[发明专利]热交换器

说明书

本申请是申请日为2003年11月21日，申请号为200310119681.5，发明名称为“热交换器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种热交换器，更特别地但不排他地涉及一种构造为提供流体沿螺旋状通道的匀速流动和最大限度传热的壳-管热交换器。

背景技术

为了通过热交换和/或发热装置实现最大产出而长期努力的主要目标是要达到下列各项：

更高的传热效率；

更低的压力下降；

增强的性能；

有效的防振保护；以及

减少的安装与维修费用。

无论是海上开采、精炼、电力、石化还是造纸和食品工业，热交换器通常都是以上列举各项的核心部分。多种热交换器构造为人所公知并且投入到各种应用中。广泛使用的热交换器构造之一——图1中的壳-管热交换器包括覆盖着一束平行导管12的圆柱形外壳10，该平行导管12在两个端面板14之间伸展从而使第一流体16通过导管12。其间，第二流体18流入并穿过两个端面板之间的空间以致与导管接触。为了提供两种流体间的改进的热交换，第二流体18的流动由形成各个通道的中间挡板20限定，该中间挡板设置为使第二流体在穿过一个通道到下一通道时改变其方向。呈环形及圆盘形的挡板20垂直于外壳10的纵轴22安置来提供第二流体18的之字形流动24。

不利地，第二流体不得不沿外壳长度多次急剧地改变其流向。这导致第二流体动压力的降低及其流速的不均匀，两者相结合会对热交换器的性能产生不利影响。

科学界早已意识到挡板相对于外壳纵轴的垂直位置是造成相对低的传热率/压力下降率的主要原因。相互平行伸展并与外壳的纵轴成直角的相邻挡板确定了具有由相邻通道间的多个急转弯的特征的交叉流动路线。热交换器的效率可以通过减少挡板之间的间隔或窗口来提高。但是，减少窗口会导致沿着与外壳并列的挡板外缘的高流速，以及接近外壳中心的低流速。在由相邻挡板界定的各段内的不均匀流动分布造成大量漩涡、滞流区以及导管展宽的扩大/收缩，这会减少对流热交换率。促成传热率下降的另一因素是通过第一流体的导管必须在距外壳一定的径向距离处设置。因此，在外围设置的导管周围的交叉流动比在中心设置的导管周围更快。

这样，如上所述的传统挡板装置导致通过挡板-外壳及导管-挡板间隙的旁路流动。旁路流动使交叉流动传热减少而由显著的速率变化所导致的流动分布不均增加了回流和死区内的漩涡，由此在外壳侧面上发生更高的堵塞率。这种流动分布不均导致外围导管的高温及腐蚀使得它们很快地损坏并因而减少了在热交换过程中的作用。由于热交换器的设计基于整个管束的每个导管在热交换过程中的均匀分布，所以这些损坏的导管不能满足此要求而应加以更换。与此更换相关的高费用使热交换器的维修费用昂贵。

此外，由于通常长达24英尺的长管由为解决与不匀速相关的问题而被分别隔开一个很大距离的一连串挡板所支撑，因此传统装置可能会引起高的流动感生振动损失。由高的热梯度及不均匀的交叉流动振动所带来的危害是重大的。

因此，有必要来构建可以达到以下目的的挡板装置：

使对流热交换率提高的通过外壳的均匀交叉流动；

多个挡板相对于由挡板装置或保持架所支撑的多个导管的实际定位的稳定性和正确性；以及

挡板装置的简易化安装。

发明内容

这些目的通过用一连串分隔开的扇形体挡板来取代传统的弓形挡板加以实现，所述每一个扇形体挡板都倾斜于外壳的纵轴设置以在外壳侧部上形成一个假拟螺旋形流动通道。本发明的构造的优点之一是倾斜设置的挡板起到了交叉流动的导向叶片的作用，该交叉流动沿着每个挡板的相对侧具有十分均匀的速率因而避免了回流和漩涡。

因此，一连串倾斜挡板引导第二流体沿着螺旋状的更为自然的流动通道流动，该流动通道提供十分均匀的流率和最小限度的泄流，而不是如上所述的传统设计那样压制交叉流动。由于流速在每个挡板两边都十分均匀，所以穿过后者的压力梯度是微小的。因此，没有不合需要的泄流穿过或通过挡板，并且如理想设计的那样，流动主要沿着朝向外壳内壁并形成螺旋通道的最高点的挡板表面发生。因此，当第二流体横穿外壳的整体长度时的快慢取决于挡板相对于外壳纵轴的法线的角度时，流速保持不变。

此外，由于在流动传输件的膨胀和收缩中所消耗的流动能量是最小的，所以压力损失仅是在传统挡板的热交换器中所测损失的一小部分。因此，螺旋式挡板结构提供了更高的可用压力下降到热传导的转换。

本发明提供了一种热交换器，包括：

具有一条纵轴线并构造为容纳第一流体的外壳；和