一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器-凯发k8娱乐

本发明属于强化换热，设计一种管板式换热器，具体涉及一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器。

背景技术：

1、管壳式换热器以其结构简单、可靠程度高、适应性强、承受压力高及操作弹性大等显著特点，在各个工业领域中的应用仍占有较大的比重。相比于传统的弓形折流板换热器，三分螺旋折流板换热器具有流动阻力小、无流动死区、传热性能好、管束不易结垢以及能防止管束流体诱导振动、适合于常用的正三角形换热管排列等诸多优点。

2、随着螺旋折流板换热器的应用范围逐渐扩大，为提高其传热效率和可靠性，不断出现新的结构、材料和设计方法，现有技术中螺旋折流板分两种，第一种是曲面型螺旋折流板，整个螺旋折流板为一整块曲面板，对换热介质导向好，但是该种类型螺旋折流板制作成本极其高昂，目前来说，除了采用3d打印技术进行实验室制作以外，基本没有找到可以商业化的制作方法，另一种就是三分螺旋折流板，由三块平板型的扇形板按照一定的螺旋倾斜角度拼接而成，该类型螺旋折流板可以采用常用机械加工设备加工，制作成本低廉，已经有商业化应用，但是该型螺旋折流板存在一个无法克服的缺陷，由于扇形板是平板型，因此在相邻两块折流板拼接处会产生一个v型泄漏区，造成换热介质泄漏，无法按照设定的螺旋路径流动，也就是降低了换热效率。特别是对于大中型三分螺旋折流板换热器，三分螺旋折流板的尺寸较大，使得中心区域相邻螺旋折流板间的v型区域泄漏较多，严重降低传热性能。且较长的螺距有可能诱发管束振动也是必须考虑的问题。

3、如图1所示，现有生物中，树木的水分和营养输送是分层式输送，即不同的树枝采用不同的导管进行输送，这样各个树枝之间相互不干扰，也提高了输送能力，如果能够将该结构原理借鉴到换热器中，那么对换热器设计来说，可能会打开一种全新思路；因此有必要利用仿生学研究换热器的设计。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器。借鉴仿生分层理念，设计新型的折流板支撑结构，使壳程流体在不同的通道内分流，并且通过分流设计，减少了螺旋折流板的宽度，也就减少了v型泄漏区的相对尺寸，使之能够尽量减少两相邻螺旋折流板间v型区域流体的泄漏，获取更加均匀的速度场和温度场，提高三分螺旋折流板管壳式换热器的换热效率。此外，壳程多螺旋通道可以在通流面积基本不变的前提下缩小支撑距离，避免管束振动破坏。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器，包括壳体、管板、封头和换热管，所述管板和封头分别配置于壳体两端；换热管配置于壳体内，且两端分别与管板密封相连；所述壳体内设有若干同轴套叠的筒体隔板，所有筒体隔板从内至外长度依次递减，每个筒体隔板两端分别通过一个环形隔板密封在壳体的内壁上，从而将壳体内分割成多个相对独立的壳程通道，壳体上设置与每个壳程通道连通的壳程进出口；每个壳程通道内均设有螺旋折流板，所述螺旋折流板的板体及环形隔板上均设置有供换热管穿过的孔洞。

4、进一步地，所述螺旋折流板为三分螺旋折流板，由三个扇形折流板为一组呈螺旋分布安装形成，所有扇形折流板通过换热管固定组装。

5、进一步地，每个三分螺旋折流板的扇形折流板内、外两侧设置分别设置为与相应壳程通道内、外侧壁匹配的形状。

6、进一步地，所述扇形折流板的螺旋倾斜角度为15°～30°。

7、进一步地，所述换热管在壳体的横断面内呈阵列分布。

8、进一步地，在壳体的横断面内，任意相邻的三根换热管呈正三角形分布。

9、进一步地，不同壳程通道内，所述螺旋折流板的螺旋角度可以相同或者不同。

10、进一步地，对于每个三分螺旋折流板，同一个相位角上的所有扇形折流板通过一根拉杆固定，并且拉杆两端分别固定在两个管板上。

11、进一步地，每个壳程通道内，所述三分螺旋折流板至少由9个扇形折流板首尾拼接组成。

12、进一步地，所述筒体隔板有n个，将壳体内分隔成n 1个壳程通道，相应设置有n 1组壳程进出口，n取值为1-5。

13、本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

14、1.本发明利用筒体隔板、环形隔板即管板共同支撑换热管，利用换热管、环形隔板和拉杆共同支撑螺旋折流板，设计分层螺旋折流板支撑结构，在壳程内通道采用小尺寸首尾相接周向重叠螺旋折流板，壳程中通道和外通道采用不同螺距的首尾相接周向重叠环形螺旋折流板，可以减小支撑结构的尺寸，特别是弦长的投影长度与半径相当，有利于模具的设计，并缩小钻孔过程首排与末排管孔的高度差。

15、2.壳程外通道和中通道采用小尺寸环状三分螺旋折流板，壳程内通道采用小尺寸首尾相接周向重叠螺旋折流板，可减少常规三分螺旋折流板换热器中心区域两相邻折流板之间v型区域的流体泄漏，获取更均匀的温度场和温度场，提升换热效率。

16、3.在每个通道内设置3根拉杆，使每根拉杆可以同时紧固2组扇区的折流板，且相邻折流板之间互相支撑，可增加管束的刚性，减少诱发振动的可能性。

17、4.将仿生分层结构设计思想用于常规三分螺旋折流板换热器，为传统换热设备引入新的设计理念。

技术特征：

1.一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器，包括壳体、管板、封头和换热管，所述管板和封头分别配置于壳体两端；换热管配置于壳体内，且两端分别与管板密封相连；其特征在于：所述壳体内设有若干同轴套叠的筒体隔板，所有筒体隔板从内至外长度依次递减，每个筒体隔板两端分别通过一个环形隔板密封在壳体的内壁上，从而将壳体内分割成多个相对独立的壳程通道，壳体上设置与每个壳程通道连通的壳程进出口；每个壳程通道内均设有螺旋折流板，所述螺旋折流板的板体上设置有供换热管穿过的孔洞。

2.根据权利要求1所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：所述螺旋折流板为三分螺旋折流板，由三个扇形折流板为一组呈螺旋分布安装形成，所有扇形折流板通过换热管固定组装。

3.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：每个三分螺旋折流板的扇形折流板内、外两侧设置分别设置为与相应壳程通道内、外侧壁匹配的形状。

4.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：所述扇形折流板的螺旋倾斜角度为15°～30°。

5.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：所述换热管在壳体的横断面内呈阵列分布。

6.根据权利要求5所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：在壳体的横断面内，任意相邻的三根换热管呈正三角形分布。

7.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：不同壳程通道内，所述螺旋折流板的螺旋角度可以相同或者不同。

8.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：对于每个三分螺旋折流板，同一个相位角上的所有扇形折流板通过一根拉杆固定，并且拉杆两端分别固定在两个管板上。

9.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：每个壳程通道内，所述三分螺旋折流板至少由9个扇形折流板首尾拼接组成。

10.根据权利要求2所述的壳程多通道螺旋折流板换热器，其特征在于：所述筒体隔板有n个，将壳体内分隔成n 1个壳程通道，相应设置有n 1组壳程进出口，n取值为1-5。

技术总结
本发明公开了一种基于仿生分层的壳程多通道螺旋折流板换热器，包括壳体、管板、封头和换热管，所述管板和封头分别配置于壳体两端；换热管配置于壳体内，且两端分别与管板密封相连；壳体内设有若干同轴套叠的筒体隔板，所有筒体隔板从内至外长度依次递减，每个筒体隔板两端分别通过一个环形隔板密封在壳体的内壁上，从而将壳体内分割成多个相对独立的壳程通道，壳体上设置与每个壳程通道连通的壳程进出口；每个壳程通道内均设有螺旋折流板，所述螺旋折流板的板体上设置有供换热管穿过的孔洞。本发明减少了制作折流板的模具尺寸，易于加工和安装；管束更加紧凑，可以减少诱发振动的可能性；同时减少v型区域的泄漏，获取更均匀的速度场和温度场。

技术研发人员：顾花朵,肖童,吴嘉峰,陈亚平
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17