[发明专利]一种利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传热管，进一步涉及一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的传热管。

背景技术

管壳式换热器是目前应用最为广泛、使用量最大的换热器，约占换热器总量的70％。管壳式换热器具有结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大等优点，因而被广泛应用于能源动力、石油化工等行业。换热器的性能对产品的质量、能量利用、系统运行的经济性和可靠性等方面有着重要的作用，因此提高换热器性能显得尤为重要。管壳式换热器的换热阻力往往来自于壳侧，因此对壳侧强化传热便成为改善换热器性能的主要方式之一。

目前，管壳式换热器强化传热方法有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙表面和扩展表面；用添加内插物的方法增强流体本身的扰流。这些方法在提高换热器的换热能力的同时也在一定程度上增加了换热器的流动阻力，增加了燃耗。

近年来，国际上出现了一种通过减小传热管间隙以提高传热能力的方法。传热管间距降低后，壳侧主流区与间隙区的速度差增大，换热器壳侧流体的横向交混和扰动也随之增加，导致传热能力有一定程度的提升。传热管间隙越小，壳侧的对流换热能力提升幅度越大。这种换热器的换热能力在很大程度上取决于传热管的间隙。但是，传热管的间隙不可能小于机械加工的极限。因而这种方法的强化传热能力具有一定的范围。而且管间隙越小，机械加工精度越低，误差越大，这也会在一定程度上影响换热设备的性能。

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片壁面与流体进行热量交换，它与常规的管壳式换热器相比，在流速比较低的条件下，其传热系数要高于管壳式换热器。目前，板式换热器的应用已非常普遍。

传统的管壳式换热器强化传热方法如改变传热元件表面形状和增强扰流等在增强换热的同时也增加了流动阻力和燃耗，而且增大了传热管尺寸和换热器容积，这些因素的存在都在一定程度上阻碍了传统强化传热方法的推广和应用。

近年来新出现的通过减小传热管间隙以提高传热能力的方法也有一个显著的缺点，为了尽可能地提高传热能力，传热管间隙需要尽可能的减小，但是传热管间隙不能够太小。如果传热管间隙非常小会出现两个后果，①传热管间隙太小的话，工业加工难以实现，通常情况下，工业上难以制造出管间隙小于1mm的传热管束。②当传热管间隙比较小时，流致振动效应比较明显，传热管会受到壳侧流体的强烈冲击，进而引发传热管的力学不稳定性，使传热管发生变形、错位和偏移，甚至使传热管发生损坏。

限制板式换热器使用和推广的两个重要因素是流动阻力大、工作压力低。在高温高压工况下，由于受到密封垫片耐热、耐压性能的影响及板片间流道面积及流道通量的限制，如果流速比较高，阻力会急剧增大，使压力下降很大。因而板式换热器的工作压力通常在2MPa以下，其运行工况下的流速也不高。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的目的在于：

1.增强换热器壳侧的传热能力；

2.合理控制传热管间距，方便机械加工；

3.减小换热器体积；

4.避免流致振动现象，减小传热管受到的水力冲击；

5.增加板式换热器的传热能力并降低板式换热器在高流速下的流动阻力。

本发明提供了一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，通过改变换热侧壁面形状增大垂直于流动方向上的主流速度差，进而产生强烈的横向流体交混，最终增强换热器传热能力。其中，所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为光滑壁面与粗糙壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。

优选的，所述粗糙壁面通过在壁面铺设颗粒、刻槽和纹路以及调整走刀量形成。

优选的，所述粗糙壁面通过粗车、镗、刨、钻方法形成。

优选的，所述换热器由换热管构成。

优选的，所述换热器由热板构成。

优选的，所述粗糙壁面面积占壳侧整个管壁面面积的比例的50％。

优选的，所述换热通道壁上的粗糙壁面与光滑壁面在垂直于流体流动方向上间隔排列。

本发明提供了另一种通过改变壁面形状、利用横向流体交混作用增强对流换热能力的换热器，包括换热侧壁和传热侧壁，其中，所述换热侧壁面在垂直于流体流动的方向上为较厚壁面与较薄壁面交替的侧壁，所述传热侧壁为光滑壁面。