于纵轴线以理想的连续方式进行角定位。

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