專利名稱：螺旋殼列管式換熱器的制作方法
螺旋殼列管式換熱器的發(fā)明指的是一種用于流體間間壁傳熱的具有獨特結(jié)構(gòu)形式的換熱設(shè)備。這種獨特結(jié)構(gòu)稱為螺旋殼列管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的換熱器稱為螺旋殼列管式換熱器。
螺旋殼列管結(jié)構(gòu)由中心管(或稱內(nèi)筒)、螺旋板、外筒共同圍成了一個沿換熱器軸線方向上的螺旋通道(螺旋殼)，且列管采用環(huán)狀同心圓排列沿軸線方向穿過了這個通道。見圖2。螺旋板不僅起到支承列管的作用，同時也充當了螺旋通道的兩個壁。中心管既可從一側(cè)管板穿透并穿過管箱引出作殼程的一個進出口，也可封閉(留兩個小孔)作介質(zhì)的滯流區(qū)。殼程流體進出口接管亦可采用切向連接形式以配合螺旋流道效應(yīng)。
換熱器的傳熱膜系數(shù)和壓力降依賴于流體的線速度，且通常壓力降隨線速度增加的增值要比膜系數(shù)隨線速度增加的增值快的多(比值為指數(shù)關(guān)系)。因此研究和評價這兩項的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值一直是衡量一種換熱器好壞的主要指標。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的列管式換熱器比較，螺旋殼列管式換熱器一是充分利用了螺旋流道產(chǎn)生的離心力對層流內(nèi)層或界面進行的擾動及列管截面形成的橢圓形流線對流體形體曳力或尾流效應(yīng)造成的抑制，從而既增大傳熱膜系數(shù)，又減小流動阻力。二是從力學(xué)上、幾何上和制造上充分論證了它的合理性和可能性。
螺旋流道的截面是一等矩形截面，其中冷熱流體間的換熱基本屬錯流換熱。我們知道間壁傳熱的總傳熱系數(shù)(k)一般主要取決于兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)，即k＝f(αi，αo)。通常管內(nèi)側(cè)的傳熱膜系數(shù)(αi)比管外側(cè)的傳熱膜系數(shù)(αo)容易得到強化，如采用分程，在管內(nèi)放麻花鐵或異型物等。所以最大限度地提高管外側(cè)的傳熱膜系數(shù)(αo)，進而匹配適當?shù)墓軆?nèi)側(cè)的傳熱膜系數(shù)(αi)是提高總傳熱系數(shù)(k)的根本。螺旋殼結(jié)構(gòu)恰好提供了這樣的功能1)螺旋線形的流動加速了對換熱界面的擾動，提高了傳熱效率；2)列管與流體錯流呈橢圓形斷面，減少了流動阻力；3)等截面流道，提供了一個連續(xù)穩(wěn)定的傳遞過程；4)螺旋板支承列管增強了管束剛性；5)內(nèi)筒外筒共同支撐管板，改善了管板受力。
這種螺旋殼結(jié)構(gòu)除適用于一般換熱器結(jié)構(gòu)外，立置時也可用于蒸發(fā)器或冷凝器的殼程。參見圖3，流體的切向速度為Vx，軸向速度為Vy。Vx會對冷凝液產(chǎn)生剝離作用，Vy會加速冷凝液下落，而螺旋支承板又從當了收集和導(dǎo)液作用，大大提高了換熱效率。所以也可以把它作為一種功能性結(jié)構(gòu)來認識。
流體在管程的傳熱膜系數(shù)(αi)和流動壓力降(Δpi)可根據(jù)流體在圓形直管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)計算公式和壓力降計算公式計算，它們已經(jīng)很成熟。
流體在螺旋殼內(nèi)(殼程)的傳熱膜系數(shù)(αo)和流動壓力降(Δpo)可按流體橫穿列管管間的模型和下列式子計算1)傳熱膜系數(shù)αo(Kcal/m2h℃)Nu＝εcFαRe0.65Pr0.4(1)αo=λdϵcFαRe0.65Pr0.4----(2)]]>式中ε，c——與列管排列有關(guān)的系數(shù)；Fα——與螺旋角和螺旋中心圓直徑有關(guān)的系數(shù)；Re——雷諾準數(shù)；Pr——普蘭德準數(shù)；Nu——努塞爾準數(shù)；λ——換熱管材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；d——流道的當量直徑。
2)流動壓力降Δpo(Pa)Δpo＝NsNTξrξcγu2/2g (3)式中 Ns——螺旋的圈數(shù)；NT——每圈的管排數(shù)；ξr——與螺旋角和螺旋中心圓直徑有關(guān)的系數(shù)；ξc——與列管排列有關(guān)的系數(shù)；γ——流體的質(zhì)量；u——流體的線速度；g——重力加速度。


圖1是一普通列管式換熱器的簡圖。在普通列管式換熱器的殼程，由于流體在折流板間的流動和傳熱不是處于一個連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，即在各個點上的動量傳遞和熱量傳遞相差幅度較大，以至于整個換熱器的能力沒有得到發(fā)揮。圖2是一螺旋殼列管式換熱器的簡圖。對圖1和圖2兩者殼程的簡單計算比較見表1。
表1基本參數(shù)及計算結(jié)果
從表1可以看出，兩者在操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)相當?shù)那闆r下，螺旋殼列管式換熱器的傳熱膜系數(shù)比普通列管式換熱器的傳熱膜系數(shù)提高了91％，壓力降減小了21％，而設(shè)備凈重和制造成本略有減少或基本持平?？蓪嶋H上這就相當于上述的一臺螺旋殼列管換熱器處理了兩臺普通列管式換熱器的負荷。
螺旋殼列管式換熱器的加工和制造訣竅主要集中在螺旋板的設(shè)計和制造上。螺旋板厚度不能象傳統(tǒng)的支承板取那么厚，既要考慮到支承列管的剛度，又要考慮到制作過程中的拉伸彈性。特別是用于穿列管的橢圓孔的鏜孔，角度和精度需配有專用機床和工具。
權(quán)利要求
1.螺旋殼列管式換熱器指的是由中心管(或稱內(nèi)筒)、螺旋板、外筒和列管共同構(gòu)成的螺旋殼列管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意。其特征在于這種創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)改善了換熱器殼程的傳熱膜系數(shù)和流動壓力降。
2.權(quán)利要求書1中的這種螺旋殼列管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意還應(yīng)當包括列管在螺旋板上的同心圓排列及橢圓孔的設(shè)置加工。
3.權(quán)利要求書1中的這種螺旋殼列管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意還應(yīng)當包括換熱器殼程的傳熱膜系數(shù)計算式子αo=λdϵcFαRe0.65Pr0.4]]>和流動壓力降計算式子Δpo＝NsNTξrξcγu2/2g其中Fα和ξr是上述兩式獨有的帶有含義的系數(shù)。
4.權(quán)利要求書1中的這種螺旋殼列管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意還應(yīng)當包括立置時用于蒸發(fā)器或冷凝器殼程，作為剝離、收集和輸導(dǎo)冷凝液的功能性結(jié)構(gòu)的認識。
全文摘要
螺旋殼列管式換熱器是一種用于流體間間壁傳熱的新結(jié)構(gòu)形式的換熱設(shè)備。螺旋殼列管結(jié)構(gòu)是由中心管(或稱內(nèi)筒)、螺旋板、外筒共同圍成的一個沿設(shè)備軸線方向上的螺旋形通道(螺旋殼)，且列管采用同心圓排列沿軸向穿過這個通道的一種結(jié)構(gòu)形式。其特征在于螺旋流道產(chǎn)生的離心力對層流內(nèi)層或界面進行了擾動，列管截面形成的橢圓形流線對流體形體曳力或尾流效應(yīng)造成了抑制，從而既增大傳熱膜系數(shù)，又減小流動阻力。
文檔編號F28D7/08GK1399116SQ0112344
公開日2003年2月26日 申請日期2001年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者喬海星, 于軍, 陳幼子, 程建斌 申請人:化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計院