一种多模块换热器的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种多模块换热器的设计方法，所述换热器包括多个换热模块，所述换热模块第一管箱和第二管箱是长方体，第一侧面和第二侧面是由长度和高度形成的面，其中h为流体对流换热系数，λ为流体的导热系数，L为传热面的长度，H为换热模块形成的换热器的高度，换热箱外侧与流体的对流换热，努塞尔数进行计算。本发明专利技术通过大量的研究对换热模块结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估换热性能和泵功消耗，为进一步设计提供了很好的设计依据，提高了设计的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种多模块换热器的设计方法
本专利技术涉及换热器领域，具体涉及一种可以自由组合实现模块本身换热以及共同对外换热的换热模块。
技术介绍
热交换器作为一种先进的换热器，主要应用于液-液，汽-液之间热交换的传递，使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体或者使温度较低的流体通过吸收热量使其温度升高，从而达到快速热交换的目的，被广泛应用于石油化工，生物制药，食品加工,船舶业等领域。例如制胺系统中的热回收，冷却，冷凝及再沸腾。例如在原油脱盐脱水系统中的热回收，加热及冷却。例如对烯烃、芳烃，醛，酸，醚，酯，酮，和卤素等的冷凝，加热及冷却，热回收和再沸腾。在肥料加工生产中，被应用于氮气，二氧化碳气体冷却等。在暖通行业中，也被广泛应用于汽-水、水-水热交换的供暖系统以及汽-水、水-水热交换的热水供应系统。随着工业不断进步及环保要求下的节能减排，且对于减少设备占用场地及建筑低成本的高要求下，对热交换器的要求也越来越高。目前传统的管壳式换热器已被广泛应用于石油化工，生物医药，食品加工生产等诸多领域。但由于其体积大换热效率低，节能效果差等原因而不足以满足各行业的工况要求。以国家标准GB151-1999管壳式换热器为例，传统管壳式换热器外形为圆形柱体，其结构由封头、筒体、传热管、折流板、鞍形支座、接管等组成且传热管为直管，壁厚在2mm以上，管程多为单程，管子较长，管程内部没有分层扰流，单位体积内的换热面积较小，造成体积大且传热效果较低。其结构不易拆卸，导致结垢后不易清洗。再者结构不紧凑，占地面积较大，对于设备建筑布置要求较高。>传统固定管板式换热器是由管程和壳程两种不同介质通过换热管来实现热交换，其中一种介质走管程，另一种介质走壳程。但在实际工程中，经常会遇到下列情况：1)需要两种介质互相进行热交换；2)具有不同压力、温度或不能相互混合的壳程介质与同一介质进行热交换；3)节能改造时，对于原有固定管板式换热器无法满足更高的热交换要求时，通常的做法是重新设计、制造更大直径的换热器或制造额外的换热器并联或串联操作来达到新的使用需求，但弃置原有的换热器，无疑是一种浪费。
技术实现思路
本专利技术的主要目的之一是提供一种换热模块，该换热模块组合成新的换热器，实现同一模块中不同介质互相换热，或者不同介质和第三种介质换热，解决复杂、多股介质的工况和满足改造中原有固定管板式换热器重复利用的要求。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多模块换热器的设计方法，所述换热器包括多个换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面、下部面和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面形成第一边部，所述第一侧面不设置保温层，第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，换热模块具有第三位置，在第三位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面之间形成夹角a，0<a<180度；多个换热模块的边部相连，从而在内侧形成流体通道，所述的第一侧面面向流体通道；所述换热模块第一管箱和第二管箱是长方体，第一侧面和第二侧面是由长度和高度形成的面，其中h为流体对流换热系数，λ为流体的导热系数，L为传热面的长度，H为换热模块形成的换热器的高度，换热箱外侧与流体的对流换热，努塞尔数计算如下：当α＜90°时，Nu＝m*(Ra*cos(a))n；当α≥90°时Nu＝m*(Ra*cos(180°-a))n；Ra＝Pr·GrNu＝(h*H)/λ其中m，n是修正参数，具体取值如下：当H/L<4，0.166<m<0.167，0.280<n<0.290；作为优选，m＝0.1665,n＝0.285；当8>H/L>＝4，0.167<＝m<0.168，0.290<＝n<0.300；作为优选，m＝0.1675,n＝0.295；当12>H/L>＝8，0.1678<＝m<0.1687，0.298<＝n<0.309；作为优选，m＝0.1683,n＝0.305；其中Nu为换热箱外侧的努塞尔数；Ra为瑞利数；Pr为普朗特数；Gr为格拉晓夫数；α为管箱之间的夹角，单位为度；h为换热箱外侧与流体的对流换热系数，单位为W/(m2·K)λ为换热箱外侧流体的导热系数，单位为W/(m·K)。作为优选，所述换热模块为两个，每个处于第三位置，a为90度，两个换热模块的边部，从而在内侧形成流体通道，所述的第一侧面面向流体通道。作为优选，所述连接部件包括第一部件和第二部件，分别设置在第一管箱和第二管箱的第一面，旋转件设置在第一部件和第二部件之间。作为优选，上部面、下部面是正方形。作为优选，换热模块可以在高度上叠置多层，从而形成一个大面接的换热区域。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过大量的研究对换热模块结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估换热性能和泵功消耗。2)本专利技术的一个专利技术点就是提出了奴赛尔数的计算模型，并且通过大量的模拟和实验确定了参数m，n的取值范围，尤其是随着H/L的不断变化的取值范围也进行相应的变化。3)本专利技术提供了一种新的换热模块，该换热模块设置两种工作位置，通过两种工作位置可以实现同一模块两种不同的流体的互相之间的换热以及一种或者两种流体对外的共同换热。4)本换热模块可以进行自由组合，形成不同长度和不同换热需求的换热器，适用范围广。5)换热模块便于更换，拆卸方便，保证换热器的寿命，避免全部换热器的更换，节省成本。6)本专利技术换热模块可以组合成方形五边形等多边形状，可以实现不同位置不同形状不同空间的全面换热。附图说明：图1为换热模块位于第一位置的结构示意图；图2为换热模块位于第二位置的结构示意图；图3为换热模块长度和高度方向上延伸的主视图；图4为图3的立体图；图5为形成长方体的换热器主视图；图6为图5的立体图；图7为四个换热模块组合的结构示意图；图8为图7的立体图；图9为折叠式换热模块结构示意图；图10为图9的立体图；图11是换热模块第三位置示意图；图12是图11的俯视图；图13是两个第三位置换热模块组合的换热器示意图；图14是图13的俯视图；图15、图16是换热模块尺寸示意图。附图标记如下：换热模块1，管箱11，上部面12，下部面13，第一侧面14，第二侧面15，第一边部16，接部件17，第一部件171，第二部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模块换热器的设计方法，所述换热器包括多个换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面、下部面和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面形成第一边部，所述第一侧面不设置保温层，第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，换热模块具有第三位置，在第三位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面之间形成夹角a，0<a<180度；多个换热模块的边部相连，从而在内侧形成流体通道，所述的第一侧面面向流体通道；/n所述换热模块第一管箱和第二管箱是长方体，第一侧面和第二侧面是由长度和高度形成的面，其中h为流体对流换热系数，λ为流体的导热系数，L为传热面的长度，H为换热模块形成的换热器的高度，/n换热箱外侧与流体的对流换热，努塞尔数计算如下：/n当α＜90°时，/nNu＝m*(Ra*cos(a))

【技术特征摘要】
1.一种多模块换热器的设计方法，所述换热器包括多个换热模块，所述换热模块包括并列设置的两个立方体形状的管箱，分别是第一管箱和第二管箱，每个管箱包括上部面、下部面和四个侧面，所述四个侧面包括第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面形成第一边部，所述第一侧面不设置保温层，第二侧面设置保温层；所述换热模块还包括连接部件，所述连接部件一部分设置在所述第一管箱的第一侧面的第一边部位置，另一部分设置在第二管箱的第一侧面的第一边部位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面的边部邻接，从而使得第一管箱和第二管箱可以绕连接部件转动，换热模块具有第三位置，在第三位置，第一管箱和第二管箱的第一侧面之间形成夹角a，0<a<180度；多个换热模块的边部相连，从而在内侧形成流体通道，所述的第一侧面面向流体通道；
所述换热模块第一管箱和第二管箱是长方体，第一侧面和第二侧面是由长度和高度形成的面，其中h为流体对流换热系数，λ为流体的导热系数，L为传热面的长度，H为换热模块形成的换热器的高度，
换热箱外侧与流体的对流换热，努塞尔数计算如下：
当α＜90°时，
Nu＝m*(Ra*cos(a))n；
当α≥90°时
Nu＝m*(Ra*cos(180°-a))n；
Ra＝Pr·Gr
Nu＝(h*H)/λ
其中m，n是修正参数，具体取值如下：
当H/L<4，0.166<m<0.167，0.280<n<0.290；作为优选，m...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛公明，冯旭，魏骞骞，季万祥，周东方，王湛，杜文静，袁宝强，陈岩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37