專利名稱：一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，主要應用于氣體低溫液化分離領域，包括-161°c天然氣低溫液化、-197°c空氣低溫液化分離、-197°c低溫液氮洗工藝、-70°C低溫甲醇洗工藝等氣體低溫凈化、低溫液化分離技術領域。
背景技術：
螺旋纏繞管式換熱器是一種熱交換設備，主要用于低溫熱質交換過程，以其結構緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積，傳熱管的熱膨脹可自行補償，容易實現大型化，可減少設備臺數等優點成為天然氣液化、低溫空分、低溫甲醇洗等低溫凈化、液化工藝中的重要設備。由于螺旋纏繞管式換熱器大多應用于低溫環境，體積較大，一般以傳熱塔的形式出現，最高可達到七、八十米，一般換熱器也在二、三十米，大多以多股流換熱為主，內部管道纏繞復雜，沒有相關固定的設計標準，也沒有統一的設計方法，隨著工藝流程或物性參數的特點有較大差別，因此給螺旋纏繞管式換熱器標準化過程帶來了障礙。傳統的螺旋管式換熱器管束纏繞方法很多，存在很多缺點，纏繞過程中不能確保管束內管間距及層間距處處一致，傳熱效果較差，沒有統一的理論計算方法，用于計算機輔助計算過程。另外，由于低溫換熱器與環境溫度有較大差別，環境做為高溫熱源，持續不斷給低溫換熱器供熱，換熱器表面接受太陽能輻射、空氣對流換熱、環境熱輻射或管內摩擦熱以后，系統內部流體尤其在接受瞬時高熱流密度熱量加熱后會導致嚴重的漏熱現象，導致氣液兩相流，產生大量的過熱蒸氣，過熱蒸氣導致系統壓力劇烈變化，給換熱器的換熱過程造成嚴重影響并帶來很大的安全問題，而一般采用外部毛細材料絕熱層絕熱的方法很難滿足低溫工況下換熱器與外界進行熱交換的問題，換熱器內低溫流體仍然會產生激烈的相變過程。如果螺旋纏繞管式換熱器要在低溫領域得到更好的應用，目前還需要更好地解決以下問題給出螺旋纏繞管式換熱器管束纏繞方法的數學模型，將纏繞過程標準化，為傳熱數值模擬過程做準備；將真空絕熱技術應用于螺旋纏繞管式換熱器，解決大型螺旋纏繞管式換熱器在低溫工況下的絕熱問題；解決整體塔式螺旋管式換熱器的整體結構及各主要部件的布局問題。
發明內容
本發明為一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，應用一種新的螺旋管束纏繞方法，給出了理論纏繞方程；采用上下封頭、筒體各自獨立的真空結構，將真空絕熱技術有效應用于大型螺旋纏繞管式換熱器，改變傳統真空結構與列管換熱器管束結合困難、安裝不方便、拆卸不方便、檢修不方便等缺點。本發明的技術解決方案
一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，主要由下管箱1、真空接管2、下管板3、法蘭4、真空接管5、外壓殼體6、內壓殼體7、中芯筒8、螺旋盤管9、接管10、上外壓封頭11、上管板12、上管箱13、真空接管14、上外壓封頭15、法蘭16、螺旋盤管上支撐環17、 耳座18、支撐環19、絕熱圈20、珠光砂21、螺旋盤管下支撐環22、接管23、下內壓封頭M、下外壓封頭25、裙座沈構成，其特征在于螺旋盤管9繞中芯筒8層層纏繞，纏繞后的管芯通過下支撐環22與上支撐環17安裝于內壓殼體7內，上出口連接管板12，下出口連接管板 3 ；內壓殼體7與外壓殼體6之間為真空夾層，頂部為進口接管10，底部為出口接管23，夾層內填充珠光砂21，安裝支撐環19、絕熱圈20，外壓殼體6中間安裝耳座18，底部安裝真空接管5，外壓殼體表面安裝真空接管5 ；上外壓封頭11與上內壓封頭15之間為真空夾層，頂部安裝管箱13，上管箱13下部為管板12，外壓封頭11表面安裝真空接管14 ；下外壓封頭25 與下內壓封頭M之間為真空夾層，夾層內有支撐環19、絕熱圈20，底部安裝下管箱1，管箱 1上部為管板3 ；外壓封頭25表面安裝真空接管2，正下方安裝裙座沈；上封頭11與筒體6 通過法蘭16連接，下封頭25與筒體6通過法蘭4連接。第一層纏繞管內共有& = 根管道，第一層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板 3，穿過支撐環22，沿周長為Λ = 2 vr中芯筒8基圓以固定起始角βλ1 = -α固定上升螺旋角夂=〃 n向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第一層內第二根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿中芯筒8基圓以固定起始角A 12 = - “ -2 ν加及固定上升螺旋角K = θ 12向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第一層內第力根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22沿中芯筒8基圓以固定起始角β讓= -α-2π {h~l) / 及固定上升螺旋角bx = θ γ Α向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第二層內共有t2 根管道，第二層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為4=2 vr的基圓、以固定起始角β 2l = α+π/m固定上升螺旋角Ih = θ 21向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第/7層內共有tn:m— (/7-1) i/根管道，第η層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為厶=2 vr [ +(Z7-I)i/]的基圓、以 Am 二 [σ+ττ (1/ +1/( + /)+1/( +2 /)+… +l/Qn+(n-2)d))]X(-ir固定起始角、固定上升螺旋角、=向上纏繞，再穿過上支撐環 17并固定于管板12 ；第層內第i根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為厶=2vr[ +(/7-l)i/]/ 的基圓、以β(l/ni+l/ipi+d)+l/ (pi+2d) + …+1/(pi+ (/7-3) d) +2 (i-1) / (pi+ (/7-2) ^) ] X (_1” 固定起始角、固定上升螺旋角 b = θni向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；任一螺旋管道滿足曲線方程
x2+/=r2
ζ-2 πrk\gbn
1 n二2 πrVm+ in- ) dVm
β η ={α+π (1/ffl+l/ijn+d) +1/ijn+2d) +1/ijn+'icl) +... +1/ijn+ ifl~ >)cl) +2 (i_l) / ijn+ {n~2) d)) ] X (-1)"
b . = θ .
υ nim
其中，w，ζ為變量，r為半徑，k為上升圈數，b為上升螺旋角，1為周長，m為第一層管根數，《為層數，i為層內第i根管，α為第一層第一根螺旋管起始角，β為第η層第 根管起始角，θ為螺旋角大小。方案所涉及的原理問題
螺旋纏繞管式換熱器主要應用于氣體低溫液化分離及氣體凈化領域，如天然氣低溫液化、空氣低溫液化分離、低溫甲醇洗等氣體低溫凈化、低溫液化分離等技術領域，所以具有低溫換熱特性，往往具有多相流，換熱過程中相變，是目前低溫高壓換熱設備中計算、設計、制造難度較大的換熱器。本發明提出一種帶真空絕熱層的主要應用于低溫環境的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，并給出了相應管束纏繞數學模型，可將螺旋纏繞管式換熱器的纏繞方法應用于數學建模過程，并將所建數學模型及相應三維物理模型應用于流場數值模擬過程，獲得螺旋纏繞管式換熱器的流場參數分布模型及相關傳熱模型，以此設計整個螺旋纏繞管式換熱器，使螺旋纏繞管式換熱器有一個確定的設計方法。應用真空低溫絕熱方式， 是目前解決低溫換熱過程中環境熱源對內傳熱的最有效的方法，可以有效杜絕環境熱源以熱傳導、對流換熱、熱輻射為主要傳熱途徑的傳熱過程，是目前低溫領域內較常用的方法， 較傳統毛細材料絕熱，性能提高了近一個量級。然而由于真空低溫絕熱大多應用于低溫流體的靜態儲存，很少應用于低溫換熱領域，尤其螺旋纏繞管換熱器領域，主要原因是采取真空低溫絕熱后，相當于殼體外增加了一層殼體，且內、外殼體均采用焊接的方式形成一個密閉的整體，給加工制造、真空過程、檢驗檢測、設備維護等帶來了很大的麻煩，設備成本明顯提高，且添加真空層后，換熱管束無法取出，一旦管束9出現泄漏，整臺換熱器將被報廢。為了適應螺旋纏繞管換熱器真空絕熱需要，既要真空絕熱，同時又要方便加工制造及檢修過程，本發明采用分段絕熱過程，即筒體6與上封頭11、下封頭25各自采用真空絕熱，最后再采用法蘭連接，實現整體換熱器的真空絕熱過程，加工制造更加方便，各真空部件可獨立加工并進行相應檢測，管束9安裝制造好，還可進行單獨檢測，檢測合格后再安裝筒體6，然后再將管束9與上下封頭對接，對接之后再應用法蘭連接整個簡體。換熱器一旦出現泄漏問題，還可進行有效及時的檢修堵漏過程，需要時還可進行拆卸。本發明在外壓殼體6、下外壓封頭25真空夾層內安裝支撐環19及絕熱圈20，主要原因是纏繞管束的重量大，在運輸或工作過程中容易對真空夾層造成損壞，支撐環19可用于解決設備在運輸或工作過程中的承重問題。絕熱圈20的主要作用是防止產生冷橋，即防止冷量通過支撐環19向外傳遞。真空層內添加珠光砂21的目的是降低真空層內的輻射換熱量。本發明的技術特點
給出了一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器的整體設計模型及模型具體結構；提出了一種纏繞管式換熱器管束纏繞的數學模型，可應用此數學模型將螺旋纏繞管式換熱器的纏繞方法應用于數學建模過程，并將所建數學模型及相應三維物理模型應用于流場數值模擬過程，可獲得螺旋纏繞管式換熱器的流場參數分布模型及相關傳熱模型， 以此設計整個螺旋纏繞管式換熱器，使螺旋纏繞管式換熱器有一個確定的設計方法；將分段式真空結構應用于螺旋纏繞管式換熱器，即筒體與兩個封頭各自采用真空絕熱，最后再采用法蘭連接，實現整體換熱器的真空絕熱過程，各真空部件可獨立加工制造并進行相應的檢測，使螺旋纏繞管式換熱器加工、制造、檢修過程更加方便，克服了原真空容器不能進行有效及時的檢修的缺點，一旦出現泄漏等問題，可將真空結構分段打開，進行檢修，以不影響整個換熱器的真空結構。
圖1所示為一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器的主要部件安裝位置關系。
具體實施方式
本發明根據已經建立好的管束纏繞數學模型，應用傳熱數值模擬方法，首先確定螺旋纏繞管式換熱器內管束的理論纏繞方法，及管束纏繞過程中的管間距及層間距等相關參數，應用傳熱及流場數值模擬方法確定纏繞管式換熱器的內部最佳排列結構，進而確定螺旋角，管間距，層間距等重要參數，最后，根據已經參數確定完整的排列方式，即可獲得確定的管束設計方案，進行相關產品的加工制造過程。將加工好的螺旋管束按本發明所述數學模型纏繞于中心筒上，管束兩端安裝管板并固定；將加工好的管芯通過上支撐環17下下支撐環22安裝于加工制造好的帶真空絕熱的筒體7內；將上下管板固定于上下封頭內；將上下封頭與筒體6連接；將上管箱13、下管箱1、接管10、接管23分別與相應的流體管道連接。逆流時，從下管箱1流入管程的流體經過下管板3分流后流入各纏繞管束9，流體在分層纏繞管束9內流動，并與從接管10進入殼程的流體在殼體7內進行復雜的熱量交換，交換完畢后，經上管板12，沿上管箱13流出；殼程流體沿下接管23流出。并流時，從上管箱13 流入管程的流體經過上管板12分流后流入各纏繞管束9，流體在分層纏繞管束9內流動，并與從接管10進入殼程的流體在殼體7內進行復雜的熱量交換，交換完畢后，經下管板3，下管箱1流出；殼程流體沿下接管23流出。
權利要求
1.一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，包括下管箱1、真空接管2、下管板3、法蘭4、真空接管5、外壓殼體6、內壓殼體7、中芯筒8、螺旋盤管9、接管10、上外壓封頭11、上管板12、上管箱13、真空接管14、上外壓封頭15、法蘭16、螺旋盤管上支撐環17、 耳座18、支撐環19、絕熱圈20、珠光砂21、螺旋盤管下支撐環22、接管23、下內壓封頭M、下外壓封頭25、裙座沈，其特征在于螺旋盤管9繞中芯筒8層層纏繞，纏繞后的管芯通過下支撐環22與上支撐環17安裝于內壓殼體7內，上出口連接管板12，下出口連接管板3 ；內壓殼體7與外壓殼體6之間為真空夾層，頂部為進口接管10，底部為出口接管23，夾層內填充珠光砂21，安裝支撐環19、絕熱圈20，外壓殼體6中間安裝耳座18，底部安裝真空接管5， 外壓殼體表面安裝真空接管5 ；上外壓封頭11與上內壓封頭15之間為真空夾層，頂部安裝管箱13，上管箱13下部為管板12，外壓封頭11表面安裝真空接管14 ；下外壓封頭25與下內壓封頭M之間為真空夾層，夾層內有支撐環19、絕熱圈20，底部安裝下管箱1，管箱1上部為管板3 ；外壓封頭25表面安裝真空接管2，正下方安裝裙座沈；上封頭11與筒體6通過法蘭16連接，下封頭25與筒體6通過法蘭4連接。
2.根據權利要求1所述的一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，其特征在于第一層纏繞管內共有= 根管道，第一層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板3， 穿過支撐環22，沿周長為Λ = 2 vr中芯筒8基圓以固定起始角βλ1 = -α固定上升螺旋角 bx = θ n向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第一層內第二根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿中芯筒8基圓以固定起始角β U = -Ci-In Im及固定上升螺旋角K = θ 12向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第一層內第力根螺旋盤管 9 一端固定于管板3，穿過支撐環22沿中芯筒8基圓以固定起始角β讓= -α-2π {h~l) /m 及固定上升螺旋角bx = Olh向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第二層內共有t2 根管道，第二層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為4=2 vr的基圓、以固定起始角β 2l = α+π/m固定上升螺旋角Ih = θ 21向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12 ；第/7層內共有tn:m— (/7-1) i/根管道，第η層內第一根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為厶=2 vr [ +(Z7-I)i/]的基圓、以 Am 二 [σ+ττ (1/ +1/( + /)+1/( +2 /)+… +l/Qn+(n-2)d))]X(-ir固定起始角、固定上升螺旋角、=向上纏繞，再穿過上支撐環 17并固定于管板12 ；第層內第i根螺旋盤管9 一端固定于管板3，穿過支撐環22，沿與中芯筒8基圓同心、周長為厶=2vr[ +(/7-l)i/]/ 的基圓、以β(l/ni+l/ipi+d)+l/ (pi+2d) + …+1/(pi+ (/7-3) d) +2 (i-1) / (pi+ (/7-2) ^) ] X (_1” 固定起始角、固定上升螺旋角 b = θη 向上纏繞，再穿過上支撐環17并固定于管板12。
3.根據權利要求2所述的一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器管束纏繞方式，其特征在于任一螺旋管道滿足以下曲線方程組x2+/=r2ζ-2 πrktgbn n二2 πrVm+ in- ) dVmb . = θ .υ ηιηι ni={a + π {l/m+l/{m+d) +1/{m+2d) +... +1/{m+ (n~3) d) +2 (i-1)/ Qn+ (n~2) d)) ]X (-1”其中，w，ζ為變量，r為半徑，k為上升圈數，b為上升螺旋角，1為周長，m為第一層管根數，《為層數，i為層內第i根管，〃為第一層第一根螺旋管起始角，A為起始角，θ為螺旋角大小。
全文摘要
一種帶真空絕熱的單股流低溫螺旋纏繞管式換熱器，主要由螺旋纏繞管束與真空殼體組成，應用一種新的螺旋管束理論纏繞方程，建立數學模型并將其并應用于流場數值模擬過程，以此獲得管束纏繞理論計算方法并設計制造螺旋纏繞管式換熱器；其應用真空絕熱技術，采用上下封頭、筒體各自獨立的真空結構，改變了傳統真空結構與列管管束結合困難，制造、安裝、拆卸、檢修不方便等缺點；該發明可應用于-161℃天然氣低溫液化、-197℃空氣低溫液化分離、-197℃低溫液氮洗、-70℃低溫甲醇洗等氣體凈化、液化分離技術領域，可提高低溫換熱效率，具有結構緊湊，單位容積傳熱面積大，熱膨脹可自行補償，容易實現大型化，可減少換熱設備臺數等優點。
文檔編號F28D7/02GK102564167SQ20111031119
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者劉智勇, 龐鳳皎, 張周衛, 張小衛, 李炎, 楊惠君, 汪雅紅 申請人:張周衛