[发明专利]一种管壳式换热器及其板孔的加工方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种传热技术，具体涉及一种管壳式换热器。基于分形理论，采用径向拓扑对换热管进行排布，配合交替设置的圆板形和圆环形折流板，使壳程流体流动的均匀程度最大化，以提高换热管的利用率。

背景技术：

换热设备按功能可分为：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器(包括板片式换热器和板翅式换热器)。

管壳式换热器是目前过程工业应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流板等部件组成，可采用不锈钢、普通碳钢、紫铜或其它有色金属作为材料。操作时，一种流体由一端封头接管进入，经过换热管，从另一端封头的接管流出，称之为管程；另一种流体由壳体的一个接管进入，从壳体上的另一接管流出，称之为壳程。换热管作为冷热流体传热的关键部件，其结构和型式不断优化。随着新型高效换热管的不断出现，管壳式换热器的应用范围不断扩大。目前强化换热管传热的措施有两类，即(1)改变流体的流动情况以增加流速；(2)改变换热面形状和大小。

管壳式换热器的优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的材料范围也比较宽广，故适应性强，操作弹性大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。但传统设计标准(如GB151-1999管壳式换热器)中所涵盖以及目前所常用的列管换热器，最大的缺点就在于换热面积没有得到充分利用。

对于各种换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管(板)排列方式(顺排或叉排)、换热管(板)排数、换热管(板)间距大小、肋片布置间距、肋片形状等。在换热器的设计中，换热管排数和布置方式、换热管形状、肋片外型以及间距等对换热器性能的影响不可忽视。为了提高管壳式换热器壳程流体的流速，增加传热效率，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流板，这样即可提高流体流速，同时也迫使壳程流体按照规定的路程，多次与管束形成错流过，有利于管外传热系数的增大。挡板形式有圆缺型(弓型)，圆盘形和圆环。折流板有圆环形、弓形、螺旋形等多种，这些折流板都使壳程流体在折流挡板的上下部分区域形成死区和滞流区，而真正起换热作用的强制湍流区域是有限的。

目前常用的换热管排布方式有正三角形、转正三角形、正方形、转正方形等几种。为了便于工程应用，设计标准中给了这些排布方式的固定尺寸。从流体力学的角度而言，换热管固定的间隔尺寸对壳程流体流动的均匀化是十分不利的。另一方面，由于无法准确判断壳程流体在换热管间隙中的流动状态，如其流速和压力分布，故对壳程流动的优化面临极大的困难。

借助于计算机模拟的优势，可对给定的换热器进行整场流动分析和结构强度计算。在换热器的数值分析方面，国内有大量的文献报道，如采用稳态分布参数法，对冷凝器和蒸发器使用时回路的最佳长度的模拟；采用分布参数法对波纹型多通道单流程板式蒸发器在小换热温差时的换热性能的模拟；对湿工况下冷却空气型干式蒸发器盘管进行的模拟；对船舶冷库蒸发器和房间空调蒸发器的模拟；对管翅式换热器传热过程的模拟等。

换热管传热特性数值分析的关键在于计算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介质模型、实体模型和周期性单元流道模型。采用多孔介质模型过于简化了换热器的内部结构，模拟结果并不能准确反映局部区域的真实流动和传热状况等详细信息，而且部分重要模拟参数与换热器的结构型式、几何尺寸和操作介质有关，故具有一定的局限性。在进行新型壳程支撑结构的流场局部细节的流态分布和强化传热机理研究时，不宜采用多孔介质模型。

采用实体模型对换热器的流动和传热特性进行数值模拟,可获得流换热器的传热与流动特性的定性分析结果，但对于大型管壳式换热器，由于换热管数庞大，模型的网格数和计算量异常增加，现有的软件和硬件尚不能满足要求。为此，研究人员提出周期性单元流道模型简化计算方法，忽略了筒体壁面附近布管区流体流动和传热的特殊性对壳程流动和传热总体性能的影响。若换热管布管方式为正方形时，可取4根换热管所包围的流体流动空间为一个“单元流道”计算模型，这样可有效降低纵流壳程换热器的数值模拟难度。然而，单元流道模型适用于换热管束和管束支撑结构呈对称分布的某些纵流壳程换热器，对于不具备上述结构特征的管壳式换热器，如折流板换热器、螺旋板换热器等，则无法这样简化。对于壳体直径较小的管壳式换热器，即使符合单元流道对称性的简化要求，由于筒体壁面附近布管区的流体对壳程流动和传热总体性能的影响较大而不可忽略，单元流道模型模拟结果与实际工况有较大偏差。