一种管壳式换热器

摘要

本发明提供了一种管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括中心管、左侧管、右侧管和管组，所述第一出口和第二出口设置在中心管相对的两侧；左管组和右管组沿着中心管的轴心所在的面镜像对称。本发明提出了一种新式结构的振动管束管壳式换热器，通过在有限的空间设置更多的管组，增加管束的振动范围，从而强化传热，增强除垢。

说明书

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，尤其涉及一种间歇式振动除垢的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

管壳式换热器结垢后，采取常规的蒸汽清扫、反冲洗等方式对换热器进行清洗，生产实践证明，效果不是很好。只能将换热器的封头拆卸下来，采用物理清理的方式，但采取该种方式进行清洗，操作复杂、耗时长，人力、物力投资较大，对连续化的工业生产带来极大的困难。

利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式，可将换热器内对流体振动诱导的严格防止转变为对振动的有效利用，使传动元件在低流速下的对流换热系数大幅度的提高，并利用振动抑制传热元件表面污垢，减低污垢热阻，实现复合强化传热。

在应用中发现，持续性的加热会导致内部流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致换热管振动性能大大减弱，从而影响换热管的除垢以及加热的效率。

目前的管壳式换热器，包括双集管，一个集管蒸发，一个集管冷凝，从而形成振动除垢式热管。从而提高了热管的换热效率，减少结垢。但是上述的热管的换热均匀度不够，仅仅在一侧进行冷凝，而且换热量也少，因此需要进行改进，开发一种新式结构的热管系统。因此需要对上述换热器进行改进。

发明内容

本发明针对现有技术中管壳式换热器的不足，提供一种新式结构的电加热管壳式换热器。该管壳式换热器能够实现换热管周期性的频繁性的振动，提高了加热效率，从而实现很好的除垢以及加热效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置管板，所述壳体内设置换热部件，所述换热部件包括中心管、左侧管、右侧管和管组，所述管组包括左管组和右管组，左管组与左侧管和中心管相连通，右管组与右侧管和中心管相连通，从而使得中心管、左侧管、右侧管和管组形成加热流体封闭循环，电加热器设置在中心管内，所述管组为多个，每个管组包括圆弧形的多根环形管，相邻环形管的端部连通，使多根环形管形成串联结构，并且使得环形管的端部形成环形管自由端；中心管包括第一管口和第二管口，第一管口连接左管组的入口，第二管口连接右管组的入口，左管组的出口连接左侧管，右管组的出口连接右侧管；所述第一出口和第二出口设置在中心管相对的两侧；左管组和右管组沿着中心管的轴心所在的面镜像对称。

作为优选，所述左管组的环形管是以左侧管的轴线为圆心分布，所述右管组的环形管是以右侧管的轴线为圆心分布。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出了一种新式结构的振动管束管壳式换热器，通过在有限的空间设置更多的管组，增加管束的振动范围，从而强化传热，增强除垢。

2、本发明通过长度方向上的管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高加热效率。

3、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了管壳式换热器的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

4、本发明设计了一种新式结构的多换热部件三角形的布局图，并对布局的结构参数进行了优化，通过上述布局可以进一步提高加热效率。

附图说明：

图1是壳体结构示意图。

图2为本发明换热部件的俯视图。

图3为本发明换热部件的主视图。

图4是本发明换热部件另一个实施例的主视图。

图5是本发明换热部件的尺寸结构示意图。

图6是本发明换热部件在圆形截面加热器中的布局示意图。

图中：1、管组，左管组11、右管组12、21、左侧管，22，右侧管，3、自由端，4、自由端，5、自由端，6、自由端，7、环形管，8、中心管，9、电加热器，10第一管口， 13第二管口，左回流管14，右回流管15, 前管板16，支座17，支座18，后管板19 ，壳体20，21、壳程入口接管，22、壳程出口接管，换热部件23。

具体实施方式

一种管壳式换热器，如图1所示，所述管壳式换热器包括有壳体20、换热部件23、壳程入口接管21和壳程出口接管22；所述换热部件23设置在壳体20中，换热部件固定连接在前管板16、后管板19上；所述的壳程入口接管21和壳程出口接管22均设置在壳体20上；流体从壳程入口接管21进入，经过换热部件进行换热，从壳程出口接管22出去。

作为优选，加热部件沿着水平方向延伸。换热器水平方向布置。

图2展示了换热部件23的俯视图，如图2所示，所述换热部件包括中心管8、左侧管21、右侧管22和管组1，所述管组1包括左管组11和右管组12，左管组11与左侧管21和中心管8相连通，右管组12与右侧管22和中心管8相连通，从而使得中心管8、左侧管21、右侧管22和管组1形成加热流体封闭循环，中心管8内填充相变流体，电加热器9设置在中心管8内，每个管组1包括圆弧形的多根环形管7，相邻环形管7的端部连通，使多根环形管7形成串联结构，并且使得环形管7的端部形成环形管自由端3-6；中心管包括第一管口10和第二管口13，第一管口10连接左管组11的入口，第二管口13连接右管组12的入口，左管组11的出口连接左侧管21，右管组12的出口连接右侧管22；所述第一管口10和第二管口13设置在在中心管8相对的两侧。左管组和右管组沿着中心管的轴心所在的面镜像对称。

所述中心管8、左侧管21、右侧管22的两端的端部设置在前后管板16、19的开孔中，用于固定。

作为优选，所述左侧管21与中心管8之间设置左回流管14，所述右侧管22与中心管8之间设置右回流管14。作为优选，所述回流管设置在中心管的端部。优选中心管的两端部。

所述流体在中心管8进行加热蒸发，沿着环形管束向左右两个集管21、22流动，流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导环形管自由端产生振动，换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。流体在左右侧管冷凝放热后又通过回流管回流到中心管。

本发明通过对现有技术进行改进，将冷凝集管和管组分别设置为左右分布的两个，使得左右两侧分布的管组都能进行振动换热除垢，从而扩大换热振动的区域，越能够使的振动更加均匀，换热效果更加均匀，增加换热面积，强化换热和除垢效果。

作为优选，所述左管组的环形管是以左侧管的轴线为圆心分布，所述右管组的环形管是以右侧管的轴线为圆心分布。通过将左右侧管设置为圆心，可以更好的保证环形管的分布，使得振动和加热均匀。

作为优选，所述管组为多个。

作为优选，右管组（包括右侧管）的位置是左管组（包括左侧管）沿着中心管的轴线旋转180度（角度）后的位置。通过如此设置，能够使得换热的环形管分布更加合理均匀，提高换热效果。

作为优选，所述集管8、21、22沿着长度方向上设置。

作为优选，左管组21和右管组22在长度方向上错列分布，如图3所示。通过错列分布，能够使得在不同长度上进行振动换热和除垢，使得振动更加均匀，强化换热和除垢效果。

作为优选，沿着中心管8的长度方向，所述管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））设置为多个，沿着壳程内流体流动方向，管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））的管径不断变大。

作为优选，沿着壳程内流体流动方向，管组（例如同一侧（左侧或者右侧））的环形管管径不断变大的幅度不断的增加。

通过换热管的管径幅度增加，可以保证壳程流体出口位置充分进行换热，形成类似逆流的换热效果，而且进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着中心管8的长度方向，所述同一侧（左侧或者右侧）管组设置为多个，沿着壳程内流体流动方向，同一侧（左侧或者右侧）相邻管组的间距不断变小。

作为优选，沿着壳程内流体流动方向，同一侧（左侧或者右侧）管组之间的间距不断变小的幅度不断的增加。

通过换热管的间距幅度增加，可以保证壳程流体出口位置充分进行换热，形成类似逆流的换热效果，而且进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

在试验中发现，左侧管21、右侧管22、中心管8的管径、距离以及环形管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大，则换热效率太差，环形管之间的距离太小，则环形管分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端的振动会产生影响，从而影响换热。因此左侧管21、右侧管22、中心管8的管径、距离以及环形管的管径具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

中心管8的中心与左侧管21的中心之间的距离等于中心管8的中心与右侧管21的中心之间的距离，为L，左侧管21的管径、中心管8的管径、右侧管22的半径为R，环形管中最内侧环形管的轴线的半径为R1,最外侧环形管的轴线的半径为R2,则满足如下要求：

R1/R2=a*Ln(R/L)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.6212

作为优选，35

作为优选，管组的环形管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55

作为优选，0.583

作为优选，环形管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

作为优选，左侧管21、右侧管22、中心管8的圆心在一条直线上。

作为优选，自由端3、4的端部之间以左侧管的中心轴线为圆心的弧度为95－130角度，优选120角度。同理自由端5、6和自由端3、4的弧度相同。通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

作为优选，所述的换热部件可以作为浸没式换热组件，浸没在流体中加热流体，例如可以作为空气散热器加热组件，也可以作为热水器加热组件。

电加热器加热功率优选为1000-2000W，进一步优选为1500W。

作为优选，所述箱体是圆形截面，设置多个电加热装置，其中一个设置在圆形截面圆心的中心电加热装置和其它的形成围绕圆形截面圆心分布的电加热装置。

作为优选，管组1的管束是弹性管束。

通过将管组1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

进一步优选，所述电加热器是电加热棒。

所述管组1为多个，多个管组1为并联结构。

如图6所示的换热器具有圆形截面的壳体，所述的多个换热部件设置在圆形壳体内。作为一个优选，所述的换热部件在壳体内设置三个，所述的换热部件的中心管的中心位于圆形截面的内接正三角形，中心管的中心的连线形成正三角形，上部为一个换热部件，下部为两个换热部件，所述换热部件的左侧管、右侧管以及中心管的中心形成的连线为平行结构。通过如此设置，能够使得可以使得加热器内流体充分达到震动和换热目的，提高换热效果。

通过数值模拟以及实验得知，所述的换热部件的尺寸以及圆形截面的直径对于换热效果具有很大的影响，换热部件尺寸过大会导致相邻的间距太小，中间形成的空间太大，中间加热效果不好，加热不均匀，同理，换热部件尺寸过小会导致相邻的间距太大，导致整体加热效果不好。因此本发明通过大量的数值模拟和实验研究得到了在最佳的尺寸关系。

左侧管和右侧管的中心之间的距离为L1，内接正三角形的边长为L2，环形管中最内侧环形管的轴线的半径为R1,最外侧环形管的轴线的半径为R2，则满足如下要求：

10*(L1/L2)=d*(10*R1/R2)-e*(10*R1/R2)

44.102

进一步优选，d=44.107,e=3.718,f=127.39；

其中优选720

进一步优选0.30

作为优选，左侧管21、右侧管22、中心管8的圆心在一条直线上。

通过上述的三个换热部件结构优化的布局，能够使得整体换热效果达到最佳的换热效果。

研究以及实践中发现，持续性的稳定性的热源会导致内部换热部件的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致管组1振动性能大大减弱，从而影响管组1的除垢以及加热的效率。因此需要对上述热管进行如下改进。

作为一个优选，中心管8的加热热源是采取间歇式的加热方式即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。优选加热的时间是不加热的时间的3倍。

作为优选，中部热源采用电加热方式。

在一个周期时间T内，中心管8的加热热源的加热功率P变化规律如下：

0-3T/4，即四分之三个周期内,P＝n，其中n为常数数值，单位为瓦（W），即加热功率保持恒定；

3T/4-T的四分之一个周期内,P=0。即热源不加热。

优选T是50－80分钟。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为一个优选，所述热源设置为多个,每个热源独立控制,随着时间的变化,热源启动的数量进行周期性变化。

作为优选，加热热源是电加热器9。

作为一个优选，热源为n个，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，启动一个热源，直到3T/4时间热源全部启动，然后再每隔T/4n的时间，关闭一个热源，直到T时间加热器热源全部关闭。

作为优选，每个电加热器加热功率都相同。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，沿着管壳长度方向热源设置为多段，每段独立控制，随着时间的变化，热源的沿着壳程内流体流动方向相反方向（例如图1右端开始）依次启动，直到全部段都启动，然后从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

作为优选，在四分之三个周期3T/4内，热源的沿着壳程内流体流动相反方向（例如图1右端开始）依次启动，直到全部段都启动，然后在后面的四分之一个周期T/4内，从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

即假设电加热器为n段，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，从右端开始启动一个段，直到3T/4时间所有段全部启动，然后再每隔T/4n的时间，从左端开始，关闭一个段，直到T时间全部段关闭。

作为优选，每个段加热功率都相同。

通过电加热器沿着流体流动方向逐渐启动，可以使得后端加热温度高，形成类似逆流效果，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

热源优选是电加热器。

作为优选，所述热源为多个，每个热源功率不同，可以一个或者多个组合形成不同的加热功率，在周期的前段时间（优选是四分之三个周期）内,按照时间循序，先是单个热源启动，单个热源按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个热源，两个热源按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加热源启动的数量，如果数量为n，则n个热源按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的热源启动，保证所述换热部件的加热功率依次增加。在周期的后段时间（优选是四分之一个周期）内，先是单个热源不启动，单个热源按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再不启动两个热源，两个热源按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再逐渐增加换热部件不启动的数量，如果数量为n，则n个热源按照加热功率依次增加的顺序独立不启动；直到最后所有的热源不启动，保证所述热源的加热功率依次降低。

例如所述热源为三个，分别是第一热源D1、第二热源D2和第三热源D3，加热功率分别为P1，P2和P3，其中P1P3；即其中第一热源、第二热源之和大于第三热源，按照时间顺序依次启动第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三，在剩下的周期时间内不启动的顺序是第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三。

通过热源逐渐增加减少加热功率，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，在周期前段时间内，热源的加热功率是线性增加的，周期后段时间内，换热部件的加热功率是线性减少的。

作为优选，线性增加的增长幅度小于线性减小的增长幅度。

作为优选，热源是电加热器。

通过输入电流或电压的变化实现加热功率的线性变化。

通过设置多个电加热器，实现电加热器的逐渐数量增加的启动，实现线性变化。

作为优选，周期是50－300分钟，优选50－80分钟。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。