一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器的制作方法

1.本实用新型属于换热器技术领域，涉及一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器。


背景技术：

2.热交换器作为实现物料之间热量相互传递，实现能量再利用的工艺设备，应用于国民经济的各工业部门，如石油、化工、动力、冶金、电子、航空航天、轻工和交通运输等工业中，有效实现加热、冷却、蒸馏、供暖等各种热量传递、回收过程。
3.列管式热交换器是目前使用最为广泛的换热设备。它具有其他换热设备无法企及的特点：结构坚固、可靠性能、容易成型、传热效果好、生产成本低、表面清洗方便。对与热交换器而言，换热管束是热交换器的核心元件，换热管束的结构和形式决定热交换器的传热效果。列管式热交换器是目前应用广泛的间壁式换热器，其主要换热元件为列管管束，为了能够增加壳程传热效果，采用折流板来改变壳程介质的流向，使流体横向冲刷列管管束，以提高传热效果。
4.中国专利cn201320793605.1公开了一种套管式列管换热器，包括筒体、封头、外管板、内管板以及由多个套管组成的套管束，其中筒体两端封装有封头，筒体两端分别竖直固装有外管板，两个外管板里侧的筒体上分别竖直固装有内管板，筒体内横向安装有套管束，该套管束均由一根外管及同轴穿装在该外管内的内管组成，外管固定在两道内管板上，内管固定在两道外管板上。该技术方案具有结构简单、设计科学合理等优点，与管壳式换热器相比，套管式列管换热器结构强度相同，换热效率大幅提高，与板式类换热器相比，换热效率相同，结构强度大幅提高，而且换热器的传热系数和换热速率有很大的提高。然而该换热器仍采用折流板作为壳程扰流结构，一方面使得换热管束不易装卸，维护难度较大，另一方面则使得壳程流体不能依照理想的逆流流动模型进行换热，导致与设计换热效果之间具有较大误差，从而增大了设计换热结构的有效性。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是提供一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器，用于解决现有换热管束不易装卸，以及因壳程与管程流体与理想逆流换热模型的差异较大，导致设计换热效果偏差较大的问题。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器，包括依次并列设置的内管程进液腔、外管程出液腔、壳程换热腔、外管程进液腔、内管程出液腔；
8.所述的内管程进液腔与内管程出液腔之间连通有多个换热内管，所述的换热内管依次贯穿外管程出液腔、壳程换热腔、外管程进液腔；
9.所述的外管程出液腔与外管程进液腔之间连通有多个换热外管，所述的换热外管贯穿壳程换热腔，并套设于换热内管外，形成粗细套管；
10.所述的换热外管包括沿轴向交替分布的连接管段与齿形支撑段，齿形支撑段中的换热外管管壁沿径向向外凸出，并沿周向间隔分布，形成齿形支撑结构；相邻换热外管之间的齿形支撑结构相互抵接，形成粗细套管管束自支撑结构。
11.其中，所述的管壁沿径向向外凸出是指，管外壁向外凸出，相应的管内壁产生凹陷，从而在起到支撑作用的同时，也使套管内流体通道发生改变，进而增大管内流体的紊流程度，提高传热效果。
12.进一步地，相邻粗细套管之间呈三角形阵列分布。
13.进一步地，齿形支撑段中的换热外管管壁截面呈六齿齿轮状，相邻齿形支撑结构之间通过六齿齿轮状的管壁凸出端相抵接，保证粗细套管管束的整体结构稳定性。同时，间断设置的齿形支撑结构也使得壳程流体通道间隔变化为蜂窝状，从而有利于增加壳程流体的扰流程度，减薄壳程流体与粗管的层流厚度，强化传热效果。
14.进一步地，所述的粗细套管管束自支撑结构还包括套设于粗细套管管束外的捆扎带。
15.进一步地，所述的捆扎带与换热外管上的齿形支撑结构相抵接。
16.进一步地，所述的换热内管的管壁上还设有螺旋扰流板。
17.进一步地，所述的螺旋扰流板的外端与换热外管的连接管段内壁相接触，形成螺旋板支撑结构。
18.进一步地，所述的换热内管管径为10-38mm，所述的换热外管中，连接管段管径为19-57mm，齿形支撑段管径为25-72mm。
19.进一步地，所述的热交换器包括相互合围形成内管程进液腔的内管程进液箱与内管程进液分布板、相互合围形成外管程出液腔的外管程出液箱与外管程出液收集板、相互合围形成外管程进液腔的外管程进液箱与外管程进液分布板、相互合围形成内管程出液腔的内管程出液箱与内管程出液收集板，以及与外管程出液箱、外管程进液箱合围形成壳程换热腔的换热筒体；
20.所述的内管程进液箱上设有内管程进口管，所述的内管程出液箱上设有内管程出口管，所述的外管程出液箱上设有外管程出口管，所述的外管程进液箱上设有外管程进口管，所述的换热筒体上设有壳程进口管与壳程出口管。
21.进一步地，所述的外管程出液箱靠近内管程进液箱的一端、外管程进液箱靠近内管程出液箱的一端分别设有细管管板，所述的换热内管的两端分别固定于相应的细管管板上，并分别与内管程进液分布板、内管程出液收集板相连通；
22.所述的换热筒体两端分别设有粗管管板，所述的换热外管两端分别固定于相应的粗管管板上，并分别与外管程出液收集板、外管程进液分布板相连通。通过分别设置相应的换热内管进出液箱以及换热外管进出液箱，并将换热内管的两端固定在细管管板上，将换热外管的两端固定在粗管管板上，以保证粗细套管中的换热内管结构能够固定安装的可行性。
23.本实用新型中的新型粗细套管式双管程热交换器属于管壳式热交换器，其管程换热管与管板连接方式、壳程外壳(即换热筒体)、管板均与传统管壳式换热器相同，可按照gb/t151-2014《热交换器》规范进行设计。本实用新型需要注意的是换热管管束中有粗管和细管，且粗管和细管管箱分离，其制备方法可参考以下步骤：
24.1)穿换热外管使得齿顶之间相互支撑并胀焊接到粗管管板上；
25.2)在换热外管的齿形支撑结构处套设捆扎带，使管束成为一个自支撑整体；
26.3)组装换热筒体；
27.4)组装换热外管进出液箱和细管管板；
28.5)在换热内管外焊接螺旋扰流板；
29.6)将换热内管穿入换热外管内，胀焊换热内管到细管管板上；
30.7)组装换热内管进出液箱。
31.本实用新型提供了一种新型粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器，采用传统热交换器的列管布置方式，因而具备传统热交换器的结构可靠、易于成型、传热高效和成本低廉等优势。同时在传统热交换器的基础上，本实用新型采用内外嵌套设置的粗细套管结构，并在套管内间断设置螺旋扰流板，以替代传统的壳程折流板结构，从而保证换热内管流体与粗细套管流体之间的严格逆流传热。此外，本实用新型还将换热外管结构设置为间断分布的齿形支撑结构，依靠齿形之间的相互支撑，配合管束外设置的困扎带，将所有粗细套管紧紧贴合一起，使得换热管束成为一个整体。
32.与传统折流板式热交换器相比，本实用新型中间断设置的齿形支撑结构还可将壳程流体通道截面间隔调整为蜂窝状，从而有利于增加壳程流体的扰流程度，减薄壳程流体与换热外管之间的层流厚度，强化传热效果。并且粗细套管内的螺旋折流板和换热外管上的齿形支撑结构一同增加了粗细套管内流体的紊流程度，同时凭借套管内流体与内管流体之间的严格逆流高效传热，强化了粗管内流体的传热效果，并提高了单位体积内的热交换器的传热面积。
33.与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
34.1)本实用新型采用传统列管式管壳热交换器布管方式，并将换热内管穿插到换热外管内形成粗细套管，粗细套管上沿轴向交错布设螺旋板支撑结构与齿形支撑结构，其中螺旋板支撑结构一方面起到支撑内外换热管的作用，以避免换热内管因跨距过大，振动过大，在与细管管板的焊接接头位置产生疲劳裂纹；另一方面也起到扰流作用，加强套管内流体与壳程流体之间、以及套管内流体与内管流体之间的换热效果；
35.同样的，齿形支撑结构可与捆扎带相配合，在保证粗细套管管束的结构稳定性的同时，也在壳程内形成了蜂窝状的壳程流体通道，从而强化了壳程流体的紊流程度，并且其管壁外凸结构也使得套管内流体通道发生改变，进而有利于促进传热效果；
36.2)本实用新型将传统管壳式换热器管束改为粗细套管间断齿形自支撑管束，将传统的单管箱换热器改为双管管箱换热器，并舍弃了壳程折流板结构，从而可以实现换热内管流体与粗细套管流体之间、粗细套管流体与壳程流体之间的严格逆流高效传热，在保证传热效果的同时，也可以根据传热介质的流量、温差和比热容确定所需的换热量，再根据本实用新型的热交换器的间壁传热系数确定所需的传热面积，选择合理的粗细套管组合，以便实现细管换热管腔体内介质、粗换热管和细管换热管之间的腔体介质和壳程腔体内介质三者之间的热量传递；
37.3)本实用新型中的换热管包括嵌套设置的换热内管与换热外管，并分别设置相应的进出液管箱，从而有效避免了由于换热管管径的不同，而使得换热管内流体分布不均匀的情况，同时还可以在换热内管与换热外管内分别通入不同换热介质，进而实现换热外管
介质和壳程介质，以及换热内管介质和换热外管介质同时进行热量交换；
38.4)本实用新型中换热管布管设计更加合理紧凑，增加了单位体积热交换器的换热面积，与同等换热效果的热交换器相比，所需体积更小，更有利于提高工业厂区的空间利用率。
附图说明
39.图1为实施例中一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器的结构示意图；
40.图2为图1中a-a断面图；
41.图3为图1中b-b断面图；
42.图4为图1中c-c断面图；
43.图5为粗细套管的结构示意图；其中p为连接管段，l为齿形支撑段；
44.图6为图5中d-d断面图；
45.图7为图5中e-e断面图；
46.图8为图5中f-f断面图；
47.图9为齿形支撑段处换热外管的截面图；
48.图中标记说明：
49.1-内管程进液腔、101-内管程进液箱、102-内管程进液分布板、103-内管程进口管、2-外管程出液腔、201-外管程出液箱、202-外管程出液收集板、203-外管程出口管、3-壳程换热腔、301-换热筒体、302-壳程进口管、303-壳程出口管、4-外管程进液腔、401-外管程进液箱、402-外管程进液分布板、403-外管程进口管、5-内管程出液腔、501-内管程出液箱、502-内管程出液收集板、503-内管程出口管、6-换热内管、7-换热外管、8-捆扎带、9-细管管板、10-粗管管板、11-螺旋扰流板。
具体实施方式
50.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
51.实施例：
52.如图1所示的一种粗细套管间断齿形自支撑双管程热交换器，包括内管程进液箱101、内管程进液分布板102、外管程出液箱201、外管程出液收集板202、外管程进液箱401、外管程进液分布板402、内管程出液箱501、内管程出液收集板502、换热筒体301，以及多个嵌套设置的换热内管6与换热外管7。
53.其中，内管程进液箱101与内管程进液分布板102相互合围形成内管程进液腔1，外管程出液箱201与外管程出液收集板202相互合围形成外管程出液腔2，外管程进液箱401与外管程进液分布板402相互合围形成外管程进液腔4，内管程出液箱501与内管程出液收集板502相互合围形成内管程出液腔5，换热筒体301、外管程出液箱201、外管程进液箱401相互合围形成壳程换热腔3。内管程进液箱101上设有内管程进口管103，内管程出液箱501上设有内管程出口管503，外管程出液箱201上设有外管程出口管203，外管程进液箱401上设有外管程进口管403，换热筒体301上设有壳程进口管302与壳程出口管303。外管程出液箱
201靠近内管程进液箱101的一端、外管程进液箱401靠近内管程出液箱501的一端分别设有细管管板9。换热内管6依次贯穿外管程出液腔2、壳程换热腔3、外管程进液腔4，其两端分别固定于相应的细管管板9上，并分别通过内管程进液分布板102、内管程出液收集板502上的液体分布孔，与内管程进液腔1、内管程出液腔5相连通。换热筒体301两端分别设有粗管管板10。换热外管7贯穿壳程换热腔3，其两端分别固定于相应的粗管管板10上，并分别通过外管程出液收集板202、外管程进液分布板402上的液体分布孔，与外管程出液腔2、外管程进液腔4相连通。
54.如图1及图5所示，换热外管7包括沿轴向交替分布的连接管段与齿形支撑段，齿形支撑段中的换热外管7管壁沿径向向外凸出，并沿周向间隔分布，形成齿形支撑结构，具体为如图9所示的六齿齿轮状管壁截面结构；相邻换热外管7之间的齿形支撑结构相互抵接，并通过套设于粗细套管管束外的捆扎带8进行固定，形成如图4所示的粗细套管管束自支撑结构，其中捆扎带8优选的固定在换热外管7上的齿形支撑结构处。
55.此外，换热内管6的管壁上还设有螺旋扰流板11，该螺旋扰流板11的外端与换热外管7的连接管段内壁相接触，形成螺旋板支撑结构。
56.如图2-4以及图6-8所示，相邻粗细套管之间呈三角形阵列分布，使得相互抵接的齿形支撑结构之间形成蜂窝状壳程流体通道，以强化壳程流体的紊流程度，提高传热效率。
57.本实施例中，换热内管6管径为10mm，换热外管7中，连接管段管径为19mm，齿形支撑段管径为25mm。根据实际需要，也可参照图9以及表1，选择相应的换热内管6与换热外管7尺寸。
58.表1粗细套管合理的组合
59.60.本实用新型的壳程结构保留传统换热器的外形结构和安装方式，同时创新的将换热管束改成粗细套管间断齿形自支撑管束，依靠齿形支撑结构完成换热管粗管相互支撑，换热内管6则利用螺旋扰流板进行支撑。换热内管管程流体保留了传统热交换器的流动方式，由于本实用新型粗管间断齿形的蜂窝状结构，以及换热外管7和换热内管6之间的特殊螺旋结构，使得换热外管7内流体既与壳程流体进行间壁换热，又与换热内管6内流体进行了间壁换热，保证了换热外管管程介质的热量交换的充分性。
61.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。