CN105258533B - 具有分形结构的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，包括：壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；壳程流体进口及壳程流体出口均与壳体的内部相连通；换热管束位于壳体内，且换热管束呈DNA式多螺旋结构。整个换热管束呈DNA分子螺旋结构，可以有效地引导壳程流体沿螺旋路径流动；在压降损失很少的情况下强化了壳程的场协同性，并且消除了壳程的流动死区。

Description

具有分形结构的管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种换热装置，特别是涉及一种具有分形结构的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器通常由管箱、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。传统的管壳式散热器一般装有与换热管束垂直的折流板式，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。

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。

由CBI/ABB公司注册的螺旋折流板管壳式换热器技术采用与换热管束成非垂直角度的若干四分圆折流板在壳体内螺旋设置，引导壳程流体沿螺旋路径流过。这种设计显著提高了换热器的热有效性，增加了热传导以及减少了能耗和返混，同时显著减少流致振动。这种换热器已广泛用于石油化工领域。

Koch Heat Transfer公司的扭曲管束管壳式换热器采用螺旋扭曲扁管紧密排列成束管程的螺旋流动能大幅增加高粘性流体低速流动情况下的湍流强度，从而大大地提高了热传导，扁管外侧的空间作为壳程流动空间在提高换热面积的同时无需折(导)流板就可以产生一致的壳程螺旋流动同样很大程度上增加壳程流动的湍流度。以上两种壳式换热器技术相对成熟，在大部分工业情况下已得到了广泛的应用，但相关技术仍有进一步强化空间。

中国专利一种管壳式换热器专利(CN 101846467 B)提出了构型树状结构的换热管束4并取消了折流板，由于分形结构流道在增加换热表面积，减少压力降低方面效果显著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。但是，该专利的壳程流动并没有导流结构，其流动很不规则，可能存在流动死区。

由于分形结构在自然界中有很多体现，比如动物的肺，植物的根和冠以及河口三角洲等，这些存在于自然界的分形结构都在传质和传热方面产生了节能高效的有益效果，因此学术和工程界都认识到仿生分形结构的应用前景。本发明受分形结构以及仿生结构在换热器上可能体现的优势，提出一种能够兼顾管程和壳程流场温度场协同性的分形结构换热管束的管壳式换热器，以提高该类换热器的流动和换热性能。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种具有分形结构的管壳式换热器，用于解决现有技术中的管壳式换热器存在的流动和换热性能比较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，所述具有分形结构的管壳式换热器包括：壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；

所述壳程流体进口及所述壳程流体出口均与所述壳体的内部相连通；

所述换热管束位于所述壳体内，且所述换热管束呈DNA式多螺旋结构。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束包括：入流管道、若干个换热管束单元及若干个支连通管道；

所述入流管道自所述壳体的一端沿所述壳体的轴线通入所述壳体内并延伸至所述壳体内的另一端附近；

所述换热管束单元位于所述入流管道外围，且沿所述壳体的轴线呈立体螺旋式分布；

所述支连通管道位于所述入流管道与所述换热管束单元之间及相邻的所述换热管束单元之间，适于连接所述入流管道与所述换热管束单元及连接相邻的所述换热管束单元。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，连接所述入流管道与所述换热管束单元的所述支连通管道为直管，位于所述入流管道延伸至所述壳体内的一端，且沿所述入流管道轴向垂直分布；连接相邻所述换热管束单元的所述支连通管道为螺旋管。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束单元包括两层H型n级分形换热管及2ⁿ个异化连接管道，其中，n为大于1的奇数；

所述H型n级分形换热管为平面分形结构管道；

所述异化连接管道为空间螺旋中空叶片，所述异化连接管道将两层所述H型n级分形换热管在末级分支管道的两个末端相连接，且所述异形连接管道的两个平面端分别位于所连接的所述H型n级分形换热管所在的平面内。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述异化连接管道沿垂直于所述壳体轴线方向的截面形状为长方形，所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.7～0.8，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.65～0.75。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述H型n级分形换热管为平面多级分形结构，包括多级分支管道，其中，奇数级分支管道为极平面内周向圆弧管，偶数级分支管道为沿同一极平面内径向的直管；相邻两级所述分支管道中，上一级所述分支管道的末端与下一级所述分值管道的中间部位相连接。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.5～0.9。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.7～0.8。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.5～0.9。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.65～0.75。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述支连通管道的水力直径与所述H型n级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.2～1.5。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述支连通管道的水力直径与所述H型n级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.41。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述壳体及所述换热管束的材料为碳素钢、低合金钢、不锈钢、石墨、氟塑料、玻璃、铜、铜合金、铝、铝合金、镍或镍合金。

如上所述，本发明的具有分形结构的管壳式换热器，具有以下有益效果：

1.整个换热管束呈DNA分子螺旋结构，可以有效地引导壳程流体沿螺旋路径流动；在压降损失很少的情况下强化了壳程的场协同性(流场和温度场)，并且消除了壳程的流动死区。

2.将H型分形结构拓扑到圆柱体内使得分型结构的最高层次段的结构可以填充满整个圆柱体；多级分形散热管使得换热管束的对流换热面大幅增加，同时多级的分支使得管内流动的湍流程度大幅提高，这两方面效果都使得换热管束的换热能力得到了有效的提升；管程从进入到流出大体经过了一个U型路径，这样使流体的换热能力得到了平均同时消除热应力的影响。

附图说明

图1显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的截面结构示意图。

图2显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的立体结构示意图。

图3显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束单元的立体结构示意图。

图4显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的侧视图。

图5显示为本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的工作原理示意图。

元件标号说明

1 壳体

2 壳程流体进口

3 壳程流体出口

4 换热管束

41 换热管束单元

411 H型n级分形换热管

4111 第一级分支管道

4112 第二级分支管道

4113 第三极分支管道

412 异化连接管道

42 支连通管道

43 入流管道

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，所述具有分形结构的管壳式换热器包括：壳体1、壳程流体进口2、壳程流体出口3及换热管束4；所述壳程流体进口2及所述壳程流体出口3均与所述壳体1的内部相连通；所述换热管束4位于所述壳体1内，且所述换热管束4沿所述壳体长度方向呈DNA式多螺旋结构。所述换热管束4的内部构成管程流动的通道，所述换热管束4的外侧与所述壳体1的内部构成壳程流道。

作为示例，请参阅图2，所述换热管束4包括：入流管道43、若干个换热管束单元41及若干个支连通管道42；所述入流管道43自所述壳体1的一端沿所述壳体1沿长度方向的轴线通入所述壳体1内并延伸至所述壳体1内的另一端附近；所述换热管束单元41位于所述入流管道43外围，且沿所述壳体1沿长度方向的轴线呈立体螺旋式分布；所述支连通管道42位于所述入流管道43与所述换热管束单元41之间及相邻的所述换热管束单元41之间，适于连接所述入流管道43与所述换热管束单元41及连接相邻的所述换热管束单元41，即所述入流管道43的内部与所述换热管束单元41的内部通过所述支连通管道42相连通，且相邻的所述换热管束单元41的内部通过所述支连通管道42相连通。

作为示例，相邻所述换热管束单元41之间以及所述入流管道43与第一个所述换热管束单元41(即位于所述入流管道43延伸至所述壳体1内一端的所述换热管束单元41)之间均通过所述支连通管道42焊接或固连。连接所述入流管道43与第一个所述换热管束单元41的所述支连通管道42为直管，且沿所述入流管道42轴向垂直分布；连接相邻所述换热管束单元41的所述支连通管道42为螺旋管，以确保所述换热管束4亦呈DNA式多螺旋结构。

作为示例，所述入流管道43从所述壳体1一侧进入所述壳体1并与所述壳体1焊接或胀接，最后一层所述换热管束单元41的所述支连通管道42作为管程流体的出口通道伸出所述壳体1一侧的外部，并与所述壳体1焊接或胀接。

作为示例，请参阅图3，所述换热管束单元41包括两层H型n级分形换热管411及2n个异化连接管道412，其中，n为大于1的奇数；所述H型n级分形换热管411为平面分形结构管道；所述异化连接管道412为空间螺旋中空叶片，所述异化连接管道412将两层所述H型n级分形换热管411在末级分支管道的两个末端相连接，且所述异形连接管道412的两个平面端分别位于所连接的所述H型n级分形换热管411所在的平面内，因此，所述换热管束单元41呈DNA式多螺旋结构。

作为示例，所述H型n级分形换热管411为平面多级分形结构，包括多级分支管道，其中，奇数级分支管道为极平面内周向圆弧管，偶数级分支管道为沿同一极平面内径向的直管；相邻两级所述分支管道中，上一级所述分支管道的末端与下一级所述分值管道的中间部位相连接。以图3所述H型n级分形换热管411包括3级分支管道作为示例，第一级分支管道(即初级分支管道)4111为极平面内周向圆弧管，第二级分支管道4112为沿同一极平面内径向的直管，数量为两个，第三级分支管道(即末级分支管道)4113为沿同一极平面内周向圆弧管，数量为两个，且所述第一级分支管道4111的末端与所述第二级分支管道4112的中部相连接，所述第二级分支管道4112与所述第三级分支管道4113的中部相连接。这样每个上极分支管道分别与两个下级分支管道相连通就构成了H型结构。这种分形结构相当于将平直管构成的H型分形结构拓扑到扇形区域内，使得奇数级的分形分支从直管变为了圆弧弯管。这种技术方案的目的是将空间填充度较高的H型分形结构拓扑到扇形区域内，使其能充分占据圆柱体空间(即所述壳体1内的空间)。所述异化连通管道412的两个平面端也相当于末级分支管道的下一级分支从其平面段的中间部位与所述H型n级分形换热管411的末级分支管道的末端连通。

作为示例，连接所述入流管道43与第一个所述换热管束单元41的所述支连通管道42具体为一端与所述入流管道43相连接，另一端与所述换热管束单元41中的H型n级分形换热管411的初级分支管道(即第一级分支管道4111)的中部相连接。

作为示例，所述入流管道43外围的所述换热管束单元41的数量可以根据实际需要进行设定，优选地，如图4所示，本实施例中，所述入流管道43外围的所述换热管束单元41的数量为三个，即沿所述入流管道43的周向一周设有三个所述换热管束单元41。

作为示例，所述H型n级分形换热管411的各级分支管道、所述入流管道43、所述支连通管道42的横截面形状均可根据实际需要设计为正方形、圆形、矩形、六边形等等，优选地，本实施例中，所述H型n级分形换热管411的各级分支管道、所述入流管道43、所述支连通管道42的横截面形状均为圆形。

作为示例，所述异化连接管道412沿垂直于所述壳体1轴线方向的截面形状为长方形，所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管411的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管411的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9；优选地，本实施例中，所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管411的末级分支管道的水力直径之比为0.7～0.8，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管411的末级分支管道的水力直径之比为0.65～0.75。

作为示例，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.5～0.9，以图3作为示例，即所述第一级分支管道4111的水力直径与所述第二级分支管道4112的水力直径之比为0.5～0.9，所述第二级分支管道4112的水力直径与所述第三级分支管道4113的水力直径之比为0.5～0.9；优选地，本实施例中，相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.7～0.8。

作为示例，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.5～0.9，以图3作为示例，即所述第一级分支管道4111的长度与所述第二级分支管道4112的长度之比为0.5～0.9，所述第二级分支管道4112的长度与所述第三级分支管道4113的长度之比为0.5～0.9；优选地，本实施例中，相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.65～0.75。

需要说明的是，此处相邻上下两级所述分支管道的长度均为平直管的长度，即需要将所述分支管道中的圆弧管的长度通过拓扑变形为平直管的长度。

作为示例，所述支连通管道42的水力直径与所述H型n级分形换热管411的初级分支管道的水力直径之比为1.2～1.5；优选地，本实施例中，所述支连通管道的水力直径与所述H型n级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.41。

作为示例，所述壳体1及所述换热管束4的材料可以根据工作条件、流体形成选择不同的材料，譬如，所述壳体1及所述换热管束4的材料可以为但不仅限于碳素钢、低合金钢、不锈钢、石墨、氟塑料、玻璃、铜、铜合金、铝、铝合金、镍或镍合金。

作为示例，所述换热管束4内及所述壳体1内的流体可以为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意流体工质。

作为示例，所述换热管束4内的换热方式可以为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热；所述壳程流道内的换热方式也可以为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热。

本发明的技术方案在于：拓扑得到的所述H型n级分形换热管411能够充分且均匀地填充到扇形面内。由于所述H型n级分形换热管411较相同级数的树状分形换热管的占据的空间面积大且均匀，因此温度分布较均匀。在所述换热管束单元41内，管程流体从一个所述支连通管道42流入与其相连的所述H型n级分形换热管411内，流体从初级分支管道流到末级分支管道，再通过所述异化连接管道412与进入另一个所述H型n级分形换热管411，其流动为从末级分支管道回到初级分支管道，然后再通过另一个所述支连通管道42流出该所述换热管束单元41。在每一个所述换热管束单元41内，所述换热管束4通过分形产生越来越多的分支，使得管程对流换热面积大幅增加；分支还能有效扰动所述换热管束4内流体的流动提高流体湍流度，这样，所述换热管束4内的对流换热效果得到了大幅度增强。在整个所述换热管束4中，管程流体从所述入流管道43流入从最后一层的所述支连通管道42流出，这种流动路径在所述壳体1的每个轴截面被轴线分开的半平面内为U型路径。这种流动路径的所述换热管束4可以消解热应力，而且对壳程流体的均匀性也起到了一定的作用。整个所述换热管束41的DNA分子形状的结构，使得壳程的流体朝相同的方向流动，具体为螺旋前进的方式，这种流动方式没有传统折流产生的死区，同时可以增加壳程流动的湍流度，并且流动阻力有可观的减小，从而减少了流动的压降达到了节能高效的目的。

请参阅图5，本发明的具有分形结构的管壳式换热器中的换热管束的工作原理为：管程流体从所述入流管道43流入所述换热管束4的初级分支后，流体同等条件的流向次级分支，最后从末级分支管道的两端流出。从一层所述H型n级分形换热管道411的末级分支流出的管程流体经所述异化连接管道412后流入下一层所述H型n级分形换热管道411的末级分支，然后流入其上级分支，最后回到初级分支管道。合流后的管程流体再通过所述支连通管道42进入下一个所述换热管束单元41。管程流体通过由所述入流管道43、所述换热管束单元41和所述支连通管道42构成的DNA螺旋结构的所述换热管束4与壳程流体进行换热，最后流出完成换热过程。本发明涉及的DNA空间螺旋的所述换热管束4结构能够充分利用壳内空间，增大有效换热面积，加大管程、壳程流体流动的湍流度，实现了壳程流动在低压降的情况下产生无死区的螺旋流动路径，强化了管壳程流动换热的场协同性，提升了换热器结构的紧凑性，有效提高了换热器的流动换热效能。数值模拟结果显示，与相同传热面积的传统管壳式换热器比较，其传热效率能提高约1到2倍，壳程压降可以降低30％～50％左右。

综上所述，本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，所述具有分形结构的管壳式换热器包括：壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；所述壳程流体进口及所述壳程流体出口均与所述壳体的内部相连通；所述换热管束位于所述壳体内，且所述换热管束呈DNA式多螺旋结构。本发明的具有分形结构的管壳式换热器，具有以下有益效果：整个换热管束呈DNA分子螺旋结构，可以有效地引导壳程流体沿螺旋路径流动；在压降损失很少的情况下强化了壳程的场协同性(流场和温度场)，并且消除了壳程的流动死区；将H型分形结构拓扑到圆柱体内使得分型结构的最高层次段的结构可以填充满整个圆柱体；多级分形散热管使得换热管束的对流换热面大幅增加，同时多级的分支使得管内流动的湍流程度大幅提高，这两方面效果都使得换热管束的换热能力得到了有效的提升；管程从进入到流出大体经过了一个U型路径，这样使流体的换热能力得到了平均同时消除热应力的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于，所述具有分形结构的管壳式换热器包括：壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；

所述壳程流体进口及所述壳程流体出口均与所述壳体的内部相连通；

所述换热管束位于所述壳体内，且所述换热管束呈DNA式多螺旋结构；

所述换热管束包括：入流管道、若干个换热管束单元及若干个支连通管道；所述入流管道自所述壳体的一端沿所述壳体的轴线通入所述壳体内并延伸至所述壳体内的另一端附近；所述换热管束单元位于所述入流管道外围，且沿所述壳体的轴线呈立体螺旋式分布；所述换热管束单元包括两层H型n级分形换热管及2ⁿ个异化连接管道，其中，n为大于1的奇数；所述H型n级分形换热管为平面分形结构管道；所述异化连接管道为空间螺旋中空叶片，所述异化连接管道将两层所述H型n级分形换热管在末级分支管道的两个末端相连接，且所述异化连接管道的两个平面端分别位于所连接的所述H型n级分形换热管所在的平面内；所述支连通管道位于所述入流管道与所述换热管束单元之间及相邻的所述换热管束单元之间，适于连接所述入流管道与所述换热管束单元及连接相邻的所述换热管束单元。

2.根据权利要求1所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：连接所述入流管道与所述换热管束单元的所述支连通管道为直管，位于所述入流管道延伸至所述壳体内的一端，且沿所述入流管道轴向垂直分布；连接相邻所述换热管束单元的所述支连通管道为螺旋管。

3.根据权利要求1所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述异化连接管道沿垂直于所述壳体轴线方向的截面形状为长方形，所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.5～0.9。

4.根据权利要求3所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述长方形的宽度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.7～0.8，所述长方形的长度与所述H型n级分形换热管的末级分支管道的水力直径之比为0.65～0.75。

5.根据权利要求1所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述H型n级分形换热管为平面多级分形结构，包括多级分支管道，其中，奇数级分支管道为极平面内周向圆弧管，偶数级分支管道为沿同一极平面内径向的直管；相邻两级所述分支管道中，上一级所述分支管道的末端与下一级所述分支管道的中间部位相连接。

6.根据权利要求5所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.5～0.9。

7.根据权利要求6所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：相邻上下两级所述分支管道的水力直径之比为0.7～0.8。

8.根据权利要求5所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.5～0.9。

9.根据权利要求8所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：相邻上下两级所述分支管道的长度之比为0.65～0.75。

10.根据权利要求5所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述支连通管道的水力直径与所述H型n级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.2～1.5。

11.根据权利要求10所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述支连通管道的水力直径与所述H型n级分形换热管的初级分支管道的水力直径之比为1.41。

12.根据权利要求1所述的具有分形结构的管壳式换热器，其特征在于：所述壳体及所述换热管束的材料为碳素钢、低合金钢、不锈钢、石墨、氟塑料、玻璃、铜、铜合金、铝、铝合金、镍或镍合金。