專利名稱：一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，涉及臥式列管換熱器管內的硬垢在線自動清洗和傳熱強化節能。它適用于水平換熱管的各種列管式換熱器，如無相變的換熱器、冷凝器(包括汽輪機附屬的抽真空設備的水冷式冷凝器)、蒸發器等。
背景技術：
列管式換熱器的管程流態化技術，較早時候的專利EP262725和中國專利ZL91106682. 9等等，具有自動清洗管內污垢和高效傳熱強化的雙重功能。但是，都只能應用于立式設備、并且還只是向上流動的立式設備；而占90%的列管式換熱器是臥式設備不能應用。近期專利(流化球外循環螺旋強化臥式列管換熱器，ZL200720063170.X,2009. 12. 31)，存在以下兩個根本性缺陷第一，進口管箱沒有流態化流化球的均布結構，各換熱管內的流化球濃度勢必非常懸殊，有些區域的換熱管內流化球濃度低者污垢清洗嚴重不足，少數換熱管內甚至沒有進入流化球；濃度高者過度清洗傷害管表面保護膜，影響設備安全運行與使用壽命。出口管箱沒有設計保障流態化流化球順暢排出的專用結構，勢必會造成局部區域的沉積，隨著沉積區域的逐步擴大，不可避免的引發靠最低層換熱管出口的阻塞。因而，只能在水平單管換熱器中應用，無法在換熱管以數十分、數百計的工程實際中應用，第二，螺旋線的“外徑D與傳熱管內徑Cli的比值(DMi)在0. 90 0. 98范圍勢必造成流化球逐漸卡塞在管內壁與鋼絲螺旋線之間的縫隙內，而且螺旋線背流區的成為污垢清洗的盲區。第三，在粒子循環和濃度調控方面也存在明顯的缺點。一是需要在主體設備外部獨立設置一臺的流態化流化球外“循環槽”，由此必然增加連接的管線和閥門；二是對于諸如管程流量一類基本參數需要調節的傳熱設備，“循環槽的下部流態化液配制管”這種結構的濃度調節操作技術難度大，并且調節范圍往往難以滿足工程要求。
發明內容
本發明專利提出一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，目的在于解決現有流態化技術存在的上述問題，能夠使單管程、雙管程、三管程、四管程結構的換熱器的各換熱管的流化球均布性滿足自動清洗防垢的基本要求，換熱管內壁污垢能夠消除盲區得到全面清洗，并且使流化球濃度調節的范圍更大、操作更簡便，運行的可靠性更高。因此，可以適合于管內壁會生長結晶鹽類的冷卻器、冷凍設備、結晶器、蒸發器，和生長硬垢的水冷設備。本發明專利的技術方案為一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，主要部件有均布管箱、出口管箱、換熱管、鋼絲螺旋線、流化球、文丘里、調節閥、進口管線、出口管。每根換熱管內設置一根鋼絲螺旋線，安裝在進口端管口的固定架上，尾端自由；鋼絲的直徑1.0
3.Omm ;螺旋線外徑與管內壁之間的直徑間隙大于流化球直徑的兩倍。鋼絲螺旋線的螺距為換熱管內徑的(I. 0 3. 5)倍，具體取值主要依據硬垢清洗需要的強度和流速大小，一般是流速愈低，螺距就愈小，以便流化球產生較大的離心力，使流化球更好地富集到管內壁區域、并且有較大的離心壓力，來增強清洗硬垢的能力。任何管程最低下2 3排的換熱管內的鋼絲螺旋線螺距要比其它換熱管內的鋼絲螺旋線螺距大10%以上，并且愈是低下排的螺距愈大。凡是流體向上流動的均布管箱，在最低下的2 3排的換熱管出口端，都須安裝一個90度的加速彎頭插件，加速彎頭的結構形狀是出口端直徑為進口端直徑的0. 9倍以下。均布管箱的均布蓋不是承壓端蓋時，均布蓋與承壓端蓋之間設計有壓力平衡連通孔。均布蓋曲面距離管板的高度設計原則，是使均布管箱內與換熱管垂直方向的橫向流速維持在流化球均布流動要求的范圍內，若是向上流要求不低于流化球沉降速度的2.0倍以上，若是向下流要求不高于流化球沉降速度的I. 5倍，以免進入各換熱管的流化球數的多少懸殊。在有進口管的均布管箱內，通過設置徑向均布板來提高流化球在與流速垂直方向的分布均勻性，徑向均布板的快數多少與換熱器直徑大小為一致性關系；通過設置有分區均布板來提高流化球在在流速方向的分布均勻性，分區均布板的快數多少與與進口管(8)的流速高低、換熱器直徑大小有一致性關系。出口管箱內垂直方向流通的最大截面的高度H設計原則，是使得通過該截面的流速低于添加流化球的沉降速度的1/3，來確保參與循環流化球沉降分離的要求，出口管箱的底部是流化球循環槽。進口管線上設計有為流化球在換熱器系統內循環流動提供動力的文丘里和便于控制流化球合理濃度的調節閥。進口管線的水平段內都必需安裝鋼絲螺旋線，防止流化球沉積堵塞。流態化可以是河沙、瓷球、金屬球、塑料球、膠球，依據液體的腐蝕性、溫度、污垢的軟硬等選擇。必需對管程液體是惰性的材質，同時耐磨性要好。生產運行時，換熱管內的鋼絲螺旋線總是在發揮對流傳熱強化作用，可以使管內側對流傳熱系數提高50%左右。本發明專利通過均布管箱、不同螺距鋼絲螺旋線配置、加速彎頭等多種措施，綜合提高進入各換熱管的流化球的數量的均勻性。這些流化球隨管內液體作螺旋線運動，具有一定的離心力，自然富集到管內壁，對管內壁硬垢產生一定的離心壓力，流化球在此壓力下的滑動擦洗，實現硬垢的有效清洗。由于螺旋線外徑與管內壁之間的間隙大于2倍的流化球直徑，加上鋼絲螺旋線是尾端自由的橫向振動，所以流化球不難穿越該間隙，從而避免鋼絲螺旋線背流區成為流化球擦洗的盲區，達到全面均勻清洗的目的。
除了流化球的滑動擦洗作用外，鋼絲螺旋線的徑向振動和軸向的伸縮游動也有一定的自動清洗作用。值得注意是流化球還有更寶貴的自動防垢作用。其原理是富集在換熱管內壁的流化球，在螺旋線液流推動下產生每分鐘數千轉的高速滾動。這一高速滾動對邊界層產生強烈的直接攪混作用。滾動的流化球表面對液體的粘性摩擦力引發的渦流穿越邊界層的橫向質量輸運，很有效的強化了傳熱傳質過程、降低了邊界滯流層的過熱度(或過冷度)和過飽和度，緩解甚至避免了硬垢(或結晶)的生長。由于鋼絲螺旋線在換熱管內是進口端固定不能旋轉，不會發生鋼絲螺旋線與換熱管之間的磨損，可靠性高，并且結構簡化。
圖I是一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器的單管程結構示意圖。圖la、圖lb、圖Ic分別圖I的A-A剖視圖、(件號4)加速彎頭的結構放大圖、換熱管內鋼絲螺旋線的組裝示意圖。圖2a、圖2b分別是上下方向進口管的雙管程的振動螺旋流態化臥式列管換熱器結構示意圖。圖3a、圖3b分別是三管程的振動螺旋流態化臥式列管換熱器結構示意圖和管程截面排布的D-D剖視圖。圖4a、圖4b、圖4c分別是四管程的振動螺旋流態化臥式列管換熱器結構示意圖和管程截面排布的B-B和C-C剖視圖。
具體實施方式
下面結合附圖I、la、lb、Ic、2a、2b、3a、3b、4a、4b、4c,對本發明作進一步詳細的描述。圖中的I調節閥2文丘里3流化球4加速彎頭5換熱管6鋼絲螺旋線7進口管線8進口管9分區均布板10徑向均布板11均布蓋12承壓端蓋13均布管箱14管板15循環槽隔板16檔沙板17出口管18出口管箱19最大截面20流化球循環槽21固定架一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，主要部件有均布管箱13、出口管箱18、換熱管5、鋼絲螺旋線6、流化球3、文丘里2、調節閥I、進口管線7、出口 8管。每根換熱管5內設置一根鋼絲螺旋線6，安裝在進口端管口的固定架21上，尾端自由；鋼絲的直徑I. 0
3.Omm ;螺旋線外徑與管內壁之間的直徑間隙大于流化球3直徑的兩倍。鋼絲螺旋線6的螺距為換熱管5內徑的(1.0 3. 5)倍，具體取值主要依據硬垢清洗需要的強度和流速大小，一般是流速愈低，螺距就愈小，以便流化球3產生較大的離心力，使流化球3更好地富集到管內壁區域、又有較大的離心壓力，來增強清洗硬垢的能力。任何管程的最低下2 3排的換熱管5內的鋼絲螺旋線6螺距要比其它換熱管5內的鋼絲螺旋線6螺距大10%以上，并且愈是低下排的螺距愈大。凡是流體向上流動的均布管箱13，在最低下的2 3排的換熱管5出口端，都須安裝一個90度的加速彎頭4插件，加速彎頭4的結構形狀是出口端直徑為進口端直徑的0. 9倍以下。均布管箱13的均布蓋11不作為承壓端蓋12時，均布蓋11與承壓端蓋12之間設計有壓力平衡連通孔。均布蓋11曲面距離管板14的高度設計原則，是使均布管箱13內與換熱管5垂直方向的橫向流速維持在流化球3均布流動要求的范圍內，若是向上流要求不低于流化球3沉降速度的2. 0倍以上，若是向下流要求不高于流化球3沉降速度的I. 5倍，以免進入各換熱管5的流化球3數的過分懸殊。在有進口管8的均布管箱13內，通過設置徑向均布板10來提高流化球3在與流速垂直方向的分布均勻性，徑向均布板10的塊數多少與換熱器直徑大小有一致性關系；通過設置有分區均布板9來提高流化球3在在流速方向的分布均勻性，分區均布板9的塊數多少與與進口管8的流速高低、換熱器直徑大小有一致性關系。出口管箱18內垂直方向流通的最大截面19處的高度H設計原則，是使流體通過該截面的流速低于添加流化球的沉降速度的1/3，來確保參與循環流化球沉降分離的要求，出口管箱的底部是流化球循環槽。
進口管線7上設計有為流化球3在換熱器系統內循環流動提供動力的文丘里2和便于控制流化球3合理濃度的調節閥I。文丘里2以后的進口管線7的水平段內都必需安裝鋼絲螺旋線6，防止發生流化球3沉積堵塞。流化球3可以是河沙、瓷球、金屬球、塑料球、膠球，依據液體的腐蝕性、溫度、污垢的軟硬等選擇。必需對管內液體是惰性的材質，同時耐磨性要好。生產運行時，換熱管5內的鋼絲螺旋線6總是在發揮對流傳熱強化作用，可以使管內側對流傳熱系數提高50%左右。本發明專利通過均布管箱13、不同螺距的鋼絲螺旋線6的配置、加速彎頭4等多種措施，綜合提高進入各換熱管5的流化球3的數量的均勻性。這些流化球3隨管內液體作螺旋線運動，具有一定的離心力，自然富集到管內壁，對管內壁硬垢產生一定的離心壓力，流化球3在此壓力下的滑動擦洗，實現硬垢的有效清洗。由于鋼絲螺旋線6外徑與管內壁之間的間隙大于2倍的流化球3直徑，加上鋼絲螺旋線6是尾端自由的橫向振動，所以流化球3不難穿越該間隙，從而避免鋼絲螺旋線6的背流區成為流化球 3擦洗的盲區，達到全面均勻清洗的目的。除了流化球3的滑動擦洗作用外，鋼絲螺旋線6的徑向振動和軸向的伸縮游動也有一定的自動清洗作用。值得注意是流化球3還有更寶貴的自動防垢作用。其原理是富集在換熱管5內壁的流化球3，在螺旋線液流推動下產生每分鐘數千轉的高速滾動。這一高速滾動對邊界層產生強烈的直接攪混作用。滾動的流化球3表面對液體的粘性摩擦力引發的渦流穿越邊界層的橫向質量輸運，很有效的強化了傳熱傳質過程、降低了邊界滯流層的過熱度(或過冷度)和過飽和度，緩解甚至避免了硬垢(或結晶)的生長。由于鋼絲螺旋線6在換熱管5內是進口端固定不能旋轉，不會發生鋼絲螺旋線6與換熱管5之間的磨損，可靠性高，并且結構簡化。
權利要求
1.一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，主要結構部件有均布管箱(13)、出口管箱(18)、換熱管(5)、鋼絲螺旋線(6)、流化球(3)、文丘里(2)、調節閥(I)、進口管線(7)，其特征為每根換熱管(5)內設置一根鋼絲螺旋線(6)，安裝在進口端管口的固定架(21)上，尾端自由；鋼絲的直徑為I. O 3. Omm ;鋼絲螺旋線(6)外徑與換熱管(5)內壁之間的直徑間隙大于流化球⑶直徑的兩倍；鋼絲螺旋線(6)的螺距為換熱管(5)內徑的(I. 0 3. 5)倍，取值主要依據硬垢清洗需要的強度和流速大小；任何管程中排在最低下2 3排的換熱管(5)內的鋼絲螺旋線(6)的螺距，要比其它換熱管(5)內的鋼絲螺旋線(6)的螺距大10%以上，并且愈是排在低下的螺距愈大；均布管箱(13)的均布蓋(11)不作為承壓端蓋(12)時，均布蓋(11)與承壓端蓋(12)之間設計有壓力平衡連通孔；均布蓋(11)曲面距離管板(14)的高度設計原則，是使均布管箱(13)內與換熱管(5)垂直方向的橫向流速，保持在流化球(3)均布流動要求的范圍內，若是向上流要求不低于流化球(3)沉降速度的2.0倍以上，若是向下流要求不高于流化球(3)沉降速度的I. 5倍，以求進入各換熱管(5)的流化球(3)的數量不過分懸殊；有進口管(8)的均布管箱(13)的結構，設置有上下分隔的 分區均布板(9)和徑向均布板(10);出口管箱(18)內垂直方向流通的最大截面(19)的高度H設計原則，是使得通過該截面的流速，低于添加的流化球(3)的沉降速度的1/3，來滿足參與循環的流化球⑶沉降分離的要求，出口管箱(18)的底部是儲存流化球(3)的循環槽(20);進口管線(7)上設計有為流化球(7)在換熱器系統內循環流動提供動力的文丘里(2)和便于控制流化球(3)合理濃度的調節閥⑴；文丘里⑵以后的進口管線(7)的水平段內都必需安裝鋼絲螺旋線(6)，防止流化球沉積堵塞。
2.根據權利要求I的一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，其特征在于流體向上流動的均布管箱(13)內，排在最低下的2 3排換熱管(5)的出口端都要安裝一個90度的加速彎頭(4)插件，加速彎頭(4)的結構形狀是出口端直徑為進口端直徑的0.9倍以下。
3.根據權利要求I的一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，其特征在于均布管箱(13)內通過設置徑向均布板(10)來提高流化球(3)在與流速垂直方向的分布均勻性，徑向均布板(10)的快數多少與換熱器直徑大小有一致性關系。
4.根據權利要求I的一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，其特征在于進口管箱(13)內通過設置有分區均布板(9)來提高流化球(3)在在流速平行方向的分布均勻性，分區均布板(9)的塊數多少與進口管(8)的流速高低、換熱器直徑大小有一致性關系。
全文摘要
一種振動螺旋流態化臥式列管換熱器，采用均布管箱等結構來提高流化球進入各換熱管的均勻性。鋼絲螺旋線外徑與管內壁之間的間隙大于流化球直徑的2倍，消除了流化球污垢清洗的盲區。運行時，流化球在螺旋流的推動下作螺旋線運動，自身的離心力自然地富集到管內壁，并且產生硬垢清洗必需的壓力。流化球在管內壁的滑動分速度起到自動清洗硬垢的作用。流化球高速滾動對邊界層強烈的橫向攪動，大大的降低了滯流層的過飽和度，避免或顯著的緩解了硬垢的產生，具有更寶貴的防垢作用。換熱管內設置的鋼絲螺旋線，在進口端固定，尾端自由，避免發生鋼絲螺旋線對管內壁的磨損。因此，這種換熱器適合于會生長硬垢的各種結構的臥式列管換熱器。
文檔編號F28G1/12GK102645113SQ201110038770
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月16日 優先權日2011年2月16日
發明者俞天翔 申請人:俞天翔