一种花格折流板优化方法、花格折流板及管壳式换热器技术

本发明专利技术属于换热器技术领域，公开了一种花格折流板优化方法、花格折流板及管壳式换热器，花格折流板优化方法包括对花格折流板的非对称体积比和相邻折流板错位角基于构形理论进行优化，非对称体积比为0.3～1，相邻折流板错位角为20

【技术实现步骤摘要】
一种花格折流板优化方法、花格折流板及管壳式换热器


[0001]本专利技术属于换热器
，尤其涉及一种花格折流板优化方法、花格折流板及管壳式换热器。

技术介绍

[0002]目前，管壳式换热器的发展历史已经超过100年，是使用历史最长、适用领域最广泛的换热器类型之一，因结构简单、适应环境能力强、加工制作容易等特点，在高温、高压以及各种复杂的工业生产环境中具有独特的优势，广泛应用于化工、炼油、核电、制药、食品、冶金、航空等工业领域中，占换热器市场份额一半以上，提高其传热性能，可以降低能源损耗，提高能源的利用效率，对于促进节能减排，提高工业生产效益有着重要意义。
[0003]按强化区域划分，管壳式换热器强化传热可分为管程强化传热和壳程强化传热两个方向。壳程强化传热往往使用不同形式的折流结构以改变壳程流体流态。不同的折流板结构会对壳程流体流态产生不同的影响，传热性能和压降也会随之改变。最简易的管壳式换热器折流板即为单弓形折流板，这种折流板可引导流体沿着折流板间隙呈现Z字形折返流动，与没有折流板的情况相比，在增强流体局部混合和传热能力方面显示出显著优势。但是因为主流方向不断变化并且会对换热管造成严重的垂直冲击，常导致压降增大、流动死区的形成和诱导振动。这些缺陷增加了换热器的维护成本并缩短了设备的使用寿命。多年以来，学者们已经尝试提出和优化多种折流板结构以提高换热器性能，例如单弓形折流板、折流杆、开孔折流板及螺旋折流板等。
[0004]其中，螺旋折流板结构因其传热性能好、流动死区小、压降相对较低而被学术界和工程界关注。然而螺旋折流板结构较为复杂，由于加工与安装困难、制造成本较高等原因，使其在实际生产过程上的应用受到巨大限制。为了解决这个问题，花格折流板结构应运而生。该结构由两个对称的四分之一扇形折流板组成，与螺旋折流板有根本区别，但是通过相邻折流板的扇形缺口交错布置，同样可以引导流体在两块折流板的位置之间改变流向产生螺旋流动。这种花格折流板比弓形折流板可使流体流态变化更平缓，因此流动阻力更小，不容易产生流动死区；在达到螺旋流动的同时，比螺旋折流板的结构更简单，加工制造的成本更低。然而，固定的结构和布置无法最大化地发挥该结构的技术优势。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)单弓形折流板导致的主流方向不断变化并且会对换热管造成严重的垂直冲击，常导致压降增大、流动死区的形成和诱导振动，这些缺陷增加了换热器的维护成本并缩短了换热器设备的使用寿命。
[0007](2)螺旋折流板结构较为复杂，由于加工与安装困难、制造成本较高等原因，使其在实际生产过程上的应用受到巨大限制。
[0008](3)现有的花格折流板的结构和布置无法最大化地发挥该结构的技术优势。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种花格折流板优化方法、花格折流板及管壳式换热器。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种花格折流板优化方法包括：
[0011]构形设计遵循优化演化的基本思想。在给定约束的前提下，几何量相互关联，梯队进行多自由度优化，有助于系统探索几何尺寸与结构性能的基本关系。例如，在以往的折流板研究中，单个折流板的体积往往不是固定的，这就会导致换热器整体材料质量不相等，流体流经折流板段产生的射流效果不同，因此对于折流板的形状和位置性能比较并不明显。基于构形理论给定单块折流板体积约束下的优化设计代表了给定材料质量和挡板缺口流体速率下的优化设计，符合应用要求，有利于对比分析折流板形状和布局设计的优缺点。因此，构形理论在管壳式换热器挡板中的应用具有鲜明的特点和优势。本专利技术对花格折流板的非对称体积比和相邻折流板错位角基于构形理论进行优化，非对称体积比为0.3～1，相邻折流板错位角为20
°
～90
°
，花格折流板的形状和布置位置会随着非对称体积比和错位角的变化而变化，从而对壳程流体流态施加不同程度的影响，流体的流动阻力和传热性能也会随之改变，通过设置更加合适的非对称体积比和错位角使其综合传热性能相比原结构得到显著提高。
[0012]本专利技术的另一目的在于提供一种花格折流板，所述花格折流板由两块总体积保持不变，体积成一定比例并且对称轴在同一条直线上的扇形折流板构成，相邻折流板的对称轴之间存在一定错位角。
[0013]本专利技术的另一目的在于提供一种管壳式换热器，所述管壳式换热器安装有花格折流板，所述管壳式换热器还设置有壳体、管板、换热管和管程封头，壳体为圆筒形，壳体内部装有若干换热管，换热管两端固定在管板上，壳体两端分别安装有一个管程封头；
[0014]所述换热管在花格折流板中间开设有通孔中穿过。
[0015]进一步，所述管壳式换热器由304不锈钢制成，导热系数为14.5W/(m
·
k)。
[0016]进一步，所述管壳式换热器的长度为750mm，换热管外径为10mm，壁厚为0.5mm。
[0017]进一步，所述管壳式换热器中的折流板数量为12。
[0018]进一步，所述折流板横截面积占壳体横截面积的1/2。
[0019]进一步，所述相邻折流板的错位角相同，相邻折流板间距为50mm。
[0020]结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0021]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0022]本专利技术将单弓形折流板和花格折流板的结构特点相结合，提出可对花格折流板的非对称体积比及相邻折流板错位角这两个设计变量进行优化，并且在管壳式换热器折流板优化领域中首次引入了构形理论，改变了以往折流板优化中随意改变折流板体积的研究思路，给定单块折流板体积约束条件使优化结果更具有对比性，更符合实际应用要求。优化形成的非对称错位花格折流板，同时具备单弓形折流板和花格折流板的特点，综合性能显著提高。
[0023]第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本专利技术所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0024]本专利技术在原有的花格折流板结构基础上提出了两个优化设计变量即单块折流板的非对称体积比和相邻折流板错位角，在单块折流板体积固定的约束下通过改变折流板非对称体积比及相邻折流板的错位角使其综合性能相较于原结构得到显著提高，并在原有花格折流板基础上提出了优化后的新型结构。
[0025]第三，作为本专利技术的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0026](1)本专利技术的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
[0027]管壳式换热器作为工业领域应用最广泛的换热器类型，最常用的折流板是单弓形折流板虽然结构简单、加工制造成本低，但是有流动阻力大、综合传热性能低，还有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种花格折流板优化方法，其特征在于，所述花格折流板优化方法包括：对花格折流板的非对称体积比和相邻折流板错位角基于构形理论进行优化，非对称体积比为0.3～1，相邻折流板错位角为20
°
～90
°
。2.如权利要求1所述的花格折流板优化方法，其特征在于，非对称体积比为0.3。3.如权利要求1所述的花格折流板优化方法，其特征在于，相邻折流板错位角为20
°
。4.一种利用权利要求1～3任意一种所述的花格折流板优化方法优化后的花格折流板，其特征在于，所述花格折流板由两块总体积保持不变，体积成一定比例并且对称轴在同一条直线上的扇形折流板构成，相邻折流板的对称轴之间存在一定错位角。5.一种管壳式换热器，其特征在于，所述管壳式换热器安装有权利要求4所述的花格折流板，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志辉，刘瀚钰，陆卓群，陈华伟，奚坤，纪祥鲲，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：