CN120800009A - 一种冷凝管管径变化的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷凝管管径变化的管壳式换热器，所述换热器是卧式，包括管程和壳程，所述管程包括换热管，所述换热管包括圆形的管体，所述管程内的流体是冷源，壳程内的流体是热源，所述管体内设置上腔、下腔以及连接上腔和下腔之间的蒸汽管和冷凝管，围绕管体的圆心设置多排冷凝管，其中距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小。本发明能够随着距离圆心越远，蒸汽越不容易进入冷凝管，因此设置管径变大，在避免蒸汽进入冷凝管情况下以达到强化传热目的。

Description

一种冷凝管管径变化的管壳式换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种冷凝管管径变化的管壳式换热器。

背景技术

换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在石油化工、低温制冷、空气分离、海水淡化等领域，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。

常用的换热器包括管壳式换热器和板式换热器。传统的管壳式换热器大多采用光滑管作为换热器用管。这种传统的管壳式换热器与各种新型的板式换热器相比存在诸多劣势，譬如，传热效率低下、换热器体积庞大等；但是管壳式换热器也有许多自身的优势，譬如，制造简单、耐高温高压、维护方便。因此在传统管壳式换热器的基础上研发一种双面强化高效换热器迫在眉睫。目前国内已经出现一些以光滑管为基础进行二次开发的高效换热器，但是在强化传热效果方面并不理想。

目前为止，传统的高效换热器多采用单一的强化换热手段。一是采用粗糙表面强化换热管，通过改进壁表面形状设计形成脱涡流，达到破坏边界层，提高边界层内的传热性能的目的，例如横纹槽管、螺旋槽管、纵槽管、波纹管、正旋管以及翅片管等。二是采用远壁面扰流元件，产生了连续不断的涡流，在离心力的影响下使管中心的流体和壁面边界层的流体充分混合。但是单一的手段其换热效果不理想。

现有技术CN102288055A公开了一种种热管管壳式换热器，包括管壳、开设在管壳上的流体进口和流体出口、管板、固定在管板上的换热管，管壳内形成密闭的换热腔，换热管设置在换热腔内，管板将换热腔分隔成第一换热腔、第二换热腔，换热管部分位于第一换热腔内、部分位于第二换热腔内，第一换热腔开设有第一流体入口、第一流体出口；第二换热腔开设有第二流体入口、第二流体出口，换热管为热管。本发明采用高效热管，改善了管壳式换热器的结构，使换热器的热管、管板、管壳与管板相连接部位不产生温差应力，可适应大温差流体间换热；双侧均采用横向冲刷，换热高效、结构简单、布置方便。上述热管换热器中的换热管采用的是纯热管，而且换热管中不能流通流体，无法进行流体加热。

因此针对上述问题，本发明提供了一种新式结构的热管换热器，大大的提高了换热效果。

发明内容

本发明提供了一种新的结构换热器，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种冷凝管管径变化的管壳式换热器，所述换热器是卧式，包括管程和壳程，所述管程包括换热管，所述换热管包括圆形的管体，所述管程内的流体是冷源，壳程内的流体是热源，其特征在于，所述管体内设置上腔、下腔以及连接上腔和下腔之间的蒸汽管和冷凝管，围绕管体的圆心设置多排冷凝管，其中距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小。

作为改进，距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小的幅度越来越大。

作为改进，蒸汽管深入上腔一定高度，是上腔高度的30-50%。

作为改进，所述管壳式换热器包括有壳体、管程入口管、管程出口管、壳程入口接管2和壳程出口接管；多个平行设置的换热管组成的换热管束连接在前管板、后管板上。

作为改进，所述前管板的前端与前封头连接，后管板的后端连接后封头；所述的管程出口管设置在后封头上；所述的管程入口管设置在前封头4上。

作为改进，所述的壳程入口接管和壳程出口接管均设置在壳体上；管程流体从管程入口管进入，经过换热管与壳程的流体进行换热，从管程出口管出去。

作为改进，所述的换热管是微通道换热管。

作为改进，所述上腔设置在管体的上部，下腔设置在管体的下部，蒸汽管连接上腔和下腔的中间位置，冷凝管位于蒸汽管的两侧布置；所述上腔、下腔、蒸汽管和冷凝管之间形成密闭设置的抽真空空间，所述下腔内填充液体；壳程内的流体加热换热管，液体吸热后沿着蒸汽管蒸发，进入上腔内，然后沿着冷凝管返回到下腔；蒸汽管、冷凝管和上腔中的至少一个与换热管内的冷源进行换热。

作为改进，换热器进行换热时候，壳程内的热源加热换热管8，从而使得换热管下腔内的液体吸热后沿着蒸汽管蒸发，进入上腔内，然后沿着冷凝管返回到下腔；蒸汽管、冷凝管和上腔中的至少一部分与换热管内的流体进行换热。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

本发明对换热器的换热管结构进行了改进，通过设置冷凝管距离圆心越近管径越小，可以增加靠近蒸汽管内的冷凝管的流动阻力，避免蒸汽进入冷凝管，以加强流体循环。随着距离圆心越远，蒸汽越不容易进入冷凝管，因此设置管径变大，在避免蒸汽进入冷凝管情况下以达到强化传热目的。

附图说明

图1是管壳式换热器的壳程截面图；

图2是本发明的换热管横截面结构示意图；

图3是本发明的改进的换热管横截面结构示意图；

图4是本发明图1的换热管轴线截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

一种管壳式换热器，如图1所示，所述管壳式换热器包括有壳体1、换热管8、管程入口管9、管程出口管10、壳程入口接管2和壳程出口接管3；多个平行设置的换热管8组成的换热管束连接在前管板6、后管板7上；所述前管板6的前端与前封头4连接，后管板7的后端连接后封头5；所述的管程出口管10设置在后封头5上；所述的管程入口管9设置在前封头4上；所述的壳程入口接管2和壳程出口接管3均设置在壳体4上；管程流体从管程入口管9进入，经过换热管与壳程的流体进行换热，从管程出口管10出去。作为改进，所述的换热管是微通道换热管。

图2-3展示了一种换热器，所述换热器包括圆形换热管，所述换热管8包括圆形的管体81，所述管体内设置上腔82、下腔83以及连接上腔和下腔之间的蒸汽管84和冷凝管85，所述上腔82设置在管体81的上部，下腔83设置在管体的下部，蒸汽管84连接上腔82和下腔83的中间位置，冷凝管85位于蒸汽管84的两侧布置；所述上腔、下腔、蒸汽管和冷凝管之间形成密闭设置的抽真空空间，所述下腔83内填充液体。

换热器进行换热时候，壳程内的热源加热换热管8，从而使得换热管下腔内的液体吸热后沿着蒸汽管蒸发，进入上腔内，然后沿着冷凝管返回到下腔；蒸汽管、冷凝管和上腔中的至少一部分与换热管内的流体进行换热。一般情况下，冷凝管内向下流动是换热后冷凝的液体或者汽液混合物。

本发明对换热器结构进行了改进，通过在设置上下腔以及蒸汽管和冷凝管，能够使的腔内的液体快速蒸发从而使得蒸汽充满整个蒸汽管和冷凝管，充满整个换热管内，整个换热管内都分布了热管热源，使得热源分布范围广泛，换热管内的冷源在内部就能快速的与蒸汽进行换热，同时在外部与壳程内的热源进行换热，在换热管内部整个换热管内都分布了热源，使得热源分布范围广泛，与冷源的换热面积大，同时在外部管程的加热，两者同时快速加热换热管内的冷源，极大地提高了换热器的换热效率。

作为改进，如图3所示，围绕管体的圆心设置多排冷凝管，其中距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小。通过设置冷凝管距离圆心越近管径越小，可以增加靠近蒸汽管内的冷凝管的流动阻力，避免蒸汽进入冷凝管，以加强流体循环。随着距离圆心越远，蒸汽越不容易进入冷凝管，因此设置管径变大，在避免蒸汽进入冷凝管情况下以达到强化传热目的。

作为改进，距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小的幅度越来越大。上述设置可以进一步避免蒸汽进入冷凝管，同时达到强化传热。

作为改进，如图2所示，所述蒸汽管的中心线穿过管体的圆心。作为改进，如图2所示，冷凝管是围绕管体的圆心形成的圆弧管。上述布置可以使得整体热量在换热管内分布均匀，使得整体换热效果均匀，提高换热效果。

作为改进，如图2所示，所述上腔和下腔是圆弧结构，其中上腔是朝下弯曲的圆弧，下腔是朝上弯曲的圆弧。通过设置圆弧状，可以使得液体蒸发快速，达到抽吸的效果。

作为改进，上腔和下腔的圆弧中心线的连线经过圆心。上述布置可以使得整体热量在换热管内分布均匀，使得整体换热效果均匀，提高换热效果。

作为改进，蒸汽管的管径大于冷凝管，是冷凝管管径的2-3倍。通过设置蒸汽管管径大于冷凝管，使得蒸汽管的流动阻力小于冷凝管，能够促进蒸汽从蒸汽管流入，冷凝管流下，促进流体的循环。

作为改进，如图3所示，蒸汽管深入上腔一定高度，是上腔高度的30-50%。通过上升一定高度，可以保证蒸发都进入上腔，也避免上腔内的冷凝后的液体进入蒸汽管。

作为改进，如图4所示，上腔和下腔沿着换热管轴向延伸方向延伸。

作为改进，沿着换热管的轴向方向（换热管内的冷源流动方向），设置多排蒸汽管和冷凝管，例如图4中展示了多排的蒸汽管。其中沿着冷源的流动方向，蒸汽管和冷凝管的管径越来越大。通过设置管径逐渐变大，使得后面强化传热，因为随着冷源的不断流动，温度越来越高，换热效果越来越差。通过增加管径，加大传热面积，从而使得冷源流动方向上整体换热均匀，实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。此外，通过增加管径，使得随着流体流动压力降低，从而使得更多的蒸汽向流体流动方向移动，也能缓解前端压力，均衡整体压力，而且因为流体分布增加，从而使得沿着流体流动方向换热效率增加，进一步使得整体换热均匀，实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。

其中沿着冷源的流动方向，蒸汽管和冷凝管的管径越来越大幅度不断增加。可以进一步实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。

作为改进，沿着换热管的轴向方向（冷源流动方向），设置多排蒸汽管和冷凝管，其中沿着冷源的流动方向，相邻排的蒸汽管之间的距离越来越小，相邻排的的冷凝管的之间的距离越来越小。使得后面强化传热，因为随着冷源的不断流动，温度越来越高，换热效果越来越差。通过增加分布密度，加大传热面积，从而使得冷源流动方向上整体换热均匀，实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。此外，通过增加密度，使得随着流体流动压力降低，从而使得更多的蒸汽向流体流动方向移动，也能缓解前端压力，均衡整体压力，而且因为流体分布增加，从而使得沿着流体流动方向换热效率增加，进一步使得整体换热均匀，实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。

沿着冷源的流动方向，相邻排的蒸汽管之间的距离越来越小幅度不断增加，相邻排的的冷凝管的之间的距离越来越小幅度不断增加。可以进一步实现类似逆流的换热效果，达到强化传热目的。

作为改进，所述换热器是卧式管壳式换热器。作为改进，所述换热器管程内设置折流板11。壳程和管程是逆流流动，沿着管程内流体的流动方向，从管程入口到管程中间位置，折流板的间距不断增加。然后从管程中间位置到管程出口，折流板的间距不断减小。因为逆流过程中，沿着流体的流动过程单位长度上的壳程和管程的换热量相对均匀，从而使得整体换热效果最好。但是在实验和模拟中发现，中部的换热量明显大于管程进口和出口的换热量，因此通过折流板间距变化，使得折流板中的管程流体与壳程流体源的换热面积也发生变化，因此通过面积变化补偿换热量的不均匀，从而达到进一步提高换热效率。

作为改进，沿着管程内流体的流动方向，从管程入口到管程中间位置，折流板的间距不断增加的幅度不断增加。然后从管程中间位置到管程出口，折流板的间距不断减小的幅度不断减小。上述幅度的变化能够使得整个流体运动的单位长度上的换热量更加均匀，进一步提高换热效率。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种冷凝管管径变化的管壳式换热器，所述换热器是卧式，包括管程和壳程，所述管程包括换热管，所述换热管包括圆形的管体，所述管程内的流体是冷源，壳程内的流体是热源，其特征在于，所述管体内设置上腔、下腔以及连接上腔和下腔之间的蒸汽管和冷凝管，围绕管体的圆心设置多排冷凝管，其中距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，距离圆心的距离越近，冷凝管的直径越小的幅度越来越大。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，蒸汽管深入上腔一定高度，是上腔高度的30-50%。

4.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述管壳式换热器包括有壳体、管程入口管、管程出口管、壳程入口接管和壳程出口接管；多个平行设置的换热管组成的换热管束连接在前管板、后管板上。

5.如权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述前管板的前端与前封头连接，后管板的后端连接后封头；所述的管程出口管设置在后封头上；所述的管程入口管设置在前封头上。

6.如权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述的壳程入口接管和壳程出口接管均设置在壳体上；管程流体从管程入口管进入，经过换热管与壳程的流体进行换热，从管程出口管出去。

7.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述的换热管是微通道换热管。

8.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述上腔设置在管体的上部，下腔设置在管体的下部，蒸汽管连接上腔和下腔的中间位置，冷凝管位于蒸汽管的两侧布置；所述上腔、下腔、蒸汽管和冷凝管之间形成密闭设置的抽真空空间，所述下腔内填充液体；壳程内的流体加热换热管，液体吸热后沿着蒸汽管蒸发，进入上腔内，然后沿着冷凝管返回到下腔；蒸汽管、冷凝管和上腔中的至少一个与换热管内的冷源进行换热。

9.如权利要求8所述的换热器，其特征在于，换热器进行换热时候，壳程内的热源加热换热管，从而使得换热管下腔内的液体吸热后沿着蒸汽管蒸发，进入上腔内，然后沿着冷凝管返回到下腔；蒸汽管、冷凝管和上腔中的至少一部分与换热管内的流体进行换热。