一种气液两相流管壳式换热器

摘要

本发明提供了一种气液两相流管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，气液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，气液两相流在管程中流动，所述换热管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向流体流动相对的方向延伸的翅片，所述翅片具有尖部，所述尖部朝着流体流动相对的方向延伸。本发明提供一种新式结构的稳流装置的换热器，在管道内存在气液两相流动时，强化传热，同时减弱管道的振动，降低噪声水平。

权利要求

1.一种气液两相流管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，气液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，其特征在于，气液两相流在管程中流动，所述换热管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向流体流动相对的方向延伸的翅片，所述翅片具有尖部，所述尖部朝着流体流动相对的方向延伸；所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱，所述径向杆一端固定在芯柱内；所述翅片为三角形翅片，三角形的一条底边位于径向杆上，与该底边对应的角的顶点与该底边的中点的连线与径向杆形成的夹角75-135°；

同一径向杆上设置多个翅片，从换热管的芯柱向径向延伸方向上，所述的翅片之间的间距不断的减小；所述的翅片之间的间距不断的减小的幅度不断的增加。

2.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，所述换热管内壁设置凹槽，所述稳流装置的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与换热管的内壁对齐。

3.如权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，换热管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置。

说明书

一种气液两相流管壳式换热器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种管壳式换热器，尤其是涉及一种含有可冷凝汽体的两相流动换热器。

背景技术

[0002] 气液两相流换热广泛地存在于各种换热装置中，气液两相流在换热过程中因为气相的存在，会导致换热效率低，恶化换热，流体流动过程不稳定，而且会导致水锤现象的发生。当两相工质的气液相没有均匀混合且不连续流动时，大尺寸的液团会高速地占据气团空间，导致两相流动不稳定，从而剧烈地冲击设备与管道，产生强烈震动和噪声，严重地威胁设备运行安全。

[0003] 本发明人在前面申请中也设计了一些稳流装置，例如多管式稳流装置，参见图8所示。但是此种装置在运行中发现，因为管子之间是紧密结合在一起，因此三根管子之间形成的空间A相对较小，因为空间A是三根管子的凸弧形成，因此空间A的大部分区域狭窄，会造成流体难以进入通过，造成流体短路，从而影响了流体的换热，无法起到很好的稳流作用。同时因为上述结构的多根管子组合在一起，制造困难。

[0004] 因此针对上述问题，本发明提供了一种新式结构的稳流装置的换热器，从而解决上述的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种新式结构的稳流装置的换热器，在管道内存在气液两相流动时，减弱气液两相流换热管内的振动，降低噪声水平，同时强化传热。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种气液两相流管壳式换热器，包括壳体，所述壳体两端分别设置封头，所述封头和壳体的连接位置设置管板，换热管连接两端的管板，气液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体，气液两相流在管程中流动，所述换热管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向流体流动相对的方向延伸的翅片，所述翅片具有尖部，所述尖部朝着流体流动相对的方向延伸。

[0008] 作为优选，所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱，所述径向杆一端固定在芯柱内。

[0009] 作为优选，所述换热管内壁设置凹槽，所述稳流装置的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与换热管的内壁对齐。

[0010] 作为优选，换热管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置。

[0011] 作为优选，所述翅片为三角形翅片。

[0012] 作为优选，三角形的一条底边位于径向杆上，与该边对应的角的顶点与该边的中点的连线与径向杆形成的夹角75-135°。

[0013] 作为优选，夹角为90°。

[0014] 作为优选，所述的三角形翅片是等腰三角形翅片，所述等腰三角形的底边位于径向杆上。

[0015] 作为优选，等腰三角形的顶角的大小为A，等腰三角形的底边的长度为Y，相邻等腰三角形之间的距离为J，则满足如下要求：

[0016] Y/J= d-a*sin(A)3-b*sin(A)2-c* sin (A)；其中sin 是三角函数，a,b,c,d是参数；

[0017] 0.353

[0018] 0.485

[0019] 0.082

[0020] 0.403

[0021] 0.1765

[0022] 作为优选，a=0.3559，b＝0.4859，c=0.08294，d=0.4033。

[0023] 作为优选，径向杆为5-10根，所述径向杆之间的夹角都相等。

[0024] 作为优选，径向杆为8根。

[0025] 作为优选，等腰三角形的底边的长度为换热管内径的0.02-0.03倍。

[0026] 与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

[0027] 1）本发明提供了一种新式结构的稳流装置，通过稳流装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。相对于杆翅式稳流装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

[0028] 2）本发明通过设置杆翅式稳流装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

[0029] 3）本发明因为将气液两相在换热管的整个横截面位置上进行了分割，避免了现有技术中仅仅换热管内壁面进行分割，从而在整个换热管截面上实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动，降低了噪音和震动，强化了传热。

[0030] 4）本发明通过在换热管高度方向上设置相邻稳流装置之间的距离、稳流装置的长度、翅片尺寸等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

[0031] 5）本发明通过在径向方向上设置相翅片尺寸、间距等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

[0032] 6）本发明通过对杆翅式稳流装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。

附图说明

[0033] 图1是本发明的两相流管壳式换热器的结构示意图；

[0034] 图2是本发明的两相流管壳式换热器的换热管结构示意图；

[0035] 图3本发明稳流装置结构示意图；

[0036] 图4是本发明稳流装置在换热管内布置示意图；

[0037] 图5是本发明稳流装置在换热管内布置的另一个示意图。

[0038] 图6是本发明稳流装置在换热管内布置横截面示意图。

[0039] 图7是本发明稳流装置的尺寸示意图。

[0040] 图8是背景技术中的两相流管壳式换热器的结构示意图。

[0041] 附图标记如下：前封头1，封头法兰2，前管板3，壳体4，稳流装置5，换热管6、后管板7，封头法兰8，后封头9，支座10，支座11，管程入口管12，管程出口管13，壳程入口管14，壳程出口管15，芯柱51，径向杆52，翅片53，外壳54。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0043] 本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

[0044] 需要说明的是，如果没有特殊说明，本发明提到的两相流是气液两相流，此处的气液两相流中的气相是不溶或者难溶性气体，即换热过程中，气体不会溶于液体。

[0045] 如图1所示的一种管壳式换热器，所述管壳式换热器包括有壳体4、换热管6、管程入口管12、管程出口管13、壳程入口接管14和壳程出口接管15；多个平行设置的换热管6组成的换热管束连接在前管板3、后管板7上；所述前管板3的前端与前封头1连接，后管板7的后端连接后封头9；所述的管程入口管12设置在后封头9上；所述的管程出口管13设置在前封头1上；所述的壳程入口接管14和壳程出口接管15均设置在壳体4上；两相流的流体从管程入口管12进入，经过换热管进行换热，从管程出口管13出去。

[0046] 如图3-5所示，在换热管6内设置杆翅式稳流装置5。所述杆翅式稳流装置5的结构见图3-4。如图3所示，所述稳流装置5包括芯体和外壳54，所述芯体设置在外壳54中，所述外壳54与换热管6内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆52，所述径向杆52上设置多根从径向杆52向流体流动相对的方向延伸的翅片53，所述翅片53具有尖部，所述尖部朝着流体流动相对的方向延伸。

[0047] 本发明在换热管内设置杆翅式稳流装置，主要是通过杆翅式稳流装置的尖部，将两相流体中的液相和气相进行分离，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。相对于前面申请的稳流装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

[0048] 本发明通过设置杆翅式稳流装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

[0049] 本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

[0050] 作为优选，所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱51，所述径向杆52一端固定在芯柱51内。

[0051] 通过设置芯柱，能够进一步固定径向杆52。

[0052] 进一步优选，如图7所示，换热管6为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置5。这种方式使得设置稳流装置的上升管的制造简单，成本降低。

[0053] 进一步优选，如图7所示，所述换热管6内部设置凹槽，所述稳流装置5的外壳54设置在凹槽内。

[0054] 作为优选，外壳54的内壁与换热管6的内壁对齐。通过对齐，使得换热管内壁面表面上达到在同一个平面上，保证表面的光滑。

[0055] 作为优选，外壳54的厚度小于凹槽的深度，这样可以使得换热管内壁面形成凹槽，从而进行强化传热。

[0056] 作为优选，如图4-6所示，所述翅片53为三角形翅片。因为三角形翅片本身具有三个尖部，这样可以充分利用尖部向下进行稳流作用。

[0057] 本发明通过设置径向杆以及沿着径向杆向外延伸的三角形翅片，可以进一步增加换热面积，提高换热效果，而且因为设置三角形翅片，通过三角形翅片的类似针状结构的三角形尖部，可以进一步增加扰流，使得流体充分混合，可以进一步的破坏气泡的增大和聚集，提高了换热效果。

[0058] 进一步优选，径向杆横截面为矩形，优选为正方形。

[0059] 进一步优选，径向杆横截面为圆形。

[0060] 作为优选，径向杆的工程直径为芯柱的工程直径的0.21-0. 42倍，优选为0.32倍。

[0061] 作为优选，所述的径向杆为杆状物，从圆心沿着径向一直延伸到冷凝管的内壁。

[0062] 作为优选，每个径向杆上设置多个三角形翅片，所述的多个三角形翅片是相似形。即不同三角形翅片的三个互相对应的内角相同。

[0063] 作为优选，所述径向杆为圆杆，其直径为0.7－1.1mm，优选为0.8mm。

[0064] 作为优选，翅片从圆杆的中心线向下延伸。所述翅片为平板结构。所述平板结构延伸面经过芯柱的中心线，而且平板结构延伸面经过径向杆的中心线。

[0065] 作为优选，如4，5所示，同一径向杆上设置多个翅片53，所述翅片53为相似形（即翅片具有相同的形状），从换热管6的芯柱51向径向延伸方向上，同一径向杆上的翅片的尺寸越来越大。即距离芯柱51（即距离换热管中心轴线）的距离为S1，翅片的尺寸为C1，C1是距离S1的函数，即C1=F4(S1)，满足如下要求：

[0066] C1’>0,，其中C1’是C1的一次导数。

[0067] 因为换热主要发生在换热管管壁，因此通过增加换热管管壁的翅片53尺寸，使得管壁附近的切割气相和液相的能力增强，通过重点加强管壁附近的切割能力，能够有针对性的针对具体情况进行降噪减震，从而进一步实现降噪减震效果，同时也能进一步强化传热。

[0068] 进一步优选，从换热管的芯柱向径向延伸方向上，同一径向杆上的翅片的尺寸越来越大的幅度不断的增加。即C1”>0，其中C1”分别是C1的二次倒数。

[0069] 通过数值模拟以及实验研究表明，上述的增加幅度的变化，能够进一步实现降噪减震，效果能够调高接近8%。

[0070] 作为优选，同一径向杆52上设置多个翅片53，从换热管6的芯柱51向径向延伸方向上，所述的翅片53之间的间距不断的减小。所述的翅片之间的间距不断的减小的幅度不断的增加。

[0071] 即距离芯柱的距离为S1，翅片的间距为J1，J1=F5(S1)，满足如下要求：

[0072] J1’<0,J1”>0，其中J1’，J1”分别是J1的一次导数和二次倒数。

[0073] 具体原理同上。因为换热主要发生在换热管管壁，因此通过增加换热管管壁的翅片53的分布，使得管壁附近的切割气相和液相的能力增强，通过加强管壁附近的降噪减震，从而进一步实现降噪减震效果，同时也能进一步强化传热。

[0074] 作为优选，三角形的一条底边位于径向杆52上，与该边对应的角的顶点与该边的中点的连线与径向杆形成的夹角为75-135°。主要是通过上述角度的设置，能够使得翅片的尖部最大程度上进行气液两相的切割，从而进一步提高本发明的效果。

[0075] 作为优选，该边对应的角的顶点与该边的中点的连线与径向杆形成的夹角为90°[0076] 作为优选，如图5所示，所述的三角形翅片是等腰三角形翅片，所述等腰三角形的底边位于径向杆上。

[0077] 通过分析以及实验得知，翅片43之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，翅片的高度也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5Mpa以下，或者单根上升管的沿程阻力小于等于5Pa/M）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

[0078] 等腰三角形的顶角的大小为A，等腰三角形的底边的长度为Y，相邻等腰三角形之间的距离为J，则满足如下要求：

[0079] Y/J= d-a*sin(A)3-b*sin(A)2-c* sin (A)；其中sin 是三角函数，a,b,c,d是参数；

[0080] 0.353

[0081] 0.485

[0082] 0.082

[0083] 0.403

[0084] 0.1765

[0085] 其中相邻等腰三角形之间的距离J是相邻的三角形底边的中点之间的距离。

[0086] 作为优选，a=0.3559，b＝0.4859，c=0.08294，d=0.4033。

[0087] 作为优选，5

[0088] 作为优选，径向杆为5-10根，所述径向杆之间的夹角都相等。

[0089] 作为优选，径向杆为8根。

[0090] 作为优选，等腰三角形的底边的长度为上升管内径的0.02-0.03倍。

[0091] 作为优选，沿着换热管内流体的流动方向，换热管内设置多个分隔装置，从换热管的入口到换热管的中部，相邻分隔装置之间的距离越来越长，从换热管的中部到换热管的出口，相邻的分隔装置之间的距离越来越短。即换热管的长度为L，距离换热管入口的距离为X，相邻分隔装置之间的距离为S，S=F1(X)，S’是S的一次导数，满足如下要求：

[0092] S’>0, 0<=X

[0093] S’<0, L/2<=X<=L;

[0094] 主要原因是因为流体中含有不凝气体，因此沿着流体的流动方向，不凝气体依然存在，不会因为换热管内流体放热而冷凝。从换热管6入口到换热管6中部，因为流体从前封头1进入换热管内，在换热管6的前部流动中，流体的震动和噪音相对少，因此此时可以将分隔装置之间的距离设置的大一些，既可以实现减震和降低噪音，同时还能够降低阻力。但是从换热管的中部往后，因为存在从换热管6到后封头9这一段的空间从小到大的变化，这一段的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，液体也会快速的项下部流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的气相（气团）从管板位置进入封头，由于气（汽）液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成水锤现象。气（汽）液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。水锤现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

[0095] 通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以保证降低流体的流动阻力。

[0096] 进一步优选，从换热管的入口到换热管的中部，相邻分隔装置之间的距离越来越长的幅度不断增加，从换热管的中部到换热管的出口，相邻的分隔装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

[0097] S”>0,0<=X

[0098] S”>0, L/2<=X<=L;

[0099] 通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低8％左右的震动和噪音，同时降低流动6％左右的阻力。

[0100] 作为优选，每个稳流装置的长度保持不变。

[0101] 作为优选，除了相邻的稳流装置之间的距离外，稳流装置其它的参数（例如长度、管径等）保持不变。

[0102] 作为优选，沿着换热管6内流体的流动方向，换热管6内设置多个稳流装置5，从换热管6的入口到换热管6的出口，稳流装置5的翅片的尺寸先越来越小后越来越大。作为优选，从换热管6的入口到换热管中部，稳流装置5的翅片的尺寸越来越小，从换热管的中部岛换热管6的出口，稳流装置5的翅片的尺寸越来越大。即稳流装置的翅片尺寸为C，C=F2(X)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

[0103] C’<0, 0<=X

[0104] C’>0, L/2<=X<=L;

[0105] 作为优选，从换热管6的入口到换热管中部，稳流装置5的翅片的尺寸越来越小的幅度不断增加，从换热管的中部岛换热管6的出口，稳流装置5的翅片的尺寸越来越大的幅度不断增加。即C”是C的二次导数，满足如下要求：

[0106] C”>0,0<=X

[0107] C”>0, L/2<=X<=L。

[0108] 具体理由如相邻稳流装置之间的距离的变化相同。

[0109] 作为优选，相邻稳流装置之间的距离保持不变。

[0110] 作为优选，除了稳流装置的长度外，稳流装置其它的参数（例如相邻的间距、管径等）保持不变。

[0111] 作为优选，沿着换热管6内流体的流动方向，换热管6内设置多个稳流装置，从换热管6的入口到换热管6的出口，不同稳流装置5内的翅片分布密度先是越来越小后越来越大。作为优选，从换热管6的入口到换热管的中部，不同稳流装置5内的翅片分布密度越来越小；
从换热管的中部岛换热管6的出口，不同稳流装置5内的翅片分布密度越来越大。即稳流装置的翅片分布密度为D，D=F3(X)，D’是D的一次导数，满足如下要求：

[0112] D’<0, 0<=X

[0113] D’>0, L/2<=X<=L;

[0114] 作为优选，从换热管6的入口到换热管的中部，不同稳流装置5内的翅片分布密度越来越小的幅度不断的增加；从换热管的中部岛换热管6的出口，不同稳流装置5内的翅片分布密度先是越来越大的幅度不断增加。即

[0115] D”是D的二次导数，满足如下要求：

[0116] D”>0,0<=X

[0117] D”>0, L/2<=X<=L。

[0118] 具体理由如相邻稳流装置之间的距离的变化相同。

[0119] 作为优选，稳流装置的长度和相邻稳流装置的距离保持不变。

[0120] 作为优选，除了稳流装置的翅片分布密度外，稳流装置其它的参数（例如长度、相邻稳流装置之间的距离等）保持不变。

[0121] 相邻稳流装置之间的距离为S，换热管管的内径为W，其中稳流装置的间距S是相邻稳流装置相邻的径向杆中心轴线之间的距离。

[0122] 34mm

[0123] 50mm

[0124] 作为优选，换热管长度L为3000－5500mm之间。进一步优选，3500－4500mm之间。

[0125] 进一步优选，40mm

[0126] 55mm

[0127] 作为优选，S大于翅片的高度的1.4倍。

[0128] 对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

[0129] 作为优选，壳程内流体是水。

[0130] 作为优选，管程内流体流速3-5m/S。

[0131] 作为优选，换热管的长度L与换热器的壳体直径比为6－10。

[0132] 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。