一种远程控制的加热气体的管壳式换热器
文献发布时间:2023-06-19 12:16:29
技术领域
本发明涉及一种管壳式换热器,尤其涉及一种气体换热的管壳式换热器。
背景技术
管壳式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业,由于世界性的能源危机,为了降低能耗,工业生产中对换热器的需求量也越来越多,对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来,虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展,但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性,其仍占据产量和用量的统治地位,据相关统计,目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70%左右。
管壳式换热器结垢后,采取常规的蒸汽清扫、反冲洗等方式对换热器进行清洗,生产实践证明,效果不是很好。只能将换热器的封头拆卸下来,采用物理清理的方式,但采取该种方式进行清洗,操作复杂、耗时长,人力、物力投资较大,对连续化的工业生产带来极大的困难。
利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式,可将换热器内对流体振动诱导的严格防止转变为对振动的有效利用,使传动元件在低流速下的对流换热系数大幅度的提高,并利用振动抑制传热元件表面污垢,减低污垢热阻,实现复合强化传热。
在应用中发现,持续性的加热会导致内部流体形成稳定性,即流体不再流动或者流动性很少,或者流量稳定,导致换热管振动性能大大减弱,从而影响换热管的除垢以及加热的效率。
目前的管壳式换热器,包括双集管,一个集管蒸发,一个集管冷凝,从而形成振动除垢式热管。从而提高了热管的换热效率,减少结垢。但是上述的热管的换热均匀度不够,仅仅在一侧进行冷凝,而且换热量也少,因此需要进行改进,开发一种新式结构的热管系统。因此需要对上述换热器进行改进。
在先的申请中,已经研发了一种三热源气体管壳式换热器,但是上述管壳式换热器是根据周期进行控制,导致振动换热效果不好,智能化程度偏低,而且无法实现远程控制。因此本申请对前面的研究进行了进一步的改进。
发明内容
本发明针对现有技术中管壳式换热器的不足,提供一种新式结构的电加热管壳式换热器。该管壳式换热器能够实现远程控制换热管周期性的频繁性的振动,提高了加热效率,从而实现很好的除垢以及加热效果。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种切换热源加热气体的管壳式换热器,所述管壳式换热器包括有壳体、换热部件、壳程入口接管和壳程出口接管;所述壳程入口接管和壳程出口接管分别位于换热器的上端和下端;所述换热部件设置在壳体中,换热部件固定连接在上管板、下管板上;所述的壳程入口接管和壳程出口接管均设置在壳体上;气体从壳程入口接管进入,经过换热部件进行换热,从壳程出口接管出去;所述换热部件包括中心管、左侧管、右侧管和管组,所述管组包括左管组和右管组,左管组与左侧管和中心管相连通,右管组与右侧管和中心管相连通,从而使得中心管、左侧管、右侧管和管组形成加热流体封闭循环,左侧管和/或中心管和/或右侧管内填充相变流体,左侧管、中心管、右侧管分别设置第一热源、第二热源和第三热源,每个管组包括圆弧形的多根环形管,相邻环形管的端部连通,使多根环形管形成串联结构,并且使得环形管的端部形成环形管自由端;中心管包括第一管口和第二管口,第一管口连接左管组的入口,第二管口连接右管组的入口,左管组的出口连接左侧管,右管组的出口连接右侧管;所述左侧管与中心管之间设置左回流管,所述右侧管与中心管之间设置右回流管;所述第一管口和第二管口设置在中心管的相对的两侧;右管组的位置是左管组沿着中心管的轴线旋转180度后的位置;
其特征在于,左侧管、中心管、右侧管内分别设置第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器,用于检测左侧管、右侧管和中心管内的液位,所述控制器连接云端服务器, 云端服务器与客户端连接,其中控制器将第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器测量的液位数据传递给云端服务器,然后通过云端服务器传送给客户端,所述客户端是手机,所述手机安装APP程序,用户可以在客户端选择自动控制或手工控制的工作模式,控制器根据控制客户选择的工作模式来控制对第一、第三热源与第二热源是否进行加热。
作为优选,在手工控制的工作模式下,用户根据客户端得到第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器的数据,在客户端手工输入控制信号,然后通过云端服务器传输到中央控制器,中央控制器按照客户端输入的信号控制第一、第三热源与第二热源是否进行加热。
作为优选,在自动控制的工作模式下,控制器根据检测的左侧管、右侧管和中心管的液位来控制第一、第三热源与第二热源是否进行加热。
第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器与控制器进行数据连接,控制器根据检测的左侧管、右侧管和中心管的液位来控制第一、第三热源与第二热源是否进行加热。
作为优选,当第一、第三热源进行加热,第二热源不进行加热时,当第一或第三液位感知元件检测的液位低于一定数值,或者第一、第三液位感知元件检测的液位的平均值低于一定数值,则控制器控制第一、第三热源停止加热,第二热源进行加热;当第一、第三热源停止加热,第二热源进行加热时,当第二液位感知元件检测的液位低于一定数值,则控制器控制第一、第三热源进行加热,第二热源停止加热。
作为优选,所述左管组的环形管是以左侧管的轴线为圆心分布,所述右管组的环形管是以右侧管的轴线为圆心分布。
作为优选,所述热源是电加热器。
本发明具有如下优点:
1、本发明通过控制器实现通过液位对热源的远程自动控制,增加换热效果以及除垢效果。
2、本发明通过液位感知元件检测的液位,能够在满足一定的液位情况下,左侧管、右侧管或者中心管内部的流体的蒸发基本达到了饱和,内部流体的体积也基本变化不大,此种情况下,内部流体相对稳定,此时的管束振动性变差,因此需要进行调整,改变换热部件,使流体朝向不同方向流动。因此通过检测左侧管、右侧管、中心管内的液位变化启动新的热源进行交替式换热,增加换热效果以及除垢效果。
3、本发明蒸汽发生器的3个热源在周期内交替式的加热,能够实现弹性盘管周期性的频繁性的振动,从而实现很好的除垢以及加热效果,保证时间上加热功率基本相同。
4、本发明将盘管周期性不断增加加热功率以及降低加热功率,使得加热流体受热后会产生体积不停的处于变化状态中,诱导盘管自由端产生振动,从而强化传热。
5、本发明通过高度方向上的管组管径以及间距分布的设置,可以进一步提高加热效率。
6、本发明通过大量的实验和数值模拟,优化了管壳式换热器的参数的最佳关系,从而实现最优的加热效率。
7、本发明设计了一种新式结构的多换热部件三角形的布局图,并对布局的结构参数进行了优化,通过上述布局可以进一步提高加热效率。
附图说明:
图1是壳体结构示意图。
图2为本发明换热部件的俯视图。
图3为本发明换热部件的主视图。
图4是本发明换热部件另一个实施例的主视图。
图5是本发明换热部件的尺寸结构示意图。
图6是本发明换热部件在圆形截面加热器中的布局示意图。
图7是远程控制流程示意图。
图中:1、管组,左管组11、右管组12、21、左侧管,22,右侧管,3、自由端,4、自由端,5、自由端,6、自由端,7、环形管,8、中心管,91-93、热源,10第一管口, 13第二管口,左回流管14,右回流管15, 上管板16,折流板17,折流板18,下管板19 ,壳体20,21、壳程入口接管,22、壳程出口接管,换热部件23。
具体实施方式
一种管壳式换热器,如图1所示,所述管壳式换热器包括有壳体20、换热部件23、壳程入口接管21和壳程出口接管22;所述壳程入口接管21和壳程出口接管22分别位于换热器的上端和下端;所述换热部件23设置在壳体20中,换热部件固定连接在上管板16、下管板19上;所述的壳程入口接管21和壳程出口接管22均设置在壳体20上;气体从壳程入口接管21进入,经过换热部件进行换热,从壳程出口接管22出去。
作为优选,换热部件沿着竖直方向延伸。换热器竖直方向布置。
所述气体优选是空气,或者二氧化碳气体。
图2展示了换热部件23的俯视图,如图2所示,所述换热部件包括中心管8、左侧管21、右侧管22和管组1,所述管组1包括左管组11和右管组12,左管组11与左侧管21和中心管8相连通,右管组12与右侧管22和中心管8相连通,从而使得中心管8、左侧管21、右侧管22和管组1形成加热流体封闭循环,左侧管21和/或中心管8和/或右侧管22内填充相变流体,左侧管21、中心管8、右侧管22分别设置第一热源91、第二热源92和第三热源93,每个管组1包括圆弧形的多根环形管7,相邻环形管7的端部连通,使多根环形管7形成串联结构,并且使得环形管7的端部形成环形管自由端3-6;中心管包括第一管口10和第二管口13,第一管口10连接左管组11的入口,第二管口13连接右管组12的入口,左管组11的出口连接左侧管21,右管组12的出口连接右侧管22;所述第一管口10和第二管口13设置在中心管8的相对的两侧。右管组的位置是左管组沿着中心管的轴线旋转180度后的位置。
所述中心管8、左侧管21、右侧管22的两端的端部设置在上下管板16、19的开孔中,用于固定。第一管口10和第二管口13位于中心管8的上侧。
作为优选,所述左侧管21与中心管8之间设置左回流管14,所述右侧管22与中心管8之间设置右回流管15。作为优选,所述回流管设置在中心管的端部。优选中心管的两端部。
作为优选,所述流体是相变流体,汽液相变流体,所述第一热源91、第二热源92和第三热源93与控制器进行数据连接,所述控制器控制第一热源91、第二热源92和第三热源93进行加热。
所述流体在中心管8进行加热蒸发,沿着环形管束向左右两个集管21、22流动,流体受热后会产生体积膨胀,从而形成蒸汽,而蒸汽的体积远远大于水,因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动,能够诱导环形管自由端产生振动,换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体,流体也会相互之间产生扰动,从而使得周围的换热流体形成扰流,破坏边界层,从而实现强化传热的目的。流体在左右侧管冷凝放热后又通过回流管回流到中心管。相反,流体也可以在左右侧管加热,然后进入中心管冷凝后通过回流管返回到左右侧管进行循环。
本发明通过对现有技术进行改进,将冷凝集管和管组分别设置为左右分布的两个,使得左右两侧分布的管组都能进行振动换热除垢,从而扩大换热振动的区域,越能够使的振动更加均匀,换热效果更加均匀,增加换热面积,强化换热和除垢效果。
发明蒸汽发生器的3个热源在周期内交替式的加热,能够实现弹性盘管周期性的频繁性的振动,从而实现很好的除垢以及加热效果,保证时间上加热功率基本相同。
作为优选,所述左管组的环形管是以左侧管的轴线为圆心分布,所述右管组的环形管是以右侧管的轴线为圆心分布。通过将左右侧管设置为圆心,可以更好的保证环形管的分布,使得振动和加热均匀。
作为优选,所述管组为多个。
作为优选,所述中心管8、左侧管21、右侧管22沿着高度方向上设置。
作为优选,左管组21和右管组22在高度方向上错列分布,如图3所示。通过错列分布,能够使得在不同高度上进行振动换热和除垢,使得振动更加均匀,强化换热和除垢效果。
作为优选,沿着中心管8的高度方向,所述管组1(例如同一侧(左侧或者右侧))设置为多个,沿着壳程内气体流动方向,管组1(例如同一侧(左侧或者右侧))的管径不断变大。
作为优选,沿着壳程内气体流动方向,管组(例如同一侧(左侧或者右侧))的环形管管径不断变大的幅度不断的增加。
通过换热管的管径幅度增加,可以保证壳程气体出口位置充分进行换热,形成类似逆流的换热效果,而且进一步强化传热效果,使得整体振动效果均匀,换热效果增加,进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现,采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。
作为优选,沿着中心管8的高度方向,所述同一侧(左侧或者右侧)管组设置为多个,沿着壳程内气体流动方向,同一侧(左侧或者右侧)相邻管组的间距不断变小。
作为优选,沿着壳程内气体流动方向,同一侧(左侧或者右侧)管组之间的间距不断变小的幅度不断的增加。
通过换热管的间距幅度增加,可以保证壳程气体出口位置充分进行换热,形成类似逆流的换热效果,而且进一步强化传热效果,使得整体振动效果均匀,换热效果增加,进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现,采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。
在试验中发现,左侧管21、右侧管22、中心管8的管径、距离以及环形管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大,则换热效率太差,环形管之间的距离太小,则环形管分布太密,也会影响换热效率,集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积,则对于自由端的振动会产生影响,从而影响换热。因此左侧管21、右侧管22、中心管8的管径、距离以及环形管的管径具有一定的关系。
本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发,计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下:
中心管8的中心与左侧管21的中心之间的距离等于中心管8的中心与右侧管22的中心之间的距离,为L,左侧管21的管径、中心管8的管径、右侧管22的半径为R,环形管中最内侧环形管的轴线的半径为R1,最外侧环形管的轴线的半径为R2,则满足如下要求:
- 一种远程控制的加热气体的管壳式换热器
- 一种切换热源加热气体的管壳式换热器