螺旋折流板换热器制造技术

一种螺旋折流板换热器是一种在工业领域中普遍应用的管壳式换热器，其仅改变传统的弓形折流板的结构形式，螺旋折流板是采用呈部分椭圆形及三角形的平面板组合而成，可使壳侧流体实现连续、柱塞状螺旋流动，改变了流体流场分布，从而克服了存在的传热死区及来回折流动量损失。可获得有效地降低流动阻力及明显提高传热速率的效果，简化了螺旋形曲面板的加工难度，使其容易推广应用。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种管壳式换热器。在石油、化工、能源动力等工业领域中，管壳式换热器是实现流体热量交换的最普遍应用的一种结构形式。在管壳式换热器的壳侧流道中设置折流板的作用是强迫壳体改变流动方向及支承管子。为降低壳侧流体的阻力，提高传热速率，减少管子振动及防止流体结垢，已产生了许多种折流板的结构形式。目前，在工业中较普遍采用的是弓形或园缺形折流板的结构形式。由于在弓形折流板的园缺区中，流体呈平行于管轴方向流动，以及在折流板和壳体交汇处存在着流动滞止的死区，致使传热性能下降。由于流体在折流板之间呈曲折流动，多次改变流动方向，以及在折流板边缘处引起流体分离，致使产生过高的流动阻力。因此采用这种传统弓形折流板，若要获得较高的传热速率，就会产生相当高的压降，即要以增加泵功消耗为代价。为了节能及节材，迫切需要改变传统的折流板结构形式。本技术的目的是使管壳式换热器中的壳侧流体实现连续的螺旋状流动，提出了一种新颖的螺旋折流板结构形式及其制造安装工艺，以实现有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热。本技术的目的是以下述方式实现的一种螺旋折流板管壳式换热器，其折流板为螺旋折流板，螺旋折流板的特征参数为螺旋角φ，直径D，一个螺距长度为Hs,Hs=πDtgφ，按圆心角将螺旋线投影的园周作2m等分，m为1、2、3……自然数，一个螺距的螺旋折流板由2m块呈部分椭园形平面板(4)和2m-1块三角形平面阻流板(5)相间连接成螺旋面组成，在换热器壳体(1)有效长度L内设有Z块部分椭园形板(4),Z≤2mL/Hs，取整数，和(Z-1)块阻流板(5)相间连接构成连续的螺旋面。本技术的基本思想是彻底改变弓形折流板的流体流动方式及流场分布，在螺旋折流板之间，流体呈连续、柱塞状螺旋流动，流速较稳定，动量变化小，无折流板边缘产生流体分离，因此可有效地降低流动阻力。流体呈螺旋形流动，并不是一种以某倾斜角横掠管束的流动状态，而在其流道中，从园心至壳体半径方向上存在着较大的速度梯度，以及在螺旋形槽道中两次环流的影响下，能有效地在管子表面产生紊流，使边界层减薄及分离，以及在此折流板中不存在流动滞止死区，因此在尽可能小的的泵功消耗的情况下能产生较高的传热速率，这种新颖结构易于制造及安装，它的推广应用能产生明显的经济效益。以下结合附图详细说明本技术的结构。附图说明图1为有心轴的螺旋面示意图。图2为有心轴螺旋面内、外周的导程示意图。图3为在园周长度上螺距Hs和园心角α变化关系示意图。图4为在直径为D的园柱上以园心角α将园周二等分的一个螺距螺旋折流板结构示意图。图5为在直径为D的园柱中分面上，半椭园形板A、B和阻流板C的几何关系示意图。图6为在直径为D的园柱上以园心角α将园周四等分的一个螺距螺旋折流板结构示意图。图7为在直径为D的园柱中分面上，直角椭园形板 与阻流板的几何关系示意图。图8为管板与椭园形板上管孔对应关系示意图。图9为螺旋折流板换热器结构示意图。螺旋形折流板的两个重要几何参数是折流板外周基园直径D及螺旋角φ。折流板安装于壳体1中，壳体内径为Do，为便于安装的装配要求及尽可能的减少流体短路流动，折流板直径和壳体1内径的间隙为C1，则D=Do-2C1,1mm≤C1≤10mm。螺旋角φ为5°＜φ＜50°，螺旋角的大小决定了螺旋折流板的螺距Hs，且Hs=πDtgφ。D和Hs的大小将影响壳侧流道流动截面积(即流速的大小)，以及流体流动旋转流场的速度梯度，是直接影响流动阻力及传热性能的好坏的两个重要几何参数。要实现上述目的，要设计加工一个等厚度的螺旋面作为折流板，并使螺旋面垂直于管轴，使流体严格实现螺旋流动，在技术上是难以实施。这是一项可想而不可及的事情。在螺旋输送器中的螺杆，在传动系统中的丝杠等，其等厚度的螺旋面是设置在中心杆(或称心轴)上，见图1。螺旋面基园外周直径为Do，心轴直径为Do，当螺旋角φo一定后，螺旋面外周螺距为Hso=πDotgφo，导程长为Lo=πDo/cosφo。在心轴上螺旋面内周的螺距Hso应该和外周螺距Hso相等，因此，在心轴上螺旋面内周的螺旋角φo应为tgφo=Hso/πDo=(Do/Do)tgφo，其导程长Lo应为Lo=πDo/cosφo，其几何关系见图2，这样一个螺旋面的设计及加工是可以实现的，并已在工业中采用。但在管壳式换热器中并不存在中心杆(或心轴)，则螺旋面内周是在壳体中心线上，即Do=0，要使螺旋面保持垂直于壳体中心线走出一个螺距Hso，则在中心线上是无法走出一个和Hso相等的螺距，这就是至今在螺旋折流板开发上所遇到的难题。若就是设置中心杆，这样一个螺旋面的加工及在螺旋面上的许多管孔的加工也是十分困难的。本专利技术思想是从简化螺旋面的结构着手，在分析螺旋面的几何关系中寻求出一个用平面替代曲面，而能使壳侧流体实现连续螺旋形流动，这样一种新颖的折流板结构，称为螺旋形折流板。当螺旋面的几何参数D和φ确定后，在以直径为D的园柱上，螺旋面的外周螺距为Hs，且Hs=πDtgφ。此螺距沿园柱投影园周长πD和园心角α的变化呈线性变化关系，见图3，园心角α从0°至180°，在园柱上螺旋面的轨迹上升了半个螺距Hs/2；从180°至360°，螺旋面又上升了半个螺距Hs/2。基于上述基本关系，在图4中示出园柱上一个螺距的螺旋面外周轨迹的变化规律。在一个直径为D的园柱上，其螺旋线的投影基园上从01至O2，园心角α从0°至180°，在半个园周的园柱上，一个以螺旋角φ的螺旋面在半个园周的园柱上轨迹为从O1A走到O2A的螺旋线，此O1A和O2A的垂直高度差为Hs/2。点O1A和O2A连成直线，此直线和园柱上螺旋线外周的曲线组成一个平面A，此平面A为半椭园形平面。同样园心角α从180°至360°，螺旋线外周从O2B至O1B，其垂直高度差也是Hs/2,O1B、O2B连成直线和园柱上螺旋线组成的平面亦是半椭园形平面B。若采用园柱面以O1O2为中分面，在此中分面上，半椭园形平面A及B的投影为直线O1AO2A及O1BO2B，见图5，在图中可见，半椭园形平面A和B分别和水平线夹角θ，且存在着如下几何关系tgθ=Hs/2D=πDtgφ2D=π2tgφ]]>θ=arctg(π2tgφ)---(1)]]>从上式可见，θ角是一个完全取决于螺旋角φ的特征角，半椭园形平面A、B是分别以向上及向下倾角为θ和园柱的切面。它是由一个椭园形平面以长轴为中分面切开为两块对称的半椭园形平面。此椭园形平面短半轴长度b=D/2，长半轴长度a,a的大小由下式计算而得，a=12D2+(Hs/2)2=D21+(π2tgφ)2----(2)]]>a的大小完全取决于螺旋面的几何参数D和φ值。由图4和图5可见，两块半椭园形平面的中心OA和OB和顶点O2A(或O2B)组成一个等腰三角形平面C，该等腰三角形平面称为阻流板C，其底边长度OAOB=Hs/2，高为D/2。此阻流板C将上、下两块半椭园形平面A及B连接，起着迫使流体呈螺旋状流动，防止流体短路，且起着将上、下两块半椭园形板定位的作用。上述专利技术思想说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种螺旋折流板管壳式换热器，其特征在于：其折流板为螺旋折流板，螺旋折流板的特征参数为螺旋角ψ，直径Ｄ，一个螺距长度为Ｈｓ，Ｈｓ＝πＤｔｇψ，按圆心角将螺旋线投影的园周作２ｍ等分，ｍ为１、２、３……自然数，一个螺距的螺旋折流板由２ｍ块呈部分椭园形平面板（４）和２ｍ－１块三角形平面阻流板（５）相间连接成螺旋面组成，在换热器壳体（１）有效长度Ｌ内设有Ｚ块部分椭园形板（４），Ｚ≤２ｍＬ／Ｈｓ，取整数，和（Ｚ－１）块阻流板（５）相间连接构成连续的螺旋面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰辉，
申请(专利权)人：杨杰辉，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]