[发明专利]传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种壳管式换热器，尤其是涉及一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器。

背景技术

在炼油、化工、环保、能源、电力等工业中，换热器是一种重要的单元设备，通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10-20％；尤其在炼油厂的建设中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40％。其中，管壳式换热器又占世界换热器市场总额的37％。在管壳式换热器中，一种流体在管内流动，另一种流体在壳侧流动，并通过管子进行热量交换。同时，壳侧布置有折流板，折流板为管子提供支撑，同时还使流体按特定的通道流动以改善其传热特性。

传统弓型折流板存在很多问题：①弓型折流板使流体垂直冲击壳体壁面，造成较大的沿程压降；②折流板与壳体壁面相接处产生流动滞止死区，降低了换热效率，且容易结垢；③折流板与壳体壁面之间及传热管与折流板之间存在漏流，使壳侧存在较大的旁路流动，而旁流及漏流降低了有效横掠管束的质量流量，故减小了壳侧的换热效率；④高流速流体横掠传热管束会诱导传热管的振动，缩短了换热器的寿命。

现有的场协同强化传热理论指出，获得高的对流传热系数的主要途径有两种：(1)提高流体速度场和温度场的均匀性；(2)改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致。因此，当速度矢量方向与热流矢量方向方向相反并在统一直线上时(方向相反时为流体被加热程度最强；方向相同时为被流体冷却程度最强)，此时的对流传热协同性最好，传热系数最大，即在对流传热过程中，流体以一定的方式垂直冲刷或接近垂直冲刷固体壁面时(设法使得流速矢量与热流密度矢量在同一直线上)，能够有效地提高对流传热系数，极端的例子为射流冲击，具有很强的传热效果，但同时流动阻力也达到了最大。基于场协同思想，考虑到强化传热的同时能够有效减少流动阻力的增加，应当设法找到一种流动方式，实现对流传热场协同的效果最佳。流体的螺旋式运动能够较好地解决以上问题，实现流动以一定的角度周期性地冲刷固体壁面，强化对流传热，同时又能够有效降低其流动阻力的增加。

20世纪60年代，基于对壳管式换热器壳侧流体流动形式的改进，已有学者提出了螺旋折流板换热器的思想。螺旋折流板换热器是将折流板布置成近似的螺旋面，使换热器中的壳侧流体呈连续的螺旋状流动，以实现有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的。此外，在实现换热器的高效节能问题中开发出新型高效的强化传热元件同样关键，强化传热元件的研究是新型高效换热设备设计制造的基础。因此，合理设计开发新型高效换热器，同时实现壳管式换热壳侧及管侧传热强化，又能有效降低流阻及结垢现象，提高换热器的整体换热性能对于节能降耗具有重要意义。

然而，现有的螺旋折流板所采用的大都是不连续的近似螺旋曲面。非连续螺旋折流板换热器的折流板一般是由两块至四块扇形平板组成，结果往往与真实的螺旋曲面相去甚远，两块扇形折流板搭接处一般存在三角区，有严重的漏流问题，导致换热器壳侧流动阻力增加，也影响换热器的换热性能。针对以上问题，已有相关专利给予解决，提出了连续螺旋折流板换热器的设计构想，但其加工工艺具有一定的难度，整体式连续螺旋折流板换热器的拆卸和清洗同样具有一定的难度。此外，由于连续螺旋折流板的导流，壳侧流体进行着整体式螺旋运动，从而导致其壳侧流体内部的相互掺混作用并不强烈，其壳侧流体的对流传热还有待于进一步改善，因此，有必要设计一种新型的壳管式换热器，在保持壳侧流体连续螺旋式运动的基础上，使其易于拆卸清洗，并为了保证管内外流体都具备高效低阻的综合传热特性，管内流体也有必要实现纵向螺旋式流动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其结构简单合理且使用操作方便，在优化传热管内外流体的综合传热性能的同时，又能有效降低传热管内外的流阻及结垢现象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，包括通过左右两端封头进行密封的壳体、设置在壳体侧壁上的壳程进口和壳程出口、分别位于壳体内部两端的两个管板、设置在所述封头上的管程进口和管程出口以及由多个平行安装在两个管板间的传热管组成的传热管束，所述管板上开有多个供传热管安装的通孔；所述传热管包括同心穿套的外管和芯管以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片，所述传热管与管程进口和管程出口连通组成管内流通通道，其特征在于：所述传热管外设置有纵向螺旋外翅片，所述纵向螺旋外翅片与壳程进口和壳程出口连通组成螺旋式壳侧流通通道。

所述多个传热管外所设置的纵向螺旋外翅片为正对排列或交错排列。