一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器

本发明涉及一种化工热交换器，特别是涉及一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器。

背景技术：

1、管壳式换热器由于承压能力强、坚固耐用、可靠性好，在化工、石油、制药等领域得到广泛应用。但该种类型也存在着本身固有的一些缺点：与一些高效换热器相比，传热效率偏低；管、壳程容易结垢，由于换热管间相互遮挡或管束不能抽出，导致无法对换热管外表面进行机械清洗，致使换热效果随使用时间的增长而不断下降，从而不能满足工艺换热要求，需要更换管束，甚至整个换热器；壳层在流速较高的情况下，由于壳程介质垂直流过管束的冲击作用，会引起管束振动，产生噪音或剪断换热管；在弓形折流板与筒壁接触根部附近会形成较大流动死区，降低壳程换热效果。

2、为克服上述缺点，众多研究人员进行了积极探索，主要从三个方面展开：一是将传统的光滑直管改为异形表面直管，包括波纹管、波节管、槽纹管、螺纹管等，其强化传热原理是利用异形表面改变管内、管外或管内外流体的流动状态。对传热边界层产生扰动和减薄；二是将传统光滑直管改变为光滑曲管，典型的结构就是缠绕管式换热器，换热管束由多层围绕换热器轴线的螺旋管构成，相邻层缠绕管螺旋方向相反。其强化传热原理是利用缠绕管的螺旋结构迫使其内部流体产生螺旋流动，在离心力作用下，流体在流动截面内形成二次涡流，增强了流体径向流动，均化了管内流体温度分布，更新了传热边界层，同时换热管的长度及换热面积；三是在传统光滑直管的内部或外部加设扰流元件或涡发生器，如在换热管内插入螺旋扭带或在换热管外壁加装翅片、扰流柱等，其强化传热的原理也是改变近壁流体的流动特性，对传热边界层产生扰动和更新。

3、上述三种传热强化方式，在一定程度上提高了换热器的传热效果，但提高的幅度不够明显，并带来了一些弊端，如流动阻力显著增加、加工难度增大、一些扰流构件容易脱落堵塞流道，传热壁面容易结垢的弊端没有得到解决。开发出换热效果显著提高、不易结垢的新型高效换热器，对于过程工业的发展以及企业的节能增效意义重大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，本发明管壳式换热器采用螺旋管同心缠绕在每根换热直管的外侧，螺旋管沿螺旋方向均匀开设多个射流孔，壳程流体通过射流管箱流入各根螺旋管后，经各射流孔垂直喷射冲击到换热管表面，与换热管的流体进行高效换热。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述换热器包括有前端管箱、换热管板、换热管束、筒体、螺旋管束、支持板、后端管箱、螺旋管板、螺旋管箱、垫环；其换热管束采用正方形或转角正方形排列方式；螺旋管束与换热管束排列方式完全相同，每根螺旋管同心缠绕于换热管外侧；螺旋管内侧沿螺旋方向均匀设置多个射流孔；螺旋管与换热管之间设置垫环，垫环与螺旋管或换热管点焊固定，垫环沿换热管长度方向均匀分布，至少应保证支持板位置处设有垫环；支持板采用弓形结构，沿轴向均匀分布，相邻支持板安装方位相反；支持板开孔中心距及排列方式与换热管束相同；支持板开孔处设置约束管；螺旋管板为圆平板，在板中心区域均匀分布螺旋管孔；螺旋管板边缘两侧加工有密封面，密封面结构形式和尺寸分别与壳程引出管法兰和螺旋管箱法兰密封面相匹配。

4、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述换热管中心距不小于2倍换热管外径且应保证螺旋管顺利装配为限。

5、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述螺旋管由直径≤10mm的金属管或非金属管螺旋弯制而成。

6、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述螺旋管与换热管间隙不小于2mm。

7、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述螺旋管螺距h范围为：换热管外径d≤h≤2d。

8、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述螺旋管与螺旋管板采用焊接连接方式。

9、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述垫环长度为1~2倍换热管外径，垫环内径大于换热管外径d，两者偏差范围为0.3~0.7mm。

10、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述支持板相邻间距取0.5倍筒体内径。

11、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述约束管内径与螺旋管间误差范围为0.5~1.0mm，约束管长度为2~3d。

12、所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，所述射流孔为每个螺距长度范围内射流孔数不小于8个。

13、本发明的优点及效果是：

14、1.本发明壳层流体通过螺旋管多孔射流冲击换热管壁，传热系数高、传热效果好。

15、2.由于换热管外壁持续受到壳程介质的射流冲击作用，换热管壁不易结垢，本发明能够长时间保持良好的换热效果，免维护周期长。

16、3.本发明换热管全长范围内受到多孔射流的均匀冲击作用，不存在流动和换热死区，有效传热面积大。

17、4.本发明换热管、螺旋管和支持板三者之间不存在线接触或点接触，消除了剪切管壁产生内漏的可能，提高换热效果的同时，增加了换热器运行的安全性。

18、5.本发明结构简单，坚固可靠，设计制造具有相关标准范围可以依据，可靠性、安全性好。

技术特征：

1.一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述换热器包括有前端管箱（1）、换热管板（2）、换热管束（3）、筒体（4）、螺旋管束（5）、支持板（6）、后端管箱（7）、螺旋管板（8）、螺旋管箱（9）、垫环（10）；其换热管束采用正方形或转角正方形排列方式；螺旋管束与换热管束排列方式完全相同，每根螺旋管同心缠绕于换热管外侧；螺旋管内侧沿螺旋方向均匀设置多个射流孔；螺旋管与换热管之间设置垫环，垫环与螺旋管或换热管点焊固定，垫环沿换热管长度方向均匀分布，至少应保证支持板位置处设有垫环；支持板采用弓形结构，沿轴向均匀分布，相邻支持板安装方位相反；支持板开孔中心距及排列方式与换热管束相同；支持板开孔处设置约束管；螺旋管板为圆平板，在板中心区域均匀分布螺旋管孔；螺旋管板边缘两侧加工有密封面，密封面结构形式和尺寸分别与壳程引出管法兰和螺旋管箱法兰密封面相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述换热管中心距不小于2倍换热管外径且应保证螺旋管顺利装配为限。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述螺旋管由直径≤10mm的金属管或非金属管螺旋弯制而成。

4.根据权利要求3所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述螺旋管与换热管间隙不小于2mm。

5.根据权利要求3所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述螺旋管螺距h范围为：换热管外径d≤h≤2d。

6.根据权利要求3所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述螺旋管与螺旋管板采用焊接连接方式。

7.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述垫环长度为1~2倍换热管外径，垫环内径大于换热管外径d，两者偏差范围为0.3~0.7mm。

8.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述支持板相邻间距取0.5倍筒体内径。

9.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述约束管内径与螺旋管间误差范围为0.5~1.0mm，约束管长度为2~3d。

10.根据权利要求1所述的一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，其特征在于，所述射流孔为每个螺距长度范围内射流孔数不小于8个。

技术总结一种螺旋管射流强化传热的管壳式换热器，涉及一种化工换热器，包括前端管箱（1）、换热管板（2）、换热管束（3）、筒体（4）、螺旋管束（5）、支持板（6）、后端管箱（7）、螺旋管板（8）、螺旋管箱（9）、垫环（10）；本发明采用螺旋管缠绕于换热管外侧，利用螺旋管上的开孔使管程流体垂直喷射冲击换热管外壁，显著提升壳程流体的换热系数，消除了壳程流体的流动和传热死区，换热管外壁不易结垢，可长时间保持良好的换热效果。适用于壳程流体无固体颗粒的液液、气液、气气传热过程。技术研发人员：王宗勇,马立勋,王丁,丁鰲榜,徐占华,张丽受保护的技术使用者：沈阳化工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11