專利名稱：微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種強化換熱技術領域的換熱器。
背景技術：
換熱器廣泛應用于石油、化工、制冷、發電等諸多領域，其中管殼式換熱器所占的比例最大，被譽為工業過程的“傳熱之母”。管殼式換熱器的核心部件是傳熱管，其換熱能力的好壞直接決定了換熱器性能的優劣。隨著強化換熱技術研究的不斷深入，人們開發出很多強化換熱元件，波浪管便是其中之一。波浪管利用沿軸線方向正反變化的彎曲結構使管內流體在流動時產生強烈的二次流，從而起到強化換熱的作用，而其彎曲結構對管外流體同樣會產生擾動作用，尤其在管束密集排布時效果更為明顯。利用波浪管制作管殼式換熱器有兩方面問題是值得認真研究的1.波浪管的彎曲弧度。波浪管的彎曲弧度決定了管內二次流的強度和流動阻力的大小，弧度越大二次流越強烈，換熱性能越好，但阻力也越大；另外，較大的彎曲弧度不利于管束在殼程空間的排布，還會使換熱器的體積增大，因此在利用波浪管制作換熱器時，管子的彎曲弧度不易過大。2.波浪管的殼側支撐如果采用傳統的弓形折流板對管束進行支撐，由于管束沿軸向方向存在彎曲弧度，不但會使管束和折流板的加工精度要求大幅提高，而且也會使折流板的安裝工藝變得非常復雜；另外，折流板的存在還會大幅削弱波浪管本身對殼程流體產生的擾動。因此，波浪管管束的支撐問題亟待解決。目前國內外對波浪管換熱器的研究尚未充分開展，關于波浪管換熱器的相關專利也寥寥無幾。現有的結構設計非常簡單，對波浪管的結構、在殼體內的具體布置方式和管子在管板上的排列等重要問題都沒有提出明確的方案(專利申請號94225614.X)，無法滿足換熱器實際生產和使用的技術要求。其他概念性設計也存在換熱管結構復雜、加工制造困難、難以承受高壓等突出的問題，且殼側結構無法滿足水-水換熱的設計要求，應用場合僅限于汽車廢氣的冷卻系統(專利申請號200610165381. 4)。
發明內容
本發明的目的在于提供加工簡單、結構緊湊、管間支撐結構可靠、具有很強的換熱能力的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器。本發明的目的是這樣實現的本發明微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側設置上封頭，下管板右側設置下封頭，上封頭連通管側進口，下封頭連通管側出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設置殼側出口，下管板旁設置殼側進口。本發明還可以包括1、所述的微波浪管由兩端的直線形管和中間的波浪形管組成，波浪形管由彎曲弧度相等的圓弧組成，圓弧的弧度不大于60度，一個正向彎曲的圓弧和一個反向彎曲的圓弧構成一個圓弧周期。2、殼體內微波浪管和直管以交替的方式排列，即除邊緣外，每根微波浪管的周圍均設置為直管，每根直管的周圍均設置為微波浪管，直管與微波浪管線接觸，形成互相支撐的結構，直管的直徑不小于波浪管的直徑。3、在微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器本體的剖視圖上，相鄰的三個微波浪管和三個直管構成等邊三角形，三個微波浪管為等邊三角形的三條邊，三個直管為等邊三角形的三個頂點。4、在最外圍的直管或微波浪管外設置約束圈，約束圈的內緣與最外圍的直管或微波浪管外緣沿軸向相切。5、每兩個或三個圓弧周期設置一個約束圈。6、在約束圈外側固定安裝拉桿，拉桿的兩端分別固連上管板和下管板。7、在約束圈與殼體之間，還安裝有微波浪管或/和直管。本發明的優勢在于1.微波浪管的波浪形結構可使管內流體流動時產生強烈的二次流，從而顯著強化管內換熱；而對于殼側而言，密集的波浪結構可以對殼程流體產生強烈的攪混作用，使換熱大大增強；此外，當管束長度相同時，微波浪管的實際長度要遠大于直管長度，由此可帶來換熱面積的大幅提升，從而起到附加的強化作用。2.微波浪管的加工方法簡單，不破壞換熱管機械結構，對其機械性能影響較小，可以滿足光滑直管所適用的工作環境；管子的波浪結構，可以通過適當的形變吸收在管子受熱不均勻時產生的熱應力；流體流經波浪結構時，流動方向不斷改變，產生的沖刷作用可以抑制管道表面污垢的沉積，具有良好的自清潔能力。3.省去了折流板等管間支撐部件，簡化了換熱器的結構，節省了材料，使安裝更加簡單、可靠；另外，省去折流板還可顯著降低殼程壓降以及折流板存在時帶來的污垢沉積問題和流體橫向沖刷管束時帶來的傳熱管振動和疲勞破壞，提高了換熱器的換熱能力和使用壽命。4.正六邊形約束圈的存在可適當放寬波浪管的加工精度和混合管束的配合精度，還可有效解決最外側的波浪管和光管得不到較好約束的問題；另外，正六邊形約束圈還可以填補管束與換熱器殼體之間的空間，有效減少旁通流量。5.約束圈各邊外側根據實際情況焊接一定數量的拉桿，不僅實現了約束圈的軸向固定，而且可以進一步減少殼程旁通流量，提高換熱效率。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為微波浪形換熱管示意圖3為自支撐單元結構3D示意圖；圖4為換熱器管束截面圖示意圖；圖5為管束部分裝配的3D示意圖(約束圈外全拉桿裝配)；圖6管束部分裝配的3D示意圖(約束圈外拉桿與微波浪換熱管混合裝配)。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1 6，本發明包括殼體1、微波浪管2、直管3、拉桿4、約束圈5、管板(6、7 )、上封頭8、下封頭9、管側進口 10、管側出口 11、殼側進口 12和殼側出口 13，殼體I上的殼側進口管12和殼側出口管13采用側進側出形式，安裝在殼側兩端靠近下封頭9和上封頭8的位置，沿與殼體垂直方向流入和流出殼側空間，殼側進口管12和殼側出口管13之間的夾角依據安裝要求可以為任意角度，管側進口管10和管側出口管11分別位于上封頭8和下封頭9的中心，換熱器的換熱管束由微波浪管2和直管3構成，管束不需要折流板支撐，而是依靠自身的接觸而使微波浪管和直管起到相互支撐的作用，所述換熱器的殼程流體和管程流體采用逆流方式進行換熱，在進行熱交換時，殼程流體由殼側進口管12流入，在外掠管束完成換熱后由殼側出口管13流出；管程流體由管側進口 10流入上封頭8，經管板6上的傳熱管接口流入管束，在管內完成換熱后由管板7上的傳熱管接口流入下封頭9,最后由管側出口管11流出換熱器。結合附圖2所示的微波浪形換熱管示意圖，換熱器內使用的微波浪管由兩端的直管段和中間的彎管段組成，其中直管段的長度略大于管板的厚度，而彎管段由若干彎曲弧度相等的圓弧組成，彎曲弧度一般在60°以下。微波浪管的彎管段分為若干周期，每一周期內包括一個正向彎曲的圓弧結構和一個反向彎曲的圓弧結構，且所有的圓弧結構處于同一平面內。微波浪管可通過彎管機械對光管進行多次彎曲加工得到。結合附圖3所示的自支撐單元結構3D示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，中心圓管周圍布置了 6根微波浪管，這些微波浪管的波形關于該光管軸對稱，光管與微波浪管的波峰或波谷直接接觸，互為支撐。結合附圖4所示的換熱器管束截面圖示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，管束在管板上的排列方式為等邊三角形排列(或正六邊形排列)。管板上最內側正六邊形的邊長為管中心距。在中心區外，按照波-直交替的方式依次布管，最終使得每根光管(邊緣除外)周圍均布6根波浪管，每根波浪管(邊緣除外)的波峰和波谷處均有光管支撐。布管完成后，在所布的最大正六邊形管束外需加套一個正六邊形約束圈，約束圈的內緣與混合管束外緣沿軸向相切。結合附圖5、6所示的管束部分裝配的3D示意圖，以中心圓管直徑和微波浪管直徑相等的情況為例，沿管束軸向2個微波浪管的周期布置了一個約束圈，并在約束圈各邊外側裝有拉桿和附加的傳熱管，其中拉桿與約束圈焊接在一起，這樣不但可以對約束圈起到固定作用，而且填補了管束周圍的殼程空間，減少了旁通流量，是換熱器的換熱能力有了進一步的提升。
權利要求
1.微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側設置上封頭，下管板右側設置下封頭，上封頭連通管側進口，下封頭連通管側出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設置殼側出口，下管板旁設置殼側進口。
2.根據權利要求1所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是所述的微波浪管由兩端的直線形管和中間的波浪形管組成，波浪形管由彎曲弧度相等的圓弧組成，圓弧的弧度不大于60度，一個正向彎曲的圓弧和一個反向彎曲的圓弧構成一個圓弧周期。
3.根據權利要求2所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是殼體內微波浪管和直管以交替的方式排列，即除邊緣外，每根微波浪管的周圍均設置為直管，每根直管的周圍均設置為微波浪管，直管與微波浪管線接觸，形成互相支撐的結構，直管的直徑不小于波浪管的直徑。
4.根據權利要求3所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器本體的剖視圖上，相鄰的三個微波浪管和三個直管構成等邊三角形，三個微波浪管為等邊三角形的三條邊，三個直管為等邊三角形的三個頂點。
5.根據權利要求4所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在最外圍的直管或微波浪管外設置約束圈，約束圈的內緣與最外圍的直管或微波浪管外緣沿軸向相切。
6.根據權利要求5所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是每兩個或三個圓弧周期設置一個約束圈。
7.根據權利要求6所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在約束圈外側固定安裝拉桿，拉桿的兩端分別固連上管板和下管板。
8.根據權利要求7所述的微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，其特征是在約束圈與殼體之間，還安裝有微波浪管或/和直管。
全文摘要
本發明的目的在于提供微波浪管與直管混合排列自支撐式換熱器，包括殼體、上管板、下管板、微波浪管、直管，殼體、上管板、下管板組成密閉空間，微波浪管和直管安裝在密閉空間里，上管板左側設置上封頭，下管板右側設置下封頭，上封頭連通管側進口，下封頭連通管側出口，微波浪管和直管均分別連通上封頭和下封頭，在殼體上，上管板旁設置殼側出口，下管板旁設置殼側進口。本發明微波浪管的波浪形結構可使管內流體流動時產生強烈的二次流，從而顯著強化管內換熱；當管束長度相同時，微波浪管的實際長度要遠大于直管長度，由此可帶來換熱面積的大幅提升，從而起到附加的強化作用。
文檔編號F28D7/00GK103017570SQ20131001283
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月14日 優先權日2013年1月14日
發明者范廣銘, 孫中寧, 張東洋, 徐慧強, 閻昌琪, 孫立成, 曹夏昕, 王建軍, 丁銘, 谷海峰 申請人:哈爾濱工程大學