一种十字型换热管及管壳式换热器制造技术

本发明专利技术公开了一种十字型换热管及管壳式换热器，换热管横截面为十字型，内外壁面横截面轮廓均由四个凸出侧半圆及四个凹陷侧四分之一圆构成，十字型换热管根据横截面沿轴向方向是否扭转分为十字型直管与十字型螺旋管两种；管壳式换热器外部由壳体、前管板、后管板、壳程入口、壳程出口、管程入口、管程出口、前封头、后封头构成，该换热器内部的换热管包括进出口段换热管和换热段换热管，进出口段换热管为十字型直管，换热段换热管可选用十字型直管或十字型螺旋管，换热管可选用正四边形排列或正六边形排列；该十字型换热管及管壳式换热器能有效增大换热面积、增强湍流强度、提高换热性能，且结构紧凑，稳定性高，不易结垢，具有优秀的发展前景和广泛的应用范围。秀的发展前景和广泛的应用范围。秀的发展前景和广泛的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种十字型换热管及管壳式换热器


[0001]本专利技术涉及强化换热的
，具体为涉及一种十字型换热管及管壳式换热器。

技术介绍

[0002]换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空等工业部门中。近些年来，由于对节约能源和环境保护的重视，对换热器强化换热技术的研究得到了广泛关注。换热器的强化换热从广义上可以分为主动强化换热与被动强化换热，主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化换热的目的，其会大幅增加系统的复杂程度，因此适用范围受到限制；被动强化换热指依靠改造传热面、改变流道形状或附设导流原件等措施来增强流体的扰动以达到强化换热效果，因其操作简单且成本低廉而受到广泛的应用。异型换热管是常见的被动强化换热方案之一，流体在异型换热管中流动时，管壁表面的变化会对流体造成扰动，从而强化流体的换热，但过于复杂的管道结构会导致沿程损失增大，反而降低系统能效。
[0003]专利文献CN105698583A公开了一种新型换热管，管道截面形状是由三个半径为25mm的等圆两两外切形成；换热管采用正三角形排列和正六边形排列2种不同的排列方式。该新型换热管独特的换热管道形状会增加湍流强度，强化换热效果，同时不易结垢且方便清洗，但该新型换热管在实际应用中也存在较大的局限性，该换热管的管壁顶点处极为狭窄，会影响其抗压强度并容易产生流动死区，且其在换热器内的排列不够紧凑，会增大换热器的总体积。
[0004]专利文献CN105115320A公开了一种新型螺旋缠绕管换热器，主要由管箱、管板、壳体、换热管与芯筒等零部件组成，其中换热管是新型螺旋缠绕管，该新型换热管包括进口段与缠绕段两部分，进口段为光管，缠绕段由螺旋缠绕光管段与弧形段交替连接而成，工作介质在管内流动换热时湍流程度高，换热系数高，不易结垢，但其管道形状较为复杂，制造成本高，在实际应用中会产生较大的不可逆损失，降低系统的整体能效。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种十字型换热管和管壳式换热器，换热工质在十字型换热管内流动时湍流程度高、换热系数大、不易结垢，且管壳式换热器结构紧凑，稳定性高。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种十字型换热管，换热管道包括：流道、管内壁和管外壁；其中管内壁截面和管外壁截面均由四个凸出侧半圆和四个凹陷侧四分之一圆围成的十字形状，管内壁面和管外壁面各对应圆弧均为同心平行；十字型换热管分为十字型直管和十字型螺旋管，十字型直管是横截面形状为十字形且方向固定的的换热管，十字型螺旋管是在十字型直管的基础上，将横截面沿中心轴线均匀扭转而成的换热管，十字型截面每旋转360
°
对应的管道长度
为螺距P。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，所述的十字型换热管内壁面凹陷侧半径R1不小于凸出侧半径R2，这样可以保证管道截面形状为标准十字型，同时R1不大于凸出侧半径R2的5倍，这样可以避免凸出侧过于细长所导致的流动阻力增加、流场不均匀、管道排布分散以及抗压强度下降等问题。
[0009]作为上述技术方案的进一步改进，所述的十字型换热管的十字型螺旋管的螺距P根据换热负荷设计确定，不小于换热管横截面最大直径的2倍，这样可以避免管道过度扭曲而导致的流动阻力过大和性能下降。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进，所述的十字型换热管的十字型直管最小管壁厚度不小于换热管横截面最大直径的四分之一倍，十字型螺旋管最小管壁厚度不小于换热管横截面最大直径的三分之一倍，这样可以保证管道有足够的抗压强度。
[0011]一种管壳式换热器，该换热器外部包括壳体，分别设置在壳体前端和后端的前管板和后管板，分别设置在前管板和后管板外侧的前封头和后封头，与换热器内换热管连通的管程入口和管程出口，与壳体和换热器内换热管间空腔连通的壳程入口和壳程出口，，该换热器换热管包括进出口段换热管和换热段换热管两部分，进出口段换热管为十字型直管，换热段换热管可选用十字型直管或十字型螺旋管，换热管可选用正四边形排列或正六边形排列，换热器内其他零部件的结构形式与常规管壳式换热器相同。十字型螺旋管在紧密排列时，相邻十字型螺旋管间会因管道截面均匀扭曲而形成自支撑点，自支撑点能够提高管束稳定性和抗压强度。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，进出口段换热管与换热段换热管壁厚相同、材料相同，中间采取圆弧过渡，这样可以优化换热管过渡区域的流场，减少流动阻力和不可逆损失。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，换热管安装根据换热器的设计要求进行组装，采用正四边形排列时，相邻换热管中心间距为换热管横截面最大直径的两倍，每根换热管周围均匀分布四根相同的换热管，这样结构简单方便拆洗，每根换热管的凸出侧会与其周围四根管相互支撑，提高换热器的稳定性。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进，换热管安装根据换热器的设计要求进行组装，采用正六边形排列时，相邻换热管中心间距为换热管横截面最大直径的两倍，每根换热管周围均匀分布六根相同的换热管，这样换热器中换热管排布更加紧凑，且每根换热管会与其周围六根管相互支撑，提高换热器的稳定性。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0016]本专利技术提出了一种十字型换热管及管壳式换热器，独特的换热管道形状会增加湍流强度，强化换热效果，提高换热性能；十字型螺旋管在管壳式换热器中排布时，相邻换热管之间存在自支撑点，提高了整体管束的抗压强度；十字型换热管在管壳式换热器内的正四边形排列稳定性强，抗热震性高，能有效提高换热器的安全性；十字型换热管在管壳式换热器内的正六边形排列结构紧凑，换热性能优秀，可有效降低换热器尺寸；根据实际应用场景，两种十字型换热管和两种管壳式换热器内换热管的排列方式可以自由组合，以此满足具体的工程应用需求。
[0017]在管内流通面积相同时，不同截面尺寸的十字型换热管的换热总面积相较于普通
直圆管提高了37％～46％；在管壳式换热器质量流量相同时，十字型直管和十字型螺旋管的换热系数相较于普通直圆管分别提高了约28％和38％，相较于工程应用中常见的椭圆螺旋扁管分别提高了约17％和25％；综合考虑换热性能的提高和不可逆损失的增大，使用十字型换热管的管壳式换热器的综合性能相较于普通直圆管换热器提高了约13％，相较于椭圆螺旋扁管换热器提高了约8％。本专利技术为研究换热器的强化换热方法提供了新的思路与方案，具有广泛的市场应用前景。
附图说明
[0018]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0019]图1a、图1b和图1c分别是本专利技术提出的十字型换热管的横截面图、十字型直管和十字型螺旋管示意图。
[0020]图2是本专利技术提出的十字型螺旋管自支撑点示意图。
[0021]图3是本专利技术提出的管壳式换热器结构示意图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种十字型换热管，其特征在于：换热管道包括：流道(1)、管内壁(2)和管外壁(3)；其中管内壁截面和管外壁截面均由四个凸出侧半圆(4)和四个凹陷侧四分之一圆(5)围成的十字形状，管内壁面和管外壁面各对应圆弧均为同心平行；十字型换热管分为十字型直管(6)和十字型螺旋管(7)，十字型直管(7)是横截面形状为十字形且方向固定的的换热管，十字型螺旋管(7)是在十字型直管的基础上，将横截面沿中心轴线均匀扭转而成的换热管，十字型截面每旋转360
°
对应的管道长度为螺距P。2.根据权利要求1所述的十字型换热管，其特征在于：内壁面凹陷侧半径R1不小于凸出侧半径R2，不大于凸出侧半径R2的5倍。3.根据权利要求1所述的十字型换热管，其特征在于：十字型螺旋管(7)的螺距P根据换热负荷设计确定，不小于换热管横截面最大直径的2倍。4.根据权利要求1所述的十字型换热管，其特征在于：十字型直管(6)最小管壁厚度不小于换热管横截面最大直径的四分之一倍，十字型螺旋管(7)最小管壁厚度不小于换热管横截面最大直径的三分之一倍。5.一种管壳式换热器，其特征在于：该换热器外部包括壳体(9)，分别设置在壳体(9)前端和后端的前管板(10)和后管板(11)，分别设置在前管板(10)和后管板(11)外侧的前封头(16)和后封头(17)，与换热器内换热管连通的管程入口(14)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李良星，赵佳元，王闻婕，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：