[发明专利]一种基于Dean Vortice效应的高效换热设备

说明书

本发明公开了一种基于Dean Vortice效应的高效换热设备。该高效换热设备依次包括壳体、冷却介质进口、冷却介质出口、工艺介质出口、工艺介质进口和螺旋式换热管等。流体介质在螺旋换热管中流动时会形成具有对称涡核分布的Dean Vortice，对于流体换热具有重要影响。通过对Dean Vortice强度与换热效率进行分析评价，选取最优换热效率所对应的Dean Vortice强度指数，优化设计换热管的结构参数，使得流体介质在管程中流动时在较小的阻力与沿程损失的条件下达到充分湍流状态，有效降低管壁附近流动边界层和温度边界层厚度，加强介质流动过程中的主动对流换热过程，提高设备整体运行效率。同时，破坏管壁附近结垢与杂质沉积，保障设备高效、经济、安全长周期运行。

技术领域

本发明涉及流体流动过程主动增强换热技术领域，更具体地涉及一种基于DeanVortice二次流主动增强换热效应的高效螺旋换热设备，该换热设备可广泛应用于石油、化工、轻工、污水处理等领域中的流体换热过程。

背景技术

换热设备是进行热交换的通用工艺单元，广泛应用于化工、炼油、动力、轻工、冶金、核能、造船、航空、建筑等工业部门，其金属消耗、动力消耗及建设投资在整个工程中占有相当大的份额。因此，换热设备的运行性能和工作效率直接影响整个装置甚至企业的安稳运行和经济效益。随着世界能源危机的日益加剧，资源匮乏和能源短缺给工业生产和经济发展带来了严峻挑战。有效提高能源利用率，增强设备换热效率成为各相关部门亟待解决的重要问题。

由传热速率方程Q＝K·A·ΔT可知，通过提高传热系数、增大换热面积以及提高换热温差，可以有效提高换热设备的运行效率。对于管壳式换热设备，提高管程介质流速可消除流场中的湍流滞留区，增加流体扰动和混合效果，一定程度上提高设备的换热效率。但单纯的提高介质流速会导致流动阻力增加，设备能耗急剧升高。增大换热面积是强化管壳式换热设备性能的重要途径之一，通过采用小管径换热管和扩展表面传热面来增大传热面积，但该方法往往导致设备体积、技术设施与投资等随之增加，制约了其在场地固定的化工系统中的广泛应用。增大平均传热温差也是强化换热设备换热性能的一种有效方法，主要利用不同换热面布置来改变平均传热温差，或扩大冷、热流体进出口温差的方法增大平均传热温差，但该方法在实施过程中通常受到生产过程及经济条件等限制，效果有限。此外，工业应用中常利用管内插入旋流片、螺旋纽带等元件，使其充分发展为湍流，同时配合各类壳程强化技术，如折流板/杆、异形孔板、空心环等措施，均可一定程度上强化换热设备运行效率，但通常导致较高的流动阻力以及运行成本。

发明内容

本发明提供了一种基于Dean Vortice效应的高效换热设备。通过对管程内介质流动过程产生的Dean Vortice进行分析和优化，设计和构建螺旋管结构尺寸与运行参数，使流体介质在较低流速条件下达到充分湍流状态，降低温度边界层和流动边界层厚度，有效提高换热设备运行效率，实现设备高效、节能、经济、安全长周期运行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于Dean Vortice效应的高效换热设备，依次包括壳体、冷却介质进口、冷却介质出口、工艺介质出口、工艺介质进口和螺旋式换热管。所述冷却介质进口位于壳体下侧，所述冷却介质出口位于壳体上侧。工艺介质进口位于壳体顶部，工艺介质出口位于壳体下侧。螺旋式换热管位于壳体内，冷却介质由进口进入壳体，与螺旋式换热管发生热量交换后经出口流出壳体。工艺介质由进口进入螺旋式换热管内，经出口流出螺旋式换热管。

进一步地，所述螺旋式换热管曲率半径R满足：

其中，Q为设备工艺介质的质量流量，r为螺旋式换热管内半径，ρ为工艺介质密度，ν为工艺介质运动粘度，D_e为Dean Vortice强度。

进一步地，所述D_e为2100。

进一步地，所述螺旋式换热管的内半径r与曲率半径R满足：