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CN102278907A - 外凸式非对称型波节管换热器 - Google Patents

外凸式非对称型波节管换热器 Download PDF

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CN102278907A CN 201110126015 CN201110126015A CN102278907A CN 102278907 A CN102278907 A CN 102278907A CN 201110126015 CN201110126015 CN 201110126015 CN 201110126015 A CN201110126015 A CN 201110126015A CN 102278907 A CN102278907 A CN 102278907A
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Abstract

外凸式非对称型波节管换热器，它涉及一种波节管换热器。本发明为了解决现有的波节管换热器存在综合传热效率低、无法适用于气-汽换热中以及在役检测困难的问题。本发明的每个换热管(9)均为外凸式非对称型波节管，外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径(rr)小于外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)，外凸式非对称型波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径(R)为5mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离(L)为40mm至50mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度(h)为2mm至4mm，外凸式非对称型波节管的壁厚(δ)为2mm至3mm。本发明尤其适用于气-汽换热中。

Description

外凸式非对称型波节管换热器
技术领域
本发明涉及一种波节管换热器，具体涉及一种外凸式非对称型波节管换热器，属于热交换工艺装备技术领域。
背景技术
自70年代能源危机爆发以来，对传统换热器设备强化研究逐渐兴起，并主要集中在两大方向上；一是开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式、振动盘管式、板翅式等等，这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率；二是对传统的管壳式换热器采取强化措施。具体说来，就是用各种异型管取代原来的光管。现在较常用的有横槽纹管、缩放管、内翅管及管内插入强化物质等。
波节管是一种特殊形状的缩放管，是以普通圆管为基管，通过液压成型的方式挤出一个个圆弧凸起，形成由弧形段和直管段交替变化组成的波节型通道。早在70年代，曾有人提出用波纹管作为换热管应用在管式换热器上，波节管是在1990年由中国的郎奎提出的，其强化换热的机理为：当流体在波纹管内流动时，波峰处流体速度降低、静压增加，波谷处流体速度增加、静压减少，这样，流体的流动在反复改变轴向上的压力梯度下进行，发生二次扰动，产生的剧烈涡旋冲刷了流体的边界层，使边界层减薄，破坏其边界层，并且提高管内外流体紊流的脉动性，促进湍流度的增加；另外直线段起着积累能量的作用，是不可缺少的，两者互相促进，大大提高了换热系数。因此，根据市场需要，这种高效换热管应用在很多行业中，例如：煤气站汽化、电厂首战、油田输油管道加热、储藏设备制冷、海水热交换等。
虽然流体在管程和壳程流动时波节管的阻力比光管有一定程度的增加，但是现有的波节管弧形段和直管段过渡不够平滑，流动死区大，流体阻力大，为了减小流动阻力，弧形段和直管段由一个小圆弧来连接，小圆弧与弧形段相切，小圆弧起到一个引流的作用，可以使流体平滑过渡到波节内，使波节上升区域的流动死区减少，流体阻力减小。目前现有的波节管结构小圆弧半径是完全对称的，这种结构仍然存在综合传热效率低的问题。波节管和光管比较，管程传热效率增大31.51％，综合传热效率是1.126。壳程传热效率增大33.92％，综合传热效率是0.082。
目前为止，传统的波节管换热器还没有应用在气-汽换热中，比如核电站乏汽和水蒸气之间换热就属于典型的气-汽换热，核电站所用换热器管内流体为高温高压的氦气(温度450℃，压力3MPa)，管外流体为高温高压水蒸气(温度280℃，压力7MPa)，气-汽换热一般是在高温高压环境下运行，由于波节管阶段性的圆弧凸起，导致局部的应力集中比较大，尤其是管外部压力大于内部压力时，应力集中更为明显，抗压能力较差。传统的波节管换热器并不适用在气-汽换热中。传统的波节管仅可以承受温度低于200℃，压力低于1.6MPa的工作环境。
换热器应用在一些高危环境中工作时必须要进行定期的在役检测，现有的波节管波距太小，一般都在15mm-20mm之间，直线段太短，在役IT检测时机器人在管内行动不便，容易卡住，检测难度大，影响在役检测的顺利进行。
综上，现有的波节管换热器存在换热量低、无法适用于气-汽换热中以及在役检测困难的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的波节管换热器存在综合传热效率低、无法适用于气-汽换热中以及在役检测困难的问题，进而提供一种外凸式非对称型波节管换热器。
本发明的技术方案是：外凸式非对称型波节管换热器包括外壳、冷介质进口管、冷介质出口管、热介质进口管、热介质出口管、两个管板、第一封头、第二封头、水平隔板、多个折流板和多个换热管，外壳的两端内壁上各安装有一个管板，外壳的一侧端面上安装有第一封头，外壳的另一侧端面上安装有第二封头，外壳的顶部设置有热介质进口管，外壳的底部设置有热介质出口管，第一封头内设置有水平隔板，第一封头的顶部设置有冷介质进口管，第一封头的底部设置有冷介质出口管，外壳的内部沿竖向设置有多个折流板，多个换热管水平置于外壳内，每个换热管的两端均穿设在管板的管板孔内；每个换热管均为外凸式非对称型波节管，所述外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径小于外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径，外凸式非对称型波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径为5mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离为40mm至50mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度为2mm至4mm，外凸式非对称型波节管的壁厚为2mm至3mm。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
一、本发明的波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径小于波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径，能够减小波节上升区的流动死区，并且能够使流体流动平滑，减小流动阻力，换热量与相应的对称型波节管相比几乎不变，但提高了综合传热效率。
二、本发明的波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离为30mm至50mm，既能保证换热量的增加，又能保证高危行业中在役检测的顺利进行。
三、本发明的波节管上圆弧凸起的顶入深度为2mm至4mm，波节管的壁厚为2mm至3mm，使得波节管能够承受高温高压的工作环境，适用于气-汽换热工况下。
附图说明
图1是本发明的外凸式非对称型波节管换热器整体结构主剖视图(图中箭头表示介质走向)，图2是外凸式非对称型波节管的主剖视图，图3是外凸式非对称型波节管的半剖视图，图4是图4的A处放大图，图5是多个外凸式非对称型波节管的位置关系图，图6是管程努谢尔特数增量随波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离变化图(图中
Figure BDA0000061488080000031
为对称型波节管相对光管的管程传热效率增加量曲线，图中
Figure BDA0000061488080000032
为外凸式非对称型波节管相对光管的管程传热效率增加量曲线)，图7是管程综合传热效率随波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离变化图(图中
Figure BDA0000061488080000033
为对称型波节管的管程综合传热效率曲线，图中
Figure BDA0000061488080000034
为外凸式非对称型波节管的管程综合传热效率曲线)，图8是壳程努谢尔数增量随波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离变化图(图中
Figure BDA0000061488080000035
为对称型波节管相对光管的壳程传热效率增加量曲线，图中
Figure BDA0000061488080000036
为外凸式非对称型波节管相对光管的壳程传热效率增加量曲线)，图9是壳程综合传热效率随波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离变化图(图中
Figure BDA0000061488080000037
为对称型波节管相对光管的壳程综合传热效率曲线，图中
Figure BDA0000061488080000038
为外凸式非对称型波节管相对光管的壳程综合传热效率曲线)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管换热器包括外壳1、冷介质进口管2、冷介质出口管3、热介质进口管4、热介质出口管5、两个管板6、第一封头7、第二封头10、水平隔板11、多个折流板8和多个换热管9，外壳1的两端内壁上各安装有一个管板6，外壳1的一侧端面上安装有第一封头7，外壳1的另一侧端面上安装有第二封头10，外壳1的顶部设置有热介质进口管4，外壳1的底部设置有热介质出口管5，第一封头7内设置有水平隔板11，第一封头7的顶部设置有冷介质进口管2，第一封头7的底部设置有冷介质出口管3，外壳1的内部沿竖向设置有多个折流板8，多个换热管9水平置于外壳1内，每个换热管9的两端均穿设在管板6的管板孔6-1内；每个换热管9均为外凸式非对称型波节管，所述外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径rr小于外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl，外凸式非对称型波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径R为5mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为40mm至50mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度h为2mm至4mm，外凸式非对称型波节管的壁厚δ为2mm至3mm。
具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管采用碳钢、合金钢或不锈钢制成。如此设置，便于加工成型，而且成本低，使用寿命长。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径rr为5mm，外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为10mm至30mm。如此设置，消除了波节上升区的流动死区，并且使流体流动更加平滑，流动阻力更小，换热量与相应的对称型波节管相比几乎不变，但综合传热效率大大提高。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度h为3mm，外凸式非对称型波节管的壁厚δ为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距tp为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距wp为4mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为40mm。如此设置，以减小外凸式非对称型波节管对壳程内的换热性能和阻力性能的影响。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为30mm。如此设置，换热效率有一定程度的降低，但综合传热效率有比较大的提高，也就是换热效率有所降低，但阻力降减小的更多，使综合传热效率增加，本实施方式的外凸式非对称型波节管和光管比较，管程传热效率增大30.46％，管程综合传热效率是1.348，壳程传热效率增大33.10％，壳程综合传热效率是0.095。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为20mm。如此设置，换热效率略有的降低，但综合传热效率有比较大的提高，也就是换热效率有所降低，但阻力降减小的更多，使综合传热效率增加，本实施方式的外凸式非对称型波节管和和光管比较，管程传热效率增大31.08％，管程综合传热效率是1.318，壳程传热效率增大33.56％，壳程综合传热效率是0.091。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图2、图3、图4和图6至图9说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为10mm。如此设置，不但换热效率略有增加，而且综合传热效率也有很大程度的提高，也就是说此方案通过改变换热管的结构，不但使换热管的换热效率提高，还使阻力降所减小，对实际工程应用有很好的参考价值。本实施方式的外凸式非对称型波节管和光管比较，管程传热效率增大31.61％，管程综合传热效率是1.234，壳程传热效率增大33.95％，壳程综合传热效率是0.085。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为10mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度h为3mm，外凸式非对称型波节管的壁厚δ为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距tp为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距wp为4mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为50mm。如此设置，直线段长度增加，减小了在役检测的难度，而且波节的数量减小，液压成型技术的磨具的加工成本相对较低，综合传热效率有一定程度增加。根据实际情况如果想在换热量可以满足条件尽量减小成本，可采取此实施方案。本实施方式的外凸式非对称型波节管和光管比较，管程传热效率增大28.81％，管程综合传热效率是1.172。壳程传热效率增大30.83％，壳程综合传热效率是0.096。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式九：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径rl为10mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度h为2mm，外凸式非对称型波节管的壁厚δ为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距tp为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距wp为3mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为40mm。如此设置，壳侧的流体阻力大幅度减小，换热管的整体压力降大幅减小，根据实际情况如果想在满足换热量的情况下减小压降，可采用此实施方案。本实施方式的外凸式非对称型波节管与光管比较，管程传热效率增大18.68％，管程综合传热效率是0.937。壳程传热效率增大19.66％，壳程综合传热效率是0.241。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
如果外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离L为30mm，换热量有比较大幅度的增加，缺点综合传热效率一定程度下降，并且直线段长度减小太多，大大增加在役检测难度，并且波节的数量增加，液压成型技术的磨具的加工成本相对较高。外凸式非对称型波节管和光管比较，管程传热效率增大33.07％，管程综合传热效率是1.066。壳程传热效率增大35.82％，壳程综合传热效率是0.072。

Claims (9)

1.一种外凸式非对称型波节管换热器，它包括外壳(1)、冷介质进口管(2)、冷介质出口管(3)、热介质进口管(4)、热介质出口管(5)、两个管板(6)、第一封头(7)、第二封头(10)、水平隔板(11)、多个折流板(8)和多个换热管(9)，外壳(1)的两端内壁上各安装有一个管板(6)，外壳(1)的一侧端面上安装有第一封头(7)，外壳(1)的另一侧端面上安装有第二封头(10)，外壳(1)的顶部设置有热介质进口管(4)，外壳(1)的底部设置有热介质出口管(5)，第一封头(7)内设置有水平隔板(11)，第一封头(7)的顶部设置有冷介质进口管(2)，第一封头(7)的底部设置有冷介质出口管(3)，外壳(1)的内部沿竖向设置有多个折流板(8)，多个换热管(9)水平置于外壳(1)内，每个换热管(9)的两端均穿设在管板(6)的管板孔(6-1)内；其特征在于：每个换热管(9)均为外凸式非对称型波节管，所述外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径(rr)小于外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)，外凸式非对称型波节管的圆弧凸起的外圆弧面的曲率半径(R)为5mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离(L)为40mm至50mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度(h)为2mm至4mm，外凸式非对称型波节管的壁厚(δ)为2mm至3mm。
2.根据权利要求1所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管采用碳钢、合金钢或不锈钢制成。
3.根据权利要求1或2所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于去流侧的圆弧面的曲率半径(rr)为5mm，外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为10mm至30mm。
4.根据权利要求3所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度(h)为3mm，外凸式非对称型波节管的壁厚(δ)为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距(tp)为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距(wp)为4mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离(L)为40mm。
5.根据权利要求4所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为30mm。
6.根据权利要求4所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为20mm。
7.根据权利要求4所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为10mm。
8.根据权利要求3所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为10mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度(h)为3mm，外凸式非对称型波节管的壁厚(δ)为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距(tp)为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距(wp)为4mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离(L)为50mm。
9.根据权利要求3所述的外凸式非对称型波节管换热器，其特征在于：外凸式非对称型波节管外侧壁位于来流侧的圆弧面的曲率半径(rl)为10mm，外凸式非对称型波节管上圆弧凸起的顶入深度(h)为2mm，外凸式非对称型波节管的壁厚(δ)为2.5mm，相邻两个外凸式非对称型波节管间距(tp)为40mm，相邻两个外凸式非对称型波节管波峰间距(wp)为3mm，外凸式非对称型波节管上相邻两个圆弧凸起之间的距离(L)为40mm。
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