[发明专利]具有分形结构的管壳式换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种换热装置，特别是涉及一种具有分形结构的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器通常由管箱、管板、壳体、换热管等组成。管壳式换热器一般都是在一个圆筒壳体内设置许多平行的管子，即平行管束，冷热两种流体通过换热管(平行管束)进行热量交换。传统的管壳式散热器一般装有与换热管束垂直的折流板式，虽然在一定程度上提高了传热性能，但是在传热性能提高的同时也导致了流动阻力的增加，即以消耗一定量的泵功来获取一定量的换热量。

管壳式换热器具有可靠性高、适应性强、结构坚固、制造简单等优点，广泛应用于石油化工、电力、环保等工业领域。随着工业节能减排的推进，对涉及能耗的各个环节采用积极有效的节能措施将具有重要工程价值和意义。对管壳式换热器进行优化设计，提高其换热效能，是节能减排的一个重要举措。

由CBI/ABB公司注册的螺旋折流板管壳式换热器技术采用与换热管束成非垂直角度的若干四分圆折流板在壳体内螺旋设置，引导壳程流体沿螺旋路径流过。这种设计显著提高了换热器的热有效性，增加了热传导以及减少了能耗和返混，同时显著减少流致振动。这种换热器已广泛用于石油化工领域。

KochHeatTransfer公司的扭曲管束管壳式换热器采用螺旋扭曲扁管紧密排列成束管程的螺旋流动能大幅增加高粘性流体低速流动情况下的湍流强度，从而大大地提高了热传导，扁管外侧的空间作为壳程流动空间在提高换热面积的同时无需折(导)流板就可以产生一致的壳程螺旋流动同样很大程度上增加壳程流动的湍流度。以上两种壳式换热器技术相对成熟，在大部分工业情况下已得到了广泛的应用，但相关技术仍有进一步强化空间。

中国专利一种管壳式换热器专利(CN101846467B)提出了构型树状结构的换热管束4并取消了折流板，由于分形结构流道在增加换热表面积，减少压力降低方面效果显著使得其既能有效提高流动换热性能，同时也能有效降低泵功消耗的增加。但是，该专利的壳程流动并没有导流结构，其流动很不规则，可能存在流动死区。

由于分形结构在自然界中有很多体现，比如动物的肺，植物的根和冠以及河口三角洲等，这些存在于自然界的分形结构都在传质和传热方面产生了节能高效的有益效果，因此学术和工程界都认识到仿生分形结构的应用前景。本发明受分形结构以及仿生结构在换热器上可能体现的优势，提出一种能够兼顾管程和壳程流场温度场协同性的分形结构换热管束的管壳式换热器，以提高该类换热器的流动和换热性能。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种具有分形结构的管壳式换热器，用于解决现有技术中的管壳式换热器存在的流动和换热性能比较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有分形结构的管壳式换热器，所述具有分形结构的管壳式换热器包括：壳体、壳程流体进口、壳程流体出口及换热管束；

所述壳程流体进口及所述壳程流体出口均与所述壳体的内部相连通；

所述换热管束位于所述壳体内，且所述换热管束呈DNA式多螺旋结构。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束包括：入流管道、若干个换热管束单元及若干个支连通管道；

所述入流管道自所述壳体的一端沿所述壳体的轴线通入所述壳体内并延伸至所述壳体内的另一端附近；

所述换热管束单元位于所述入流管道外围，且沿所述壳体的轴线呈立体螺旋式分布；

所述支连通管道位于所述入流管道与所述换热管束单元之间及相邻的所述换热管束单元之间，适于连接所述入流管道与所述换热管束单元及连接相邻的所述换热管束单元。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，连接所述入流管道与所述换热管束单元的所述支连通管道为直管，位于所述入流管道延伸至所述壳体内的一端，且沿所述入流管道轴向垂直分布；连接相邻所述换热管束单元的所述支连通管道为螺旋管。

作为本发明的具有分形结构的管壳式换热器的一种优选方案，所述换热管束单元包括两层H型n级分形换热管及2ⁿ个异化连接管道，其中，n为大于1的奇数；

所述H型n级分形换热管为平面分形结构管道；

所述异化连接管道为空间螺旋中空叶片，所述异化连接管道将两层所述H型n级分形换热管在末级分支管道的两个末端相连接，且所述异形连接管道的两个平面端分别位于所连接的所述H型n级分形换热管所在的平面内。