一种换热器及其换热管排布优化方法技术

本发明专利技术提供了一种换热器及其换热管排布优化方法，其中管束中相邻的四根换热管之间以正方形排布，其中换热管外径为d、相邻换热管中心间距为P、正方形边线与水流方向夹角为入流角α，α≤90

【技术实现步骤摘要】
一种换热器及其换热管排布优化方法


[0001]本专利技术属于换热器
，具体涉及一种换热器及其换热管排布优化方法。

技术介绍

[0002]目前，普通管壳式换热器由管箱、壳体、管板、换热管等组成，换热管管束排列紧凑，整个换热器的壳程阻力大，换热管换热效率不高，物料换热温差范围较小。为提升换热效率，有通过在换热管上增设翅片等手段，但相应的会增加壳程的流动阻力，进而导致换热管的震荡加剧，降低了换热器的使用寿命。
[0003]针对上述问题，申请号为CN201920963907.6的中国专利“一种固定管板式换热器”通过采用非金属材料的换热管与金属材料的管板，并进一步改进两者之间的连接和密封结构，以此做到避免换热管与管板直接接触，从而防止因振动所导致的换热管结构破坏，提升换热器的使用寿命。但是此方案也将现有换热器的加工难度提升了一个等级，并且减少震动的措施也未能减少壳程流动阻力，因而运行性能范围窄。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种换热器及其换热管排布优化方法，用以解决壳程内流动阻力与换热效率之间的优化平衡问题。
[0005]本专利技术通过以下技术手段实现上述技术目的。
[0006]一种换热管排布优化方法：管束中相邻的四根换热管之间以正方形排布，其中换热管外径为d、相邻换热管中心间距为P、所述正方形边线与壳程物料冲刷方向夹角为入流角α，α≤90
°
；对于上述排布：首先获取P/d、α以及壳程物料进口流速U三者对于壳程阻力C
>D
和湍流度C
L
之间的响应关系；之后以C
D
最小、C
L
最大为目标，进行多目标优化；最后根据优化结果，选取C
D
和C
L
，并基于所述响应关系反推出P/d和α取值。
[0007]进一步地，采用Box
‑
Behnken Design和Response Surface Method分析获取所述响应关系。
[0008]进一步地，采用Nondominated Sorting Genetic Algorithm II遗传算法进行所述多目标优化。
[0009]进一步地，所述换热管表面密布有椭球形凸起，前后凸起之间以螺旋状排布。
[0010]进一步地，所述凸起的高度为0.15d，前后凸起中心间距为2.4d，前后凸起之间偏转角度为45
°
。
[0011]进一步地，进口流速U设计值为0.1m/s时，所述换热管(3)之间中心间距P为2.1d，入流角α为22
°
；进口流速U设计值为0.3m/s时，所述换热管(3)之间中心间距P为1.25d，入流角α为14
°
；进口流速U设计值为0.5m/s时，所述换热管(3)之间中心间距P为1.25d，入流角α为7
°
。
[0012]一种换热器，包括管箱、筒体和换热管，其中所述管箱分别连接与筒体两端，在管箱与筒体之间设有管板，在筒体内设有折流板；所述换热管通过管板固定在筒体之中，且两
端分别与两侧管箱相连通，所述换热管采用上述的换热管排布优化方法进行排布设置。
[0013]进一步地，所述换热器为单壳程双管程结构。
[0014]进一步地，所述折流板为弓形折流板，相邻折流板之间间距为0.3D，折流板的圆缺高度为0.25D，其中D为筒体内径。
[0015]进一步地，所述换热管采用钢材质，所述折流板采用聚丙烯材质。
[0016]本专利技术的有益效果为：
[0017](1)本专利技术提供了一种换热管排布优化方法，其中将常见的三角形排布改进为正方形排布，并在此基础上通过研究间距以及入流角度对于壳程阻力和湍流度之间的影响关系，进而给出最佳的排布参数取值方案，实现壳程阻力与湍流度之间的平衡，做到一方面尽可能降低壳程阻力，另一方面尽可能提升湍流度以维持较高的换热效率。
[0018](2)本专利技术中通过采用表面带有椭圆形凸起的换热管，以此改变壳程物料的流场，进一步地减少壳程流动阻力和换热管横向振动。
[0019](3)本专利技术还提供了一种采用上述优化方法排布换热管管束的换热器，其中针对不同的壳程进口流速，分别给出了相应最优的换热管排布参数，相比随意设置的排布参数，能够降低壳程阻力并同时大幅提升换热效率。
附图说明
[0020]图1为本专利技术换热器结构图；
[0021]图2为本专利技术换热器中折流板尺寸图；
[0022]图3为本专利技术换热管侧视图；
[0023]图4为本专利技术换热管很截面图；
[0024]图5为本专利技术换热管排布示意图；
[0025]图6(a)为入流角度与换热管间距之间对于壳程阻力的曲面图；
[0026]图6(b)为进口流速与换热管间距之间对于壳程阻力的曲面图；
[0027]图6(c)为入流角度与进口流速之间对于壳程阻力的曲面图；
[0028]图7(a)为入流角度与换热管间距之间对于湍流度的曲面图；
[0029]图7(b)为进口流速与换热管间距之间对于湍流度的曲面图；
[0030]图7(c)为入流角度与进口流速之间对于湍流度的曲面图；
[0031]图8为壳程阻力与湍流度之间优化曲线图。
[0032]附图标记：
[0033]1‑
管箱；11
‑
管程接管；12
‑
管板；2
‑
筒体；
[0034]21
‑
折流板；22
‑
拉杆；23
‑
定距管；24
‑
壳程接管；
[0035]25
‑
支架；3
‑
换热管。
具体实施方式
[0036]下面详细描述本专利技术的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0037]如图1所示的管壳式换热器，为单壳程双管程结构，具体包括管箱1、筒体2和换热
管3；其中筒体2底部通过支架25安置在地面上，在筒体2两端分别连接有管箱1，在管箱1与筒体2之间设有管板12，其中管板12可采用焊接方式与筒体2端部连接，而管板12与管箱1之间则可采用螺栓连接。在图示左侧管箱1上下两侧分别设有管程接管11，同时在左侧管箱1内部还设有分隔板，分隔板过管箱1轴线将管箱1内腔等分为上下两部分，其中上部分内腔与上侧管程接管11相连通、下部分内腔与下侧管程接管11相连通。
[0038]所述筒体2侧壁上开设有两个壳程接管24，两壳程接管24位于筒体2两端。在筒体2内部且位于两壳程接管24之间均布有多块折流板21，所述折流板21具体为弓形折流板，折流板21通过拉杆22和定距管23安装固定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种换热管排布优化方法，其特征在于：管束中相邻的四根换热管(3)之间以正方形排布，其中换热管(3)外径为d、相邻换热管(3)中心间距为P、所述正方形边线与壳程物料冲刷方向夹角为入流角α，α≤90
°
；对于上述排布：首先获取P/d、α以及壳程物料进口流速U三者分别对于壳程阻力C
D
和湍流度C
L
之间的响应关系；之后以C
D
最小、C
L
最大为目标，进行多目标优化；最后根据优化结果，选取C
D
和C
L
，并基于所述响应关系反推出P/d和α取值。2.根据权利要求1所述的换热管排布优化方法，其特征在于：采用Box
‑
Behnken Design和Response Surface Method分析获取所述响应关系。3.根据权利要求1所述的换热管排布优化方法，其特征在于：采用Nondominated Sorting Genetic Algorithm II遗传算法进行所述多目标优化。4.根据权利要求1所述的换热管排布优化方法，其特征在于：所述换热管(3)表面密布有椭球形凸起，前后凸起之间以螺旋状排布。5.根据权利要求4所述的换热管排布优化方法，其特征在于：所述凸起的高度为0.15d，前后凸起中心间距为2.4...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志杨，王希坤，李亚林，史鸿博，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：